شارك
الرئيسية
تعتبر المحركات النفاثة من المعدات العالية التعقيد التي لها وظيفة بسيطة تتمثل في توليد قوة دفع شديدة بما يكفي تمكّن الطائرات من التحليق. على الأرجح سيتمكن أي شخص شعر بقوة تدفعه للخلف في مقعد الطائرة بينما تزداد سرعتها على المدرج قبل الإقلاع من فهم ما يحدث بشكل حدسي. تسحب المحركات العَنفية المروحية تحت أجنحة الطائرة الهواء وتنفثه بسرعة كبيرة باتجاه الخلف، ما يولّد قوة الدفع.
قد تختلف بعض التفصيلات في آليات عمل المحركات التي تستخدمها شركات مثل جنرال إلكتريك (General Electric) ورولز رويس (Rolls-Royce) وبرات آند ويتني (Pratt & Whitney)، ولكن آلية العمل الأساسية هي نفسها.
تقول مديرة فريق الأنظمة الفرعية في شركة رولز رويس، إيما بوث (Emma Booth): “تعتمد آلية عمل المحركات العنفية المروحية النفاثة على قانون نيوتن الثالث الذي ينص على أنه لكل فعل رد فعل يعاكسه بالاتجاه ويساويه بالشدّة”.
اقرأ أيضاً: كيف تعمل محركات الدفع الصاروخي بمختلف أنواعها؟
وعلى الرغم من أن هذا الشرح العمومي قد يبدو بسيطاً، فإن العمليات الداخلية في هذه المحركات معقّدة بقدر ما هي مدهشة. سنورد في هذا المقال ما يجب أن تعرفه عن آليات العمل الداخلية لهذه المحركات التي تضغط الهواء وتحرق الوقود وتصبح درجات الحرارة فيها شديدة الارتفاع.
المراوح في مقدمة المحرك وسحبُ الهواء
إذا نظرت إلى المحرك من الخارج (يمكنك فعل ذلك في أثناء الوقوف عند إحدى البوابات)، يمكنك رؤية شفرات المراوح في مقدمة المحرك مثبتة على جسمه. يمكن أن تكون أقطار هذه الشفرات كبيرة للغاية. على سبيل المثال، يحتوي محرك جي إي 9 إكس (GE9X) من شركة جنرال إلكتريك على مروحة بـ 16 شفرة يبلغ قطر كل منها 3.3 أمتار. يمكن أن يولّد هذا المحرك قوة دفع تساوي 467 ألف نيوتن، ويمكن أن تزداد هذه القوة أكثر، علماً أن هذا المحرك سجّل رقماً قياسياً لقوة الدفع في عام 2017.
يقول المهندس الرئيسي في شركة جنرال إلكتريك إيروسبيس (GE Aerospace)، كريستوفر لورنس (Christopher Lorence): “تولّد المراوح الكبيرة التي توجد في مقدمة المحركات 90% من قوة الدفع الإجمالية التي تولدها هذه المحركات”.
لنأخذ محرك جي إي 90 (GE90) الذي يستخدم في طائرات مثل بوينغ 777 من شركة بوينغ (Boeing) مثالاً؛ تقول الشركة إن هذا المحرك يسحب ما مقداره 1,633 كيلوغراماً من الهواء في الثانية الواحدة في أثناء إقلاع الطائرة.
تسحب المراوح الهواء إلى داخل المحرك، ومع تحرك الهواء عبره، تنتقل كمية أصغر نسبياً من الهواء في مسار محدد عبر مركز المحرك (الذي يدعى أيضاً قلب المحرك). مع ذلك، لا تمر غالبية كمية الهواء عبر مركز المحرك، بل تتجه مباشرة إلى الخلف. يولّد الهواء الذي لا يمر في مركز المحرك القدر الأكبر من قوة الدفع التي ترفع الطائرة عن الأرض.
اقرأ أيضاً: بالاحتراق الداخلي: كيف يعمل محرك السفينة؟
تُعرف النسبة بين حجم الهواء الذي لا يمر عبر مركز المحرك وذلك الذي يمر فيه باسم نسبة الالتفافية (bypass ratio)، وتسعى الشركات المصنّعة لمحركات الطائرات إلى رفع هذه النسبة قدر الإمكان لزيادة كفاءة محركاتها. يقول لورنس: “الطريقة الأكثر كفاءة لرفع هذه النسبة هي زيادة كمية الهواء التي يسحبها المحرك ورفع ضغط الهواء قليلاً. تمتعت محركات الطائرات الأولى بنسبة التفافية منخفضة للغاية، ما يعني أن معظم [كمية] الهواء الذي تسحبه يمر عبر مركز المحرك، بينما تمر كمية محدودة فقط من الهواء عبر المسارات الجانبية بسرعات مرتفعة للغاية”. لكن تتمتع المحركات العنفية المروحية اليوم بنسبة التفافية مرتفعة للغاية.
مع ذلك، لا تتمتع محركات الطائرات المستخدمة في القوات المسلحة، مثل الطائرات الحربية النفاثة، بنسبة الالتفافية العالية التي تتمتع بها الطائرات التجارية. لا تصمم هذه الطائرات بطريقة تمنح الأولوية القصوى لكفاءة استهلاك الوقود، بل هناك أولويات أخرى أهم مثل قابلية المناورة والوصول إلى سرعات تتجاوز سرعة الصوت والتخفّي، كما أن محركاتها التي تكون مدمجة بجسم الطائرة تحتوي أيضاً على مكون يحمل اسم الحارق اللاحق يعزز قوة الدفع التي تولدها.
