ระบบขับเคลื่อนไอพ่น

การขับเคลื่อนด้วยไอพ่นคือการผลักดันวัตถุไปในทิศทางเดียว โดยการพ่นไอของของเหลว ออกไป ในทิศทางตรงกันข้าม ตามกฎข้อที่สามของนิวตันวัตถุที่เคลื่อนที่จะถูกผลักดันไปในทิศทางตรงกันข้ามกับไอพ่นเครื่องยนต์ปฏิกิริยาที่ทำงานบนหลักการขับเคลื่อนด้วยไอพ่น ได้แก่เครื่องยนต์ไอพ่นที่ใช้ในการขับเคลื่อนเครื่องบินเครื่องยนต์ปั๊มไอพ่นที่ใช้ในการขับเคลื่อนเรือและเครื่องยนต์จรวดและ เครื่องยนต์ ขับดันพลาสมาที่ใช้ในการขับเคลื่อนยานอวกาศการขับเคลื่อนด้วยไอพ่นใต้น้ำยังถูกใช้โดยสัตว์ทะเลหลายชนิด รวมถึงเซฟาโลพอดและซัลป์โดยปลาหมึกบินได้แสดงให้เห็นถึงตัวอย่างเดียวที่รู้จักของการบินในอากาศด้วยพลังไอพ่นในอาณาจักรสัตว์
ฟิสิกส์
การขับเคลื่อนด้วยไอพ่นเกิดขึ้นจากเครื่องยนต์ปฏิกิริยา บางชนิด หรือสัตว์ เมื่อแรงขับถูกสร้างขึ้นโดยไอพ่นของของเหลว ที่เคลื่อนที่เร็ว ตามกฎการเคลื่อนที่ของนิวตันจะมีประสิทธิภาพมากที่สุดเมื่อเลขเรย์โนลด์สูง นั่นคือ วัตถุที่ถูกขับเคลื่อนมีขนาดค่อนข้างใหญ่และเคลื่อนที่ผ่านตัวกลางที่มีความหนืดต่ำ[ 1 ]
ในสัตว์ เจ็ทที่มีประสิทธิภาพมากที่สุดจะเป็นแบบพัลส์มากกว่าแบบต่อเนื่อง[ 2 ]อย่างน้อยที่สุดเมื่อเลขเรย์โนลด์มากกว่า 6 [ 3 ]
แรงขับจำเพาะ
แรงดลจำเพาะ (โดยทั่วไปย่อว่าI ) เป็นการวัดประสิทธิภาพ การใช้เชื้อเพลิงของ จรวดหรือ การใช้เชื้อเพลิง ของเครื่องยนต์ไอพ่นตามคำจำกัดความ แรงดลจำเพาะคือแรงดลทั้งหมด (หรือการเปลี่ยนแปลงโมเมนตัม ) ที่ส่งต่อหน่วยของเชื้อเพลิงที่ใช้ไป[ 4 ]และมีมิติเทียบเท่ากับแรงขับ ที่เกิด ขึ้นหารด้วยอัตราการไหลของมวล เชื้อเพลิง หรืออัตราการไหลของน้ำหนักเชื้อเพลิง[ 5 ]หากใช้มวล ( กิโลกรัมปอนด์มวลหรือสลัก ) เป็นหน่วยของเชื้อเพลิง แรงดลจำเพาะจะมีหน่วยเป็น ความเร็วหากใช้น้ำหนัก ( นิวตันหรือปอนด์แรง ) แทน แรงดลจำเพาะจะมีหน่วยเป็นเวลา (วินาที) การคูณอัตราการไหลด้วยแรงโน้มถ่วงมาตรฐาน ( g ) จะแปลงแรงดลจำเพาะจากหน่วยมวลเป็นหน่วยน้ำหนัก[ 5 ]
ระบบขับเคลื่อนที่มีแรงขับจำเพาะสูงกว่าจะใช้มวลของเชื้อเพลิงได้อย่างมีประสิทธิภาพมากขึ้นในการสร้างแรงขับไปข้างหน้า และในกรณีของจรวด จะใช้เชื้อเพลิงน้อยลงสำหรับค่าdelta-v ที่กำหนด ตาม สมการจรวด ของTsiolkovsky [ 4 ] [ 6 ]ในจรวด หมายความว่าเครื่องยนต์จะมีประสิทธิภาพมากขึ้นในการเพิ่มระดับความสูง ระยะทาง และความเร็ว ประสิทธิภาพนี้มีความสำคัญน้อยกว่าในเครื่องยนต์ไอพ่นที่ใช้ปีกและใช้อากาศภายนอกสำหรับการเผาไหม้ และบรรทุกน้ำหนักบรรทุกที่หนักกว่าเชื้อเพลิงมาก
