هواپیماهای تجاری بهتدریج به موتورهای توربوفن هرچه قدرتمندتر مجهز میشوند. این موتورها نیروی پیشران بسیار زیادی تولید میکنند و زمانی که در ارتفاعات بالا در حال پرواز هستند، سوخت را با بهرهوری بیش از هر زمان دیگر مصرف میکنند. در هوای رقیق و بسیار سرد، لایههای بالایی جو که دما میتواند تا منفی ۶۰ درجه سانتیگراد هم برسد، موتورهای توربوفن روزآمد بهترین عملکرد خود را نشان میدهند.
بالاترین مسیرهای هوایی در آسمان محیطهایی ایدهآل برای عملکرد بهینه موتورهای جت هستند، اما در عین حال خطرات خاص خود را نیز دارند. دماهای بسیار پایین همچنان فشار شدیدی بر سازه وارد میکنند و باعث شکنندگی آنها میشوند. شکنندگی که میتواند به ترکهای ناشی از تنش منجر شود. همچنین سرعت بالای باد و نیروهای برشی باد در ارتفاعهای بین ۳۰ هزار تا ۴۰ هزار پا، تاثیر نیروهای بسیار شدیدی ایجاد میکنند که اگر کیفیت مهندسی روزآمد وجود نداشت، میتوانستند سازه هواپیماها را نابود کنند.
به دلیل استانداردهای کیفی فوقالعاده بالا و مهندسی پیشرفته، این خطرات بهندرت تهدیدی جدی برای حملونقل هوایی محسوب میشوند. برترین نمونههای موتور توربوفن در سال ۲۰۲۵ بهطور معمول از قابلیت اطمینان ۹۹ درصدی برخوردار هستند. در ادامه، فناوریهای روزآمد سازندگانی مانند رولزرویس، جنرال الکتریک، پرتاندویتنی، هانیول و CFM اینترنشنال موردبررسی قرار میگیرند.
مبانی موتورهای جت
سازندگان پیشرو موتورهای امروزی، ماشینهای خود را بهگونهای طراحی میکنند که برای پرواز در ارتفاعات بالا بهینه باشند و همزمان نیروی پیشران بسیار زیاد و نرخ مصرف سوخت بسیار پایینی تولید کنند. هوای سرد برای صرفهجویی انرژی هنگام چرخش توربینها ایدهآل است، اما بهدلیل رقیق بودن، فشردهسازی آن دشوارتر میشود. جریان چندمرحلهای در یک موتور توربوفن، هوا را بهتدریج فشرده میکند تا در نهایت با تولید نیروی پیشران رو به جلو از موتور خارج شود.
یک موتور توربوفن از چرخهای به نام چرخه برایتون، فرآیندی شبیه به یک پمپ هوا و گرمکن بسیار پرقدرت استفاده میکند. این فرآیند با فن جلویی آغاز میشود که حجم زیادی از هوا را به داخل میمکد. حدود ۸۰ درصد از این هوا از هسته موتور عبور نمیکند (هوای کنارگذر)، اما همچنان در ایجاد نیروی پیشران کلی نقش دارد.
پس از ورود به هسته موتور، هوای مکیدهشده توسط کمپرسورهای چندمرحلهای فشرده میشود که دما و فشار آن را بهطور چشمگیری افزایش میدهند. این هوای پرفشار همراه با سوخت در محفظه احتراق با هم ترکیب و مشتعل میشود و در نتیجه جریان گازی پرانرژی و پرسرعت ایجاد میگردد.
این توربینها با استفاده از یک محور، کمپرسورها و فن اصلی را به حرکت درمیآورند. در نهایت، گاز داغ از نازل موتور خارج میشود و نیروی پیشرانی تولید میکند که با شتابدادن به هوا به عقب، هواپیما را به جلو میراند. در تمام این فرآیند، انرژی شیمیایی سوخت به انرژی جنبشی تبدیل میشود که بهصورت نیروی پیشران ظاهر میگردد.
