تطور حركة تربفان: من التصميمات المبكرة إلى الابتكارات الحديثة

وقد أدى تطوير محركات الطائرات العمودية إلى تحول الطيران، مما جعل السفر الجوي أسرع وأكثر كفاءة وأكثر استدامة من أي وقت مضى، ومن أول نماذج أولية من نماذج القرن العشرين إلى محركات القوى فوق المرتفعة التي تتطور اليوم، تطورت تكنولوجيا التربفان من خلال الابتكار الهندسي الذي لا هوادة فيه، وتتتبع هذه المادة المعالم الرئيسية في هذا التطور، وتستكشف المحركات الحديثة.

Origins of Turbofan Technology

وكانت محركات الطائرات الأولى من طراز توربويتس، التي تستمد الدافع من مجرى العادم العالي السرعة، وفي حين أن التركات بسيطة وفعالة بالسرعة العالية، غير فعالة في جوهرها في السرعة دون الصوتية وتنتج ضوضاء كبيرة، وقد أدرك المهندسون قريباً أن غلاف قناة مع معجب حول المحرك الأساسي يمكن أن يحسن من الكفاءة والضوضاء بنقل كتلة أكبر من الهواء في محرك أقل " .

وقد بدأ العمل الجسيم الأول في محركات التجاوزات في الأربعينات، وفي المملكة المتحدة، قام فريق السير فرانك ويتل بتجارب تصميم مروحي محمول، بينما قام هانز فون أواين أيضاً في ألمانيا باستكشاف أفكار مماثلة، غير أنه لم يكن هناك حتى الخمسينات من القرن الماضي إنتاج توربويين عمليين، وأصبح معدل تحسين رولز - رويس هو أول توربان في العالم(10).

وفي جميع أنحاء المحيط الأطلسي، طورت شركة برات ويتني توربفان JT3D، وهي مشتقات من توربوجيت جون ت-3C، التي كانت تتحكم في بوينغ 707 ودوغلاس DC8-، وحققت الدائرة نسبة تجويفية تبلغ نحو 1.4:1، وحققت انخفاضا بنسبة 15 في المائة في استهلاك الوقود المحدد مقارنة بالمبدأ الذي اتبعته ثورة توربوييه الأصلية.

التصميمات والتحديات المبكرة

وقد واجه الجيل الأول من التوربوفان، رغم نجاحه، عدة تحديات هائلة، وكانت نسب التجاوز منخفضة (بين 0.3:1 و2:1) لأن ارتفاع النسب يتطلب وجود مصدات أكبر وأثقل وأقوى هياكل احتواء، وما زالت مواد الألومنيوم والفولاذ، التي كانت في الستينات أساسا، أكثر ارتفاعاً من تصميمات المراوح فيما بعد وسرعة التناوب.

وكانت الضجة مشكلة حادة للغاية، حيث بدأ العادم الطفيف عالي الضغط من القاع المختلط بالعنف مع هواء المروحة المبردة، مما أدى إلى ظهور ضوضاء شديدة على المسافرين، وقد بدأت الحكومات في أواخر الستينات تفرض معايير صارمة لإصدار شهادات الضوضاء، وقد استجابت شركات التصنيع بالمهندسات الصوتية، والمفرقعات، والنواقل الأطول للحد من الضجيج في المصدر.

وثمة تحد رئيسي آخر هو التصميم الميكانيكي للمروحة نفسها، حيث استخدم المروحون المبكّرون نصلات معدنية صلبة ثقيلة ومعرضة للكسر المفجع، وقد بدأت الخسائر الهوائية في رأس المروحة وزيادة تدهور الكفاءة، وقد قضى المهندسون سنوات في صقل أشكال الشفرة، متضمنين شظايا نصفية، ووضع أساليب ملحقة أفضل إلى المفرقعات التجارية، رغم هذه الصعوبات، فقد أصبحت نسبة التركيز التجاري أعلى.

Modern Innovations in Turbofan Engines

وتتحقق محركات توربانفان الكبيرة اليوم نسباً تتعدى ٠١:١ أو أكثر، حيث يتجاوز عدد المعجبين ٠٣١ بوصة )٣,٣ متراً(. وهذه المحركات هي أعجوبة علم المواد، والهوائيات، والتحكم الرقمي، ويمكن تجميع الابتكارات التي تجعلها ممكنة في أربعة مجالات رئيسية: المواد المتقدمة، والمقاييس الجيولوجية المتغيرة، والضوابط الرقمية، والحد من الضوضاء.

المواد المتقدمة والصناعات التحويلية

وربما كان التحسن الأكثر إثارة في المواد، وكثيرا ما تكون الشفرة الحديثة من المركب المقوى من الكربون، مثل الشفرة المركبة ذات الوزن الخفيف التي وضعها جي جي جي في محركات جي 90 وجينكس، وهذه الشفرة أقوى وأخف من قبلها المعدني، مما يتيح للمراوح الكبيرة دون عقوبة وزن متناسبة، وللبقاء على ضربات الطيور والأضرار المركبة الخارجية.