แรงขับจำเพาะ (Specific impulse) รวมถึงส่วนประกอบของแรงขับที่ได้จากอากาศภายนอกที่ใช้ในการเผาไหม้และถูกระบายออกไปพร้อมกับเชื้อเพลิงที่ใช้แล้ว เครื่องยนต์ไอพ่นใช้อากาศภายนอก ดังนั้นจึงมีแรงขับจำเพาะสูงกว่าเครื่องยนต์จรวดมาก แรงขับจำเพาะในแง่ของมวลเชื้อเพลิงที่ใช้ไปมีหน่วยเป็นระยะทางต่อเวลา ซึ่งเป็นความเร็วสมมติที่เรียกว่า "ความเร็วไอเสียที่มีประสิทธิภาพ" (effective exhaust velocity) ซึ่งสูงกว่า ความเร็วไอเสีย จริงเนื่องจากไม่ได้คำนึงถึงมวลของอากาศที่ใช้ในการเผาไหม้ ความเร็วไอเสียจริงและความเร็วไอเสียที่มีประสิทธิภาพจะเท่ากันในเครื่องยนต์จรวดที่ไม่ใช้อากาศ
แรงดลจำเพาะแปรผกผันกับอัตราการสิ้นเปลืองเชื้อเพลิงจำเพาะ (SFC) โดยมีความสัมพันธ์เป็นI = 1/( g ·SFC) สำหรับ SFC ในหน่วย kg/(N·s) และI = 3600/SFC สำหรับ SFC ในหน่วย lb/(lbf·hr)
แรงขับ
จากนิยามของแรงขับจำเพาะในหน่วย SI คือ:
โดยที่ V คือความเร็วไอเสียที่มีประสิทธิภาพ และคืออัตราการไหลของเชื้อเพลิงขับดัน
ประเภทของเครื่องยนต์ปฏิกิริยา
เครื่องยนต์ปฏิกิริยาสร้างแรงขับโดยการขับไล่มวลปฏิกิริยา ที่เป็นของแข็งหรือของเหลว ส่วน ระบบขับเคลื่อนด้วยไอพ่นใช้ได้เฉพาะกับเครื่องยนต์ที่ใช้มวลปฏิกิริยาที่เป็นของเหลวเท่านั้น
เครื่องยนต์เจ็ท
เครื่องยนต์ไอพ่นเป็นเครื่องยนต์ปฏิกิริยาที่ใช้อากาศโดยรอบเป็นของเสียทำงาน และเปลี่ยนอากาศนั้นให้เป็นก๊าซร้อนที่มีความดันสูง ซึ่งจะถูกขยายตัวผ่านหัวฉีด หนึ่งหรือหลายหัว ในทางเทคนิคแล้ว เครื่องยนต์ไอพ่นส่วนใหญ่เป็นกังหันก๊าซที่ทำงานตามวัฏจักรเบรย์ตันเครื่องยนต์ไอพ่นสองประเภท ได้แก่เทอร์โบไอพ่นและเทอร์โบแฟนใช้คอมเพรสเซอร์แบบไหลตามแกนหรือ แบบแรงเหวี่ยง เพื่อเพิ่มความดันก่อนการเผาไหม้และใช้กังหันเพื่อขับเคลื่อนการอัดเครื่องยนต์แรมไอพ่นทำงานได้เฉพาะที่ความเร็วบินสูงเท่านั้น เพราะไม่มีคอมเพรสเซอร์และกังหัน แต่จะอาศัยความดันไดนามิกที่เกิดจากความเร็วสูง (เรียกว่าการอัดแบบแรม) เครื่องยนต์พัลส์ไอพ่นก็ไม่มีคอมเพรสเซอร์และกังหันเช่นกัน แต่สามารถสร้างแรงขับสถิตได้และมีความเร็วสูงสุดที่จำกัด
เครื่องยนต์จรวด
