Πώς λειτουργεί ένας κινητήρας τζετ

Η ιστορία των κινητήρων τζετ

Από την εποχή του μύθου του Ίκαρου, στον οποίο ο Ίκαρος φτιάχνει φτερά από φτερά πουλιών και πετάει, οι άνθρωποι προσπαθούν να κατανοήσουν τον τρόπο με τον οποίο ορισμένα είδη απογειώνονται στους ουρανούς, προκειμένου να το αναπαράγουν με μηχανές. Ο Λεονάρντο ντα Βίντσι ανέπτυξε τις πρώτες ιδέες τον ^16ο αιώνα. Αλλά εκείνη την εποχή, η μόνη γνωστή κινητήρια δύναμη ήταν αυτή των ανθρώπινων μυών. Οι θεμελιώδεις αρχές που θα μας επέτρεπαν αργότερα να κατανοήσουμε πώς πετούν τα αεροσκάφη δεν θα εμφανίζονταν παρά μόνο τον 17ο και ^18ο αιώνα, με επιστήμονες όπως ο Νεύτωνας και ο Μπερνούλι. Τον ^19ο αιώνα, η βιομηχανική επανάσταση οδήγησε σε μια σειρά από τεχνικές εξελίξεις. Ο Γάλλος Clément Ader ήταν ο πρώτος που απογείωσε ένα αεροπλάνο με ατμομηχανή, χρησιμοποιώντας ως έμπνευση μια νυχτερίδα. Μια δεκαετία αργότερα, το 1903, οι αδελφοί Ράιτ πραγματοποίησαν τις πρώτες ελεγχόμενες, μηχανοκίνητες πτήσεις στην ιστορία.

Πώς λειτουργεί ένας κινητήρας τζετ

Ο πρώτος κινητήρας αεριωθούμενου κινητήρα, ή turbojet, σχεδιάστηκε από τους Γερμανούς το 1939, αλλά ήταν το αποτέλεσμα έρευνας πολλών αιώνων.

Αυτό το βίντεο εξηγεί πώς λειτουργούν οι σημερινοί κινητήρες:

Η αρχή είναι απλή:

Ο αέρας αναρροφάται από έναν ανεμιστήρα, στη συνέχεια συμπιέζεται μόνιμα και στη συνέχεια περνά σε ένα θάλαμο καύσης όπου αντιδρά με την παραφίνη και αναφλέγεται. Η προκύπτουσα αντίδραση διαστέλλει τα αέρια, τα οποία στη συνέχεια εκτοξεύονται προς τα πίσω μέσω ενός ακροφυσίου, προωθώντας το αεροσκάφος προς τα εμπρός. Τα αέρια φεύγουν με πολύ μεγάλη ταχύτητα καθώς περνούν μέσα από έναν κινητήρα αεριωθούμενου κινητήρα, το σχήμα του οποίου συρρικνώνεται.

Επιπλέον, καθώς εξέρχονται από τον κινητήρα, τα αέρια περιστρέφουν έναν στρόβιλο, ο οποίος βρίσκεται στον ίδιο άξονα με τον συμπιεστή, αμέσως μετά τον θάλαμο καύσης. Η κίνηση του στροβίλου προκαλεί την κίνηση του συμπιεστή, επιτρέποντας τη συνεχή διεξαγωγή της αντίδρασης. Το αεροσκάφος κινείται και ο αέρας που ρέει πάνω από τα φτερά του το κάνει να πετάει.

Οι αεροπορικές εταιρείες προσπαθούν συνεχώς να βελτιώνουν την απόδοση των θαλάμων καύσης για τη μείωση των εκπομπών των αεροσκαφών.

Οι νόμοι του Νεύτωνα για την κίνηση

Τον ^17ο αιώνα, ο Νεύτωνας έθεσε τρεις θεμελιώδεις νόμους για να εξηγήσει την κίνηση. Ο πρώτος είναι η αρχή της αδράνειας, ο δεύτερος η αρχή της δυναμικής. Αυτός που μας ενδιαφέρει είναι ο τρίτος νόμος του Νεύτωνα, η αρχή της αμοιβαίας δράσης.

Η αεριοπροώθηση βασίζεται στην πραγματικότητα σε αυτή την αρχή της δράσης-αντίδρασης, η οποία δηλώνει ότι για κάθε δράση υπάρχει μια ίση και αντίθετη αντίδραση. Έτσι, ο αέρας που εκτοξεύεται προς τα πίσω θα ασκήσει μια ίση και αντίθετη δύναμη στο αεροσκάφος, προωθώντας το προς τα εμπρός. Επιπλέον, όσο μεγαλύτερη είναι η ταχύτητα του πίδακα του προωθούμενου αερίου, τόσο μεγαλύτερη είναι η ώθηση.

