یکی از اجزایی که در تعیین بهینه بودن مصرف سوخت هواپیما مهمترین نقش را بازی می کند موتور آن است. در آغازین روزها، صنعت هوانوردی از موتورهای ملخی که تفاوت چندانی با موتورهای خودرو نداشتند بهره می برد. امروزه موتورهای هواپیما جزء تخصصی ترین و پربازده ترین ماشین های موجود روی کره زمین به شمار می روند.در تحولات طراحی موتورهای هواپیما پیشرفت های بیشمار و چشمگیری وجود دارد که امروزه این موتورها را به ماشین هایی بهینه تبدیل کرده است.

موتورهای توربوپراپ

پیدایش موتورهای توربوپراپ در اوایل دهه 40 میلادی، تغییر اساسی در زمینه توان، اعتمادپذیری و بازدهی نسبت به موتورهای پیستونی بوجود آورد و پس از آن این موتورها روی هواپیماهای منطقه ای نصب شدند.
به زبان ساده یک موتور توربوپراپ از یک توربین گازی تشکیل شده است که توان خروجی آن یک ملخ را به گردش در می آورد. موتورهای توربوجت خالص (که در مدل های اولیه جت های تجاری به کار رفتند و هنوز در هواپیماهای نظامی کاربرد دارند) شما را قادر می سازند تا سریعتر پرواز کنید اما در عین حال سوخت بیشتری نسبت به موتورهای توربوپراپ مصرف می کنند. نوع مصرف سوخت موتورهای توربوپراپ آنها را برای استفاده در هواپیماهایی که سرعت سیر آنها بین 480 تا 650 کیلومتر بر ساعت است مناسب ساخته است. حال آنکه هواپیماهای توربوفن سرعتی برابر با 800 کیلومتر بر ساعت دارند.
در سال های اخیر علاقه وافری خصوصاً از طرف سازندگان جت های منطقه ای نسبت به موتورهای توربوپراپ نشان داده شده است که دلیل آن نقطه قوت این موتورها در کارآیی اقتصادی و مزایای کارآیی زیست محیطی آنها است. مصرف سوخت یک موتور توربوپراپ در مقایسه با یک موتور توربوفن مشابه و با در نظر گرفتن مسیرهای کوتاه پروازی، بین 25 تا 40 درصد کمتر است.

موتور توربوفن با کنار گذر بالا

در اواخر دهه 60 میلادی صنعت هوانوردی تجاری تقریبا یه شبه متحول شد. در مقایسه با موتور توربوجت خالص، موتورهای توربوفن تقریبا دو برابر توان بیشتر و در عین حال آلودگی صوتی و هزینه های عملیاتی کمتری نسبت به سلف خود دانستند. این موتور راهگشای ظهور نسل جدیدی از هواپیماهای جت با همان جت های پهن پیکر بود و همچنین یک گام رو به جلو در افزایش بازدهی موتورهای جت به شمار می رفت که بعد از 40 سال از ظهور خود رفته رفته باعث کاهش سر و صدای ناشی از کارکرد موتور هواپیما شد.
دو تغییری که در طراحی موتورهای توربوفن استفاده شد، ارائه یک فن بزرگ در جلوی کمپرسور و افزودن یک بخش توربین کم فشار بود. نقش فن در اینجا مکش حجم بزرگی از هوا به درون موتور است که قسمتی از داخل هسته موتور عبور کرده و پس از فشرده سازی مشتعل می شود و بخش دیگر از بیرون هسته موتور عبور می کند و سهم بیشتری در تولید رانش دارد. اگر حجم هوای عبور از بیرون هسته موتور دو برابر هوای عبور کننده از داخل هسته باشد، آنگاه نسبت کنار گذر این موتور 2:1به 2 به 1 خواهد بود. هر چه این نسبت بیشتر باشد مصرف سوخت موتور بهینه تر خواهد بود چرا که نیروی رانش بیشتری بدون مصرف سوخت بوجود آمده است.
اولین نمونه تجاری این موتورها، نسبت کنار گذر 5 به 1 داشتند یعنی در ازای یک واحد هوای عبوری از هسته موتور، 5 برابر آن از بیرون موتور گذر می کرد. آخرین مدل های موتورهای توربوفن با کنارگذر بالا از نسبت کنار گذر 11 به 1 برخوردارند. جالب است بدانیم که پیشرفته ترین نمونه این موتورها نزدیک به 115 هزار پوند نیروهای رانش تولید می کند که بیش از توان 4 موتور توربوفن اولیه از نسل دهه 60 است! و همزمان مصرف سوخت، تشعشات و سروصدای کمتری نیز دارد.
سرمایه گذاری های یکنواخت و ممتد در حوزه فناوری های پیشرفته و موتورهای جت موجب شد تا روند بهینه سازی این موتورها سالی یک درصد رشد داشته باشد به گونه ای که می توان انتظار داشت موتورهایی که در سال های 2020 عرضه خواهند شد نسبت به موتورهایی که امروزه تولید می شوند حداقل 10 درصد بهینه تر شوند. سازندگان موتور و محققین بنحوی روی طرح های خود کار می کنند تا این روند تا دهه های آتی نیز ادامه داشته باشد.
به منظور فراهم کردن موتورهایی برای نسل آینده هواپیماها، سازندگان هواپیما و همچنین موتور سرگرم بررسی و ارزیابی راه های مختلفی برای بهبود روند کنونی پیشرفت موتورها و طراحی هواپیما هستند. در این بین 3 راه حل و به بیان بهتر سه نوع موتور بیش از هر طرح دیگری مورد توجه قرار گرفته است.

