מנוע רולס-רויס מרלין, מהמנועים התעופתיים המפורסמים בהיסטוריה.
מנוע תעופתי הוא סוג של מנוע המיועד לשימוש בכלי טיס. מנועים אלו שיכולים להיות רקטיים, בוכנתיים, סילוניים או אף חשמליים אבל הם נדרשים לרמת ביצועים ואמינות גבוהים במיוחד.
היסטוריית פיתוח
1848 – ג'ורג' סטרינפלו ייצר מנוע קיטור קטן שבעזרתו הטיס טיסן עם מוטת כנפיים של 3 מטר וכך ביצע טיסה ראשונה בכוח מנוע.
1908 – לואי סגווין עיצב את מנוע גנום אומגה, המנוע הסיבובי הראשון שיוצר במספרים משמעותיים. בשנת 1909 מטוס פארמן III שהונע על ידי הגנום אומגה שבר שיא טיסה למרחק ללא עצירה של 180 קילומטר.
1910 – הממציא אנרי קואנדה הציג לראשונה את הקואנדה 1910, שהיה מטוס שהשתמש במניפה בתוך תעלה ליצירת דחף. המניפה הונעה על ידי מנוע בוכנה רגיל. למרות שהמטוס התרסק ונשרף בטיסתו הראשונה, הוא נחשב לאבן פינה בפיתוח מנועי סילון.
1914 – המהנדס אוגוסט ראטו מציע שימוש של מדחס טורבינה המונע על ידי פליטה של מנוע בוכנה, למעשה מגדש טורבו בשביל לשפר ביצועי מנוע בגובה רב.
1917-1918 – מפציץ ארבעה מנועי צפלין-סטאקן R.VI המריא לראשונה. המטוס היה לראשון שהשתמש במנועים עם מדגש על.
1918 – סנפורד אלכסנדר מוס אימץ את הרעיון של ראטו ויצר את המדגש טורבו המוצלח הראשון למנועים תעופתיים.
1926 – יוצר מנוע הארמסטרונג סידלי יגואר שהיה למנוע הראשון שכלל מגדש על צינטריפוגלי המונע על ידי גיר.
1948 – מתחיל פיתוח של מנוע טורבו-ציר ראשון לשימוש בכלי טיס. המנוע מתפתח לבסוף לטורבומקה ארטוסט שהיה למנוע מסוקים מוצלח.
1949 – ממריא מטוס המונע על ידי מגח סילון – הלדוק 010.
1950 – מנוע הטורבו-מניפה הסדרתי הראשון – הרולס-רויס קונווי נכנס לשירות.
1968 – מנוע הג'נרל אלקטריק TF39 נכנס לשירות. זה מנוע הטורבו מניפה הראשון שכולל יחס מעקף גבוה ומתחיל מהפכה במנועי סילון שכן הוא מציע דחף גבוה עם יעילות גבוהה משמעותית ממנועי טורבו-סילון.
2002 – מנוע על-מגח סילוני הראשון – HyShot טס לראשונה בצלילה.
2004 – ה-X-43 השגא-סילוני מבצע את טיסת הניסוי הראשונה ושומר על גובה בהצלחה.
מנוע בערה פנימית הוא הוותיק ביותר בשימוש בתעופה והיה לסטנדרט בהנעת כלי טיס למשך כ-40 שנה. בגלל שמנועי בוכנה לבסוף מסובבים ציר השימוש המעשי העיקרי בציר זה זה סיבוב של פרופלור – למעשה בורג אווירי שדוחף אוויר תוך סיבוב הלהבים. אם מתקינים מנועים אלו במבנה המטוס ולא בכנפיו, מתקינים אותם לרוב באף המטוס בתצורת פרופלור מסחב, או בזנב המטוס בתצורת פרופלור מדחף. בהתקנה על גבי כנפי המטוס מנועים אלו לרוב מותקנים בתצורת מסחב על גבי בתי מנועים בשפת ההתקפה של הכנפיים. לעיתים רחוקות ולרוב אופייני לתעופה מוקדמת ניתן היה להתקין שני מנועים באותו בית מנוע, אחד בתצורת מדחף ואחד בתצורת מסחב.
