قلدر انعطاف‌پذیر؛ داستان توسعه RB-211

در دهه 1960، شرکت‌های سازنده موتور و هواپیما در حال گذار از محصولات خود مبتنی بر دستاوردهای اولیه عرضه موتورهای جت و روزآمد کردن آنها برحسب نیاز بازار بودند. در سال 1966، تقاضای بازار شرکت‌های لاکهید و داگلاس را بر آن داشت تا طرح‌های جدید خود برای هواپیمای ال-۱۰۱۱ تری‌استار و دی‌‎سی-10 را ارائه دهند. هر دو این هواپیماها سه موتوره با چیدمان دو موتور زیر بال و یک موتور در انتهای بدنه با برد بین قاره‌ای و ظرفیت حمل 300 مسافر به‌عنوان هواپیماهای پهن‌پیکر با دو راهرو طراحی شده‌اند.

در این دوران، ایده توسعه هواپیماهای مسافربری و باربری بزرگ جدید مطرح بود که لاجرم نیازمند موتورهای قدرتمندتر و صد البته مقرون به‌صرفه‌تر بودند. سه بازیگر اصلی صنعت موتورهای هوایی طرح‌های متفاوتی را در ذهن داشتند. جنرال الکتریک کار بر روی تی‌اف-39 را در دستور کار قرار داد که بعدها بر اساس آن، موتور سی‌اف-6 را توسعه داد. پرت‌اندویتنی در پاسخ به نیازمندی نیروی هوایی آمریکا برای یک هواپیمای ترابری بسیار بزرگ، کار بر روی موتور جِی‌تی9دی را آغاز نمود.

نکته جالب آنکه بوئینگ و پرت‌اندویتنی در مناقصه نیروی هوایی برنده نشدند، اما در کنار این تلاش، جت مسافربری تاریخ‌ساز بوئینگ 747 متولد شد که موتور جِی‌تی9دی را به‌عنوان گزینه‌ای اصلی در کنار خود داشت. تا آن زمان در طراحی موتورهای توربوفن بکارگیری پیکربندی دو محوری کاملا مرسوم بود. بر این اساس، کمپرسور به دو بخش کم‌فشار و پرفشار تقسیم می‌شد و فن نیز به بخش کم‌فشار کمپرسور متصل می‌شد.

رولزرویس در آخر دهه 1960، همزمان با تحقیق و توسعه برای دستیابی به یک طراحی پایه با هدف کسب بازار پایدار بلندمدت قانع شد که استفاده از پیکربندی سه محوری برای موتور، منجر به جذب بهتر جریان هوا برای کمپرسور و مدیریت بهینه مصرف سوخت و در نتیجه دستیابی به موتورهای قدرتمندتر با کارایی بالا خواهد شد. موتور آربی211 یکی از این طرح‌ها به ‌‌شمار می‌رفت که علیرغم مزایای ناشی از پیکربندی سه محوری یک نقطه ضعف نیز داشت که آن وزن بیشتر، معادل 450 کیلوگرم نسبت به موتورهای هم‌رده خود بود. رقیب اصلی این موتور در آن زمان جِی‌تی9دی بود.

مصرف سوخت ویژه در حالت سیر موتور آربی211، معادل 0.6 پاوند بر پاوند ساعت است. برای درک بیشتر از مفهوم مصرف سوخت ویژه باید اشاره کرد که اگر این پارامتر برای یک موتور معادل 1 باشد، معنایش آن است که این موتور برای تامین یک پاوند نیروی پیشران در یک ساعت باید یک پاوند سوخت مصرف کند. یک مثال کاربردی در این زمینه می‌تواند مرور مانور برخاست بوئینگ 747 باشد.

هر یک از موتورهای این هواپیما در زمان برخاست در وضعیت بیشینه‌ای معادل 60 هزار پاوند قرار دارند و سوخت با نرخ 22 هزار پاوند در ساعت محترق می‌شود. بر این اساس، مصرف سوخت ویژه موتور بوئینگ 747 در حالت برخاست 0.33 پاوند بر پاوند ساعت است.

البته باید دقت کرد که وقتی هواپیما در حالت سیر قرار دارد، سهم فن از تولید نیروی پیشران کمتر از زمان برخاست است و اساسا مصرف سوخت ویژه موتور افزایش می‌یابد. یکی از ایده‌های نوآورانه که برای موتور آر‌بی211 مطرح شد، به ماده مورداستفاده برای پره‌های فن آن مربوط است. این ماده موسوم به هایفیل از الیاف کربن بسیار سبک و بسیار محکم روزآمد در زمان خود تشکیل شده‌ بود.