จรวดสามารถปฏิบัติการได้ในสุญญากาศของอวกาศเนื่องจากตัวจรวดเองบรรทุกสารออกซิไดเซอร์แทนที่จะใช้ออกซิเจนในอากาศ หรือในกรณีของจรวดนิวเคลียร์จะให้ความร้อนแก่เชื้อเพลิงเฉื่อย (เช่นไฮโดรเจน เหลว ) โดยการบังคับให้ไหลผ่าน เครื่อง ปฏิกรณ์นิวเคลียร์
เครื่องยนต์พลาสมา
เครื่องยนต์ขับเคลื่อนพลาสมาเร่งความเร็วพลาสมาด้วยวิธีการทางแม่เหล็กไฟฟ้า
ปั๊มเจ็ท
เครื่องยนต์เจ็ทปั๊ม ซึ่งใช้ในการขับเคลื่อนเรือใช้น้ำเป็นของเหลวทำงาน โดยอัดแรงดันด้วยใบพัดแบบมีท่อปั๊มแรงเหวี่ยงหรือการผสมผสานของทั้งสองอย่าง
สัตว์ที่ขับเคลื่อนด้วยไอพ่น
สัตว์จำพวกเซฟาโลพอดเช่น ปลาหมึก ใช้การขับเคลื่อนด้วยไอพ่นเพื่อหลบหนีจากผู้ล่า อย่างรวดเร็ว และใช้กลไกอื่นๆ ในการว่ายน้ำช้าๆ ไอพ่นเกิดจากการพ่นน้ำผ่านท่อดูดซึ่งโดยทั่วไปจะแคบลงจนเหลือช่องเปิดเล็กๆ เพื่อให้ได้ความเร็วในการพ่นน้ำสูงสุด น้ำจะผ่านเหงือกก่อนที่จะพ่นออกมา ซึ่งทำหน้าที่สองอย่างคือการหายใจและการเคลื่อนที่[ 1 ]

หอยทะเล ( Gastropoda , Opisthobranchia ) ใช้กลไกที่คล้ายกัน แต่เนื่องจากไม่มีระบบประสาทที่ซับซ้อนเหมือนเซฟาโลพอดและไม่มีครีบสำหรับบังคับทิศทางการเคลื่อนที่ พวกมันจึงนำทางได้ค่อนข้างงุ่มง่ามกว่า[ 7 ]
วงจรการว่ายน้ำมีสองระยะ: (A) ระยะการผลักดัน ซึ่งสัตว์จะพ่นน้ำออกมาเพื่อเคลื่อนที่ และ (B) ระยะการกลิ้ง ซึ่งมันจะทำการตีลังกาเพื่อปรับตำแหน่งใหม่[ 7 ]
การศึกษาของ Mazzarelli (1893) ชี้ให้เห็นว่า ปู Dromiaอาจเป็นผู้ล่าของNotarchusในแทงค์ที่จำกัดซึ่งมีน้ำทะเลน้อย หอยทะเลสองตัวขาดอากาศหายใจตายหลังจากถูกปูจับไว้แน่นเป็นเวลาหลายชั่วโมง แม้ว่าจะไม่มีบาดแผลที่มองเห็นได้เมื่อผ่าดู ยังไม่ชัดเจนว่าพฤติกรรมนี้เกิดขึ้นในธรรมชาติหรือไม่ แต่ Notarchus อาจหลบหนีได้ง่ายๆ ด้วยการว่ายน้ำหากมีพื้นที่เพียงพอ[ 7 ] [ 8 ]
ปลา เทเลออสบางชนิดพัฒนาระบบขับเคลื่อนด้วยไอพ่น โดยส่งน้ำผ่านเหงือกเพื่อเสริมการเคลื่อนที่ด้วยครีบ[ 9 ] [ 10 ]
ใน ตัวอ่อน แมลงปอ บางชนิด การขับเคลื่อนด้วยแรงดันน้ำเกิดขึ้นจากการขับน้ำออกจากช่องพิเศษผ่านทางทวารหนัก ด้วยขนาดที่เล็กของสิ่งมีชีวิต ทำให้สามารถเคลื่อนที่ด้วยความเร็วสูงได้[ 11 ]
หอยเชลล์และคาร์ดิอิด [ 12 ] ไซโฟโนฟอร์ [ 13 ] ทูนิเคท (เช่นซัลป์ ) [ 14 ] [ 15 ]และแมงกะพรุนบางชนิด[ 16 ] [ 17 ] [ 18 ]ก็ใช้การขับเคลื่อนด้วยไอพ่นเช่นกัน สิ่งมีชีวิตที่ขับเคลื่อนด้วยไอพ่นได้อย่างมีประสิทธิภาพมากที่สุดคือซัลป์[ 14 ]ซึ่งใช้พลังงานน้อยกว่าปลาหมึกถึงหนึ่งลำดับ (ต่อกิโลกรัมต่อเมตร) [ 19 ]