מנועי בוכנה תעופתיים רבים כוללים עדיין רכיבים כמו קרבורטור ודורשים בקרה על תערובת הדלק במהלך טיסה בשביל לאפשר בערה יעילה, כאשר תערובת עשירה אופיינית לטיסה בגובה נמוך ובעוצמה מרבית, ותערובת דלה אופיינית לטיסה בגובה גבוה יותר ובתנאי שיוט בהם רוצים נצילות דלק מיטבית ככל הניתן. נקודת השיא של יעילות הבערה היא מפיקה גם את טמפרטורת ראש הבוכנה המרבית שהיא גבוהה מהמותר במנוע ולכן לרוב טסים עם תערובת דלק שהיא עשירה או דלה מהשיא. טיסה בתערובת שהיא דלה מהשיא נחשבת ליותר יעילה, אבל בשביל לטוס בתנאים אלו בבטחה נדרשת בקרת טמפרטורות בכל בית בערה של בוכנה שכן טעות בבקרה על אלו יכולה לגרום לכיבוי המנוע או לסכן את שלמותו. במנועים הכוללים רק גשש טמפרטורה בפליטה מהמנוע (מה שמכונה EGT – Engine Gas Temperature) או טמפרטורת השמן בלבד יעדיפו לטוס בתערובת שהיא עשירה מהשיא.
רוב סוגי מנועי בוכנה כמו כן מאוד רגישים לנזק חום ולכן דורשים תפעול ובקרה מחמירים. חימום המנוע לפני המראה, עבודה עם תערובת עשירה בשיא הכוח וכדומה שומרים על שלמותו של המנוע. בתנאי שיוט בגובה רב תפעול המנוע הוא מורכב אף יותר שכן אם מורידים את כוח המנוע בצורה מהירה מדי במהלך הנמכה המנוע עלול לחוות הלם תרמי שיגרום לכשל המנוע.
בגבהי טיסה גבוהים המנוע גם דורש אמצעים להגדלת לחץ האוויר בכניסה לבוכנה שכן הלחץ החיצוני הוא נמוך מדי. ולכן יש צורך בשימוש באמצעים כגון מדגשי טורבו או סופר. במהלך עבודה בסל"ד נמוך במנועים המשתמשים בקרבורטור ישנה סכנה ליצירת קפאון בפרפר המצערת, ולכן ישנו מכלול המכניס אוויר חם מהמפלט לכיוון פרפר המצערת הנשלט על ידי הטייס.
מנועי בוכנה גם מתאפיינים בשימוש במערכות לשינוי זווית הפסיעה של להבי הפרופלור לשיפור ביצועים דוגמת מדחף מהירות קבועה וכדומה. בשימוש במדחף מהירות קבועה סל"ד המנוע נקבע על ידי ידית נפרדת המקושרת ליחידת מקבע המהירות במכלול הפרופלור ולכן נתון הסל"ד לא משקף את כוח המנוע הנקבע על ידי ידית המצערת של הטייס. במקום זה הטייס מבקר על כוח המנוע על ידי מחוון לחץ סעפת היניקה (Manifold Pressure).
מנועים אלו מתאפיינים ביצירת פיתול הדוחף את המטוס בציר הגלגול והסבסוב ודורשים פיצוי וקיזוז מהטייס, מורגש בעיקר בשינוי כוח המנוע. במטוסים רב מנועיים לעיתים יעדיפו להתקין מנועים עם כיווני סיבוב הפוכים אחד לשני בשביל לבטל את הפיתול האופייני. אם כי זה לא חובה ויש מטוסים דו מנועיים הכוללים מנועים הסובבים באותו כיוון. במהלך תקלה באחד מהמנועים הללו ישנה חשיבות לאיזה מנוע כשל שכן הפיתול, שיגדל בגלל הגדלת דרישות הכוח מהמנוע יוסיף לגרר של המנוע המכובה ויקשה על המשך טיסה בטוחה.
