الدورات › AERO 410
تنزيل دليل الدراسة بصيغة PDF (بالإنجليزية)
عن هذه الدورة
هذا مخطط دورة مجانية للتعلّم الذاتي كتبته Saving Planets. وهو ليس مقررًا جامعيًا، ولا يمنح ساعات معتمدة، ولا تشارك فيه أي مؤسسة تعليمية.
يتبع نطاقه مقررًا فصليًا في الدفع للسنة الأخيرة لمهندسي الطيران والفضاء. وهو مبني على موضوعات وعمق MIT 16.50 Introduction to Propulsion Systems وMIT 16.512 Rocket Propulsion (مجانيان على MIT OpenCourseWare)، ويستخدم Beginner’s Guide to Propulsion المجاني من NASA Glenn، ونضع رابطه حيث يفيد. لا يؤيد أيٌّ من هؤلاء المؤلفين أو المؤسسات أو الهيئات هذه الصفحة.
ما نضيفه: ترتبط كل وحدة بعمل حقيقي مع مصدر عام موثق (محركات RS-25 لدى NASA، وأبحاث NASA على قلب المحرك، وعمل وزارة الطاقة الأمريكية على وقود الطيران المستدام)، ويُعاد حساب كل رقم في الصفحة بسكربت تحقق قبل النشر، ولكل مختبر محاكاة مجانية أو جدول بيانات.
تابعها بالترتيب. في كل وحدة أهداف وأفكار أساسية ومعادلات وأمثلة خطوة بخطوة وتمارين بإجابات كاملة وأخطاء شائعة وبطاقات تعليمية واختبار قصير. يُحفظ تقدّمك في هذا المتصفح فقط.
كيف تساعد هذه الدورة في إنقاذ الكوكب
في الدفع يتحدد استهلاك الطيران للوقود وانبعاثاته: كل نقطة من كفاءة المحرك وقود لا يُحرق، ويمكن للوقود الجديد أن يخفض الكربون فيما يُحرق.
تحمل الصواريخ أقمار رصد الأرض إلى المدار، والمحركات الأنظف والأكفأ تجعل هذا الوصول أكثر استدامة. تنتهي كل وحدة بقسم قصير موثق. القيم التي ليست من مصدر يُشار إليها كقيم نموذجية أو مرجعية.
قبل أن تبدأ
المتطلبات السابقة
- الديناميكا الحرارية: القانونان الأول والثاني، والغازات المثالية والدورات.
- ميكانيكا الموائع: أحجام التحكم وأساسيات الجريان الانضغاطي.
- الديناميكا الهوائية I وأداء الطائرات: السحب والدفع المطلوب والمدى.
- الميكانيكا المدارية: معادلة الصاروخ وΔv.
كيف تذاكر
- ارسم حجم تحكم حول المحرك وحدد الداخل والخارج قبل كتابة أي معادلة.
- أبقِ درجات الحرارة بالكلفن واستخدم قيم الركود (الكلية) حيث يكون الجريان سريعًا.
- افصل الكفاءة الحرارية (الحرارة إلى طاقة حركية) عن الكفاءة الدفعية (الطاقة الحركية إلى قدرة دفع مفيدة).
- قارن كل إجابة برتبة مقدار محرك حقيقي.
- تتبع الوحدات: الدفع بالنيوتن، ومعدل التدفق الكتلي بـ kg/s، والدفع النوعي بالثواني.
- حل كل تمرين على الورق قبل فتح الإجابة، وأعد الاختبارات القصيرة بعد بضعة أيام.
معدات المختبر (للمختبرات العملية)
- حاسوب أو جهاز لوحي للمحاكاة المجانية PhET Gas Properties وEnergy Skate Park.
- برنامج جداول بيانات (أي برنامج مجاني يفي بالغرض)، أو Python.
- صفحات Beginner’s Guide to Propulsion من NASA Glenn في متصفح ويب.
- آلة حاسبة.
جدول مقترح من 15 أسبوعًا
نحو 6 إلى 9 ساعات أسبوعيًا: قراءة وتمارين، وفي أسابيع المختبر، المختبر.
| الأسبوع | الوحدة | الموضوعات | القراءة |
|---|---|---|---|
| 1 | الدفع وكمية الحركة والكفاءة الدفعية | الدفع والكفاءة الدفعية؛ المختبر A | NASA Glenn |
| 2 | دورة برايتون والكفاءة الحرارية | دورة برايتون؛ المختبر B | NASA Glenn |
| 3 | الجريان الانضغاطي: المآخذ والفوهات | خصائص الركود والاختناق | MIT 16.50 |
| 4 | الجريان الانضغاطي: المآخذ والفوهات | الفوهات والمآخذ؛ المختبر C | MIT 16.50 |
| 5 | المحركات النفاثة التوربينية: المكونات وتحليل الدورة | محطات المحرك النفاث التوربيني وموازنة الشغل | MIT 16.50 |
| 6 | المحركات النفاثة التوربينية: المكونات وتحليل الدورة | كفاءة المكونات والحارق اللاحق | NASA Glenn |
| 7 | المحركات التوربينية المروحية والمروحية التوربينية | المحركات التوربينية المروحية؛ المختبر D؛ تدريب لامتحان منتصف الفصل | NASA Glenn |
| 8 | استهلاك الوقود وTSFC والانبعاثات | استهلاك الوقود وTSFC وCO₂ | NASA HyTEC |
| 9 | أساسيات الصواريخ والدفع النوعي | دفع الصواريخ وIsp | NASA Glenn |
| 10 | أساسيات الصواريخ والدفع النوعي | دراسة حالة RS-25 | NASA RS-25 |
| 11 | فوهات الصواريخ والوقود الدافع والتحكم في الدفع | فوهات الصواريخ والتحكم في الدفع؛ المختبر E | MIT 16.512 |
| 12 | معادلة الصاروخ والدفع الكهربائي | معادلة الصاروخ والدفع الكهربائي | MIT 16.512 |
| 13 | الدفع المستدام: SAF والهيدروجين والطيران الكهربائي | SAF والهيدروجين والبطاريات؛ المختبر F | DOE SAF |
| 14 | الدفع المستدام: SAF والهيدروجين والطيران الكهربائي | الطائرات الكهربائية والمراجعة | DOE SAF |
| 15 | الدفع المستدام: SAF والهيدروجين والطيران الكهربائي | المراجعة؛ تدريب للامتحان النهائي | MIT 16.50 |
تقدّمك
ضع علامة على الوحدات والمختبرات عند إنهائها، وخض الاختبارات. يُحفظ التقدم ونتائج الاختبارات في هذا المتصفح فقط، ولا تُرسل إلينا أبدًا.
فعّل JavaScript لتتبّع تقدّمك.
الوحدة 1 · الأسبوع 1
الدفع وكمية الحركة والكفاءة الدفعية
معادلة الدفع بحجم التحكم، ودفع الضغط، والدفع النوعي، وقدرة الدفع، وقدرة النفث، والكفاءة الدفعية، ولماذا تكون النفثات الكبيرة البطيئة كفؤة.
أهداف التعلّم
في نهاية هذه الوحدة ستستطيع أن:
- اشتق الدفع من تدفق كمية الحركة.
- احسب الدفع النوعي وقدرة الدفع.
- حساب كفاءة الدفع.
- اشرح لماذا توفر نسبة الالتفاف العالية الوقود.
المفاهيم الأساسية
- الدفع هو صافي تدفق كمية الحركة الخارج من المحرك مضافًا إليه حد الضغط: F = ṁ_eV_e − ṁ_0V_0 + (p_e − p_0)A_e.
- لمحرك يتنفس الهواء بتدفق وقود صغير وفوهة متوافقة، F ≈ ṁ(V_e − V_0).
- الدفع النوعي F/ṁ (N·s/kg) يخبرك بمقدار الدفع الذي يعطيه كل كيلوغرام في الثانية من الهواء.
- الكفاءة الدفعية η_p = 2/(1 + V_e/V_0) هي نسبة القدرة الحركية للنفث التي تصبح قدرة دفع مفيدة F·V_0.
- تسريع كثير من الهواء قليلًا (V_e قريبة من V_0) كفء لكنه يحتاج محركًا كبيرًا؛ وهذه مقايضة المحرك التوربيني المروحي.
المعادلات الأساسية
أمثلة محلولة خطوة بخطوة
مثال 1.1 يحرك محرك 100 kg/s من الهواء من 250 m/s إلى 600 m/s (قيم نموذجية). أوجد الدفع.
اعرض الخطوات
- F = 100 × (600 − 250).
الإجابة: F = 35 kN.
مثال 1.2 أوجد كفاءته الدفعية.
اعرض الخطوات
- η_p = 2/(1 + 600/250).
الإجابة: η_p = 0.588.
مثال 1.3 تحقق من تلك الكفاءة باستخدام القدرات.
اعرض الخطوات
- قدرة الدفع = 35000 × 250 = 8.75 MW.
