كيف يعمل المحرك النفاث، وما هي أنواعه المختلفة؟

من أحلام إيكاروس الجريئة إلى الطائرات الأسرع من الصوت اليوم، لم يتوقف الإنسان أبداً عن دفع حدود السماء إلى الوراء.

وفي قلب هذا الغزو الجوي اختراع ثوري: المحرك النفاث. فهذه التحفة الهندسية القوية والمعقدة والرائعة، تحوّل الاحتراق البسيط إلى قوة هائلة قادرة على دفع مئات الأطنان عبر السحاب.

ولكن كيف يعمل المحرك النفاث حقاً؟ ما هي المبادئ الفيزيائية والابتكارات التاريخية التي جعلتها ممكنة؟

تعمّق في أحشاء هذه المحركات الميكانيكية العملاقة، حيث يلتقي العلم مع القوة الخالصة، واكتشف القصة المذهلة للمحركات التي غيّرت العالم.

تاريخ المحركات النفاثة: ملحمة علمية وتقنية

منذ العصور القديمة، حلم الإنسان بغزو السماء. وتوضح أسطورة إيكاروس، الذي يطير بأجنحة مصنوعة من ريش الطيور، هذا المسعى القديم. ولكن لم يحول العلم والتكنولوجيا هذا الحلم إلى حقيقة إلا بعد قرون من الزمن.

The theoretical beginnings (16ᵉ-18ᵉ centuries)

في القرن السادس عشر، رسم ليوناردو دافنشي أول آلات طيران مستوحاة من الطيور. ومع ذلك، في ذلك الوقت، كانت القوة الدافعة الوحيدة المتاحة في ذلك الوقت لا تزال القوة العضلية. لن تظهر الأسس العلمية للطيران حتى القرنين السابع عشر والثامن عشر بفضل أعمال :

• إسحاق نيوتن (قوانين الديناميكا),
• دانيال برنولي (مبدأ الرفع الديناميكي الهوائي).

الإنجازات الأولى (القرن 19ᵉ)

مهدت الثورة الصناعية الطريق للتجارب الملموسة:

• في عام 1890، تمكن الفرنسي كليمان آدير من إخراج طائرته Éole، وهي طائرة تعمل بالبخار مستوحاة من طيران الخفافيش، من الأرض. وعلى الرغم من عدم قدرتها على المناورة، إلا أنها كانت خطوة حاسمة إلى الأمام.
• في 17 ديسمبر 1903، قام الأخوان أورفيل وويلبر رايت بأول رحلة جوية تعمل بالطاقة والتحكم فيها بطائرتهما Flyer، التي تعمل بمحرك احتراق داخلي.

ظهور المحرك النفاث (القرن العشرين)

على الرغم من أن الطائرات الأولى استخدمت المراوح، إلا أن محدودية هذه التقنية دفعت المهندسين إلى البحث عن بديل. بدأ العمل على الدفع النفاث في ثلاثينيات القرن العشرين، مع رواد مثل:

• فرانك ويتل (المملكة المتحدة),
• هانز فون أوهاين (ألمانيا).

دخلت أول طائرة نفاثة عاملة، وهي طائرة Messerschmitt Me 262، الخدمة في عام 1944، مما أحدث ثورة في مجال الطيران الحديث.

واليوم، تعمل المحركات النفاثة على تشغيل غالبية الطائرات المدنية والعسكرية، حيث توفر السرعة والقوة والكفاءة. تُظهر هذه القصة من الجرأة والابتكار كيف تجاوزت البشرية حدود الممكن.

كيف يعمل المحرك النفاث

النشأة والتطور

صمم الألمان أول محرك نفاث، أو المحرك التوربيني النفاث، في عام 1939. إلا أنه كان نتيجة عدة قرون من الأبحاث.

يتم تبسيط تشغيل المحركات المستخدمة اليوم في هذا الفيديو:

المبدأ الأساسي

يعتمد تشغيل المحرك النفاث على تسلسل دقيق:

1. الشفط والضغط

يتم شفط الهواء بواسطة منفاخ، ثم يتم ضغطه باستمرار.

2. الاحتراق

يدخل الهواء المضغوط إلى غرفة الاحتراق، حيث يتم خلطه مع البارافين وإشعاله. يؤدي التفاعل الناتج إلى تمدد الغازات عند درجة حرارة عالية وضغط مرتفع.

3. التمدد والدفع

يتم طرد الغازات المتوسعة إلى الوراء بسرعة عالية جداً من خلال فوهة متقاربة (التي تضيق)، مما يخلق قوة دفع إلى الأمام (وفقاً لمبدأ نيوتن: تفاعل الفعل – التفاعل).

4. التغذية المستمرة

عندما تغادر الغازات الضاغط، فإنها تدفع توربيناً يقع على نفس محور الضاغط. تتسبب حركة التوربين في حركة الضاغط، مما يسمح باستمرار الدورة طالما أن المحرك يعمل بالطاقة.

