درون موتور جت، فلز در دماهایی کار میکند که بهطور قابل توجهی بالاتر از نقطه ذوب آن است. این چالش مهندسی چگونه حل میشود؟ در ارتفاعات بالای ۱۰ کیلومتر، در حالی که شما به آرامی در صندلی هواپیما نشستهاید، در زیر پای شما یک نبرد پیچیده میان فیزیک و مهندسی در حال وقوع است. موتورهای جت امروزی در شرایطی کار میکنند که بهنظر غیرممکن میرسد. دمای محفظه احتراق و توربینها گاهی از ۱۶۰۰ درجه سانتیگراد فراتر میرود، در حالی که پیشرفتهترین سوپرآلیاژها در حدود ۱۳۵۰ درجه ذوب میشوند. بنابراین، فلز باید در دماهایی کار کند که صدها درجه بالاتر از نقطه ذوب آن است.
موتورهای جت به لطف یک «شعبدهبازی اتمی» عمل میکنند. این داستان فراتر از یک فلز محکم است و به خلق موادی مربوط میشود که برخلاف تمام عناصر طبیعی، هرچه داغتر شوند، قویتر میشوند. مهندسان تیغههای توربین را بهصورت «تککریستال» و بدون درز و شکاف رشد میدهند و این قطعات با پوشش سرامیکی و هزاران سوراخ نامرئی، پیلهای از هوای خنک دور خود ایجاد میکنند تا آتش را فریب دهند. دشمن اصلی همیشه آتش نیست؛ گاهی ذرات معلق در هوا به «شیشهی مذاب» تبدیل میشوند و راه تنفس موتور را مسدود میکنند. مهندسان با دستکاری آرایش اتمها و ساخت دژهای میکروسکوپی، بر این چالش غلبه میکنند.
برای درک بهتر معضل حرارت، باید بدانیم که موتور جت چگونه داغ میشود. این سازه پیچیده از مجموعهای از بخشهای چندلایه تشکیل شده است. در قسمت جلویی موتور، فن بزرگی وجود دارد که با چرخش خود حجم زیادی از هوا را وارد موتور میکند. هوای ورودی به دو مسیر جداگانه تقسیم میشود: مسیر کنارگذر که حدود ۹۰ درصد از هوا را به سمت عقب میفرستد و مسیر هسته که ۱۰ درصد باقیمانده به آن وارد میشود. در این مسیر، هوا ابتدا فشرده میشود و سپس به محفظه احتراق میرود، جایی که سوخت جت با فشار بالا به داخل هوای داغ اسپری میشود و انفجاری کنترلشده رخ میدهد.
گاز داغ و فشرده برای خروج از میان پرههای توربین عبور میکند. توربین انرژی گاز را به نیروی چرخشی تبدیل میکند که از طریق شفت مرکزی به کمپرسور و فن منتقل میشود. این طراحی به مهندسان این امکان را میدهد که نیروی رانش را بهطور مؤثری تولید کنند. در واقع، استفاده از فنهای بزرگ بهجای لولههای باریک و پرسرعت، بهصرفهتر است زیرا جابهجایی حجم زیادی از هوا با سرعت کم بهصرفهتر از جابهجایی حجم کمی از هوا با سرعت زیاد است.
با این حال، اگر فن بزرگ و هوای سرد بایپس اینقدر کارآمد است، چرا دمای هسته موتور را کاهش نمیدهیم؟ پاسخ به این سؤال به قانون بازده حرارتی کارنو برمیگردد. برای افزایش بازده موتور، باید دمای درون موتور را به حداکثر برسانیم. مهندسان برای افزایش این اختلاف دما، دو اهرم دارند: پرواز در ارتفاعات بالاتر و افزایش دمای احتراق. این نیاز به بازدهی بالاتر، مهندسان را مجبور کرده که دمای درون موتور را افزایش دهند، حتی اگر از نقطه ذوب فلزات عبور کند.
تیغههای توربین فشار بالا در شرایطی کار میکنند که دما میتواند به ۱۶۰۰ درجه سانتیگراد برسد. این تیغهها باید نیروی جانبمرکزی بسیار بالایی را تحمل کنند و در عین حال در برابر شرایط شیمیایی سخت نیز مقاوم باشند. عمر موتور و ایمنی پرواز به این بستگی دارد که آیا این تیغهها در شرایط خاص تسلیم میشوند یا مقاومت میکنند.
در دهههای گذشته، مهندسان مجبور بودند از بهترین فولادها استفاده کنند، اما عمر موتورها بسیار کوتاه بود. به همین دلیل، مهندسان به دنبال موادی بودند که بتوانند در دماهای بالا دوام بیاورند و از پدیده خزش جلوگیری کنند. خزش به تغییر شکل دائمی و کُند مواد تحت بار ثابت در دماهای بالا اشاره دارد و میتواند به شکست قطعات منجر شود. این چالشها مهندسان را به سمت توسعه مواد جدید و بهبود طراحی موتورها سوق داده است.
نظر شما در مورد این مطلب چیه؟