Posts in category: هواپیما

موتور هواپیما چگونه کار می کند؟

در مباحث هوانوردی، پیشران یک وسیله پرنده به دلیل پیچیدگی و بهره­مندی از تکنولوژی­های پیشرفته، همواره این ماشین را به یک موضوع جذاب تبدیل کرده است و اغلب طرفداران هوانوردی، موتور هواپیما را یکی از اجزای مورد علاقه خود نام می برند.

تصور عموم از موتور هواپیما ، وسیله­ای است که وظیفه­اش تنها به جلو راندن هواپیماست و کاربرد دیگری ندارد، در حالی که تنها یکی از وظایف موتور، ایجاد نیروی جلوبرنده است. اما آیا می دانستید برق تمام سامانه­های الکتریکی و الکترونیکی اعم از سیستم­های ارتباطی و روشنایی هواپیما توسط موتور تامین می­شود؟

یا می­دانستید هوایی که در داخل کابین هواپیما تنفس می­کنید، از طریق کمپرسور موتور تامین شده است؟

یا حتی هنگامی که هواپیما فرود می­آید بیشترین نیروی ترمز و کاهش سرعت هواپیما برعهده موتور هواپیماست؟ همچنین می دانستید که تامین قدرت سیستم های هیدرولیکی هواپیما برای باز و بسته کردن چرخ ها و به حرکت درآوردن سطوح کنترلی، بر عهده موتوراست؟ و این ها فقط بخشی از وظایف نام برده شده­ی موتور هواپیماست. شاید الان بتوانید موتور را به عنوان قلب تپنده هواپیما درنظر بگیرید و به اهمیت بالای آن در هواپیما پی ببرید.

برای اینکه با موتور آشنا شوید، ابتدا باید نحوه ایجاد نیروی جلوبرندگی توسط موتور را به شما معرفی کنیم و سپس به هر یک از  اجزای موتور و نقش آن ها بپردازیم.

ایجاد نیروی جلوبرندگی

قانون سوم نیوتون می تواند به درک ما از نحوه ایجاد نیروی جلوبرندگی کمک کند. این قانون بیان می کند که اگر مقداری از هوا توسط جسمی به عقب رانده شود، آن جسم متناسب با مقدار و سرعت هوایی که به عقب رانده است، به همان میزان، به جلو رانده می­شود. ساده ترین مثال آن بادکنک پر از بادی است که از انتهایش آن را رها کنیم، در نتیجه مشاهده می شود هوا در هر لحظه با سرعت زیادی از آن خارج شده و عکس العمل آن باعث به جلو راندن (پرتاب شدن) بادکنک می­شود. موتور هواپیما نیز همانند بادکنک مورد مثال ، حجم قابل توجهی از هوا را با سرعت زیادی به عقب می­راند و عکس العمل آن باعث به جلو راندن هواپیما می شود. بنابراین هرچه هوای بیشتری و با سرعت بالاتری توسط موتور به عقب رانده شود ، نیروی جلوبرندگی بیشتری خواهیم داشت که اصطلاحا به آن ایجاد مومنتوم می گویند.

انواع موتورهای هوایی

موتور­های هوایی براساس کاربرد­های مختلف به چند صورت طراحی شده­اند که عبارتند از:

• توربو جت (Turbo-Jet): موتورهای توربو­ جت، عمده تولید مومنتوم خود را از گاز­های خروجی موتور تامین می­کنند. این موتور­ها می­توانند سرعت های زیادی را ایجاد کنند اما به دلیل سر و صدا و مصرف سوخت بالا، تولید آن­ها برای هواپیماهای مسافربری تجاری متوقف و امروزه مصرف نظامی دارند.

• توربوفن ( Turbo Fan): موتورهای هواپیماهای مسافربری تجاری اغلب از موتور های توربوفن بهره می برند . این نوع موتور ها دارای فن نسبتا بزرگ در جلوی خود هستند که تقریبا 80% نیروی جلوبرندگی موتور را تامین می­کند و مابقی نیروی جلوبرندگی توسط عکس العمل گاز های خروجی از موتور تامین می­شود.

• توربو پراپ(Turbo Prop): موتورهای توربو پراپ، در حقیقت از نیروی ملخ برای تولید نیروی جلوبرندگی استفاده می‌کنند و حدود 90% نیروی تولیدی را شامل می­شود. این موتورها، نیروی جلوبرندگی و سرعت بسیار کمتری از موتورهای جت تولید می‌کنند، اما مصرف سوخت موتورهای توربوپراپ، بسیار کمتر (حدود دو سوم موتور توربوفن) می­باشد. کاربرد این موتور ها اغلب در هواپیماهای سبک و هواپیماهای مسافربری برای مسافت های کوتاه، می­باشد.

• توربو شفت(Turbo Shaft): بالگرد ها بیشترین کاربر این موتورها می­باشند. اجزای این موتور با سایر موتورهای جت تفاوتی ندارد اما مکانیسم آن­ها تولید نیروی جلوبرندگی نیست بلکه ایجاد گشتاور(Torque) است که منجر به چرخاندن ملخ بالگرد می‌گردد.