- قدرة النفث = ½ × 100 × (600² − 250²) = 14.875 MW.
الإجابة: 8.75/14.875 = 0.588.
تمارين
حلّ كلًّا منها على الورق أولًا، ثم تحقق.
الدفع النوعي لذلك المحرك؟
اعرض الإجابة
350 N·s/kg.
η_p إذا كانت V_e = 300 m/s عند V₀ = 250 m/s؟
اعرض الإجابة
0.909.
لماذا تستخدم المقاتلات نفثات صغيرة سريعة؟
اعرض الإجابة
دفع نوعي عالٍ على حساب الكفاءة.
متى يهم دفع الضغط؟
اعرض الإجابة
عندما يختلف ضغط مخرج الفوهة عن الضغط المحيط، كما في كثير من الصواريخ.
مفاهيم خاطئة شائعة
خرافة: زيادة سرعة العادم تعني دائمًا كفاءة أكبر.
في الحقيقة: تنخفض الكفاءة الدفعية مع ازدياد V_e/V₀.
خرافة: يدفع الدفعُ الهواءَ الموجود خلفه.
في الحقيقة: إنه رد الفعل على تسريع الجريان.
خرافة: دفع الضغط صفر دائمًا.
في الحقيقة: فقط لفوهة متمددة تمامًا.
بطاقات تعليمية
الدفع
صافي تدفق كمية الحركة + حد الضغط.
الدفع النوعي
F/ṁ.
η_p
2/(1 + V_e/V₀).
قدرة الدفع
F·V₀.
قدرة النفث
½ṁ(V_e² − V₀²).
فوهة متوافقة
p_e = p₀.
اختبار ذاتي
كيف يساعد هذا في إنقاذ الكوكب
يوضح دليل NASA Glenn أن معظم طائرات الركاب الحديثة تستخدم المحركات التوربينية المروحية لدفعها العالي وكفاءتها الجيدة في استهلاك الوقود، وأن المحركات التوربينية المروحية عالية الالتفاف تقارب في كفاءتها المحركات المروحية التوربينية.
تأتي تلك الكفاءة مباشرة من معادلة هذه الوحدة: تحريك هواء أكثر بسرعة أقرب إلى سرعة الطيران يرفع الكفاءة الدفعية، ما يعني وقودًا أقل محروقًا وCO₂ أقل للرحلة نفسها.
على Saving Planets: أداء الطائرات · الحلول
مصادر تعلّم مجانية
- MIT OpenCourseWare 16.50 Introduction to Propulsion Systems (Spring 2012): محاضرات MIT مجانية.
- NASA Glenn Beginner’s Guide: Specific impulse: شرح مجاني من NASA.
الوحدة 2 · الأسبوع 2
دورة برايتون والكفاءة الحرارية
دورة برايتون المثالية، والانضغاط والتمدد الأيزنتروبيان، والكفاءة الحرارية مقابل نسبة الضغط، وشغل الضاغط والتوربين، وكفاءات المكونات، والكفاءة الكلية.
أهداف التعلّم
في نهاية هذه الوحدة ستستطيع أن:
- احسب كفاءة برايتون المثالية من نسبة الضغط.
- أوجد درجات الحرارة بعد انضغاط أيزنتروبي.
- احسب شغل الضاغط.
- اجمع بين الكفاءة الحرارية والكفاءة الدفعية.
المفاهيم الأساسية
- يعمل التوربين الغازي وفق دورة برايتون: انضغاط أيزنتروبي، وإضافة حرارة عند ضغط ثابت، وتمدد أيزنتروبي، وطرد حرارة.
- تعتمد الكفاءة الحرارية المثالية على نسبة الضغط فقط: η_th = 1 − π^(−(γ−1)/γ).
- يرفع الانضغاط الأيزنتروبي درجة الحرارة وفق T₂/T₁ = π^((γ−1)/γ).
- شغل الضاغط لكل kg هو c_p(T₂ − T₁)؛ ويجب أن يوفره التوربين قبل أن يتبقى شيء للنفث.
- الكفاءة الكلية η₀ = η_th × η_p: من الحرارة إلى قدرة الدفع المفيدة.
المعادلات الأساسية
أمثلة محلولة خطوة بخطوة
مثال 2.1 أوجد كفاءة برايتون المثالية لنسبتي ضغط 10 و30 (γ = 1.4).
اعرض الخطوات
- 1 − 10^(−0.2857); 1 − 30^(−0.2857).
الإجابة: 48.2% و62.2%.
مثال 2.2 يُضغط هواء عند 288 K بنسبة 30. أوجد T₂.
اعرض الخطوات
- T₂ = 288 × 30^0.2857 = 288 × 2.643.
الإجابة: T₂ = 761 K.
مثال 2.3 أوجد شغل الضاغط لكل kg.
اعرض الخطوات
- 1005 × (761 − 288).
الإجابة: w_c = 475 kJ/kg.
تمارين
حلّ كلًّا منها على الورق أولًا، ثم تحقق.
الكفاءة عند π = 20؟
اعرض الإجابة
57.5%.
الكفاءة عند π = 40؟
اعرض الإجابة
65.1%.
الكفاءة الكلية لـ η_th = 0.5 وη_p = 0.8؟
اعرض الإجابة
0.40.
لماذا لا نرفع π بلا حدود؟
اعرض الإجابة
يصبح مخرج الضاغط شديد الحرارة وثقيلًا؛ والتوربين يفرض حدودًا.
مفاهيم خاطئة شائعة
خرافة: كفاءة برايتون تعتمد على درجة الحرارة القصوى.
في الحقيقة: الكفاءة المثالية تعتمد على π فقط.
خرافة: كل شغل الضاغط مفقود.
في الحقيقة: يستعيده التوربين من الغاز الساخن.
خرافة: الكفاءة الحرارية هي القصة كلها.
في الحقيقة: اضرب في الكفاءة الدفعية.
بطاقات تعليمية
دورة برايتون
اضغط، احرق، مدّد.
نسبة الضغط π
p₂/p₁.
η_th
1 − π^(−0.2857).
شغل الضاغط
c_pΔT.
الكفاءة الكلية
η_th η_p.
أيزنتروبي
عكوس وأديباتي.
اختبار ذاتي
كيف يساعد هذا في إنقاذ الكوكب
عمل مشروع Hybrid Thermally Efficient Core (HyTEC) التابع لـ NASA مع الصناعة لتطوير تقنيات قلب محرك صغير تتيح خفض استهلاك الوقود، واستخلاص قدرة كهربائية أكبر لأنظمة الطائرة، وتوافقًا أفضل مع وقود الطيران المستدام. وتشير NASA إلى أن المشروع قد انتهى.
القلوب الأصغر والأسخن والأعلى ضغطًا هي صيغة الكفاءة في هذه الوحدة مجسدة في العتاد: رفع نسبة الضغط يرفع الكفاءة الحرارية، وكل نقطة مئوية توفر وقودًا في كل رحلة.
على Saving Planets: الديناميكا الحرارية · الحلول
المصادر: NASA Aeronautics: Hybrid Thermally Efficient Core (HyTEC) project
مصادر تعلّم مجانية
- NASA Glenn Beginner’s Guide: Brayton cycle: شرح مجاني من NASA.
- PhET: Gas Properties: التسخين بالانضغاط بشكل تفاعلي.
الوحدة 3 · الأسابيع 3–4
الجريان الانضغاطي: المآخذ والفوهات
درجة حرارة الركود وضغطه، والعلاقات الأيزنتروبية مع عدد ماخ، والجريان المختنق، وعلاقات المساحة–ماخ، والفوهات المتقاربة والمتقاربة–المتباعدة، واستعادة الضغط في المآخذ.
أهداف التعلّم
في نهاية هذه الوحدة ستستطيع أن:
- استخدم نسب الركود إلى القيم الساكنة.
- أوجد الظروف الحرجة (الصوتية).
- استخدم علاقة المساحة–ماخ.
- احسب سرعة الخروج المثالية من الفوهة.
المفاهيم الأساسية
- درجة حرارة الركود T₀ = T(1 + (γ − 1)M²/2)؛ ويُستنتج ضغط الركود بالأس الأيزنتروبي γ/(γ − 1).
- عند عنق فوهة مختنقة M = 1، مع T*/T₀ = 0.833 وp*/p₀ = 0.528 للهواء.
- يتسارع الجريان دون الصوتي في مجرى متقارب؛ ويتسارع الجريان فوق الصوتي في مجرى متباعد. يعطي A/A* المساحة اللازمة لكل عدد ماخ.
- سرعة الخروج المثالية: V_e = √(2c_pT₀(1 − (p_e/p₀)^((γ−1)/γ))).
- تبطئ المآخذ الهواء إلى سرعة دون صوتية للضاغط؛ وخسائر ضغط الركود تقلل الدفع والكفاءة.
المعادلات الأساسية
أمثلة محلولة خطوة بخطوة
مثال 3.1 أوجد T₀/T وp₀/p عند ماخ 0.8.