כל אלה מביאים מורכבות על בקרה של כל מנוע שכן לכל מנוע כזה יש בין שלוש לארבע ידיות בקרה על כל מנוע – מצערת, תערובת, סל"ד, וחימום משנק ומספר רב של מחוונים – טמפרטורת שמן, סל"ד, לחץ סעפת, טמפרטורת מפלט או טמפרטורות של כל בית בוכנה במנוע. במטוס רב מנועי זה יכול להביא למורכבות גבוהה מאוד לטייסים ומכאן נובע הצורך הראשוני למהנדסי טיסה שבעמדתם יכלו לבקר ואף לשלוט על מנועי המטוס יחד עם צוות הטייסים.
במנועי בוכנה חדישים יותר לרוב מותקנות מערכות הזרקת דלק המחליפה את הקרבורטור ולעיתים מותקנות מערכות בקרה מתקדמות המבצעות את מרבית הבקרה על המנוע באופן אוטומטי אבל זה לא הסטנדרט בתעופה.
מנועי בוכנה שלא פועלים על דלק סילוני יכללו מצתים לרוב שניים שונים לכל בוכנה העובדים במעגלים (מגנטו) נפרדים לטובת יתירות.
מנועי בוכנה משמשים גם למערכות עזר. לרוב המנוע מניע אלטרנטור המייצר חשמל, משאבות שמן או משאבות הידראוליות למיניהן. במטוסים יותר ישנים המנוע גם יפעיל משאבת וואקום להפעלה של חלק ממכשירי הטיסה.
סוגי מנועי בוכנה
תמונות של מנועי בוכנה
מנוע טורי שהטיס את מטוס הרייט פלייר של האחים רייט
מנוע טורי מדגם ריינג'ר L-440
מנוע V מדגם רולס-רויס מרלין
מנוע בוקסר מדגם UL260
מנוע רדיאלי פראט אנד וויטני R-2800
מנוע סיבובי מדגם לה רון 9C
מנוע ונקל המיועד לשימוש על גבי דאונים
מנוע וונקל תעופתי מדגם RC2-60.
מנוע טורי – מנוע בוכנה בו כל הבוכנות מסודרות בטור מעל לארכובה ארוכה. מנועים תעופתיים מסוג זה נוטים להיות צרים וארוכים וכך לרוב מאפשרים עיצוב מבנה בית מנוע אווירודינמי.
מנוע V – מנוע טורי בו הבוכנות מסודרות בזווית אחד לשני בצורה של V. תצורה זאת מאפשרת יותר בוכנות באותו אורך מנוע יחסית למנוע טורי רגיל, אם כי המנוע הוא מעט רחב יותר.
מנוע בוקסר – מנוע בוקסר הוא סוג של מנוע טורי בו בוכנות המנוע מותקנות בצידי הארכובה. סוג מנוע זה מתאפיין בראות טובה ממעל ומתחת לבית המנוע ואופייני למטוסים חד ודו-מנועיים קלים יחסית.
מנוע הפוך – מנוע הפוך הוא מנוע טורי רגיל או מנוע V אשר כולל בוכנות המותקנות מתחת לארכובה. מנועים אלו מאפשרים ראות טובה יותר ממעל לבית המנוע יחסית למנועים רגילים, כמו כן מאפשר מרחק פרופלור גדול יותר מהקרקע ווקטור דחף גבוה יותר. ובמקרה של מנועים המותקנים בגובה מאפשרים אחזקה פשוטה יותר. אם כי המנוע דורש מערכת שימון מורכבת יותר.
מנוע H – למעשה שני מנועים טוריים הבנויים כיחידה אחת והמותקנים צד בצד וכוללים שתי ארכובות המניעות תמסורת המניעה בתורה ציר מוצא בודד.
מנוע רדיאלי – מנוע בו הבוכנות מסודרות מסביב לציר המנוע ומחוברות לטלטל ראשי אחד. מנוע זה אופייני לכלי טיס ומאפשר בניית מנוע קצר יחסית לכמות הבוכנות המותקנות במנוע. בדגמים עוצמתיים יותר המנוע כולל מספר "טבעות" של בוכנות עם ארכובה אחת העוברת ביניהם. מנועים אלו נוטים להיות אמינים ונוחים לאחזקה, אם כי בדגמים מתקדמים יותר גם נוטים להיות גדולים וכבדים וגם נוטים לכלול מומנט גדול יחסית למנועים אחרים. בגלל המרחק בין הבוכנות מנועים אלו לרוב מקבלים קירור מהאוויר החיצוני ולכן מאוד תלויים במבנה הכיסויים ובית המנוע לשמירה על טמפרטורת עבודה. לרוב מנועים אלו דורשים דשים נפתחים בכיסויי מנוע.