وقتی سرعت یا جهت جریان هوا بهطور ناگهانی تغییر میکند، مانند زمانی که برش باد رخ میدهد، ممکن است باعث ایجاد پدیده واماندگی یا سرج در کمپرسور شود. برای غلبه بر این مشکل، پرههای ثابت با هندسه متغیر در داخل موتور قرار دارند تا جریان هوا را پایدار کنند. همچنین خلبانان تقریبا کنترل آنی روی دریچه گاز دارند که این امر به دلیل وجود سامانه کنترل دیجیتال خودمختار موتور (فدک) ممکن شدهاست. این سامانهها با ورودیهای دیجیتال، قدرت موتور را بهسرعت تنظیم میکنند.
مواد پیشرفته و مقاوم در برابر حرارت در بخش داغ توربین بکار میروند تا خطر داغشدن بیش از حد ناشی از خاکستر، گردوغبار یا سایش شن در داخل موتور کاهش یابد. در همین حال، هوای داغ حاصل از عملکرد موتور به اجزایی هدایت میشود که نسبت به تاثیرات یخ آسیبپذیرتر هستند، مانند پرههای ورودی و پرههای هدایتکننده جریان تا از آسیبدیدن آنها جلوگیری شود.
بلورهای یخ در ارتفاع
بلورهای یخ در ارتفاعات بالا خطر قابلتوجهی ایجاد میکنند، زیرا میتوانند باعث تجمع یخ در هسته موتور حتی در دماهایی بالاتر از نقطه انجماد شوند. در نهایت ممکن است منجر به کاهش توان موتور یا خاموششدن شعله شوند. هوای داغ از بخش کمپرسور موتور به نواحی حیاتی هدایت میشود، مانند ورودی موتور، پوشش جلویی و گاهی پرههای هدایتکننده ورودی تا از تشکیل یخ جلوگیری شود.
بنابر اعلام شرکت رولزرویس، این بلورهای یخ وارد موتور میشوند در حالی که هنوز یخزدهاند و سپس بهسرعت ذوب میشوند. وقتی وارد کمپرسور میشوند، دوباره یخ میبندند و تکه بزرگی از یخ را تشکیل میدهند. وقتی این تکه جدا شده و به داخل موتور مکیده شود، میتواند به بخشهای متعددی آسیب شدید برساند. حسگرهای حیاتی (فشار و دما) بهصورت الکتریکی گرم میشوند تا اطمینان حاصل شود که درست عمل میکنند و دادههای دقیق را به سامانه فدک و ابزارهای کابین ارسال میکنند.
موتورهای روزآمد تحت آزمایشهای سختگیرانه در مراکز تحقیقاتی تخصصی یخزدگی قرار میگیرند، مانند مرکز تحقیقاتی ناسا گلن یا مرکز گلاسیر که توسط رولزرویس اداره میشود. برای حفظ عملکرد پایدار، تحقیقات و توسعه مداوم بر روی روشها و طراحیهای کنترل موتور متمرکز است تا اثرات یخزدگی بلورهای یخ بر عملکرد موتور جبران شود.
خطر خاکستر آتشفشانی
خاکستر آتشفشانی بسیار ساینده بوده و حاوی سیلیکاتهایی است که میتوانند در بخش داغ موتور ذوب شده و به قطعات توربین بچسبند که این امر میتواند منجر به اختلال یا خرابی موتور شود. قطعات موجود در بخش داغ موتور از مواد پیشرفته و مقاوم در برابر حرارت ساخته شدهاند و با پوششهایی محافظت میشوند که برای تحمل دماهای بالا و جلوگیری از چسبیدن خاکستر مذاب که میتواند ذرات شیشهای تشکیل دهد، طراحی شدهاند.
تاثیرات شن و خاکستر آتشفشانی بر موتورهای جت مشابه هستند. هر دو میتوانند در موتور ذوب شوند و باعث آسیب مشابه به موتور هواپیما شوند. تفاوت اساسی این است که بهدلیل ماهیت انفجاری آتشفشانها، این ذرات به ارتفاعات بسیار بالا پرتاب میشوند. پرههای توربین دارای کانالهای پیچیده خنککاری داخلی و سوراخهای خنککاری لایهای هستند که به حفظ یکپارچگی مواد کمک میکنند. این کانالها در برابر انسداد ناشی از رسوبات شیشهای حاصل از خاکستر آسیبپذیر هستند.
