مقدمه‌ای بر موتورهای جت: تاریخچه، تا قبل از جنگ جهانی دوم

در این سری مقاله‌ها، قصد داریم به‌اجمال به بررسی پیشرانه‌های جت بپردازیم. به این منظور در بخش اول این مقاله به بررسی تاریخی نحوه پیدایش پیشرانه جت خواهیم پرداخت، در بخش دوم اصول عملکردی این‌گونه پیشران‌ها را بیان خواهیم کرد و در بخش سوم، به بررسی انواع مختلف موتورهای جت خواهیم پرداخت. امیدواریم که این سلسله مقالات پدال مورد توجه شما قرار گیرد.

به گزارش پدال، در ابتدای امر، باید تعریفی از واژه جت داشته باشیم. در تعریفی رایج در علوم مهندسی، وقتی یک جریان پیوسته سیال، با سرعت از خروجی (Nozzle) خارج شود آن را جت سیال می­گویند. مثل خارج شدن آب با سرعت از شلنگ. این جریان خروجی به همراه خود انرژی منتقل می‌کند که مهم‌ترین و کاربردی‌ترین مشخصه آن است.

پیشرانه‌های جت تاریخ بسیار گسترده‌ای دارند. از وسایل اولیه که با بخار آب کار می‌کردند تا پیشرانه‌های مدرن توربوفن و اسکرم‌جت کنونی…

سال‌ها پیش بشر به این انرژی در جریان جت پی برد و دانشمندان سعی در استفاده از آن داشتند. اولین ایده در استفاده از این انرژی را می‌توان به aeolipile، صد و پنجاه سال پیش از میلاد مسیح نسبت داد. این دستگاه از دو نازل در جهت‌های مخالف در دو طرف کره‌ای استفاده می‌کرد که با خروج بخار از آن‌ها، کره به سرعت دور محور خود می‌چرخید. البته در این دستگاه از نیروی جت خروجی برای به دست آوردن کار مکانیکی استفاده نمی‌شد.

حدود 15 قرن بعد از میلاد مسیح، لئوناردو داوینچی دودکش مخصوصی را طراحی کرد که در بالای آن یک پروانه بزرگ قرار داشت. هوای گرم تولید شده توسط شعله‌های آتش از میان پره‌های این پروانه عبور کرده و باعث چرخش آن می‌شد. سپس این چرخش توسط تعدادی چرخ‌دنده، محور و طناب به یک سیخ کباب منتقل می‌شد که یک جوجه‌گردان را تشکیل داده بودند. داوینچی در حقیقت ایده استفاده از نیروی احتراق توسط یک پروانه را داده بود.

استفاده از نیروی جت برای پیشرانش، اولین بار توسط چینی‌ها در قرن 13 میلادی و اختراع راکت برای آتش‌بازی بود. استفاده از این نیرو به‌تدریج پیشرفت کرد و در سلاح‌های جنگی استفاده شد. اولین استفاده از راکت‌ها جهت پیشرانش توسط فردی به نام وان هو بود. او یک محقق جسور چینی بود که یک سری از راکت‌ها را به پشت یک سورتمه که روی آن یک صندلی قرار داده شده بود نصب کرد. در بعضی منابع داستان به‌گونه‌ای دیگر آمده، می‌گویند او می‌خواست به ماه برود و راکت‌هایی به زیر صندلی خود نصب کرده بود تا با روشن شدن آنها بالا رفته و به ماه برسد. متأسفانه وقتی راکت‌ها را روشن کردند، راکت‌ها به‌جای سوختن، منفجر شدند و وان هو را به همراه صندلی‌اش منهدم کردند. او احتمالاً اولین کسی بود که در تلاش برای پرواز با نیروی جت، جانش را فدا کرد.

واقعه بعد، به میانه قرن هفدهم میلادی برمی‌گردد. حسن چِلِبی (Hasan Çelebi) در سال 1633 در عثمانی، با استفاده از یک راکت مخروطی شکل به پرواز در آمد و سپس در دریا فرود آمد. او به خاطر این کار شجاعانه، پاداشی توسط پادشاه عثمانی دریافت کرد.

حدود نیم قرن بعد، نیوتون مکانیک کلاسیک را پایه‌گذاری کرد. علم مکانیک به‌تدریج طی این دو قرن پیشرفت کرد تا به اختراع موتورهای پیستونی در اواخر قرن 19 رسید. قبل از اختراع موتورهای جت، وسایل پرنده از موتورهای پیستونی، برای چرخاندن ملخ استفاده می‌کردند و با سرعت گرفتن ملخ، نیروی پیشرانش لازم مهیا می‌شد. در دهه 1930، انواع مختلف موتورهای پیستونی، تنها انتخاب طراحان هواپیما بود. این مسئله تا آنجا قابل قبول بود که تنها هواپیماهایی با کارایی پایین مورد نیاز بودند.

قبل از شروع جنگ جهانی دوم، مهندسان و طراحان در حال فهمیدن این نکته بودند که موتورهای پیستونی در دست‌یابی به کارایی و سرعت‌های بالا یک محدودیت عملکردی ذاتی دارند. این محدودیت ناشی از مشکل راندمان پیشرانه در هنگام رسیدن سرعت عبور هوا از لبه حمله ملخ (لبه جلویی که اولین قسمتی است که با هوا تماس می‌یابد) به سرعت صوت بود. برای غلبه بر این مشکل دو روش کلی وجود داشت. یا باید طراحی موتورهای پیستونی به طرز اساسی بهبود می‌یافت یا این‌که از طرح کاملاً جدیدی برای پیشرانش استفاده می‌شد. و این انگیزه‌ای برای توسعه توربین‌های گاز بود برای دست‌یابی به موتورهای جت بود که انقلابی که در عرصه هوانوردی ایجاد کرد کمتر از پرواز برادران رایت نبود.

قسمت کلیدی ساخت موتور جت توربین گازی بود که برای تولید برق در نیروگاه‌ها استفاده می‌شد. توربین گاز، حتی در آن زمان، ایده جدیدی نبود. اولین ایده توربین گازی ثابت، به جان باربر انگلیسی در سال 1791 نسبت داده می‌شود. اما اولین ایده برای استفاده توربین گازی برای پیشرانش هواپیما را ماکسیم گیوم فرانسوی در سال 1921 ثبت کرد. موتوری که او ایده آن را داد، طبق تعریف امروزی یک موتور توربوجت بود.