الحيازة الأساسية بين الحجم والطاقة

إن السعي لبناء محرك مروحية، سواء كان مصمما أو قويا، هو أحد أكثر التخصصات المطلوبة في هندسة الفضاء الجوي، بخلاف الطائرات الثابتة الجناحين، تعتمد الطائرات العمودية كليا على محركها للرفع والدفع والسيطرة، ويجب أن يُحسب كل رطل من وزن المحرك في الحمولة والنطاق والمناورة، ومع ذلك فإن تقليص المحرك مع زيادة إنتاج الطاقة فيه يضغط على الحدود المادية العميقة التي يفرضها تصميمات الميكانيكية.

إن شرط الارتداد ليس فقط بشأن تجهيز المحرك إلى نكهة ضيقة؛ بل يؤثر أيضا على مركز الجاذبية والخصائص الهزازية، والصورة العامة للهوائية، ومحرك أقل خفافة يعني أن الحاسوب الجوي يمكن أن يكون أكثر جسامة وأن يحمل حملا أكثر فائدة، أما بالنسبة للطائرات العمودية العسكرية التي تعمل في الكان الحضرية أو في المناطق الجبلية، فإن التعقد في الاقتصاد الأقل تعقيدا في مجال الوقود.

الفيزياء التي تُحَدِّدُ الصدر

الكثافة الكهربائية التي تنتج كل وحدة من الحجم أو الوزن هي تصميم المحركات المدمجة الأساسية التي تحكم الضبط، بالنسبة لمحركات التوربين الغازية التي تتحكم بالأغلبية العظمى من الطائرات العمودية الحديثة، فإن كثافة الطاقة تحد من السلوك الأساسي لدورة برايتون، ودرجات حرارة الاحتراق العالية وارتفاع معدلات الضغط تؤدي إلى زيادة القوة لكل كتلة من الوحدات، لكنها تتطلب أيضا مواد تحمل قوة في درجات الحرارة القصوى والتبريد

ويتوقف إنتاج العمل المحدد لمحرك توربين على الفرق في درجة الحرارة بين مخرج المضخة وتركيب التربين، إذ إن رفع هذا الفرق بنسبة 100 درجة مئوية يمكن أن يزيد من الطاقة بنسبة 20 في المائة أو أكثر، ولكنه يدفع نصلات توربينية إلى ما يتجاوز نقطة الانصهار في السواحل التقليدية الخارقة، وقد استجاب المهندسون بتصميم ممرات تبرد داخلية معقدة بقدر ما تضيف إليه بـ 0.5 ميل.

وهناك قيد أساسي آخر هو نسيج العادم، ويجب أن يعجل محرك العتاد الغازي إلى سرعة عالية لتوليد القوة أو القوة الخفيفة، مع تخفيض طول المحرك مع الحفاظ على مسار التدفق المطلوب للحرق والتوسع، في كثير من الأحيان، يُجبر المصممين على وضع مخططات أكثر تعقيدا، مثل أجهزة الاحتراق بالتدفق العكسي أو مسارات الغاز المطوية، وهذه الحلول تضيف الوزن والخسائر في الاحتكاك، وتُط في الطاقة المكتسبة.

المواد: معركة ضد الحرارة والإجهاد

النيكل - بسبّار الخيل

وقد ظلت المواد المستخدمة في أجهزة التربين الساخنة، منذ عقود، محركات النيكل الخارقة مثل إنكونيل ورينيه 80، وتحتفظ هذه السبيكات بقوة عالية تصل إلى نحو 000 1 درجة مئوية، ولكن درجات الحرارة الحديثة في محركات الحرق ذات الأداء العالي يمكن أن تتجاوز 200 1 درجة مئوية.

Ceramic Matrix Composites

مركب من المصفوفات الكرامية نشأ كمغيرة لعب مركب من ألياف النسيك المدمجة في مصفوفة سيراميكية، يمكن للشركة أن تعمل في درجات حرارة تصل إلى 400 1 درجة مئوية مع تقلص نصف كثافة السككك الحديدية، واستخدامهم في الشوارب والشاحنات وبعض التطبيقات الكهربائية المبللة تمكن المصممين من تقليل كفاءة المحركات

مواد البنية التحتية للوزن الخفيف

وبالإضافة إلى القسم الساخن، يتطلع المهندسون إلى خفض الوزن باستخدام سبائك التيتانيوم، وسبائك الألمنيوم - الليثيوم، ومركبات البوليمر المتقدمة، ويوفر التيتانيوم نسبة ممتازة من القوة إلى الوزن تصل إلى نحو 500 درجة مئوية، ويستخدم على نطاق واسع في أقراص الضغط والغطاء، كما أن ارتفاعات المحرك الكبري والهياكل الناشلية تزيد من تعقيدات، ولكن يجب تصميمها بعناية لتجنب الارتطام.

