چگونه «نسبت کنارگذر» در موتورهای توربوفن، مصرف سوخت و قیمت بلیت هواپیما را تعیین می‌کند

در اواخر سال ۲۰۲۳، روی یک سکوی آزمایش در دربی بریتانیا، مهندسان رولزرویس (Rolls-Royce) موتور نمایشی UltraFan را به حداکثر قدرت رساندند و نیروی رانش تولید شده توسط فنی به قطر ۱۴۰ اینچ را اندازه‌گیری کردند. این موتور فقط سوخت نمی‌سوزاند؛ بلکه حجم بی‌سابقه‌ای از هوا را با نسبت ۱۵ به ۱ از اطراف هسته خود عبور می‌داد. همین یک معیار - یعنی نسبت کنارگذر - اقتصاد هوانوردی تجاری مدرن را دیکته می‌کند. این عدد تعیین می‌کند که یک شرکت هواپیمایی برای یک مسیر چقدر هزینه کند، یک جت پهن‌پیکر با یک باک پر چقدر مسافت طی کند و در نهایت، مسافر چقدر برای بلیت بپردازد. با افزایش فشارها بر صنعت هوانوردی برای کاهش کربن، هندسه فیزیکی موتور توربوفن به میدان اصلی نبرد برای بهره‌وری تبدیل شده است.[6]

یک موتور توربوفن از دو مسیر مجزا نیروی رانش تولید می‌کند: با سوزاندن سوخت جت برای خروج گازهای داغ از پشت هسته، و با استفاده از یک فن جلویی غول‌پیکر برای هدایت هوای سرد از اطراف آن هسته احتراقی. نسبت کنارگذر، رابطه ریاضی بین جرم هوای عبوری از کنار هسته و جرم هوایی است که مستقیماً وارد آن می‌شود. در یک موتور مدرن با کنارگذر بالا مانند GE9X ساخت GE Aerospace که نیروی بوئینگ 777X را تامین می‌کند، به ازای هر یک واحد هوایی که وارد محفظه احتراق می‌شود، ده واحد هوا از اطراف هسته جریان می‌یابد. این نسبت ۱۰ به ۱، جهشی عظیم نسبت به نسبت‌های ۵ به ۱ است که در دهه‌های ۱۹۷۰ و ۱۹۸۰ رایج بود.[5]

نیروی رانش به حرکت دادن جرمی از هوا با سرعتی مشخص بستگی دارد. بر اساس اصول آیرودینامیکی که توسط مرکز تحقیقات گلن ناسا (NASA Glenn Research Center) تشریح شده، شتاب دادن به حجم عظیمی از هوا به مقدار کم، اساساً از نظر انرژی بسیار کارآمدتر از شتاب دادن به حجم کمی از هوا به مقدار زیاد است. هوای سرد کنارگذر برای احتراق به سوخت و برای تحت فشار قرار گرفتن به مراحل تراکم نیازی ندارد. این هوا به سادگی بر انرژی مکانیکی استخراج شده توسط توربین کم‌فشار برای چرخاندن فن جلویی تکیه می‌کند. همان‌طور که ناسا توضیح می‌دهد: «از آنجا که با اضافه شدن فن، نرخ جریان سوخت برای هسته تنها مقدار کمی تغییر می‌کند، یک توربوفن با استفاده از تقریباً همان مقدار سوخت در هسته، نیروی رانش بسیار بیشتری تولید می‌کند.»[1][2]

این تغییر معماری مستقیماً خود را در ترازنامه‌های مالی نشان می‌دهد. مطالعات سرور گزارش‌های فنی ناسا نشان می‌دهد که رساندن نسبت کنارگذر به محدوده فوق‌العاده بالا - یعنی بالای ۱۵ به ۱ - می‌تواند مصرف سوخت ویژه را در مقایسه با طراحی‌های مرسوم بین ۱۴ تا ۱۶ درصد کاهش دهد. برای یک شرکت هواپیمایی که در مسیرهای فرااقیانوسی فعالیت می‌کند، این کاهش به معنای صرفه‌جویی هزاران گالن سوخت در هر پرواز است. مجله بین‌المللی تحقیقات توسعه خاطرنشان می‌کند که انتخاب دقیق جریان جرمی موتور و نسبت فشار کلی، نسبت کنارگذر مطلوب را تعیین کرده و در نهایت هزینه‌های عملیاتی مستقیم هواپیما را نزدیک به ۶ درصد کاهش می‌دهد؛ صرفه‌جویی ملموسی که تعیین می‌کند آیا یک مسیر پروازی برای مسافران از نظر مالی مقرون‌به‌صرفه باقی می‌ماند یا خیر.[3][4]