Ο νόμος του Νεύτωνα εξηγεί επίσης πώς πετούν τα αεροσκάφη: αν η πτέρυγα ασκεί μια δύναμη στον αέρα (το βάρος της, μια δύναμη προς τα κάτω), τότε ο αέρας ασκεί μια αντίθετη δύναμη στην πτέρυγα, που ονομάζεται άνωση (προς τα πάνω). Η αντιστάθμιση αυτών των δυνάμεων διατηρεί το αεροσκάφος στον αέρα.

Ο πρώτος κινητήρας τζετ

Το 1731, ο Άγγλος John Barber άρχισε να καταθέτει διπλώματα ευρεσιτεχνίας για έναν αεριοστρόβιλο εσωτερικής καύσης, τον πρόδρομο του στροβιλοκινητήρα. Ο κινητήρας του αποτελούνταν από έναν συμπιεστή, έναν θάλαμο καύσης και έναν στρόβιλο, όλα τροφοδοτούμενα από μια εύφλεκτη ουσία. Ωστόσο, ο Μπάρμπερ δεν μπόρεσε να κάνει την εφεύρεσή του να λειτουργήσει, επειδή οι τεχνολογίες της εποχής δεν ήταν σε θέση να παράγουν επαρκή ισχύ.

Η ανάπτυξη του αεριοστρόβιλου καθυστέρησε τότε από την επιτυχία του ατμοστρόβιλου. Τελικά, μετά το έργο του Ρουμάνου Henri Coandă και του Γάλλου Maxime Guillaume τη δεκαετία του 1930, ήταν τελικά ένας Βρετανός, ο Sir Frank Whittle, που έφερε την επανάσταση στις αερομεταφορές με την πρόωση των στροβιλοκινητήρων. Αντί να χρησιμοποιήσει εμβολοφόρο κινητήρα για τη συμπίεση του αέρα, ο Whittle επέλεξε έναν κατάντη στρόβιλο που χρησιμοποιούσε την ενέργεια που παρείχαν τα καυσαέρια για να κινήσει τον συμπιεστή. Αυτός ο νέος κινητήρας ήταν πιο οικονομικός και πιο ισχυρός από έναν εμβολοφόρο κινητήρα.

Οι πρώτοι στροβιλοκινητήρες αναπτύχθηκαν ταυτόχρονα στην Αγγλία και τη Γερμανία. Ο Γερμανός Hans Von Ohain ανέπτυξε τον πρώτο κινητήρα τζετ για την εταιρεία Heinkel το 1939. Το πρώτο αεριωθούμενο αεροσκάφος ήταν το Heinkel He-178, που χρησιμοποιήθηκε για μάχες. Ωστόσο, η πρώτη πτήση ματαιώθηκε όταν ένα πουλί απορροφήθηκε από τον κινητήρα. Η κούρσα των εξοπλισμών κατά τη διάρκεια του Β’ Παγκοσμίου Πολέμου επιτάχυνε τη γέννηση της σύγχρονης αεροπορίας. Οι Ηνωμένες Πολιτείες και η Σοβιετική Ένωση έφτασαν στο τέλος του πολέμου, ακολουθούμενες από τη Γαλλία, η οποία είχε συγκρατηθεί από τη γερμανική κατοχή. Τα πρώτα πολιτικά αεροσκάφη που κινούνταν με κινητήρες τζετ εμφανίστηκαν τη δεκαετία του 1950.

Οι διάφοροι τύποι κινητήρων τζετ

Σε γενικές γραμμές, οι κινητήρες στροβιλοκινητήρων μετατρέπουν τη χημική ενέργεια που περιέχεται σε ένα καύσιμο σε κινητική ενέργεια. Η ανάπτυξη των κινητήρων στροβιλοκινητήρων αποτέλεσε εξαρχής μεγάλη πρόκληση, τόσο στον στρατιωτικό όσο και στον πολιτικό τομέα. Οι σημερινοί κινητήρες αεριωθούμενων αεροσκαφών είναι πολύ πιο πολύπλοκοι από ό,τι στο παρελθόν. Για παράδειγμα, είναι εξοπλισμένοι με αναστροφείς ώσης, οι οποίοι χρησιμεύουν για την πέδηση του αεροσκάφους. Ο πίδακας εκτρέπεται προς το μπροστινό μέρος του κινητήρα.