اعرض الخطوات
- T₀/T = 1 + 0.2 × 0.64.
- p₀/p = 1.128^3.5.
الإجابة: T₀/T = 1.128; p₀/p = 1.524.
مثال 3.2 أوجد A/A* لماخ 2.
اعرض الخطوات
- علاقة المساحة–ماخ مع γ = 1.4.
الإجابة: A/A* = 1.6875.
مثال 3.3 غاز عند T₀ = 1000 K يتمدد إلى نصف ضغط ركوده (قيم نموذجية). أوجد V_e.
اعرض الخطوات
- V_e = √(2 × 1005 × 1000 × (1 − 0.5^0.2857)).
الإجابة: V_e = 601 m/s.
تمارين
حلّ كلًّا منها على الورق أولًا، ثم تحقق.
نسبة الضغط الحرجة للهواء؟
اعرض الإجابة
p*/p₀ = 0.528.
T*/T₀?
اعرض الإجابة
0.833.
A/A* عند ماخ 1.5؟
اعرض الإجابة
1.176.
A/A* عند ماخ 3؟
اعرض الإجابة
4.235.
مفاهيم خاطئة شائعة
خرافة: الفوهات متقاربة دائمًا.
في الحقيقة: المخارج فوق الصوتية تحتاج جزءًا متباعدًا.
خرافة: القيم الساكنة وقيم الركود متماثلة.
في الحقيقة: تختلف عند السرعات العالية.
خرافة: الاختناق يوقف كل الجريان.
في الحقيقة: إنه يحدّ معدل التدفق الكتلي لظروف المنبع المعطاة.
بطاقات تعليمية
درجة حرارة الركود
T(1 + 0.2M²) للهواء.
مختنق
M = 1 عند العنق.
A/A*
المساحة لعدد ماخ.
p*/p₀
0.528.
متقاربة–متباعدة
للمخارج فوق الصوتية.
استعادة الضغط
الحفاظ على p₀ في المأخذ.
اختبار ذاتي
كيف يساعد هذا في إنقاذ الكوكب
تذكر صفحة RS-25 لدى NASA أنه خلال Artemis I كانت قيم دفع المحرك وصمامات التحكم في نسبة الخلط ضمن 0.5 بالمئة من القيم المتوقعة قبل الطيران، والضغوط ودرجات الحرارة الداخلية ضمن اثنين بالمئة.
تنبؤات بهذه الدقة تأتي من علاقات الجريان الأيزنتروبي في هذه الوحدة، مُحسّنة ببيانات الاختبار: ضبط ظروف الفوهة والحجرة بدقة هو ما يجعل المحرك يعمل كما صُمم.
على Saving Planets: ميكانيكا الموائع · Artemis II
المصادر: NASA: SLS (Space Launch System) RS-25 Core Stage Engine
مصادر تعلّم مجانية
- MIT OpenCourseWare 16.50 Introduction to Propulsion Systems (Spring 2012): محاضرات MIT مجانية.
- NASA Glenn Beginner’s Guide: Rocket thrust summary: شرح مجاني من NASA.
الوحدة 4 · الأسابيع 5–6
المحركات النفاثة التوربينية: المكونات وتحليل الدورة
المأخذ والضاغط وغرفة الاحتراق والتوربين والفوهة؛ وموازنة الشغل بين الضاغط والتوربين؛ وحدود درجة حرارة مدخل التوربين؛ والحارقات اللاحقة؛ والكفاءات الحقيقية للمكونات.
أهداف التعلّم
في نهاية هذه الوحدة ستستطيع أن:
- تتبّع المحطات عبر محرك نفاث توربيني.
- وازن بين شغل الضاغط وشغل التوربين.
- اشرح حدود درجة حرارة التوربين.
- صِف كيف يقايض الحارق اللاحق الوقود بالدفع.
المفاهيم الأساسية
- المحطات: الجريان الحر، والمأخذ، ومخرج الضاغط، ومخرج غرفة الاحتراق (مدخل التوربين)، ومخرج التوربين، ومخرج الفوهة.
- يدير التوربين الضاغط على عمود مشترك: c_p(T₄ − T₅) = c_p(T₃ − T₂) لجريان مثالي بـ c_p متساوية.
- درجة حرارة مدخل توربين أعلى تعطي دفعًا نوعيًا وكفاءة أكبر، ضمن حدود مواد الشفرات والتبريد.
- للضواغط والتوربينات الحقيقية كفاءات أيزنتروبية أقل من 1، فيلزم شغل أكبر ويُستعاد أقل.
- تضيف الحارقات اللاحقة وقودًا بعد التوربين لدفع إضافي بكلفة وقود كبيرة.
المعادلات الأساسية
أمثلة محلولة خطوة بخطوة
مثال 4.1 مع ضاغط شغله 475 kJ/kg (الوحدة 2) ومدخل توربين عند 1600 K (قيمة نموذجية)، أوجد درجة حرارة مخرج التوربين.
اعرض الخطوات
- ΔT = 475,440/1005 = 473 K.
الإجابة: T₅ = 1127 K.
مثال 4.2 كم يحتاج ضاغط حقيقي بـ η_c = 0.85 من الشغل لنسبة الضغط نفسها؟
اعرض الخطوات
- 475/0.85.
الإجابة: 559 kJ/kg.
مثال 4.3 أوجد دفع محرك نفاث توربيني يحرك 100 kg/s من 250 إلى 450 m/s.
اعرض الخطوات
- 100 × 200.
الإجابة: 20 kN.
تمارين
حلّ كلًّا منها على الورق أولًا، ثم تحقق.
ارتفاع درجة حرارة ذلك الضاغط الحقيقي؟
اعرض الإجابة
559,341/1005 = 557 K.
لماذا تُبرَّد شفرات التوربين؟
اعرض الإجابة
الغاز أسخن مما يتحمله المعدن.
ماذا يرفع الحارق اللاحق؟
اعرض الإجابة
V_e والدفع.
وماذا يخفض؟
اعرض الإجابة
الكفاءة الدفعية والمدى.
مفاهيم خاطئة شائعة
خرافة: التوربين يولّد الدفع.
في الحقيقة: إنه يدير الضاغط أساسًا؛ والفوهة تولّد الدفع.
خرافة: يمكن دائمًا رفع الحرارة.
في الحقيقة: المواد تحدّ T₄.
خرافة: الحارقات اللاحقة كفؤة.
في الحقيقة: إنها تحرق الوقود عند ضغط منخفض.
بطاقات تعليمية
المحرك النفاث التوربيني
ضاغط–احتراق–توربين–فوهة.
T₄
درجة حرارة مدخل التوربين.
موازنة الشغل
التوربين = الضاغط.
η_c
ΔT المثالية/الفعلية.
الحارق اللاحق
الاحتراق بعد التوربين.
أرقام المحطات
من 0 الجريان الحر إلى 9 مخرج الفوهة.
اختبار ذاتي
كيف يساعد هذا في إنقاذ الكوكب
يشير دليل NASA Glenn إلى أن المحركات التوربينية المروحية منخفضة الالتفاف تظل أكفأ في استهلاك الوقود من المحركات النفاثة التوربينية البسيطة، وأن كثيرًا من المقاتلات الحديثة تستخدم محركات منخفضة الالتفاف مع حارقات لاحقة لتطير بكفاءة مع دفع عالٍ عند الحاجة.
يبقى المحرك النفاث التوربيني الخالص أساسًا نموذجًا تعليميًا: موازنة شغله البسيطة تُظهر لماذا أضافت المحركات اللاحقة مروحة لخفض استهلاك الوقود.
على Saving Planets: الديناميكا الهوائية 1 · الديناميكا الحرارية
مصادر تعلّم مجانية
- MIT OpenCourseWare 16.50 Introduction to Propulsion Systems (Spring 2012): محاضرات MIT مجانية.
- NASA Glenn Beginner’s Guide: Brayton cycle: شرح مجاني من NASA.
الوحدة 5 · الأسبوع 7
المحركات التوربينية المروحية والمروحية التوربينية
نسبة الالتفاف، وتيارا القلب والمروحة، ومعادلة دفع المحرك التوربيني المروحي، والكفاءة الدفعية لتيار المروحة، والمحركات المروحية التوربينية والدوارات المكشوفة، ومقايضة الحجم والوزن.
أهداف التعلّم
في نهاية هذه الوحدة ستستطيع أن:
- طبّق معادلة دفع المحرك التوربيني المروحي.
- احسب نسبة الالتفاف والتدفق الكلي.
- قارن دفع المحرك التوربيني المروحي والنفاث التوربيني للقلب نفسه.
- اشرح حدود الالتفاف العالي جدًا.
المفاهيم الأساسية
- نسبة الالتفاف bpr = ṁ_fan/ṁ_core؛ والتدفق الكلي ṁ₀ = ṁ_fan + ṁ_core.
- دفع المحرك التوربيني المروحي لدى NASA Glenn: F = (ṁV)_e + bpr·ṁ_c·V_f − ṁ₀V₀.
