گزارش تسنیم از اولین موتور سبک توربوفن ساخت ایران|‌قلب شیر در سینه پهپادهای ایرانی

گروه دفاعی خبرگزاری تسنیم- روز پنجشنبه سی ام مرداد ماه، طی مراسمی به مناسبت روز صنعت دفاعی، از اولین موتور سبک توربوفن ایرانی با نام جهش 700 و نیز خط تولید موتور ملی اوج رونمایی شد.

در گراش پیش رو به بررسی ویژگی ها و اهمیت این دو دستاورد دفاعی خواهیم پرداخت:

امکان پرواز هواپیماهای رزمی با سرعت های مافوق صوت و نیز توسعه چشمگیر هواپیماهای غیرنظامی، مدیون اختراع موتور جت است. این نوع موتورها که با مکش هوا، فشرده سازی، محترق کردن و سپس خارج کردن آن با سرعت بالا از انتهای موتور نیروی رانش ایجاد می کنند، دارای انواع مختلفی هستند.

موتورهای توربوجت به عنوان نوع پایه این موتورها، در جنگنده های جت نسل اول تا نسل سوم مورد استفاده قرار می گرفتند. این موتورها در سرعت های فراصوت کارایی بالاتری دارند اما مصرف سوخت و صدای تولیدی آنها نیز بالا است.

با ساخت موتورهای توربوفن، این دو مشکل به میزان قابل توجهی حل شد اما این نوع موتورها نیز در محدوده سرعت های فروصوت کارایی بهتری داشتند.

در این نوع موتورها یک مجموعه پره یا فن در جلوی کمپرسورها قرار گرفته است که کار مکش هوا و شتاب دهی به آن را برای عبور از مجرای اطراف هسته موتور بر عهده دارد.

با این روش به ظاهر ساده، با مصرف سوخت کمتر، نیروی رانش مشابه تولید می شود یا با مصرف همان میزان سوخت و قطر فن و مجرای بزرگتر، رانش بیشتری حاصل می شود.

تصویر گرافیکی از موتور توربوجت (بالا) و توربوفن (پائین)

برای رفع مشکل محدوده سرعتی که موتورهای توربوفن در آن کارایی بهتری دارند و در واقع برای کاربرد در هواپیماهای رزمی، موتورهای توربوفن با نسبت کنارگذر پائین ساخته شد. نسبت کنارگذر به نسبت جریان جرمی هوایی عبوری از مجرای اطراف موتور به جریان جرمی هوای عبوری از هسته موتور گفته می شود. به این ترتیب موتور توربوفن در سرعت های بالا کارایی شبیه به موتورهای توربوجت پیدا می کند اما همچنان در سرعت فروصوت مصرف سوخت و صدای تولیدی کمتری نیز دارد زیرا هوای عبوری از کنارگذر، هم بخش مهمی از نیروی رانش را ایجاد می کند و هم سبب ایجاد یک لایه کاهنده انرژی امواج صوتی می شود.

نکته مهم دیگر در مورد موتورهای توربوفن، استفاده از دو محور (شفت) تو در تو است که محور داخلی، وظیفه چرخاندن فن و برخی از طبقات یا ردیف های کمپرسور و توربین و محور بیرونی، وظیفه چرخاندن سایر ردیف ها را بر عهده دارد. این کار برای رسیدن به بالاترین بازدهی ممکن در این موتورها صورت می گیرد.

اما طراحی و ساخت موتورهای توربوفن پیچیدگی های بیشتری نسبت به توربوجت دارد. پیش از این و از دهه 1370 صنعت دفاعی کشور با ساخت موتورهای مینی جت طلوع-4 که برای کاربری های پهپادی و موشک های کروز مورد استفاده قرار می گیرد به جرگه سازندگان این موتورها وارد شده بود. بعدها نسخه های بهبود یافته این موتور نیز ساخته شد.

در زمینه موتورهای توربوفنِ موشک های کروز، اولین دستاورد به موتور موشک سومار باز می گردد که در رده مینی توربوفن قابل دسته بندی است.

تصاویری از موتور توربوجت طلوع مورد استفاده در پهپاد کرار و موشک کروز ضد کشتی نور

همانطور که در عرصه توربوجت گام بزرگ پس از خانواده موتورهای طلوع، موتور اوج بود در عرصه توربوفن نیز پس از مینی توربوفن موشک سومار، وزارت دفاع گام جهشی بلندی برای ساخت یک موتور توربوفن با ابعاد بزرگتر و قطر حدود 53 سانتیمتر و رانش بیشتر برای کاربرد در پهپادهای بزرگ و در آینده هواپیماهای تجاری سبک برداشت.

