تاریخچه موتور جت:

از زمان اولين پرواز برادران رايت در سال ۱۹۰۳ تا اولين پرواز جت در سال ۱۹۳۹ اكثر هواپيما ها دارای موتوری پیستونی بودند که در آن ها نیروی چرخشی شافت موتور برای چرخش و تولید نیروی رانشی ملخ، به ملخ هواپیما متصل بود و به همین دلیل به آن ها هواپیمای ملخى می گفتند. در سال ۱۹۱۰ هنرى كوندا - مخترع فرانسوى - هواپيماى جت دو ملخه اى را طراحى كرد كه اولين پروازش موفقيت آميز نبود و سقوط كرد و ديگر هرگز پرواز نكرد هواپيماى كوندا از جهاتى نظر طراحان هواپيما را به خود جلب كرد و مهندسين را به سوى استفاده از تكنولوژى ملخ سوق داد هر چند كه همگى آنها به زودى متوجه شدند كه ساختار ملخ به گونه اى است كه هرگز نمى تواند به برخى محدوديت هاى ذاتى اش به ويژه در مورد سرعت غلبه كند. به هرحال کوندا نتوانست پس از آن در راه دسیابی به موتور جت گامی موثری بردارد.

دانشمند که اولین ایده موتور جت را به ثبت رساند فرانک ویتل (Frank Whittle) نام داشت. ويتل در سال ۱۹۰۷ در شهر «كاونترى» به دنيا آمد. پدرش مكانيك بود. او در سن ۲۶ سالگى به عنوان خدمه پرواز در كران ول به نيروى هوايى سلطنتى انگلستان پيوست و در سال ۱۹۲۶ با قبولى در معاينات پزشكى _ خلبانى به دانشكده نيروى هوايى سلطنتى راه يافت. او به عنوان يك خلبان بى پروا شهرتى بسزا به دست آورد و در سال ۱۹۲۸ تز فوق ليسانسش با عنوان «پيشرفت هاى آتى در طراحى هواپيما» كه در آن راجع به امكان نفوذ راكت به هواپيما بحث شده بود را به رشته تحرير درآورد. ويتل پس از فارغ التحصيلى از دانشكده نيروى هوايى سلطنتى، به اسكادران جنگى ملحق شد و در اوقات فراغتش به مطالعه درباره اصول طراحى موتور توربوجت مدرن مى پرداخت. يكى از اساتيد پرواز كه تحت تاثير ايده او در زمينه هواپيماهاى ملخ دار قرار گرفته  بود، او را به نيروى هوايى و يك كارخانه خصوصى مهندسى توربين معرفى كرد. پس از مدتى همه به اين نتيجه رسيدند كه عقايد و نظريات ويتل غيرعملى است. او در سال ۱۹۳۰ ايده موتور جت را به صورت انحصارى به ثبت رساند و در سال ۱۹۳۶ با تاسيس كارخانه خصوصى «پاور جت» به ساخت و آزمايش اختراعش پرداخت.

فرانک ویتل در سال ۱۹۳۷ اولين موتور جت خود را بر روى زمين آزمايش كرد. تا آن زمان او همچنان از سرمايه و حمايت اندكى برخوردار بود. در ۲۷ آگوست ،۱۹۳۹ «هانيكل اچ اى ۱۷۸» كه توسط «هانس يوخيم پابست فون اوهاين» مهندس آلمانى طراحى شده بود اولين پرواز موتور جت در تاريخ را به انجام رساند. مدل موتور جت آلمانى به صورت مستقل از تلاش هاى ويتل تكميل شده بود. يك هفته پس از پرواز «اچ اى ۱۷۸»، جنگ جهانى دوم در اروپا آغاز شد. پروژه ويتل، فضايى دوباره براى تحقيق و آزمايش يافت. نيروى هوايى سفارش ساخت موتور جت جديدى را به شركت «پاور جت» داد و از شركت هواپيمايى گلاستر خواستار توليد هواپيمايى آزمايشى با موتورجت شد. (هواپیمای Gloster E.28/39)

هواپیمای Gloster E.28/39 اولین هواپیمای موتور جت بریتانیا

هواپيماى ويتل در پروازهاى آزمايشى اوليه به خلبانى «گرى ساير» به سرعت ۳۷۰ مايل در ساعت در ارتفاع ۲۵ هزار پايى رسيد كه سريع تر از هر هواپيماى ملخه اى تا آن زمان بود.همچنان كه شركت هواپيمايى گلاستر در زمينه هواپيماهايى با موتور توربو جت براى جنگ تحقيق مى كردند، ويتل آمريكايى ها را در تكميل موفقيت آميز اولين نمونه موتور جت يارى مى داد. دولت انگلستان در سال ،۱۹۴۴ شركت «پاورجت» را تحت اختيار خود گرفت. در اين زمان هواپيماى جت گلاستر انگلستان كه در اختيار نيروى هوايى سلطنتى بود، عليه هواپيماى جت ا لمان بر فراز آسمان اروپا به پرواز درآمد.