- تسرّع المروحة كثيرًا من الهواء قليلًا، فيكون لتيارها كفاءة دفعية عالية.
- تدفع المحركات المروحية التوربينية والدوارات المكشوفة الالتفاف أعلى، وهي كفؤة عند السرعات المنخفضة.
- المراوح الأكبر تضيف وزنًا وسحبًا وضجيجًا وتحتاج سرعات دوران أبطأ، غالبًا مع صندوق تروس.
المعادلات الأساسية
أمثلة محلولة خطوة بخطوة
مثال 5.1 لمحرك توربيني مروحي تدفق قلب 100 kg/s وbpr = 10، مع V_e = 450 m/s وV_f = 300 m/s وV₀ = 250 m/s (قيم نموذجية). أوجد التدفق الكلي والدفع.
اعرض الخطوات
- ṁ₀ = 100 + 1000 = 1100 kg/s.
- F = 100 × 450 + 1000 × 300 − 1100 × 250.
الإجابة: F = 70 kN.
مثال 5.2 قارن بمحرك نفاث توربيني بتدفق القلب وسرعة الخروج نفسيهما.
اعرض الخطوات
- F = 100 × (450 − 250).
الإجابة: 20 kN: المروحة تضاعف الدفع 3.5 مرة.
مثال 5.3 أوجد الكفاءة الدفعية لتيار المروحة.
اعرض الخطوات
- 2/(1 + 300/250).
الإجابة: η_p = 0.909.
تمارين
حلّ كلًّا منها على الورق أولًا، ثم تحقق.
η_p لتيار القلب (450 عند 250 m/s)؟
اعرض الإجابة
0.714.
نسبة الدفع بين المحرك التوربيني المروحي والنفاث التوربيني؟
اعرض الإجابة
3.5.
لماذا تُزوَّد المروحة بتروس؟
اعرض الإجابة
لتدور المروحة أبطأ من توربين الضغط المنخفض.
لماذا تُستخدم المراوح في الطائرات البطيئة؟
اعرض الإجابة
كفؤة عند السرعة المنخفضة؛ وأطرافها تصبح فوق صوتية عند السرعة العالية.
مفاهيم خاطئة شائعة
خرافة: المروحة تولّد دفعًا قليلًا.
في الحقيقة: في المحركات عالية الالتفاف تولّد معظمه.
خرافة: الالتفاف الأعلى أفضل دائمًا.
في الحقيقة: الوزن والسحب يزدادان مع حجم المروحة.
خرافة: المحركات التوربينية المروحية تحرق وقودًا أكثر من النفاثة التوربينية.
في الحقيقة: تحرق أقل للدفع نفسه.
بطاقات تعليمية
نسبة التجاوز
تدفق المروحة/تدفق القلب.
دفع المحرك التوربيني المروحي
القلب + المروحة − كمية حركة الدخول.
تيار المروحة
η_p عالية.
المحرك المروحي التوربيني
التفاف عالٍ جدًا عبر مروحة دافعة.
مروحة بتروس
مروحة أبطأ وتوربين أسرع.
دوار مكشوف
مروحة غير مغلفة.
اختبار ذاتي
كيف يساعد هذا في إنقاذ الكوكب
توضح NASA Glenn أنه لأن تدفق وقود القلب يتغير قليلًا فقط عند إضافة مروحة، فإن المحرك التوربيني المروحي يولّد دفعًا أكبر بالوقود نفسه تقريبًا، ولهذا فهو كفء جدًا في استهلاك الوقود.
يبيّن مثال هذه الوحدة الأثر: القلب نفسه بـ 100 kg/s يعطي 20 kN كمحرك نفاث توربيني و70 kN مع مروحة نسبة التفافها 10، بتدفق وقود قلب يكاد يكون نفسه.
على Saving Planets: أداء الطائرات · الحلول
مصادر تعلّم مجانية
- NASA Glenn Beginner’s Guide: Turbofan thrust: شرح مجاني من NASA.
- MIT OpenCourseWare 16.50 Introduction to Propulsion Systems (Spring 2012): محاضرات MIT مجانية.
الوحدة 6 · الأسبوع 8
استهلاك الوقود وTSFC والانبعاثات
القيمة الحرارية للوقود، والكفاءة الكلية، واستهلاك الوقود النوعي للدفع، وCO₂ الناتج عن حرق وقود الطائرات، وكيف ترتبط كفاءة المحرك بالمدى والأثر المناخي.
أهداف التعلّم
في نهاية هذه الوحدة ستستطيع أن:
- احسب الكفاءة الكلية من تدفق الوقود.
- احسب TSFC.
- قدّر انبعاثات CO₂ من استهلاك الوقود.
- اربط TSFC بالمدى.
المفاهيم الأساسية
- قدرة الوقود هي ṁ_f × LHV؛ والقيمة الحرارية الدنيا لوقود الطائرات نحو 43 MJ/kg (قيمة مرجعية).
- الكفاءة الكلية η₀ = F·V₀/(ṁ_f·LHV).
- استهلاك الوقود النوعي للدفع TSFC = ṁ_f/F؛ والأقل أفضل.
- حرق 1 kg من وقود الطائرات ينتج نحو 3.16 kg من CO₂ (قيمة مرجعية)، لأن الكربون يلتقط الأكسجين من الهواء.
- في معادلة بريغيه للمدى، يزداد المدى مع η₀ × LHV، فالمحرك الأفضل يطير أبعد أو يحرق وقودًا أقل.
المعادلات الأساسية
أمثلة محلولة خطوة بخطوة
مثال 6.1 المحرك التوربيني المروحي في الوحدة 5 (70 kN عند 250 m/s) يحرق 1.2 kg/s من الوقود بـ LHV قدرها 43 MJ/kg (قيم نموذجية). أوجد η₀.
اعرض الخطوات
- η₀ = 70,000 × 250/(1.2 × 43 × 10⁶).
الإجابة: η₀ = 0.339.
مثال 6.2 أوجد TSFC له.
اعرض الخطوات
- 1.2/70,000 kg/(N·s).
الإجابة: TSFC = 17.14 mg/(N·s).
مثال 6.3 أوجد CO₂ في الساعة.
اعرض الخطوات
- الوقود = 1.2 × 3600 = 4320 kg.
- CO₂ = 4320 × 3.16.
الإجابة: 13651 kg من CO₂ في الساعة.
تمارين
حلّ كلًّا منها على الورق أولًا، ثم تحقق.
معدل CO₂ في الثانية؟
اعرض الإجابة
3.792 kg/s.
الكفاءة الحرارية إذا كانت η₀ = 0.339 وη_p = 0.8؟
اعرض الإجابة
0.424.
الوقود الموفَّر في الساعة بـ TSFC أقل بنسبة 10% عند الدفع نفسه؟
اعرض الإجابة
432 kg.
هل يخفض تقليل الوقود CO₂ بالنسبة نفسها؟
اعرض الإجابة
نعم، للوقود نفسه.
مفاهيم خاطئة شائعة
خرافة: الوقود أثقل من CO₂ الناتج عنه.
في الحقيقة: CO₂ يقارب 3.16 ضعف كتلة الوقود.
خرافة: TSFC الأعلى أفضل.
في الحقيقة: الأقل أفضل.
خرافة: الكفاءة تؤثر في الكلفة فقط.
في الحقيقة: إنها تخفض الانبعاثات أيضًا.
بطاقات تعليمية
LHV
طاقة الوقود لكل kg.
η₀
FV₀/(ṁ_f LHV).
TSFC
الوقود لكل وحدة دفع.
معامل CO₂
≈3.16 (مرجعي).
بريغيه
معادلة المدى.
قدرة الوقود
ṁ_f × LHV.
اختبار ذاتي
كيف يساعد هذا في إنقاذ الكوكب
استهدف مشروع HyTEC لدى NASA تقنيات قلب محرك صغير لتمكين خفض استهلاك الوقود وتوافق أفضل مع وقود الطيران المستدام.
تُظهر أرقام هذه الوحدة سبب أهمية ذلك: محرك كبير واحد في حالة التحليق في مثالنا يطلق نحو 13.7 طن من CO₂ في الساعة، لذا حتى المكاسب الصغيرة في TSFC تتراكم عبر الأسطول.
على Saving Planets: الحلول · رصد الأرض
المصادر: NASA Aeronautics: Hybrid Thermally Efficient Core (HyTEC) project
مصادر تعلّم مجانية
- MIT OpenCourseWare 16.50 Introduction to Propulsion Systems (Spring 2012): محاضرات MIT مجانية.
- NASA Aeronautics: Hybrid Thermally Efficient Core (HyTEC) project: صفحة مشروع NASA.
الوحدة 7 · الأسبوعان 9–10
أساسيات الصواريخ والدفع النوعي
دفع الصواريخ، وسرعة العادم المكافئة، والدفع النوعي، والدفع الكلي، ومعدل التدفق الكتلي، وأرقام حقيقية من محرك RS-25 لدى NASA.