در نهایت، ایمنترین راهکار، اجتناب از برخورد با خاکستر است، اما فناوری به هواپیماهای مسافربری مقاومت بیشتری در برابر اثرات آن نسبت به گذشته بخشیدهاست. تحقیقات مستمر، مانند آنچه در رولزرویس انجام میشود، بر بهبود مقاومت موتور تمرکز دارد. موتور بهطور طبیعی برخی از ذرات بزرگتر خاکستر را به جریان کنارگذر دور از هسته موتور هدایت میکند که میتواند تا حدی آسیب به قطعات هسته را کاهش دهد.
تنظیمات موتور توربوفن
رولزرویس تیم حفاظت محیطی موتور را برای تحقیق و توسعه راهحلهایی جهت مقابله با خطرناکترین تهدیدها برای موتورهای تجاری ایجاد کردهاست. خانواده موتورهای توربوفن ترنت بهطور مستقیم از فناوریهای توسعهیافته توسط این گروه بهرهمند میشوند. این فناوریها، پوششهای حرارتی مقاوم در برابر شن تا روشهای نگهداری برای مقابله با آلایندههای غیرمعمول، مانند نفوذ شیره درخت هنگام پرواز بر فراز جنگل آمازون را دربرمیگیرند.
دادههای حاصل از سامانههای فدک و کنترل پایش موتور تحلیل میشوند تا هرگونه ناهنجاری در عملکرد یا عبور از حد مجاز در طول پرواز شناسایی شود و اقدامات نگهداری هدفمند هدایت گردد. صرفنظر از وقوع حوادث خاص، موتورها بر اساس ساعتها و سیکلهای پروازی تحت بازرسیهای دورهای قرار میگیرند و بازسازی کامل آنها در فواصل زمانی مشخصشده توسط سازنده انجام میشود.
پس از قرارگرفتن موتور در معرض آلایندهها، حداقل یک شستشوی آبی یا شستشو با مخلوطی از حلال انجام میشود تا باقیماندهها از بخشهای کمپرسور و توربین پاک شود. از تمیزکاری خشک خودداری میشود، زیرا ممکن است به قطعات خط و خش وارد کند. سپس تکنیسینها با استفاده از بروسکوپها، قطعات داخلی مانند پرههای کمپرسور و توربین را از نظر علائم سایش یا تجمع رسوب بررسی میکنند.
پس از رخدادهایی که در آن علائم کاهش توان موتور یا ناهنجاری ثبت میشود، نهادهای مسئول مانند سازمان هوانوردی فدرال آمریکا FAA، بازرسیهای پیشپروازی خاصی را برای اطمینان از قابلیت پرواز موتور الزامی میکنند. یخزدگی میتواند بر حسگرهای حیاتی مانند پراپ دمای کل هوا تاثیر بگذارد. بنابراین، این حسگرها بررسی شده و در صورت نیاز یخزدایی یا تعویض میشوند. اگر مقدار زیادی یخ تجمع کرده باشد، پرههای فن و کمپرسور بهصورت فیزیکی بررسی و یخزدایی میشوند تا از چرخش آزاد آنها قبل از پرواز اطمینان حاصل شود.
پیشتازان صنعت هوانوردی
شرکت GE Aerospace، سهم قابلتوجهی در بازار موتور هواپیماهای پهنپیکر با موتورهای قدرتمند خود دارد. موتور GE90 که نیروی پیشران هواپیمای بوئینگ۷۷۷ را تامین میکند، نخستین موتوری بود که از مرز 100 هزار پاوند نیروی پیشران عبور کرد. موتور GEnx که در بوئینگ۷۸۷دریملاینر و ۷۴۷-۸ استفاده میشود، نیز بهخاطر توان، مصرف سوخت کمتر و انتشار آلایندههای پایینتر مشهور است. موتور GE9X که بهعنوان بزرگترین و قدرتمندترین موتور جت تجاری شناخته میشود، حتی رکورد جهانی گینس را با نیروی پیشران ۱۳۴٬۳۰۰ پاوند به ثبت رساندهاست.
