كيف يعمل المحرك النفاث

تاريخ المحركات النفاثة

منذ أسطورة إيكاروس الذي يصنع أجنحة من ريش الطيور ويطير بها، يحاول الناس منذ أسطورة إيكاروس التي صنع فيها أجنحة من ريش الطيور ويطير بها، يحاول الناس فهم الطريقة التي تحلق بها بعض الأنواع في السماء من أجل إعادة إنتاجها بالآلات. طور ليوناردو دافنشي المفاهيم الأولى في القرن ^{السادس عشر}. ولكن في ذلك الوقت، كانت القوة المحركة الوحيدة المعروفة هي قوة العضلات البشرية. لم تظهر المبادئ الأساسية التي ستمكننا فيما بعد من فهم كيفية تحليق الطائرات حتى القرنين السابع عشر ^{والثامن} عشر، مع علماء مثل نيوتن وبرنولي. في القرن ^التاسع عشر، أدت الثورة الصناعية إلى عدد من التطورات التقنية. كان الفرنسي كليمان آدير أول من أخرج طائرة من الأرض باستخدام محرك بخاري، مستخدماً مضرباً. وبعد ذلك بعقد من الزمن، في عام 1903، قام الأخوان رايت بأول رحلة جوية بمحرك آلي في التاريخ.

كيف يعمل المحرك النفاث

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

يشرح هذا الفيديو كيفية عمل محركات اليوم:

[تضمين]https://www.youtube.com/watch?v=kMZ7Hu8TNps[/embed]

المبدأ بسيط:

يتم امتصاص الهواء بواسطة منفاخ، ثم يتم ضغطه بشكل دائم؛ ثم يمر إلى غرفة الاحتراق حيث يتفاعل مع البارافين ويشتعل. يؤدي التفاعل الناتج إلى تمدد الغازات التي تنفخ بعد ذلك إلى الخلف من خلال فوهة، مما يدفع الطائرة إلى الأمام. تنطلق الغازات بسرعة عالية جداً أثناء مرورها عبر محرك نفاث يتقلص شكله.

وبالإضافة إلى ذلك، أثناء خروجها من المحرك، تقوم الغازات بتدوير توربين يقع على نفس محور الضاغط بعد غرفة الاحتراق مباشرةً. تتسبب حركة التوربين في حركة الضاغط، مما يتيح حدوث التفاعل بشكل مستمر. تتحرك الطائرة ويجعلها الهواء المتدفق فوق جناحيها تطير.

تحاول شركات الطيران باستمرار تحسين أداء غرف الاحتراق لتقليل انبعاثات الطائرات.

قوانين نيوتن للحركة

في القرن ^السابع عشر، وضع نيوتن ثلاثة قوانين أساسية لتفسير الحركة. الأول هو مبدأ القصور الذاتي، والثاني مبدأ الديناميكية. القانون الذي يهمنا هو قانون نيوتن الثالث، مبدأ الحركة المتبادلة.

ويعتمد الدفع التفاعلي على مبدأ الفعل ورد الفعل هذا، والذي ينص على أن لكل فعل رد فعل مساوٍ له في المقدار ومضاد له في الاتجاه. وبالتالي، سيؤثر الهواء المقذوف إلى الخلف بقوة مساوية في المقدار ومعاكسة في الاتجاه على الطائرة، ما يدفعها إلى الأمام. علاوة على ذلك، كلما زادت سرعة نفاثة الغاز المقذوف، زادت قوة الدفع.

يشرح قانون نيوتن أيضًا كيفية تحليق الطائرة: إذا كان الجناح يمارس قوة على الهواء (وزنه، وهي قوة دافعة إلى الأسفل)، فإن الهواء يمارس قوة معاكسة على الجناح، تُسمّى قوة الرفع (إلى الأعلى). يؤدي التعويض عن هذه القوى إلى إبقاء الطائرة في الهواء.

المحرك النفاث الأول

في عام 1731، بدأ الإنجليزي جون باربر في تسجيل براءات اختراع لتوربينات غاز الاحتراق الداخلي، وهو المحرك النفاث السابق للمحرك النفاث. وقد تألف محركه من ضاغط وغرفة احتراق وتوربينات، وكلها تعمل بالوقود من مادة قابلة للاشتعال. ومع ذلك، لم يتمكن باربر من جعل اختراعه يعمل لأن التقنيات المستخدمة في ذلك الوقت لم تكن قادرة على توليد طاقة كافية.

ثم تأخر تطوير التوربينات الغازية بسبب نجاح التوربينات البخارية. وأخيراً، وبعد عمل الروماني هنري كواندا والفرنسي ماكسيم غيوم في ثلاثينيات القرن العشرين، جاء أخيراً رجل بريطاني هو السير فرانك ويتل الذي أحدث ثورة في مجال النقل الجوي باستخدام الدفع التوربيني النفاث. فبدلاً من استخدام محرك المكبس لضغط الهواء، اختار ويتل استخدام توربينات في اتجاه مجرى الهواء تستخدم الطاقة التي توفرها غازات العادم لدفع الضاغط. كان هذا المحرك الجديد أكثر اقتصاداً وقوة من محرك المكبس.