أهداف التعلّم
في نهاية هذه الوحدة ستستطيع أن:
- استخدم F = ṁV_eq.
- حوّل بين Isp وسرعة العادم.
- احسب الدفع الكلي.
- اعمل ببيانات دفع RS-25.
المفاهيم الأساسية
- يحمل الصاروخ كل وقوده الدافع، لذا فالدفع F = ṁV_e + (p_e − p₀)A_e = ṁV_eq.
- تعرّف NASA Glenn الدفع النوعي Isp = F/(ṁg₀) بالثواني؛ وV_eq = Isp × g₀.
- الدفع الكلي I = F × Δt يقيس ما يقدمه المحرك إجمالًا.
- Isp الأعلى يعني وقودًا دافعًا أقل للدفع الكلي نفسه.
- كثيرًا ما يُذكر الدفع كنسبة مئوية من مستوى اسمي، كما في RS-25.
المعادلات الأساسية
أمثلة محلولة خطوة بخطوة
مثال 7.1 تقول NASA إن محركات RS-25 في المكوك عملت عند 104.5% من الدفع الاسمي، نحو 491000 lbf. حوّل إلى نيوتن وأوجد الدفع عند 100%.
اعرض الخطوات
- 491,000 × 4.448 N.
- 491,000/1.045.
الإجابة: 2.184 MN؛ نحو 469856 lbf.
مثال 7.2 باستخدام Isp مرجعي في الفراغ قدره 452 s، أوجد V_eq.
اعرض الخطوات
- 452 × 9.80665.
الإجابة: V_eq = 4433 m/s.
مثال 7.3 أوجد تدفق الوقود الدافع عند 2.184 MN.
اعرض الخطوات
- ṁ = 2.184 × 10⁶/4433.
الإجابة: ṁ = 492.7 kg/s (استنادًا إلى قيم مرجعية).
تمارين
حلّ كلًّا منها على الورق أولًا، ثم تحقق.
أربعة محركات عند 491000 lbf؟
اعرض الإجابة
1.964 مليون lbf.
أربعة عند 109% من الاسمي؟
اعرض الإجابة
نحو 2.049 مليون lbf.
الدفع الكلي لمحرك قدره 1000 N لمدة 20 s؟
اعرض الإجابة
20,000 N·s.
V_eq لـ Isp قدره 300 s؟
اعرض الإجابة
2942 m/s.
مفاهيم خاطئة شائعة
خرافة: Isp هو زمن تشغيل المحرك.
في الحقيقة: إنه الدفع لكل تدفق وزني للوقود الدافع.
خرافة: تحتاج الصواريخ إلى هواء تدفع عليه.
في الحقيقة: تعمل على أفضل وجه في الفراغ.
خرافة: الدفع فوق 100 بالمئة مستحيل.
في الحقيقة: إنه نسبي إلى مستوى اسمي تاريخي.
بطاقات تعليمية
Isp
F/(ṁg₀)، بالثواني.
V_eq
Isp × g₀.
الدفع الكلي
F × Δt.
RS-25
محرك المرحلة المركزية لـ SLS.
الدفع الاسمي
المستوى المرجعي 100%.
g₀
9.80665 m/s².
اختبار ذاتي
كيف يساعد هذا في إنقاذ الكوكب
تذكر صفحة RS-25 لدى NASA أن هذه المحركات طارت في 135 بعثة لمكوك الفضاء، بأكثر من 3000 تشغيل وأكثر من 1 مليون ثانية من الإشعال الكلي على الأرض وفي الطيران؛ ويستخدم صاروخ SLS Block 1 أربعة محركات RS-25 ومعززين صاروخيين صلبين لإرسال 27 طنًا متريًا إلى القمر.
وتشير الصفحة نفسها إلى أن المحركات خلال Artemis I في نوفمبر 2022 أنتجت أكثر من 2 مليون رطل من الدفع في الفراغ. وإعادة استخدام محركات مجرَّبة إحدى طرق NASA لبناء قدرات رصد الأرض والاستكشاف.
على Saving Planets: Artemis II · ميكانيكا المدارات
المصادر: NASA: SLS (Space Launch System) RS-25 Core Stage Engine · NASA Glenn Beginner’s Guide: Specific impulse
مصادر تعلّم مجانية
- NASA Glenn Beginner’s Guide: Specific impulse: شرح مجاني من NASA.
- MIT OpenCourseWare 16.512 Rocket Propulsion (Fall 2005): مقرر MIT مجاني عن الصواريخ.
الوحدة 8 · الأسبوع 11
فوهات الصواريخ والوقود الدافع والتحكم في الدفع
ظروف الحجرة، والتمدد في الفوهة، وسرعة الخروج من العلاقات الأيزنتروبية، ونسبة التمدد والارتفاع، واختيار الوقود الدافع، والتحكم في الدفع.
أهداف التعلّم
في نهاية هذه الوحدة ستستطيع أن:
- احسب سرعة العادم المثالية للصاروخ.
- اشرح فرط التمدد ونقص التمدد.
- قارن خصائص أنواع الوقود الدافع.
- اربط إعدادات التحكم بالدفع.
المفاهيم الأساسية
- سرعة الخروج المثالية: V_e = √(2γRT₀/(γ − 1) × (1 − (p_e/p₀)^((γ−1)/γ)))، حيث R ثابت الغاز لكل kg من العادم.
- العادم الساخن الخفيف (T₀/M مرتفعة) يعطي V_e عالية: محركات الهيدروجين–الأكسجين تتصدر Isp الكيميائي.
- نسب التمدد الأكبر تخفض p_e وترفع V_e، لكن الفوهة المصممة للفراغ تكون مفرطة التمدد عند مستوى سطح البحر.
- يربط معامل الدفع وضغط الحجرة حجم الفوهة بالدفع.
- يغيّر التحكم في الدفع تدفق الوقود الدافع وضغط الحجرة؛ وتذكر NASA مستويات قدرة RS-25 كنسبة مئوية من الدفع الاسمي.
المعادلات الأساسية
أمثلة محلولة خطوة بخطوة
مثال 8.1 عادم بـ γ = 1.2 وكتلة مولية 13 g/mol وT₀ = 3500 K (قيم نموذجية) يتمدد إلى p_e/p₀ = 0.001. أوجد V_e وIsp.
اعرض الخطوات
- V_e = √(12 × 8.314 × 3500/0.013 × (1 − 0.001^0.1667)).
الإجابة: V_e = 4286 m/s; Isp = 437 s.
مثال 8.2 كرّر لـ p_e/p₀ = 0.01.
اعرض الخطوات
- تمدد أقل.
الإجابة: V_e = 3794 m/s.
مثال 8.3 تقول NASA إن محركات RS-25 الجديدة تعمل عند 111% واختُبرت حتى 113%. أوجد 113% بوحدة lbf انطلاقًا من 469856 lbf اسمية.
اعرض الخطوات
- 469,856 × 1.13.
الإجابة: 530937 lbf.
تمارين
حلّ كلًّا منها على الورق أولًا، ثم تحقق.
111% من الاسمي؟
اعرض الإجابة
نحو 521540 lbf (NASA: نحو 522000).
Isp عند p_e/p₀ = 0.01؟
اعرض الإجابة
387 s.
لماذا تهم T₀/M؟
اعرض الإجابة
تتناسب V_e مع √(T₀/M).
ماذا يحدث لفوهة الفراغ عند مستوى سطح البحر؟
اعرض الإجابة
فرط تمدد؛ دفع أقل وخطر انفصال الجريان.
مفاهيم خاطئة شائعة
خرافة: العادم الأثقل أفضل.
في الحقيقة: العادم الأخف يعطي V_e أعلى.
خرافة: الفوهات الأكبر تفيد دائمًا.
في الحقيقة: ليس عند مستوى سطح البحر.
خرافة: التحكم في الدفع يغيّر التدفق فقط.
في الحقيقة: ضغط الحجرة يتغير أيضًا.
بطاقات تعليمية
نسبة التمدد
A_e/A*.
مفرط التمدد
p_e < p_a.
ناقص التمدد
p_e > p_a.
الكتلة المولية
عادم أخف، نفث أسرع.
مستوى القدرة
نسبة مئوية من الدفع الاسمي.
ضغط الحجرة
يحدد الدفع لحجم فوهة معين.
اختبار ذاتي
كيف يساعد هذا في إنقاذ الكوكب
تذكر NASA أن محركات RS-25 طارت عند 104.5% على المكوك واختُبرت حتى 111%؛ ويستخدم SLS نسبة 109% في رحلاته الأربع الأولى، وتعمل محركات الإنتاج الجديدة عند 111%، ووصلت الاختبارات إلى 113%. وتبني L3Harris 24 محركًا جديدًا بأساليب حديثة مثل الصهر الانتقائي بالليزر.
كل نقطة مئوية إضافية من الدفع تنبع من فيزياء الحجرة والفوهة في هذه الوحدة، وتسمح للمحرك نفسه برفع كتلة أكبر إلى المدار.
على Saving Planets: Artemis II · GOES-19
المصادر: NASA: SLS (Space Launch System) RS-25 Core Stage Engine
مصادر تعلّم مجانية
- MIT OpenCourseWare 16.512 Rocket Propulsion (Fall 2005): مقرر MIT مجاني عن الصواريخ.
- NASA Glenn Beginner’s Guide: Rocket thrust summary: شرح مجاني من NASA.
الوحدة 9 · الأسبوع 12
معادلة الصاروخ والدفع الكهربائي
معادلة تسيولكوفسكي، ونسبة الكتلة، والمراحل، والدافعات الكهربائية، والدفع المحدود بالقدرة، والمقايضة بين Isp والدفع.
أهداف التعلّم
في نهاية هذه الوحدة ستستطيع أن:
- استخدم معادلة الصاروخ.
- قارن Δv الكيميائي والكهربائي للوقود الدافع نفسه.
- احسب الدفع المحدود بالقدرة.
- اشرح لماذا تكون الدافعات الكهربائية منخفضة الدفع.
المفاهيم الأساسية
- تسيولكوفسكي: Δv = V_e ln(m₀/m_f).
- تتخلص المراحل من الكتلة الفارغة لتحظى المراحل اللاحقة بنسب كتلة أفضل.
- تبلغ الدافعات الكهربائية (الأيونية ودافعات هول) قيم Isp عالية جدًا لكنها محدودة بالقدرة.
- قدرة النفث ½ṁV_e² = ηP، لذا الدفع F = 2ηP/V_e: V_e الأعلى تعني دفعًا أقل للقدرة نفسها.
- يناسب الدفع الكهربائي البعثات الطويلة الصبورة؛ وتناسب الصواريخ الكيميائية الإطلاق والمناورات السريعة.
المعادلات الأساسية
أمثلة محلولة خطوة بخطوة
مثال 9.1 لدافع هول Isp قدره 1800 s (قيمة نموذجية). أوجد V_e.
اعرض الخطوات
- 1800 × 9.80665.
الإجابة: V_e = 17,652 m/s.
مثال 9.2 مع 4.5 kW وكفاءة 0.5 (قيم نموذجية)، أوجد الدفع.
اعرض الخطوات
- F = 2 × 0.5 × 4500/17,652.
الإجابة: F = 0.255 N.
مثال 9.3 مركبة كتلتها 1000 kg تستخدم 100 kg من الوقود الدافع. قارن Δv مع هذا الدافع ومع محرك كيميائي بـ 300 s.
اعرض الخطوات
- 17,652 ln(1000/900); 2942 ln(1000/900).
الإجابة: نحو 1860 m/s مقابل 310 m/s.
تمارين
حلّ كلًّا منها على الورق أولًا، ثم تحقق.
نسبة الكتلة لـ Δv = V_e؟
اعرض الإجابة
e = 2.718.
الدفع إذا تضاعفت القدرة؟
اعرض الإجابة
0.51 N.
لماذا لا نطلق بدافعات هول؟
اعرض الإجابة
الدفع أقل بكثير من الوزن.
لماذا المراحل؟
اعرض الإجابة
للتخلص من الكتلة الميتة.
مفاهيم خاطئة شائعة
خرافة: Isp العالي يعني دفعًا عاليًا.
في الحقيقة: القدرة تحدّ الدفع.
خرافة: Δv خطي في الوقود الدافع.
في الحقيقة: إنه لوغاريتمي.
خرافة: المحركات الكهربائية لا تحتاج وقودًا دافعًا.
في الحقيقة: إنها تطرد كتلة رغم ذلك.
بطاقات تعليمية
معادلة الصاروخ
Δv = V_e ln(m₀/m_f).
نسبة الكتلة
m₀/m_f.
التقسيم إلى مراحل
تخلّص من الخزانات الفارغة.
دافع هول
كهربائي، Isp عالٍ.
محدود بالقدرة
F = 2ηP/V_e.
Δv
ميزانية تغير السرعة.
اختبار ذاتي
كيف يساعد هذا في إنقاذ الكوكب
أُطلقت بعثة DART التابعة لـ NASA، وهي اختبار للدفاع الكوكبي، في 24 نوفمبر 2021 على متن Falcon 9 من Vandenberg Space Force Base، واصطدمت بالقمير الكويكبي Dimorphos، الذي يبلغ قطره نحو 160 مترًا، في 26 سبتمبر 2022.
تطلّب الوصول إليه ميزانية معادلة الصاروخ في هذه الوحدة: Δv الإطلاق من صاروخ كيميائي، ثم دفعًا فضائيًا دقيقًا للتوجه نحو هدف صغير.
على Saving Planets: ميكانيكا المدارات · الحلول
المصادر: NASA Science: Double Asteroid Redirection Test (DART)
مصادر تعلّم مجانية
- MIT OpenCourseWare 16.512 Rocket Propulsion (Fall 2005): مقرر MIT مجاني عن الصواريخ.
- NASA Glenn Beginner’s Guide: Specific impulse: شرح مجاني من NASA.
الوحدة 10 · الأسبوع 13
الدفع المستدام: SAF والهيدروجين والطيران الكهربائي
وقود الطيران المستدام، وكثافة الطاقة لكل كيلوغرام، والهيدروجين والبطاريات مقارنة بوقود الطائرات، وما تعنيه الأرقام للطائرات المستقبلية.
أهداف التعلّم
في نهاية هذه الوحدة ستستطيع أن:
- قارن الطاقات النوعية للوقود والبطاريات.
- صِف المواد الأولية لـ SAF ومسارات إنتاجه.
- قدّر التغيرات في طاقة الوقود.
- وازن مقايضة الكتلة والحجم في الهيدروجين.
المفاهيم الأساسية
- تحدد الطاقة النوعية (MJ/kg) المسافة التي تقطعها الطائرة لكل كيلوغرام محمول؛ وقود الطائرات ≈ 43 MJ/kg، والهيدروجين السائل ≈ 120 MJ/kg، والبطاريات الجيدة ≈ 0.25 MJ/kg (قيم مرجعية).
- يُصنع SAF من الكتلة الحيوية أو النفايات أو الكربون الملتقط، ويمكن استخدامه مباشرة في المحركات الحالية ضمن حدود الخلط.
- للهيدروجين طاقة عالية لكل كيلوغرام لكن كثافته منخفضة جدًا، لذا تكون الخزانات كبيرة وثقيلة.
- تناسب البطاريات الرحلات القصيرة والطائرات الصغيرة؛ وطاقتها النوعية المنخفضة تحدّ المدى.
- تعتمد انبعاثات دورة الحياة على طريقة إنتاج الوقود، لا على ما يخرج من المحرك فقط.
المعادلات الأساسية
أمثلة محلولة خطوة بخطوة
مثال 10.1 كم مرة يحمل وقود الطائرات طاقة لكل kg أكثر من البطارية (قيم مرجعية)؟
اعرض الخطوات
- 43/0.25.
الإجابة: 172 مرة.
مثال 10.2 كيف يقارَن الهيدروجين السائل بوقود الطائرات لكل kg؟
اعرض الخطوات
- 120/43.
الإجابة: 2.79 مرة.
مثال 10.3 تقول DOE إن SAF من الأسيتون الحيوي لدى LANL يحوي طاقة أكثر بنسبة 12% من وقود الطائرات التقليدي. باستخدام 43 MJ/kg أساسًا (قيمة مرجعية)، قدّر طاقته.
اعرض الخطوات
- 1.12 × 43.
الإجابة: نحو 48.2 MJ/kg.
تمارين
حلّ كلًّا منها على الورق أولًا، ثم تحقق.
كتلة البطارية لتخزين طاقة 1 kg من وقود الطائرات؟
اعرض الإجابة
172 kg.
كتلة الهيدروجين لطاقة 1000 kg من وقود الطائرات؟
اعرض الإجابة
358 kg.
اذكر مادة أولية لـ SAF.
اعرض الإجابة
الكتلة الحيوية أو النفايات الرطبة أو CO المهدر.
لماذا يصعب تخزين الهيدروجين؟
اعرض الإجابة
كثافة منخفضة جدًا؛ خزانات مبردة.
مفاهيم خاطئة شائعة
خرافة: الهيدروجين فقير بالطاقة.
في الحقيقة: لكل كيلوغرام يتفوق على وقود الطائرات؛ ولكل لتر لا.
خرافة: ستضاهي البطاريات وقود الطائرات قريبًا.
في الحقيقة: الفجوة تتجاوز 100×.
خرافة: يحتاج SAF إلى محركات جديدة.
في الحقيقة: إنه مصمم ليعمل في المحركات الحالية.
بطاقات تعليمية
SAF
وقود الطيران المستدام.
الطاقة النوعية
MJ/kg.
LH₂
الهيدروجين السائل.
وقود بديل مباشر
يعمل في المحركات الحالية.
دورة الحياة
من الإنتاج إلى الاحتراق.
Billion-Ton Report
دراسة DOE عن الكتلة الحيوية.
اختبار ذاتي
كيف يساعد هذا في إنقاذ الكوكب
تقول وزارة الطاقة الأمريكية إن تقريرها Billion-Ton Report لعام 2023 وجد أن الولايات المتحدة قادرة على إنتاج أكثر من 1 مليار طن من الكتلة الحيوية سنويًا، تكفي لنحو 60 مليار غالون من الوقود الحيوي، وأن SAF من الأسيتون الحيوي لدى LANL يحوي طاقة أكثر بنسبة 12% من وقود الطائرات التقليدي.
وتصف DOE أيضًا SAF من النفايات الرطبة ومن CO المهدر عبر مسارات تحويل الكحول إلى وقود طائرات. ومع المحركات الكفؤة من الوحدات السابقة، يُعد الوقود الأنظف طريقًا مباشرًا لخفض انبعاثات الطيران.
على Saving Planets: الحلول · رصد الأرض
المصادر: U.S. Department of Energy: Sustainable Aviation Fuels
مصادر تعلّم مجانية
- U.S. Department of Energy: Sustainable Aviation Fuels: شرح من DOE.
- NASA Aeronautics: Hybrid Thermally Efficient Core (HyTEC) project: صفحة مشروع NASA.
المختبر (Propulsion lab)
المختبر هو الجزء العملي من المقرر. وهو هنا مجاني وللتدريب فقط، دون ساعات معتمدة.
يُجرى كل مختبر في محاكاة مجانية أو جدول بيانات، فلا توجد مخاطر مادية. لا تخلط الوقود الدافع أو تصنعه أو تحرقه، ولا تبنِ محركات لهذا المقرر. خذ فترات راحة من الشاشة، واجلس بوضعية سليمة، وأبعد الكابلات عن الممرات.
مرجع السلامة: OSHA: Walking-working surfaces (slip, trip and fall hazards)
المختبر A: مسح الدفع والكفاءة الدفعية
الأسبوع 1
الهدف: ابنِ جدول بيانات يغيّر سرعة العادم عند سرعة طيران ثابتة ويحسب الدفع والدفع النوعي والكفاءة الدفعية.
الإجراء
- اضبط ṁ = 100 kg/s وV₀ = 250 m/s.
- غيّر V_e من 300 إلى 900 m/s.
- احسب F وF/ṁ وη_p في كل صف.
- ارسم η_p مقابل الدفع النوعي وصِف المقايضة.
جدول البيانات
| V_e (m/s) | F (kN) | η_p |
|---|---|---|
| 300 | 5 | 0.909 |
| 450 | 20 | 0.714 |
| 600 | 35 | 0.588 |
| 900 | 65 | 0.435 |
قيم نموذجية محسوبة.
مثال حسابي
- F = 100 × (600 − 250) = 35 kN.
- η_p = 2/(1 + 900/250) = 0.435.
السلامة
- حاسوب فقط.
بديل منزلي أو افتراضي
- أي برنامج جداول بيانات يفي بالغرض.
NASA Glenn Beginner’s Guide: Turbofan thrust
الصلة بالكوكب: تشير NASA Glenn إلى أن المحركات التوربينية المروحية عالية الالتفاف تقارب في كفاءتها المحركات المروحية التوربينية. NASA Glenn Beginner’s Guide: Turbofan thrust
المختبر B: التسخين بالانضغاط وكفاءة برايتون
الأسبوع 2
الهدف: شاهد الغاز يسخن عند ضغطه في PhET Gas Properties، ثم جدوِل كفاءة برايتون المثالية مقابل نسبة الضغط.
الإجراء
- في PhET Gas Properties، اعزل الصندوق (حرارة ثابتة) وادفع الجدار بسرعة؛ وسجّل ارتفاع درجة الحرارة.
- في جدول بيانات، اكتب π = 10، 20، 30، 40.
- احسب η_th وT₂ انطلاقًا من 288 K.
- ارسم η_th مقابل π ولاحظ تناقص العوائد.
جدول البيانات
| π | η_th | T₂ (K) |
|---|---|---|
| 10 | 0.482 | 556 |
| 20 | 0.575 | 678 |
| 30 | 0.622 | 761 |
| 40 | 0.651 | 825 |
قيم مثالية محسوبة.
مثال حسابي
- η = 1 − 30^(−0.2857) = 0.622.
- T₂ = 288 × 40^0.2857 = 825 K.
السلامة
- حاسوب فقط.
بديل منزلي أو افتراضي
- يصلح أي متصفح وجدول بيانات.
PhET: Gas Properties · NASA Glenn Beginner’s Guide: Brayton cycle
الصلة بالكوكب: طوّر مشروع HyTEC لدى NASA تقنيات قلب محرك صغير لخفض استهلاك الوقود. NASA Aeronautics: Hybrid Thermally Efficient Core (HyTEC) project
المختبر C: بناء جداول الجريان الأيزنتروبي
الأسبوع 4
الهدف: احسب T₀/T وp₀/p وA/A* مقابل عدد ماخ للهواء وأوجد أين تكون المساحة أصغر ما يمكن.
الإجراء
- اكتب M من 0.2 إلى 3 بخطوات 0.1.
- احسب T₀/T وp₀/p وA/A*.
- ارسم A/A* وتأكد من قيمته الصغرى 1 عند M = 1.
- اقرأ نسبة المساحة التي تحتاجها فوهة ماخ 2.
جدول البيانات
| M | p₀/p | A/A* |
|---|---|---|
| 0.8 | 1.524 | 1.038 |
| 1.0 | 1.893 | 1.000 |
| 2.0 | 7.824 | 1.688 |
| 3.0 | 36.73 | 4.235 |
قيم محسوبة لـ γ = 1.4.
مثال حسابي
- p₀/p عند M = 2: 1.8^3.5 = 7.824.
- A/A* عند M = 0.8: (1/0.8)(1.128/1.2)³ = 1.038.
السلامة
- حاسوب فقط.
بديل منزلي أو افتراضي
- أي برنامج جداول بيانات يفي بالغرض.
MIT OpenCourseWare 16.50 Introduction to Propulsion Systems (Spring 2012)
الصلة بالكوكب: تذكر NASA أن صمامات RS-25 في Artemis I كانت ضمن 0.5% من القيم المتوقعة. NASA: SLS (Space Launch System) RS-25 Core Stage Engine
المختبر D: مقايضة الالتفاف في المحرك التوربيني المروحي
الأسبوع 7
الهدف: غيّر نسبة الالتفاف لقلب وسرعة مروحة ثابتين وقارن الدفع وكفاءة تيار المروحة.
الإجراء
- ثبّت ṁ_c = 100 kg/s وV_e = 450 وV_f = 300 وV₀ = 250 m/s.
- غيّر bpr من 0 إلى 12.
- احسب F ونسبة الدفع إلى حالة bpr = 0.
- ناقش لماذا تتوقف المحركات الحقيقية قرب نسب الالتفاف الحالية.
جدول البيانات
| bpr | F (kN) | النسبة |
|---|---|---|
| 0 | 20 | 1.0 |
| 5 | 45 | 2.25 |
| 10 | 70 | 3.5 |
| 12 | 80 | 4.0 |
قيم نموذجية محسوبة.
مثال حسابي
- F(5) = 45,000 + 150,000 − 150,000 = 45 kN.
- كل وحدة من bpr تضيف 100 × 50 = 5 kN.
السلامة
- حاسوب فقط.
بديل منزلي أو افتراضي
- أي برنامج جداول بيانات يفي بالغرض.
NASA Glenn Beginner’s Guide: Turbofan thrust
الصلة بالكوكب: NASA Glenn: المحرك التوربيني المروحي يولّد دفعًا أكبر بتدفق وقود القلب نفسه تقريبًا. NASA Glenn Beginner’s Guide: Turbofan thrust
المختبر E: التمدد في فوهة الصاروخ وIsp
الأسبوع 11
الهدف: احسب سرعة العادم المثالية وIsp للصاروخ مع تغير نسبة ضغط الفوهة، ثم اربط مستويات قدرة RS-25 بالدفع.
الإجراء
- استخدم γ = 1.2 وكتلة مولية 13 g/mol وT₀ = 3500 K (قيم نموذجية).
- غيّر p_e/p₀ من 0.1 إلى 0.0001.
- احسب V_e وIsp.
- جدوِل دفع RS-25 عند 104.5% و109% و111% و113% من 469856 lbf.
جدول البيانات
| p_e/p₀ | V_e (m/s) | Isp (s) |
|---|---|---|
| 0.01 | 3794 | 387 |
| 0.001 | 4286 | 437 |
قيم نموذجية محسوبة؛ مستويات RS-25 من NASA.
مثال حسابي
- V_e = √(12 × 639.5 × 3500 × (1 − 0.001^0.1667)) = 4286 m/s.
- 109% × 469856 = 512143 lbf.
السلامة
- حاسوب فقط.
بديل منزلي أو افتراضي
- أي برنامج جداول بيانات يفي بالغرض.
NASA Glenn Beginner’s Guide: Rocket thrust summary · NASA Glenn Beginner’s Guide: Specific impulse
الصلة بالكوكب: تقول NASA إن محركات RS-25 الجديدة تعمل عند 111% وإن الاختبارات وصلت إلى 113%. NASA: SLS (Space Launch System) RS-25 Core Stage Engine
المختبر F: كثافة الطاقة ومسألة SAF
الأسبوع 13
الهدف: قارن الكتلة اللازمة لحمل الطاقة نفسها بوقود الطائرات والهيدروجين السائل والبطارية وSAF أعلى طاقة.
الإجراء
- اضبط E = 43000 MJ (1000 kg من وقود الطائرات، قيمة مرجعية).
- احسب الكتلة لكل حامل طاقة.
- ارسم الكتل على محور لوغاريتمي.
- اكتب فقرة عن موضع كل خيار.
جدول البيانات
| الحامل | MJ/kg | الكتلة (kg) |
|---|---|---|
| وقود الطائرات النفاثة | 43 | 1000 |
| الهيدروجين السائل | 120 | 358 |
| البطارية | 0.25 | 172,000 |
| SAF (+12%) | 48.16 | 893 |
طاقات نوعية مرجعية؛ ومكسب طاقة SAF من DOE.
مثال حسابي
- 43,000/0.25 = 172,000 kg.
- 43,000/48.16 = 893 kg.
السلامة
- حاسوب فقط.
بديل منزلي أو افتراضي
- أي برنامج جداول بيانات يفي بالغرض.
U.S. Department of Energy: Sustainable Aviation Fuels
الصلة بالكوكب: تقول DOE إن الولايات المتحدة قادرة على إنتاج أكثر من 1 مليار طن من الكتلة الحيوية سنويًا. U.S. Department of Energy: Sustainable Aviation Fuels
مجموعات تدريب للامتحان
وقّت نفسك: نحو 10 دقائق لكل مسألة. ثم قارن بالحلول الكاملة.
مجموعة تمارين منتصف الفصل (الوحدات 1–5)
يحرك محرك 80 kg/s من 200 إلى 500 m/s. أوجد الدفع وη_p.
اعرض الحل الكامل
- F = 80 × 300.
- η_p = 2/(1 + 2.5).
الإجابة: 24 kN; 0.571.
أوجد كفاءة برايتون المثالية عند π = 25.
اعرض الحل الكامل
- 1 − 25^(−0.2857).
الإجابة: 60.1%.
أوجد T₀/T عند ماخ 2.
اعرض الحل الكامل
- 1 + 0.2 × 4.
الإجابة: 1.8.
أوجد درجة حرارة مخرج الضاغط لـ π = 20 انطلاقًا من 288 K.
اعرض الحل الكامل
- 288 × 20^0.2857.
الإجابة: 678 K.
لمحرك توربيني مروحي ṁ_c = 50 kg/s وbpr = 8 وV_e = 400 وV_f = 280 وV₀ = 240 m/s. أوجد الدفع.
اعرض الحل الكامل
- 50 × 400 + 400 × 280 − 450 × 240.
الإجابة: 24 kN.
مجموعة التدريب النهائية (الوحدات 1–10)
يولّد محرك 50 kN عند 240 m/s بحرق 0.9 kg/s من وقود قيمته 43 MJ/kg. أوجد η₀ وTSFC.
اعرض الحل الكامل
- 50,000 × 240/(0.9 × 43 × 10⁶).
- 0.9/50,000.
الإجابة: 0.310; 18 mg/(N·s).
أوجد CO₂ في الساعة لـ 0.9 kg/s من الوقود (3.16 kg/kg، مرجعي).
اعرض الحل الكامل
- 0.9 × 3600 × 3.16.
الإجابة: 10,238 kg.
أوجد V_eq لـ Isp قدره 350 s.
اعرض الحل الكامل
- 350 × 9.80665.
الإجابة: 3432 m/s.
أوجد Δv لـ V_e = 3432 m/s ونسبة كتلة 5.
اعرض الحل الكامل
- 3432 ln 5.
الإجابة: 5524 m/s.
دافع أيوني بقدرة 2 kW (η = 0.6) له V_e = 30 km/s. أوجد الدفع.
اعرض الحل الكامل
- 2 × 0.6 × 2000/30,000.
الإجابة: 0.08 N.
كم من الهيدروجين السائل (120 MJ/kg) يعادل 500 kg من وقود الطائرات (43 MJ/kg)؟
اعرض الحل الكامل
- 500 × 43/120.
الإجابة: 179 kg.
ورقة الصيغ
الثوابت
| الثابت | القيمة |
|---|---|
| الهواء (قيم مرجعية) | γ = 1.4, c_p = 1005 J/(kg·K) |
| الجاذبية المعيارية | g₀ = 9.80665 m/s² |
| 1 lbf | 4.44822 N |
| وقود الطائرات النفاثة (قيم مرجعية) | القيمة الحرارية 43 MJ/kg؛ 3.16 kg من CO₂ لكل kg محروق |
| الهيدروجين السائل (قيمة مرجعية) | القيمة الحرارية 120 MJ/kg |
| ثابت الغازات العام | 8314 J/(kmol·K) |
المصدر: NIST Guide to the SI, Appendix B.9: conversion factors
نصوص ومحاكاة مجانية
استخدم هذه المحاضرات المجانية وأدلة NASA والمحاكاة إلى جانب المقرر.
- MIT OpenCourseWare 16.50 Introduction to Propulsion Systems (Spring 2012): محاضرات MIT ومسائل مجانية في الدفع.
- MIT OpenCourseWare 16.512 Rocket Propulsion (Fall 2005): مقرر MIT مجاني في دفع الصواريخ.
- NASA Glenn Beginner’s Guide: Turbofan thrust: شرح مجاني من NASA.
- NASA Glenn Beginner’s Guide: Specific impulse: شرح مجاني من NASA.
- NASA Glenn Beginner’s Guide: Brayton cycle: شرح مجاني من NASA.
- PhET: Gas Properties: قوانين الغازات بشكل تفاعلي.
مسرد المصطلحات
- الحارق اللاحق
- احتراق بعد التوربين لدفع إضافي.
- نسبة المساحة
- A/A*، مساحة الفوهة على مساحة العنق.
- دورة برايتون
- الدورة الديناميكية الحرارية للتوربين الغازي.
- نسبة التجاوز
- تدفق المروحة على تدفق القلب.
- الجريان المختنق
- جريان صوتي عند عنق يحدّ التدفق الكتلي.
- الضاغط
- يرفع ضغط الهواء.
- دافع هول
- دافع كهربائي يستخدم مجالات متعامدة.
- أيزنتروبي
- عكوس وأديباتي.
- عدد ماخ
- السرعة على سرعة الصوت.
- الكفاءة الكلية
- قدرة الدفع على قدرة الوقود.
- نسبة الضغط
- ضغط مخرج الضاغط على ضغط المدخل.
- كفاءة الدفع
- قدرة الدفع على قدرة النفث.
- معادلة الصاروخ
- Δv = V_e ln(m₀/m_f).
- SAF
- وقود الطيران المستدام.
- الدفع النوعي
- الدفع لكل تدفق وزني للوقود الدافع.
- الدفع النوعي
- الدفع لكل وحدة تدفق هواء.
- درجة حرارة الركود
- درجة الحرارة إذا أوقف الجريان أديباتيًا.
- TSFC
- تدفق الوقود لكل وحدة دفع.
- التوربين
- يستخلص الشغل لإدارة الضاغط.
- المحرك المروحي التوربيني
- توربين غازي بمروحة التفاف.
معايير التقييم الذاتي
لا تُمنح درجة ولا ساعات معتمدة. استخدم هذا لتقيّم بصدق أين أنت في كل وحدة.
| المستوى | كيف يبدو |
|---|---|
| 4 · إتقان | يضع أحجام التحكم والمحطات، ويختار العلاقات الصحيحة، ويتحقق من الوحدات، ويشرح مقايضات الكفاءة والانبعاثات بلغة واضحة. |
| 3 · متمكن | يحل مسائل التدريب مع هفوات عرضية في الوحدات أو المحطات. |
| 2 · قيد التطور | يتبع الأمثلة المحلولة لكنه يخلط بين قيم الركود والقيم الساكنة، أو بين Isp وسرعة العادم. |
| 1 · مبتدئ | يعوّض الأرقام في الصيغ دون مخطط للمحطات؛ يحتاج إلى مراجعة الوحدة. |
الأوزان المقترحة إذا أردت درجة
| الجزء | الوزن |
|---|---|
| تمارين | 20% |
| المختبرات | 25% |
| مجموعة تدريب منتصف الفصل | 25% |
| مجموعة التدريب النهائية | 30% |
استهدف المستوى 3 أو أعلى في كل وحدة قبل الانتقال إلى الدورة التالية.



