آخه مگه جنگنده اگزوز داره !

چرا اگزوز موتور جنگنده آب نمی‌شود؟ وقتی فلز باید در دل آتش زنده بماند

کنار یک جنگنده روشن که بایستی، قبل از آن‌که گوش‌هایت از صدا پر شود، یک سؤال ساده اما سمج ذهنت را می‌گیرد؛ این حجم از آتش و حرارت، این گاز سوزان که از خروجی موتور بیرون می‌زند، چرا فلز را آب نمی‌کند؟ پاسخ این سؤال، فقط به «آلیاژ قوی‌تر» ختم نمی‌شود؛ پای مهندسی، فیزیک، طراحی و دهه‌ها آزمون و خطا وسط است.

کد خبر: ۱۳۴۶۸۶۶

تاریخ: ۰۱ دی ۱۴۰۴ - ۱۳:۰۰

به گزارش تابناک؛اگر اولین‌بار کنار یک جنگنده روشن ایستاده باشی، قبل از اینکه صدایش گوش را ببرد، یک سؤال توی ذهن می‌کوبد: این حجم از آتش و حرارت، این هوای سوزان و این خروجی که انگار خود جهنم از آن نفس می‌کشد، چرا آب نمی‌شود؟ چرا اگزوز موتور یک جنگنده، که دمای گاز خروجی‌اش در برخی شرایط از هزار درجه سانتی‌گراد هم عبور می‌کند، نه ذوب می‌شود، نه تغییر شکل می‌دهد و نه فرو می‌ریزد؟ سؤالی که ساده به نظر می‌آید، اما جوابش دقیقاً همان جایی است که مهندسی هوافضا از «آهن و فولاد معمولی» فاصله می‌گیرد و وارد قلمرو مواد خاص، طراحی هوشمندانه و فیزیک بی‌رحم می‌شود.

اول باید تکلیف یک سوءتفاهم قدیمی را روشن کرد. خیلی‌ها وقتی از «اگزوز» موتور جنگنده حرف می‌زنند، ناخودآگاه آن را با اگزوز خودرو مقایسه می‌کنند. این قیاس از اساس غلط است. خروجی موتور جت نه لوله است، نه محفظه تخلیه ساده. چیزی که ما به‌صورت عام به آن اگزوز می‌گوییم، در واقع مجموعه‌ای پیچیده از نازل خروجی، دیواره‌های چندلایه، پره‌های متحرک و در بسیاری از جنگنده‌ها، سامانه پس‌سوز است. این مجموعه نه فقط وظیفه تخلیه گاز را دارد، بلکه مستقیماً در تولید رانش، کنترل بردار نیرو و حتی پنهان‌کاری حرارتی نقش بازی می‌کند.

دمای گاز خروجی موتور جت بسته به شرایط پروازی، نوع موتور و فعال یا غیرفعال بودن پس‌سوز، می‌تواند بین ۶۰۰ تا بیش از ۱۶۰۰ درجه سانتی‌گراد متغیر باشد. این عدد را اگر کنار نقطه ذوب فولاد معمولی بگذاری که حوالی ۱۳۷۰ درجه است، طبیعی است که بپرسی چرا فلز آب نمی‌شود. پاسخ کوتاه این است: چون این فلز، فولاد معمولی نیست و اصلاً قرار هم نبوده باشد.

در موتورهای جنگنده، با آلیاژهایی طرف هستیم که برای زندگی در جهنم طراحی شده‌اند. معروف‌ترین خانواده این مواد، «سوپرآلیاژهای پایه نیکل» هستند. آلیاژهایی که نام‌هایی مثل Inconel، Hastelloy، Rene و Nimonic در دنیای مهندسی برایشان حکم شناسنامه را دارد. این مواد به‌گونه‌ای طراحی شده‌اند که در دماهای بسیار بالا، نه‌تنها استحکام خود را از دست ندهند، بلکه ساختار بلوری‌شان پایدار بماند و دچار خزش یا فروپاشی نشود.

فلزی برای زندگی در جهنم؛ وقتی فولاد معمولی اصلاً گزینه نیست

نیکل به‌عنوان فلز پایه، ویژگی عجیبی دارد: در دماهای بالا، برخلاف بسیاری از فلزات، افت شدید استحکام ندارد. حالا وقتی به آن کروم، کبالت، آلومینیوم، تیتانیوم و مقدار کنترل‌شده‌ای عناصر نادر اضافه می‌شود، آلیاژی به‌وجود می‌آید که هم در برابر حرارت مقاوم است، هم در برابر اکسیداسیون و هم در برابر شوک‌های حرارتی ناگهانی. شوکی که در جنگنده‌ها دائمی است؛ یک لحظه موتور در دور پایین، لحظه بعد پس‌سوز روشن و دما ناگهان صدها درجه بالا می‌رود.