اجزای موتور

موتور های رایج در هواپیماهای مسافربری تجاری معمولا ساختار یکسانی دارند و از سه بخش اصلی تشکیل شده اند:

1. کمپرسور(Compressor) : افزایش فشار و دمای هوای ورودی به موتور و انتقال این هوا به محفظه احتراق توسط کمپرسور انجام می­شود.
2. محفظه احتراق (COMBUSTION CHAMBER): واکنش شیمیایی بین هوا و سوخت جهت ایجاد یک مخلوط پر انرژی را فراهم می­کند و آن را به توربین انتقال می­دهد.
3. توربین (TURBINE): وظیفه آن گرفتن انرژی از مخلوط هوا و سوخت تولید شده توسط محفظه احتراق است تا بتواند کمپرسور، فن و اجزای جانبی موتور را بچرخاند.

اجزای جانبی موتور

این اجزا روی یک گیربکس سوار هستند و گیربکس نیز به وسیله یک شفت متصل به کمپرسور قدرت می­گیرد.

این اجزاء عبارتند از :

1. ژنراتور(GENERATOR): وظیفه آن تولید برق مصرفی در هواپیماست مانند سیستم های ارتباطی ، سیستم روشنایی و سیستم های سرگرمی و …
2. پمپ هیدرولیک (HYDRAULIC PUMP): فشار لازم جهت جابه جایی سطوح کنترلی هواپیما و همچنین باز و بسته کردن چرخ ها را تامین می­کند.
3. استارتر(STARTER): وظیفه آن چرخاندن شفت موتور هواپیما جهت راه اندازی آن است که معمولا در موتورهای توربوفن از نوع نیوماتیکی هستند زیرا اندازه و جرم شفت به قدری است که استارتر های الکتریکی توان چرخاندن آن را ندارند.
4. معکوس کننده (THRUST REVERSER ):  از دیگر اجزای جانبی موتور است که وظیفه آن تغییر دادن جهت هوای به عقب رانده شده توسط فن می­باشد و درنتیجه جهت نیروی جلوبرندگی را برعکس می­کند تا رانش معکوس ایجاد شده و سرعت هواپیما کاهش پیدا کند. از این وسیله خلبانان هنگام فرود هواپیما روی زمین استفاده می­کنند که اغلب اوقات مسافران متوجه افزایش صدای موتور هنگام فرود می­شوند که ناشی از فعال شدن معکوس کننده موتور است.

سیستم های بهره­مند از هوای کمپرسور  

هوای داغ و پرفشاری که توسط کمپرسور موتور تولید می­شود (اصطلاحا به آن Bleed Air می­گویند) یکی از کاربردی­ترین سیال های هواپیماست که می­توان به چند نمونه از کاربرد های آن اشاره کرد:

1. سیستم نیوماتیکی هواپیما که سیستم استارت موتور جهت راه اندازی اولیه­ی آن شامل می­شود، از این هوا بهره می­برد.
2. سیستم تهویه مطبوع (Air Condition System) که وظیفه فراهم کردن هوای تازه به داخل کابین مسافر را دارد از این هوای پرفشار استفاده می­کند.
3. سیستم ضدیخ (Anti-Ice system) که از تشکیل تکه های یخ روی لبه بال و موتور جلوگیری می­کند، از این هوا در مواقع ضروری بهره­مند می­شود.

سینا بهاری – کارشناس تداوم صلاحیت پروازی شرکت کاموتک پرواز

هواپیما چگونه پرواز می کند؟

بی ­تردید پرواز از یک گوشه دنیا به سوی دیگر، آن هم تنها در عرض چند ساعت یک امتیاز بزرگ محسوب می­شود. امتیازی که تنها یک قرن از بوجود آمدن آن می­گذرد. بشر از قرن­ها پیش با الهام گرفتن از طبیعت، به فکر ابداع ابزاری برای رسیدن به آرزوی پرواز بوده است. به طوری که در گذشته افراد بسیاری در تلاش بودند تا با استفاده از طرح­هایی مشابه با بال پرندگان، بتوانند رویای پرواز را به ثمر برسانند. سرانجام پس از گذشت سال­ها برادران رایت موفق به اختراع هواپیما شدند، اتفاقی که در آن، دست به کاری زدند که امروز نزدیک به  10هزار هواپیما تنها در آمریکا در یک روز، بال به آسمان می­گشایند. هواپیما بی­شک، یکی از برگترین دستاوردهای بشری است.

