- إنضم
- 18 مارس 2011
- المشاركات
- 243
- التفاعل
السلام عليكم ورحمة الله وبركاتة
قصدى من هذا الموضوع ان يكون موسوعة مثبته لمحركات الطائرات وانواعها والشركات المصنعة
واعتذر على طول الموضوع ولكنه يستاهل
ارجو من الادارة التثبيت ........
نبدا با سم الله الرحمن الرحيم
اولا :: سيتم التعرف على المحرك النفاث
ثانيا:: الخط الزمنى للمحرك النفاث
ثالثا::انواع المحركات
رابعا:: محركات المقاتلات ( التوربينى المروحى) واجزاؤه
المحرك النفاث هو محرك ينفث الموائع (الماء أو الهواء) بسرعة فائقة لينتج قوة دافعة اعتماداً على مبدأ قانون نيوتن الثالث للحركة. هذا التعريف الواسع للمحركات النفاثة يشمل أيضا التوربين النفاث، والتوربين المروحي، والصواريخ، والنفاث التضاغطي، والنفاث النبضي، وأيضا المضخات النفاثة. ولكن باللفظ الشائع يُقصد بالمحرك النفاث: محرك بريتون لدورة التوربين الغازي، أو اختصاراً، التوربين الغازي ذي ضاغط الغاز المدعوم من دفع الهواء أو الماء له، والذي تنتج طاقته المتبقية الدفع أو القوة الدافعة. ألف الناس بأن التوربين الغازي يعرّف بأنه أحد التطبيقات المنفصلة عن المحرك نفاث، بدلاً من القول وبطريقة أصح بأنه جزء من المحركات النفاثة التي تشكل محركات احتراق داخلي[1] دون أن تُظهر أي شكل من أشكال الاحتراق خارج المحرك.
التسلسل الزمني لتاريخ المحرك النفاث:
ماقبل النفاث:
يمكن تقفي جذور المحركات النفاثة إلى القرن الأول الميلادي، عندما اخترع هيرون الإسكندراني محرك بخاري بسيط أسماه "كرة إيولوس" (باللاتينية: Aeolipile)[3][4] تيمنا بإله الرياح عند الإغريق، وهو يستخدم قوة البخار من خلال فتحتين نفاثتين متعاكستين، الأمر الذي يجعل الكرة تدور بسرعة شديدة حول محورها. ويقول الخبراء أنه ليس من الظاهر حتى الآن أن هذا المحرك استخدم لتوليد القوة الحركية، وإن أية تطبيقات عملية له لم يتعرف عليها أحد بعد، فيُعتقد أنه كان قد صُنع لمجرد الفضول لا غير.
عام 1633، أقلع العالم العثماني لاجاري حسن جلبي مع ماوصف بصاروخ مخروطي الشكل وهبط هبوطًا رائعًا على الأرض باستخدام شكل من أشكال الأجنحة البدائية، مما جعل السلطان يكافئه على ذلك، فجعله في منصب رفيع بالجيش العثماني،[5] إلا أن ذلك يعتبر اليوم أنه نوع من الألعاب البهلوانية لا أكثر.
بدايات النفاث الأولى:
كانت تصاميم المحركات النفاثة الأولى تصاميمًا هجينة، حيث كانت مصادر الطاقة تستخلص أولاً بضغط الهواء ثم تُخلط مع الوقود للاحتراق لتولّد دفعًا نفاثًا للمحرك. صممت تلك المحركات الأولى على يد سكندو كامبيني وأطلق عليها تسمية النفاثات الحرارية
تنافس بريطانيا وألمانيا:
عام 1929 عرض الطيّار المتدرج فرانك ويتل أفكاره عن التوربين النفاث بشكل رسمي إلى رؤسائه، [14][15] وحصل على براءة الاختراع بعد ذلك بسنة في إنجلترا واعتمدت عام 1932.[16][17] أخرج هذا الاختراع للعالم ضاغط دفع محوري ذو مرحلتين يغذي ضاغط الطرد المركزي أحادي الطرف، وكان يركز على أبسط ضاغط بالطرد المركزي فقط. كان من نتيجة هذا الاختراع أن ظهر أول محرك يعمل على الوقود السائل ويحتوي على مضخة خاصة به عام 1937، وأثناء تجربة المحرك، صعق فريق ويتل عندما لم استمر المحرك بالعمل على الرغم من منع الوقود عنه، فتبين أن الوقود يتسرب داخل المحرك الذي لم يتوقف عن العمل حتى احترق جميع الوقود بداخله، لذلك لم يستطع ويتل أن يقنع الحكومة بجدوى اختراعه وهكذا استمر تطوير المحرك النفاث بوتيرة بطيئة
في عام 1935 بدأ هانز فون أوهين العمل على تصميم مشابه بألمانيا،[19] غير عالم بمحاولة ويتل السابقة على ما يظهر. كان المحرك التجريبي الأول لأوهين أكثر تكاملاً وعمل على الطاقة خارجية، إلا أنه لم يستطع اثبات المفهوم الأساسي للمحرك. وبعد هذه المحاولة قابل أوهين إرنست هينكل أحد كبار مصنعي الطائرات في ذاك الوقت وعرض عليه تصميم للمحرك الموعود. وكان هينكل قد اشترى لتوه مصنع هيرث للمحركات فخصص قسمًا خاصًا لأوهين ومسؤول الميكانيك ماكس هان اللذان شرعا بإنتاج وتشغيل الطراز الأول لمحركات HeS 1 في سبتمبر من سنة 1937، باستخدام الهيدروجين كوقود يضخ تحت ضغط خارجي. استخدمت التصاميم اللاحقة من شاكلة HeS 3 (بقدرة 5 كيلونيوتن) البنزين كوقود، وجهزت إحدى تلك الطائرات، والتي حملت اسم He 178، ليُصار إلى الطيران بها، فحصل ذلك على يد الطيار إيريك وارسيز في صباح 27 أغسطس سنة 1939، وكانت تلك أول طائرة تطير باستخدام محرك نفاث.[
وبحلول تلك الحقبة الزمنية، بدأ العلماء والمسؤولون ينظرون إلى محرك فرانك ويتل بنظرة إيجابية ويأخذون فكرته على محمل الجد، وبدأت شركته المسماة محركات الطاقة المحدودة (بالإنجليزية: Power Jets Ltd) تحصل على الدعم من وزارة الدفاع للمساهمة في مساعدته على إكمال مشروعه، وبتاريخ 15 مايو سنة 1941 طارت أول طائرة تحمل اسم جلوستر E.28/39 بمحرك من إنتاج شركة ويتل، بقوة دفع وصلت إلى 4 كيلونيوتن، وقد أطلق على هذا المحرك تسمية محرك W.1. واجه كل من محرك ويتل ومحرك أوهين مشكلة أساسية هي مشكلة الدفق بالطرد المركزي، وهي عبارة عن قيام الضاغط بدفع الهواء بقوة من المدخل الرئيسي إلى المحيط الخارجي للمحرك، حيث يُضغط الهواء مرة أخرى بواسطة تشكيله مجرى متباعدًا محولاً سرعتها إلى ضغط. كانت الفائدة من وراء ذلك التصميم أنه جعل المحركات النفاثة مفهومة التصميم بشكل أكبر، ومزودة بشاحن ذو طرد مركزي فائق للهواء، يمكن استخدامه على محركات المكبس
وعلى الرغم من هذا التطور، إلا أن تقنية سرعة العمود الدوار للمحرك بقيت محدودة، فالضاغط يحتاج إلى قطر كبير حتى ينتج الطاقة المطلوبة، وهذا يعني أن المحركات تحتاج واجهة أمامية كبيرة نوعًا ما، وهذا غير مفيد لقدرة الطائرة بسبب ازدياد نسبة الاحتكاك مع الهواء بحال تم تضخيم واجهة المحرك، كذلك فإنه في هذه الحالة سوف ينحني مجرى الهواء خلال مقطع الاحتراق بشكل عكسي، ثم التوربين ومن ثم مجرى الذيل، الأمر الذي يشكل تعقيدا أكثر في عمل المحرك وانخفاضًا في مستوى كفاءته، ومع ذلك فإن لمحركات ويتل مزايا مهمة كخفة الوزن وبساطة الصنع والقدرة على الاعتماد عليها، وقد تطورت بسرعة لتواكب التصميمات الصالحة للطيران
أقدم المهندس النمساوي أنسيلم فرانز من شركة يونكرز الألمانية على حل تلك المشكلات سالفة الذكر بابتكاره لضاغط دفع محوري، وهو بالأساس محرك توربيني معكوس، فالهواء يهب بقوة من الأمام نحو مؤخرة المحرك عن طريق منصة المراوح أو قنوات التقارب، حيث تكون قد تبددت أمام مجموعة مراوح ثابتة تُسمى قنوات التباعد، وتبين لفرانز في وقت لاحق أن تلك العملية لا تولد ذات القوة التي يولدها ضاغط الطرد المركزي، لذلك وضع عدد من تلك المراوح الثابتة والمتحركة بالتسلسل في سبيل الحصول على الضغط المطلوب، ومع تلك الإضافات المعقدة، بقي قطر المحرك صغيرًا نوعًا ما، مما أعطى ديناميكية أفضل للطائرة، فسُمي المحرك محرك جامو 004، وبعد حل الكثير من الإشكالات الفنية، أقدمت المصانع على إنتاج الكثير من تلك المحركات ابتداءًا من سنة 1944، وجهزت على طائرات مسرشميدت، وهي أول طائرة نفاثة مقاتلة،[21] ثم جهزت بها أول قاذفة قنابل نفاثة. كان هناك عدد من العوامل التي سببت تأخير توفير تلك المحركات، منها التعطيل عمداً من قبل بعض المهندسين الألمان الذين لم يرغبوا بوصول تلك التصاميم أو الأفكار إلى يد الحلفاء كي لا ينتجوا طائرات من شأنها أن تساهم بالحرب على ألمانيا وقصف مدنها بشكل أكثر فعالية أواخر الحرب العالمية الثانية، وعند نهاية الحرب أخذ الحلفاء المنتصرون تلك التقنية الفنية وعملوا بها وطوروها وأدرجوها في طائرات الولايات المتحدة والإتحاد السوفيتي النفاثة. ما يُستفاد من إرث محركات الدفق المحوري هو بالواقع أن جميع المحركات النفاثة على الطائرات ثابتة الأجنحة قد استلهمت من ذلك التصميم الأم.
ما بعد الحرب:
طورت محركات دفق الطرد المركزي من تقنية الارتكاز، فازدادت سرعة عمود الدوران الرئيسي بالمحرك، وتقلص قطر ضاغط الطرد المركزي. يعتبر المحرك الأقصر من مميزات هذا التصميم، وهو يُستخدم في الطائرات المروحية بشكل خاص، حيث يعتبر حجم المحرك أكثر أهمية من الواجهة الأمامية، وحيث تكون مكونات المحرك أكثر قوة وأشد متانة، وحيث يعتبر ضاغط الدفق المحوري أكثر عرضة للأجسام الغريبة المخربة.
كان استعمال المحركات النفاثة قد أصبح واسع الانتشار في عدد من أسلحة الجو حول العالم بحلول عقد الخمسينات من القرن العشرين، ولم يدخل استعمال هذه المحركات في نطاق الطائرات المدنية بشكل عام إلا بحلول عقد الستينيات، عندما أصابت حمى التطوير محركات المراوح التوربينية فأخرجت المحرك المكبس من النظام بأكمله وجعلته مخصصًا للطائرات الصغيرة المخصصة للخدمات العامة.
استمرت كفاءة المحركات النفاثة سيئة جدا في بعض الأحيان خلال العقد المذكور، وبحلول عقد السبعينات قام المهندسون بحل الكثير من المشاكل عن طريق استخدام مكائن نفاثة ذات تحويلة جانبية عالية، فاستطاعو التغلب على مشاكل الارتفاع والسرعة العاليين في محركات المكبس والمحركات المروحية، واستطاعوا أيضًا حل مشكلة كفاءة الوقود.
أنواع المحركات:
هناك أنواع عديدة من المحركات النفاثة، تحصل جميعها على الدفع من السرعة العالية للعادم النفاث. الجدول المبين أدناه يوضح بعضاً من تلك المحركات
1- المحرك النفاث التوربيني ( Turbojet ):
محرك مثالي للمحركات التوربيني حيث المروحة و الضواغط و غرفة الاحتراق و التوربين و فوهة العادم، كل الهواء المسحوب إلى داخل الضواغط من المروحة يمر عبر نواة المحرك ثم يحرق ثم يتم إفلاته، وهنا ينشأ الدفع المقدم من قبل المحرك عن قوة سرعة إفلات غازات العادم من المؤخرة.
ولزيادة قوة الدفع لبعض المحركات النفاثة لدى الطائرات المقاتلة يوجد هناك قسم ما بعد الإحراق و يسمى (Afterburner) ويوضع قبل العادم وهو عبارة عن أنابيب صغيرة موزعة بشكل منتظم لنشر رذاذ الوقود على الهواء المحترق والقادم من المحرك مما يزيد من حرارة الهواء وتمدده , وبزيادة هذه الحرارة تزيد قوة الدفع بحوالي 40% أثناء الإقلاع و تزيد أكثر أثناء الطيران بسرعات عالية.
2-المحرك التوربيني ذو المروحة (Turbofan )::
وهو المحرك الشائع لدى أغلب الطائرات المدنية في يومنا هذا , حيث تمت إضافة مروحة كبيرة في مقدمة قسم الضواغط ، تسحب هذه المروحة كميات هائلة من الهواء إلى داخل غلاف المحركات إلا أن كمية صغيرة نسبياً منه فقط تذهب عبر النواة للقيام بعملية الاحتراق وأما الباقي فيندفع خارج غلاف النواة وضمن غلاف المحرك( وهذا ما يجعله مختلف عن المحرك النفاث) ليساعد في خفض صوت المحرك و يختلط مع الهواء الحار في العادم مما يزيد قوة الدفع ويقلل استهلاك الوقود.
وتكون محركات Turbojet ,Turbofan فعالة للسرعات فوق 800 كم/س.
3- المحرك المروحي التوربيني ( Turboprop)::
وهو محرك نفاث يدير عمود موصل بمروحة كمروحة المحرك المكبسي , و كثير من الطائرات الصغيرة الاستثمارية تستخدم المحرك المروحي التوربيني، وهذه المحركات فعالة عند الارتفاعات المنخفضة و السرعات المتوسطة حوالي 640 كم/س (400 ميل بالساعة).
الفرق بين Turbofan و Turboprop: أن Turbofan في مروحته Fan ليست لتوليد الدفع و إنما لسحب الهواء أما الدفع ناتج عن نفث الغازات ، أما المروحة الدافعة Propeller فوظيفتها إنتاج الدفع فيما يكون لنفث الغازات من المحرك دفعاً صغيراً يصل إلى 15% من دفع المحرك بشكل عام.
والمحركات الجديدة من هذا النوع زودت بمراوح قصيرة الطول لكن كثيرة العدد وعدل في حوافها لأكثر فعالية في السرعات العالية.
4- محرك عمود الإدارة التوربيني ( Turboshaft):
محرك شبيه بالمحرك المروحي التوربيني لكنه لا يدير المروحة بل لإدارة مراوح الهيلوكبتر , وهو يستخدم بأكثر طائرات الهيلوكبتر الموجودة حالياُ , و المحرك مصمم بحيث أن سرعة المراوح مستقلة عن سرعة المحرك مما يتيح لسرعة المراوح أن تكون ثابتة حتى لو تغيرت سرعات المحرك ليتكيف مع الطاقة المنتجة , وبما أن أغلب الطائرات المستخدمة لهذا المحرك تكون على ارتفاعات منخفضة فإن الغبار والأتربة قد تسبب عائقاً له لذا فقد أضيف له عند مدخل الهواء عازل ومصفي من الأتربة.
5- المحرك النفاث التضاغطي (Ramjet )::
وفكرة هذا المحرك بسيطة وهي الاستغناء عن الضواغط والتوربين , و السماح للمحرك بنفسه بالتعامل مع الهواء بضغطه وتسخينه ودفعه إلى الخلف.
وهذا النوع من المحركات لا يعمل إلا أن يكون متحركاً بسرعة 485 كم/س تقريباًً ( للسماح بالهواء للدخول بسرعة وضغطه ) , وهو جداً فعال في السرعات العالية تقريباً 3 ماخ ( 3600 كم/س) ويستخدم غالباً في الصواريخ طويلة المدى والمركبات الفضائية.
6- المحرك الصاروخي (Rocket engine):
و يعمل محرك الصاروخ بنفس المبدأ، عدا أنه في مجال عديم الهواء في الفضاء يجب على الصاروخ أن يحمل على ظهره هوائه الخاص بشكل وقود صلب أو سائل قابل للتأكسد من أجل القيام بعملية الانفجار.
وساستفيض هنا عن المحرك التوربينى المروحى ( turbo fan) باعتباره محرك المقاتلات الحربية :
كان هناك بعض الفروقات ما بين محركات النفاثة المدنية والعسكرية خلال عقد الستينات من القرن العشرين، باستثناء نظام إعادة الإحراق لبعض التطبيقات الفوق صوتية (وتستخدمها الطائرات العسكرية لزيادة السرعة). للتوربين المروحي المدني سرعة عادم منخفضة حاليًا (الدفع النوعي منخفض)، وذلك لتقليل ضوضاء النفاث إلى أقل ما يمكن ورفع كفاءة التوفير بالوقود، من ثم فإن المعدل الجانبي أو معدل التخفيف\التجاوز (تيار الهواء الجانبي مقسومًا على تيار الهواء داخل فلب المحرك حسب المحرك التوربيني أو المروحي الخارجي) يكون مرتفعًا بعض الشيء (تعتبر المعدلات التي تتراوح بين 4:1 و 8:1 معدلات عادية)، لذلك يحتاج هذا المحرك إلى مروحة مفردة فقط، لأن انخفاض معدل الدفع النوعي يشمل انخفاضًا بمعدل ضغط مروحي.[26]
أما محركات التوربين المروحي العسكرية الحالية فلها دفع نوعي مرتفع نوعًا ما، وحتى يمكن زيادة الدفع لأقصى حد ممكن، فقد خفضت الواجهة الأمامية للطائرة.[27] وفي المجال العسكري لا تعطىر ضوضاء المحركات ذات الأهمية كما بالمجال المدني، لذلك يستخدم الخبراء مراوح متعددة المراحل لإعطاء معدل ضغط مروحي عال للوصول إلى دفع نوعي مرتفع. بالرغم من حرارة مدخل التوربين إلا أن المعدل الجانبي يكون منخفضًا، حيث يصل في العادة لأقل من 2:1
المكونات الرئيسية:
مدخل الهواء:
1-المدخل ما دون الصوتي:
فتحة بيتوت (نسبة إلى مخترعه الفرنسي هنري بيتوت) هي الطريقة المثلى لتطبيقات المدخل ما دون الصوتي، فهذه الفتحة هي بمثابة أنبوب مضخم ذو شكل إيرودينامي انسيابي.
في حالة ما إذا كانت السرعة تساوي صفر (حالة الوقوف) فإن الهواء الداخل يأتي من عدة اتجاهات: مباشر ومنحني والآتي من الخلف، فيمتصه مقدمة المدخل.
تكون حزمة خط تيار الهواء الذي يصل طرف المدخل في حالة السرعة المنخفضة أكبر بالمقطع العرضي من نطاق تيار الطرف نفسه، بينما في تصميم الفتحة بسرعة 1 ماك، يكون كلا النطاقين متساويين. يصبح تيار الهواء أقل كثافة بالسرعة العالية، وقد يخرج التيار الزائد من حول الطرف.
تبدأ موجة الصدمة بالظهور عندما يبدأ الهواء بالتسارع حول طرف المدخل بداية من سرعة 0.85 ماك.
تعتبر الدقة بعمل محور نطاق الطرف هي الطريقة الأمثل للمحافظة على ضغط المدخل طوال الرحلة وعدم تعرضه لتشويه.
2-المدخل فوق الصوتي:
يستغل المدخل الفوق صوتي موجات الصدمة كي يخفف من سرعة تيار الهواء إلى وضع تحت صوتي بمدخل الضاغط. وهناك شكلين من أشكال موجات الصدمة:
أ- موجات صدمة طبيعية: وتكون عمودية على اتجاه التيار. يكون هذا الشكل حاد المقدمة ويؤثر على التيار بالسرعة تحت الصوتية، ويُلاحظ عند التدقيق بالمجهر أن جزيئات الهواء تتحطم إلى مجموعة من جزيئات تحت صوتية مثل موجات ألفا. تميل الموجة الصدمية إلى إحداث هبوط قوي بمنطقة ضغط الركود، فكلما ازدادت سرعة الماك على مدخل موجة الصدمة العادية، كلما قل خروج السرعة تحت الصوتية منها وزادت نسبة قوتها، بمعنى أن فقدان ضغط الركود خلال تلك الموجة ترتفع نسبته.
ب- الموجات الصدمية تكون إما مخروطية (ثلاثية الأبعاد) أو مائلة (ببعدين) وزواياها متجهة للخلف، تشبه بشكلها الشكل الذي يتخلف عند اصطدام موجات الماء بمقدمة السفينة، وبعد اصتدامها ينتشر تيارها بشكل مخروط أو منحدر. ويكون التيار أضعف بالنسبة للسرعة المعطاة من الموجة الصدمية العادية المشابهة لها,، ولكن وعلى الرغم من تناقص سرعتها إلا أنها لا تزال تعتبر فوق صوتية.
