محرك نفاث مبرد مسبقًا

📅 آخر تحديث: ٤ أغسطس ٢٠٢٦
✍️ نُشر في: ٤ أغسطس ٢٠٢٦
الموسوعة الحرة

يُعدّ المحرك النفاث المبرد مسبقًا مفهومًا يمكّن المحركات النفاثة المزودة بتوربينات ، على عكس المحركات النفاثة الضاغطة ، من العمل بسرعات عالية. يعمل التبريد المسبق على استعادة بعض أو كل تدهور أداء ضاغط المحرك (عن طريق منع التوقف الدوراني/الاختناق/انخفاض التدفق)، وكذلك أداء مولد الغاز بالكامل (عن طريق الحفاظ على ارتفاع ملحوظ في درجة حرارة غرفة الاحتراق ضمن حدّ ثابت لدرجة حرارة التوربين)، الأمر الذي قد يمنع الطيران بدرجات حرارة ضاغطة عالية.

تاريخ

ابتكر روبرت ب. كارمايكل في عام 1955 عدة دورات محرك تستخدم الهيدروجين السائل لتبريد هواء المدخل إلى المحرك قبل استخدامه كوقود. [ 1 ] : 138

بدأ الاهتمام بالمحركات المبردة مسبقًا بالظهور في المملكة المتحدة عام 1982، عندما ابتكر آلان بوند تصميمًا لمحرك صاروخي يعمل بالهواء المبرد مسبقًا أطلق عليه اسم "ساتان". طُوّرت الفكرة كجزء من مشروع المركبة الفضائية "هوتول " ذات المرحلة الواحدة إلى المدار ، وأصبحت فيما بعد محرك رولز رويس RB545. في عام 1989، وبعد توقف مشروع "هوتول"، أنشأ بعض مهندسي RB545 شركة "رياكشن إنجنز ليمتد" لتطوير الفكرة إلى محرك "سيبر" ، والمركبة الفضائية "سكايلون" المرتبطة به .

في عام 1987، نشر ن. تاناتسوغو دراسة بعنوان "دراسة تحليلية لطائرة فضائية تعمل بمحرك نفاث توربيني هوائي مع مبرد هواء السحب"، وذلك ضمن دراسة أجرتها وكالة استكشاف الفضاء اليابانية ( ISAS ) (التي تُعرف الآن باسم JAXA ) حول محرك نفاث توربيني هوائي (ATR، والذي أصبح لاحقًا ATREX بعد إضافة دورة التمدد) كان من المُفترض أن يُشغل المرحلة الأولى من طائرة فضائية من نوع TSTO . وقد حلت دراسات المحرك النفاث التوربيني المبرد مسبقًا (PCTJ) والمحرك النفاث التوربيني فائق السرعة محل دراسة ATREX. وفي سبتمبر 2010، أُجريت تجربة لمحرك اختبار يعمل بالهيدروجين المبرد مسبقًا بالنيتروجين السائل بسرعة ماخ 2 في حقل تايكي لأبحاث الفضاء. [ 2 ]

تصميم

لتحقيق سرعات طيران أعلى، قد يتضمن التبريد المسبق استخدام مبادل حراري مبرد بالوقود المبرد قبل دخول الهواء إلى الضاغط. بعد اكتساب الوقود (مثل الهيدروجين) الحرارة والتبخر في المبادل الحراري، يحترق في غرفة الاحتراق . لم يُستخدم التبريد المسبق باستخدام مبادل حراري في الطيران، ولكن من المتوقع أن يحقق قوة دفع وكفاءة عاليتين عند سرعات تصل إلى 5.5 ماخ. قام روبرت ب. كارمايكل بتحليل دورات محركات الطائرات النفاثة المبردة مسبقًا عام 1955. [ 1 ] : 138. تتجنب المحركات المبردة مسبقًا الحاجة إلى مكثف هواء لأنها، على عكس محركات دورة الهواء السائل ، تبرد الهواء دون تسييله .

للتبريد المسبق عند سرعات الطيران المنخفضة، يمكن استخدام تقنية حقن الماء لتبريد الضاغط المسبق [ 3 ]. وقد استُخدمت هذه الطريقة لزيادة سرعة الطائرة القصوى لفترة قصيرة (نظراً لمحدودية سعة سائل التبريد). في عملية "سكايبرنر"، التي حققت رقماً قياسياً عالمياً في السرعة باستخدام طائرة ماكدونيل دوغلاس إف-4 فانتوم 2 [ 4 ] ، وفي طائرة ميكويان يي-266 ( ميغ 25 ) [ 5 ] ، استُخدم رذاذ الماء/الكحول لتبريد الهواء أمام الضاغط.

يتم استخدام التبريد المسبق (وكذلك حقن الماء في غرفة الاحتراق) عند أدنى سرعات الطيران، أي أثناء الإقلاع، لزيادة قوة الدفع في درجات الحرارة المحيطة العالية.

