چرا طراحی موتورهای کم‌صداتر برای بوئینگ ۷۳۷ دردسرساز شد؟

تینا مزدکی_اگر در یکی از فرودگاه‌های آمریکا باشید، احتمالاً متوجه شدید که برخی از جدیدترین هواپیماهای ۷۳۷ در ناوگان شرکت‌هایی مانند یونایتد، آمریکن یا ساوت‌وست، دندانه‌هایی شبیه به دندان کوسه در انتهای موتورهایشان دارند. این ویژگی که یکی از معدود تفاوت‌های ظاهری بین مدل مکس و نسل‌های قبلی ۷۳۷ است، به‌ «دندانه‌دار» یا چورون (chevron) شناخته می‌شود. اما این طراحی تنها برای زیبایی نیست.

هدف از چورون‌ها چیست؟

این زائده‌های مثلثی‌شکل در واقع برای کاهش نویز طراحی شده‌اند. آن‌ها با ایجاد گردابه‌هایی، به ترکیب بهتر دو جریان اصلی خروجی موتور کمک می‌کنند و در نتیجه، صدای اگزوز را کاهش می‌دهند. ۷۳۷ مکس نخستین مدل خانواده‌ی ۷۳۷ است که از این فناوری بهره می‌برد؛ پیش‌تر نیز در بوئینگ ۷۸۷ دریم‌لاینر و ۷۴۷-۸ از آن استفاده شده بود. با این حال، مدل بعدی بوئینگ یعنی ۷۷۷X فاقد چِورون است، چراکه این طراحی، هرچند مؤثر در کاهش صدا، معایبی هم دارد.

بهای کاهش نویز: افتی هرچند ناچیز در عملکرد

موتورهای جت مدرن، بیشتر نیروی پیشران را از طریق فن جلویی تولید می‌کنند که جریان هوا را به دو بخش تقسیم می‌کند: بخش سوخت‌سوزی و بخش بای‌پس. چِورون‌ها با کنترل نحوه‌ی ترکیب این دو جریان، صدای خروجی را کاهش می‌دهند؛ اما در عوض، موجب هدر رفت حدود ۰.۵ درصد از نیروی پیشران می‌شوند.

ممکن است این عدد کم به‌نظر برسد، اما در صنعت هوانوردی تجاری، همین اعشارها هم حیاتی‌اند. این افت رانش در هواپیمایی مانند ۷۳۷ مکس، که مدت بیشتری را در فاز اوج‌گیری و برخاست صرف می‌کند، تأثیر بیشتری دارد. در عین حال، اگرچه حذف عایق‌های صوتی به‌دلیل کاهش نویز باعث صرفه‌جویی وزنی می‌شود، این مزیت برای هواپیمای کوچکی چون ۷۳۷ مکس که پروازهای کوتاه‌تری دارد، چندان محسوس نیست.

۷۳۷ مکس؛ هواپیمایی برای پروازهای کوتاه

با اینکه مدل مکس ۷ از بردی حدود ۳۸۰۰ مایل دریایی (۷۰۰۰ کیلومتر) برخوردار است و مدل مکس ۸ نیز پیش‌تر برای پروازهای فراآتلانتیکی استفاده شده، اما هنوز برد آن‌ها حدود نیمی از هواپیماهایی چون ۷۸۷ دریم‌لاینر است. ۷۸۷ بیشتر زمان پرواز را در حالت کروز می‌گذراند، جایی که مزایای کاهش وزن بیشتر خود را نشان می‌دهند. در مقابل، ۷۳۷ مکس معمولاً چند پرواز کوتاه در روز انجام می‌دهد و زمان زیادی را در اوج‌گیری با مصرف سوخت بالا سپری می‌کند. از همین رو، حتی کاهش اندکی در رانش موتور می‌تواند به چالشی در بهره‌وری سوخت تبدیل شود.

بررسی موتور CFM LEAP

هواپیماهای ۷۳۷ از دهه‌ی ۱۹۸۰ تاکنون با موتورهای CFM پرواز می‌کنند. مدل‌های کلاسیک و نسل جدید (NG) این هواپیما از موتورهای CFM۵۶ بهره می‌بردند. برای ۷۳۷ مکس نیز بوئینگ بار دیگر به سراغ همین شرکت رفت و از موتور LEAP-۱B استفاده کرد؛ مدلی بهینه‌سازی‌شده برای پروازهای کوتاه‌برد.

موتور LEAP-۱B با الهام از موتور GEnx ساخته شده و با وجود اندازه‌ی کوچک‌تر و نسبت بای‌پس پایین‌تر (۹:۱ در برابر ۱۱:۱ در LEAP-۱A)، مصرف سوخت مشابهی دارد. این عملکرد به‌دلیل استفاده از فناوری‌هایی مانند استفاده از مواد مرکب سرامیکی (CMCs) و افزایش دمای داخلی موتور حاصل شده است. حذف دو مرحله‌ی فشار پایین در LEAP-۱B نیز باعث سبک‌تر شدن آن شده و برای نیازهای پروازی ۷۳۷ مکس مناسب است.