מנוע סיבובי – מנוע הדומה למנוע רדיאלי מבחינת סידור הבוכנות אבל במקום שהבוכנות יהיו קבועות ומסובבות את הארכובה המחוברת לציר המניע את הפרופלור, במנוע סיבובי הארכובה היא קבועה, והבוכנות מסתובבות סביבה ועליהם מותקן ציר המנוע. סיבוב הבוכנות מאפשר קירור פשוט שכן המנוע מעולם לא נמצא באוויר דומם. אם כי המנוע גם מתאפיין בפיתול גבוה מאוד ודוחף את המטוס להסתובב בניגוד אליו. מנוע זה היה בשימוש בעשורים הראשונים אחרי הטיסה של האחים רייט, אבל מבנהו היה מסורבל ולא אפשר הגדלה של ממדי המנוע, כמות הטבעות, וכוחו.
מנוע ונקל – סוג מנוע סיבובי בו סובב רוטור בצורה של משולש רולו, תוך כדי סיבוב הרוטור בין נקודות המגע של המשולש לדפנות הפנימיות של המנוע נוצרים רווחים המהווים את בוכנות המנוע, שבמהלך סיבוב הרוטור עוברות את כל השלבים של מנוע בעירה פנימית – יניקה, דחיסה, עבודה, ופליטה. מנוע זה מתאפיין בגודל קומפקטי, משקל נמוך, רטט נמוך מאוד יחסית למנועי בוכנה אחרים, יחס דחף-משקל גבוה יחסית. כמו כן המנוע לא רגיש להלם טרמי, לעבודה בסל"ד גבוה מהמגבלות, לא דורש קירור ומעקב אחר טמפרטורות עבודה של כל בוכנה וכדומה. למרות כל אלה המנוע משמש בעיקר לכלי טיס קלים ולא מאוד נפוץ בתעופה.
מנוע סילון כולל את כל שלבי הפעולה של מנוע בוכנה – יניקה, דחיסה, בערה, עבודה ופליטה אבל בשונה ממנוע בוכנה משתמש בטורבינות המאפשרות בערה ועבודה מתמדת של המנוע. ישנם ארבע מרכיבים עיקריים במנועי סילון: מדחס, היונק ודוחס אוויר על ידי אימפלר או מדחס צירי רב שלבים; תא בערה המזריק ומצית דלק לתוך האוויר הדחוס; שלב הטורבינה המונע מהאוויר החם המאיץ מתא הבערה; ושלב המפלט המאפשר לאוויר החם לצאת מהמנוע. מנוע סילון מתאפיין בבערה מתמדת בתא הבערה, במקום בבערה מחזורית במנוע בוכנה.
חלק ממנועי הסילון מאפשרים לאוויר המואץ בתא הבערה לצאת מהמנוע ומשתמשים בטורבינה רק לטובת סיבוב המדחס להמשך העבודה של המנוע, ועל ידי כך מאפשרים לאוויר להאיץ במפלט, וזה יוצר את הדחף (במנועי טורבו-סילון וטורבו-מניפה), בעוד מנועים אחרים משתמשים במרבית האוויר לטובת ייצור פיתול על ידי שלב הטורבינה להנעה של ציר (במנוע טורבו-ציר) או מדחף (במנוע טורבו-פרופ). מנועים אלו מצטיינים בפשטות יחסית למנועי בוכנה באותו גודל ומפיקים כוח רב הרבה יותר ונחשבים ליעילים מאוד. כמו כן מנועי טורבו-סילון וטורבו-מניפה מסוגלים לעבוד בתנאים בהם מנועי בוכנה לא יכולים להם כלל ומאפשרים טיסה במהירויות תת-קוליות גבוהות ואף על-קוליות, אם כי האוויר בכניסה למנוע חייב להיות תת-קולי עדיין וזה מושג על ידי כונסי אוויר ועיצוב בתי מנוע מתאימים.
