מבוא: ההודעה המצערת של אורן מה-17 ביוני 2006 שנכתבה בעקבות התרסקות דגם המיג 29 המונע במנוע סילוני הזכירה לי, שלמעשה אין לי כל מושג מהו עיקרון הפעולה של מנוע סילון, ובוודאי לא מנוע סילון של טיסנים. בחיפוש שערכתי בכל כתבי העת השונים אותם אני שומר, מצאתי כתבה שפורסמה בנובמבר 2004, בירחון Machine Design, המתארת בלשון פשוטה ועממית כמה מן העקרונות הבסיסיים של פעולת מנוע סילון תוך התמקדות במנועי סילון המיועדים לטיסנים. הכתבה נכתבה במקור על ידי Bob Webster ונערכה לדפוס על ידי Stephen Mraz.

 

 

במהלך חצי המאה האחרונה, בה הושקעו משאבים רבים במחקר ופיתוח, הפכו מנועי הסילון לחזקים יותר, יעילים יותר, ויחסית - שקטים יותר. הפיתוח הרחיב את מעטפת הביצועים של מימד חשוב נוסף: הגודל. מנועי הסילון הופכים לקטנים יותר. הרבה יותר קטנים. קטנים עד כדי כך, שלחובבים ולבוני דגמים, ישנה גישה למנועי סילון קטנים ואמינים המתאימים לדגמים של מטוסי סילון, טורבו-פרופ ומסוקים.

גודל ודלק

הקוטר של מנועי הסילון המיועדים לטיסנים נע בין 7.6 ל-12.7 סנטימטרים, הם שוקלים בין 0.9 ל-2.2 קילוגרם, ומייצרים דחף של בין 5.4 ל-20.4 קילוגרם. בתוספת של תיבת הילוכים מתאימה, ניתן להשתמש במנועים אלו בדגמי מטוסים עם מדחפים או בדגמי מסוקים, וזאת, כאשר הם מספקים יחס מצויין של הספק למשקל. המחירים של מנועים אלו נעים בין 2,000$ ל-4,500$ ומעלה, תלוי בגודלם, ובאביזרים הנוספים הנרכשים עימם.

בדומה למנועי הסילון בגודל מלא, דוחסים מנועים אלו אויר אל תוך תא שריפה באמצעות להבי דחיסה. בתא זה, מתבצעת בעירה של תערובת הדלק והאויר הדחוס, והפליטה הנפלטת מכך, מסובבת טורבינת כח המייצרת דחף. ציר מסתובב מחבר בין הטורבינה והמדחס. שיקולים כלכליים גורמים לשימוש במדחס ובטורבינת כח בעלי דרגה אחת. טורבינת הכח ותא השריפה בנויים בדרך כלל מחומר מיוחד שעמיד בחום גבוה (NiCrFe).

 במנועים קטנים, מספרי ה-Raynolds נמוכים יותר – גם אם זרימת האויר דרכם זהה לזו שבמנועים גדולים. במילים אחרות, האויר נראה יותר דליל, או, "פחות צמיגי" במנועים הקטנים. כדי להתמודד עם התופעה הזו, המנועים עושים שימוש במדחס צנטריפוגלי הזהה בדרך כלל למדגש טורבו של מכוניות נוסעים, ולכן, ניתן לקנייה כמוצר מוגמר. מספרי Raynolds נמוכים וגודל מצומצם יחסית, באים לידי ביטוי גם בהפחתת מספרם של להבי הטורבינה ובהגדלתם – יחסית לקוטר המנוע.

על מנת לייצר את ההספק הרצוי, תוך שימוש באויר דליל יותר, על מנועי הדגמים להסתובב במהירות של 110,000 ל- 175,000 סיבובים לדקה – פי שלוש מהר יותר ממנועי סילון בגודל אמיתי. הציר המסתובב מעוגן על ידי מיסבים מיוחדים העשויים חרסינה ומתכת – כאשר כדורי המיסב עשויים חרסינה ונמצאים בין שרוולי מתכת. רק מיסבים קרמיים מהסוג שתואר כאן, יכולים לעמוד במהירויות סיבוב גבוהות כל כך.