Υπάρχουν διάφορες υποκατηγορίες κινητήρων αεριωθούμενων αεροσκαφών:

• Φυγοκεντρικού συμπιεστή
• Κινητήρες στροβιλοκινητήρων αξονικού συμπιεστή
• Αεριοστρόβιλοι διπλής ροής
• Κινητήρες Ramjet
• Κινητήρες στροβιλοκινητήρων
• Κινητήρες ελεύθερου στροβίλου

Οι κινητήρες που περιγράφονται ανωτέρω είναι κινητήρες στροβιλοκινητήρων φυγοκεντρικού συμπιεστή. Είναι απλοί στην κατασκευή και ανθεκτικοί, αλλά το μειονέκτημα είναι ότι απαιτούν κινητήρα μεγάλης διαμέτρου, γεγονός που μειώνει την τελική ταχύτητα του αεροσκάφους. Ως εκ τούτου, εφευρέθηκαν οι αξονικοί κινητήρες στροβιλοκινητήρων. Ο αέρας συμπιέζεται μέσω μιας σειράς ελίκων και η απόδοση είναι καλύτερη, αλλά αυτό απαιτεί πιο προηγμένα υλικά. Και στις δύο περιπτώσεις, ο κινητήρας πρέπει να αντέχει σε θερμοκρασίες έως και 2000°C.

Σε έναν αντιδραστήρα παράκαμψης, ένας ανεμιστήρας τοποθετείται μπροστά από τον συμπιεστή. Αναρροφά μεγαλύτερη ποσότητα αέρα, η οποία στη συνέχεια χωρίζεται σε πρωτεύουσα και δευτερεύουσα ροή. Η πρωτογενής ροή διέρχεται από το θάλαμο καύσης, οπότε πρόκειται για ροή θερμού αέρα. Η δευτερεύουσα ροή εκτοξεύεται απευθείας από τις δύο πλευρές του κινητήρα- πρόκειται για μια ροή ψυχρού αέρα που παρέχει το 80% της ώσης. Στην έξοδο, ο ψυχρός αέρας αναμιγνύεται με τον θερμό αέρα, με αποτέλεσμα την ψύξη. Αυτό το σύστημα χρησιμοποιείται στα περισσότερα αεροσκάφη εμπορικά αεροσκάφη για τη βελτίωση της ώσης και τη μείωση του θορύβου του κινητήρα.

Οι κινητήρες Ramjet χρησιμοποιούνται τώρα σε μαχητικά αεροσκάφη και πυραύλους επειδή μπορούν να φτάσουν σε πολύ υψηλές ταχύτητες. Η ώθησή τους είναι μεγαλύτερη επειδή το καύσιμο επανεισάγεται στο θάλαμο καύσης, μια διαδικασία γνωστή ως μετακαύση. Επιπλέον, δεν έχουν κινούμενα μέρη και επομένως είναι ελαφροί. Τα μειονεκτήματα είναι ότι δεν μπορούν να λειτουργήσουν κάτω από μια ορισμένη ταχύτητα και η θερμοκρασία είναι πολύ υψηλή, η οποία δεν είναι βιώσιμη σε βάθος χρόνου για πολλά υλικά. Πρέπει επίσης να τους παρέχεται μια αρχική ταχύτητα προκειμένου να λειτουργήσουν. Οι κινητήρες superstatorjet μπορούν να φτάσουν υπερηχητικές ταχύτητες. Ο κινητήρας του Concorde ήταν ένα υβρίδιο μεταξύ ενός στροβιλοκινητήρα και ενός ramjet.

Οι κινητήρες turbojet αυξάνουν την ώση τους εκτοξεύοντας όσο το δυνατόν περισσότερο αέριο. Αυτό δεν συμβαίνει με τους στροβιλοκινητήρες. Βασίζονται στην περιστροφική δύναμη ενός έλικα, που είναι προσαρτημένος στο εξωτερικό του αεροσκάφους, για να παρέχουν το μεγαλύτερο μέρος της ώσης. Τα turboprops προσφέρουν την πιο οικονομική λύση για πτήσεις μικρών αποστάσεων. Είναι πιο αποδοτικά και καταναλώνουν λιγότερα καύσιμα, αλλά είναι περιορισμένα όσον αφορά το υψόμετρο και την απόσταση. Για να μάθετε περισσότερα σχετικά με τα διάφορα μοντέλα στροβιλοελικοφόρων, επισκεφθείτε τη διεύθυνση αυτή τη σελίδα.

Οι κινητήρες στροβιλοφόρου άξονα σχεδιάστηκαν για ελικόπτερα. Όπως και οι κινητήρες στροβιλοκινητήρων, είναι εξοπλισμένοι με έναν στρόβιλο. Τα ελικόπτερα που παράγονται σήμερα, όπως το Δελφίνι, διαθέτουν ελεύθερη τουρμπίνα. Αυτή μετατρέπει την κινητική και θερμική ενέργεια των καυσαερίων σε μηχανική ενέργεια και επιτρέπει επίσης στα πτερύγια του ελικοπτέρου να περιστρέφονται με διαφορετική ταχύτητα από εκείνη του συμπιεστή, εξασφαλίζοντας έτσι την ευστάθεια του αεροσκάφους.