وفي داخل قلب المحرك، تواجه شظايا التربين درجات حرارة تتجاوز نقطة الانصهار في السبيكة الخارقة التي توجد مقارها بالنيكل، والحل هو مزيج من الصبغة الكريستالية الوحيدة التي تزيل الحدود التي تضعف ممرات التبريد الداخلي المتشعبة التي تنزف من خلالها تدفقات الهواء المضغوطة، وتزيد من حماية الستار الحرارية التي تزيد على ١ درجة حرارة.

ويجري الآن استخدام الصناعة المضافة )الطباعة )٣ دال( لإنتاج ألغاز وقود معقدة، وأجهزة لضبط أجهزة الحاسب، ومساكن الاستشعار التي كانت من المستحيل في السابق على الآلات، وعلى سبيل المثال، يستخدم محرك " جي جي جيه ليب " أزواد الوقود المطبعة ٣ دال التي تقلل من عدد أجزاء الوقود من ٢٠ إلى ١، ويقل وزنها بنسبة ٢٥ في المائة، وهذا الاتجاه آخذ في التسارع: يستخدم خط التدفق ١ ٠٠٠ ١ مركبا مضافا لتصنيع النفط.

القياسات الجيولوجية المتغيرة والمركبات الجوية المتقدمة

إن الشفرة المفاجئة غير شائعة بعد، ولكن المحركات المتغيرة في محركات الشاحنات وشاحنات المحركات المتغيرة في المضغط هي معيار، مما يسمح للمحرك بتعديل التدفق الجوي لمراحل طيران مختلفة، وتحسين هامش الطفرة والكفاءة عبر مظروف التشغيل، وعلى المروح نفسه، تستخدم محركات كثيرة الآن تصميمات شفرة واسعة النطاق تؤدي إلى تأخير تشكيل الصدمة والحد من الضوضاء.

إن مفهوم توربان متجه، الذي تقوده أسرة برات ويتني في بيزو 1000 جي (بوري بوور) يمثل تغييرا تدريجيا في الهيكل، وبإدخال مجموعة من أدوات التخفيض بين المروحة والاضطرابات المنخفضة الكساد، يمكن للمروحة أن تتداول بسرعة أبطأ وأكفأ بينما ترتفع نسبة التربين إلى 16 في المائة من سرعة عالية وكبيرة.

مراقبة المهندسين الرقميين للسلطة الكاملة

وتدير نظم إدارة الطيران الوطني الانتقالي التي ترصد كل شيء من موقع الموجة إلى درجة حرارة الغاز، وتقوم شركة FADEC بتعديل تدفق الوقود، والتقديرات الجيولوجية المتغيرة، وتنزف الصمامات ملايين المرات في كل رحلة، وتضمن الأداء الأمثل، والموثوقية، وتخفيض حجم العمل التجريبي، كما توفر بيانات للرصد الصحي تسمح للخطوط الجوية بالتنبؤ باحتياجات الصيانة، وتخفض إلى أدنى حد زمني الأرض غير المقرر.

تكنولوجيا الحد من الضوضاء

كما أن ضجيج الطائرات ينظمه بشدة هيئات مثل منظمة الطيران المدني الدولي ومؤسسة تصنيع توربفان قد وضعوا ترسانة من الحلول لتلبية الحدين الضجيجيين للرحلة الرابعة والالمرحلة الخامسة )الفصل ١٤( كما أن أنماط الشيفرون - المشابهة - في المسافات المتاخمة للناسيل والخلط بين الظواهر الضاربة والمرتفعة، مما يقلل من الضجيج الخفيف.

كما أن المحركات تُقام على نطاق واسع في طائرات حديثة مثل طائرة بوينغ 787 وطائرة إيربوس A350، وتُقام بمحرك أطول ومعرض للهالونات أكثر سماكا لحماية المروحة من أعقاب الجناح، مما يقلل من الضوضاء المشعة إلى الأمام، وقد أدت هذه التدابير مجتمعة إلى خفض ضوضاء الطائرات بنسبة 75 في المائة خلال السنوات الأربعين الماضية، حتى مع زيادة حركة المرور زيادة هائلة.

الأثر على الطيران التجاري

وقد كان للتحول من التربوفينات المنخفضة الترجيح إلى تصميمات اليوم العالية التفاف أثر عميق على اقتصاد الطيران والأداء البيئي، وقد تحسنت كفاءة الوقود لكل مسافر على بعد نحو ٥٠ في المائة منذ الستينات، حيث كانت قدرة توربانز مسؤولة عن نصف ذلك المكسب تقريبا، وقد أصبحت أطول مدة ممكنة: فكان يمكن أن يكون هناك طائران حديثان غير مركبين منذ ٠٠٠ ٧٧ كم.

ويقلل حروق الوقود المنخفض مباشرة من انبعاثات ثاني أكسيد الكربون، وفي الوقت نفسه، أدت التحسينات في تكنولوجيا الاحتراق إلى خفض أكسيد النيتروجين بنسبة تصل إلى 80 في المائة مقارنة بالتوربانات المبكرة، كما أن انبعاثات الجسيمات قد تحطمت من خلال زيادة ذر الوقود، وهذا الاتجاه واضح: فكل جيل جديد من التربفان أنظف من الجيل السابق، وإن كان ينبغي أن تتسارع وتيرة التحسن نحو بلوغ أهداف صافية.