چطور دیگر هواپیماها با مشکل نویز برخورد می‌کنند؟

باید دانست بیشتر آنچه در بیرون از موتور دیده می‌شود، در واقع «نَسِل» یا پوشش موتوری است که توسط سازندگان هواپیما طراحی می‌شود، نه شرکت موتورسازی. در مورد ۷۳۷ مکس نیز، بوئینگ نتوانست جایگزین بهینه‌تری برای چِورون‌ها ارائه کند و در نهایت آن‌ها را حفظ کرد.

اما در هواپیمای ۷۷۷X، چِورون‌هایی که ابتدا در طرح مفهومی ۲۰۱۳ وجود داشتند، در نسخه‌ی نهایی حذف شدند. گزارش ۲۰۱۴ Aviation Week به‌صراحت اشاره می‌کند که دلیل این تغییر، ارزیابی مجدد مزایا و معایب آن‌ها بوده است. بوئینگ که از سال ۲۰۰۵ روی این فناوری کار می‌کرد، در نهایت برای ۷۷۷X به سراغ طراحی نازل جدیدی رفت که به همان اندازه بی‌صداست، اما سبک‌تر و آیرودینامیک‌تر است.

ایرباس نیز هیچ‌گاه به‌طور کامل از چِورون استفاده نکرده است. این شرکت در سال ۲۰۰۶ اعلام کرد که در A۳۵۰ مزیت خاصی در استفاده از چِورون‌ها ندیده و حتی آن‌ها را به‌خاطر افزایش مصرف سوخت رد کرده است. در عوض، ایرباس بر طراحی پیشرفته‌ی نازل داخلی متمرکز شده است. البته در برخی مدل‌های A۳۲۰ceo که موتور CFM۵۶ دارند، تنها نازل داخلی به چِورون مجهز است.

آینده‌ی کاهش نویز در موتورهای جت

ایرباس A۳۵۰ کاهش نویز را از طریق طراحی موسوم به «پوسته‌ی آکوستیکی بدون درز» در نازل داخلی دنبال کرده است. در ۷۷۷X نیز با استفاده از نازل‌های نوآورانه و احتمالا مواد کامپوزیتی جدید، به سطح مشابهی از کاهش نویز رسیده‌اند.

به نظر می‌رسد ۷۳۷ مکس آخرین هواپیمای مسافربری باشد که از چِورون‌ها به شکل کنونی بهره می‌برد. آینده‌ی طراحی موتورهای جت در گرو استفاده از فناوری موتورهای «توربوفن دنده‌ای» است. موتور PW۱۰۰۰G ساخته‌ی پرت اند ویتنی اولین موتور توربوفن دنده‌ای بود که بر روی هواپیماهای مسافربری نصب شد و با وجود مشکلاتی در زمینه‌ی دوام، فناوری گیربکس آن عملکرد موفقی داشت. این طراحی اجازه می‌دهد فن موتور با سرعت کمتر بچرخد و همین، صدای خروجی را به‌شدت کاهش می‌دهد.

رولزرویس نیز در حال توسعه‌ی موتور UltraFan است که طراحی دنده‌ای مقیاس‌پذیر دارد و ممکن است در آینده روی مدل‌های نسل بعدی A۳۵۰ نصب شود.

نگاهی کلی به آینده

موتورهای توربوفن بای‌پس بالا با عبور مقدار بیشتری از هوا از کانال بای‌پس نسبت به هسته‌ی موتور، به‌طور طبیعی نویز کمتری تولید می‌کنند. برای نمونه، نسبت بای‌پس در GEnx حدود ۱۰:۱، در PW۱۱۰۰G حدود ۱۲.۵:۱ و در UltraFan تا ۱۵:۱ خواهد بود. مسیر آینده‌ی کاهش نویز، به‌جای طراحی‌های رادیکال مانند چِورون، بر پایه‌ی بهبود پیوسته‌ی اجزای موجود بنا شده است.

در دهه‌ی ۲۰۰۰، بوئینگ با طراحی ۷۸۷ در پی شکستن قواعد مرسوم بود. فناوری‌هایی مانند چِورون بخشی از نوآوری‌های آن دوران بودند که بعدها در ۷۴۷-۸ و ۷۳۷ مکس نیز تکرار شدند. اما به‌نظر می‌رسد زمان این طراحی به پایان رسیده است.

هوانوردی تجاری صنعتی محافظه‌کار است که در آن رقابت بر سر درصدها و دهم درصدهاست. اگرچه چِورون‌ها مزایای صوتی داشتند، اما اثر منفی آن‌ها بر مصرف سوخت باعث شد جایگاهشان در طراحی‌های جدید زیر سؤال برود. این طراحی امروزه ممکن است مدرن به‌نظر برسد، اما به‌زودی تبدیل به یک ویژگی خاص و متعلق به گذشته خواهد شد.

منبع: simpleflying

۲۲۷۳۲۳