الدعم الديناميكي الهوائي

الدفع وحده لا يكفي: فدوران الهواء فوق الأجنحة هو الذي يولد الرفع اللازم لجعل الطائرة تطير.

التحديات الحالية

تعمل شركات الطيران وشركات تصنيع الطائرات باستمرار على:

• تقليل الانبعاثات (ثاني أكسيد الكربون والجسيمات) من خلال تحسين غرف الاحتراق.
• تحسين كفاءة استهلاك الوقود، على سبيل المثال مع المحركات ذات النسبة العالية من التجاوز (مثل المحركات التوربينية).
• تقليل استهلاك الوقود، وهو تحدٍ اقتصادي وبيئي كبير.

للحصول على عرض مبسط، يشرح هذا الفيديو العملية.

قوانين نيوتن للحركة

في القرن السابع عشر، وضع إسحاق نيوتن ثلاثة قوانين أساسية تحكم الميكانيكا الكلاسيكية:

1. مبدأ القصور الذاتي: يظل الجسم في حالة سكون أو في حركة مستقيمة منتظمة ما لم تؤثر عليه قوة ما.
2. مبدأ الديناميكا: القوة المؤثرة على جسم ما تساوي كتلته مضروبة في عجلته (F = m × a).
3. مبدأ الفعل المتبادل (أو الفعل ورد الفعل): لكل فعل يوجد رد فعل مقابل، مساوٍ في الشدة ولكن معاكس في الاتجاه.

التطبيق على الدفع النفاث

يقع قانون نيوتن الثالث في صميم كيفية عمل المحركات النفاثة. عندما تقذف الطائرة الغازات إلى الخلف بسرعة عالية، فإنها تمارس قوة رد فعل (قوة دفع) تدفع الطائرة إلى الأمام. وكلما زادت سرعة وضخامة الغازات النفاثة، زادت قوة الدفع.

تحليق الطائرة والرفع

يفسر هذا القانون نفسه أيضاً كيفية بقاء الطائرة عالياً:

• تمارس الأجنحة، من خلال شكلها وميلها، قوة دفع لأسفل على الهواء (الحركة).
• ورداً على ذلك، يمارس الهواء قوة معاكسة لأعلى، تُسمّى الرفع، والتي تعوّض وزن الطائرة.

وبهذه الطريقة، فإن تعويض القوى (الدفع والسحب والرفع والوزن) يتيح تحليقاً مستقراً ومضبوطاً.

(ملاحظة: هذه المبادئ ضرورية أيضًا في علم الملاحة الفضائية، حيث يعتمد الدفع الصاروخي بالكامل على قذف الغازات وفقًا لقانون نيوتن الثالث)

المحرك النفاث الأول: ثورة في مجال الطيران

البدايات: جون باربر والتوربين الغازي (1731)

في وقت مبكر من عام 1731، توصل الإنجليزي جون باربر إلى مفهوم كان بمثابة مقدمة للمحرك النفاث عندما قدم براءة اختراع لتوربين غاز الاحتراق الداخلي.

وقد احتوى محركه بالفعل على العناصر الرئيسية: ضاغط وغرفة احتراق وتوربين يعمل بالوقود.

ولسوء الحظ، لم تكن التقنيات في ذلك الوقت تنتج طاقة كافية لجعلها تعمل بشكل صحيح.

ثم طغى على تطوير توربينات الغاز نجاح التوربينات البخارية التي كانت أكثر كفاءة في ذلك الوقت. ولم تظهر الفكرة من جديد حتى القرن العشرين.

العصر الحديث: ويتل، فون أوهاين والدفع النفاث

في الثلاثينيات من القرن العشرين، أحيت أعمال الروماني هنري كواندا والفرنسي ماكسيم غيوم الاهتمام بالدفع النفاث. لكن المهندس البريطاني السير فرانك ويتل هو من أحدث ثورة حقيقية في هذا المجال.

في عام 1937، صمم ويتل محركاً نفاثاً مبتكراً: فبدلاً من استخدام محرك مكبس لضغط الهواء، قام بتركيب توربين في اتجاه مجرى الهواء، مستفيداً من طاقة غازات العادم لدفع الضاغط. وقد جعلت هذه البنية المحرك أكثر قوة واقتصادية من طرازات المكبس.

وفي نفس الوقت تقريباً، قام الألماني هانز فون أوهاين بتطوير محرك مماثل لشركة هاينكل. وفي عام 1939، أصبحت طائرة هاينكل He-178 أول طائرة نفاثة في العالم. إلا أن رحلتها الأولى لم تدم طويلاً عندما تم امتصاص طائر في المحرك.

سباق التسلح وظهور الطيران الحديث

أدت الحرب العالمية الثانية إلى تسريع التقدم التكنولوجي. فقد كانت ألمانيا والمملكة المتحدة في سباق على الأداء، بينما لحقت الولايات المتحدة والاتحاد السوفييتي بالركب بسرعة بعد عام 1945. وانضمت فرنسا، التي تأخرت بسبب الاحتلال، إلى المنافسة في وقت لاحق.