توربوفن پیشرفته با کنار گذر بالا

سازندگان موتور برای هواپیماهای باریک پیکر سرگرم بررسی طرح های موتور فوق پیشرفته و بهینه ای هستند که تا به امروز برای هواپیماهایی با برد پرواز طولانی در نظر گرفته می شدند. این مجموعه شامل استفاده از هسته ای با کارآیی بالا و نسبت فشار بیشتر و فن هایی با نسبت کنار گذر بالا و فناوری های جدید برای تولید موتورهایی است که هزینه های تعمیر و نگهداری کمتر در استفاده طولانی مدت دارند.
این موتور که پیش بینی می شود برای سال 2016 قابل عرضه به بازار باشد در مقایسه با موتورهای فعلی مصرف سوخت آن 16 درصد کمتر و سروصدای آن نیز تا 75 درصد کاهش می یابد. این پیشرفت ها ممکن نبود مگر با استفاده از نوآوری های متعدد در زمینه آیرودینامیک، مواد (از جمله کامپوزیت ها برای قسمت های داغ و سرد موتور)، پوشش های صنعتی، فناوری های احتراق و خنک کاری، همزمان با یکپارچه سازی پیشرفته پوسته موتور با خود موتور و بدنه.

توربوفن دنده ای

فناوری های اخیر موجب شد تا راه برای استفاده از یک تکنولوژی که قبلا در موتور هواپیماهای کوچکتر استفاده می شد در موتورهای هواپیماهای پهن پیکر نیز استفاده شود.
سیستم چرخ دنده (مشابه آنچه در خودرو وجود دارد) موجب می شود تا سرعت فن این موتور نسبت به کمپرسور و توربین کم فشار کمتر باشد که این خود موجب افزایش بازدهی موتور و کاهش مصرف سوخت، تشعشات موتور و سروصدای آن می شود. این موتور که اساسا برای هواپیماهای باریک پیکر طراحی شده، نسبت به موتورهای مشابه دارای 15 تا 20 درصد بازدهی بیشتری است. همچنین این موتورها سروصدای کمتری روی زمین خواهند داشت. به محض آنکه این موتورها مورد کاربری تجاری قرار بگیرند مدل های جدید آن باید یک درصد در سال رشد داشته باشند.

موتور با فن باز

این موتورها در حقیقت همان توربین های گازی هستند که دو پروانه (ملخ) سرعت زیاد را در جهت عکس یکدیگر به حرکت در می آورند. به کار بستن فناوری های جدید در زمینه های مواد و آیرودینامیک در حقیقت به معنای بازگشت موتورهای پروانه ای (ملخ دار) روی هواپیماهای بزرگ خواهد بود، اما این بار با سرعت پروازی بالاتر و سروصدای کمتر.
طرح مفهومی این موتور برای اولین بار در سال های اولیه دهه 80 میلادی مطرح شد اما به دلیل ارزان بودن سوخت هواپیما مورد توجه قرار نگرفت. حال با افزایش روز افزون و افسار گسیخته هزینه های سوخت و همچنین تکنیک های پیشرفته طراحی موتور، این طرح ممکن است باعث بوجود آمدن رنسانسی در عرصه طراحی و تولد موتورهای هواپیما شود.
آزمایش های تونل باد روی مدل اولیه این موتور حاکی از 25 تا 30 درصد بهبود در مصرف سوخت است که نتیجه طراحی کاملا جدید و پیشرفته ملخ های آن است که همزمان استانداردهای کاهش آلودگی صوتی را نیز برآورده می کند. تحقیقات بیشتر روی این موتور در جریان است و اولین آزمایش پرواز آن احتمالا در سال 2015 انجام خواهد شد. تا سال 2020 از این موتورها می توان روی برخی هواپیماهای نو ظهور استفاده کرد.
منبع: ماهنامه نوآور-شماره 89.