झोत प्रचालन : एखाद्या वस्तूतून द्रायूचा (द्रवाचा किंवा वायूचा) झोत (जेट) बाहेर सोडल्याने झालेले तिचे प्रचालन (गती देण्याची क्रिया). हे प्रचालन नेहमी झोताच्या विरुद्ध दिशेने होते. प्रचालनासाठी जे एंजिन मुख्यतः वापरले जाते त्याला प्रतिक्रिया एंजिन असे संबोधिले जाते. कोणत्याही वस्तूला गती मिळण्याला विश्वातील द्रव्याचे वस्तूच्या मागच्या दिशेने प्रवेगीकरण व्हावे लागते. (न्यूटन यांचा तिसरा गतिनियम). आगगाडीच्या एंजिनाच्या चाकांची जमिनीवर, आगबोटीच्या प्रचालकाची (पंख्याची) समुद्राच्या पाण्यावर व विमानाच्या पंख्याची भोवतालच्या हवेवर अशा प्रतिक्रिया होतात. पण झोत एंजिनात ही प्रतिक्रिया एंजिनातून जाणाऱ्या हवेवर (बाहेरच्या नव्हे) होते. वरील तीन प्रकारच्या वाहनांतील दट्ट्या एंजिने किंवा टरबाइने जे प्रत्यक्ष कार्य करतात ते प्रतिक्रियात्मक नसून क्रियात्मक (चाके व पंखा फिरविण्याचे) असते. म्हणून त्यांना वरील संज्ञा न लावता क्रिया एंजिने असेच म्हणतात. प्रतिक्रिया एंजिनाचे प्रत्यक्ष कार्यच प्रतिक्रियात्मक असते. झोत प्रचालन झोत (जेट) विमानात, क्षेपणास्त्रात, रॉकेटात व अवकाशयानात वापरतात. उथळ पाण्यात वावरणाऱ्या पडावांनाही झोत प्रचालनाची (पंख्याऐवजी) योजना करतात. पण त्यातील एंजिने झोत एंजिने नसून नेहमीची दट्ट्याची क्रिया एंजिने असतात. फक्त प्रचालन पंपित (पंपाने खेचलेल्या) पाण्याच्या झोताने होत असते.

इतिहास : हीरो (इ. स. दुसरे-तिसरे शतक) या ॲलेक्झांड्रियाच्या ग्रीक शास्त्रज्ञांनी दोन प्रोथांतून (तोट्यांतून) बाहेर पडणाऱ्या वाफेच्या झोताने फिरणारा गोळा असलेले एक साधन (आ. १) बनविल्याचे नमूद आहे. यात गोळा झोत प्रचालनानेच फिरत होता. व्यवहारात या तत्त्वाचा उपयोग हिरवळीवर पाणी शिंपडण्याचे यंत्र, शोभेच्या दारूकामातील अग्निबाण, चक्रे वगैरेंत केलेला आढळतो.

आ. १. हिरो यांचे (प्रतिक्रिया) वाफ एंजिन : (१) पाणी तापविण्याचे बंद भांडे, (२) पोकळ गोळा, (३) वाफवाहक नळांचे गोळ्याचे आधार, (४) वाफ बाहेर पडण्याच्या वाफवलेल्या तोट्या.

या तत्त्वावर विमानाचे प्रचालन करण्यास उपयुक्त ठरेल अशा तऱ्हेचे एंजिन बनविण्याचे प्रयत्न कित्येक देशांत झाले. पण जर्मन हाइंगकेल विमान कंपनीने एच ई १७८ हे या जातीचे पहिले विमान १९३९ मध्ये यशस्वीपणे उडविले. या मागोमाग इंग्लंडातील फ्रँक व्हिटल यांचे या तऱ्हेच्या विमानातील १९४१ मधील उड्डाण अमेरिकेतील बेल एअरक्राफ्ट कॉर्पोरेशनच्या बेल एक्स पी ५९ ए या विमानाचे उड्डाण या प्रयत्नांनी झोत प्रचालन पद्धतीचे पाय घट्ट रोवले गेले. त्यानंतर या क्षेत्रातील प्रगती फार झपाट्याने झाली असून आज प्रचालक (पंख्याच्या साहाय्याने होणाऱ्या) प्रचालनाला केवळ दुय्यम स्थान मिळाले आहे. सर्वसाधारणपणे ताशी ७०० किमी. पेक्षा जास्त वेगाने जाणाऱ्या विमानांसाठी प्रचालक अकार्यक्षम ठरतो व त्यांना झोत प्रचालनाचाच (झोत एंजिनाचाच) उपयोग करावा लागतो. अवकाशात हवाच नसल्यामुळे तेथे प्रचालक अशक्य ठरतो व म्हणून अवकाशयाने केवळ झोत (रॉकेट) एंजिनावरच अवलंबून असतात. झोत एंजिनाचा विकास प्रामुख्यने विमानांच्या आणि अवकाशयानांच्या संदर्भात झाला आणि त्यामुळे झोत एंजिन आणि झोत विमान यांचा निर्देश जोडीने होणे अपरिहार्य आहे.

