فوهة الدفع

تُستخدم الفوهات المتقاربة في العديد من المحركات النفاثة. إذا تجاوزت نسبة ضغط الفوهة القيمة الحرجة (حوالي 1.8:1)، فإن الفوهة المتقاربة ستختنق ، مما يؤدي إلى حدوث جزء من التمدد إلى الضغط الجوي في اتجاه مجرى الهواء أسفل عنق الفوهة (أي في أصغر مساحة تدفق)، في منطقة خلف المحرك النفاث. على الرغم من أن زخم المحرك النفاث لا يزال يُنتج جزءًا كبيرًا من قوة الدفع الإجمالية، إلا أن عدم التوازن بين الضغط الساكن عند عنق الفوهة والضغط الجوي يُولّد أيضًا بعض قوة الدفع (الضغطية).

تتيح السرعة فوق الصوتية للهواء المتدفق إلى محرك سكرامجت استخدام فوهة متباعدة بسيطة

تتميز المحركات القادرة على الطيران بسرعة تفوق سرعة الصوت بوجود قنوات عادم متقاربة ومتباعدة لتوليد تدفق أسرع من الصوت. أما محركات الصواريخ - وهي الحالة القصوى - فتعود في شكلها المميز إلى النسب العالية جدًا لمساحة فوهاتها.

عندما تتجاوز نسبة الضغط عبر فوهة متقاربة قيمةً حرجة، يختنق التدفق ، وبالتالي يتجاوز ضغط العادم الخارج من المحرك ضغط الهواء المحيط، ولا يمكن خفضه عبر تأثير فنتوري التقليدي . هذا يقلل من كفاءة توليد الدفع للفوهة، إذ يتسبب في حدوث معظم التمدد في اتجاه مجرى الهواء بعد الفوهة نفسها. ونتيجةً لذلك، تتضمن محركات الصواريخ والمحركات النفاثة المستخدمة في الطيران الأسرع من الصوت فوهة متقاربة-متباعدة تسمح بمزيد من التمدد على الجانب الداخلي للفوهة. مع ذلك، وعلى عكس الفوهة المتقاربة-المتباعدة الثابتة المستخدمة في محركات الصواريخ التقليدية ، فإن تلك المستخدمة في المحركات النفاثة التوربينية تتطلب هندسة متغيرة ثقيلة ومكلفة للتعامل مع التغير الكبير في نسبة ضغط الفوهة الذي يحدث مع السرعات من دون سرعة الصوت إلى ما يزيد عن  3 ماخ.

ومع ذلك، فإن الفوهات ذات نسبة المساحة المنخفضة لها تطبيقات دون سرعة الصوت.

تتميز المحركات دون الصوتية غير المزودة بحارق لاحق بفوهات ذات حجم ثابت، لأن التغيرات في أداء المحرك مع الارتفاع وسرعات الطيران دون الصوتية تكون مقبولة مع فوهة ثابتة. وهذا لا ينطبق على السرعات فوق الصوتية كما هو موضح أدناه بالنسبة لطائرة الكونكورد .

في الصواريخ (ذات نسبة مساحة عالية)

تستخدم محركات الصواريخ أيضًا فوهات متقاربة-متباعدة، ولكنها عادةً ما تكون ذات هندسة ثابتة لتقليل الوزن. ونظرًا لنسب الضغط العالية المصاحبة لرحلات الصواريخ، فإن فوهات محركات الصواريخ المتقاربة-المتباعدة تتميز بنسبة مساحة (مخرج/حلق) أكبر بكثير من تلك المستخدمة في المحركات النفاثة.

تتطلب مُعززات الاحتراق اللاحق في الطائرات المقاتلة فوهة أكبر لتجنب التأثير السلبي على تشغيل المحرك. تتكون فوهة القزحية ذات المساحة المتغيرة ^{[ 9 ]} من سلسلة من البتلات المتحركة والمتداخلة ذات مقطع عرضي دائري تقريبًا، وهي متقاربة للتحكم في تشغيل المحرك. إذا كانت الطائرة ستطير بسرعات تفوق سرعة الصوت، فقد تتبع فوهة مُعزز الاحتراق اللاحق فوهة متباعدة منفصلة في تكوين فوهة قاذفة، كما هو موضح أدناه، أو قد يتم دمج الشكل الهندسي المتباعد مع فوهة مُعزز الاحتراق اللاحق في تكوين فوهة متقاربة-متباعدة ذات هندسة متغيرة، كما هو موضح أدناه.