كما أن الأثر الاقتصادي له نفس القدر من الأهمية، حيث أن انخفاض تكاليف الوقود وارتفاع موثوقية الشحنات قد سمحا للخطوط الجوية بتقديم أجر أرخص، وإضفاء الطابع الديمقراطي على السفر الجوي، وقد زاد عدد الركاب الذين يُنقلون سنويا من 100 مليون في الستينات إلى ما يزيد على 4.5 بليون نسمة اليوم - وهو نمو كان يمكن أن يكون مستحيلا دون كفاءة التربفان.

مستقبل تكنولوجيا توربفان

وعلى الرغم من ستة عقود من الصقل، لا تزال محركات توربفان متسعا للتحسين، وتتركز جهود البحث والتطوير على ثلاث جبهات: زيادة نسبة المخارج، حتى مع زيادة تكامل وقود الطائرات المستدامة، واستكشاف هياكل كهربائية مختلطة أو كاملة.

Ultra —High —Bypass — Ratio (UHBR) Designs

وقد يظل الجيل القادم من الاضطرابات، مثل برنامج الابتكارات الثورية من أجل المحركات المستدامة، وبرنامج برات ويتني للقوى العاملة في مجال الطاقة، ونسب المحركات الفوقية المستهدفة في نطاق يتراوح بين 15 و20:1، ومن أجل استيعاب المعجبين الأكبر، يعتمد صناع المحركات شعاراً أكثر انفتاحاً - وهو مفهوم محرك مفتوح(35).

وتشمل البنى البديلة توربان متجه مع مجموعة معدات ثانية )مروحة " مفرزة " ( أو استخدام " مقطع مدمج " لضغط منخفض الكساد للحد من الوزن وجزء من الحجم، كما أن المواد ستستمر في التطور: فحواض مصفوفة السيراميكية تستخدم بالفعل في الشظات والخطوط الحرارية، بل ويمكن أن تسمح باستخدام أجزاء من هذه المركبات في الترميزات.

الوقود والهيدروجين المستدامان للطيران

ويمكن أن تؤدي أنواع الوقود الجوي المستدام المتسرب من زيوت النفايات أو المخلفات الزراعية أو العمليات الاصطناعية إلى خفض انبعاثات ثاني أكسيد الكربون في دورة الحياة بنسبة تصل إلى 80 في المائة مقارنة بوقود الطائرات التقليدية، وتتفق توربانز تماما مع مزيج القوات المسلحة السودانية اليوم، وقد التزمت شركات الطيران الكثيرة بزيادة استخدام القوة، غير أن إمدادات القوات المسلحة السودانية محدودة ومكلفة، كما أن كثافة الطاقة في معظم المناطق الساحلية المنخفضة الدخل أقل قليلا من تلك.

إن احتراق الهيدروجين خيار أكثر تطرفاً، وقد أعلنت شركة طيران الطائرات عن خطط لطائرة تعمل بالطاقة الهيدروجينية، وقد تستخدم هذه الطائرة الطولية المعدلة في الهيدروجين الغازي المحترق، كما أن تخزين الهيدروجين على متن الطائرة يتطلب إما صهاريج سائلة مبردة عند - 253 درجة مئوية أو صهاريج الغاز عالية الضغط، ويفرض كلاهما عقوبات على الحجم والوزن عالية.

الإبتزاز الهجين -

وتستخدم نظم الطاقة الكهربائية الهجينة تربين الغازي لقيادة مولد كهربائي، يزود المحركات الكهربائية التي تقود المعجبين، ويزيل هذا المروح من التربين المنخفض الكساد، ويسمح لكل عنصر بالسير بسرعة قصوى ويتيح له هياكل مبتكرة مثل الدفع الموزع، وينتهي مشروع E-Fan X، وهو تعاون بين شركة Airbus,Roeltricero، و2 سيمبرن.

وفي حين أن الرحلة الكاملة لخطوط الطيران الكبيرة لا تزال بعيدة المنال بسبب حدود كثافة الطاقة في البطاريات، فإن نظم الطاقة الكهربائية الهجينة يمكن أن تكون جاهزة لـ 5000 طائرة مقعد بحلول أواخر عام 2030، وستظل هذه التصميمات تعتمد على نواة توربان لمعظم الدافع، ولكن المحرك الكهربائي سيوفر دفعة للإقلاع والتسلق، ويقلل من حرق الوقود والضوضاء.

إن تطور محرك الطائرة التربفانية بعيد المنال، فمن أول أفكار ملتوية في الأربعينات إلى المفاهيم المتقدمة والمفتوحة للغد، حقق كل جيل تحسينات قابلة للقياس في الكفاءة والضوضاء والأداء البيئي، ويتمثل التحدي الآن في مواصلة هذا المسار مع الانتقال إلى قطاع طيران صافيه الطاقة الكربونية، مع استمرار الاستثمار في المواد، والوقود الجوي، والبديل