प्रचालक प्रचालन व झोत प्रचालन यांची तुलना : पंखाजन्य व झोतजन्य प्रचालन यांची तुलना करता असे आढळून येते की, या दोन्ही प्रकारांत वर म्हटल्याप्रमाणे प्रत्यक्ष चालना प्रतिक्रियात्मकच असते पण पंखा मोठ्या वजनाच्या माध्यमात (मोठ्या राशीत) थोडा प्रवेग उत्पन्न करतो, तर झोत एंजिन थोड्या वजनाच्या माध्यमात (लहान राशीत) खूप प्रवेग निर्माण करते. मागे फेकावयाच्या माध्यमाची गतिज ऊर्जा, म्हणजेच चालन निर्मितीसाठी खर्च होणारी ऊर्जा, माध्यमाच्या वेगाच्या वर्गाच्या प्रमाणात असल्याने पंखाजन्य प्रचालन यादृष्टीने अधिक कार्यक्षम असते. पण पंख्याच्या टोकाचा वेग ध्वनीच्या वेगाच्या जवळ जवळ येताच पंख्याची कार्यक्षमता (काक्ष.) शीघ्रतेने घटते व साधारणपणे विमानाचा वेग ताशी ७०० किमी. पेक्षा जास्त हवा असल्यास त्यासाठी पंखाजन्य प्रचालन अशक्य होते. याउलट विमानाच्या वाढत्या वेगाबरोबर झोत प्रचालनाची काक्ष. वाढत जाते. याच गुणधर्मामुळे साधारण ताशी ५०० ते ७०० किमी. वेग असलेल्या विमानांसाठी पंखा व झोत या दोहोंचाही उपयोग केलेला तिसरा प्रकार टर्बोप्रॉप हा जन्मास आला व तो या वेगटप्प्यात जास्त कार्यक्षम असतो.

आ. २. क्षेपणास्त्रातील रॉकेट एंजिन : (१) बाहेरील कवच, (२) इंधन टाकी, (३) द्रव ऑक्सिजन टाकी, (४) ज्वलन कक्ष (एंजिन), (५) इंधन नळ, (६) ऑक्सिजन नळ, (७) निष्कास प्रोथ, (८) स्फोटक द्रव्य, (९) स्थिरक पंख.

झोत एंजिन : आज वापरात असलेली झोत एंजिने मूलतः ऊष्मा एंजिने असून ती इंधनावरील रासायनिक क्रियेने, ज्वलनने उष्णता उत्पन्न करतात व नंतर तिचे प्रत्यक्ष (भौतिक) प्रेरणेत म्हणजे रेट्यात रूपांतर करतात. या एंजिनाचे रॉकेट एंजिन व विमान झोत एंजिन असे दोन मुख्य प्रकार आहेत. दुसऱ्याचे काही उपप्रकारही आहेत.