מנועי סילון גם לא רגישים לאותם תנאים סביבתיים ואף מצטיינים בעבודה בתנאי טמפרטורה נמוכה ובגובה רב. לטובת בקרה על המנוע נדרשים פחות ממשקים לטייס ובדרך כלל זה נכלל בידית מצערת בלבד (פרט למנועי טורבו-פרופ, אבל גם כאן מסתכם בשתי ידיות לכל מנוע לכל היותר). מנועי סילון גם מייצרים פחות רטט ועל ידי כך מאפשרים אורך חיי מבנה מטוס ארוכים יותר ומשך זמן ארוך יותר בין ביקורות למטוסים מסחריים. כמו כן, מנועי טורבו-סילון וטורבו-מניפה לא מייצרים את הפיתול האופייני למנועים אחרים השואפים למשוך את כלי הטיס.
מנוע טורבו־סילון – מנוע סילון בסיסי המשתמש בהאצת האוויר הנוצרת בתא הבערה ליצור דחף. זה היה המנוע סילון הראשון והיה אופייני לעשורים הראשונים של עידן הסילון, כאשר נכון להיום, מנועי טורבו-מניפה החליפו מנועי טורבו-סילון במרבית המקרים וטורבו-סילון משמשים למנועי סילון קטנים וקלים במיוחד לשימוש של טילי שיוט וחימוש משוטט. מנועי טורבו סילון מתאפיינים ברעש גבוה ונצילות דלק נמוכה יחסית וביצועים מרביים במהירות וגבהים רמים, בעוד ירידת ביצועיהם ניכרת במיוחד בגבהים ומהירויות נמוכות.
מנוע טורבו־מניפה – מנוע טורבו-מניפה הוא בעצם מנוע טורבו-סילון הכולל גם שלב מניפה לפני מדחס המנוע. המניפה מניעה אוויר סביב לליבת המנוע שמייצרת דחף נוסף. במנועי טורבו-מניפה בעלי מעקף נמוך הליבה עדיין מייצרת את מרבית הדחף, בעוד במנועים בעלי יחס מעקף גבוה, מרבית הדחף נוצר על ידי המניפה. מנועי טורבו-מניפה הוכיחו יעילות גבוהה יותר בכל מעטפת הביצועים יחסית למנועי טורבו-סילון ולכן החליפו את מנועי טורבו-סילון במרבית השימושים בתעופה.
מנוע טורבו־ציר – מנוע טורבו-ציר במקום לייצר דחף על ידי סילון, משתמש בסילון בשביל לייצר פיתול המסובב ציר. המנוע בעצם מסוגל להניע רכיב חיצוני. בתעופה מנועי טורבו-ציר מניעים מסוקים.
מנוע טורבו־פרופ – בדומה למנוע טורבו-ציר מנוע זה מתרכז בייצור פיתול, אבל משתמש בו לטובת הנעת פרופלור. מנועי טורבו-פרופ נחשבים למאוד יעילים ומאוד עוצמתיים יחסית למנועי בוכנה ומסוגלים לייצר הרבה יותר כוח לכל מנת משקל בהשוואה. בדומה למנועי בוכנה הפרופלור של מנוע טורבו-פרופ כולל לרוב מערכת מדחף מהירות קבועה ולכן כולל ידית נפרדת וכן דורש בקרה על ידי מחוון פיתול בניגוד למחוון הסל"ד של המנוע. אם כי בהרבה מקרים במנועי טורבו-פרופ מערכת בקרה אוטומטית על המדחף היא הרבה יותר נפוצה.
מנועים חשמליים תעופתיים באים בשני סוגים עיקריים – מנוע שטף רדיאלי ומנוע שטף צירי. בעוד מנוע שטף רדיאלי כיוון השטף האלקטרו מגנטי הוא בניצב לציר המנוע, במנוע שטף צירי השטף הוא במקביל לציר המנוע. הראשון הוא הנפוץ נכון להיום ברחפנים, טיסנים או כלי טיס בלתי מאוישים אחרים, אבל הוא לא משמש בכלי טיס מאוישים. בעוד מנוע שטף צירי הוא החדש יותר, ונכון לעכשיו קיים במספר כלי טיס מאוישים מצומצם. כאמור, הפיפיסטרל וליס אלקטרו הוא המטוס החשמלי הראשון שקיבל הסמכה מראשות תעופה כל שהיא והמנוע שלו הוא מסוג שטף צירי. מנועי שטף צירי נוספים נמצאים בפיתוח ונראה כי זה יהיה סוג המנוע החשמלי המועדף בתעופה.