تصویری از موتور مینی توربوفن مورد استفاده در موشک کروز سومار

موتور توربوفن سبک جهش700 جدیدترین دستاورد کشور در عرصه موتورهای توربین گاز هوایی

این مسیر، به موتور پیشرفته جهش700 منجر شد که هم خود آن و هم فرایندهای ساخت آن، گام های رو به جلوی مهمی برای صنعت دفاعی کشور محسوب می شود. به طور خلاصه مهمترین نکات در مورد موتور توربوفن جهش700 شامل موارد زیر است:

• رسیدن به توانایی ساخت موتور توربوفن با وزن پائین در حدود 140 کیلوگرم و مصرف سوخت بسیار کم
• ساخت پره های توربین تک بلوری (تک کریستال) برای یک موتور هوایی
• بومی سازی سوپرآلیاژهای لازم برای قطعات داغ موتور و سایر آلیاژهای سبک موتورهای هوایی
• ساخت پره های فن با هندسه بسیار پیچیده و پیشرفته
• رسیدن به رانش 700 کیلوگرم یا 1550 پوند
• به کارگیری سامانه کنترل تمام الکترونیکی موتور
• ساخت موتور هوایی با زمان بین دو تعمیر اساسی و قابلیت اطمینان بسیار بالا
• امکان تأمین رانش وسائل پروازی برای عملکرد در ارتفاع حدود 60000 پا یا 18300 متر

ویژگی های مذکور مجموعاً سبب شده تا جهش700 در ردیف پیشرفته ترین موتورهای توربوفن هوایی قرار بگیرد که فناوری ساخت آن تنها در اختیار چند کشور و شرکت محدود قرار دارد.

پس از طی شدن مراحل تحقیقاتی و مطالعه روی نمونه های موجود و اجرای شبیه سازی های لازم، ساخت اولین نمونه و آزمایش های ابتدایی آن در سال 1399 صورت پذیرفت و در 31 مرداد 1399 به طور رسمی رونمایی و برای طی کردن آزمایش های بعدی در اختیار آزمایشگاه زمینی مربوطه قرار گرفت.

همانطور که گفته شد، یکی از مزیت های موتور توربوفن، مصرف سوخت بسیار پائین آن است. مصرف سوخت موتور جهش700 در صورتی که برابر با نمونه مشابه خارجی باشد، در حدود 13.77 گرم بر هر ثانیه کارکرد برای تولید یک کیلونیوتن نیرو است در حالیکه برای موتوری در رده طلوع-4 که از نوع توربوجت است مصرف سوخت نمونه مشابه خارجی آن در حدود 33 تا 36 گرم بر هر ثانیه کارکرد برای تولید یک کیلونیوتن نیرو است که نسبت حدوداً 2.6 برابر را نشان می دهد.

یکی از جالب توجه ترین مشخصات موتور جهش700 که در همان نگاه اول به چشم می خورد، شکل هندسی بسیار پیچیده پره های فن آن است. این شکل طراحی از دهه 1990 و با موتور توربوفن GE-90 شرکت جنرال الکتریک آمریکا شروع و بعداً در تعداد دیگری از موتورهای پیشرفته توربین گاز هوایی از نوع توربوفن مشاهده شد. بر خلاف نسل قبلی توربوفن ها که پره های فن آنها از یک تغییر ساده در هندسه بهره می بردند، این تغییر پیچیده تنها به واسطه یک فرایند بهینه سازی (Optimization) قابل دستیابی است.

شکل پیچیده پره های فن در موتور جهش700 در این تصویر به خوبی قابل مشاهده و مقایسه با موتور مینی توربوفن موشک سومار است که از طراحی ساده بهره می برد

هرچند دانش بهینه سازی و روش های آن در بسیاری از شرکتها و دانشگاه ها استفاده می شود، اما اینکه بهینه سازی روی چه پارامترهایی صورت پذیرد تا بیشترین تأثیر را در عملکرد فن و در مجموع موتور توربوفن داشته باشد خود نیاز به سطح بالاتری از مطالعه و تحقیق دارد.

پدیده های بسیار پیچیده دینامیک سیالاتی روی پره های فن و کمپرسور موتورهای توربین گاز رخ می دهد که نتایج مثبت و منفی روی عملکرد این موتورها دارد.

