یکی از دستاوردهای دفاعی رونمایی شده توسط وزارت دفاع به مناسبت روز صنعت دفاعی در سال جاری، موتور توربوفن سبک جهش است که علاوه دستیابی به دانش طراحی و ساخت آن یکی از مهمترین دستاوردهای فناورانه تاریخ کشور در حوزه موتورهای هوایی است چراکه توان طراحی و ساخت چنین موتورهایی در اختیار چند کشور محدود در دنیا قرار دارد.
این موتور که بعنوان اولین موتور توربوفن بومی در کلاس موتورهای نسل چهارم توسعه پیدا کرده است، از نوع موتورهای توربوفن دومحوره است که قابلیت نصب بر روی انواع پرنده های با سرنشین و بدون سرنشین با قابلیت ایجاد تراست (نیروی پیشرانه) ۵۰۰ تا ۷۰۰ کیلوگرم را دارد که توان پیشران پرنده‌هایی در محدوده وزن ۴ تن را ایجاد می‌کند.
موتور توربوفن سبک جهش
در این گزارش به بررسی این دستاورد مهم، کاربردهای آن و اثرگذاری که می‌تواند در قدرت دفاعی کشور داشته باشد خواهیم پرداخت.
توربوفن چیست؟
در یک تعریف ساده موتورهای توربوفن نوعی از موتورهای جت هستند که به دلیل قرار گرفتن یک فن در قسمت ورودی موتور، جریان بزرگی از هوایی که درون موتور وارد می‌شود را بدون آنکه به قسمت هسته موتور و محفظه احتراق بفرستد، از فاصله بین پوسته موتور به سمت خروجی موتور هدایت می‌کند و در قسمت انتهایی موتور این هوای سرد با گازهای داغ خروجی موتور ترکیب می‌شود و باعث افزایش قابل توجه نیروی پیشرانه تولید شده توسط موتور می‌شود. در واقع توربوفن از دو بخش تشکیل شده که در آن هسته وظیفه تولید انرژی مکانیکی را دارد و فن هم که به شفت متصل است می‌گردد و بخش زیادی از نیروی تراست را تولید می‌کند.
تفاوت موتور توربوجت و توربوفن
فن هم مجموعه‌ای از پره‌ها (Blade) است که به صورت دوار چیدمان شده اند که عمده کار آن افزایش سرعت و فشار سیال (سیال در اینجا جریان هوا است) و افزایش تراست بوده که به همین دلیل هرچه بتواند حجم بیشتری از جریان هوا را عبور دهد، راندمان موتور بیشتر خواهد بود. از سوی دیگر جریان عبوری از فن به دو بخش تقسیم می‌شود که یک بخش آن وارد قسمت هسته موتور می‌شود و قسمت دیگر به صورت جریان هوای سرد به سمت خروجی موتور می‌رود که این جریان هوای سرد علاوه بر انجام کار خنک‌کاری در مسیر خروج، باعث افزایش تراست موتور و همچنین کاهش دمای گازهای خروجی می‌شود.
برشی از یک موتور توربوفن که در آن پره‌های فن در قسمت ابتدایی و توربین در قسمت میانی و انتهایی مشخص است
مزایایی چون صدای کم، مصرف سوخت پایین‌تر، تراست زیاد و همچنین پایین بودن دمای گازهای خروجی نسبت به موتورهای جت که باعث می‌شود در کاربردهای نظامی برای رادارگریزی بیشتر استفاده شود، باعث شده تا امروزه موتورهای توربوفن به یکی از فناوری‌های حساس و حیاتی صنعت هوایی در دنیا تبدیل شوند.
دو محوره بودن موتور توربوفن به چه معناست؟
از جمله ویژگی‌های موتور توربوفن جهش، دو محوره بود آن است. در موتورهای توربوفن به دلیل شعاع زیادی که دارد، باید با سرعتی دَوَران کند که سرعت Tip (نوک) پره‌های فن کمتر از سرعت صوت و نزدیک به آن باشد. حال اگر برای یک موتور توربوفن یک محور را در نظر بگیریم که با آن علاوه بر دوران بخش‌های مختلف موتور، فن نیز به چرخش در آید، در چنین حالتی سرعت دوران فن برابر با RPM (دور موتور) توربین خواهد شد که در طراحی باعث ایجاد محدودیت در شعاع فن و یا ایجاد شوک در نوک پره‌ها می‌شود.