شكل الطرف الحاد لفتحة البيتوت يجعلها تعمل بشكل جيد بالطيران فوق الصوتي المنخفض. تتشكل الموجة الصدمية العادية بمقابل طرف الفتحة وتصطدم بالتيار لتهبط سرعته إلى ما دون سرعة الصوت، ومع ذلك فكلما ازدادت السرعة فإن الموجة الصدمية ترتفع نسبتها مسببة هبوط قوي لضغط الركود
هناك مداخل أو فتحات فوق صوتية متطورة تشبه نظام البيتوت، منها:
1- الاستفادة من اندماج الموجة الصدمية المخروطية والعادية لتحسين مستوى الضغط بالسرعات فوق الصوتية العالية. تستخدم الموجة المخروطية لتقليل رقم الماك للسرعة فوق الصوتية عند الدخول للـموجة الصدمية العادية، وبالتالي تقل نسبة الناتج العام لمضار الصدمة.
2- تصميم "الصدم على الطرف" للسرعة فوق الصوتية، حيث الموجات الصدمية المخروطية والمائلة تضرب بغطاء الطرف، مما يجعل نطاق مسك حزام التيار يساوي نطاق طرف المدخل، وعندما تقل عن سرعة الصدمة على الطرف فوق الصوتي، تكون زاوية الموجة الصدمية أقل ميلانًا مسببة انكسار خط التيار الداخل للطرف بواسطة المنحدر المخروطي. وفي الوقت ذاته تصبح منطقة مسك المدخل أصغر من نطاق طرف الفتحة مما يقلل تيار هواء المدخل. بالاعتماد على خصائص تيار الهواء للمحرك فإنه يكون مرغوبًا تقليل زاوية النتوء أو تحريك المخروط للوراء لإعادة تركيز الموجات الصدمية على غطاء الفتحة لزيادة تيار هواء المدخل.
3- مصممة حتى تنتشر الصدمة العادية باتجاه تيار طرف المدخل، لذلك فإن الدفق على مراوح الضاغط يكون ما دون الصوتي، مع الأخذ بالحساب إذا قل داعس الوقود على المحرك فسيقل معدل تدفق الهواء على مراوح الضاغط، لكن بحالة فوق الصوتي فإن التيار المعدل عند طرف المدخل سيكون ثابتًا، لأنه محدد بواسطة رقم الماك ودرجة انعراج\سقوط المدخل. يمكن التغلب على هذا التقطع عندما تتحرك الصدمة العادية إلى ما دون مساحة المقطع العرضي للمجرى ليقل رقم الماك للموجة الصدمية على المدخل.
العديد من طائرات الجيل الثاني فوق الصوتية تستعمل المدخل المخروطي، الذي يُستخدم لتشكيل الصدمة الموجية المخروطية، وهو موجود بمقدمة طائرات الميغ 21، أو مع المحرك بجنبي الطائرة كما بطائرة ف 104 وطائرات BAC TSR-2.
استحدث المخترعون مداخل ثنائي المخروط في الوقت الحالي بحيث يوضع أحدها فوق الآخر بشكل هرمي، مما يساعد على إعطاء موجة مخروطية اضافية تنتشر بالوصلة ما بين المخروطين. يعتبر المدخل ثنائي المخروط أكثر كفاءة من الأحادي لأن رقم الماك الداخل على الموجة العادية يقل بسبب وجود المخروط الثاني. ويظهر جلياً على طائرات SR-71 بلاك بيرد ذات محركات برات & وتني 58 التي تجعل المقدمة والمؤخرة مخروطية الشكل بداخل غرفة المحرك كي تمنع موجات الصدمة المشكلة كمسامير من الدخول إلى المحرك مسببة توقف المحرك عن العمل، ولكن إبقائها قريبة بما فيه الكفاية في ذات الوقت لإعطاء ضغط هواء مناسب. إن الموجة المخروطية لا تتحرك إجمالاً وأن تحركت فهذه حالة استثنائية.
جعلت التصاميم الأكثر تطوراً من المخروطي المدخل ذا زاوية بحيث يكون أحد حوافه ناتئ، حيث تتشكل الموجة الصدمية المائلة على حافة النتوء. يتواجد هذا الشكل بالمقاتلات الأمريكية بأشكال متعددة، وعادة ما يظهر النتوء على الحافة العمودية الخارجية من المدخل ثم يدخل بزاوية داخلية إلى جسم الطائرة، ومن الطائرات التي تحمل هذا الشكل: ف 105 وف 4 فانتوم.
تطورت تصاميم المحركات المخروطية بعد ذلك بحيث صار النتوء يقع على قمة الحافة الأفقية بدلاً من الحافة العمودية الخارجية وبزاوية واضحة للأسفل وللخلف. بسّط هذا التصميم تشكيل المداخل وسمح بوجود نتوءات مختلفة تتحكم بتيار الهواء الداخل للمحرك. يُستخدم هذا التصميم بالطائرات التي كانت شائعة في عقد الستينات من القرن العشرين وتلك التي ما زالت شائعة اليوم، مثل: طائرة أف 14 توم كات والتورنادو والكونكورد
ضاغط الغاز:
يعتمد الضاغط المحوري على شفرات ذات دوران سريع ومقطع إيرودينامي مشابه لأجنحة الطائرة. وكما أن أجنحة الطائرة تنهار فإن شفرات الضاغط يصيبها الانهيار والتوقف في بعض الحالات، إذ أن تيار الهواء المحيط بالضاغط المتوقف بإمكانه أن يعكس الاتجاه بعنف. إن كل ضاغط له تصميم لخريطة تشغيل سرعة دوران الهواء المعكوس وهي خصائص ينفرد بها كل نوع.
يكون خط عمل الضاغط ثابت ومستقر بحالة الدفع لكمية الوقود المعطاة، لكنه يزاح عند أي حالة انتقالية. لذلك توضع أجهزة عديدة مرتبطة بنظام منع التوقف المفاجئ في مناطق التصريف أو الثوابت، وهي ذات أشكال هندسية لتقليل احتمال حصول أي طفرة بالدوران. وهناك طريقة أخرى لمنع حصول ذلك، وهي تقسيم الضاغط إلى وحدتين أو أكثر، تعمل على أعمدة مختلفة متحدة المركز.
ومن التصاميم أيضًا تصميم مُعدل تحميل المرحلة، أي ابقاءها بمجال محسوس، وذلك إما عن طريق زيادة عدد المراحل الضاغطة (زيادة بالوزن مما يؤدي إلى زيادة الكلفة)، أو بزيادة سرعة الشفرات (يؤدي إلى زيادة الإجهاد عليها وبالتالي إجهاد الإسطوانة). تكون جميع ضواغط الدفق الضخم محورية، ولا تعتبر المراحل الخلفية بالوحدات الأصغر قادرة على الإجهاد القوي بسبب صغر حجمها. لذلك تُستبدل تلك المراحل بوحدة مفردة للطرد المركزي. تستخدم الضواغط الصغيرة عادةً ضاغطين للطرد المركزي مرتبطين على التوالي. بالرغم من عزلة ضواغط الطرد المركزي فإنها قادرة على العمل بمعدلات ضغط عالية (10:1)، ومما يؤخذ بعين الاعتبار أن اجهاد الدفاعة يحد من معدل الضغط الذي يعمل في دورات المحرك ذات معدلات الضغط العالية.
تؤدي الزيادة بمعدل الضغط العام إلى زيادة الحرارة الخارجة من الضاغط. وهذا يؤدي إلى زيادة الضغط على سرعة العمود، للمحافظة على سرعة رقم الماك على طرف الشفرة بالمرحلة الخلفية للضاغط. تحد اعتبارات الإجهاد من زيادة سرعة عمود الدوران مسببة الضاغط الأساسي أيروديناميكيًا أن يدفع للخلف بمعدل أقل من معدل ضغط المعطاة.
غرفة الاحتراق
يجب أن تكون هناك احتياطات كافية لجعل اللهب مستمرًا مع سرعة تيار دفق الهواء بجميع أحوال دعس الوقود وبالكفاءة الممكنة. وبما أن التوربين لا يمكنه تحمل درجات حرارة دمج العناصر الناتجة من المحرقة فإن الضاغط يرسل الهواء ليخفف حرارة النواتج من غرفة الاحتراق إلى مستوى معقول. يُسمى هواء الضاغط المتجه للحارق "دفق أساسي"، وأما الهواء الذي يُستخدم لتبريد نواتج الحارق فيُسمى "دفق ثانوي".
الخرطوش:
إن الهدف الرئيسي للخرطوش هو إخراج تيار العادم إلى الضغط الجوي العادي، وتشكيله إلى نفث عالي السرعة يدفع الطائرة أو المركبة للأمام. بعض المحركات النفاثة تستخدم الخراطيش المقربة البسيطة.
العديد من محركات الطائرات العسكرية تحتوي على جهاز غرفة الاحتراق المساعد داخل نظام العادم للمحرك. فعندما يعمل النظام تتوسع مساحة رقبة الخرطوش حتى تلائم حجم تمدد الدفق الزائد له. لذلك فالتوربين لا يرتبط بعمل تلك الغرفة. هناك العديد من أشكال رقبة الخرطوش تأتي من تحريك سلسلة من البتلات المتداخلة التي تشبه الشكل الدائري للمقطع العرضي للخرطوش. بعض المحركات النفاثة كالصاروخ تستخدم خرطوش "متقارب - متباعد" للسماح بخروج أكبر قدر من الهواء المتمدد لإعطاء أكبر كمية من الدفع، فلذلك فإن الخرطوش المستخدم بالمحركات التوربينية النفاثة، تكون بتلاته متحركة هندسيًا حتى يسهل تعاملها مع التغير الكبير لمعدل الضغط الخارج من الخرطوش خلال الطيران أو دعس الوقود للمحرك، وهذا الشيء يسبب زيادة في الوزن وارتفاعًا في كلفة التركيب.
ولتفادي هذه الصعوبات يلجأ المهندسون إلى تركيب الخرطوش القاذف، الذي يجعل الخرطوش أكثر كفاءة خلال جريان الهواء الجانبي، ويتمير بوجود بتلات مرنة الحركة. يقلص دفق الهواء شكل العادم في السرعة ما دون الصوتية إلى شكل متقارب وكلما ازدادت السرعة يتوسع الخرطوشين مما يجعل العادم يظهر بشكل متقارب - متباعد إن تعدت السرعة رقم الماك 1. مميزات الخرطوش القاذف هي بساطة التصميم والثبات، وعيوبه هي أدائه المتوسط (مقارنة مع نوع آخر من النظام الخرطوش) ثم زيادة عامل المقاومة الإيردينامية خلال تيار الدفق الثانوي. ومن الطائرات التي تستخدم هذا النوع من الخرطوش: SR-71، الكونكورد، F-111، ومحرك ساب.
