Πώς λειτουργεί ένας κινητήρας τζετ και ποιοι είναι οι διάφοροι τύποι

Από τα τολμηρά όνειρα του Ίκαρου μέχρι τα σημερινά υπερηχητικά αεροσκάφη, ο άνθρωπος δεν σταμάτησε ποτέ να διευρύνει τα όρια του ουρανού.

Στο επίκεντρο αυτής της εναέριας κατάκτησης βρίσκεται μια επαναστατική εφεύρεση: ο κινητήρας αεριωθούμενων αεροσκαφών. Ισχυρός, πολύπλοκος και συναρπαστικός, αυτό το αριστούργημα της μηχανικής μετατρέπει την απλή καύση σε μια πρωτοφανή δύναμη ικανή να προωθήσει εκατοντάδες τόνους στα σύννεφα.

Αλλά πώς λειτουργεί πραγματικά Ποιες φυσικές αρχές και ιστορικές καινοτομίες την κατέστησαν δυνατή;

Βουτήξτε στα έγκατα αυτών των μηχανικών γιγάντων, όπου η επιστήμη συναντά την καθαρή δύναμη, και ανακαλύψτε την απίστευτη ιστορία των κινητήρων που άλλαξαν τον κόσμο.

Η ιστορία των κινητήρων τζετ: ένα επιστημονικό και τεχνικό έπος

Από την αρχαιότητα, ο άνθρωπος ονειρευόταν να κατακτήσει τους ουρανούς. Ο μύθος του Ίκαρου, ο οποίος πετάει με φτερά φτιαγμένα από φτερά πουλιών, απεικονίζει αυτή την πανάρχαια αναζήτηση. Αλλά μόνο αιώνες αργότερα η επιστήμη και η τεχνολογία μετέτρεψαν αυτό το όνειρο σε πραγματικότητα.

Οι θεωρητικές απαρχές (16ᵉ-18ᵉ αιώνες)

Τον 16ᵉ αιώνα, ο Λεονάρντο ντα Βίντσι σχεδίασε τις πρώτες ιπτάμενες μηχανές εμπνευσμένες από τα πουλιά. Ωστόσο, εκείνη την εποχή, η μόνη διαθέσιμη κινητήρια δύναμη ήταν ακόμα η μυϊκή δύναμη. Τα επιστημονικά θεμέλια της πτήσης δεν θα προκύψουν μέχρι τον 17ᵉ και 18ᵉ αιώνα χάρη στο έργο των :

• Ισαάκ Νεύτωνα (νόμοι της δυναμικής),
• Daniel Bernoulli (αρχή της αεροδυναμικής ανύψωσης).

Τα πρώτα επιτεύγματα (19ᵉ αιώνας)

Η βιομηχανική επανάσταση άνοιξε το δρόμο για συγκεκριμένα πειράματα:

• Το 1890, ο Γάλλος Clément Ader κατάφερε να απογειώσει το Éole, ένα ατμοκίνητο αεροσκάφος εμπνευσμένο από την πτήση των νυχτερίδων. Αν και δεν ήταν ιδιαίτερα ευέλικτο, αποτέλεσε ένα σημαντικό βήμα προς τα εμπρός.
• Στις 17 Δεκεμβρίου 1903, οι αδελφοί Όρβιλ και Γουίλμπουρ Ράιτ πραγματοποίησαν την πρώτη μηχανοκίνητη και ελεγχόμενη πτήση με το αεροσκάφος Flyer, το οποίο κινούνταν με κινητήρα εσωτερικής καύσης.

Η έλευση του κινητήρα τζετ (20ᵉ αιώνας)

Αν και τα πρώτα αεροσκάφη χρησιμοποιούσαν έλικες, οι περιορισμοί αυτής της τεχνολογίας ώθησαν τους μηχανικούς να αναζητήσουν μια εναλλακτική λύση. Οι εργασίες για την πρόωση με αεριωθούμενα αεροσκάφη ξεκίνησαν τη δεκαετία του 1930, με πρωτοπόρους όπως οι:

• Frank Whittle (Ηνωμένο Βασίλειο),
• Hans von Ohain (Γερμανία).