این در حالی است که اگر فن در RPM پایین‌تر دَوَران کند، عملکرد بهینه‌تری خواهد داشت، به همین منظور در موتورهای توربوفن از دو یا چند محور برای دوران بخش‌های مختلف موتور استفاده می‌شود که در نمونه دو محوره، دو توربین فشار بالا و فشار پایین وجود دارد که توربین فشار پایین به دلیل اینکه دور پایین تری دارد، فن را به چرخش در می‌آورد.
نمایی از یک موتور توربوفن دو محوره؛ محور آبی کم‌فشار برای به حرکت درآوردن فن استفاده می‌شود
به بیان ساده‌تر، در موتورهای توربوفن لازم است بعضی قسمت‌های آن مانند فن، آهسته‌تر از دیگر قسمت‌ها حرکت کند، این مسئله با چند محوره کردن موتورهای توربوفن حل می‌شود که به همین منظور در این موتورها از دو یا سه محور برای به حرکت در آوردن اجزای متحرک موتور استفاده می‌شود؛ بعنوان مثال استفاده از دو محور این امکان را فراهم می‌کند که فن و قسمت‌های مرکزی موتور (هسته) به صورت مجزا از یکدیگر عمل کند که همین ویژگی می‌تواند باعث کنترل سرعت دَوَران فن بدون در نظر گرفتن میزان دَوَران قسمت‌های میانی باشد.
امروزه در دنیا موتورهای توربوفن به صورت دومحوره و در برخی موارد نیز سه محوره توسعه یافته اند.
پره‌های تک کریستال چیست؟
در موتورهای توربین گازی افزایش دمای ورودی به توربین موتور (TIT) باعث افزایش راندمان موتور می‌شود چراکه این پایه کارکرد این موتورها سیکل برایتون است که شامل 4 مرحله فشرده‌شدن هوا، احتراق هوا، انبساط هوا و انتقال حرارت بوده. اما یکی از عواملی که باعث محدودیت در دمای گازهای ورودی به توربین می‌شود، نوع مواد به کار رفته در ساخت اجزای توربین ماننده پره‌های آن است که عموما افزایش دمای ورودی به توربین را محدود می‌کند.
یکی از فناوری‌هایی که باعث افزایش دمای هوای ورودی به توربین و در نتیجه افزایش دمای عملیات در این قسمت از موتور می‌شود، ریخته‌گری و ساخت تیغه‌های توربین به صورت تک کریستال است که باعث افزایش عمر خستگی تیغه‌های توربین می‌شود. در ساخت این تیغه‌ها کلید اصلی، دانش متالوژی بالا و توان ریخته‌گری دقیق است که از فناوری بسیار بالایی برخوردار است به طوریکه در ساخت تیغه‌های کمپرسور موتور جهش که با همین روش انجام شده است، به گفته مدیرعامل سازمان صنایع هوایی وزارت دفاع، رسیدن به این فناوری در سال‌های گذشته برای آنها آرزو بوده است!
تفاوت تیغه‌های تک کریستال و چند کریستال
همانگونه که گفته شد، موضوع مهم در ساخت این تیغه‌ها داشتن سطح بالایی از دانش و فناوری ریخته‌گری است؛ در ریخته‌گری تک کریستال، کنترل دقیق دمای مذاب بعد از ریخته‌گری درون قالب و فرآیند خنک‌کاری از اهمیت بالایی برخوردار است. این فرآیند به توجه به ابعاد قطعه می‌تواند چندین روز زمان ببرد و روشی سخت و پرهزینه است. از سوی دیگر در صورت دقیق نبودن روش تولید، احتمال ساخت قطعه به صورت چند کریستال نیز در این فرآیند وجود دارد و به همین دلیل شرکت‌های مطرح دنیا روش‌های دقیق ساخت تیغه‌های توربین تک کریستال را محرمانه نگهداری می‌کنند تا قادر به حفظ توان رقابتی خود در دنیا باشند.
از سوی دیگر استفاده از این فناوری باعث افزایش عمر توربین موتور می‌شود که در نتیجه زمان بین دو تعمیر اساسی موتور افزایش خواهد یافت.
