מנוע סילון

מנוע סילון מתוצרת פראט אנד וויטני המיועד למטוס מסוג F-15, בעת בדיקה. המנהרה מאחורי המנוע קולטת את הגזים הנפלטים מצינור הפליטה. המכסה בקדמת המנוע (החלק השמאלי) נועד להגן על להבי המדחס העדינים מפני חלקיקים שעלולים להשאב אל תוך המנוע מעוצמת השאיבה של המדחס.

מנוע סילון הוא שם כולל ליחידת הנעה המשתמשת בטורבינה יונקת אוויר, הנפוצה בעיקר בתחום התעופה. עקרון הפעולה של כל מנועי הסילון זהה: המנוע מושך לתוכו אוויר ודוחס אותו. לאחר הדחיסה, מעורב האוויר הדחוס עם דלק והתערובת מוצתת על ידי מצת. האנרגיה הנוצרת מהבעירה היא הדחף אותו ממירים ליצירת ההנעה הנדרשת. למעשה, השוני בין מנוע סילון לבין מנוע בוכנה הוא שבמנוע בוכנאי מנצלים את לחץ גזי השריפה לדחיפת בוכנה בתוך צילינדר, בעוד שבמנוע סילוני מנצלים את לחץ גזי השריפה ליצירת כוח דחף.

במנוע סילון "קלאסי" מיושם החוק השלישי של ניוטון: האוויר שמואץ כתוצאה מהבעירה דוחף את האוויר הסטטי שמאחורי המנוע. בהתאם לחוק השלישי של ניוטון, האוויר הסטטי דוחף את האוויר במנוע (וכך למעשה דוחף את המטוס כולו) בכח שווה (אך בכיוון הפוך).

בניגוד למנוע בוכנה, בו לרוב ישנו פרופלור המאיץ מסה גדולה של אוויר בתאוצה נמוכה יחסית, במנוע סילון המנוע מאיץ מסה קטנה של אוויר בתאוצה גבוהה מאוד ובכך משיג דחף שווה ואף טוב משל מנוע הבוכנה.

היתרון במנוע סילון הוא יעילותו הגבוהה במהירות גבוהות מאוד (במיוחד במהירויות על-קוליות) ובגבהים גבוהים, בהם צפיפות האוויר נמוכה משמעותית מאשר בקרבת פני כדור הארץ. לכלי טיס הטסים במהירויות נמוכות מתקינים לרוב מנוע סילון המסובב פרופלור, או רוטור אם מדובר במסוק.

היסטוריה

בנסיונות הראשונים ליצור מנוע סילון, דחיסת האוויר בוצעה על ידי מקור אנרגיה חיצוני למנוע. השיטה, שנקראה טרמו-ג'ט, פותחה על ידי איטלקי בשם סקונדו קמפיני אשר דחס אוויר לתוך מסגרת מנוע הסילון על ידי מדחס שהונע מכח מנוע בנזין רגיל. המנועים שפותחו מאב הטיפוס של קמפיני לקו בחסר ולמרות שנעשה בהם שימוש במספר דגמי מטוסים לקראת סוף מלחמת העולם הראשונה, הם מעולם לא הניבו את התוצאות הרצויות.

פריצת הדרך של מנועי הסילון הגיעה לאחר הכנסת טורבינת הגז הפנימית לתוך המנוע. טורבינה זו, אשר השתמשה בגזי הפליטה של המנוע עצמו לצורך סיבוב המדחס, הפכה את המנוע לאוטונומי והסירה ממנו את התלות במקור כח חיצוני ולרוב מסורבל. תכנון חדשני זה הופיע לראשונה באנגליה בשנת 1930 ונרשם כפטנט על ידי מהנדס בשם פרנק וויטל. טורבינה המסובבת מדחס צנטריפוגלי פותחה כמעט בו זמנית בגרמניה בידי הנס פון אוהיין ולמרות הדמיון בין שני הדגמים, ניתן להניח כי בין שתי ההמצאות לא היה כל קשר והן התפתחו במקביל אך במקרה.