ماذا يحدث داخل مركز المحرك؟
تحتاج شفرات المراوح في مقدمة المحرك إلى الطاقة كي تدور، وهنا يدخل مركز المحرك المعادلة. تمر النسبة المنخفضة من الهواء التي تدخل إلى مركز المحرك (التي تقول بوث إنها تبلغ نحو 10% مقابل نسبة 90% التي تتجاوز المحرك) في عملية متعددة المراحل.
تحمل المرحلة الأولى في مركز المحرك اسم مرحلة المِكبس، التي يتم ضغط الهواء فيها؛ تزداد كثافة الهواء في هذه المرحلة ما يرفع درجة حرارته. تقول بوث: “يحتوي المحرك على عدة قياسات من الشفرات (التي تدور في المكبس) والرِيش (التي تبقى ساكنة)، ويُضغط الهواء أكثر فأكثر كلما تضاءل حجم هذه الشفرات”.
اقرأ أيضاً: كهربائياً كان أم تقليدياً: كيف يعمل محرك السيارة؟
يقاوم الهواء عملية الضغط، ولذلك يتطلب ضغطه استهلاك الطاقة. تقول بوث: “يشبه الأمر محاولة دفع المياه على منحدر باتجاه الأعلى”.
تلي مرحلة المكبس مرحلة الحارق. يشتعل وقود المحرك النفاث في هذه المرحلة ويرفع درجة حرارة الهواء أكثر، يقول لورنس إنه إذا تراوحت درجة حرارة الهواء في نهاية مرحلة المكبس بين 648 و704 درجات مئوية، فمن الممكن أن تصل درجة حرارته بعد مرحلة الحارق إلى نحو 1,649 درجة مئوية. للمقارنة، تقترب درجة حرارة الحمم في براكين جزر هاواي من 1,170 درجة مئوية.
يقول لورنس إن ما يُثير الدهشة هو أن درجة حرارة الهواء البالغ السخونة الذي يخرج من الحارق “أعلى من نقطة انصهار شفرات التوربينات التي سيصطدم بها تالياً. ويجب ضخ الهواء عبر هذه الشفرات لمنعها من الانصهار”. يأتي هذا الهواء الأبرد نسبياً من المكبس. يستخدم المهندسون في شركة رولز رويس طريقة مشابهة لمنع شفرات التوربين من الانصهار.
يسعى المهندسون أيضاً إلى رفع درجة الحرارة داخل المحرك قدر الإمكان. يقول لورنس: “كلما ازدادت درجة الحرارة، ستزداد كفاءة مركز المحرك”.
اقرأ أيضاً: كيف يعمل المولد الكهربائي؟
التوربينات وتوليد الطاقة
بعد تسخين الهواء لدرجات حرارة بالغة الارتفاع، سيتم استخدامه لغرض إضافي، وهو تدوير التوربينات. تحتوي محركات شركة جنرال إلكتريك على توربينَين، أحدهما مرتفع الضغط والثاني منخفض الضغط. يقول لورنس: “تخرج كمية كبيرة من الهواء الذي يتمتع بطاقة عالية من مرحلة الحارق. ويتمثّل الهدف من تسخين الهواء في تحرير هذه الطاقة في المراحل التي يمر فيها عبر التوربينات”.
يؤدي كل من التوربينين وظيفة محددة. يقول لورنس إن التوربين المرتفع الضغط “يستخدم طاقة الهواء لتدوير مكبس يزود مركز المحرك بالطاقة. بعد ذلك، يستخدم التوربين منخفض الضغط طاقة الهواء لتدوير عمود المحرك الذي يُدوّر بدوره المروحة [في مقدّمة المحرك]”.
تحتوي محركات ترينت من شركة رولز رويس، التي تستخدم في طائرات مثل إيرباص أيه 350 (Airbus A350)، على توربين ثالث متوسط الضغط بين التوربينين المرتفع الضغط والمنخفض الضغط. في هذه الحالة، يعمل التوربينان الأول والثاني على ضغط الهواء بينما يزوّد الثالث شفرات المراوح في مقدمة المحرك بالطاقة.
باختصار، يُضغط الهواء الذي يدخل إلى مركز المحرك ويُسخّن من خلال حرق الوقود. ويحرّك هذا الهواء التوربينات، التي يزوّد أحدها شفرات المروحة في مقدمة المحرك بالطاقة. تذكّر، الهواء الذي لا يدخل مركز المحرك هو الذي يولّد قوة الدفع الأكبر مقارنة بالهواء الخارج من عادم مركز المحرك.
اقرأ أيضاً: كيف يعمل جهاز الطرد المركزي؟
تقول بوث إن الهواء الذي يتجاوز مركز المحرك “يتحرك بسرعة أخفض مقارنة بالهواء الذي يدخل المركز، لكنّ هذا الأخير يتمتع بكثافة عالية، ما يتيح له توليد قوة دفع شديدة أيضاً”. ونتيجة لقوة الدفع هذه، تستطيع الطائرات التحليق في الهواء.