اما داستان فقط جنس فلز نیست. حتی مقاوم‌ترین آلیاژها هم اگر بد طراحی شوند، دوام نمی‌آورند. یکی از رازهای اصلی زنده ماندن خروجی موتور جنگنده، مدیریت هوشمندانه حرارت است. برخلاف تصور عام، دیواره نازل خروجی لزوماً در معرض مستقیم داغ‌ترین بخش جریان گاز نیست. طراحی به‌گونه‌ای انجام می‌شود که لایه‌ای از هوای خنک‌تر به‌صورت فیلم نازک، روی سطح داخلی جریان پیدا کند و مثل یک سپر حرارتی عمل کند. به این تکنیک «خنک‌کاری لایه‌ای» یا Film Cooling می‌گویند.

در بسیاری از موتورهای پیشرفته، بخشی از هوای فشرده‌شده در کمپرسور، قبل از ورود به محفظه احتراق، جدا می‌شود و برای خنک‌کاری اجزای داغ مصرف می‌شود. یعنی همان هوایی که می‌توانست رانش بیشتری تولید کند، عمداً قربانی می‌شود تا موتور زنده بماند. اینجا فلسفه طراحی روشن است: رانش بیشتر بدون دوام، ارزشی ندارد.

حالا اگر پای پس‌سوز وسط بیاید، اوضاع جدی‌تر هم می‌شود. پس‌سوز یعنی تزریق مستقیم سوخت به جریان گاز داغ خروجی و احتراق مجدد آن. این فرآیند دما را به شکل چشمگیری بالا می‌برد، اما زمان استفاده از آن محدود است. هیچ جنگنده‌ای برای پرواز دائمی با پس‌سوز طراحی نشده، چون حتی با بهترین آلیاژها هم فشار حرارتی در بلندمدت کشنده است. به همین دلیل است که استفاده از پس‌سوز بیشتر یک ابزار تاکتیکی است، نه حالت عادی پرواز.

در بخش خروجی، علاوه بر آلیاژ پایه، پوشش‌های حرارتی هم نقش حیاتی دارند. پوشش‌هایی که به آن‌ها Thermal Barrier Coating یا به‌اختصار TBC می‌گویند. این پوشش‌ها معمولاً از سرامیک‌های خاص، مثل زیرکونیای پایدارشده با ایتریا ساخته می‌شوند. سرامیک‌هایی که رسانایی حرارتی بسیار پایینی دارند و اجازه نمی‌دهند حرارت به‌راحتی به فلز پایه منتقل شود. در واقع فلز زیر این پوشش، دمایی به‌مراتب پایین‌تر از دمای گاز خروجی را تجربه می‌کند.

این پوشش‌ها فقط یک لایه رنگ نیستند. ساختارشان چندلایه است: یک لایه اتصال‌دهنده فلزی، یک لایه اکسیدی پایدار و در نهایت لایه سرامیکی. هر کدام وظیفه مشخصی دارند و کوچک‌ترین نقص در این زنجیره می‌تواند به پوسته‌شدن، ترک‌خوردگی و در نهایت خرابی فاجعه‌بار منجر شود.

نکته مهم دیگر، مسئله زمان است. فلز ممکن است نقطه ذوب بالایی داشته باشد، اما ذوب شدن یک فرآیند آنی نیست. اگر دما بالا باشد اما زمان تماس کوتاه، ماده فرصت ذوب کامل پیدا نمی‌کند. در موتور جنگنده، گاز خروجی با سرعتی باورنکردنی از نازل عبور می‌کند. ما با جریان‌هایی طرف هستیم که سرعتشان به چند برابر سرعت صوت می‌رسد. این یعنی انتقال حرارت به دیواره، علی‌رغم دمای بالا، محدود به زمان بسیار کوتاهی است. ترکیب سرعت بالا و طراحی آیرودینامیکی هوشمند، عملاً اجازه نمی‌دهد گرما آن‌طور که تصور می‌شود، به جسم نفوذ کند.

از اینجا که جلوتر برویم، پای یک عامل کمتر دیده‌شده اما حیاتی باز می‌شود: انبساط حرارتی کنترل‌شده. همه فلزات با گرما منبسط می‌شوند. اگر این انبساط مهار نشود، ترک، تاب‌برداشتگی و شکست اجتناب‌ناپذیر است. در خروجی موتور جنگنده، قطعات به‌صورت ماژولار و با لقی‌های حساب‌شده طراحی می‌شوند تا بتوانند آزادانه منبسط و منقبض شوند. چیزی که در نگاه اول شاید شل‌وول به نظر برسد، در واقع اوج دقت مهندسی است.

