موتور پالس جت؟ — به زبان ساده

موتور پالس جت نوعی از موتورهای جت به شمار می‌آید که احتراق در آن‌ها به صورت پالسی (پله‌ای) رخ می‌دهد. موتور پالس جت بدون کمپرسور با جریانی «ناپایدار» (Unsteady) است و به دلیل پیچیدگی کمی که در ساخت آن وجود دارد، تولید آن توسط افراد علاقه‌مند به علم حتی با ابزار ساده نیز امکان‌پذیر است. به بیان ساده، موتور پالس جت مانند لوله‌ای با دو سر باز است که سوخت از یک طرف وارد می‌شود و با مشتعل شدن و انفجار، در نهایت از بخش اگزور (خروجی) خارج می‌شود. در این مطلب قصد داریم موتورهای پالس جت را معرفی و مزایا و معایب آن‌ها را بررسی کنیم.

موتور پالس جت چیست ؟

پالس جت از جمله موتورهای جت با «جریان ناپایدار» (Unsteady Flow) است که در آن هیچ پیش‌تراکمی برای چاشنی صورت نمی‌گیرد. به لحاظ مکانیکی، این موتور جت بسیار ساده است و از یک دیفیوزر ورودی کوتاه، چندین «سوپاپ یک‌طرفه» (Check Valve)، محفظه احتراق و لوله ونتوری‌شکل تشکیل شده که در تصویر زیر نمایش داده شده است.

یک سیستم تزریق سوخت در پایین‌دست سوپاپ‌ها قرار دارد. هوای ورودی به موتور با عبور از طریق سوپاپ‌ها با افشانه‌های سوخت ترکیب و مخلوط حاصل مشتعل می‌شود. در نتیجه افزایش فشار حاصل از انفجار، سوپاپ‌های جریان ورودی بسته خواهند شد و گازهای خروجی با انبساط، از طریق لوله اگزوز خارج می‌شوند. خروج این گازها موج‌هایی انبساطی تولید می‌کند که سبب کاهش فشار در پشت سوپاپ‌های یک‌طرفه شده و این چرخه بار دیگر تکرار می‌شود.

فیلم آموزش سوخت و احتراق Fuels and Combustion – مقدماتی در فرادرس

کلیک کنید

تنها در لحظه شروع کار (استارت) موتور پالس جت به جرقه نیاز داریم زیرا گازهای داغ از چرخه‌های قبل سبب مشتعل شدن چاشنی انفجاری می‌شوند. معمول‌ترین نوع موتور پالس جت از نوع سوپاپ‌دار است اما انواع «بدون سوپاپ» (Valve Less) نیز وجود دارد.

نحوه کار موتور پالس جت بدون دریچه

در شکل زیر، نوعی موتور پالس جت بدون دریچه (بدون سوپاپ) نشان داده شده که شامل محفظه‌ای با دو بخش لوله‌ای با قطرها و طول‌های متفاوت است. بخش خمیده، لوله ورودی و بخش دیگر، لوله اگزوز (خروجی) را تشکیل می‌دهند. در برخی از موتورهای بدون سوپاپ، این لوله اگزوز است که بخش خمیده را تشکیل می‌دهد.

زمانی که مخلوط هوا-سوخت در محفظه احتراق، منفجر می‌شود، فشار داخل به سرعت افزایش پیدا می‌کند. این فشار سبب انبساط و خروج گاز با سرعت بالا خواهد شد. با خروج این گاز داغ، «رانش» (Thrust) بوجود می‌آید. به دلیل وجود اینرسی، انبساط حتی بعد از افت فشار و رسیدن به فشار اتمسفریک ادامه می‌یابد، در پایین‌ترین نقطه، خلائی جزئی در محفظه رخ می‌دهد که تکانه گاز انبساطی به صفر می‌رسد و انبساط متوقف می‌شود. این فرآیند به طور خودکار خود را معکوس می‌کند و هوای تازه از دو بخش به داخل محفظه خلا وارد می‌شود.

در بخش ورودی، هوا به سرعت از میان لوله کوتاه عبور می‌کند و با ورود به محفظه احتراق، با سوخت ترکیب می‌شود. لوله اگزوز اما طول بیشتری نسبت به لوله ورودی دارد در نتیجه مدت زمان بیشتری طول می‌کشد تا به محفظه احتراق برسد. یکی از دلایل طول بیشتر این است که در زمان شروع مکش، بخشی از گازهای داغ در داخل باقی مانده باشند. این گازهای داغ باقیمانده در این مرحله به داخل محفظه رانده و با مخلوط-هوا سوخت جدید مخلوط می‌شوند. گرما و رادیکال‌های آزاد در گاز سبب شعله‌ور شدن و تکرار مراحل قبل خواهند شد.