وللرفع من جودة الخرطوش، ينبغي استخدام نوع آخر يسمى آيرس نوزل، ويعني بالعربية "خرطوش زهرة السوسن". يستخدم هذا النوع بتلات متداخلة يمكن تحريكها هيدروليكيًا، وهي أكثر تعقيدًا وأفضل جودةً وأسهل لمرور التيار من الخرطوش القاذف. لذلك فهي تجهز للطائرات ذات الكفاءة الأفضل مثل مقاتلات أف 14، إف 15، وأف 16 وأيضًا لقاذفات القنابل الإستراتيجية عالية السرعة مثل B-1 لانسر. ولأنواع الحديثة من تلك الخراطيش خاصية تغيير زاوية (توجيه) الدفع (طائرة الهارير أول طائرة استخدمت نظام توجيه الدفع).
تستخدم محركات الصواريخ أيضًا فوهات أو خراطيش التقارب - التباعد، وتكون البتلات ثابتة لتقليل الوزن. تعتبر مساحة الفوهة لدى الصواريخ أضخم بكثير من مساحة فوهات محركات الطائرة النفاثة لأن معدلات الضغط للخرطوش عالية جدًا مقارنة مع محركات الطائرات.
وبالمقابل فإن بعض محركات التوربين المروحي ذات التحويلة الجانبية العالية تستخدم خرطوش ذو فوهة صغيرة جدًا (أقل من 1.01 نسبة المساحة)، ويُستخدم خرطوش التقارب - التباعد بتيار التحويلة الجانبية أو العادم المختلط للتحكم بخط عمل المروحة.
جهاز عاكس الدفع:
تحتوي على أقداح تدور حول نهاية فوهة الخرطوش وتعكس دفع النفاث كما بطائرات دي سي 9، أو تحتوي على صفائح خلف غطاء المحرك تنزلق للخلف مما يؤدي إلى معاكسة دفع المروحة فتنخفض سرعة الطائرة بشدة (المروحة تنتج معظم الدفع) وهذه الخاصية موجودة عند معظم الطائرات الضخمة مثل طائرة بوينغ 747.
نظام التبريد
تتطلب المحركات النفاثة غازات حارة جدًا حتى تصبح أكثر كفائة، ويؤمن لها ذلك عن طريق حرق وقود هيدروكربوني أو هيدروجيني، الأمر الذي يرفع من درجة حرارة الاحتراق لتصل إلى 3500 كالفن أو 3227 درجة مئوية، وهذا أعلى من درجة ذوبان معظم المعادن. وهذا ما يدعو إلى استخدام نظام التبريد لجعل درجة حرارة المعادن أقل من درجة ذوبانها.
نظام التهوية
يحيط نظام التهوية بغرفة الاحتراق ويضخ على أطراف صفائح التوربين الدوارة هواء التبريد، الذي يمر من خلال فتحات التنظيم إلى شفرات التوربين فتخفف عنه الحرارة العالية ثم يخرج مع تصريف الهواء إلى تيار الغاز الخارج.
هناك بعض تيار التبريد يخرج من الضاغط ويمر على عمود الدوران وغطاء التوربين، ويوجد أنبوب هواء يمر على جدار غرفة الاحتراق للحيلولة دون وصول درجة حرارته للدرجة القصوى. تُستخدم أنابيب رئيسية وثانوية تسمح بمرور طبقة بسيطة من الهواء على جدار الحارق لمنع زيادة درجة الحرارة. تعتمد الحرارة الخارجة على الدرجة القصوى التي يتحملها التوربين، وهذا يعتمد على مادة الصنع. ومن شأن تقليل الحرارة أن يمنع الكلل الحراري ومن ثم يمنع الفشل الحراري.
يستخدم هواء الضاغط أيضا لتدفئة المراوح الخارجية ويُستخدم في نظام منع تكوّن الجليد على الهيكل وتدفئة مقصورة الركاب.
نظام الوقود
يُستخدم نظام الوقود، إلى جانب استخدامه في ضخ الوقود للمحرك، للتحكم بسرعة دسر المراوح الخارجية وبدفق الهواء للضاغط وتبريد زيت التشحيم. يدخل الوقود على شكل رذاذ طيار داخل غرفة الاحتراق، ويتم التحكم بالكمية بشكل تلقائي اعتمادًا على معدل دفق الهواء.
وتسلسل الأحداث لزيادة الدفع يتمثل فيما يلي: داعس الوقود يرتفع فيزداد رذاذ الوقود إلى غرفة الاحتراق فتزداد كمية الاحتراق وهذا يعني أن غازات العادم ستكون أكثر سخونة ويصبح خروجها أسرع مما يعطي مزيدًا من القوة وهذا يؤدي لزيادة دفع المحرك مباشرة. وأيضًا زيادة الطاقة المستخرجة بواسطة التوربين والتي تزيد من سرعة الضاغط، مما يؤدي لزيادة تيار الهواء الداخل للمحرك أيضاً.
يُلاحظ أن معدل كتلة دفق الهواء يتغير بتغير عزم الحركة (كتلة X السرعة) التي تُنتج القوة، وبما أن الكثافة تتغير مع الارتفاع لذا فإن كتلة الهواء الداخل أيضًا تتغير مع تغير الارتفاع والحرارة مما يعني أن مقياس داعس الوقود سيختلف تبعا لتلك التغييرات. لذلك يُلاحظ أن التحكم بدفق الوقود مستحب أن يكون ذاتي التشغيل. عادةً ما يكون هناك نظامين، أحدهما للتحكم بضغط الوقود والآخر بكمية الدفق. فالبيانات المطلوبة التي تؤثر على قدرة مضخة الوقود ذات الضغط العالي هي الضغط والحرارة من المدخل ومن نقاط معينة داخل المحرك، إضافة إلى بيانات الداعس وسرعة المحرك وغيرها.
وحدة التحكم بالوقود ومضخته
تلك الوحدة أشبه بحاسوب ميكانيكي، يقرر الخارج من الطرمبة بواسطة منظومة من الصمامات التي تتحكم بضغط الوقود فتسبب التغير بالكمية. فمثلاً عند زيادة الارتفاع يقل ضغط الهواء الداخل فيتمدد الهواء داخل غرفة الاحتراق بسرعة أكثر مما يسبب خروج وقود زائد عن الحاجة عن طريق صمام الوقود الفائض، فتقلل الطرمبة الرئيسية من ضخ الوقود حتى يتعادل الضغط داخل الغرفة مع ضغط هواء الخارجي فيتوقف خروج الوقود الزائد. يمنع زيادة سرعة المحرك بواسطة منظم السرعة ذي القدرة على تخطي وحدة تحكم الوقود عن طريق حاجز يستشعر سرعة المحرك من حيث الضغط المركزي المتسبب من دوران المضخة. فعند الوصول للمعدل الحرج، يُفتح صمام الوقود الفائض بواسطة الحاجز ويخرج الوقود الزائد مما يخفف سرعة المحرك. يتأثر ضخ الوقود بالمعطيات الخارجية مثل الارتفاع وتغير الضغط الخارجي والتغير بسرعة الطائرة. أما مضخة الوقود فهدفها جعل ضغط الوقود أعلى من الضغط الموجود بغرفة الاحتراق حتى يمكن ضخه بسهولة.
نظام تشغيل المحرك
يعتمد نظام التشغيل على نظام الوقود وعملية اشتعال خليط الهواء مع الوقود داخل غرفة الاحتراق. عادةً ما يكون هناك محرك خاص يُطلق عليه تسمية وحدة الطاقة الاحتياطية (APU)، يُستخدم لتشغيل المحرك من خلال تدوير الضاغط إلى سرعة تمكنه من تشغيل التوربين، وهناك عدة أنواع من نظم التشغيل: كهربائي وهيدروليكي وهوائي.
تستعمل معظم الطائرات المدنية مثل البوينج 737 والإيرباص والطائرات العسكرية الكبيرة هذا النظام، وهو يقع بمؤخرة الطائرة في معظم الطائرات الحديثة أو بأماكن أخرى عند الطائرات الأقدم قليلا، وهو عبارة عن توربين غازي صغير يعمل لإمداد الطائرة بالكهرباء في حالة اطفاء المحركات وتستخدم أيضا لتشغيل المحركات عبر إمدادها بالهواء لتدوير الضاغط ومن ثم تشغيل غرفة الاحتراق لكي يعمل التوربين الذي يشغل المحرك، عند ذلك يمكن اطفاء المحرك الاحتياطي لعدم الحاجة له.
بعض الطائرات كالأف\أي-18 هورنت تستخدم مضخات هيدروليكية لتشغيل المحركات من خلال التروس أو الجيرات، وتلك المضخات يتم التحكم بها كهربائيًا، فالمحرك الإضافي يُستخدم إلى جانب مهمته الرئيسية وهي تشغيل المحرك، لإمداد الطائرة بالكهرباء والضغط اللازم والتبريد بحال انطفاء المحرك الأساسي.
الإشعال
تقع شمعتي اشعال بمكانين مختلفين داخل غرفة الاحتراق، وتظل مستمرة بإصدار شرارة داخل الغرفة حتى تمنع إطفاء الشعلة. وهناك حدود للارتفاع وسرعة الهواء لا ينبغي على المحرك أن يتخطاها حتى يبقى قادرًا على الحصول على نسبة الاشعال المطلوبة. تستخدم محركات جنرال الكتريك 404-400 على سبيل المثال، شاعلاً واحدًا بغرفة الاحتراق وواحدًا بغرفة الاحتراق المساعدة. أما طائرات الإيرباص فتستخدم استشعارًا فوق بنفسجي لتشغيل الشعلة. تعطي الأشكال الحديثة من نظام الإشعال طاقة من شديدة القوة يمكنها أن تكون قاتلة، لذلك يجب أخذ الاحتياطات الملائمة عند التعامل مع التوصيلات الكهربائية عندما يعمل النظام.
نظام التشحيم
يستخدم نظام التشحيم للمحافظة على وجود الشحم في أماكن التحميل والارتكاز لمنع الاحتكاك والتأكد من عدم ارتفاع درجة حرارة تلك الأماكن، ويمنع التشحيم أيضًا دخول الأجسام الغريبة إلى أي من القطع المتحركة داخل المحرك ككراسي التحميل والتروس والمسننات.
يتكون هذا النظام من: خزان الزيت ذي جهاز تفريغ من الهواء، مضخة زيت رئيسية، مرشح رئيسي مع صمام مرشح جانبي، صمام تعديل الضغط، ومبرد زيت. تبدأ طريق مرور الزيت من الخزان فالمضخة الرئيسية ثم المعدل فالمرشح الرئيسي ثم مبرد الزيت حتى يصل للمحرك حيث نقاط التحميل والارتكاز.
عندما ترتفع سرعة المحرك، يزداد الضغط على مناطق التحميل والارتكاز مما يقلل فرق الضغط ما بين تغذية التشحيم والغرفة، الأمر الذي يخفض من معدل الزيت المطلوب، ولذلك فوجود صمام تعديل الضغط لكي يعدل فارق الضغط ضروري حتى يستمر تيار ضغط التشحيم ثابتاً.