كانت أجهزة الاحتراق اللاحق المبكرة إما تعمل أو لا تعمل، وكانت تستخدم فوهة ذات وضعين تشبه الصدفة أو الجفن، مما يوفر منطقة واحدة فقط متاحة لاستخدام الاحتراق اللاحق. ^{[ 10 ]}

يشير مصطلح "القاذف" إلى عملية ضخ غازات عادم المحرك شديدة السخونة وعالية السرعة، والتي تسحب (تقذف) تيارًا هوائيًا محيطًا، يتحكم، جنبًا إلى جنب مع الشكل الهندسي الداخلي للفوهة الثانوية أو المتباعدة، في تمدد غازات العادم. عند السرعات دون الصوتية، يضيق تدفق الهواء العادم ليأخذ شكلًا متقاربًا. عند تفعيل الاحتراق اللاحق وزيادة سرعة الطائرة، تتوسع الفوهتان، مما يسمح للعادم بتشكيل شكل متقارب-متباعد، ويزيد من سرعة غازات العادم لتتجاوز سرعة الصوت (ماخ  1). تستخدم تركيبات المحركات الأكثر تعقيدًا تدفق هواء ثالثًا لتقليل مساحة المخرج عند السرعات المنخفضة. من مزايا فوهة القاذف بساطتها النسبية وموثوقيتها في الحالات التي يتم فيها تحديد موضع لوحات الفوهة الثانوية بواسطة قوى الضغط. كما تستطيع فوهة القاذف استخدام الهواء الذي تم سحبه بواسطة نظام السحب ولكنه غير مطلوب للمحرك. تختلف كمية هذا الهواء بشكل كبير عبر نطاق الطيران، وتُعد فوهات القاذف مناسبة تمامًا لمطابقة تدفق الهواء بين نظام السحب والمحرك. كان الاستخدام الفعال لهذا الهواء في الفوهة شرطًا أساسيًا للطائرات التي كان عليها أن تحلق بكفاءة بسرعات تفوق سرعة الصوت لفترات طويلة، ومن هنا جاء استخدامه في طائرات SR-71 و Concorde و XB-70 Valkyrie .

من الأمثلة البسيطة على فوهات القذف الغطاء الأسطواني ذو الشكل الهندسي الثابت المحيط بفوهة الاحتراق اللاحق في محرك J85 في طائرة T-38 تالون . ^{[ 11 ]} أما في محركي J58 ( SR-71 ) و TF-30 ( F-111 ) ، فكانت الترتيبات المستخدمة أكثر تعقيدًا . إذ استخدم كلاهما أبواب نفخ ثانوية (تُفتح عند السرعات المنخفضة) ولوحات متداخلة حرة الحركة للفوهة النهائية. ويتم تحديد موضع كل من أبواب النفخ ولوحات الفوهة النهائية من خلال توازن الضغط الداخلي الناتج عن عادم المحرك والضغط الخارجي الناتج عن تدفق الهواء في الطائرة.

في تركيبات J79 المبكرة ( F-104 ، F-4 ، A-5 Vigilante )، كان تشغيل الفوهة الثانوية مرتبطًا ميكانيكيًا بفوهة الاحتراق اللاحق. أما في التركيبات اللاحقة، فكان تشغيل الفوهة النهائية يتم بشكل منفصل ميكانيكيًا عن فوهة الاحتراق اللاحق. وقد أدى ذلك إلى تحسين الكفاءة (مطابقة أفضل لمنطقة مخرج الفوهة الأولية/الثانوية مع متطلبات سرعة ماخ العالية) عند سرعة ماخ  2 ( B-58 Hustler ) وسرعة ماخ  3 (XB-70). ^{[ 12 ]}

تستخدم أنظمة التوربينات المروحية التي لا تتطلب تدفق هواء ثانوي يتم ضخه بواسطة عادم المحرك فوهة CD ذات هندسة متغيرة. ^{[ 13 ]} لا تتطلب هذه المحركات هواء التبريد الخارجي الذي تحتاجه المحركات النفاثة التوربينية (غلاف الاحتراق اللاحق الساخن).