استفاده از موتور جهش چه قابلیت‌هایی برای ما خواهد داشت؟
همانگونه که گفته شد، مزیت اصلی موتور توربوفن جهش استفاده از آن در پهپادها خواهد بود، اما به دلیل قابلیت اطمینان بالای تولید آن، می‌تواند در هواپیماهای سبک، جت‌های کوچک و ایرتاکسی‌ها نیز مورد استفاده قرار بگیرد؛ اما از آنجا که این محصول یک دستاورد فناورانه در حوزه دفاعی محسوب می‌شود، باید به کارکردهای آن در حوزه نظامی توجه بیشتری شود.
موتور توربوفن جهش
نخستین کارکردی که این موتور در حوزه نظامی برای نیروهای مسلح کشورمان خواهد داشت، جهش پهپادهای ایرانی به یک کلاس خاص و بالاتر در جهان خواهد بود. در حال حاضر پهپادهای موجود در نیروهای مسلح به طور معمول به دلیل استفاده از موتورهای دورانی(وانکل) از حداکثر وزن برخاست زیر یک تن و در حد چند صد کیلوگرم برخوردار هستند.
بعنوان مثال در پهپاد مهاجر-۶ بعنوان یکی از پهپادهای رزمی نیروهای مسلح، حداکثر وزن برخاست آن ۶۰۰ کیلوگرم است. تنها در پهپاد فطرس به دلیل استفاده از یک موتور توبوشارژ چهارسیلندر با توان ۱۱۵ اسب بخار، حداکثر وزن برخاست آن به ۱۲۰۰ کیلوگرم رسیده است.
پهپاد راهبردی فطرس
پر واضح است که محدودیت وزن برخاست، موجب محدودیت در حمل سلاح نیز برای پهپادها خواهد شد که این محدودیت هم در زمینه تعداد بمب یا موشک قابل حمل توسط پهپاد خواهد بود و هم محدودیت در زمینه توسعه تسلیحات هواپایه چراکه در مسیر توسعه این تسلیحات همواره باید محدودیت‌های حمل آن مد نظر توسعه‌دهندگان باشد.
محدودیت دیگری که در استفاده از موتورهای وانکل و یا دیگر موتورهای موجود وجود دارد، سقف ارتفاع پروازی آنها است چراکه در موتورهای مینی‌جت و یا پیستونی با افزایش ارتفاع پرنده، به دلیل رقیق شدن اتمسفر و کاهش سطح اکسیژن، فرآیند احتراق در موتور به درستی انجام نمی‌شود و همین موضوع باعث به وجود آمدن محدودیت در سقف پروازی پهپادها خواهد شد. این چالش خصوصا در پهپادهای شناسایی که نیاز به سقف ارتفاع پروازی بالاتری برای پوشش منطقه‌ای وسیع هستند بیشتر به چشم می‌آید.
موتور توربوفن جهش
آنچه گفته شد، چالش‌هایی است که در زمینه استفاده از موتورهای غیرتوربوفن در حوزه پهپادی وجود دارد؛ به گفته مسئولین موتور توربوفن جهش با ایجاد ۷۰۰ کیلوگرم نیروی تراست قابلیت به پرواز درآوردن پرنده‌هایی تا محدوده وزنی ۴ تن را خواهد داشت که این موضوع به معنای جهشی ۴ برابری در حداکثر وزن پهپادهای رزمی ایران خواهد بود که بدین ترتیب می‌توان منتظر انقلاب و تغییر نسل در حوزه پهپادی نیروهای مسلح با ورود پهپادهای بزرگتر و با قابلیت حمل تسلیحات بیشتر بود.
از سوی دیگر در حوزه سقف ارتفاع پروازی نیز به گفته وزیر دفاع، این موتور تا سقف ۶۰ هزار پا پرنده را به پرواز درآورد که این رقم نیز در مقایسه با سقف ارتفاع پرواز ۲۵ هزار پایی پهپاد فطرس، رشد بیش از ۲ برابر داشته که در توسعه پهپادهایی بزرگتر و با ماموریت شناسایی برای پرواز در ارتفاعات بالاتر می‌تواند موثر باشد.