قصدى من هذا الموضوع ان يكون موسوعة مثبته لمحركات الطائرات وانواعها والشركات المصنعة
واعتذر على طول الموضوع ولكنه يستاهل
ارجو من الادارة التثبيت ........
نبدا با سم الله الرحمن الرحيم
اولا :: سيتم التعرف على المحرك النفاث
ثانيا:: الخط الزمنى للمحرك النفاث
ثالثا::انواع المحركات
رابعا:: محركات المقاتلات ( التوربينى المروحى) واجزاؤه
المحرك النفاث هو محرك ينفث الموائع (الماء أو الهواء) بسرعة فائقة لينتج قوة دافعة اعتماداً على مبدأ قانون نيوتن الثالث للحركة. هذا التعريف الواسع للمحركات النفاثة يشمل أيضا التوربين النفاث، والتوربين المروحي، والصواريخ، والنفاث التضاغطي، والنفاث النبضي، وأيضا المضخات النفاثة. ولكن باللفظ الشائع يُقصد بالمحرك النفاث: محرك بريتون لدورة التوربين الغازي، أو اختصاراً، التوربين الغازي ذي ضاغط الغاز المدعوم من دفع الهواء أو الماء له، والذي تنتج طاقته المتبقية الدفع أو القوة الدافعة. ألف الناس بأن التوربين الغازي يعرّف بأنه أحد التطبيقات المنفصلة عن المحرك نفاث، بدلاً من القول وبطريقة أصح بأنه جزء من المحركات النفاثة التي تشكل محركات احتراق داخلي[1] دون أن تُظهر أي شكل من أشكال الاحتراق خارج المحرك.
التسلسل الزمني لتاريخ المحرك النفاث:
ماقبل النفاث:
يمكن تقفي جذور المحركات النفاثة إلى القرن الأول الميلادي، عندما اخترع هيرون الإسكندراني محرك بخاري بسيط أسماه "كرة إيولوس" (باللاتينية: Aeolipile)[3][4] تيمنا بإله الرياح عند الإغريق، وهو يستخدم قوة البخار من خلال فتحتين نفاثتين متعاكستين، الأمر الذي يجعل الكرة تدور بسرعة شديدة حول محورها. ويقول الخبراء أنه ليس من الظاهر حتى الآن أن هذا المحرك استخدم لتوليد القوة الحركية، وإن أية تطبيقات عملية له لم يتعرف عليها أحد بعد، فيُعتقد أنه كان قد صُنع لمجرد الفضول لا غير.
عام 1633، أقلع العالم العثماني لاجاري حسن جلبي مع ماوصف بصاروخ مخروطي الشكل وهبط هبوطًا رائعًا على الأرض باستخدام شكل من أشكال الأجنحة البدائية، مما جعل السلطان يكافئه على ذلك، فجعله في منصب رفيع بالجيش العثماني،[5] إلا أن ذلك يعتبر اليوم أنه نوع من الألعاب البهلوانية لا أكثر.
بدايات النفاث الأولى:
كانت تصاميم المحركات النفاثة الأولى تصاميمًا هجينة، حيث كانت مصادر الطاقة تستخلص أولاً بضغط الهواء ثم تُخلط مع الوقود للاحتراق لتولّد دفعًا نفاثًا للمحرك. صممت تلك المحركات الأولى على يد سكندو كامبيني وأطلق عليها تسمية النفاثات الحرارية
تنافس بريطانيا وألمانيا:
عام 1929 عرض الطيّار المتدرج فرانك ويتل أفكاره عن التوربين النفاث بشكل رسمي إلى رؤسائه، [14][15] وحصل على براءة الاختراع بعد ذلك بسنة في إنجلترا واعتمدت عام 1932.[16][17] أخرج هذا الاختراع للعالم ضاغط دفع محوري ذو مرحلتين يغذي ضاغط الطرد المركزي أحادي الطرف، وكان يركز على أبسط ضاغط بالطرد المركزي فقط. كان من نتيجة هذا الاختراع أن ظهر أول محرك يعمل على الوقود السائل ويحتوي على مضخة خاصة به عام 1937، وأثناء تجربة المحرك، صعق فريق ويتل عندما لم استمر المحرك بالعمل على الرغم من منع الوقود عنه، فتبين أن الوقود يتسرب داخل المحرك الذي لم يتوقف عن العمل حتى احترق جميع الوقود بداخله، لذلك لم يستطع ويتل أن يقنع الحكومة بجدوى اختراعه وهكذا استمر تطوير المحرك النفاث بوتيرة بطيئة
في عام 1935 بدأ هانز فون أوهين العمل على تصميم مشابه بألمانيا،[19] غير عالم بمحاولة ويتل السابقة على ما يظهر. كان المحرك التجريبي الأول لأوهين أكثر تكاملاً وعمل على الطاقة خارجية، إلا أنه لم يستطع اثبات المفهوم الأساسي للمحرك. وبعد هذه المحاولة قابل أوهين إرنست هينكل أحد كبار مصنعي الطائرات في ذاك الوقت وعرض عليه تصميم للمحرك الموعود. وكان هينكل قد اشترى لتوه مصنع هيرث للمحركات فخصص قسمًا خاصًا لأوهين ومسؤول الميكانيك ماكس هان اللذان شرعا بإنتاج وتشغيل الطراز الأول لمحركات HeS 1 في سبتمبر من سنة 1937، باستخدام الهيدروجين كوقود يضخ تحت ضغط خارجي. استخدمت التصاميم اللاحقة من شاكلة HeS 3 (بقدرة 5 كيلونيوتن) البنزين كوقود، وجهزت إحدى تلك الطائرات، والتي حملت اسم He 178، ليُصار إلى الطيران بها، فحصل ذلك على يد الطيار إيريك وارسيز في صباح 27 أغسطس سنة 1939، وكانت تلك أول طائرة تطير باستخدام محرك نفاث.[
وبحلول تلك الحقبة الزمنية، بدأ العلماء والمسؤولون ينظرون إلى محرك فرانك ويتل بنظرة إيجابية ويأخذون فكرته على محمل الجد، وبدأت شركته المسماة محركات الطاقة المحدودة (بالإنجليزية: Power Jets Ltd) تحصل على الدعم من وزارة الدفاع للمساهمة في مساعدته على إكمال مشروعه، وبتاريخ 15 مايو سنة 1941 طارت أول طائرة تحمل اسم جلوستر E.28/39 بمحرك من إنتاج شركة ويتل، بقوة دفع وصلت إلى 4 كيلونيوتن، وقد أطلق على هذا المحرك تسمية محرك W.1. واجه كل من محرك ويتل ومحرك أوهين مشكلة أساسية هي مشكلة الدفق بالطرد المركزي، وهي عبارة عن قيام الضاغط بدفع الهواء بقوة من المدخل الرئيسي إلى المحيط الخارجي للمحرك، حيث يُضغط الهواء مرة أخرى بواسطة تشكيله مجرى متباعدًا محولاً سرعتها إلى ضغط. كانت الفائدة من وراء ذلك التصميم أنه جعل المحركات النفاثة مفهومة التصميم بشكل أكبر، ومزودة بشاحن ذو طرد مركزي فائق للهواء، يمكن استخدامه على محركات المكبس
وعلى الرغم من هذا التطور، إلا أن تقنية سرعة العمود الدوار للمحرك بقيت محدودة، فالضاغط يحتاج إلى قطر كبير حتى ينتج الطاقة المطلوبة، وهذا يعني أن المحركات تحتاج واجهة أمامية كبيرة نوعًا ما، وهذا غير مفيد لقدرة الطائرة بسبب ازدياد نسبة الاحتكاك مع الهواء بحال تم تضخيم واجهة المحرك، كذلك فإنه في هذه الحالة سوف ينحني مجرى الهواء خلال مقطع الاحتراق بشكل عكسي، ثم التوربين ومن ثم مجرى الذيل، الأمر الذي يشكل تعقيدا أكثر في عمل المحرك وانخفاضًا في مستوى كفاءته، ومع ذلك فإن لمحركات ويتل مزايا مهمة كخفة الوزن وبساطة الصنع والقدرة على الاعتماد عليها، وقد تطورت بسرعة لتواكب التصميمات الصالحة للطيران
أقدم المهندس النمساوي أنسيلم فرانز من شركة يونكرز الألمانية على حل تلك المشكلات سالفة الذكر بابتكاره لضاغط دفع محوري، وهو بالأساس محرك توربيني معكوس، فالهواء يهب بقوة من الأمام نحو مؤخرة المحرك عن طريق منصة المراوح أو قنوات التقارب، حيث تكون قد تبددت أمام مجموعة مراوح ثابتة تُسمى قنوات التباعد، وتبين لفرانز في وقت لاحق أن تلك العملية لا تولد ذات القوة التي يولدها ضاغط الطرد المركزي، لذلك وضع عدد من تلك المراوح الثابتة والمتحركة بالتسلسل في سبيل الحصول على الضغط المطلوب، ومع تلك الإضافات المعقدة، بقي قطر المحرك صغيرًا نوعًا ما، مما أعطى ديناميكية أفضل للطائرة، فسُمي المحرك محرك جامو 004، وبعد حل الكثير من الإشكالات الفنية، أقدمت المصانع على إنتاج الكثير من تلك المحركات ابتداءًا من سنة 1944، وجهزت على طائرات مسرشميدت، وهي أول طائرة نفاثة مقاتلة،[21] ثم جهزت بها أول قاذفة قنابل نفاثة. كان هناك عدد من العوامل التي سببت تأخير توفير تلك المحركات، منها التعطيل عمداً من قبل بعض المهندسين الألمان الذين لم يرغبوا بوصول تلك التصاميم أو الأفكار إلى يد الحلفاء كي لا ينتجوا طائرات من شأنها أن تساهم بالحرب على ألمانيا وقصف مدنها بشكل أكثر فعالية أواخر الحرب العالمية الثانية، وعند نهاية الحرب أخذ الحلفاء المنتصرون تلك التقنية الفنية وعملوا بها وطوروها وأدرجوها في طائرات الولايات المتحدة والإتحاد السوفيتي النفاثة. ما يُستفاد من إرث محركات الدفق المحوري هو بالواقع أن جميع المحركات النفاثة على الطائرات ثابتة الأجنحة قد استلهمت من ذلك التصميم الأم.
ما بعد الحرب:
طورت محركات دفق الطرد المركزي من تقنية الارتكاز، فازدادت سرعة عمود الدوران الرئيسي بالمحرك، وتقلص قطر ضاغط الطرد المركزي. يعتبر المحرك الأقصر من مميزات هذا التصميم، وهو يُستخدم في الطائرات المروحية بشكل خاص، حيث يعتبر حجم المحرك أكثر أهمية من الواجهة الأمامية، وحيث تكون مكونات المحرك أكثر قوة وأشد متانة، وحيث يعتبر ضاغط الدفق المحوري أكثر عرضة للأجسام الغريبة المخربة.