במנועים מהדור הישן, השתמשו במאגרי שמן לשימון המיסבים בזמן פעולתם להקטנת החיכוך. בתכנונים חדשים יותר, לא נעשה יותר שימוש בשמן, אלא, בדלק המוזלף על המיסבים בזמן שהם מסתובבים. הדלק הוא תערובת של דלק סילוני ושמן טורבינות במינון של שלושה עד חמישה אחוזים.

מאחר ולפעולת מנוע סילון דרוש אויר דחוס, ומאחר ורק סיבוב מהיר של המנוע דוחס את האויר במדחס, נשאלת השאלה – כיצד מתחיל כל התהליך?

לשם יצירת אויר דחוס במדחס, על המנוע להסתובב במהירות הידועה בשם מהירות קריטית. רק לאחר שיווצר במדחס מספיק אויר דחוס, ניתן יהיה למעשה להתניע את המנוע. לשם כך דרוש מקור סיבוב חיצוני. במנועי הדור הישן, היה מקובל להשתמש באויר דחוס, שהיה מאוכסן בבלוני צלילה למשל, והיה משוחרר בלחץ רב על מנת לסובב את הטורבינה עד שהגיעה למהירות הקריטית. בשנים האחרונות, פיתחו היצרנים מנועי סילון בעלי התנעה עצמית המתבססת על מנוע חשמלי (מתנע) המחובר למיכל קטן של דלק הצתה כגון גז בוטאן או פרופאן. המתנע מסובב את הציר הראשי, ודלק ההצתה מוזרם לתא השריפה – שם הוא ניצת. מאחר וגז הבוטאן ניצת ביתר קלות מדלק סילוני, ניתן להתחיל את פעולת המנוע במהירות נמוכה המושגת באמצעות המתנע.

לאחר שהמנוע הגיע למהירות וחום גבוהים יותר, מתחילה זרימת הדלק הסילוני ואספקת דלק ההצתה מופסקת. מנגנונים אלו מאפשרים התנעה אוטומטית לחלוטין, הנשלטת על ידי מחשב ומתבצעת בשלט רחוק.

 

האלקטרוניקה

בקרת הדלק היא חלק חשוב ביותר במנועי הסילון הגדולים. עודף דלק בתזמון לא נכון עלול להרוס את המנוע בשניות. תופעה זהה יכולה להתרחש גם במנועי הסילון הקטנים. במרבית הדגמים, אספקת הדלק מבוקרת על ידי מערכת אלקטרונית המקבלת קלט מחיישנים שונים המותקנים במנוע כגון: טמפרטורת הגזים הנפלטים, מספר הסיבובים לדקה, מהירות המטוס באויר וכיוצא באלו. כאשר המנוע מתחמם יתר על המידה, אספקת הדלק למנוע מופחתת.

החום הנמדד מגזי הפליטה (Exhaust Gas Temperature - EGT) של מנועי הסילון לטיסנים נע בין 500 ל- 700 מעלות צלסיוס, ואינו רחוק מזה הנמדד במנועי הגודל המלא. במידה וה-EGT עולה בהרבה מעל לחום הנקוב – נזק עלול להגרם למנוע. מערכת הבקרה האלקטרונית, העוקבת ומבקרת את כמות הדלק המסופק למנוע, נכנסת לפעולה ומווסתת את המצערת לרמה של 75% לזמן מה, ואף ל- 50% במידה וה-EGT עדיין לא הגיעה לרמות הרצויות.

חובבים רבים מחברים את מערכת הבקרה האלקטרונית למחשב נייד, או לחילופין, למערכת בקרה קרקעית, בזמן ההכנות לטיסה. זה נעשה, על מנת לבדוק את ה-EGT, סל"ד, מצב מצערת, מצב משאבת הדלק ומידע חיוני נוסף. מספר יצרנים מאפשרים למשתמשים לכוון בעצמם מספר משתנים שונים כגון קצב זרימת הדלק, מגבלות טווחי פעולה שונים, התנהגות במצבי כשל (Fail Safe) ועוד.

 

צריכת הדלק משתנה בהתאם לגודל המנוע ונעה בין 207 מיליליטר לדקה במנועים המייצרים דחף של 5.4 קילוגרם, ל-354 מיליליטר לדקה במנועים עם דחף של 11.3 עד 13.6 קילוגרם. למרות הנצילות הסבירה של מנועי הסילון, היא הרבה יותר מצומצמת מזו של מנועי הבוכנה – כפי שקורה גם במנועי הגודל המלא.