اطلاع دقیق از شرایط و محل وقوع آنها برای هر طراحی انجام شده متناسب با شرایط کاری پرنده به کارگیرنده موتور از جمله زمینه های پژوهشی سنگین در طراحی موتورهای توربین گاز هوایی خصوصاً از نوع توربوفن است.

تصویر برش خورده از اجزاء داخلی یک موتور توربوفن خارجی مشابه جهش700

یکی از جنبه های بسیار مهم موتور جهش700، ساخت پره های توربین به صورت تک بلوری یا سینگل کریستال است. هرچه دمای احتراق در محفظه احتراق موتور جت بالاتر رود و جریان با دمای بالاتری وارد توربین شود، کارایی موتور و نیروی بیشتری تولید می شود اما دمای بالاتر با آلیاژهای فلزی و روش های خنک کاری مرسوم موتورهای هوایی قابل تحمل نیست و نیاز به تمهیدات ویژه ای دارد.

قطعات فلزی که به طور معمول ریخته گری می شوند، در مقیاس میکروسکوپی از بلورهای متعددی تشکیل شده اند که مرز مشخصی با هم دارند. در اثر بارهای وارده به قطعه شامل بارهای مکانیکی و حرارتی این بلورها از هم فاصله گرفته و ترک ها در مقیاس میکروسکوپی شکل می گیرند. به مرور در طی دوره عمر، این ترک ها رشد کرده و مقدمه شکست قطعه را ایجاد می کنند.

همین فاصله زمانی بین ساخت قطعه و رشد ترک ها به حدی که دیگر برای عملکرد ایمن نباشد، عمر قطعه را شکل می دهد. اما قطعاتی که به صورت تک بلوری ساخته می شوند به دلیل نداشتن ترک های میکروسکوپی در فرایند ساخت، در تحمل تنش های مکانیکی و حرارتی، افزایش عمر کاری و قابلیت اطمینان بسیار بهتر عمل می کنند.

بررسی میکروسکوپی قطعات موتور توسط متخصصان کشور در صنایع ساخت موتور جت

اما ساخت یک قطعه به صورت تک بلوری یا سینگل کریستال پیچیدگی های دانشی و نیز فناورانه خاصی دارد که در واقع فوت کوزه گری سازندگان است. این پیچیدگی ها مستلزم صرف هزینه های خاصی است و خطا در فرایند ساخت می تواند به راحتی موجب شکل گرفتن قطعه به صورت چند بلوری شود.

در نتیجه، رسیدن به فرایند ساخت به صورتی که صرفه اقتصادی و کمترین قطعه چند کریستالی را داشته باشد، یکی از مزیت های رقابتی سازندگان مطرح قطعات پیشرفته خصوصاً در زمینه موتورهای هوایی در دنیا است.

ساخت موتور جهش700 نشان داد که متخصصان کشورمان پس از موفقیت در ساخت قطعات توربین گازهای زمینی با کاربرد نیروگاهی به صورت تک بلوری موفق به توسعه این قابلیت به موتورهای هوایی نیز شده اند؛ امری که تأثیر شگرفی در کاهش هزینه های دوره عمر، افزایش دوام و قابلیت اطمینان قطعات مربوطه در موتور دارد.

به طور کلی استفاده از پره های توربین تک بلوری می تواند دمای ورودی به توربین را نزدیک به 30 درصد با فرض خنک کاری مشابه افزایش دهد.

تصاویری از مراحل ماشینکاری قطعات مختلف در موتور جهش700

رانش تولیدی با موتور جهش در حدود 500 تا 700 کیلوگرم است که امکان تأمین  نیروی پیشران کافی برای پرنده هایی تا وزن 4000 کیلوگرم را ایجاد می کند. در نتیجه می توان پهپادهایی با موتور توربوفن ساخت که میزان بسیار بیشتری سوخت و سلاح نسبت به پهپادهای فعلی حمل کنند.

در بین پهپادهای شناخته شده در دنیا، پرنده مشهور RQ-170 از موتوری مشابه جهش700 استفاده می کند. به علاوه جهش700 قابلیت عملکرد مطمئن در ارتفاع بالا تا 60000 هزار پا یعنی بیش از 18 کیلومتری را دارد که ارزش عملیاتی پهپادها را در مأموریت نظارت و شناسایی بسیار بهبود می دهد.

