أداء محرك الطائرة

وقود الطائرات النفاثة الكيروسين ، المعروف أيضًا بوقود توربينات الطائرات (ATF)، مصمم للاستخدام في الطائرات التي تعمل بمحركات التوربينات الغازية . وقد كان وقود الطائرات النفاثة، المستخدم لتشغيل محركات التوربينات الغازية، هو الوقود المفضل منذ ظهور هذا النوع من المحركات نظرًا لخصائص احتراقه المواتية ومحتواه العالي نسبيًا من الطاقة. ^{[ 3 ]} ولا يزال وقود الطائرات النفاثة الأكثر شيوعًا في مجال الطيران نظرًا لشعبية محركات التوربوفان والتوربينية المروحية. وتُشغل محركات التوربوفان معظم طائرات الركاب والشحن التجارية الكبيرة اليوم. وتشمل أنواع وقود الطائرات النفاثة المدنية A-1 و A و B و TS-1 . أما الأنواع العسكرية فتشمل JP-4 وJP-8 وJP-5. وتختلف الأنواع العسكرية عن أنواع وقود الطائرات النفاثة المدنية بإضافة مثبطات التآكل ومواد مانعة للتجمد. ^{[ 4 ]} ويُعد وقود الطائرات النفاثة JP-8 الأكثر شيوعًا بين أساطيل طائرات حلف شمال الأطلسي (الناتو) .

يُستخدم وقود الطائرات ( AVGAS ) على نطاق واسع في المحركات الترددية ( محركات المكابس ). يتميز وقود الطائرات بتقلباته العالية وقابليته للاشتعال الشديد، بالإضافة إلى انخفاض درجة وميضه ^{[ 5 ]} ، مما يجعله غير مناسب للاستخدام في محركات التوربينات الغازية. يُقصد بالتقلب مدى سهولة تحول المادة من الحالة السائلة إلى الحالة الغازية. يتطلب تشغيل المحركات الترددية وقودًا عالي التقلب ، حيث يجب أن يتبخر البنزين السائل الذي يُضخ إلى المكربن ​​بسهولة ليحترق داخل المحرك. مع ذلك، ثمة حاجة إلى توازن في درجة التقلب. فإذا كان وقود الطائرات شديد التقلب، فقد يتسبب ذلك في حدوث انحباس بخاري واحتراق مبكر في أسطوانة المحرك. أما إذا لم يكن وقود الطائرات شديد التقلب بالقدر الكافي، فسيكون تسارع المحرك وقوته غير منتظمين على امتداد نطاق دورانه. يُضاف عادةً رباعي إيثيل الرصاص (TEL) إلى وقود الطائرات (AVGAS) لمنع ظاهرة الطرق في المحرك ، وهي تراكم ضار للضغط داخل المحرك ناتج عن استخدام وقود منخفض الأوكتان، وقد يؤدي إلى تعطل المحرك في المحركات الترددية. ^{[ 6 ]} تسمح إضافات منع الطرق بزيادة الكفاءة ^{[ 7 ]} والقدرة القصوى. ^{[ 8 ]} حظر الاتحاد الأوروبي استخدام رباعي إيثيل الرصاص في السيارات بسبب المخاوف البيئية، ولكنه لا يزال معتمدًا للاستخدام في الطائرات.

يتكون وقود الصواريخ من أنواع صلبة وسائلة وهلامية تُستخدم للدفع. ولتشغيل الصواريخ، يُخلط الوقود والمؤكسد داخل غرفة الاحتراق، مما يُنتج عادمًا عالي الطاقة يُستخدم كقوة دافعة. يُستخدم وقود الصواريخ بشكل أساسي في معززات مكوك الفضاء لدفع المركبة خارج الغلاف الجوي، أو في الصواريخ . لا يتدهور وقود الصواريخ الصلب أثناء التخزين طويل الأمد، ويظل موثوقًا في الاحتراق. وهذا يسمح ببقاء الذخائر جاهزة للإطلاق عند الحاجة، وهو أمر بالغ الأهمية للاستخدامات العسكرية. بمجرد اشتعال وقود الصواريخ الصلب، لا يمكن إيقافه. يُخزن الوقود والمؤكسد داخل غلاف معدني. عند الاشتعال، يحترق الوقود من مركز المركب الصلب باتجاه حواف الغلاف المعدني. يتم التحكم في معدلات الاحتراق وشدته عن طريق تغيير شكل قناة بين الوقود وغلاف الصاروخ. يوجد نوعان من وقود الصواريخ الصلب: وقود الصواريخ الصلب المتجانس ووقود الصواريخ الصلب المركب . تتميز هذه الأنواع من الوقود بكثافتها العالية، وثباتها في درجات الحرارة العادية، وسهولة تخزينها. ^{[ 9 ]} يُعدّ الوقود السائل أكثر قابلية للتحكم من وقود الصواريخ الصلب، إذ يمكن إيقافه بعد الاشتعال وإعادة تشغيله، كما يوفر تحكمًا أفضل في قوة الدفع. يُخزّن الوقود السائل في جزأين داخل المحرك، حيث يُخزّن الوقود في خزان، والمؤكسد في خزان آخر. تُخلط هذه السوائل في غرفة الاحتراق وتُشعل. يُخلط الوقود فائق الاشتعال ويشتعل تلقائيًا، دون الحاجة إلى إشعال منفصل. تشمل مركبات الوقود السائل البترول والهيدروجين والأكسجين.