قد تكون الفوهة المتباعدة جزءًا لا يتجزأ من بتلة فوهة الاحتراق اللاحق، وهي امتداد مائل بعد عنق الاحتراق. تتحرك البتلات على مسارات منحنية، ويؤدي الانتقال المحوري والدوران المتزامن إلى زيادة مساحة عنق الاحتراق اللاحق، بينما يصبح الجزء الخلفي متباعدًا بمساحة خروج أكبر لتمدد أكثر اكتمالًا عند السرعات العالية. ومن الأمثلة على ذلك محرك TF-30 ( F-14 ). ^{[ 14 ]}

قد تكون البتلات الأساسية والثانوية متصلة بمفصل واحد ويتم تشغيلها بواسطة نفس الآلية لتوفير التحكم في الاحتراق اللاحق وتمدد نسبة ضغط الفوهة العالية كما هو الحال في محرك EJ200 ( يوروفايتر ). ^{[ 15 ]} توجد أمثلة أخرى في طائرات F-15 و F-16 و B-1B .

تعمل الفوهة، بفضل قدرتها على ضبط الضغط الخلفي، كمُقيد لتدفق الهواء إلى الضاغط، وبالتالي تُحدد كمية الهواء الداخلة إلى مقدمة المحرك. وتتشارك هذه الوظيفة مع مُقيد التدفق الآخر، فوهة التوربين. ^{[ 17 ]} تُحدد مساحة كل من فوهة الدفع وفوهة التوربين معدل تدفق الكتلة عبر المحرك والضغط الأقصى. في حين أن هاتين المساحتين ثابتتان في العديد من المحركات (أي تلك التي تحتوي على فوهة دفع ثابتة بسيطة)، فإن محركات أخرى، ولا سيما تلك المزودة بحارق لاحق، تحتوي على فوهة دفع ذات مساحة متغيرة. يُعد هذا التغير في المساحة ضروريًا للحد من تأثير درجات حرارة الاحتراق العالية في أنبوب النفث على المحرك، على الرغم من إمكانية تغيير المساحة أيضًا أثناء التشغيل بدون احتراق لاحق لتعديل أداء ضخ الضاغط عند إعدادات الدفع المنخفضة. ^{[ 4 ]}

فعلى سبيل المثال، إذا تمت إزالة فوهة الدفع لتحويل محرك نفاث توربيني إلى محرك توربيني عمودي ، فإن الدور الذي كانت تلعبه مساحة الفوهة يحل محله الآن مساحة ريش توجيه فوهة التوربين أو الأجزاء الثابتة. ^{[ 18 ]}

يحدث التمدد المفرط عندما تكون مساحة مخرج الوقود كبيرة جدًا مقارنةً بحجم فوهة الاحتراق اللاحق، أو الفوهة الرئيسية. ^{[ 19 ]} وقد حدث هذا في ظروف معينة في تركيب محرك J85 في طائرة T-38. كانت الفوهة الثانوية أو النهائية ذات شكل هندسي ثابت مصمم لأقصى قدرة للاحتراق اللاحق. عند ضبط قوة الدفع بدون استخدام الاحتراق اللاحق، كانت مساحة مخرج الوقود كبيرة جدًا بالنسبة لفوهة المحرك المغلقة، مما أدى إلى التمدد المفرط. أُضيفت أبواب حرة الحركة إلى جهاز القذف، مما سمح للهواء الثانوي بالتحكم في تمدد النفاث الرئيسي. ^{[ 11 ]}

لتحقيق التمدد الكامل إلى الضغط المحيط، وبالتالي أقصى قوة دفع أو كفاءة للفوهة، تزداد نسبة المساحة المطلوبة مع زيادة رقم ماخ للطيران. إذا كان التباعد قصيرًا جدًا، مما ينتج عنه مساحة خروج صغيرة جدًا، فلن يتمدد العادم إلى الضغط المحيط داخل الفوهة، وسيحدث فقدان في قوة الدفع ^{[ 20 ].} مع زيادة رقم ماخ، قد تصل مساحة خروج الفوهة إلى حجم قطر غطاء المحرك أو قطر الجزء الخلفي من الطائرة. بعد هذه النقطة، يصبح قطر الفوهة هو القطر الأكبر، ويبدأ في التسبب في زيادة السحب. وبالتالي، فإن الفوهات محدودة بحجم التركيب، ويُعد فقدان قوة الدفع مقايضةً مع اعتبارات أخرى مثل تقليل السحب والوزن.