Το πρώτο επιχειρησιακό αεροσκάφος με αεριωθούμενο κινητήρα, το Messerschmitt Me 262, τέθηκε σε υπηρεσία το 1944, φέρνοντας επανάσταση στη σύγχρονη αεροπορία.

Σήμερα, οι κινητήρες τζετ κινούν την πλειονότητα των πολιτικών και στρατιωτικών αεροσκαφών, προσφέροντας ταχύτητα, ισχύ και αποτελεσματικότητα. Αυτή η ιστορία τόλμης και καινοτομίας δείχνει πώς η ανθρωπότητα έχει σπρώξει προς τα πίσω τα όρια του εφικτού.

Πώς λειτουργεί ένας κινητήρας τζετ

Προέλευση και ανάπτυξη

Ο πρώτος κινητήρας αεριωθούμενου αεροσκάφους, ή turbojet, σχεδιάστηκε από τους Γερμανούς το 1939. Ήταν, ωστόσο, το αποτέλεσμα έρευνας πολλών αιώνων.

Η λειτουργία των κινητήρων που χρησιμοποιούνται σήμερα απλοποιείται σε αυτό το βίντεο:

Η βασική αρχή

η λειτουργία ενός κινητήρα τζετ βασίζεται σε μια ακριβή ακολουθία:

1. Αναρρόφηση και συμπίεση

Ο αέρας αναρροφάται από έναν ανεμιστήρα και στη συνέχεια συμπιέζεται συνεχώς.

2. Καύση

Ο συμπιεσμένος αέρας εισέρχεται στο θάλαμο καύσης, όπου αναμιγνύεται με παραφίνη και αναφλέγεται. Η προκύπτουσα αντίδραση εκτονώνει τα αέρια σε υψηλή θερμοκρασία και υψηλή πίεση.

3. Διαστολή και πρόωση

Τα διογκωμένα αέρια εκτοξεύονται προς τα πίσω με πολύ υψηλή ταχύτητα μέσω ενός συγκλίνοντος ακροφυσίου (το οποίο στενεύει), δημιουργώντας μια ώθηση προς τα εμπρός (σύμφωνα με την αρχή του Νεύτωνα: δράση-αντίδραση).

4. Συνεχής τροφοδοσία

Καθώς τα αέρια εξέρχονται από τον συμπιεστή, κινούν έναν στρόβιλο που βρίσκεται στον ίδιο άξονα με τον συμπιεστή. Η κίνηση του στροβίλου προκαλεί την κίνηση του συμπιεστή, επιτρέποντας τη συνέχιση του κύκλου όσο ο κινητήρας τροφοδοτείται.

Αεροδυναμική υποστήριξη

Η πρόωση από μόνη της δεν είναι αρκετή: είναι η κυκλοφορία του αέρα πάνω από τα φτερά που δημιουργεί την άνωση που απαιτείται για να πετάξει το αεροσκάφος.

Τρέχουσες προκλήσεις

Οι αεροπορικές εταιρείες και οι κατασκευαστές αεροσκαφών εργάζονται συνεχώς για:

• Μείωση των εκπομπών (CO₂, σωματίδια) με τη βελτιστοποίηση των θαλάμων καύσης.
• Βελτίωση της αποδοτικότητας των καυσίμων, για παράδειγμα με κινητήρες με υψηλό λόγο παράκαμψης (όπως οι κινητήρες turbofan).
• Μείωση της κατανάλωσης καυσίμων, μια σημαντική οικονομική και περιβαλλοντική πρόκληση.

Για μια απλουστευμένη άποψη, αυτό το βίντεο εξηγεί τη διαδικασία.