يمكن نقل الكهرباء إلى محركات الطائرات الكهربائية عبر البطاريات ، وكابلات الطاقة الأرضية ، والخلايا الشمسية ، والمكثفات الفائقة ، وخلايا الوقود ، وتقنية نقل الطاقة عبر الحزم . ^{[ 10 ]} تُعدّ المحركات الكهربائية حاليًا مناسبة فقط للطائرات الخفيفة والطائرات المسيّرة . وتُشيد هذه المحركات لكونها صديقة للبيئة وهادئة نسبيًا. يتوفر عدد كبير من الطائرات المسيّرة الشخصية والطائرات بدون طيار للشراء عالميًا دون ترخيص أو قيود عمرية، وهي قادرة على القيام بمناورات عالية السرعة وخصائص طيران رشيقة. عادةً ما تكون مدة طيران الطائرات ذات المحركات الكهربائية أقصر بكثير من مدة طيران الطائرات التقليدية التي تعمل بالوقود، على الرغم من أن تطورات تكنولوجيا البطاريات وتحويل الطاقة الشمسية قد أتاحت إمكانية استخدامها في الطائرات التجارية. ويُقدّر جيفري إنجلر، الرئيس التنفيذي لشركة رايت إلكتريك ، أن الطائرات الكهربائية ذات الجدوى التجارية ستُخفّض تكاليف الطاقة بنسبة 30%. ^{[ 11 ]}

يُعدّ الهيدروجين، من خلال احتراقه في محرك نفاث أو خلية وقود، مصدرًا واعدًا للوقود في محركات الطائرات. حاليًا، لا تتوفر خزانات مضغوطة بسعة كافية ووزن منخفض لتخزين وقود الهيدروجين في الطائرات التجارية الكبيرة، ولكن تم تطبيقها بنجاح في طائرات شخصية أصغر حجمًا، مثل طائرة بوينغ التجريبية لخلايا الوقود من إنتاج بوينغ فانتوم ووركس ، وفي صواريخ إطلاق مكوك الفضاء عند تخزينه في درجات حرارة منخفضة جدًا . يُمكن استخدام الهيدروجين لتشغيل العديد من المركبات، عبر محركات توربينية ومحركات مكبسية ومحركات صاروخية. تُنتج خلايا وقود الهيدروجين الطاقة الكهربائية من خلال التحلل المائي، وهي في مراحل بحثية مختلفة لتطبيقاتها في المحركات الصديقة للبيئة نظرًا لعدم انبعاثها أي عوادم سامة. لا تُصدر محركات الهيدروجين سوى الماء من خلال اتحاد الأكسجين والهيدروجين، بالإضافة إلى أي فائض من الهيدروجين كعادم. وهذا يعني أن هذا النظام يُعدّ نظام دفع صديقًا للبيئة للغاية.

طوّر باحثون من معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا ( MIT ) نظام دفع أيوني بدون أجزاء متحركة. ^{[ 12 ]} يُدفع هذا "المحرك" بواسطة الرياح الأيونية ، المعروفة أيضًا بالدفع الكهروهوائي. سيكون هذا النوع الجديد من دفع الطائرات صامتًا تمامًا ويتطلب صيانة أقل بكثير من محركات الوقود الأحفوري التقليدية . تتمتع هذه التقنية بإمكانية استخدامها بالتزامن مع محركات الاحتراق التقليدية للطائرات كنظام هجين مع مزيد من التطوير، أو حتى كأنظمة دفع على المركبات الفضائية. ^{[ 13 ]}