إدارة حرارية في الفضاء المتطاير

ومع تقلص المحركات، تنخفض نسبة سطحها إلى الحجم، مما يجعل الرفض الحراري أكثر صعوبة، ويولد محرك مدمج نفس كمية حرارة النفايات كأكبر حجماً، ولكنه يقل مساحة المعادن والسطحية لتبريدها، وبدون إدارة حرارية قوية، يمكن أن ترتفع درجات الحرارة في خليج المحرك، مما يؤثر على الإلكترونيات المتاخمة، والخطوط الهيدروليكية، والمكونات الهيكلية.

نظم التبريد السائلة، التي كانت محجوزة لأجهزة التربين الثابتة الكبيرة، تتكيف بشكل متزايد لمحركات الطائرات العمودية، هذه النظم تعمم المخلوطات النفطية أو الماءية -الغليون من خلال الممرات الداخلية في مقصورة المحركات، تحمل الحرارة إلى مبادلات الحرارة النائية، والتحدي يكمن في تحويل الممرات المبردة من خلال الصبغة التي يجب أن تتماسك أيضا تحت ضغط عالي وتقدم مكثف.

إن المعاطف المقاومه للدموع، مثل الزركونيا المستقرة بواسطة الترسب الكهربي - الشعاعي، توفر حاجزا إضافيا ضد الصقر الحراري، وهذه المعاطف عادة ما تكون قليلة من الميكرونات، ولكنها يجب أن تصمد أمام آلاف الدورات الحرارية دون أن تقطع، والتفاعل بين المعاطف والمعادن الأساسية هو منطقة حرجة تتطلب مراقبة دقيقة من حيث الكفاءة.

تعقيدات في تصميم أجهزة توربومي

محاسبة الضغط والتربين

وفي محرك تربوشات، يجب على الشريك أن يزود الهواء بما يكفي من الضغط الصحيح لدعم الاحتراق، في حين يجب أن تستخرج التربين طاقة كافية لدفع الرافض وهبات الإنتاج معا، وفي محرك مدمج، يصبح التصفح الجوي أصغر، وتصبح الفجوات بين المكونات الدوارة والثابتة أكبر نسبيا من مساحة الزهرة.

الـ "روتوديناميك" عالية السرعة

وكثيرا ما تدار محركات أصغر حجما في سرعة التناوب العالية لتحقيق الكثافة اللازمة للطاقة، وقد يتجه محرك مروحية إلى 000 50 ريم أو أكثر، وفي هذه السرعة، يمكن أن تولد اختلالات طفيفة جدا، مما يؤدي إلى الفشل أو الاتصال بالبريد، ويجب على المهندسين أن يصمموا بعناية محركات الرؤوس، وأجهزة تصوير النفط، وأجهزة إطفاء القاذفات التي تستخدم لتثبيت الدوار.

القياس الجيولوجي المتغير

ولتحسين الكفاءة عبر مظروف الطيران، يضم العديد من محركات الطائرات العمودية الحديثة شاحنات متغيرة من محركات النسيج أو شاحنات متحركة متغيرة، وهذه الآليات تعدل تدفق الهواء بحيث يضاهي سرعة المحرك وعبءه، ولكنها تتطلب مواضعاً وروابطاً وخريطية للمراقبة تضيف الأوزان وطرق الفشل، وفي محرك مدمج، فإن إيجاد غرفة لهذه النظم دون توسيع المجموعة العامة يشكل تحدياً مستمراً.

التصنيع وضبط التكاليف

إن إنتاج محرك مركب مصمم وقوى عالية ليس مجرد مشكلة هندسية، بل هو مشكلة تصنيع، فالتسامحات الشديدة التي تتطلبها الفقمات الفعالة والعناصر ذات السرعة العالية تتطلب عمليات متحركة متقدمة مثل أجهزة التفريغ الكهربائي، وحفر الليزر، وصناعة الكيماويات، وهذه العمليات بطيئة ومكلفة، وبالنسبة للمحركات العسكرية، قد تكون التكلفة ثانوية للأداء، ولكن بالنسبة للمشغلين التجاريين، يجب أن يكون التبادل الاقتصادي بين سعر الشراء والوفورات.

وقد فتحت الصناعة التحويلية الاصطناعية أو الطباعة 3D للقطع المعدنية إمكانيات جديدة. Rolls-Royce and other manufacturers] الآن تطبع أزواد الوقود المعقدة، وأجهزة الحرق، وأجهزة تبادل الحرارة التي من المستحيل القذف أو الآلة، وتدمج هذه الأجزاء عناصر متعددة في وحدات واحدة، وتخفض وقت التجميع ومسارات التسرب التقليدية.

