مقایسه موتورهای ملخ دار دوپره،سه پره و یا بیشتربا یکدیگر

نویسنده: سینا شکیب 

امروزه اگر شما از یک فرودگاه عمومی بازدید کنید خواهید دید که تعداد زیادی هواپیمای ملخ دار که دارای دو الی سه تیغه هستند وجود دارد.در بعضی از انواع دیگر هواپیما ها که گرانتر و دارای عملکرد بالاتر و بهتری هستند احتمالا دارای چهار تیغه یا بیشتر هستند. علاوه بر اینکه ظاهر بهتری دارند در هنگام مقایسه تعداد تیغه ملخ ها،تفاوت های عملکردی نیز وجود دارد.

تفاوت های ملخ های دارای2،3 و 4 تیغه ای:

ملخ های دو تیغه ای معمولا استفاده میشوند بر روی موتور های کوچک تر(کمتر از 300 اسب بخار)که سبک تر و کارآمد تر هستند. ملخ های سه تیغه ای کم سر و صدا تر و فاصله بهتری نسبت به زمین دارند،و تراست و قدرت بیشتری تولید میکنند اما از طرفی پسای(drag)بیشتری نیز تولید میکنند،و بر روی موتور های بزرگتر که گشتاور بیشتری برای چرخاندن ملخ دارند استفاده میشود.

ملخ ها چگونه نیروی تراست تولید می کنند؟

در قدم اول بیایید بفهمیم که چگونه نیروی تراست( نیروی جلوبرنده) به وسیله ملخ تولید میشود و سپس به این موضوع میپردازیم که تفاوت ملخ های دارای چندین تیغه چیست.

وظیفه ملخ ها این است که نیروی تولید شده به توسط موتور را به نیروی تراست مفید تبدیل کنند.تولید نیروی تراست به وسیله ملخ بسیار مشابه است به بال ها که نیروی lift تولید میکنند.

تیغه ملخ ها و بال ها هر دو مثالی از ایرفول هستند و این نکته ای است که به ما کمک میکند مزایا و معایب ملخ های 2،3و4 تیغه ای را به خاطر داشته باشیم.وقتی که موتور میچرخد،ملخ را به گردش در می آورد. همانطور که در آموزش های اولیه پرواز این را دانستید،یک ایرفویل در هنگام حرکت در هوا نیرو ایجاد می کند.وقتیکه تیغه ملخ تراست ایجاد می کند دقیقا شبیه به تولید نیروی برا از طریق بال است.تراست بیشتر یک چیز بسیار عالی است؛که به ما برای برخاستن(تیک آف)،صعود و پرواز مستقیم کمک می کند.اما مانند تصمیماتی که هنگام طراحی یک بال گرفته می شود،مهندسان باید در هنگام تصمیم گیری برای قرار دادن ملخ در هواپیما تصمیمات طراحی بگیرند.

ملخ های دو تیغه ای:

راندمان یک ملخ توصیف می کند که چه مقدار از نیروی موتور مستقیما به نیروی تراست مفید تبدیل می شود. راندمان بالاتر یعنی نیروی تراست بیشتری با یک اسب بخار معین تولید می شود.

تراست شبیه به لیفت است و به خاطر داشته باشد که هرچه نیروی لیفت بیشتری داشته باشید درگ افزایش می یابد و کارایی را کاهش می دهد.اگر ما تعداد تیغه را افزایش دهیم،تراست بیشتری را تولید میکنیم اما این به معنای درگ بیشتر و کارایی کمتر است.موتور های هواپیماهای  هوانوردی عمومی با قدرت نسبتاً پایینشان،اسب بخار اضافی زیادی ندارند،به همین دلیل است که ما معمولا دو تیغه بر روی موتور های آنها نصب می کنیم.ملخ های دو تیغه ای بهترین بهره وری را در انتقال اسب بخار به نیروی تراست دارند.بنابرین، چرا فقط با افزایش طول هر تیغه،نیروی تراست ایحاد شده توسط یک ملخ دو تیغه را افزایش ندهید؟عالی به نظر میرسد؛شما می توانید از کارایی دو تیغه لذت ببرید و تنها با افزایش طول تیغه،نیروی رانش مورد نظر را بدست آورید.

این ایده مناسبی است اما دو دلیل اصلی وجود دارد که چرا ما نمیتوانیم طول ملخ های دو تیغه ای را بی نهایت افزایش داد.اول از همه ارابه فرود بسیار بلند خواهد شد و باید فاصله از بین ملخ و زمین اطمینان حاصل نمود.

هرچه تیغه بلند تر شود نوک آن به زمین نزدیک تر خواهد شد.در برخی از مواقع با افزایش طول تیغه پروانه،با مشکلات مربوط به ترخیص مواجه خواهید شد.