به عنوان مثال، پهپاد مشهور گلوبال هاوک آمریکایی که 31 خرداد سال 1398 و در ارتفاع بیش از 15 کیلومتری توسط سامانه بومی موشکی سوم خرداد نیروی هوافضای سپاه شکار شد، از موتوری توربوفن استفاده می کند که قابلیت عملکرد مطمئن در ارتفاع بالا را به مدت طولانی دارد.

مصرف سوخت پائین تر موتور توربوفن جهش700 نیز به نوبه خود سبب افزایش قابل توجه مداومت پروازی پهپاد به کارگیرنده این نوع موتور خواهد شد.

موتور توربوفن جهش700 نصب شده روی سکوی آزمایش ایستای زمینی

همچنین جت های تجاری با ظرفیت 4 تا 6 سرنشین نیز از موتوری با همین رده رانش استفاده می کنند. در نتیجه موتور جهش700 می تواند به یکی از محصولات ارزشمند سرریز فناوری نظامی به غیرنظامی تبدیل شده و در زمینه طراحی و ساخت جت تجاری توسط شبکه ای از شرکت های دانش بنیان بخش خصوصی و کمک وزارت دفاع، از هم اکنون خیال طراحان از بابت موتور مطمئن با صرفه تجاری بالا راحت باشد.

طراحی و ساخت چنین جت های تجاری می تواند اشتغال قشر تحصیل کرده را در کنار صادرات دانش بنیان با ارزش افزوده بالا در یک بازه ده ساله فراهم کند.

به کارگیری شبکه محور شرکت های دانش بنیان و دانشگاه های کشور در کنار ارکان صنایع پیشرفته کشور در حوزه موتورهای توربین گاز دست به دست هم داده است تا شاهد قابلیت ساخت یکی از پیشرفته ترین دستاوردهای علمی و فنی کشور در زمینه موتورهای توربوفن باشیم که قابل مقایسه با محصولات برتر دنیا در این زمینه است.

با گذراندن آزمایش های مختلف و رسیدن به قابلیت تولید، گام بسیار مهمی برای رسیدن به موتورهای توربوفن هوایی برای هواپیماهای جنگنده برداشته می شود.

موتور توربوجت اوج هم صاحب خط تولید شد

به دنبال تدابیر ویژه رهبری در زمینه رفع محدودیت ها در مورد موتورهای هوایی، کار برای ساخت موتور به عنوان پیچیده ترین بخش هواپیما به لحظات مکانیکی و یکی از مهمترین بخشها برای رسیدن به حد بالای خوداتکایی برای تولید جنگنده، روند رو به رشد سریعی پیدا کرد.

با توجه به انتخاب پلتفرم جنگنده اف-5 در ایران برای توسعه فناوری های هواپیمای جنگنده و ساخت هواپیماهای سیمرغ، آذرخش، صاعقه و در سال های اخیر کوثر، موتور این هواپیما اولین موتوری شد که در دستور کار ساخت نمونه بومی قرار گرفت.

تجربه سالها تعمیر و نگهداری این موتور و بعداً ساخت قطعات مختلف آن برای جایگزینی با قطعات آسیب دیده یا نیازمند تعویض پایه خوبی برای پروژه مذکور شد.

در نهایت پس از ساخت کامل تمام اجزاء و قطعات این موتور که با همکاری نیروی هوایی ارتش و صنعت دفاعی کشور در وزارت دفاع صورت گرفت از اولین نمونه آزمایشی موتور بومی شده جنگنده اف-5 به نام اوج در 31 مرداد 1395 رونمایی شد.

موتور توربوجت اوج ساخت وزارت دفاع

این موتور تحت آزمایش های مختلف زمینی قرار گرفته و سپس قطعات مختلف آن بازبینی شد تا از فرایند ساخت قطعات و عمر واقعی آنها اطلاع دقیقتری به دست آمده و در صورت نیاز فرایندهای ساخت اصلاح گردد.

پس از این مرحله و بررسی کلیه اجزاء موتور پس از آزمایش ها و دریافت تأیید این مرحله، ساخت دومین نمونه که نمونه معیار تولید بود انجام شد که این موتور در مرداد 1397 به همراه رونمایی از جت جنگنده کوثر به نمایش در آمد. سپس ساخت سومین نمونه معیار تولید نیز صورت پذیرفت.

آزمایش موتور اوج روی سکوی ایستای زمینی

این موتورها نیز آزمایش های متعدد کارگاهی را پشت سر گذاشتند و سپس برای اجرای آزمایش روی هواپیمای جنگنده در حالت ایستا روی زمین، تاکسی یا حرکت سریع روی باند و در نهایت آزمایش های پرواز در سال های 1397 و 1398 روی جنگنده کوثر به کار گرفته شدند.

در نهایت با گذراندن موفق کلیه آزمایش های فنی مطابق آئین نامه های سختگیرانه روش های تولید قطعات و مونتاژ و مجموعه خط تولید صلاحیت لازم برای تولید موتور اوج به تعداد مورد سفارش را دریافت کرد و خط تولید این موتور در 31 مرداد 1399 افتتاح شد.

موتور اوج در حال نصب و آزمایش روی هواپیمای جنگنده کوثر

در مسیر ساخت و آزمایش موتور اوج، علاوه بر اجرای شبیه سازی های کامل دینامیک سیالات و انتقال حرارت، دینامیک قطعات متحرک و تحمل انواع بارهای سازه ای، مجموعه امکانات لازم برای تولید قطعات و نیز توسعه آزمایشگاه پیشرفته برای اجرای انواع سناریوهای آزمایش های زمینی و کسب قابلیت اطمینان از موتورهای تولیدی صورت پذیرفت.

سه موتور اوج تولید شده و اجزائی از موتورهای چهارم و پنجم در خط تولید

موتور جت با توجه به داشتن ماهیت دوار، یک دستگاه ارتعاشی پیچیده به شمار می رود. مدهای ارتعاشی مختلف، ازدیاد طول پره ها در اثر سرعت دورانی بالا و حرارت (در بخش توربین) و فاصله های فیزیکی بین قطعات (لقی) در حالت ایستا و دوران با حداکثر دور از جمله جنبه های مهم مورد توجه در طراحی موتور جت است.

از سوی دیگر فرایند احتراق در موتور جت به خودی خود یکی از پیچیده ترین پدیده های علمی است که نقش بسیار مهمی در شکل دهی به میزان عملکرد موتور جت دارد.

تصویری از قطعات و بخش های مختلف در خط تولید موتور اوج

گازهای داغ حاصل از این احتراق با دمای بالا با قسمت توربین موتور برخورد می کنند که ساخت پره های توربین که به مدت زمان کافی تحمل این حرارت و نیز برخورد گازها را داشته باشند یکی دیگر از جنبه های حساس طراحی و ساخت موتورهای جت است.

اندازه گیری محور یا شفت موتور اوج با دستگاه MMS که دقت های در حد کسری از میلیمتر دارد

موتور جت اوج سرعت دورانی 16500 دور بر دقیقه معادل 275 دور بر ثانیه دارد و در این سرعت دورانی بسیار زیاد کمترین عدم تعادل جرمی روی اجزاء گردنده موتور شامل کمپرسور و توربین می تواند سبب تولید نیروی زیاد و کاهش قابل توجه عمر موتور و حتی بروز پدیده شکست قطعات در حین کار موتور شود.

در واقع با رساندن موتور اوج به مرحله تولید به عنوان یک موتور عملیاتی در رده سبک، بومی سازی دانش طراحی، شبیه سازی، ساخت و آزمایش و سپس تولید موتورهای جت در کشور تثبیت شد که در نتیجه آن زمینه برای طراحی موتورهای توربوفن و توربوشفت نیمه سنگین و سنگین را در آینده نزدیک فراهم شد.

تصاویری از مونتاژ بخش های موتور اوج

تصاویر برش خورده از اجزاء داخلی موتور جت J-85 که مبنای ساخت موتور اوج بوده است

این موتور از 14900 قطعه در 5000 تنوع و 40 زیرمجموعه تشکیل شده است که خود گویای پیچیدگی و دشواری های کار بر روی این محصول راهبردی برای تولید هواپیمای جنگنده به تعداد مورد نیاز است.

علاوه بر جنگنده های قبلی سیمرغ و صاعقه، جنگنده های تولیدی جدید کوثر نیز این موتور را دریافت خواهند کرد. جت آموزشی یاسین هم به گونه بدون بخش پس سوز (After burner) از این موتور تجهیز خواهند شد.

سامانه کنترل موتور اوج از نوع هیدرومکانیکال بوده که قابل ارتقا به سامانه تمام الکترونیک (FADEC) است.

با راه اندازی خط تولید این موتور و آماده سازی سفارش 6 دستگاه برای سه جنگنده جدید کوثر، جمهوری اسلامی ایران به باشگاه کوچک کشورهای دارنده دانش طراحی، فناوری های ساخت و آزمایش و تولید عملیاتی این دسته از موتورهای جت پیوسته است.

انتهای پیام/