الموثوقية والصيانة في الميدان

ويجب أن تعمل محركات طائرات الهليكوبتر بصورة موثوقة في بيئات قاسية: الصحارى التي تعانى من ابتلاع الرمل، ورذاذ الملح البحري، والبرد القطبي، وحطام أرضي معارك، كما أن محركاً مدمجاً يقل قدرته على تحمل التحات، والارتطام، والضداد الحراري، ويجب على المهندسين تصميم نظم قوية للتنقيب، ولكن التعبئة تخفض والوزن، كما أن الحد الأدنى من الحزم يمكن أن يجعل من الصيانة أمراً صعباً.

إن تحسين نسبة الطاقة إلى الوزن من محرك مدمج لا يعدو أن يكون ذا قيمة إلا إذا بقي المحرك على الهواء لآلاف الساعات بين الإصلاحات، وقابلية التدوير في القسم الساخن هي المحرك الرئيسي لحياة المحرك، وتطورات المعاطف الحاجز الحرارية، وصنع الشفرة الواحدة، ورصد الصحة في الوقت الحقيقي تمتد فترات زمنية، ولكن التحدي الأساسي يظل يتمثل في أن الأجزاء الصغيرة والمشددة للغاية تتحلل بسرعة عندما تُدفع إلى حدودها.

الابتكارات التي تدفع الحدود

الهندسة الكهربائية الهجينة

الدافع الكهربي المختلط غالباً ما يناقش في الشاحنات القادمة، بخلط توربين الغاز مع محرك كهربائي وبطاريات، يمكن للمصممين تشغيل التربين في نقطة الكفاءة المثلى بينما يوفر المحرك الكهربائي طاقة ذروة للإقلاع والهوفر، وهذا التحلل يسمح بأن تكون التربين أصغر وأبسط، بينما يمكن للمحرك الكهربائي أن يوصل برامج عالية الارتفاع

Recuperated Cycles

ويسترد الحكام حرارة النفايات من العادم إلى الهواء الحرقي المسبق، ويحسنون كفاءة الحرارة بشكل كبير، وفي محركات مدمجة، يضاف جهاز استجمام يكتنفه التحدي لأنه مبادل حرارة ضخمة، ويجري وضع تصميمات جديدة تستخدم تكنولوجيا الميكانيكيات الدقيقة أو تشكيلات محددة لللوحات المدمجة، ويمكن أن تبرر وفورات الوقود المحتملة في بعض نظم التشغيل زيادة حجم ووزن بعض المهام الثقيلة مثل عمليات المراقبة الطويلة.

استراتيجيات التعبئة المتقدمة

وتخفض أجهزة الاحتراق السائلة درجة حرارة اللهب وانبعاثات أكسيد النيتروجين، ولكنها تتطلب مراقبة دقيقة للخلط بين الوقود والجو، وفي أجهزة الاحتراق الصغيرة، تكون سرعة التدفق مرتفعة، والوقت المتاح للإقامة، مما يجعل من الصعب تحقيق الاحتراق الكامل بدون بؤر، وتعالج أجهزة الاحتراق ذات الحجم السريع، وسوائل الاحتراق الجليل في مرحلة التجميل.

الاتجاهات المستقبلية: نحو محرك الاتفاق المثالي

وسيشكل مستقبل محركات الطائرات العمودية بتقارب المواد والصناعة التحويلية والابتكارات الدينامية الحرارية، وستؤدي الرحلات الخارقة ذات الكريستال الواحد التي تنتج عن تصنيع مضافات إلى التبريد الداخلي إلى زيادة درجات الحرارة في العوالق التربينية مع تقليل الوزن، وستصبح المركبات المركبة المصفوفة للزراعة أكثر تكلفة ويسهل الانضمام إليها، مما يتيح للقطع الساخنة بأكملها أن تتحول دون دورة.

نظم إدارة الصحة المستقلة، باستخدام أجهزة الاستشعار المدمجة والتعلم الآلي، سترصد كل عنصر في الوقت الحقيقي، مما يسمح للمشغلين بضغط المحركات بقوة دون التضحية بالسلامة، وستمكن هذه النظم أيضا من الصيانة التنبؤية، وتخفض وقت الانكماش، وتمتد على مدى الحياة، كما أن محرك الاتفاق لعام 2040 لا يبدو مثل الاضطرابات التي تدور اليوم، ولكنه سيواجه نفس التوتر الأساسي:

الاستنتاج: السعي الوشيك إلى زيادة القوة لكل جنيه

إن تطوير محركات طائرات الهليكوبتر المدمجة والقوية ليس مشكلة ستحل نهائياً، فكل انجاز في المواد أو التبريد يفتح الباب أمام الكثافة العالية للطاقة، مما يتيح بدوره وضع ملامح جديدة للبعثات وتصميمات للإطار الجوي، كما أن التحديات الهندسية هائلة، وميكانيكية، وزجاجات جوية، واقتصادية، ولكن المكافآت هي أيضاً كبيرة، كما أن طائرة هليكوبتر يمكنها أن تحمل كميات أكبر من الوقود، وتهبط في أماكن ضيقة.