ويتل در سال ۱۹۴۸ با درجه فرمانده يگان هوايى از نيروى هوايى سلطنتى بازنشسته شد. در اين سال از جانب هيات سلطنتى موفق به دريافت پاداش يكصدهزار پوندى به دليل اختراعاتش شد و همچنين به دريافت لقب شواليه مفتخر شد. كتاب وى با نام «جت، داستان يك پيشرو» در سال ۱۹۵۳ منتشر شد. او در سال ۱۹۷۷ استاد تحقيق آكادمى فنون و علوم هوايى آمريكا در آناپوليس مرى لند شد. وى در سال ۱۹۹۶ در شهر مرى لند ايالت كلمبيا چشم از جهان فروبست.

 ---------------------------------

انواع موتور جت (از نظر نوع قطعات):

موتور های جت از نطر نوع قطعات به دو دسته تقسیم می شوند

1. بدون قطعه گردان مثل رم جت و پالس جت و موتور راکت.
2. متور های جت توربینی متل توربو فن . توربو جت و توربو شفت.

1- موتورهای بدون قطعه گردان:

Ramjet (رم جت):

اولین موتور  جتی که ساخته شد موتور رم جت بود که تشکیل شده از یک مجرای واگرا در ورودی هوا و یک مجرای همگرا در خروجی بود. سیکل کاری رم جت بدین صورت است که هوا از مجرای واگرا وارد می شود که در آن سرعت هوای ورودی به فشار تبدیل و سپس هوای متراکم شده (و با سرعت کمتر) داخل محفظه احتراق شده وبا سوخت مخلوط شده و با جرقه شمع سوخت شعله ور شده و پس از گذشتن از مجرای همگرا فشار هوا به سرعت بسیار زیاد تبدیل و از خروجی موتور خارج می شود. برخلاف موتور های پیستونی که دارای چهار مرحله به صورت نوبتی است؛ رم جت ها در یک نوبت به صورت پیوسته و در فشار ثابت انجام میپذیرد. اما رم جت ها نیاز به یک سرعت اولیه برای شروع کار خود دارند به همین دلیل در گذشته از آن ها به عنوان موتور کمکی (auxiliary) استفاده میشد و هواپیما هایی که از این موتور استفاده میکردند دارای یک موتور پیستونی بودند که سرعت اولیه برای تیک اف را فراهم کنند و بعد برای رسیدن به سرعت های بالاتر از رم جت ها استفاده میکردند که امروزه از کپسول های اکسیژن برای استارت استفاده میشود. موتور های جت مزایا یی ازجمله الودگی کمتر ، سرعت بیشتر ، لرزش کمتر ، خنک کاری اسانتر و مصرف سوخت کمتری نسبت به موتور های پیستونی ان زمان داشتند.

ساختار یک موتور Ramjet

puls jet (پالس جت):

همانطور که گفته شد موتور های رم جت توانایی تولید نیروی پیشران اولیه را نداشتند . برای حل این مشکل پالس جت ها تولید شدند. پالس جت ها همانند رام جت هیچ نوع قطعه گردانی نداشته و از یک مجرای واگرا در ورودی هوا ویک مجرای یک طرفه و یک مجرای همگرا در اگزاز بهره می برند. سیکل کاری پالس جت ها بدین صورت است که در ابتدای کار مقداری هوا وار محفظه احتراق شده وباسوخت مخلوط گشته و باجرقه شمع منفجر میگردد . ورودی هوای یک طرفه که با انفجار سوخت بسته شده است و چون تنها راه فرار قسمت عقب موتور می باشد هوای فشرده از مجرای همگرا خارج می شود و فشار هوا تبدیل به سرعت میگردد. در پالس جت ها مانند موتور های پیستونی این مراحل به ترتیب انجام میگردد با ای تفاوت که دارای سرعت بسیار زیادی هستند و بر خلاف رم جت ها توانایی تولید پیشران اولیه را هم دارا میباشند . و نیازی به موتور کمکی (auxiliary) ندارند.