Οι νόμοι της κίνησης του Νεύτωνα

Τον 17ᵉ αιώνα, ο Ισαάκ Νεύτων έθεσε τρεις θεμελιώδεις νόμους που διέπουν την κλασική μηχανική:

1. Η αρχή της αδράνειας: Ένα σώμα παραμένει σε ηρεμία ή σε ομοιόμορφη ευθύγραμμη κίνηση, εκτός αν ασκείται πάνω του μια δύναμη.
2. Η αρχή της δυναμικής: Η δύναμη που ασκείται σε ένα σώμα είναι ίση με τη μάζα του πολλαπλασιασμένη με την επιτάχυνσή του (F = m × a).
3. Η αρχή της αμοιβαίας δράσης (ή δράσης-αντίδρασης): Για κάθε δράση υπάρχει μια αντίστοιχη αντίδραση, ίσης έντασης αλλά αντίθετης κατεύθυνσης.

Εφαρμογή στην πρόωση αεριωθούμενων οχημάτων

Ο τρίτος νόμος του Νεύτωνα βρίσκεται στο επίκεντρο της λειτουργίας των κινητήρων αεριωθούμενων αεροσκαφών. Όταν ένα αεροσκάφος εκτοξεύει αέρια προς τα πίσω με μεγάλη ταχύτητα, αυτά ασκούν μια δύναμη αντίδρασης (ώθηση) που προωθεί το αεροσκάφος προς τα εμπρός. Όσο ταχύτερα και πιο ογκώδη είναι τα αέρια, τόσο μεγαλύτερη είναι η ώθηση.

Πτήση και ανύψωση αεροσκαφών

Ο ίδιος νόμος εξηγεί επίσης πώς ένα αεροσκάφος παραμένει στον αέρα:

• Οι πτέρυγες, λόγω του σχήματος και της κλίσης τους, ασκούν στον αέρα μια δύναμη προς τα κάτω (δράση).
• Σε απάντηση, ο αέρας ασκεί μια αντίθετη προς τα πάνω δύναμη, που ονομάζεται άνωση, η οποία αντισταθμίζει το βάρος του αεροσκάφους.

Με αυτόν τον τρόπο, η αντιστάθμιση των δυνάμεων (ώθηση, αντίσταση, άνωση και βάρος) επιτρέπει τη σταθερή, ελεγχόμενη πτήση.

(Σημείωση: Οι αρχές αυτές είναι επίσης απαραίτητες στην αστροναυτική, όπου η πρόωση των πυραύλων βασίζεται εξ ολοκλήρου στην εκτόξευση αερίων σύμφωνα με τον τρίτο νόμο του Νεύτωνα)

Ο πρώτος κινητήρας τζετ: μια επανάσταση στην αεροναυπηγική

Οι απαρχές: ο John Barber και ο αεριοστρόβιλος (1731)

Ήδη από το 1731, ο Άγγλος John Barber επινόησε μια ιδέα που αποτέλεσε πρόδρομο του στροβιλοκινητήρα, όταν κατέθεσε διπλώματα ευρεσιτεχνίας για έναν αεριοστρόβιλο εσωτερικής καύσης.

Ο κινητήρας του περιείχε ήδη τα βασικά στοιχεία: έναν συμπιεστή, έναν θάλαμο καύσης και έναν στρόβιλο, που τροφοδοτούνταν από καύσιμο.

Δυστυχώς, οι τεχνολογίες της εποχής δεν παρήγαγαν αρκετή ισχύ για να λειτουργήσει σωστά.

Η ανάπτυξη των αεριοστροβίλων επισκιάστηκε τότε από την επιτυχία των ατμοστροβίλων, οι οποίοι ήταν πιο αποδοτικοί εκείνη την εποχή. Μόλις τον XXᵉ αιώνα η ιδέα επανήλθε στην επιφάνεια.