रॉकेट एंजिन : यात व विमान झोत एंजिनात मुख्य फरक हा आहे की, यातील इंधनाच्या ज्वलनासाठी हे विमान एंजिनाप्रमाणे बाहेरची हवा (हवेतील ऑक्सिजन) वापरीत नाही, इंधनाबरोबर ज्वलनासाठी लागणारा सर्व ऑक्सिजन एंजिनातच ठेवलेला असतो. रॉकेट एंजिनाची म्हणजेच मूलभूत झोत एंजिनाची रचना व कार्यपद्धती आ. २ वरून समजून येईल. टाक्यांतील इंधन व ऑक्सिजन ज्वलनकक्षात येतात, तिथे ज्वलनक्रिया होते, ज्वलनाने उच्च दाबाचा वायू निर्माण होतो व तो क्षेपणास्त्रामागे फारसा दाब नसल्याने प्रोथातून वेगाने बाहेर पडतो. वायूला वेग मिळण्यासाठी ज्वलन कक्षाच्या टाक्यांकडील भागावर जो जोर येतो तोच क्षेपणास्त्राला पुढे लोटणारा रेटा होय. एंजिनने दिलेल्या रेट्यामुळे त्याच्या वाहकाला (क्षेपणास्त्राला) जो आवेग (प्रेरणा X काळ) मिळतो तो वाहकाला अति-उंचावरून लांब नेण्यास पुरेसा असतो. रॉकेट एंजिन हा झोत एंजिनाचा सर्वांत साधा प्रकार आहे. एंजिनातील प्रोथ हा अत्यंत महत्त्वाचा भाग असून प्रचालनातील काक्ष. त्याच्या अभिकल्पावर (आराखड्यावर) आणि रचनेवर अवलंबून असते.

प्रोथ: झोत प्रचालनात प्रोथ हे झोत एंजिनाचा एक अविभाज्य भागच असते. त्याचे कार्य म्हणजे त्यातून जाणाऱ्या प्रवाही माध्यमातील दाब आणि तापमान या रूपांत असणाऱ्या ऊर्जेचे गतिज ऊर्जेत (वेगात) रूपांतर करणे हे होय. प्रोथाच्या रचनेवर प्रवाही माध्यमाचा प्रवेग व वाहण्याची दिशाही अवलंबून असल्यामुळे या नळीला प्रचालन प्रोथ असेही म्हणतात. प्रोथाच्या रचनेची ‘किमान प्रवाहक्षेत्र’आणि ‘नळीची लांबी’ ही दोन मुख्य अंगे आहेत. प्रवाहक्षेत्र मोठे व लांबी कमी असल्यास वायूचा प्रवेग कमी प्रमाणात होऊन कमी प्रेरणा निर्माण होते. याच्या उलट प्रवाहक्षेत्र लहान व लांबी मोठी असल्यास प्रेरणा वाढते पण त्याबरोबरच वायूचे तापमान वाढते, वायूवर विरुद्ध दिशेने दाब वाढतो आणि घर्षणही वाढते. या सर्वांचा परिणाम म्हणून प्रचालनाची काक्ष. कमी होते. नुसत्या निमुळत्या प्रोथातून वायू जात असता जसजसा वायूचा दाब वाढवावा तसतसा प्रवाहाचे वेग वाढतो परंतु एकदा ध्वनीइतका वेग झाल्यावर दाब अधिक वाढविला, तरी प्रवाहाचा वेग ध्वनीच्या वेगापेक्षा जास्त होऊ शकत नाही. याला प्रोथाचे चोंदणे असे म्हणतात. प्रोथाच्या नळीचा सुरुवातीचा भाग निमुळता आणि पुढील उमलता केल्यास वायूचा दाब वाढवून ध्वनीपेक्षा अधिक वेगाचा प्रवाह निर्माण करता येतो. प्रोथातून वाहणाऱ्या प्रवाहाचा हा गुणधर्म खालील सूत्राने दाखविता येतो.

dV

( 1 – M2) =  –

 

dA

V

 

A


यात V = वेग, A = क्षेत्र, dV, dA = वेग व क्षेत्रातील बदल, M = प्रवाह वेग/ध्वनिवेग (म्हणजेच माख क्रमांक). या गुणधर्मामुळे ध्वनीपेक्षा कमी वेगाच्या विमानांवर नुसती निमुळती व स्वनातीत (ध्वनीपेक्षा जास्त वेगाच्या) विमानांवर निमुळती-उमलती नळी वापरतात. प्रत्यक्षात स्वनातीत विमाने उड्डाणाच्या आरंभी व शेवटी काही काळ ध्वनीपेक्षा कमी वेगाने चालवावी लागत असल्यामुळे त्यांवर बसविलेल्या प्रोथाची रचना वेळोवेळी हवी तशी बदलता येईल अशी असते.