اما یک هواپیما چگونه پرواز می­کند؟

اگر فکر می­کنید علت اصلی به پرواز درآمدن هواپیما، موتور آن است، سخت در اشتباه هستید، چراکه بسیاری از وسایل پرنده مانند گلایدرها و یا حتی هواپیماهای کاغذی، بدون موتور نیز به راحتی پرواز می­کنند. موتورهای هواپیما نیرویی برای حرکت به سمت جلو فراهم می­کنند، اما باعث بلند شدن هواپیما از روی زمین نمی­شوند. این بال­ها هستند که اختلاف فشار لازم برای بلند شدن هواپیما از روی زمین را به­ وجود می­آورند. با افزایش نیروی تولید شده توسط موتورها، جریان هوا به سرعت به بال­ها برخورد کرده و با استفاده از ویژگی­های آیرودینامیکی، اختلاف فشار لازم توسط بال­ها برای بلند شدن هواپیما به وجود می­آید. اما چگونه این اتفاق می افتد؟

با انجام یک آزمایش بسیار ساده، به راحتی می­توانیم علت پرواز هواپیما را درک کنیم. یک برگ کاغذ را مطابق دهان خود قرار داده و روی سطح بالایی فوت کنید. با دمیدن هوا بر روی کاغذ، از فشار هوای بالای کاغذ، کاسته شده و در نتیجه فشار هوا در پایین کاغذ بیشتر از فشار آن در بالا شده و در اثر این اختلاف فشار، نیرویی رو به بالا بر کاغذ وارد می­شود و آن را بالا می­برد.

به همین راحتی با استفاده از همین دانش، دانشمندان توانسته­اند بال هواپیما را طراحی کنند و هواپیما قدرت پرواز داشته باشد.

بال هواپیماها یک سطح فوقانی منحنی و یک سطح زیرین هموارتر دارند. این حالت باعث به وجود آمدن شکلی به نام مقطع آیرودینامیکی (Airfoil) می شود.

تصور کنید که دو مولکول هوا به جلوی بال هواپیما رسیده و از هم جدا می شوند. یکی از این مولکول ها به سمت بالا پرتاب شده و دیگری به آرامی در کف باقی می­ماند. این دو مولکول بایستی همزمان به انتهای بال برسند. در نتیجه هوای بالای بال دارای سرعت بیشتری نسبت به هوای پایین بال شده و سبب اختلاف فشار در بالا و پایین بال و ایجاد یک نیروی خالص به طرف بالا می شود. این نیرو می تواند حتی از نیروی جاذبه­ی وارد بر هواپیما هم بیشتر شده و آن را به طرف بالا حرکت دهد.

حال به تعریف نیروهای اصلی وارد شده به هواپیما می­پردازیم:

برآ: نیرویی که بر اثر برخورد هوا با سطوح فوقانی و تحتانی بال، ایجاد و موجب بالا رفتن هواپیما یا ادامه پرواز آن می  شود.

پسا: نیرویی است که در حین پیشروی، در برابر حرکت هواپیما مقاومت می­کند.

تراست : همان نیرویی است که هواپیما را به سمت جلو هدایت می کند که توسط موتورها تامین می شود.

وزن: همان شتاب گرانشی اعمال شده به جرم هواپیما از جانب زمین است و آن را به طرف خود می­کشد.

این­ها چهار نیروی اصلی وارد شده به هواپیما می­باشند که پرواز هواپیما درگروی عملکرد آنها است: وزن (Weight)، نیروی پیشران (Thrust)، نیروی پسا (Drag) و نیروی برآ (Lift) یا بالابرنده. نیروی وزن با بلند شدن هر چیزی از زمین و به پرواز درآمدنش مخالفت میکند. نیروی پیشران یا تراست نیز از گردش بسیار سریع ملخ هواپیما یا در موتورهای جت، از انبساط گازهای ناشی از احتراق  و چرخش پره­های توربین به وجود می­آید که وظیفه به جلو راندن هواپیما را بر عده دارد. در واقع این همان نیرویی است که پنکه­های خانگی نیز آن را تولید می­کنند. نیروی پسا یا مقاومت، درست در جهت مخالف نیروی پیشران به هواپیما اعمال می­شود و آن را به عقب می­راند. اگر دستتان را از پنجره اتومبیلی که در حال حرکت است بیرون ببرید، آن مقاومت هوا که دستتان را به سمت عقب هل می­دهد همان نیروی پسا است. اما چهارمین نیرو یا نیروی برآ، همان نیرویی است که هواپیما را مستقیماً به بالا هل میدهد و باعث به پرواز درآمدنش می­شود. این نیرو به حدی قدرت دارد که می­تواند هیولایی چون بوئینگ ۷۴۷ با بیش از 370 تن وزن را از زمین بلند کند.

در یک پرواز صاف، مستقیم و بدون شتاب هر۴ نیروی آیرودینامیکی ذکر شده با هم در توازن هستند. بدین معنی که نیرو­های مقابل به هم، ۲ به ۲ با یکدیگر برابر می­باشند. یعنی Thrust با Drag و Lift با Weight برابر است.

در این مقاله سعی شد تا به ساده­ترین شکل ممکن چگونگی پرواز هواپیما را تشریح کنیم. در شماره­ی آتی به نحوه هدایت و کنترل هواپیما می­پردازیم.

                                         سیدحمید گروسی

قائم مقام شرکت دانش­بنیان کاموتک پرواز