ومن الأمثلة على ذلك طائرة F-16 بسرعة  2.0 ماخ ^{[ 21 ]} وطائرة XB-70  بسرعة 3.0 ماخ . ^{[ 22 ]}

قد يتعلق اعتبار آخر بتدفق التبريد المطلوب للفوهة. يجب عزل اللوحات أو البتلات المتباعدة عن درجة حرارة لهب غرفة الاحتراق اللاحق، والتي قد تصل إلى حوالي 1980 درجة مئوية (3600 درجة فهرنهايت) ، بواسطة طبقة من هواء التبريد. يعني التباعد الأطول مساحة أكبر للتبريد. ويتم الموازنة بين فقدان الدفع الناتج عن التمدد غير الكامل وفوائد انخفاض تدفق التبريد. وقد انطبق هذا على فوهة TF-30 في طائرة F-14A حيث كانت نسبة المساحة المثالية عند سرعة ماخ 2.4 محدودة بقيمة أقل. ^{[ 23 ]}   

يُعطي الجزء المتباعد سرعة عادم إضافية، وبالتالي قوة دفع عند سرعات الطيران فوق الصوتية. ^{[ 24 ]}

تم إثبات تأثير إضافة قسم متباعد مع أول فوهة CD من برات آند ويتني. استُبدلت الفوهة المتقاربة بفوهة CD في المحرك J57 نفسه في الطائرة F-101 نفسها . أدى الدفع المتزايد من فوهة CD ( 910 كجم عند الإقلاع على مستوى سطح البحر) في هذا المحرك إلى رفع السرعة من 1.6 ماخ إلى ما يقارب 2.0 ماخ ، مما مكّن القوات الجوية من تسجيل رقم قياسي عالمي في السرعة بلغ 1943.4 كم/ ساعة (1207.6 ميل/ساعة) ، وهو ما يقل قليلاً عن 2 ماخ في درجة حرارة ذلك اليوم. لم تُستغل القيمة الحقيقية لفوهة CD في الطائرة F-101 لأن مدخل الهواء لم يُعدّل للسرعات العالية الممكنة. ^{[ 25 ]}      

ومن الأمثلة الأخرى استبدال فوهة التقارب بفوهة ذات زاوية ميل ثابتة في محرك YF-106/P&W J75 عندما لم يكن يصل إلى سرعة ماخ  2. وبالتزامن مع إدخال فوهة الزاوية الثابتة، أُعيد تصميم مدخل الهواء. وحقق سلاح الجو الأمريكي لاحقًا رقمًا قياسيًا عالميًا في السرعة باستخدام طائرة F-106 بلغ 1526  ميلًا في الساعة (2.43 ماخ  ). ^{[ 25 ]}

بعض المحركات النفاثة المبكرة جدًا، التي لم تكن مزودة بحارق لاحق، مثل محركي BMW 003 و Jumo 004 (الذي كان له تصميم خاص)، ^{[ 26 ]} احتوت على فوهة متغيرة المساحة تتكون من سدادة متحركة تُعرف باسم "زويبل" (بصلة برية) نسبةً إلى شكلها. ^{[ 27 ]} تميز محرك Jumo 004 بمساحة كبيرة لبدء التشغيل لمنع ارتفاع درجة حرارة التوربين، ومساحة أصغر للإقلاع والطيران لزيادة سرعة العادم وقوة الدفع. امتلكت سدادة "زويبل" في محرك 004 نطاق حركة أمامي/خلفي يبلغ 40 سم (16 بوصة) لتغيير مساحة فوهة العادم، مدفوعة بآلية تعمل بمحرك كهربائي داخل المنطقة المتشعبة للجسم خلف التوربين مباشرةً.  