विमान झोत एंजिन : या जातीच्या एंजिनाचे उपप्रकार एंजिनाला इंधनाच्या ज्वलनासाठी लागणारी हवा पुरविण्याच्या पद्धतीवरून प्राधान्याने झालेले आहेत. जितका हवेचा दाब जास्त तितकी कार्यमाध्यमात (वायूत–हवेत) उष्णता सामावून घेण्याची क्षमता जास्त असते. यामुळे झोत एंजिनात हवेचा दाब वाढविण्याची योजना अपरिहार्य असते. या निरनिराळ्या योजनानुसार रॅमजेट, पल्सजेट व टर्बोजेट असे विमान झोत एंजिनाचे भेद झाले आहेत.

आ. ३. रॅमजेट एंजिन : (१) नळी (कवच), (२) इंधन पुरवठा, (३) ज्वलन कक्ष (एंजिन), (४) निष्कास प्रोथ, (५) आघात तरंग (हवेचा).

रॅमजेट : या प्रकारचे विमान एंजिन म्हणजे एक नुसती विशिष्ट आकाराची नळी असते (आ. ३). विमानाच्या केवळ जोराने पुढे जाण्याच्या क्रियेने नळीच्या तोंडातून (आकृतीत डावीकडून) आत येणाऱ्या हवेचा दाब वाढतो. हवेत इंधन सोडले की, त्याचे ज्वलन होऊन दाब व तापमान वाढतात व हे वायू वेगाने प्रोथातून बाहेर पडू लागले की, विमानाला गती मिळते. अर्थातच एंजिनाचे कार्य सुरू होण्यास विमान गतिमान असावे लागते. ही सुरुवातीची गती लहानशा रॉकेट एंजिनाने देणे शक्य असते. एंजिनाने निर्माण होणाऱ्या प्रचंड प्रेरणेच्या मानाने कमी वजन, साधी व मजबूत रचना आणि इंधनाची मितव्ययता या गुणांमुळे क्षेपणास्त्र प्रचालनास ते निर्विवाद योग्य आहे. आधुनिक रॅमजेट विमान २,८०० मी. उंचीवर माख ४ (ध्वनिवेगाच्या चौपट) वेगने जाऊ शकते.

आ. ४. पल्सजेट एंजिन : (१) नळी (कवच), (२) जाळी, (३) झडपा, (४) इंधन प्रोथ, (५) ज्वलन कक्ष (एंजिन), (६) निष्कास प्रोथ.

पल्सजेट : या एंजिनाच्या हवा आत घेण्याच्या मुखावर एक जाळी असून त्यामागे दरवाजाच्या फळ्यांसारख्या झडपा असतात (आ. ४). एंजिनात (ज्वलन कक्षात) ज्वलनाने वायूचा दाब (व तापमान) वाढला की, या झडपा बंद होतात. आत असलेला ऑक्सिजन संपला की, ज्वलन बंद होते. मागील प्रोथातून जलनिर्मित ताप वायूंचे उत्सर्जन होऊन एंजिनातील दाब कमी होतो. त्यामुळे झडपा आपोआप पुन्हा उघडतात, ताजी हवा आत येते व ज्वलन सुरू होऊन क्रियांची पुनरावृत्ती होते. अशा प्रकारे अंतरित ज्वलन व अंतरित रेटा असणारे हे झोत एंजिन आहे. विमान स्थिर असताना हे एंजिन चालू करता येते, ही गोष्ट रॅमजेटच्या मानाने सुधारणाच आहे, अतिवेगाने जाताना याची काक्ष. उत्तम असते परंतु झडपा उघडता-मिटताना फार कर्कश आवाज होतो. झडपा व त्यांच्या बैठका लवकर झिजतात, हा यातील मोठा दोष आहे, या प्रकारचे एंजिन दुसऱ्या महायुद्धात जर्मन व्ही–१ जातीच्या उडत्या बाँबवर वसविले होते. नेहमीच्या व्यवहारात हे फारसे वापरले जात नाही.