صفات

تتمثل إحدى المزايا الرئيسية للتبريد المسبق (كما تنبأ به قانون الغاز المثالي ) في أنه عند نسبة ضغط إجمالية معينة ، يحدث انخفاض ملحوظ في درجة حرارة مخرج الضاغط (T3)، مما يؤخر الوصول إلى حد T3 إلى رقم ماخ أعلى. ونتيجة لذلك، يمكن الحفاظ على ظروف مستوى سطح البحر (تدفق مصحح) بعد المبرد المسبق ضمن نطاق واسع جدًا من سرعات الطيران، مما يزيد من صافي الدفع حتى عند السرعات العالية. ويتعرض الضاغط والقنوات بعد المدخل لدرجات حرارة أقل بكثير وأكثر استقرارًا، وبالتالي يمكن تصنيعهما من سبائك خفيفة. وهذا يقلل من وزن المحرك، مما يحسن نسبة الدفع إلى الوزن.

يُعدّ الهيدروجين وقودًا مناسبًا لأنه سائل في درجات حرارة منخفضة للغاية، ويتمتع بسعة حرارية نوعية كلية عالية جدًا ضمن نطاق استخدامه العملي ، [ 1 ] : 108، بما في ذلك حرارة التبخر الكامنة، وهي أعلى من الماء. مع ذلك، فإن انخفاض كثافة الهيدروجين السائل يؤثر سلبًا على باقي أجزاء المركبة، فتصبح المركبة كبيرة الحجم، [ 1 ] : 108، على الرغم من أن وزن الهيكل السفلي وحمل الجناح قد يظل منخفضًا.

يتسبب الهيدروجين في إضعاف البنية في العديد من المواد، وهو ما يُعرف باسم التقصف الهيدروجيني .

يُضاف وزن المبرد المسبق إلى وزن المحرك، مما يُقلل من نسبة الدفع إلى الوزن . كما أن مرور هواء السحب عبر المبرد المسبق يزيد من مقاومة السحب، مما يُقلل من صافي قوة دفع المحرك، وبالتالي يُقلل من نسبة الدفع إلى الوزن.

بحسب كمية التبريد المطلوبة، ورغم سعته الحرارية العالية، قد يلزم استخدام كمية من الهيدروجين لتبريد الهواء تفوق ما يمكن حرقه معه. في بعض الحالات، يمكن حرق جزء من الهيدروجين الزائد في محرك نفاث مع هواء غير مبرد لتقليل هذا الهدر.

على عكس محرك LACE، لا يحتاج المحرك المبرد مسبقًا إلى تسييل الأكسجين، مما يقلل من كمية التبريد لعدم الحاجة إلى تغطية انصهار الأكسجين، وبالتالي انخفاض إجمالي أقل في درجة الحرارة. وهذا بدوره يقلل من كمية الهيدروجين المستخدمة كمشتت حراري، والتي لا يمكن حرقها. إضافةً إلى ذلك، لا حاجة إلى مكثف، مما يوفر وزنًا.

انظر أيضاً

مراجع

  1. 1 2 3 4 سلوب، جون (1978). الهيدروجين السائل كوقود للدفع، 1945-1959 (NASA SP-4404) (PDF) . ناسا.
  2. ↑ كوباياشي، هـ؛ تاغوتشي، هـ؛ كوجيما، تاكايوكي؛ هارادا، ك؛ أوكاي، ك؛ هونغوه، م؛ أراي، ت؛ ساتو، ت (6 أكتوبر 2011). حالة تطوير محرك التوربين النفاث فائق السرعة لرحلة ماخ 5 في وكالة استكشاف الفضاء اليابانية (JAXA) (IAC-11.C4.5.1) . المؤتمر الدولي الثاني والستون للملاحة الفضائية 2011، IAC 2011. المجلد 8. كيب تاون، جنوب أفريقيا. الصفحات 6655-6659 .  
  3. ↑ ميهتا، يو.، ج. بولز، ج. ميلتون، ل. هوينه، وب. هاغسيث (فبراير 2015). "تبريد الضاغط المسبق بحقن الماء للمساعدة في الوصول إلى الفضاء" (ملف PDF) . المجلة الجوية . 119 (1212): 145-171 . doi : 10.1017/S0001924000010319 . S2CID 18289336 – عبر nas.nasa.gov. {{cite journal}}: صيانة CS1: أسماء متعددة: قائمة المؤلفين ( رابط )
  4. ↑ "طائرة إف-4 فانتوم القتالية الحديثة 1"، بيل غانستون، دار إيان آلان المحدودة، 1977، رقم ISBN 0 7110 0727 6الصفحة 19
  5. ↑ سويتمان، بيل (1983). الطيران عالي السرعة (صفحة 129) . أرشيف الإنترنت. لندن؛ نيويورك، نيويورك : جينز. ISBN  9780867206616.