בממוצע, כמות הדלק הנישאת בטיסן המונע במנוע סילון, עומדת על בין 1.4 ל-2.8 ליטר לכל 4.5 קילוגרם של דחף. ברב המקרים, טיסני הסילון נושאים בתוכם כמות גדולה יותר של דלק. מיכלי הדלק עשויים מחומרים מרוכבים (למשל Kevlar) וממוקמים בגוף או בכנפיים.

הביצועים המתקבלים ממנועי סילון בעלי דחף של 20.4 קילוגרם מרשימים ביותר. לא מעט מהדגמים, טסים במהירות של למעלה מ-320 קילומטר לשעה ויכולים אף להאיץ אנכית כלפי מעלה. כפי שניתן לנחש, השליטה על טיסנים כאלו מהווה אתגר לא פשוט, כאשר הם טסים במהיריות כאלו ונשלטים מנקודה נייחת על הקרקע. במהירות טיסה של 320 קילומטר לשעה, הטיסן ייראה כנקודה באופק תוך פרק זמן של עשר שניות בלבד!

אתגר נוסף הכרוך בהטסת דגמים סילוניים הוא שלב הנחיתה. מהירות ההמראות והנחיתות של דגמים אלו נעות בין כ-48 ל-72 קילומטר לשעה כאשר מהירות ההזדקרות שלהם נעה בין 48 ל-56 קילומטר לשעה. לכן, ישנם מטיסים המשתמשים במצנח האטה על מנת להאיט את מהירות הטיסן בזמן הנחיתה ובכך גם מיתקצר אורך המסלול הדרוש לביצועה.

כללי הבטיחות של ה- AMA (Academy of Model Aeronautics), הגוף המאגד תחתיו את כל מועדוני התעופה בארצות הברית, קובעים מגבלת מהירות של 321.8 קילומטר לשעה, מגבלת דחף של 20.4 קילוגרם לטיסן בעל מנוע בודד, וכן, על כל טיסן, לכלול מערכת אוטומטית לכיבוי המנוע במידה והקשר עם המשדר, הנמצא בידי המטיס, אבד לפרק זמן של יותר משתי שניות.

ומה באופק?

פיתוחים שונים מתבצעים לא רק על ידי הייצרנים השונים, אלא, גם על ידי יחידים וצוותים קטנים המנסים, ללא לאות, למתוח את מעטפת הביצועים. איוולד שוסטר (Ewald Schuster), למשל, פיתח מנוע מניפה לטיסנים, מערכת דחף מתכוננת לשם ביצוע המראות ונחיתות אנכיות ובנוסף גם, מנוע טורבו-סילוני (Turbojet) ששוקל רק 184.2 גרם ומספק 1.8 קילוגרם דחף. מנועי סילון מוקטנים עם מערכות דחיסה וטורבינות כפולות שלבים נבנים גם הם.

 

גם מכוני מחקר אקדמאי וגופי מימשל עוסקים בפיתוחם של מנועים מהסוג הזה. תחת חסות הסוכנות למחקר הגנה מתקדמת (DARPA) חברה בשם M-Dot פיתחה, בנתה ובחנה מנוע סילון המייצר דחף של 0.63 קילוגרם, בגודל של סוללת ½1 וולט מסוג D. באופן טבעי, הצבא האמריקאי מגלה עניין במנועים אלו.

באנגליה, חובב טיסנאות, צייד את כיסא הגלגלים של חמתו במנוע סילון, שהביא אותו למהירות מירבית של 96.5 קילומטר לשעה (והוא משתמש בו על מנת לגייס כסף למלחמה במחלת הפרקינסון).

חוקרים מתקדמים יותר מנצלים התקדמות בתחום המערכות מיקרו אלקרו-מכניות (MEMS) לשימוש בבניית מנועי סילון קטנים במיוחד, שקוטרם אינו עולה על 10mm. באוניברסיטת MIT, הצליחו לבנות ולהפעיל מנוע בקוטר של 4mm. השימוש המיועד למנועים זעירים אלו, שגודלם כגודל כפתור, הוא בתחליפי מקור אנרגייה של סוללות.