مع ازدياد الارتفاع ، تقل كثافة الهواء . ومع انخفاض كثافة الهواء، تتباعد جزيئاته، مما يؤدي إلى تراجع أداء محركات الاحتراق الداخلي. أما الطائرات الكهربائية، فلا تشهد انخفاضًا في الطاقة الناتجة على الارتفاعات العالية، بل خسائر ديناميكية هوائية، حيث تعمل المراوح بجهد أكبر لدفع نفس كمية الهواء كما هو الحال على مستوى سطح الأرض. ومع ذلك، تنخفض قدرة التبريد في كل من محركات الاحتراق الداخلي والمحركات الكهربائية على الارتفاعات العالية بسبب انخفاض كثافة الهواء. هذه الظاهرة هي السبب في تقييد حدود تشغيل المروحيات، إذ تعود قوة دفع المروحة إلى الصفر عندما يصبح الهواء رقيقًا جدًا على الارتفاعات العالية. وهذا ما يجعل المطارات على الارتفاعات العالية أكثر خطورة بكثير من المطارات على مستوى سطح البحر. ^{[ 14 ]}

تؤثر درجة الحرارة بشكل كبير على أقصى قدرة متاحة وكفاءة تشغيل محرك الطائرة، سواءً كان يعمل بالاحتراق الداخلي أو بالكهرباء. ويأخذ الطيارون في الحسبان درجة الحرارة المحيطة في يوم الرحلة لحساب مسافة الإقلاع المطلوبة. وتُعدّ درجات الحرارة المرتفعة أو المنخفضة للغاية من العوامل التي تحدّ من أداء محركات الطائرات. ^{[ 15 ]}

 تتمتع الطائرة التي تحلق على ارتفاع ثابت في درجة حرارة هواء محيطة تبلغ 20 درجة مئوية بأداء أفضل من تلك التي تحلق في درجة حرارة هواء محيطة تبلغ 40  درجة مئوية. ففي درجات الحرارة المنخفضة، يكون الهواء أكثر كثافة، مما يؤدي إلى احتراق كتلة أكبر من خليط الهواء والوقود، وبالتالي زيادة الكفاءة وقوة المحرك.

تؤثر الرطوبة على كتلة الأكسجين في كل وحدة حجم من الهواء في الغلاف الجوي، مما يقلل من معدل احتراق الوقود ويزيد من زمن احتراقه في محرك الاحتراق الداخلي، الأمر الذي يقلل من كفاءته الحرارية. ^{[ 16 ]} وتحدث أدنى خسائر الطاقة عندما تُسخّن طاقة احتراق المحرك الرطوبة الموجودة فيه. أما بالنسبة للمكونات الكهربائية الموجودة داخل المحركات الكهربائية، فإن الرطوبة الزائدة قادرة على إتلاف الدوائر والأنظمة الكهربائية. في الواقع، لا يكون الهواء جافًا تمامًا، أو خاليًا من الرطوبة في الغلاف الجوي . ^{[ 17 ]} فحتى عندما يُعتبر الهواء جافًا، فإنه يحتفظ بنسبة رطوبة تبلغ حوالي 5%.

يؤثر الطقس بشكل كبير على أداء المحرك، وعلى احتمالية تعطلّه أو فشله. فالرياح قد تكون مفيدة أو ضارة، وذلك بحسب اتجاهها واتجاه الطائرة. ومن أبرز نقاط ضعف العديد من الطائرات استخدامها للمراوح أو التوربينات في محركاتها، إذ قد تتسبب أي جسيمات تدخل المحرك، بخلاف الهواء، في تلفه. ومن الأمثلة على ذلك البَرَد ، حيث يتجمد الهطول. فإذا كان البَرَد شديدًا، فقد تنثني أو تنكسر ريش توجيه مدخل المحرك أو شفرات الضاغط عند الاصطدام. ^{[ 18 ]} ويُعد الرماد البركاني المنبعث في الغلاف الجوي نتيجة ثوران بركاني مثالًا آخر على انخفاض أداء المحرك بسبب الطقس. فجسيمات الرماد البركاني كاشطة عند السرعات العالية، مما يؤدي إلى تآكل شفرات مروحة الضاغط. ويتميز مركب السيليكات الزجاجي الموجود في الرماد البركاني بانخفاض درجة انصهاره عن درجة حرارة احتراق الوقود والهواء في المحرك النفاث. ^{[ 19 ]} عند دخولها إلى المحرك، تنصهر المادة وتترسب في المناطق الأكثر برودة من المحرك، مما يؤدي إلى توقف الضاغط وفقدان الدفع.