شرکت پرتاندویتنی بهخاطر فناوری نوآورانه موتور توربوفن دندهای خود شهرت دارد. محصول قابلتوجه آنها، موتور توربوفن دندهای PW1000G است که نیروی پیشران هواپیماهای ایرباس A320neo، ایرباس A220 و امبرائر E-Jet E2 را تامین میکند. فناوری موتور توربوفن دندهای اجازه میدهد فن و توربین کمفشار با سرعتهای متفاوت عمل کنند که منجر به افزایش چشمگیر در مصرف بهینه سوخت و کاهش نویز میشود.
شرکت CFM اینترنشنال، حاصل یک سرمایهگذاری مشترک بین جنرال الکتریک و سافران، در بازار موتورهای تجاری برای جتهای دو موتوره باریکپیکر پیشتاز در فروش است. محصول برجسته این شرکت، خانواده موتور CFM56، پرفروشترین موتور هواپیمای تجاری در تاریخ است. موتور جدیدتر لیپ که برای بوئینگ ۷۳۷مکس و ایرباس A320neo طراحی شده، با یک جهش فناوری بر آن میراث بنا شده و جایگاه شرکت را در بازار تثبیت میکند.
خانواده موتورهای RB211 شرکت رولزرویس در دهههای گذشته موفقیتهای زیادی داشته و نیروی پیشران هواپیماهای نمادینی مانند بوئینگ ۷۴۷ و ۷۶۷ را تامین کردهاست. خانواده ترنت، بهویژه ترنت XWBو ترنت1000، بازار موتورهای هواپیماهای پهنپیکر امروزی را تحت سلطه دارند. نمونه آزمایشی اولترافن رولزرویس که از معماری دندهای جدیدی بهره میبرد، هدف دارد تا نسبت به مدلهای پیشین ۲۵ درصد بهبود در مصرف سوخت ایجاد کند و نوید بازگشتی قوی در بخش هواپیماهای باریکپیکر را بدهد.
اقتصاد جتهای دو موتوره
گذار از جتهای چهارموتوره به جتهای تجاری دو موتوره سازندگان موتور را واداشته تا بر دو هدف اصلی طراحی یعنی افزایش قابلیتاطمینان و بهبود مصرف سوخت تمرکز کنند. این تغییر به سمت جتهای دو موتوره عمدتا ناشی از تغییرات قانونی مانند استانداردهای عملکرد عملیاتی طولانیمدت برای دو موتور ایتاپس است که به هواپیماهای دو موتوره اجازه میدهد در مسیرهای طولانی و عبوری از اقیانوسها فعالیت کنند.
موتورهای روزآمد دارای سامانههای پایش جامع هستند که شرایط موتور و مصرف روغن را زیرنظر دارند و امکان انجام نگهداری پیشگیرانه را فراهم میآورند تا خطر توقف موتور در حین پرواز کاهش یابد. فرآیندهای سختگیرانه کیفیت طراحی، درسهای بهدستآمده از سرویسهای میدانی مدلهای گذشته را در خود جای دادهاند تا بهطور مداوم قابلیت اطمینان موتور افزایش یابد.
مزایای اقتصادی موتورهای کمتر باعث شده تا طراحیها به سمت کاهش هزینههای نگهداری و مصرف سوخت حرکت کنند. پیشرفتهای کلیدی شامل افزایش نسبت گذردهی است که منجر به بهرهوری بالاتر سوخت و کاهش سطح نویز میشود. موتورهای جت دو موتوره باید نسبت رانش به وزن کافی تولید کنند تا در صورت خرابی احتمالی موتور، جبران لازم انجام شود. این امر به توسعه موتورهای قدرتمندی مانند GE9X، بزرگترین و قدرتمندترین موتور هواپیمای تجاری، منجر شدهاست.
ویژگیهای پیشرفتهای مانند فناوری موتور توربوفن دندهای و طراحیهای روتور باز باعث افزایش بهرهوری در بازار جتهای دو موتوره شدهاند. تقاضا برای موتورهای بسیار قابلاعتماد و قدرتمند، نوآوریهای مهندسی را بهوجود آورده که طراحی جتهای چهارموتوره را برای کاربردهای تجاری منسوخ کردهاند.
منبع:
