الاحتراق اللاحق

المُعزِّز اللاحق (أو المُسخِّن اللاحق ) هو مُكوِّن احتراق إضافي يُستخدم في بعض مُحركات الطائرات النفاثة ، وخاصةً تلك الموجودة في الطائرات العسكرية الأسرع من الصوت . يهدف هذا المُعزِّز إلى زيادة قوة الدفع ، عادةً لأغراض الطيران الأسرع من الصوت ، والإقلاع، والقتال . تقوم عملية الاحتراق اللاحق بحقن وقود إضافي في غرفة الاحتراق ("المُحرق") الموجودة في أنبوب العادم خلف التوربين ، مما يُعيد تسخين غاز العادم. يُؤدي الاحتراق اللاحق إلى زيادة قوة الدفع بشكل ملحوظ، ويُستخدم كبديل للمُحرك الأكبر حجمًا والأثقل وزنًا. مع ذلك، فإنه يزيد من استهلاك الوقود ويُقلل من كفاءته ، مما يُحد من استخدامه لفترات قصيرة. يختلف هذا التطبيق في الطائرات لمصطلح "إعادة التسخين" عن معناه وتطبيقه في توربينات الغاز التي تُشغِّل المُولدات الكهربائية، والتي تُقلل من استهلاك الوقود. ^{[ 1 ]}

تُعرف محركات الطائرات النفاثة بأنها تعمل بنظام الاحتراق الرطب عند استخدام الاحتراق اللاحق، وبنظام الاحتراق الجاف عند عدم استخدامه. ^{[ 2 ]} المحرك الذي يُنتج أقصى قوة دفع عند استخدام الاحتراق الرطب يكون في أقصى قدرة، بينما المحرك الذي يُنتج أقصى قوة دفع عند استخدام الاحتراق الجاف يكون في القدرة العسكرية . ^{[ 3 ]}

كان أول محرك نفاث مزود بحارق لاحق هو النسخة E من محرك Jumo 004. ^{[ 4 ]}

يُعدّ دفع المحرك النفاث تطبيقًا لمبدأ نيوتن للتفاعل، حيث يُولّد المحرك قوة دفع من خلال زيادة زخم الهواء المارّ عبره. ^{[ 5 ]} يعتمد الدفع على عاملين: سرعة غاز العادم وكتلة الغاز الخارج من الفوهة. يمكن للمحرك النفاث توليد قوة دفع أكبر إما بتسريع الغاز إلى سرعة أعلى أو بقذف كتلة أكبر من الغاز من المحرك. ^{[ 6 ]} تصميم محرك توربيني نفاث أساسي بناءً على المبدأ الثاني يُنتج المحرك التوربيني المروحي ، الذي يُولّد غازًا أبطأ، ولكن بكمية أكبر. تتميز المحركات التوربينية المروحية بكفاءة عالية في استهلاك الوقود، ويمكنها توفير قوة دفع عالية لفترات طويلة، ولكن يعيبها حجمها الكبير نسبيًا مقارنةً بقدرتها الناتجة. يمكن تحقيق توليد طاقة أكبر بمحرك أكثر إحكامًا لفترات قصيرة باستخدام حارق لاحق. يزيد الحارق اللاحق قوة الدفع بشكل أساسي عن طريق تسريع غاز العادم إلى سرعة أعلى. ^{[ 7 ]}

القيم والمعلمات التالية خاصة بمحرك نفاث مبكر، وهو محرك برات آند ويتني J57 ، وهو ثابت على المدرج، ^{[ 8 ]} وتوضح القيم العالية لتدفق وقود الاحتراق اللاحق ودرجة حرارة الغاز والدفع مقارنة بتلك الخاصة بالمحرك الذي يعمل ضمن حدود درجة الحرارة لتوربينه.

تحدث أعلى درجة حرارة في المحرك (حوالي 2040 درجة مئوية ^{[ 9 ]} ) في غرفة الاحتراق، حيث يُحرق الوقود (بمعدل تقريبي يبلغ 3860 كجم /ساعة ) في نسبة صغيرة نسبيًا من الهواء الداخل إلى المحرك. يجب تخفيف نواتج الاحتراق بالهواء القادم من الضاغط لخفض درجة حرارة الغاز إلى قيمة محددة، تُعرف بدرجة حرارة دخول التوربين ( 850 درجة مئوية [1570 درجة مئوية] )، مما يمنح التوربين عمرًا مقبولًا. ^{[ 10 ]} يُعد خفض درجة حرارة نواتج الاحتراق بشكل كبير أحد القيود الرئيسية على مقدار الدفع الذي يمكن توليده ( 45000 _نيوتن [10200 رطل قوة] ). سيؤدي حرق كل الأكسجين الذي توفره مراحل الضاغط إلى توليد درجات حرارة ( 2040 درجة مئوية [3700 درجة مئوية] ) عالية بما يكفي لـ يُضعف هذا الأمر البنية الداخلية للمحرك بشكل ملحوظ، ولكن من خلال مزج نواتج الاحتراق مع الهواء غير المحترق من الضاغط عند درجة حرارة 316 درجة مئوية ، تظل كمية كبيرة من الأكسجين ( نسبة الوقود إلى الهواء 0.014 مقارنةً بالقيمة عند انعدام الأكسجين 0.0687) متاحة لحرق كميات كبيرة من الوقود ( 11000 كجم /ساعة ) في غرفة الاحتراق اللاحق. تنخفض درجة حرارة الغاز أثناء مروره عبر التوربين (إلى 545 درجة مئوية ) . تُعيد غرفة الاحتراق اللاحق تسخين الغاز، ولكن إلى درجة حرارة أعلى بكثير ( 1390 درجة مئوية) من درجة حرارة الاحتراق الكلي (850 درجة مئوية) . نتيجةً لارتفاع درجة الحرارة في غرفة الاحتراق اللاحق، يتسارع الغاز، أولاً عن طريق إضافة الحرارة، والمعروفة باسم تدفق رايلي . ثم يُضخ الوقود عبر الفوهة بسرعة خروج أعلى من تلك التي تحدث بدون استخدام الحارق اللاحق. كما يزداد معدل تدفق الكتلة قليلاً بإضافة وقود الحارق اللاحق. وتبلغ قوة الدفع مع استخدام الحارق اللاحق 16000 رطل (71000 _نيوتن ) .                      

قد يظهر العادم المرئي على شكل ماسات صدمية ، ناتجة عن موجات صدمية تتشكل بسبب اختلافات طفيفة بين الضغط المحيط وضغط العادم. يتسبب هذا التفاعل في تذبذبات في قطر تيار العادم على مسافة قصيرة، مما يؤدي إلى ظهور نطاقات مرئية حيث يكون الضغط ودرجة الحرارة في أعلى مستوياتهما.

يمكن زيادة قوة الدفع عن طريق حرق الوقود في الهواء البارد الجانبي للمحرك التوربيني المروحي، بدلاً من التدفقات المختلطة الباردة والساخنة كما هو الحال في معظم المحركات التوربينية المروحية ذات الاحتراق اللاحق.

استخدم محرك برات آند ويتني TF30 ، وهو محرك توربيني مروحي مُعزز من أوائل المحركات، مناطق احتراق منفصلة لتدفقات الوقود الجانبية والمركزية، مع وجود ثلاث من أصل سبع حلقات رش متحدة المركز في تدفق الوقود الجانبي. ^{[ 11 ]} في المقابل، استخدم محرك رولز رويس سبي المزود بحارق لاحق خلاطًا ذا عشرين قناة قبل مشعبات الوقود.

طُوِّرت تقنية الاحتراق في غرفة الضغط (PCB) جزئيًا لمحرك بريستول سيدلي BS100 ذي الدفع الموجه لطائرة هوكر سيدلي P.1154 حتى أُلغي البرنامج عام 1965. وُزِّع تدفق الهواء البارد الجانبي وتدفق الهواء الساخن الأساسي بين زوجين من الفوهات، أمامية وخلفية، على غرار محرك رولز رويس بيغاسوس ، وكان الوقود يُحرق في هواء المروحة قبل خروجه من الفوهات الأمامية. وكان من شأن هذه التقنية أن تُعطي قوة دفع أكبر للإقلاع وأداءً أسرع من الصوت في طائرة مماثلة لطائرة هوكر سيدلي هارير ، ولكنها أكبر حجمًا . ^{[ 12 ]}

استخدمت شركة برات آند ويتني نظام التسخين عبر القنوات في تصميمها لمحرك JTF17 التوربيني المروحي ضمن برنامج النقل الأسرع من الصوت الأمريكي عام 1964، وتم تشغيل محرك تجريبي. ^{[ 13 ]} يعتمد نظام التسخين عبر القنوات على غرفة احتراق حلقية، ويُستخدم للإقلاع والصعود والتحليق بسرعة 2.7 ماخ، مع مستويات مختلفة من التعزيز تبعًا لوزن الطائرة. ^{[ 14 ]}

يُعدّ الحارق اللاحق في المحرك النفاث قسمًا ممتدًا للعادم يحتوي على حاقنات وقود إضافية . ولأن المحرك النفاث قبل التوربين يستهلك كمية قليلة من الأكسجين، يُمكن حرق وقود إضافي بعد خروج تدفق الغاز من التوربينات. عند تشغيل الحارق اللاحق، يُحقن الوقود وتُشعل الشعلات. وتؤدي عملية الاحتراق الناتجة إلى زيادة درجة حرارة مخرج الحارق اللاحق ( مدخل الفوهة )، مما ينتج عنه زيادة ملحوظة في قوة دفع المحرك. بالإضافة إلى زيادة درجة حرارة مخرج الحارق اللاحق ، هناك أيضًا زيادة في تدفق كتلة الفوهة (أي تدفق كتلة مدخل الحارق اللاحق بالإضافة إلى تدفق وقود الحارق اللاحق الفعال)، ولكن هناك انخفاض في ضغط مخرج الحارق اللاحق (بسبب فقدان أساسي ناتج عن التسخين بالإضافة إلى فقدان الاحتكاك والاضطراب).

يتم استيعاب الزيادة الناتجة في تدفق حجم مخرج غرفة الاحتراق اللاحق عن طريق زيادة مساحة عنق فوهة المخرج. وإلا، فإذا لم يتم تخفيف الضغط، فقد يتدفق الغاز عكس التيار ويشتعل مرة أخرى، مما قد يتسبب في توقف الضاغط (أو اندفاع المروحة في تطبيقات المحركات التوربينية المروحية ). كانت التصاميم الأولى، مثل غرف الاحتراق اللاحق من نوع سولار المستخدمة في طائرات إف-7 يو كاتلاس وإف-94 ستارفاير وإف-89 سكوربيون، مزودة بفوهات ذات وضعين. ^{[ 15 ]} أما التصاميم الحديثة، فتتضمن ليس فقط فوهات ذات هندسة متغيرة، بل مراحل متعددة من التعزيز عبر قضبان رش منفصلة.

من الدرجة الأولى، فإن نسبة الدفع الإجمالية (الاحتراق اللاحق / الجاف) تتناسب طرديًا مع جذر نسبة درجة حرارة الركود عبر الاحتراق اللاحق (أي المخرج / المدخل).

نظراً لاستهلاكها العالي للوقود، لا تُستخدم الحارقات اللاحقة إلا في حالات قصيرة المدى تتطلب قوة دفع عالية. وتشمل هذه الحالات الإقلاع من مدارج قصيرة أو ذات أوزان ثقيلة، والمساعدة في عمليات الإطلاق من حاملات الطائرات ، وأثناء القتال الجوي . ويُعدّ محرك برات آند ويتني J58 المستخدم في طائرة SR-71 بلاك بيرد استثناءً بارزاً ، حيث كان يستخدم حارقه اللاحق لفترات طويلة، وكان يُعاد تزويده بالوقود أثناء الطيران كجزء من كل مهمة استطلاع.

يتمتع الموقد اللاحق بعمر افتراضي محدود يتناسب مع استخدامه المتقطع. وكان الموقد J58 استثناءً، إذ صُمم للاستخدام المستمر. وقد تحقق ذلك من خلال طلاءات عازلة للحرارة على البطانة وحوامل اللهب ^{[ 16 ]} ، وتبريد البطانة والفوهة بهواء مستخلص من الضاغط ^{[ 17 ]} بدلاً من غاز عادم التوربين.

في المحركات الحرارية مثل المحركات النفاثة، تكون الكفاءة في أعلى مستوياتها عندما يحدث الاحتراق عند أعلى ضغط ودرجة حرارة ممكنة، ويمتد إلى الضغط المحيط (انظر دورة كارنو ).

نظراً لانخفاض محتوى الأكسجين في غاز العادم نتيجةً للاحتراق السابق، ولأن الوقود لا يحترق في عمود هواء مضغوط للغاية، فإنّ كفاءة غرفة الاحتراق اللاحق تكون أقل عموماً مقارنةً بعملية الاحتراق الرئيسية. كما تنخفض كفاءة غرفة الاحتراق اللاحق بشكل ملحوظ إذا انخفض ضغط مدخل ومخرج العادم مع ازدياد الارتفاع، كما هو الحال عادةً.

ينطبق هذا القيد على المحركات النفاثة فقط. في محركات القتال التوربينية المروحية العسكرية، يُضاف الهواء المتجاوز إلى العادم، مما يزيد من كفاءة قلب الاحتراق وغرفة الاحتراق اللاحق. في المحركات النفاثة، يقتصر التحسن على 50%، بينما في المحركات التوربينية المروحية، يعتمد على نسبة التجاوز ويمكن أن يصل إلى 70%. ^{[ 18 ]}

ومع ذلك، كمثال مضاد، كان للطائرة SR-71 كفاءة معقولة على ارتفاعات عالية في وضع الاحتراق اللاحق ("الرطب") نظرًا لسرعتها العالية ( ماخ 3.2) والضغط العالي المقابل بسبب مدخل الصدم .

للاحتراق اللاحق تأثير كبير على اختيار دورة المحرك.

يؤدي خفض نسبة ضغط المروحة إلى تقليل الدفع النوعي (سواءً في حالة الاحتراق الجاف أو الرطب)، ولكنه ينتج عنه انخفاض في درجة الحرارة الداخلة إلى غرفة الاحتراق اللاحق. وبما أن درجة حرارة مخرج الاحتراق اللاحق ثابتة فعليًا، فإن ارتفاع درجة الحرارة عبر الوحدة يزداد، مما يزيد من تدفق الوقود إلى غرفة الاحتراق اللاحق. يميل إجمالي تدفق الوقود إلى الزيادة بوتيرة أسرع من صافي الدفع، مما يؤدي إلى ارتفاع استهلاك الوقود النوعي . ومع ذلك، يتحسن استهلاك الوقود النوعي المقابل في حالة القدرة الجافة (أي انخفاض الدفع النوعي). وتؤدي نسبة درجة الحرارة المرتفعة عبر غرفة الاحتراق اللاحق إلى زيادة ملحوظة في الدفع.

إذا كانت الطائرة تستهلك نسبة كبيرة من وقودها مع تشغيل الحارق اللاحق، فمن الأفضل اختيار دورة محرك ذات قوة دفع نوعية عالية (أي نسبة ضغط مروحة عالية/ نسبة تجاوز منخفضة ). يكون المحرك الناتج موفرًا للوقود نسبيًا مع استخدام الحارق اللاحق (أي أثناء القتال/الإقلاع)، ولكنه يستهلك كمية كبيرة من الوقود في وضع التشغيل الجاف. أما إذا كان استخدام الحارق اللاحق محدودًا، فسيتم تفضيل دورة ذات قوة دفع نوعية منخفضة (نسبة ضغط مروحة منخفضة/نسبة تجاوز عالية). يتميز هذا المحرك باستهلاك وقود نوعي جيد في وضع التشغيل الجاف، ولكنه يستهلك وقودًا نوعيًا ضعيفًا مع استخدام الحارق اللاحق أثناء القتال/الإقلاع.

غالباً ما يواجه مصمم المحرك حلاً وسطاً بين هذين النقيضين.

كانت طائرة كابروني كامبيني CC2 النفاثة ، التي صممها المهندس الإيطالي سيكوندو كامبيني ، أول طائرة مزودة بحارق لاحق. وقد جرت أول رحلة تجريبية لطائرة CC2، مع تشغيل الحارق اللاحق، في 11 أبريل 1941. ^{[ 19 ] [ 20 ]}

شملت الأعمال البريطانية المبكرة المتعلقة بالحارق اللاحق ("إعادة التسخين") اختبارات طيران على محرك رولز رويس W2/B23 في طائرة غلوستر ميتيور 1 في أواخر عام 1944 واختبارات أرضية على محرك باور جيتس W2/700 في منتصف عام 1945. وكان من المقرر استخدام هذا المحرك في مشروع طائرة مايلز M.52 الأسرع من الصوت. ^{[ 21 ]}

أُجريت الأبحاث الأمريكية المبكرة حول هذا المفهوم بواسطة NACA في كليفلاند، أوهايو، مما أدى إلى نشر ورقة بحثية بعنوان "التحقيق النظري في زيادة قوة الدفع لمحركات التوربينات النفاثة عن طريق احتراق أنبوب العادم" في يناير 1947. ^{[ 22 ]}

أدى العمل الأمريكي على الحارقات اللاحقة في عام 1948 إلى تركيبها على الطائرات النفاثة ذات الأجنحة المستقيمة المبكرة مثل Pirate و Starfire و Scorpion . ^{[ 23 ]}

كان من المقرر أن يُزوّد ​​محرك برات آند ويتني J48 التوربيني النفاث الجديد ، بقوة دفع تبلغ 8000  رطل (36  كيلو نيوتن) مع استخدام الحارق اللاحق، مقاتلة غرومان ذات الأجنحة المائلة F9F-6 ، التي كانت على وشك دخول مرحلة الإنتاج. وشملت المقاتلات البحرية الجديدة الأخرى المزودة بالحارق اللاحق طائرة تشانس فوت F7U-3 كاتلاس ، التي تعمل بمحركين من طراز ويستنغهاوس J46  بقوة دفع تبلغ 6000 رطل (27  كيلو نيوتن) .

في خمسينيات القرن العشرين، طُوِّرت عدة محركات كبيرة مزودة بحارق لاحق، مثل محرك أوريندا إيروكوا ، ومحرك دي هافيلاند جيرون البريطاني ، ومحركات رولز رويس أفون RB.146. وقد زُوِّدت طائرة إنجلش إلكتريك لايتنينغ ، أول طائرة أسرع من الصوت في سلاح الجو الملكي البريطاني، بمحرك أفون ومشتقاته . كما زُوِّد محرك بريستول-سيدلي/ رولز رويس أوليمبوس بحارق لاحق لاستخدامه مع طائرة BAC TSR-2 . وقد صُمِّم هذا النظام وطُوِّر بالاشتراك بين شركتي بريستول-سيدلي وسولار من سان دييغو. ^{[ 24 ]} أما نظام الاحتراق اللاحق لطائرة الكونكورد فقد طوّرته شركة سنيكما .

تُستخدم الحارقات اللاحقة عادةً في الطائرات العسكرية فقط، وتُعتبر من التجهيزات القياسية في الطائرات المقاتلة. ومن بين الطائرات المدنية القليلة التي استخدمتها، بعض طائرات الأبحاث التابعة لوكالة ناسا ، وطائرة توبوليف تو-144 ، وطائرة الكونكورد، وطائرة " الفارس الأبيض" من شركة سكيلد كومبوزيتس . كانت الكونكورد تحلق لمسافات طويلة بسرعات تفوق سرعة الصوت. ونظرًا لاستحالة الحفاظ على سرعات عالية مع استهلاك الوقود الكبير للحارقات اللاحقة، فقد استخدمت الطائرة الحارقات اللاحقة عند الإقلاع ولتقليل الوقت الذي تقضيه في مرحلة الطيران الانتقالي ذات المقاومة العالية . ويُطلق على الطيران الأسرع من الصوت بدون حارقات لاحقة اسم " التحليق فوق الصوتي" .

يُطلق على محرك التوربين النفاث المجهز بحارق لاحق اسم "محرك توربين نفاث حارق لاحق"، في حين يُطلق على محرك التوربين المروحي المجهز بشكل مماثل أحيانًا اسم "محرك توربين مروحي معزز".

" إفراغ الوقود والحرق " هو ​​عرض جوي يُستخدم فيه الوقود المُفرّغ، ثم يُشعل عمدًا باستخدام الحارق اللاحق. يُضفي اللهب المذهل، إلى جانب السرعة العالية، شعبيةً كبيرةً على هذا العرض الجوي ، أو يُستخدم كخاتمة للألعاب النارية . يُستخدم إفراغ الوقود بشكل أساسي لتقليل وزن الطائرة لتجنب الهبوط العنيف بسرعة عالية. ولا يُستخدم عمليًا إلا لأسباب تتعلق بالسلامة أو حالات الطوارئ.

• محرك إيروسبايك
• مكونات محركات الطائرات النفاثة
• فهرس مقالات الطيران
• فوهة الدفع
• رام جيت

• صورة لفوهات رش الوقود لإعادة التسخين في سيارة بريستول سيدلي أوليمبوس (الصورة في أسفل يسار الصفحة)
• "إعادة تسخين أنبوب العادم" مقال نُشر في مجلة فلايت عام 1949