आ. ५. टर्बोजेट एंजिन : (१) नळी (कवच), (२) हवा संपीडक, (३) इंधन, (४) ज्वलन कक्ष (एंजिन), (५) प्रोथ, (६) टरबाइन, (७) निष्कास प्रोथ.

टर्बोजेट : हवाई उतारू वाहतुकीसाठी वरील दोन्ही प्रकारची एंजिने उपयुक्त नाहीत. यासाठी टर्बोजेट (आ. ५) जातीचीच एंजिने वापरली जातात. या जातीच्या एंजिनात हवेचा दाब वाढविण्याकरिता एक (किंवा अधिक) संपीडक बसविलेला असतो व तो एका ⇨ वायू टरबाइनाने चालविला जातो. इंधनज्वलनाने उत्पन्न झालेल्या उच्च दाबाच्या वायूंचा सु. / भाग टरबाइन चालविण्यात खर्च होतो. उरलेला / भाग निष्कास प्रोथातून सरळ बाहेर जाऊन रेटा उत्पन्न करतो. टरबाइनाच्या निष्कास वायूचाही दाब वातावरणीय दाबापेक्षा काही प्रमाणात अधिक असतो व तोही विमानाच्या मागील प्रोथातून बाहेर पडतो. तोही रेटा उत्पन्न करण्यास मदत करतो. वायू टरबाइनाचे काम फक्त संपीडक चालविणे एवढेच असते. एंजिनाची काक्ष. चालनारंभापासून ते स्वनातीत वेगापर्यंत उच्च असते.

 याच प्रकारच्या मूळ एंजिनाचे पंखा (फॅन) व उपमार्गी (बाय पास) हे दोन पोटप्रकार प्रचारात असून त्यांत इंधनखप कमी होतो. त्यामुळे एंजिने चालवावयाला स्वस्त पडतात. बोइंग―७०७ जातीच्या अवस्वनी (ध्वनीपेक्षा थोडाच कमी वेग असलेल्या झोत विमानांवर) इंग्लिश रोल्स राइस कंपनीचे उपमार्गी टर्बोजेट किंवा अमेरिकी प्रॅट अँड व्हिटनी कंपनीचे पंखा टर्बोजेट (टर्बोफॅन) प्रकारचे एंजिन बसविलेले असते. जंबोजेट―७४७ विमानात दुसऱ्याच जातीचे एंजिन वापरले आहे.

ध्वनिसीमा ओलांडणे : स्वनातीत वेगाने जाऊ शकणारे विमान जेव्हा ध्वनीचा वेग ओलांडते त्या वेळी उत्पन्न होणारे आघात तरंग विमानाच्या प्रचालनास फार मोठा अडथळा निर्माण करतात. दाबाने हवा आकुंचन पावते व याच गुणामुळे सदरील आघात तरंग उत्पन्न होतात व त्यामुळे बाँबच्या स्फोटासारखे आवाजही होतात. वरील अडथळा आक्रमून जाण्यासाठी (ओलांडण्यासाठी) या अवस्थेत एंजिनाची प्रेरणा फार मोठ्या प्रमाणावर वाढवावी लागते. गती स्वनातीत झाल्यावर प्रेरणा मग पुन्हा कमी होते म्हणून ध्वनिसीमा आक्रमिण्याकरिता मूळ एंजिनाचे आकारमान व वजन न वाढविता प्रेरणावृद्धीची तात्पुरती व्यवस्था करणे सयुक्तिक असते. यासाठी टरबाइनाच्या मागे अधिक इंधन जाळून उत्सर्जित वायूची गती वाढवितात. या सोप्या रीतीने क्षणिक प्रेरणावृद्धीचे काम भागवता येते.


इंधन : रॉकेट एंजिनासाठी अल्कोहॉल, पेट्रोल, केरोसीन, हायड्रॅझीन, हायड्रोजन, अमोनिया ॲनिसिलिन ही द्रव इंधने व ऑक्सिजन, हायड्रोजन पर-ऑक्साइड आणि नायट्रिक अम्ल ही ज्वलन साहाय्यके म्हणून वापरतात. घन इंधनात पोटॅशियम पर क्लोराइड व केरोसीन मिश्रित अस्फाल्ट ही मुख्य आहेत. विमानांच्या झोत एंजिनांसाठी सांप्रत खनिज तेल (पेट्रोलियम) आधारित द्रव इंधनेच वापरात आहेत [⟶ इंधन].