מנועי שטף צירי מתאפיין בשני רוטרים הבנויים ממגנטים קבועים וביניהם מותקן סטטור ממעגלי סלילים. הרוטורים מאורגנים כך שזוגות של מגנטים העומדים אחד מול השני בשני הרוטורים הם בעלי קוטביות הפוכה, וכך כאשר סליל בסטטור מייצר שטף הוא מתערב בשטף ויוצר מומנט המושך או דוחף את הצמד. מנועים אלו בנויים בצורה של דיסק ועל כן מתאפיינים בגודל קומפקטי. כמו כן הם מייצרים הרבה מאוד פיתול יחסית למנועי שטף רדיאלי. בשביל להגדיל את כוח המנוע ניתן פשוט להתקין מספר דיסקות של מנוע שטף צירי על אותו ציר, מה שמאפשר גמישות בתכנון ושיפור מנועים אלו.
בכללי מנועים חשמליים מתאפיינים בדרישות אחזקה נמוכות הרבה יותר ממנועי בוכנה וסילון, ומתאפיינים במומנט גבוה יחסית לגודל המנוע עצמו. אבל אחד הדברים המגבילים מטוסים חשמליים הם הסוללות. נכון לעכשיו, אין סוללות המתקרבות ביכולת אגירת האנרגיה שלהן למתקף הסגולי של דלקים תעופתיים כל שהם. מטוס חשמלי לא יכול להתחרות במטוסים רגילים באותו המשקל בטווח ואורך טיסה. כמו כן סוללות נוטות להתחממות יתר במהלך עבודה בשיא העוצמה של המנוע לאורך זמן, מה שנדרש בתנאי המראה וטיפוס.
מסוקים משולבים מסוימים המשתמשים במדחף להוספת דחף משתמשים במנועים חשמליים להנעת מדחפים אלו, דוגמת הסיקורסקי S-97 והסיקורסקי–בואינג SB-1 Defiant. אבל אלה הם רכיבי הנעה משניים למנועי הטורבו-ציר המניעים את הרוטור או רוטורים הראשיים ומייצרים את החשמל.
בשביל להניע מנועים תעופתיים פותחו שורה של דלקים מיוחדים הכוללים רמת זיקוק גבוהה וגם תוספים שונים המקטינים סכנה להידלקות ספונטנית וכן מגדילים את יכולת האחסנה של הדלק בתנאים קיצוניים ולאורך זמן. מרבית הדלק התעופתי בשימוש נכון להיום הוא דלק סילוני והוא נחשב לזול ושימושי יותר ומשמש גם לרכבי דיזל צבאיים.
מספור מנועים
מכלול מצערות של מטוס בואינג 727 בעל שלושה מנועים (אחד בכל צד גוף המטוס ואחד מרכזי בזנב המטוס), המנועים ממוספרים משמאל לימין – מנוע 1 השמאלי ביותר, מנוע 2 המרכזי, מנוע 3 הימיני ביותר.
בכלי טיס בעלי מנועים מרובים לרוב ממספרים את המנועים בשביל להבדילם אחד מהשני. במטוסים בהם כל המנועים מותקנים על גבי הכנפיים בשורה אחת ובנפרד אחד מהשני, לרוב המנועים ימוספרו משמאל לימין. כלומר המנוע השמאלי ביותר יהיה מנוע מספר 1, המנוע הבא אחריו מספר 2 וכן הלאה.
בתצורות התקנה אחרות מספור המנועים יכול להיות שונה. לדוגמה, בספינות אוויר שכללו מספר בתי מנועים לאורך גוף הספינה, מנועים לרוב מוספרו במספרים אי זוגיים בצד שמאל ומספרים זוגיים בצד ימין. כלומר, מנוע שמאלי קדמי היה מספר 1, מנוע ימני קדמי היה מספר 2, שמאלי אחורי היה מספר 3 וכן הלאה.
_250_C20B.jpg)
.jpg)