در نهایت، رولزرویس موفق شد اولین موتور آربی211 خود را در سال 1969 از خط تولید خارج کند. در حالیکه نیروی پیشران اولیه موتور 33 هزار پاوند بود، در جریان برنامه آزمایش و ارزیابی میدانی این پارامتر کلیدی تا 40 هزار پاوند افزایش پیدا کرد.

در بهار سال 1970، فن 33 پره‌ای بزرگ موتور آر‌بی211 ساخته‌شده از الیاف کربنی در آزمایش‌های مربوط به برخورد پرنده ناموفق بود. رولزرویس مجبور شد پره‌های فن جدید مبتنی بر آلیاژهای سنگین‌تر از تیتانیم را بکار گیرد. مدتی پیش از این شکست تلخ، در تابستان 1967 سرطراح شرکت رولزرویس که نقش بسزایی در طراحی آر‌بی211 نیز داشت درگذشت و این شرکت انگلیسی تا مدت‌ها نتوانست جای خالی آدریان لامبارد را پر کند. رولزرویس برای حل مشکل ناشی از پره‌های فن بیش از 175 میلیون پوند هزینه کرد و نهایتا در سپتامبر 1971 در آستانه ورشکستگی قرار گرفت.

دولت انگلستان به کمک آمد و با ملی اعلام کردن این شرکت مانع از تعطیلی آن شد. رولزرویس یک تجربه تلخ دیگر در سال‌های اولیه توسعه موتور آر‌بی211 را نیز پشت ‌سر گذاشته‌است. در ماه مارس 1968، شرکت آمریکن ایرلاینز 150 دستگاه موتور آر‌بی211 برای نصب بر روی هواپیمای دی‌سی-10 خود سفارش داد. این معامله که می‌توانست موفقیت مالی بزرگی برای رولزرویس در آغاز راه توسعه موتور جدیدش باشد، با فشار سیاسی نمایندگان مجلس آمریکا سرنوشت شوم داشت و در نهایت با مداخله رئیس‌جمهور آمریکا این معامله به نفع تولیدکننده آمریکایی رقیب بر هم خورد.

تقریبا، بطور همزمان رولزرویس رایزنی‌ها را با شرکت لاکهید برای استفاده از موتور آر‌بی211 برای هواپیماهای ال-1011 دنبال می‌کرد. علیرغم فراز و نشیب‌ها، در اواخر ماه مارس 1968، لاکهید سفارشی برای 94 فروند هواپیمای تری‌استار دریافت کرد و متعاقب آن، سفارشی برای خرید 150 دستگاه موتور آر‌بی211-22 با نیروی پیشران بیشینه 42 هزار و 600 پاوند توسط لاکهید به رولزرویس ارائه شد.

در گوشه دیگر دنیا، شرکت کانتاس برای هواپیمای بوئینگ747-200 خود موتور جِی‌تی9دی-3ای را با نیروی پیشران 46 هزار پاوند برگزید، البته بعدا بنابر نیاز عملیاتی، توان این موتور در فاز برخاست با کمک تزریق آب به 50 هزار پاوند رسید. البته راه‌حل تزریق آب مشکلات بسیار زیادی شامل واماندگی کمپرسور و آسیب توربین را به دنبال داشت.

در نتیجه پرت‌اندویتنی برای حل این مشکل، نمونه جدیدتر جِی‌تی9دی-7ای با دو هزار پاوند نیروی پیشران بیشینه به بازار عرضه کرد. استفاده از موتورهای جدید جی‌تی9دی بر روی جمبوجت امکان افزایش وزن بیشینه برخاست تا 352 تن را فراهم آورد.

در سال 1980، رولزرویس موفق به جلب‌نظر کانتاس شد و اولین بوئینگ 747 این شرکت به موتور آربی211-524دی مجهز شد که نتیجه کار بسیار جالب‌ توجه بود. وزن بیشینه برخاست هواپیما تا 375 تن افزایش یافت. مزیت دیگر آر‌بی211، زمانی روشن شد که شرکت کانتاس تصمیم گرفت دو فروند بوئینگ 747-اِس‌پی خود را به این موتورها مجهز کند.

این پرنده که بیشترین برد عملیاتی در خانواده بوئینگ را 747 دارد، با استفاده از موتورهای آربی211 با مصرف سوخت کمتر نسبت به سایر رقبا عملکرد خود را به رخ کشاند. در اواخر دهه 1980، زمانی که بوئینگ 747-400 یکه‌تاز صنعت هوایی بود، رولزرویس نمونه جدیدی از موتور آربی211 با مصرف سوخت کمتر و نیروی پیشران بیشتر معادل 58 هزار پاوند را معرفی کرد.