موتور GE9X در حال حاضر به عنوان معیار عملیاتی برای معماری کنارگذر بالا شناخته می‌شود. این موتور که در سال ۲۰۲۰ توسط اداره هوانوردی فدرال (FAA) گواهینامه دریافت کرد، دارای یک فن جلویی ۱۳۴ اینچی است؛ قطری که از کل بدنه یک بوئینگ 737 پهن‌تر است. برای دستیابی به نسبت کنارگذر ۱۰ به ۱، موتور GE9X تنها از ۱۶ پره فن کامپوزیت فیبر کربن استفاده می‌کند که نسبت به ۲۲ پره در نسل قبلی خود یعنی GE90 کاهش یافته است. این کاهش تعداد پره‌ها، جریان هوا را به حداکثر رسانده و درگ آیرودینامیکی را به حداقل می‌رساند که به بهبود ۱۰ درصدی در مصرف سوخت ویژه نسبت به نسل‌های قبلی کمک می‌کند.[5]

اما افزایش قطر فن محدودیت‌های فیزیکی شدیدی را به همراه دارد. یک فن بزرگتر به یک محفظه (Nacelle) بزرگتر نیاز دارد که درگ آیرودینامیکی را افزایش داده و هزاران پوند وزن به بدنه هواپیما اضافه می‌کند. علاوه بر این، اندازه عظیم موتور، ارتفاع ارابه فرود هواپیما را دیکته می‌کند. برای قابل مدیریت نگه‌داشتن وزن، تولیدکنندگان، پره‌های سنتی تیتانیوم توخالی را با مواد پیشرفته جایگزین کرده‌اند. هر دو موتور GE9X و UltraFan رولزرویس به شدت به کامپوزیت‌های ماتریس سرامیکی (CMCs) در بخش‌های داغ خود متکی هستند که می‌توانند دماهای بالاتر را تحمل کرده و در عین حال وزن حیاتی موتور را کاهش دهند.[5][6]

نسبت کنارگذر بالا نمی‌تواند به تنهایی عمل کند؛ این سیستم به هسته‌ای نیاز دارد که قادر به استخراج انرژی عظیم از حجم کوچکی از هوا باشد. موتور UltraFan رولزرویس نسبت کنارگذر ۱۵ به ۱ خود را با نسبت فشار کلی ۷۰ به ۱ جفت می‌کند و هوای هسته را قبل از احتراق به چگالی‌های شدید می‌رساند. به طور مشابه، GE9X با نسبت فشار ۶۰ به ۱ کار می‌کند و از ۱۱ مرحله کمپرسور برای تقویت هسته پرفشار بهره می‌برد. این تراکم شدید تضمین می‌کند که توربین قدرت شفت کافی برای به حرکت درآوردن فن جلویی غول‌پیکر را تولید کند، بدون اینکه هسته را از اکسیژن محروم سازد.[5][6]

با بزرگتر شدن قطر فن، نوک پره‌ها به سرعت صوت نزدیک می‌شود که می‌تواند امواج شوک ایجاد کرده و بهره‌وری آیرودینامیکی را از بین ببرد. برای حل این مشکل، مهندسان فن را از توربین جدا می‌کنند. موتور UltraFan رولزرویس از یک گیربکس قدرت با توانایی مدیریت ۵۰ مگاوات نیرو استفاده می‌کند. این معماری گیربکسی به توربین اجازه می‌دهد با سرعتی سرسام‌آور و بسیار کارآمد بچرخد، در حالی که فن جلویی غول‌پیکر با سرعتی کمتر و آرام‌تر به چرخش درمی‌آید. این همان محور مکانیکی است که نسبت کنارگذر ۱۵ به ۱ را بدون خرد شدن پره‌های فن از نظر فیزیکی ممکن می‌سازد.[6]

فراتر از بهره‌وری سوخت، نسبت کنارگذر بالا اساساً ردپای صوتی هواپیماهای تجاری را تغییر می‌دهد. غرش یک موتور توربوجت قدیمی ناشی از برش اگزوز با سرعت بالا در برابر هوای ساکن محیط بود. در یک توربوفن با کنارگذر بالا، هوای سرد کنارگذر که کندتر حرکت می‌کند، اگزوز داغ و سریع را در بر می‌گیرد و حائلی ایجاد می‌کند که شیب سرعت را هموار کرده و صدای برش را به شدت کاهش می‌دهد. مطالعات ناسا تایید می‌کند که طراحی‌های با کنارگذر فوق‌العاده بالا می‌توانند صدا را در منبع تا ۷ دسی‌بل کاهش دهند و به خطوط هوایی اجازه دهند تا از قوانین سخت‌گیرانه منع تردد صوتی فرودگاه‌ها پیروی کنند.[4]

در حالی که معماری‌های جایگزین مانند مفاهیم روتور باز و احتراق هیدروژن بر بحث‌های گمانه‌زنی تسلط دارند، توربوفن کانال‌دار همچنان آینده بلافصل پروازهای تجاری است. مهندسان با رساندن نسبت کنارگذر به محدوده‌های هندسی مطلق خود، در حال استخراج آخرین دستاوردهای بهره‌وری دو رقمی از نیروی محرکه سوخت فسیلی هستند. نسل بعدی هواپیماهای تک‌راهرو و پهن‌پیکر برای رسیدن به اهداف جهانی کاهش آلاینده‌ها و در عین حال مقرون‌به‌صرفه نگه‌داشتن هزینه سفر برای مسافران، به این فن‌های غول‌پیکر و کندچرخ متکی خواهند بود.