كان استعمال المحركات النفاثة قد أصبح واسع الانتشار في عدد من أسلحة الجو حول العالم بحلول عقد الخمسينات من القرن العشرين، ولم يدخل استعمال هذه المحركات في نطاق الطائرات المدنية بشكل عام إلا بحلول عقد الستينيات، عندما أصابت حمى التطوير محركات المراوح التوربينية فأخرجت المحرك المكبس من النظام بأكمله وجعلته مخصصًا للطائرات الصغيرة المخصصة للخدمات العامة.
استمرت كفاءة المحركات النفاثة سيئة جدا في بعض الأحيان خلال العقد المذكور، وبحلول عقد السبعينات قام المهندسون بحل الكثير من المشاكل عن طريق استخدام مكائن نفاثة ذات تحويلة جانبية عالية، فاستطاعو التغلب على مشاكل الارتفاع والسرعة العاليين في محركات المكبس والمحركات المروحية، واستطاعوا أيضًا حل مشكلة كفاءة الوقود.
أنواع المحركات:
هناك أنواع عديدة من المحركات النفاثة، تحصل جميعها على الدفع من السرعة العالية للعادم النفاث. الجدول المبين أدناه يوضح بعضاً من تلك المحركات
1- المحرك النفاث التوربيني ( Turbojet ):
محرك مثالي للمحركات التوربيني حيث المروحة و الضواغط و غرفة الاحتراق و التوربين و فوهة العادم، كل الهواء المسحوب إلى داخل الضواغط من المروحة يمر عبر نواة المحرك ثم يحرق ثم يتم إفلاته، وهنا ينشأ الدفع المقدم من قبل المحرك عن قوة سرعة إفلات غازات العادم من المؤخرة.
ولزيادة قوة الدفع لبعض المحركات النفاثة لدى الطائرات المقاتلة يوجد هناك قسم ما بعد الإحراق و يسمى (Afterburner) ويوضع قبل العادم وهو عبارة عن أنابيب صغيرة موزعة بشكل منتظم لنشر رذاذ الوقود على الهواء المحترق والقادم من المحرك مما يزيد من حرارة الهواء وتمدده , وبزيادة هذه الحرارة تزيد قوة الدفع بحوالي 40% أثناء الإقلاع و تزيد أكثر أثناء الطيران بسرعات عالية.
2-المحرك التوربيني ذو المروحة (Turbofan )::
وهو المحرك الشائع لدى أغلب الطائرات المدنية في يومنا هذا , حيث تمت إضافة مروحة كبيرة في مقدمة قسم الضواغط ، تسحب هذه المروحة كميات هائلة من الهواء إلى داخل غلاف المحركات إلا أن كمية صغيرة نسبياً منه فقط تذهب عبر النواة للقيام بعملية الاحتراق وأما الباقي فيندفع خارج غلاف النواة وضمن غلاف المحرك( وهذا ما يجعله مختلف عن المحرك النفاث) ليساعد في خفض صوت المحرك و يختلط مع الهواء الحار في العادم مما يزيد قوة الدفع ويقلل استهلاك الوقود.
وتكون محركات Turbojet ,Turbofan فعالة للسرعات فوق 800 كم/س.
3- المحرك المروحي التوربيني ( Turboprop)::
وهو محرك نفاث يدير عمود موصل بمروحة كمروحة المحرك المكبسي , و كثير من الطائرات الصغيرة الاستثمارية تستخدم المحرك المروحي التوربيني، وهذه المحركات فعالة عند الارتفاعات المنخفضة و السرعات المتوسطة حوالي 640 كم/س (400 ميل بالساعة).
الفرق بين Turbofan و Turboprop: أن Turbofan في مروحته Fan ليست لتوليد الدفع و إنما لسحب الهواء أما الدفع ناتج عن نفث الغازات ، أما المروحة الدافعة Propeller فوظيفتها إنتاج الدفع فيما يكون لنفث الغازات من المحرك دفعاً صغيراً يصل إلى 15% من دفع المحرك بشكل عام.
والمحركات الجديدة من هذا النوع زودت بمراوح قصيرة الطول لكن كثيرة العدد وعدل في حوافها لأكثر فعالية في السرعات العالية.
4- محرك عمود الإدارة التوربيني ( Turboshaft):
محرك شبيه بالمحرك المروحي التوربيني لكنه لا يدير المروحة بل لإدارة مراوح الهيلوكبتر , وهو يستخدم بأكثر طائرات الهيلوكبتر الموجودة حالياُ , و المحرك مصمم بحيث أن سرعة المراوح مستقلة عن سرعة المحرك مما يتيح لسرعة المراوح أن تكون ثابتة حتى لو تغيرت سرعات المحرك ليتكيف مع الطاقة المنتجة , وبما أن أغلب الطائرات المستخدمة لهذا المحرك تكون على ارتفاعات منخفضة فإن الغبار والأتربة قد تسبب عائقاً له لذا فقد أضيف له عند مدخل الهواء عازل ومصفي من الأتربة.
5- المحرك النفاث التضاغطي (Ramjet )::
وفكرة هذا المحرك بسيطة وهي الاستغناء عن الضواغط والتوربين , و السماح للمحرك بنفسه بالتعامل مع الهواء بضغطه وتسخينه ودفعه إلى الخلف.
وهذا النوع من المحركات لا يعمل إلا أن يكون متحركاً بسرعة 485 كم/س تقريباًً ( للسماح بالهواء للدخول بسرعة وضغطه ) , وهو جداً فعال في السرعات العالية تقريباً 3 ماخ ( 3600 كم/س) ويستخدم غالباً في الصواريخ طويلة المدى والمركبات الفضائية.
6- المحرك الصاروخي (Rocket engine):
و يعمل محرك الصاروخ بنفس المبدأ، عدا أنه في مجال عديم الهواء في الفضاء يجب على الصاروخ أن يحمل على ظهره هوائه الخاص بشكل وقود صلب أو سائل قابل للتأكسد من أجل القيام بعملية الانفجار.
وساستفيض هنا عن المحرك التوربينى المروحى ( turbo fan) باعتباره محرك المقاتلات الحربية :
كان هناك بعض الفروقات ما بين محركات النفاثة المدنية والعسكرية خلال عقد الستينات من القرن العشرين، باستثناء نظام إعادة الإحراق لبعض التطبيقات الفوق صوتية (وتستخدمها الطائرات العسكرية لزيادة السرعة). للتوربين المروحي المدني سرعة عادم منخفضة حاليًا (الدفع النوعي منخفض)، وذلك لتقليل ضوضاء النفاث إلى أقل ما يمكن ورفع كفاءة التوفير بالوقود، من ثم فإن المعدل الجانبي أو معدل التخفيف\التجاوز (تيار الهواء الجانبي مقسومًا على تيار الهواء داخل فلب المحرك حسب المحرك التوربيني أو المروحي الخارجي) يكون مرتفعًا بعض الشيء (تعتبر المعدلات التي تتراوح بين 4:1 و 8:1 معدلات عادية)، لذلك يحتاج هذا المحرك إلى مروحة مفردة فقط، لأن انخفاض معدل الدفع النوعي يشمل انخفاضًا بمعدل ضغط مروحي.[26]
أما محركات التوربين المروحي العسكرية الحالية فلها دفع نوعي مرتفع نوعًا ما، وحتى يمكن زيادة الدفع لأقصى حد ممكن، فقد خفضت الواجهة الأمامية للطائرة.[27] وفي المجال العسكري لا تعطىر ضوضاء المحركات ذات الأهمية كما بالمجال المدني، لذلك يستخدم الخبراء مراوح متعددة المراحل لإعطاء معدل ضغط مروحي عال للوصول إلى دفع نوعي مرتفع. بالرغم من حرارة مدخل التوربين إلا أن المعدل الجانبي يكون منخفضًا، حيث يصل في العادة لأقل من 2:1
المكونات الرئيسية:
مدخل الهواء:
1-المدخل ما دون الصوتي:
فتحة بيتوت (نسبة إلى مخترعه الفرنسي هنري بيتوت) هي الطريقة المثلى لتطبيقات المدخل ما دون الصوتي، فهذه الفتحة هي بمثابة أنبوب مضخم ذو شكل إيرودينامي انسيابي.
في حالة ما إذا كانت السرعة تساوي صفر (حالة الوقوف) فإن الهواء الداخل يأتي من عدة اتجاهات: مباشر ومنحني والآتي من الخلف، فيمتصه مقدمة المدخل.
تكون حزمة خط تيار الهواء الذي يصل طرف المدخل في حالة السرعة المنخفضة أكبر بالمقطع العرضي من نطاق تيار الطرف نفسه، بينما في تصميم الفتحة بسرعة 1 ماك، يكون كلا النطاقين متساويين. يصبح تيار الهواء أقل كثافة بالسرعة العالية، وقد يخرج التيار الزائد من حول الطرف.
تبدأ موجة الصدمة بالظهور عندما يبدأ الهواء بالتسارع حول طرف المدخل بداية من سرعة 0.85 ماك.
تعتبر الدقة بعمل محور نطاق الطرف هي الطريقة الأمثل للمحافظة على ضغط المدخل طوال الرحلة وعدم تعرضه لتشويه.
2-المدخل فوق الصوتي:
يستغل المدخل الفوق صوتي موجات الصدمة كي يخفف من سرعة تيار الهواء إلى وضع تحت صوتي بمدخل الضاغط. وهناك شكلين من أشكال موجات الصدمة:
أ- موجات صدمة طبيعية: وتكون عمودية على اتجاه التيار. يكون هذا الشكل حاد المقدمة ويؤثر على التيار بالسرعة تحت الصوتية، ويُلاحظ عند التدقيق بالمجهر أن جزيئات الهواء تتحطم إلى مجموعة من جزيئات تحت صوتية مثل موجات ألفا. تميل الموجة الصدمية إلى إحداث هبوط قوي بمنطقة ضغط الركود، فكلما ازدادت سرعة الماك على مدخل موجة الصدمة العادية، كلما قل خروج السرعة تحت الصوتية منها وزادت نسبة قوتها، بمعنى أن فقدان ضغط الركود خلال تلك الموجة ترتفع نسبته.
ب- الموجات الصدمية تكون إما مخروطية (ثلاثية الأبعاد) أو مائلة (ببعدين) وزواياها متجهة للخلف، تشبه بشكلها الشكل الذي يتخلف عند اصطدام موجات الماء بمقدمة السفينة، وبعد اصتدامها ينتشر تيارها بشكل مخروط أو منحدر. ويكون التيار أضعف بالنسبة للسرعة المعطاة من الموجة الصدمية العادية المشابهة لها,، ولكن وعلى الرغم من تناقص سرعتها إلا أنها لا تزال تعتبر فوق صوتية.