این موتور با نام آربی211-524جی شناخته می‌شود. در نیمه دهه 1970، بوئینگ طراحی یک هواپیمای دو موتوره جدید برای جایگزینی هواپیمای موفق سه موتوره بوئینگ727 را دنبال می‌کرد. بررسی اولیه بوئینگ نشان می‌داد که این هواپیما ظرفیت حمل 200 مسافر را باید داشته باشد. بر این اساس، رولزرویس نمونه‌ای از موتور آربی211 با کد 535سی را معرفی کرد که ضمن کاهش قطر فن، طبقه اول کمپرسور آن نیز حذف شده بود و در نهایت، نیروی پیشرانی معادل 37 هزار و 400 پاوند را تامین می‌کرد.

در تابستان 1978، شرکت آمریکایی ایسترن ایرلاینز و شرکت بریتیش ایرویز هواپیمای بوئینگ757 مجهز به موتور آربی211 را سفارش دادند. در سال 1979، شرکت پرت‌اندویتنی موتور جدید پی‌دبلیو2000 خود را با هشت درصد کاهش مصرف سوخت نسبت به نمونه‌های مشابه معرفی کرد.

در این شرایط بوئینگ، رولزرویس را تحت فشار قرار داد تا موتور رقابت‌پذیر با محصول جدید پرت‌اندویتنی را تولید کند. نتیجه این تلاش، معرفی نمونه جدیدی از موتور آربی211 با کد 535ئی4 و با نیروی پیشران 40 هزار پاوند بود که در اکتبر 1984 وارد خدمت عملیاتی شد.

اگرچه مصرف سوخت این موتور نسبت به موتور پی‌دبلیو2037 کمتر نبود، اما سر و صدای کمتری داشت و قابلیت اطمینان آن بالاتر بود. تفاوت‌های عیان نمونه جدید آربی211 با رقیب پرت‌اندویتنی خود شامل نازل خروجی ترکیبی و مخروط فن بزرگ‌تر بود. همچنین، رولزرویس برای اولین بار استفاده از پره‌های فن با وتر بزرگ را با هدف افزایش بهره‌وری و کاهش سرو صدا و محافظت بیشتر در برابر برخورد اشیای خارجی در این موتور به کار گرفت.

در سال 1974، با هدف توسعه بازار، نمونه صنعتی موتور آربی211-22 برای تولید برق و کاربرد درایومکانیکی به بازار انرژی معرفی شد و موفقیت رولزرویس موجب شد نمونه‌های بعدی آربی211 صنعتی با توان خروجی 25.2 تا 32 مگاوات را به بازار عرضه نماید. تعداد زیادی از این موتورها در صنایع تولید گاز و نفت فراساحلی به کار گرفته شده‌اند.

از سال 2014، با خرید بخش توربین‌های مشتق‌شده از موتور هوایی رولزرویس توسط زیمنس، بازاریابی نمونه‌های صنعتی آربی211 به این شرکت آلمانی واگذار شده‌است. همچنین نمونه‌ای دیگری از آربی211 بانام دبلیوآر-21 با توان خروجی 25 مگاوات به‌عنوان موتور توربینی برای مصارف دریایی توسعه یافته‌است.

اگرچه آمار تولید و فروش موتور توربوفن آربی211 در مقایسه با پیشتازان این حوزه مانند سی‌اف‌ام56، جِی‌تی8دی و سی‌اف6 کمتر است، اما پختگی قابل‌تحسین در طراحی و توسعه هسته اصلی این موتور موجب شد تا نمونه‌های مختلف تولید شده از این خانواده نیازمندی مشتریان خود را برآورده کرده و از کارآیی بالایی برخوردار باشند. نکته مهم دیگر، عرضه نمونه‌های صنعتی زمینی و دریایی متعدد مشتق‌شده از این موتور است که موفقیت بالایی را در بازار به دنبال داشته‌است.

به نظر می‌رسد تکیه بر توسعه یک هسته اصلی ماژولار با معماری باز برای موتورهای توربوفن می‌تواند تضمین‌کننده انعطاف‌پذیری خانواده محصولات با هدف کسب بازار پایدار باشد. موفقیت تیم طراحی رولزرویس در توسعه مفهوم و طراحی دقیق هسته اصلی موتور آربی211 نه تنها موفقیت در بازار را به دنبال داشت، بلکه بستری مناسب را برای توسعه نسل جدیدی از موتورهای توربوفن را برای این شرکت فراهم آورد. خانواده موتورهای ترنت بر اساس آربی211 طراحی شده‌اند.

منابع:

 Turbina Technical Team

https://hars.org.au

www.rolls-royce.com

*موتور هوایی RB211 در گذر زمان

*گستره نمونه‌های مشتق‌شده از موتور هوایی RB211

*نمونه صنعتی مشتق‌شده از موتور هوایی RB211