לאחר שהשלים את תכנון האב טיפוס, פנה אוהיין לארנסט הנקל, אחד מבכירי תעשיית התעופה דאז אשר ראה מיד את הפוטנציאל הגלום בהמצאה, ומאחר ובבעלותו הייתה חברת מנועי מטוסים, הוא נתן לאוהיין יד חפשית לפיתוח ההמצאה. התוצאות לא איחרו לבוא, ובשנת 1937 ביצע הדגם הראשון "היינקל HeS 1", שבו השתמשו במימן כדלק, את הרצת המבחן שלו. באוגוסט 1939 הוצמד מנוע מדגם "היינקל HeS 3" למטוס של החברה אשר ביצע את הטיסה מונעת הסילון הראשונה בעולם...

המצאתו של וויטל באנגליה לעומת עמיתו הגרמני, נתקלה בבעיות מימון קשות, והמנוע אותו ניסה הממציא ב-1937 אמנם פעל אך הוא היה גדול ומסורבל מדי כדי לשמש בכלי טיס. לאחר קבלת תקצוב ממשלתי ב-1939 הוקטן המנוע והותאם למטוס קל אשר ביצע את טיסתו הראשונה במאי 1941.

אולם אחת הבעיות המרכזיות שהופיעה בדגמי שני המנועים (אשר כונו מנועי "זרימה צנטריפוגלית") הייתה שהמדחס של המנוע דחס את האוויר על ידי "זריקת" האוויר לצדדים ובכך הוא היה משנה את מסלולו הטבעי של זרם האוויר וגורם לו להתנגשויות בדפנותיו החיצוניות של המנוע במקום להמשיך בזרימה ישירה אל אחורי המנוע שם הוא אמור לסובב את הטורבינה שמסובבת את המדחס ולבסוף לצאת אל מחוץ למנוע.

את הטיפול בבעיה לקח על עצמו גרמני בשם אנסלם פרנץ, שעבד בחברת המנועים "יונקרס". פרנץ פתר לבסוף את הבעיה בהמציאו את "המדחס הצירי", שלמעשה היה טורבינה הפוכה. מניפה שנמצאת בקדמת המנוע דוחפת את האוויר לעבר להבים נייחים הנקראים סטטורים אשר דוחסים את האוויר ומאפשרים לו להמשיך בכיוון זרימתו המקורית. מכיוון שיעילות המערכת הייתה קטנה בהרבה מהמערכת הצנטריפוגלית המוכרת, הושמו מספר מערכות של מניפות וסטטורים אחת אחרי השנייה וכך יצרו מדחס בעל יחס דחיסה גבוה, שלמרות מרכיביו הרבים היה לבסוף גם קטן יותר מאשר מדחס צנטריפוגלי בעל אותו יחס דחיסה. יצור המוני של מנוע בעל מדחס צירי החל בגרמניה בשנת 1944 לטובת מטוס הקרב הסילוני הראשון בעולם המסרשמיט Me-262. למרות שיצורו המאוחר לא השפיע על מצבה של גרמניה במלחמה שהשתוללה באירופה באותה העת, יזכר הMe-262 כמטוס הקרב הסילוני הראשון ששירת בשדה הקרב. לאחר סוף המלחמה חקרו מדעני בעלות הברית את המנוע החדשני של המטוס ובכך נתנו תנופה לפיתוח מנועי הסילון הן בארצות הברית והן בברית המועצות.

סוגי מנועי סילון עיקריים

טורבו-סילון

המנוע אותו המציאו וויטל ופון אוהיין נקרא היום מנוע טורבו-סילון. שם זה ניתן לו בעיקר כדי ליצור הפרדה בינו לבין שאר מנועי הסילון שיתוארו בהמשך. עקרונית מנועי הטורבו-סילון בנויים מסביב לציר הנמצא לאורכו של המנוע כשבקצהו האחד נמצא המדחס ובקצהו השני הטורבינה המניעה את הציר. האזור שמקיף את הציר נקרא תא השריפה ובו מוצתת תערובת האוויר הדחוס והדלק. שאריות הגזים השרופים שמייצרות את הדחף למטוס יוצאות דרך מעין אגזוז הנמצא באחורי המנוע ונקרא צינור פליטה. במנועים מתקדמים הנמצאים בשימוש מטוסי קרב על קוליים, הצלעות מהן מורכב צינור הפליטה יכולות לנוע ולהתאים את גודל צינור הפליטה לכמות הגז הנפלטת כדי ליצור דחף אופטימלי.