حرارت مهار می‌شود، نه تحمل؛ راز طراحی خروجی موتورهای جت جنگنده

در جنگنده‌های مدرن، نازل خروجی اغلب متحرک است. پره‌هایی که باز و بسته می‌شوند تا نسبت فشار و رانش بهینه بماند. این پره‌ها همگی در معرض داغ‌ترین جریان‌ها هستند و هر کدام باید هم مقاوم باشند، هم سبک، هم دقیق. اینجاست که آلیاژهای پایه تیتانیوم و حتی کامپوزیت‌های ماتریس فلزی وارد بازی می‌شوند؛ موادی که تولیدشان به‌شدت پرهزینه و پیچیده است و فقط چند کشور در دنیا توان ساخت صنعتی‌شان را دارند.

اگر کمی عقب‌تر برویم و به نسل‌های قدیمی‌تر نگاه کنیم، مثلاً موتورهای دهه ۶۰ و ۷۰ میلادی، می‌بینیم که محدودیت مواد تا چه حد طراحی را مقید می‌کرده. موتورهای قدیمی‌تر دمای کاری پایین‌تری داشتند، راندمان کمتر بود و عمر قطعات محدود. پیشرفت امروز بیش از آنکه نتیجه جهش ناگهانی در طراحی باشد، حاصل دهه‌ها جنگ مستقیم با علم مواد است. هر درجه افزایش دمای مجاز، یعنی راندمان بالاتر، مصرف کمتر و قدرت بیشتر. به همین دلیل است که کشورها روی آلیاژ و پوشش، سرمایه‌گذاری استراتژیک می‌کنند.

در کنار همه این‌ها، یک عامل دیگر هم هست که معمولاً در بحث‌های عمومی نادیده گرفته می‌شود: نقش آزمون و خطا و شکست. بسیاری از این آلیاژها و طراحی‌ها، حاصل صدها شکست پرهزینه‌اند. قطعاتی که در تست‌های زمینی ترک خورده‌اند، ذوب شده‌اند یا در پرواز از هم پاشیده‌اند. هر شکست، یک داده بوده؛ داده‌ای که بعداً به بقا منجر شده است. اینجا جایی نیست که بتوانی با شبیه‌سازی صرف جلو بروی؛ آتش واقعی، چیز دیگری است.

از منظر پنهان‌کاری هم، خروجی موتور یکی از نقاط ضعف ذاتی هر جنگنده است. گاز داغ، دشمن مادون قرمز پنهان‌کاری است. به همین دلیل در جنگنده‌های نسل جدید، طراحی خروجی به‌گونه‌ای انجام می‌شود که دمای ظاهری کاهش پیدا کند. مخلوط کردن گاز داغ با هوای خنک، پخش کردن جریان و استفاده از هندسه‌های خاص، همگی با این هدف انجام می‌شوند. این ملاحظات، محدودیت‌های بیشتری به طراحی تحمیل می‌کند و انتخاب آلیاژ را سخت‌تر می‌سازد.

اگر بخواهم خلاصه کنم، اینکه خروجی موتور جنگنده آب نمی‌شود، نتیجه یک عامل نیست. این حاصل جمع چندین لایه تصمیم مهندسی است: انتخاب آلیاژهایی که در دمای جهنمی زنده می‌مانند، پوشش‌هایی که حرارت را پس می‌زنند، طراحی‌هایی که جریان را رام می‌کنند، خنک‌کاری‌هایی که گرما را می‌دزدند و مدیریتی که اجازه نمی‌دهد موتور خارج از محدوده امن کار کند. هر کدام از این‌ها اگر حذف شود، نتیجه همان چیزی است که تصور عام از ابتدا انتظارش را دارد: فلزی که باید آب شود.

و شاید مهم‌ترین نکته همین باشد؛ موتور جنگنده جایی نیست که شانس بیاورد. همه‌چیز حساب‌شده است. از جنس پیچ‌ها تا آخرین میلی‌متر خروجی. جایی که یک اشتباه کوچک، نه فقط یک قطعه، بلکه یک هواپیما و جان خلبان را می‌سوزاند. اینجاست که می‌فهمی چرا پاسخ یک سؤال ساده، این‌قدر پیچیده و سنگین تمام می‌شود.