تم تطوير المحركات التوربينية النفاثة الأولى في وقت واحد في إنجلترا وألمانيا. قام الألماني هانز فون أوهاين بتطوير أول محرك نفاث لشركة هاينكل في عام 1939. وكانت أول طائرة نفاثة هي طائرة هاينكل He-178، التي استُخدمت في القتال. ومع ذلك، أجهضت أول رحلة جوية عندما تم امتصاص طائر في المحرك. أدى سباق التسلح خلال الحرب العالمية الثانية إلى تسريع ولادة الطيران الحديث. ولحقت الولايات المتحدة والاتحاد السوفيتي بالركب في نهاية الحرب، وتبعتهما فرنسا التي كانت متخلفة عن الركب بسبب الاحتلال الألماني. ظهرت أول طائرة مدنية تعمل بمحركات نفاثة في الخمسينيات.

الأنواع المختلفة من المحركات النفاثة

بشكل عام، تقوم المحركات النفاثة التوربينية بتحويل الطاقة الكيميائية الموجودة في الوقود إلى طاقة حركية. وقد شكّل تطوير المحركات النفاثة التوربينية تحدياً كبيراً منذ البداية، سواء في المجال العسكري أو المدني. أصبحت المحركات النفاثة اليوم أكثر تعقيداً بكثير مما كانت عليه في الماضي. على سبيل المثال، فهي مزودة بمعاكسات الدفع، والتي تعمل على كبح الطائرة. يتم إعادة توجيه الطائرة النفاثة نحو مقدمة المحرك.

هناك عدة فئات فرعية من المحركات النفاثة:

• المحركات النفاثة بضاغط الطرد المركزي
• المحركات النفاثة النفاثة ذات الضاغط المحوري
• المحركات النفاثة ذات التدفق المزدوج
• محركات الرامج النفاثة
• المحركات التوربينية
• المحركات التوربينية الحرة

المحركات الموصوفة أعلاه هي محركات نفاثة توربينية ضاغطة بالطرد المركزي. وهي سهلة التصنيع وقوية، ولكن عيبها أنها تتطلب محركاً بقطر كبير، مما يقلل من السرعة النهائية للطائرة. لذلك تم اختراع المحركات النفاثة التوربينية المحورية. يتم ضغط الهواء من خلال سلسلة من المراوح وتكون الكفاءة أفضل، ولكن هذا يتطلب مواد أكثر تطوراً. وفي كلتا الحالتين، يجب أن يكون المحرك قادراً على تحمل درجات حرارة تصل إلى 2000 درجة مئوية.

في المفاعل الالتفافي، يتم وضع مروحة أمام الضاغط. وهي تسحب كمية أكبر من الهواء، والتي تنقسم بعد ذلك إلى تدفق أولي وثانوي. يمر التدفق الأولي من خلال غرفة الاحتراق، لذا فهو تدفق هواء ساخن. ويتم إخراج التدفق الثانوي مباشرةً من جانبي المحرك؛ وهو عبارة عن تدفق هواء بارد يوفر 80% من قوة الدفع. وعند المخرج، يختلط الهواء البارد بالهواء الساخن، مما يؤدي إلى التبريد. يُستخدم هذا النظام في معظم الطائرات الطائرات التجارية لتحسين قوة الدفع وتقليل ضوضاء المحرك.

تُستخدم محركات الرامج النفاثة الآن في الطائرات المقاتلة والصواريخ لأنها يمكن أن تصل إلى سرعات عالية جداً. قوة دفعها أكبر لأن الوقود يُعاد حقنه في غرفة الاحتراق، وهي عملية تُعرف باسم الاحتراق اللاحق. علاوة على ذلك، لا تحتوي هذه المحركات على أجزاء متحركة، وبالتالي فهي خفيفة الوزن. وتتمثل عيوبها في أنها لا يمكن أن تعمل بسرعة أقل من سرعة معينة ودرجة الحرارة مرتفعة للغاية، وهو أمر لا يمكن تحمله مع مرور الوقت بالنسبة للعديد من المواد. كما أنها تحتاج إلى تزويدها بسرعة أولية لكي تعمل. يمكن لمحركات Superstatorjet النفاثة أن تصل إلى سرعات تفوق سرعة الصوت. كان محرك كونكورد هجيناً بين المحرك النفاث التوربيني والمحرك النفاث.

تزيد المحركات التوربينية النفاثة من قوة دفعها عن طريق قذف أكبر قدر ممكن من الغاز. ليس هذا هو الحال مع المحركات التوربينية. فهي تعتمد على القوة الدورانية لمروحة مروحية 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 طرازات المحركات التوربينية المختلفة، تفضل بزيارة هذه الصفحة.

تم تصميم محركات العمود التوربيني للطائرات المروحية. ومثل المحركات النفاثة التوربينية، فهي مزودة بتوربين. تحتوي المروحيات المنتجة اليوم، مثل دولفين ، على توربين حر. يعمل هذا على تحويل الطاقة الحركية والحرارية لغازات العادم إلى طاقة ميكانيكية، كما يسمح أيضاً لشفرات المروحية بالدوران بسرعة مختلفة عن سرعة الضاغط، وبالتالي ضمان استقرار الطائرة.