טורבו-מניפה

תרשים מנוע טורבו-מניפה. חרטום המטוס נמצא בצד שמאל.

אם היעילות המרבית של מנוע בוכנה שמניע פרופלור היא במהירויות הטיסה הנמכות, ויעילותו המרבית של מנוע טורבו-סילון היא במהירויות הגבוהות, ניתן להסיק ששילוב של השניים יהיה השילוב היעיל ביותר לטיסה במהירויות הביניים. מנוע הטורבו-מניפה (אשר במקור נקרא מנוע מעקף-טורבו-סילון)הוא למעשה מנוע סילון רגיל אשר במקום מדחס קטן, נמצאת מניפה גדולה בקדמת המנוע אשר דוחסת אוויר לליבת המנוע. ההבדל העיקרי בין מנוע טורבו-מניפה למנוע טורבו-סילון הוא שרק חלק מהאוויר נכנס לתא השריפה ונשרף, בעוד חלק אחר "עוקף" (ומכאן שמו הישן של המנוע) את תא השריפה מבחוץ ונפלט יחד עם גזי הפליטה מצינור הפליטה. סוג זה של מנועים יעיל ביותר במהירויות שבין 400 ל-1000 קמ"ש וזו הסיבה לכך שמנוע הטורבו מניפה הוא המנוע הנפוץ ביותר בשימוש בתעופה אזרחית.

יחס עקיפה (היחס בין כמות האוויר שנשרפת במנוע לבין כמות האוויר שעוקפת את תא השריפה), הוא פרמטר חשוב במנועי טורבו-מניפה; ככל שיחס העקיפה גדול יותר כך גדלה יעילותו של המנוע. במנועי המניפה הראשונים, יחס הדחיסה עמד על פחות מ1 (כלומר יותר אוויר נשרף מאשר עוקף), אולם היום, כל מנועי ה"פה הגדול" של מטוסי הסילון האזרחיים הם מנועים בעלי יחס העקיפה גבוה אשר בדרך כלל עומד על 3 (כמות האוויר העוקף גדולה פי 3 מכמות האוויר הנשרף, מכאן שכ-70% מהאוויר הנכנס למנוע עובר דרך תעלת הזרימה העוקפת וכ-30% מהאוויר הנכנס למנוע עובר דרך פנים המנוע.

כאמור, עקרון הפעולה של מנוע טורבו-מניפה משלב את היתרונות של מנוע סילון ומנוע מדחף (פרופלור). אם מדחף דוחף כמות גדולה של אוויר בתאוצה קטנה ומנוע סילון דוחף כמות קטנה בתאוצה גדולה, הרי שבמנוע טורבו-מניפה האוויר שנשרף (כמות קטנה) מואץ בתאוצה גדולה (כמו במנוע סילון) והאוויר העוקף מצטרף אליו בצינור הפליטה ומגדיל את מסתו של האוויר הנפלט וכך משיג האצה גדולה של כמות אוויר גדולה.

בנוסף, מנועי טורבו-מניפה הינם מנועים שקטים יחסית. הרעש אותו מייצר מנוע סילון קשור קשר ישיר לטמפרטורה של האוויר הנפלט מהמנוע. במנוע טורבו-מניפה האוויר החם (השרוף) מתערבב עם אוויר קר (האוויר העוקף) וכך האוויר הנפלט קר יחסית לאוויר הנפלט ממנועי טורבו-סילון. למרות שמטוסי נוסעים גדולים המשתמשים במנועי טורבו-מניפה נחשבים רועשים, אם אותם המטוסים היו מצוידים במנועי סילון רגילים המייצרים את אותו הדחף, הם היו רועשים הרבה יותר.