اثر کادناسی

در توضیح چرخه‌ها باید گفت که اینرسی، گاز انبساطی را تا زمان کاهش فشار محفظه احتراق به کمتر از فشار اتمسفریک، به بیرون می‌راند. در بخش بعدی چرخه، عکس این عمل رخ می‌دهد که در آن، هوای خروجی برای پر کردن خلا به درون محفظه کشیده خواهد شد. ترکیب تکانه این گازها به هنگام ورود از دو بخش ورودی و خروجی سبب می‌شود تا فشار محفظه، قدری بالاتر از فشار اتمسفریک باشد.

در نتیجه، داخل موتور، نوسانی از فشار ناشی از اینرسی خواهیم داشت به گونه‌ای که فشار به صورت نوسانی در مقادیر بالا و پایین فشار اتمسفریک به شکلی میرا تغییر می‌کند. به این حالت، «اثر کادِناسی» (Kadenacy Effect) می‌گویند که بدون این اثر، موتور پالس جت قادر به کار نبود.

مزایا و معایب موتور پالس جت

حال که با نحوه عملکرد موتور پالس جت آشنا شدیم می‌خواهیم در ادامه متن به توضیح مزایا و معایب این موتور جت بپردازیم.

مزایای موتور پالس جت

نقطه قوت موتور پالس جت که قابل قیاس با سایر سازه‌های مکانیکی نیست را باید در سادگی آن جستجو کرد چراکه ساخت آن خاصه در مدل‌های بدون سوپاپ، بسیار ساده است و پیشرانه‌ای بسیار کوچک اما با صدایی زیاد را فراهم می‌کند. علاوه بر این، از نمونه‌های بدون سوپاپ و حرارت ایجاد شده آن در سیستم‌های گرمایش مرکزی (موتورخانه‌ها) نیز استفاده می‌شود که سبب کاهش قابل توجه هزینه‌ها خواهد شد.

موتور پالس جت تنها موتوری است که افزایش فشار خالصی را بین ورودی و خروجی (اگزوز) نشان می‌دهد. سایر موتورها باید بیشترین فشار را در انتهای بخش ورودی ایجاد کنند. در نتیجه این اتفاق، کاهش فشار خواهیم داشت و این کاهش فشار مانع از ورود گازهای داغ تولیدی به بخش ورودی می‌شود و گازها تنها به طرف خروجی حرکت می‌کنند.

در موتورهای جت به طور معمول فشار ورودی توسط یک کمپرسور تامین می‌شود که پیچیدگی و هزینه زیادی دارد و بیشتر نیرو محرکه تولیدی موتور به حرکت کمپرسور اختصاص پیدا می‌کند. اما در موتور پالس جت این موضوع متفاوت است چراکه فشار اگزوز بیشتر از فشار ورودی است و بنابراین،‌ افت فشاری نخواهیم داشت. این عمل بدون از دست دادن توان تولیدی محفظه احتراق صورت می‌گیرد که این امر، افزایش فشاری در حدود ۵ درصد را شامل می‌شود و سبب بهبود بازده کل خواهد شد.

محدودیت های موتور پالس جت

از مشکلات موتورهای پالس‌جت این است که بهره‌گیری از بازده بالای این موتورها ساده نیست. از موتور پالس جت به طور معمول به عنوان محفظه احتراق موتورهای توربینی استفاده می‌شود تا این‌که آن‌ها را به عنوان یک موتور مستقل بکار بگیرند. متاسفانه، یک توربین به جریانی پایدار برای عملکرد مناسب نیاز دارد و ناپایداری این موتورها، برای تیغه توربین‌ها مشکل ایجاد می‌کند. البته تیغه‌های شعاعی دوام بیشتری دارند که گرچه بازدهی آن‌ها نیز کمتر است.

فیلم آموزش آیرودینامیک ۱ در فرادرس

کلیک کنید

علاوه بر این، مصرف سوخت این موتورها نیز بسیار زیاد است و لرزش و صدای زیادی نیز به همراه دارند. همچنین، به دلیل گرمای تولیدی به موادی مقاوم در برابر حرارت نیاز است و در نتیجه، حداقل باید از آلیاژهای نیکل-کروم فولاد ضدزنگ برای آن‌ها استفاده کرد.

چرخه پالس جت

عملیات پالس جت را می‌توان با ترکیب دو چرخه توضیح داد. این دو چرخه در زیر آورده شده‌اند:‌

• «چرخه لونوار» (Lenoir Cycle)
• «چرخه همفری»‌ (Humphrey Cycle)

در چرخه لونوار در ابتدا تراکمی به صورت فشار ثابت داریم و در ادامه در حجم ثابت،‌ افزایش دما خواهیم داشت. سپس، انبساط آدیاباتیک و در نهایت، چرخه همفری داریم. در تصویر زیر، چرخه لونوار نشان داده شده است.

چرخه همفری نیز عملکرد مشابهی دارد با این تفاوت که تراکم آیزنتروپیک به آن اضافه شده است و در تصویر زیر این چرخه را مشاهده می‌کنید.