आ. ६. ब्रेटन आवर्तन : (१―२) संपीडन, (२―३) उष्णता भरण. (३―४) प्रसरण. (४―१) उष्णता उत्सर्जन वा. दा.―वातावरणीय दाब.

ब्रेटन आवर्तन : झोत एंजिनात घडून येणाऱ्या क्रिया ब्रेटन आवर्तनानुसार असतात (आ. ६). हवेचा दाब वाढविणे, तीत उष्णता भरणे, हवेचे प्रसरण घडविणे व शेवटी उष्णतेचे उत्सर्जन करणे या क्रिया आ. ६ मधील दाब-घनफळ रेखाकृतीवरून स्पष्ट होतात.

झोत प्रचालन सिद्धांत : झोत एंजिनात निर्माण होणारी प्रेरणा (रेटा) त्यातून जाणाऱ्या वायूच्या प्रती सेंकद संवेग (वायूचे वस्तुमान X वेग X प्रती सेंकद) बदलाइतकी असते. उत्सर्जन गती कायम असता विमानात शिरणाऱ्या हवेची (मूळ) गती (वेग), म्हणजेच विमानाची गती वाढल्यास दोन्ही गतींतील फरक कमी होईल व प्रेरणा घटेल. परंतु प्रत्याक्षात विमानाच्या पुढे जाण्याच्या गतीमुळे एंजिनाच्या मुखातून आत येणाऱ्या हवेचा दाब आपोआप वाढतो व साधारणपणे ५०० किमी. वेगानंतर प्रेरणा न घटता वाढूच लागते. स्वनातीत वेग असताना तर हवेच्या या वाढत्या दाबात निर्माण होणारी प्रेरणा मूळच्या प्रेरणेपेक्षाही अधिक असते. एंजिनाने निर्माण केलेल्या प्रेरणेचा विमानाच्या प्रचालनास उपयोगी पडणारा भाग प्रचालन काक्ष. वर अवलंबून असतो. ही काक्ष. हवेच्या मूळ व उत्सर्जित गतीच्या प्रमाणाशी निगडीत असते. याचाच अर्थ असा की, तत्त्वतः उत्सर्जन गती मूळ गतीइतकी असता

प्रचालन काक्ष. = 

२ 

उत्सर्जन गती 

+ १ 

मूळ गती

प्रचालन काक्ष. १०० टक्के होते. म्हणूनच पंखा वा उपमार्गी एंजिनात शुद्ध टर्बोजेट एंजिनापेक्षा उत्सर्जित हवेची गती कमी असल्याने त्यांची प्रचालन काक्ष. अधिक असते. विमानाची आकाशातील उंची जसजशी वाढते तसतशी हवेची घनता कमी झाल्याने एंजिनाची प्रेरणा घटते परंतु तापमानही कमी असल्याने संपीडकाची काक्ष. वाढून इंधनाची बचतच होते.

नजिकच्या भविष्यकाळात अवकाशांतील प्रवासास महत्त्व येणार असल्याने झोत एंजिनात प्रगती होणे अपरिहार्य आहे. या दृष्टीने शास्त्रज्ञांचे अधिक कार्यक्षम व दूरच्या प्रवासास योग्य असे आयनी (विद्युत् भारित अणू, रेणू व अणुगट यांच्या झोताच्या साहाय्यने होणारे) प्रचालन वापरण्याचे प्रयत्न चालू आहेत.

पहा : रॉकेट विमानाचे एंजिन.

संदर्भ :

1. Borden, N. E. Jet Emgine Fundamentals, New York, 1967.

2. McMahon, P. J. Teach Yourself Jet Engines and Jet propulsion, New York, 1964.

3. Mumford, N. Hesse, W. Jet Propulsion for Aerospace Applications, New York, 1964.

4. Zucrow, M. S. Aircraft and Missile Propulsion, 2 Vols., New York, 1958.

निमकर, द. पां. करंदीकर, शं. वा.

Close Menu
Skip to content