شكل الطرف الحاد لفتحة البيتوت يجعلها تعمل بشكل جيد بالطيران فوق الصوتي المنخفض. تتشكل الموجة الصدمية العادية بمقابل طرف الفتحة وتصطدم بالتيار لتهبط سرعته إلى ما دون سرعة الصوت، ومع ذلك فكلما ازدادت السرعة فإن الموجة الصدمية ترتفع نسبتها مسببة هبوط قوي لضغط الركود
هناك مداخل أو فتحات فوق صوتية متطورة تشبه نظام البيتوت، منها:
1- الاستفادة من اندماج الموجة الصدمية المخروطية والعادية لتحسين مستوى الضغط بالسرعات فوق الصوتية العالية. تستخدم الموجة المخروطية لتقليل رقم الماك للسرعة فوق الصوتية عند الدخول للـموجة الصدمية العادية، وبالتالي تقل نسبة الناتج العام لمضار الصدمة.
2- تصميم "الصدم على الطرف" للسرعة فوق الصوتية، حيث الموجات الصدمية المخروطية والمائلة تضرب بغطاء الطرف، مما يجعل نطاق مسك حزام التيار يساوي نطاق طرف المدخل، وعندما تقل عن سرعة الصدمة على الطرف فوق الصوتي، تكون زاوية الموجة الصدمية أقل ميلانًا مسببة انكسار خط التيار الداخل للطرف بواسطة المنحدر المخروطي. وفي الوقت ذاته تصبح منطقة مسك المدخل أصغر من نطاق طرف الفتحة مما يقلل تيار هواء المدخل. بالاعتماد على خصائص تيار الهواء للمحرك فإنه يكون مرغوبًا تقليل زاوية النتوء أو تحريك المخروط للوراء لإعادة تركيز الموجات الصدمية على غطاء الفتحة لزيادة تيار هواء المدخل.
3- مصممة حتى تنتشر الصدمة العادية باتجاه تيار طرف المدخل، لذلك فإن الدفق على مراوح الضاغط يكون ما دون الصوتي، مع الأخذ بالحساب إذا قل داعس الوقود على المحرك فسيقل معدل تدفق الهواء على مراوح الضاغط، لكن بحالة فوق الصوتي فإن التيار المعدل عند طرف المدخل سيكون ثابتًا، لأنه محدد بواسطة رقم الماك ودرجة انعراج\سقوط المدخل. يمكن التغلب على هذا التقطع عندما تتحرك الصدمة العادية إلى ما دون مساحة المقطع العرضي للمجرى ليقل رقم الماك للموجة الصدمية على المدخل.
العديد من طائرات الجيل الثاني فوق الصوتية تستعمل المدخل المخروطي، الذي يُستخدم لتشكيل الصدمة الموجية المخروطية، وهو موجود بمقدمة طائرات الميغ 21، أو مع المحرك بجنبي الطائرة كما بطائرة ف 104 وطائرات BAC TSR-2.
استحدث المخترعون مداخل ثنائي المخروط في الوقت الحالي بحيث يوضع أحدها فوق الآخر بشكل هرمي، مما يساعد على إعطاء موجة مخروطية اضافية تنتشر بالوصلة ما بين المخروطين. يعتبر المدخل ثنائي المخروط أكثر كفاءة من الأحادي لأن رقم الماك الداخل على الموجة العادية يقل بسبب وجود المخروط الثاني. ويظهر جلياً على طائرات SR-71 بلاك بيرد ذات محركات برات & وتني 58 التي تجعل المقدمة والمؤخرة مخروطية الشكل بداخل غرفة المحرك كي تمنع موجات الصدمة المشكلة كمسامير من الدخول إلى المحرك مسببة توقف المحرك عن العمل، ولكن إبقائها قريبة بما فيه الكفاية في ذات الوقت لإعطاء ضغط هواء مناسب. إن الموجة المخروطية لا تتحرك إجمالاً وأن تحركت فهذه حالة استثنائية.
جعلت التصاميم الأكثر تطوراً من المخروطي المدخل ذا زاوية بحيث يكون أحد حوافه ناتئ، حيث تتشكل الموجة الصدمية المائلة على حافة النتوء. يتواجد هذا الشكل بالمقاتلات الأمريكية بأشكال متعددة، وعادة ما يظهر النتوء على الحافة العمودية الخارجية من المدخل ثم يدخل بزاوية داخلية إلى جسم الطائرة، ومن الطائرات التي تحمل هذا الشكل: ف 105 وف 4 فانتوم.
تطورت تصاميم المحركات المخروطية بعد ذلك بحيث صار النتوء يقع على قمة الحافة الأفقية بدلاً من الحافة العمودية الخارجية وبزاوية واضحة للأسفل وللخلف. بسّط هذا التصميم تشكيل المداخل وسمح بوجود نتوءات مختلفة تتحكم بتيار الهواء الداخل للمحرك. يُستخدم هذا التصميم بالطائرات التي كانت شائعة في عقد الستينات من القرن العشرين وتلك التي ما زالت شائعة اليوم، مثل: طائرة أف 14 توم كات والتورنادو والكونكورد
ضاغط الغاز:
يعتمد الضاغط المحوري على شفرات ذات دوران سريع ومقطع إيرودينامي مشابه لأجنحة الطائرة. وكما أن أجنحة الطائرة تنهار فإن شفرات الضاغط يصيبها الانهيار والتوقف في بعض الحالات، إذ أن تيار الهواء المحيط بالضاغط المتوقف بإمكانه أن يعكس الاتجاه بعنف. إن كل ضاغط له تصميم لخريطة تشغيل سرعة دوران الهواء المعكوس وهي خصائص ينفرد بها كل نوع.
يكون خط عمل الضاغط ثابت ومستقر بحالة الدفع لكمية الوقود المعطاة، لكنه يزاح عند أي حالة انتقالية. لذلك توضع أجهزة عديدة مرتبطة بنظام منع التوقف المفاجئ في مناطق التصريف أو الثوابت، وهي ذات أشكال هندسية لتقليل احتمال حصول أي طفرة بالدوران. وهناك طريقة أخرى لمنع حصول ذلك، وهي تقسيم الضاغط إلى وحدتين أو أكثر، تعمل على أعمدة مختلفة متحدة المركز.
ومن التصاميم أيضًا تصميم مُعدل تحميل المرحلة، أي ابقاءها بمجال محسوس، وذلك إما عن طريق زيادة عدد المراحل الضاغطة (زيادة بالوزن مما يؤدي إلى زيادة الكلفة)، أو بزيادة سرعة الشفرات (يؤدي إلى زيادة الإجهاد عليها وبالتالي إجهاد الإسطوانة). تكون جميع ضواغط الدفق الضخم محورية، ولا تعتبر المراحل الخلفية بالوحدات الأصغر قادرة على الإجهاد القوي بسبب صغر حجمها. لذلك تُستبدل تلك المراحل بوحدة مفردة للطرد المركزي. تستخدم الضواغط الصغيرة عادةً ضاغطين للطرد المركزي مرتبطين على التوالي. بالرغم من عزلة ضواغط الطرد المركزي فإنها قادرة على العمل بمعدلات ضغط عالية (10:1)، ومما يؤخذ بعين الاعتبار أن اجهاد الدفاعة يحد من معدل الضغط الذي يعمل في دورات المحرك ذات معدلات الضغط العالية.
تؤدي الزيادة بمعدل الضغط العام إلى زيادة الحرارة الخارجة من الضاغط. وهذا يؤدي إلى زيادة الضغط على سرعة العمود، للمحافظة على سرعة رقم الماك على طرف الشفرة بالمرحلة الخلفية للضاغط. تحد اعتبارات الإجهاد من زيادة سرعة عمود الدوران مسببة الضاغط الأساسي أيروديناميكيًا أن يدفع للخلف بمعدل أقل من معدل ضغط المعطاة.
غرفة الاحتراق
يجب أن تكون هناك احتياطات كافية لجعل اللهب مستمرًا مع سرعة تيار دفق الهواء بجميع أحوال دعس الوقود وبالكفاءة الممكنة. وبما أن التوربين لا يمكنه تحمل درجات حرارة دمج العناصر الناتجة من المحرقة فإن الضاغط يرسل الهواء ليخفف حرارة النواتج من غرفة الاحتراق إلى مستوى معقول. يُسمى هواء الضاغط المتجه للحارق "دفق أساسي"، وأما الهواء الذي يُستخدم لتبريد نواتج الحارق فيُسمى "دفق ثانوي".
الخرطوش:
إن الهدف الرئيسي للخرطوش هو إخراج تيار العادم إلى الضغط الجوي العادي، وتشكيله إلى نفث عالي السرعة يدفع الطائرة أو المركبة للأمام. بعض المحركات النفاثة تستخدم الخراطيش المقربة البسيطة.
العديد من محركات الطائرات العسكرية تحتوي على جهاز غرفة الاحتراق المساعد داخل نظام العادم للمحرك. فعندما يعمل النظام تتوسع مساحة رقبة الخرطوش حتى تلائم حجم تمدد الدفق الزائد له. لذلك فالتوربين لا يرتبط بعمل تلك الغرفة. هناك العديد من أشكال رقبة الخرطوش تأتي من تحريك سلسلة من البتلات المتداخلة التي تشبه الشكل الدائري للمقطع العرضي للخرطوش. بعض المحركات النفاثة كالصاروخ تستخدم خرطوش "متقارب - متباعد" للسماح بخروج أكبر قدر من الهواء المتمدد لإعطاء أكبر كمية من الدفع، فلذلك فإن الخرطوش المستخدم بالمحركات التوربينية النفاثة، تكون بتلاته متحركة هندسيًا حتى يسهل تعاملها مع التغير الكبير لمعدل الضغط الخارج من الخرطوش خلال الطيران أو دعس الوقود للمحرك، وهذا الشيء يسبب زيادة في الوزن وارتفاعًا في كلفة التركيب.
ولتفادي هذه الصعوبات يلجأ المهندسون إلى تركيب الخرطوش القاذف، الذي يجعل الخرطوش أكثر كفاءة خلال جريان الهواء الجانبي، ويتمير بوجود بتلات مرنة الحركة. يقلص دفق الهواء شكل العادم في السرعة ما دون الصوتية إلى شكل متقارب وكلما ازدادت السرعة يتوسع الخرطوشين مما يجعل العادم يظهر بشكل متقارب - متباعد إن تعدت السرعة رقم الماك 1. مميزات الخرطوش القاذف هي بساطة التصميم والثبات، وعيوبه هي أدائه المتوسط (مقارنة مع نوع آخر من النظام الخرطوش) ثم زيادة عامل المقاومة الإيردينامية خلال تيار الدفق الثانوي. ومن الطائرات التي تستخدم هذا النوع من الخرطوش: SR-71، الكونكورد، F-111، ومحرك ساب.