טורבו-פרופ וטורבו-ציר

תרשים של מנוע טורבו-פרופ. המדחף בקדמת המנוע יוצר את עיקר הדחף

מנוע הטורבו-פרופ הומצא מיד לאחר שמנועי הטורבו-סילון הראשונים טסו את טיסותיהם הראשונות. המנוע מייצר שני מקורות דחף; מקור הדחף הראשון אך הפחות בחשיבותו הם גזי הפליטה הנפלטים מצינור הפליטה, ואילו המקור השני והעיקרי הוא הדחף המיוצר על ידי המדחף שנמצא בקדמת המנוע.

מנוע טורבו-פרופ בנוי כמו מנוע סילון רגיל עד לשלב הטורבינה. כמו במנוע טורבו-סילון, גם כאן הטורבינה מסובבת ציר שמסובב את המדחס, אך במנוע טורבו-פרופ ישנה טורבינה נוספת, שמנצלת את שארית גזי הפליטה לסיבוב המדחף. גזי הפליטה הנפלטים דרך צינור הפליטה הם למעשה שאריות לא משמעותיות של הגז שסובב את שתי הטורבינות. למעשה, האנרגיה המופקת על ידי שריפת תערובת האוויר-דלק מנוצלת כמעט בשלמותה לסיבוב הציר עליו נמצא המדחף.

בכדי להאט את סיבובי הטורבינה המהירים, נבנתה קופסת ממסר המאטה את סיבוב הציר לפני שהוא מגיע למדחף.

מנוע טורבו-ציר, הוא למעשה מנוע טורבו-פרופ ללא מדחף הנמצא בשימוש בעיקר במסוקים. תנועת הציר היוצא מהמנוע מועברת, מוטה ומנוצלת לסיבוב הרוטור של המסוק.

מבער אחורי

במנועי סילון מניעי דחף כגון הטורבו-סילון או טורבו מניפה המותאמים לשימוש במטוסי קרב המנועים לרוב מותקנים עם מבער אחורי. המבער זהו צינור פליטה מיוחד אשר במצב מצערת גבוה מוזרק וניצת בתוכו כמות גדולה של דלק אשר מגדילה את הדחף של המנוע בצורה משמעותית. השימוש במבער מוגבל לתמרוני קרב, המראה וחירום בשל כמות הדלק הגדולה שמתבזבזת בתהליך זה.

מצבי מצערת במנועים עם מבער אחורי

• סרק- זהו מצב המצערת שמיצר את מהירות הסל"ד והכוח המינימלי לשימור פעולה תקינה של המנוע ומערכות המטוס שהמנוע מפעיל. הכוח שמיוצר על ידי המנוע במצב סרק לרוב לא מספיקה להזיז את משקלו של המנוע עצמו. לרוב מצב הסרק הוא בסביבות ה-70% ממהירות הסל"ד המקסימלית ללא מבער.
• יבש מלא -זהו מצב המצערת שבו המנוע מוציא את מירב הכוח ללא שימוש במבער. באנגלית שמו של מצב זה הוא FULL MILITARY POWER (כוח צבאי מלא) עקב היותו הכוח המלא לשימוש צבאי רגיל. מצב זה הוא 100% מסל"ד הפעולה המלא של המנוע.
• רטוב מלא - זהו מצב מצערת שבו ניצת המבער, הוא נקרא כך עקב ההזרקה הישירה של הדלק ישירות לצינור הפליטה. באנגלית שמו של מצב זה הוא FULL EMERGENCY POWER (כוח חירום מלא) עקב היותו כוח שנועד לשימושי חירום כגון תמרוני קרב. מצב זה הוא במהירות הסל"ד המקסימלית בה המנוע מסוגל לפעול והוא 110% ממהירות הפעולה המלאה ללא מבער.

ראו גם

• מטוס סילון