في الخمسينيات من القرن العشرين، تم تركيب المحركات النفاثة التوربينية على أول طائرة مدنية، مما يمثل بداية حقبة جديدة في مجال النقل الجوي.

وقد أحدث هذا الابتكار، الذي وُلد من رحم سلسلة من الإخفاقات والإنجازات المتتالية، تحولاً نهائياً في مجال الطيران، حيث قدم طائرات أسرع وأكثر كفاءة وموثوقية.

هاينكل He-178 – مصدر الصورة: ويكيميديا كومنز

ما هي الأنواع المختلفة للمحرك النفاث؟

هناك عدة فئات من المحركات النفاثة، كل منها يتكيف مع احتياجات محددة:

1. المحركات النفاثة التوربينية

بشكل عام، تقوم المحركات النفاثة التوربينية بتحويل الطاقة الكيميائية الموجودة في الوقود إلى طاقة حركية.

ومنذ البداية، شكّل تطوير المحركات النفاثة التوربينية تحدياً كبيراً في القطاعين العسكري والمدني على حد سواء.

وهي تنقسم إلى نوعين فرعيين:

• المحركات النفاثة التوربينية الضاغطة بالطرد المركزي: المحركات النفاثة التوربينية الضاغطة بالطرد المركزي بسيطة التصنيع وقوية. إلا أنها تتطلب محركاً بقطر كبير، مما يقلل من السرعة النهائية للطائرة.
• المحركات النفاثة التوربينية الضاغطة المحورية: هذه المحركات أكثر قوة بفضل سلسلة من المراوح التي تضغط الهواء. ومع ذلك، فهي تتطلب مواد أكثر تقدماً.

في كلتا الحالتين، يجب أن يكون المحرك قادراً على تحمل درجات حرارة تصل إلى 2000 درجة مئوية.

2. المحركات التوربينية

في المحرك التوربيني، يتم وضع مروحة أمام الضاغط. وهي تسحب كمية أكبر من الهواء، الذي ينقسم بعد ذلك إلى تدفقين:

• التدفق الابتدائي: يمر التدفق الابتدائي إلى غرفة الاحتراق، لذا فهو تدفق هواء ساخن.
• التدفق الثانوي: يتم إخراج التدفق الثانوي مباشرةً على جانبي المحرك؛ وهو عبارة عن تدفق هواء بارد يوفر 80% من قوة الدفع.

عند المخرج، يختلط الهواء البارد مع الهواء الساخن، مما يؤدي إلى التبريد. يستخدم هذا النظام في معظم الطائرات التجارية لتحسين قوة الدفع وتقليل ضوضاء المحرك.

المحرك الالتفافي – رصيد الصورة: ويكيبيديا

3. الرامجيت

تُستخدم محركات الرامج النفاثة الآن في الطائرات المقاتلة والصواريخ لأنها يمكن أن تصل إلى سرعات عالية جداً.

• المزايا: قوة دفعها أكبر لأن الوقود يعاد حقنه في غرفة الاحتراق، وهي عملية تعرف باسم الاحتراق اللاحق. كما أنها لا تحتوي على أجزاء متحركة وبالتالي فهي خفيفة الوزن.
• العيوب: تتطلب سرعة أولية لتشغيلها ولا تتكيف بشكل جيد مع درجات الحرارة القصوى بمرور الوقت.

المحركات النفاثة الفائقة (مثل محركات كونكورد النفاثة التوربينية/النفث النفاث الهجين) تصل إلى سرعات تفوق سرعة الصوت.

4. المحركات التوربينية

تزيد المحركات التوربينية النفاثة من قوة دفعها عن طريق قذف أكبر قدر ممكن من الغاز. وهذا ليس هو الحال مع المحركات التوربينية.

تعتمد المحركات التوربينية على القوة الدورانية لمروحة متصلة بالجزء الخارجي من الطائرة لتوفير معظم قوة الدفع.

توفر المحركات التوربينية الحل الأكثر اقتصاداً للرحلات الجوية القصيرة. فهي أكثر كفاءة وتستهلك وقوداً أقل، ولكنها محدودة من حيث الارتفاع والمسافة.

لمعرفة المزيد عن الطرازات المختلفة للطائرات التوربينية، قم بزيارة هذه الصفحة.

مصدر الصورة: ويكيميديا كومنز

5. المحركات التوربينية (للمروحيات)

تم تصميم محركات العمود التوربيني للطائرات المروحية. مثل المحركات التوربينية النفاثة، فهي مزودة بتوربينات.

تحتوي المروحيات المنتجة اليوم، مثل مروحية دوفين، على توربين حر.

وهذا يحوّل الطاقة الحركية والحرارية لغازات العادم إلى طاقة ميكانيكية.

كما أنه يمكِّن شفرات المروحية من الدوران بسرعة مختلفة عن سرعة الضاغط، وبالتالي ضمان استقرار الطائرة.