وللرفع من جودة الخرطوش، ينبغي استخدام نوع آخر يسمى آيرس نوزل، ويعني بالعربية "خرطوش زهرة السوسن". يستخدم هذا النوع بتلات متداخلة يمكن تحريكها هيدروليكيًا، وهي أكثر تعقيدًا وأفضل جودةً وأسهل لمرور التيار من الخرطوش القاذف. لذلك فهي تجهز للطائرات ذات الكفاءة الأفضل مثل مقاتلات أف 14، إف 15، وأف 16 وأيضًا لقاذفات القنابل الإستراتيجية عالية السرعة مثل B-1 لانسر. ولأنواع الحديثة من تلك الخراطيش خاصية تغيير زاوية (توجيه) الدفع (طائرة الهارير أول طائرة استخدمت نظام توجيه الدفع).
تستخدم محركات الصواريخ أيضًا فوهات أو خراطيش التقارب - التباعد، وتكون البتلات ثابتة لتقليل الوزن. تعتبر مساحة الفوهة لدى الصواريخ أضخم بكثير من مساحة فوهات محركات الطائرة النفاثة لأن معدلات الضغط للخرطوش عالية جدًا مقارنة مع محركات الطائرات.
وبالمقابل فإن بعض محركات التوربين المروحي ذات التحويلة الجانبية العالية تستخدم خرطوش ذو فوهة صغيرة جدًا (أقل من 1.01 نسبة المساحة)، ويُستخدم خرطوش التقارب - التباعد بتيار التحويلة الجانبية أو العادم المختلط للتحكم بخط عمل المروحة.
جهاز عاكس الدفع:
تحتوي على أقداح تدور حول نهاية فوهة الخرطوش وتعكس دفع النفاث كما بطائرات دي سي 9، أو تحتوي على صفائح خلف غطاء المحرك تنزلق للخلف مما يؤدي إلى معاكسة دفع المروحة فتنخفض سرعة الطائرة بشدة (المروحة تنتج معظم الدفع) وهذه الخاصية موجودة عند معظم الطائرات الضخمة مثل طائرة بوينغ 747.
نظام التبريد
تتطلب المحركات النفاثة غازات حارة جدًا حتى تصبح أكثر كفائة، ويؤمن لها ذلك عن طريق حرق وقود هيدروكربوني أو هيدروجيني، الأمر الذي يرفع من درجة حرارة الاحتراق لتصل إلى 3500 كالفن أو 3227 درجة مئوية، وهذا أعلى من درجة ذوبان معظم المعادن. وهذا ما يدعو إلى استخدام نظام التبريد لجعل درجة حرارة المعادن أقل من درجة ذوبانها.
نظام التهوية
يحيط نظام التهوية بغرفة الاحتراق ويضخ على أطراف صفائح التوربين الدوارة هواء التبريد، الذي يمر من خلال فتحات التنظيم إلى شفرات التوربين فتخفف عنه الحرارة العالية ثم يخرج مع تصريف الهواء إلى تيار الغاز الخارج.
هناك بعض تيار التبريد يخرج من الضاغط ويمر على عمود الدوران وغطاء التوربين، ويوجد أنبوب هواء يمر على جدار غرفة الاحتراق للحيلولة دون وصول درجة حرارته للدرجة القصوى. تُستخدم أنابيب رئيسية وثانوية تسمح بمرور طبقة بسيطة من الهواء على جدار الحارق لمنع زيادة درجة الحرارة. تعتمد الحرارة الخارجة على الدرجة القصوى التي يتحملها التوربين، وهذا يعتمد على مادة الصنع. ومن شأن تقليل الحرارة أن يمنع الكلل الحراري ومن ثم يمنع الفشل الحراري.
يستخدم هواء الضاغط أيضا لتدفئة المراوح الخارجية ويُستخدم في نظام منع تكوّن الجليد على الهيكل وتدفئة مقصورة الركاب.
نظام الوقود
يُستخدم نظام الوقود، إلى جانب استخدامه في ضخ الوقود للمحرك، للتحكم بسرعة دسر المراوح الخارجية وبدفق الهواء للضاغط وتبريد زيت التشحيم. يدخل الوقود على شكل رذاذ طيار داخل غرفة الاحتراق، ويتم التحكم بالكمية بشكل تلقائي اعتمادًا على معدل دفق الهواء.
وتسلسل الأحداث لزيادة الدفع يتمثل فيما يلي: داعس الوقود يرتفع فيزداد رذاذ الوقود إلى غرفة الاحتراق فتزداد كمية الاحتراق وهذا يعني أن غازات العادم ستكون أكثر سخونة ويصبح خروجها أسرع مما يعطي مزيدًا من القوة وهذا يؤدي لزيادة دفع المحرك مباشرة. وأيضًا زيادة الطاقة المستخرجة بواسطة التوربين والتي تزيد من سرعة الضاغط، مما يؤدي لزيادة تيار الهواء الداخل للمحرك أيضاً.
يُلاحظ أن معدل كتلة دفق الهواء يتغير بتغير عزم الحركة (كتلة X السرعة) التي تُنتج القوة، وبما أن الكثافة تتغير مع الارتفاع لذا فإن كتلة الهواء الداخل أيضًا تتغير مع تغير الارتفاع والحرارة مما يعني أن مقياس داعس الوقود سيختلف تبعا لتلك التغييرات. لذلك يُلاحظ أن التحكم بدفق الوقود مستحب أن يكون ذاتي التشغيل. عادةً ما يكون هناك نظامين، أحدهما للتحكم بضغط الوقود والآخر بكمية الدفق. فالبيانات المطلوبة التي تؤثر على قدرة مضخة الوقود ذات الضغط العالي هي الضغط والحرارة من المدخل ومن نقاط معينة داخل المحرك، إضافة إلى بيانات الداعس وسرعة المحرك وغيرها.
وحدة التحكم بالوقود ومضخته
تلك الوحدة أشبه بحاسوب ميكانيكي، يقرر الخارج من الطرمبة بواسطة منظومة من الصمامات التي تتحكم بضغط الوقود فتسبب التغير بالكمية. فمثلاً عند زيادة الارتفاع يقل ضغط الهواء الداخل فيتمدد الهواء داخل غرفة الاحتراق بسرعة أكثر مما يسبب خروج وقود زائد عن الحاجة عن طريق صمام الوقود الفائض، فتقلل الطرمبة الرئيسية من ضخ الوقود حتى يتعادل الضغط داخل الغرفة مع ضغط هواء الخارجي فيتوقف خروج الوقود الزائد. يمنع زيادة سرعة المحرك بواسطة منظم السرعة ذي القدرة على تخطي وحدة تحكم الوقود عن طريق حاجز يستشعر سرعة المحرك من حيث الضغط المركزي المتسبب من دوران المضخة. فعند الوصول للمعدل الحرج، يُفتح صمام الوقود الفائض بواسطة الحاجز ويخرج الوقود الزائد مما يخفف سرعة المحرك. يتأثر ضخ الوقود بالمعطيات الخارجية مثل الارتفاع وتغير الضغط الخارجي والتغير بسرعة الطائرة. أما مضخة الوقود فهدفها جعل ضغط الوقود أعلى من الضغط الموجود بغرفة الاحتراق حتى يمكن ضخه بسهولة.
نظام تشغيل المحرك
يعتمد نظام التشغيل على نظام الوقود وعملية اشتعال خليط الهواء مع الوقود داخل غرفة الاحتراق. عادةً ما يكون هناك محرك خاص يُطلق عليه تسمية وحدة الطاقة الاحتياطية (APU)، يُستخدم لتشغيل المحرك من خلال تدوير الضاغط إلى سرعة تمكنه من تشغيل التوربين، وهناك عدة أنواع من نظم التشغيل: كهربائي وهيدروليكي وهوائي.
تستعمل معظم الطائرات المدنية مثل البوينج 737 والإيرباص والطائرات العسكرية الكبيرة هذا النظام، وهو يقع بمؤخرة الطائرة في معظم الطائرات الحديثة أو بأماكن أخرى عند الطائرات الأقدم قليلا، وهو عبارة عن توربين غازي صغير يعمل لإمداد الطائرة بالكهرباء في حالة اطفاء المحركات وتستخدم أيضا لتشغيل المحركات عبر إمدادها بالهواء لتدوير الضاغط ومن ثم تشغيل غرفة الاحتراق لكي يعمل التوربين الذي يشغل المحرك، عند ذلك يمكن اطفاء المحرك الاحتياطي لعدم الحاجة له.
بعض الطائرات كالأف\أي-18 هورنت تستخدم مضخات هيدروليكية لتشغيل المحركات من خلال التروس أو الجيرات، وتلك المضخات يتم التحكم بها كهربائيًا، فالمحرك الإضافي يُستخدم إلى جانب مهمته الرئيسية وهي تشغيل المحرك، لإمداد الطائرة بالكهرباء والضغط اللازم والتبريد بحال انطفاء المحرك الأساسي.
الإشعال
تقع شمعتي اشعال بمكانين مختلفين داخل غرفة الاحتراق، وتظل مستمرة بإصدار شرارة داخل الغرفة حتى تمنع إطفاء الشعلة. وهناك حدود للارتفاع وسرعة الهواء لا ينبغي على المحرك أن يتخطاها حتى يبقى قادرًا على الحصول على نسبة الاشعال المطلوبة. تستخدم محركات جنرال الكتريك 404-400 على سبيل المثال، شاعلاً واحدًا بغرفة الاحتراق وواحدًا بغرفة الاحتراق المساعدة. أما طائرات الإيرباص فتستخدم استشعارًا فوق بنفسجي لتشغيل الشعلة. تعطي الأشكال الحديثة من نظام الإشعال طاقة من شديدة القوة يمكنها أن تكون قاتلة، لذلك يجب أخذ الاحتياطات الملائمة عند التعامل مع التوصيلات الكهربائية عندما يعمل النظام.
نظام التشحيم
يستخدم نظام التشحيم للمحافظة على وجود الشحم في أماكن التحميل والارتكاز لمنع الاحتكاك والتأكد من عدم ارتفاع درجة حرارة تلك الأماكن، ويمنع التشحيم أيضًا دخول الأجسام الغريبة إلى أي من القطع المتحركة داخل المحرك ككراسي التحميل والتروس والمسننات.
يتكون هذا النظام من: خزان الزيت ذي جهاز تفريغ من الهواء، مضخة زيت رئيسية، مرشح رئيسي مع صمام مرشح جانبي، صمام تعديل الضغط، ومبرد زيت. تبدأ طريق مرور الزيت من الخزان فالمضخة الرئيسية ثم المعدل فالمرشح الرئيسي ثم مبرد الزيت حتى يصل للمحرك حيث نقاط التحميل والارتكاز.
عندما ترتفع سرعة المحرك، يزداد الضغط على مناطق التحميل والارتكاز مما يقلل فرق الضغط ما بين تغذية التشحيم والغرفة، الأمر الذي يخفض من معدل الزيت المطلوب، ولذلك فوجود صمام تعديل الضغط لكي يعدل فارق الضغط ضروري حتى يستمر تيار ضغط التشحيم ثابتاً.