قد تفتح المحركات المزودة بحارق لاحق فوهة الاحتراق عند بدء التشغيل وفي وضع الخمول. ويؤدي ذلك إلى تقليل قوة الدفع في وضع الخمول، مما يقلل من سرعة السير على المدرج ويقلل من تآكل المكابح. وقد سُميت هذه الميزة في محرك J75 في طائرة F-106 بـ"التحكم في قوة الدفع في وضع الخمول"، حيث خفضت قوة الدفع بنسبة 40%. ^{[ 28 ]} أما على حاملات الطائرات، فإن انخفاض قوة الدفع في وضع الخمول يقلل من مخاطر اندفاع الهواء النفاث.

في بعض التطبيقات، مثل تركيب J79 في طائرات مختلفة، أثناء التقدم السريع للخانق، قد يتم منع منطقة الفوهة من الإغلاق إلى ما بعد نقطة معينة للسماح بزيادة أسرع في عدد دورات المحرك في الدقيقة ^{[ 29 ]} وبالتالي وقت أسرع للوصول إلى أقصى قوة دفع.

في حالة المحرك النفاث التوربيني ثنائي المحور، مثل محرك أوليمبوس 593 في طائرة الكونكورد ، يمكن تغيير مساحة الفوهة لتمكين تحقيق أقصى سرعة ضاغط منخفضة الضغط وأقصى درجة حرارة لدخول التوربين في وقت واحد على نطاق واسع من درجات حرارة دخول المحرك التي تحدث مع سرعات الطيران التي تصل إلى ماخ  2. ^{[ 30 ]}

في بعض المحركات التوربينية المعززة، يتم التحكم في خط تشغيل المروحة بواسطة مساحة الفوهة أثناء التشغيل الجاف والرطب لاستبدال هامش الاندفاع الزائد بمزيد من الدفع.

تُزاد مساحة الفوهة أثناء تشغيل الحارق اللاحق للحد من تأثيرات التيارات الهوائية على المحرك. ولتشغيل محرك توربيني مروحي بأقصى تدفق للهواء (قوة دفع)، يمكن التحكم في مساحة الفوهة للحفاظ على خط تشغيل المروحة في وضعه الأمثل. أما بالنسبة للمحرك النفاث التوربيني، فلكي يُعطي أقصى قوة دفع، يمكن التحكم في المساحة للحفاظ على درجة حرارة عادم التوربين عند الحد الأقصى. ^{[ 31 ]}

في تركيبات الاحتراق اللاحق المبكرة، كان على الطيار التحقق من مؤشر وضع الفوهة بعد اختيار الاحتراق اللاحق. إذا لم تُفتح الفوهة لسبب ما، ولم يتفاعل الطيار بإلغاء اختيار الاحتراق اللاحق، فإن أدوات التحكم الشائعة في تلك الفترة ^{[ 32 ]} (مثل J47 في طائرة F-86L) قد تتسبب في ارتفاع درجة حرارة شفرات التوربين وتعطلها. ^{[ 33 ]}

زُوِّدت بعض الطائرات، مثل الطائرة الألمانية Bf 109 وطائرة ماكي C.202/205، بعوادم قاذفة. تعمل هذه العوادم على تحويل جزء من الطاقة المهدرة لغازات العادم الناتجة عن محركات الاحتراق الداخلي إلى قوة دفع أمامية صغيرة، وذلك بتسريع الغازات الساخنة باتجاه الخلف إلى سرعة تفوق سرعة الطائرة. وتقوم جميع أنظمة العادم بهذا الدور إلى حد ما إذا كانت غازات العادم تُصرَّف باتجاه الخلف.

تم تسجيل براءة اختراع لجهاز عادم معين لإنتاج قوة الدفع بواسطة شركة رولز رويس المحدودة في عام 1937. ^{[ 34 ]} في محركات رولز رويس ميرلين 130/131 لطائرة دي هافيلاند هورنت موديل 1944، كانت قوة الدفع من عوادم القذف المتعددة تعادل 70 حصانًا إضافيًا لكل محرك عند أقصى ارتفاع للخانق.