موتور راکت یا ماهواره بر:

موتور راکت همانند موتور رم جت است با این تفاوت که برای اشتعال سوخت از هوای اتمسفر استفاده نمی کند وبلکه به همراه خودش اکسیژن به صورت مایع در کپسولهای ذخیره شده استفاده میکند . از این نوع موتور برای ایجاد نیروی پیشران در موشک ها و موشک های ماهواره بر و سفر به کرات اسمانی استفاده میشود.

ساختار موتور راکت با سوخت مایع

2- موتورهای جت توربینی (turbine jet engine):

موتور های جت توربینی به سه دسته .توربو جت ، توربو فن و توربو پراپ تقسیم میشوند که در ادامع به شرح انها خواهیم پرداخت.

turbo jet 1-2 (توربو جت):

موتور های جت تشکیل شده از از یک مجرای ورودی* (که نوع ان بسته به طراح آیرودینامیک متغیر است) و کمپرسور* و اتاقک احتراق* و تورباین* و اگزاز* و در اکثر موارد پس سوز* است .

سیکل کاری این موتور بدین ترتیب است که پس از استارت هوا از مجرای ورودی وارد کمپرسور شده و کمپرسور هوا را به داخل موتور می‌کشد و آنرا تحت تراکم قرار می‌دهد. سپس هوای فشرده شده وارد محفظه احتراق شده و به مقدار مناسب سوخت مخلوط گرديده و در ابتدا توسط شمع محترق می‌شود. گازهای سوخته شده با حرارت و انرژی زياد به سمت عقب موتور از روی پره‌های توربين عبور می کنند، عبور گازهای سوخته از روی پره‌های توربين آنها را به حرکت در می‌آورد و در اينجاست که انرژی حرارتی تبديل شده به انرژی مکانيکی شفت متصل به توربين که انتهای دیگر آن به کمپرسور و فن (فن مکنده هوا در ورودی موتور) است را به گردش در می آورد که به دنبال آن کمپرسور و فن نیز شروع به چرخش می کنند. در پايان گازهای سوخته شده با سرعتی فوق‌العاده زياد از دهانه اگزوز عبور می‌کنند که عکس‌العمل آنها همان نيروی تراست می‌باشد.

ساختار موتور turbo jet، همان گونه که مشخص است نیروی رانش این موتور ها تنها به سرعت گاز های داغ خروجی ناشی از احتراق بستگی دارد.

turbo fan and turbo prope 2-2 (موتورهای توربو فن و توربو پراپ):

 همانطور که گفته شد ملخ ها به مقدار زیاد هوا شتاب کمی داده اما موتور های جت به مقدار کمی هوا شتاب زیادی میدهند اما با این وجود نمی توان از راندمان بالای ملخ نسبت به سوخت مصرفی صرفه نظر کرد به همین دلیل در هواپیما های سنگین (مانند هواپیمای خطوط تجاری) برای اینکه هم از از مزایای موتور توربو جت استفاده کنند و هم از راندمان بالای ملخ، موتور های توربو فن تولید شدند سیکل کاری موتور های توربو فن مثل توربو جت ها بوده بااین تفاوت که اولین استیج موتور توربوفن از بقیه استیج های موتور بزرگ تر بوده و حدود 80 درصد تراست را فن تولید کرده که دلیل ان هم با توجه به فرمول لیفت واضحه و لازم به درک است که  فن وظیفه خنکاری موتورا هم در کنار کمپر سور بر عهده دارد.

ساختار موتور turbo fan، پسوند فن (fan) در نام این موتور به این دلیل قرار داده شده است که بیشتر پیشرانش این موتور را فن بزرگ آن در ورودی تولید می کند.

سیکل کاری توربو پراپ ها همانند توربو جت است با این تفاوت که نیروی تولیدی توربین با یک شفت جدا از شفت متصل به کمپرسور به ملخ وصل میشود. به صورتی که در موتورهای توبو فن اگر کمپرسور دارای یک stage باشد، توربین ان دارای دو stage و در نتیجه موتور دارای دو شفت است که یکی به کمپرسور و آخرین توربین که دارای --- بیشتری است به ملخ وصل می شود.

دهانه ي ورودي هواي موتور انواع گوناگوني داشته كه هر يك با رژيم سرعتي و نوع و اندازه ي موتور تناسب دارد.