عامل محدود کننده دیگر در طول ملخ این است که هر چه تیغه بلند تر باشد،نوک سریع تر می چرخد.با نزدیک شدن نوک تیغه به سرعت مافوق صوت،نیروی درگ به شدت افزایش یافته و میزان نیروی تراست را تحت تأثیر قرار می دهد.مهندسان دریافتند که رسیدن نوک تیغه به سرعت مافوق صوت مضر است.با استفاده از مدل(Beechcraft sierra)به عنوان مثال،در سرعت 2700RPM  و دمای10 درجه سانتیگراد،نوک با سرعت 0.81ماخ یا بیشتر از 600 مایل در ساعت حرکت می کند.طبق یک حساب و کتاب برای سرعت نوک ملخ،حداکثر کارایی در سرعت نوک ملخ بین 0.80 تا 0.92 ماخ حاصل می شود.

به دلیل قدرت پایین تر هواپیما های کوچک هوانوردی عمومی،معمولاً در اکثر هواپیماها در فرودگاه های محلی،از ملخ های دو پره استفاده می شود.شرایط بسیاری وجود دارد که در آن استقاده از ملخ های سه تیغه یا بیشتر منطقی تر هستند.

مزایا و معایب ملخ های سه تیغه ای:

بسیاری از هواپیما ها دارای ملخ های 3 پره یا STC هستند. اگرچه ممکن است آنها به اندازه ملخ های 2 پره کارآمد نباشند،اما داشتن آن تیغه سوم مزایایی هم دارد.

مهندسانی که ملخی را برای قرار دادن در هواپیما انتخاب می کنند باید تعادل مناسب بین گشتاور موتور،راندمان تیغه(سرعت نوک تیغه که تابعی از دور موتور و طول تیغه است)،فاصله از زمین و سر وصدا را برای تصمیم گیری در مورد سناریوی بهینه تعیین کنند.

اولین مزیت ملخ های 3 پره فاصله بیشتر آنها نسبت به زمین  به خاطر کوتاه تر بودن طول تیغه ملخ است.

یک هوانورد مصرف کننده در مقاله ای  در سال 2001 گزارش داد که 300 اسب بخار قدرت تقریبی زمانی است که ملخ های 3 پره نسبت به ملخ های 2 پره برتری عملکردی دارند. یکی دیگر از مزایای قابل توجه ملخ های 3 پره این است که بسیار کم صدا هستند.به این دلیل که طول آنها کوتاه تر است نسبت به ملخ های دو تیغه و سرعت آنها دیر به سرعت صوت می رسد؛همانطور که میدانید و در قسمت قبل گفته شد رسیدن به سرعت صوت پره ها یکی از دلایل پر سر و صدا بودن آن است.

چرا بعضی از ملخ ها بییش از سه تیغه دارند؟

ممکن است به این فکر کنید،اگر ملخ های 3 پره نسبت به ملخ های 2 پره مزایایی دارند،در مورد اضافه کردن تیغه های بیشتر چه می توان گفت؟

با موتور های پر قدرت افزودن تیغه های بیشتر می تواند منطقی باشد.تیغه های بیشتر به معنای راندمان کمتر،صدای کمتر،فاصله بیشتر از زمین و رانش بیشتر است.

طراحان هواپیما باید ملاحظات طراحی را متعادل کنند تا راه به صرفه تری را برای تبدیل گشتاور به نیروی تراست مفید بیابند.

هواپیمای C130 Hercules یک هواپیمای افسانه ای است که اکثر ما با آن آشنا هستیم. مدل اولیه این هواپیما دارای ملخ های سه تیغه ای بود،اما طراحان به سرعت به این پی بردند که در مدل های بعد به جای سه تیغه از ملخ چهار پره ای استفاده کنند.آنها پیشرفت کردند و مدلی با قدرت بیشتر طراحی کردند.

هواپیماهای با چنین ملخ های عظیمی دارای جعبه دنده(gear box)کاهش دهنده سرعت هستند،به این معنی که موتور می تواند با سرعت بالا بچرخد، اما نوک ملخ می تواند زیر سرعت صوت باقی بماند.

شما همچنین می توانید ملخ های بیشتری اضافه کنید،اما هزینه ها و پیچیدگی های بیشتری را به وجود می آورد که به این معنی است که احتمالاً به این زودی ها یک ملخ 20 پره را نخواهید دید.بیشترین تیغه هایی که میتوانیم پیدا کنیم،ملخ 14 پره آنتونوف  AN-70 است.

نظرات نهایی در مورد ملخ های 2 پره در مقابل 3 پره(یا بیشتر):

در آخر خط به این نتیجه میرسیم که ملخ های 2پره بلند تر،پر سر و صدا تر،با راندمان بالاتر و کم قدرت تر هستند.در مقابل ملخ های 3پره کوتاه تر،ساکت تر،با راندمان کمتر و قدرتمند تر هستند.اما باید این را نیز به خاطر داشته باشیم که هرچقدر تیغه بیشتری به ملخ اضافه کنیم هزینه آن بالا تر می رود.و همچنین ملخ ها با تیغه بیشتر سنگین تر نیز هستند؛پس یک طراح هواپیما بر حسب محاسبات دقیق باید بداند که کدام نوع ملخ برای کار او به صرفه تر و کارآمد تر است.