در اوائل كار از نظر طراحان هواپيما ، ورودي هواي موتور ، تنها زائده اي روي بال و بدنه قلمداد مي شد كه مي بايست در حداقل اندازه طراحي شود. ورودي هوا كه در لبه ي حمله و ريشه ي بال هواپيماهايي مانند كامت و برخي هواپيماهاي جديدتر مانند MB-339 قرار داشتند ، به گونه اي طراحي شده بودند كه لايه ي مرزي جريان هواي روي بدنه ، به درون آنها مكيده نشود. اما طراحان ، اطلاعات دقيقي در مورد محدوديت هاي طبيعي اين گونه ي ورودي نداشتند. اين محدوديت ها عبارت بودند از توزيع نامناسب سرعت و افت كلي فشار در ورودي و يا حتي اثر سيكل ارتعاشي بدنه ، كه در تغيير فشار ورودي هواي جنگنده ي هانتر بسيار مشكل ساز بود. مسائل ديگري مانند اشباع دهانه ي ورودي و خفگي موتور ، پرواز در زاويه ي بالا ، حساسيت جريان هوا به شعاع لبه ي دهانه ي ورودي هوا ، سكته ي موتور بر اثر بلعيدن گازهاي حاصل از شليك گلوله و يا موشك ، احتمال پوشانيده شدن دهانه ي ورودي دوگانه توسط بدنه در حالات مانوري ، همگي در مراحل عملياتي و به تجربه شناخته شدند.

براي سرعت زير صوت و گذرصوت، دهانه ي ورودي نوع لوله اي (مانند نمونه ي به كار رفته در جنگنده ي ميگ-15) بسيار مناسب است. اين نوع دهانه ورودي در مقابل اختلالات ناشي از اجراي مانور و زاويه ي حمله ي بالا مسئله ندارد و پوش متقارن فشار در آن مقدار افت راندمان را در حداقل نگه مي دارد.

نوع لبه گرد اين ورودي در سرعت زير صوت مشخصه هاي عمليلاتي بسيار خوبي از خود نشان مي دهد ، ولي در سرعت مافوق صوت ، شوك هاي بسيار قوي ايجاد شده در مقابل ورودي باعث افت شديد فشار كلي در داخل ورودي مي شود كه اين امر راندمان موتور را كاهش مي دهد. لازم به ذكر است كه تنها 9% كاهش فشار كلي ورودي ، باعث افت 15% كشش(رانش) موتور شده و مصرف ويژه ي سوخت يا SFC را تا 6% افزايش مي دهد.

در جنگنده ي اف-100 كه يكي از اولين جنگنده هاي مافوق صوت بود ، ورودي لوله اي ، با سطح مقطع بيضوي ، شكل بود ، كه لبه ي تيز ورودي ، اجازه ي عمليات در سرعت مافوق صوت را مي داد

با افزايش سرعت جنگنده ها به 2 ماخ ، طراحي ورودي هواي موتور ، كه مناسب چنين رژيم سرعتي باشد اهميت روزافزون يافت. ناگفته نماند ، كه وظيفه ي اصلي ورودي هوا ، كاهش سرعت جريان تا حدود 0.4 الي 0.5 ماخ ، در مقابل صفحه ي كمپرسور است ، بدون آنكه در فشار كل افت زيادي پديد آيد(حداكثر فشار استاتيكي بدون ايجاد حرارت). شايد دانستن اين واقعيت جالب باشد كه در سرع 2 ماخ ، فشار هوا در دهانه ي ورودي هوا ، بيش از فشار درون موتور است.

تنها راه كاهش سرعت جريان مافوق صوت ، به كارگيري موج شوكي است ، كه بي ترديد كاهش فشار كلي را در پي خواهد داشت . به عنوان يك اصل كلي مي توان گفت ، كه هرچقدر سرعت جريان در بالا دست ورودي هوا و موج شوكي بيشتر باشد ، شوك قوي تر بوده و به همين ترتيب سرعت در پايين دست ورودي هوا كاهش بيشتري يافته و راندمان نيز افت بيشتري خواهد داشت. در صورت عدم استفاده از زبانه يا سطوح پيش فشار(Pre-CompressionSpike) در ورودي لوله اي و در سرعت مافوق صوت ، يك شوك عمودي بسيار قوي در دهانه به وجود مي آيد كه به طرز غيرقابل قبولي باعث افت راندمان تبديل فشار مي شود. راه جلوگيري از اين افت راندمان ، استفاده از سطوح پيش فشار و ايجاد چندين شوك ضعيف تر است. به اين ترتيب در سرعت 2 ماخ مي توان ، 27% كاهش راندمان فشار(سرانه ي فشار) در ورودي جت را به 9% رساند. اين روشي است كه در جنگنده ي ميگ-21 به كار رفته است.البته استفاده از تعداد بيشتري سطح ، هزينه و وزن كل سامانه و همچنين پسا در سرعتهاي مادون صوت را بالا مي برد.