Η σύγχρονη εποχή: Whittle, Von Ohain και πρόωση με αεριωθούμενα καύσιμα

Τη δεκαετία του 1930, το έργο του Ρουμάνου Henri Coandă και του Γάλλου Maxime Guillaume αναζωπύρωσε το ενδιαφέρον για την πρόωση με τζετ. Αλλά ήταν ο Βρετανός μηχανικός Sir Frank Whittle που έφερε πραγματική επανάσταση στον τομέα.

Το 1937, ο Whittle σχεδίασε έναν καινοτόμο κινητήρα στροβιλοκινητήρα: αντί να χρησιμοποιεί έναν εμβολοφόρο κινητήρα για τη συμπίεση του αέρα, εγκατέστησε έναν στρόβιλο κατάντη, αξιοποιώντας την ενέργεια των καυσαερίων για την κίνηση του συμπιεστή. Αυτή η αρχιτεκτονική έκανε τον κινητήρα ισχυρότερο και οικονομικότερο από τα εμβολοφόρα μοντέλα.

Σχεδόν ταυτόχρονα, ο Γερμανός Hans von Ohain ανέπτυξε έναν παρόμοιο κινητήρα για την εταιρεία Heinkel. Το 1939, το Heinkel He-178 έγινε το πρώτο αεριωθούμενο αεροσκάφος στον κόσμο. Ωστόσο, η παρθενική του πτήση διακόπηκε όταν ένα πουλί απορροφήθηκε από τον κινητήρα.

Η κούρσα των εξοπλισμών και η άνοδος της σύγχρονης αεροπορίας

Ο Δεύτερος Παγκόσμιος Πόλεμος επιτάχυνε την τεχνολογική πρόοδο. Η Γερμανία και το Ηνωμένο Βασίλειο βρίσκονταν σε έναν αγώνα δρόμου για τις επιδόσεις, ενώ οι Ηνωμένες Πολιτείες και η ΕΣΣΔ έφτασαν γρήγορα μετά το 1945. Η Γαλλία, που καθυστέρησε λόγω της Κατοχής, μπήκε στον ανταγωνισμό αργότερα.

Τη δεκαετία του 1950, οι κινητήρες στροβιλοκινητήρων τοποθετήθηκαν στα πρώτα πολιτικά αεροσκάφη, σηματοδοτώντας την έναρξη μιας νέας εποχής στις αερομεταφορές.

Αυτή η καινοτομία, που γεννήθηκε από μια σειρά αποτυχιών και ανακαλύψεων, μεταμόρφωσε οριστικά την αεροπορία, προσφέροντας ταχύτερα, αποδοτικότερα και πιο αξιόπιστα αεροσκάφη.

Heinkel He-178 – Πίστωση φωτογραφίας: Wikimedia Commons

Ποιοι είναι οι διάφοροι τύποι κινητήρων αεριωθούμενων αεροσκαφών

Υπάρχουν διάφορες κατηγορίες κινητήρων αεριωθούμενων αεροσκαφών, κάθε μία από τις οποίες είναι προσαρμοσμένη σε συγκεκριμένες ανάγκες:

1. Κινητήρες στροβιλοκινητήρων

Σε γενικές γραμμές, οι κινητήρες στροβιλοκινητήρων μετατρέπουν τη χημική ενέργεια που περιέχεται σε ένα καύσιμο σε κινητική ενέργεια.

Από την αρχή, η ανάπτυξη κινητήρων στροβιλοκινητήρων αποτέλεσε μια μεγάλη πρόκληση, τόσο στον στρατιωτικό όσο και στον πολιτικό τομέα.

Διακρίνονται σε δύο υποτύπους:

• Κινητήρες στροβιλοκινητήρων φυγοκεντρικού συμπιεστή: Οι κινητήρες στροβιλοκινητήρων φυγοκεντρικού συμπιεστή είναι απλοί στην κατασκευή και στιβαροί. Ωστόσο, απαιτούν κινητήρα μεγάλης διαμέτρου, ο οποίος μειώνει την τελική ταχύτητα του αεροσκάφους.
• Κινητήρες στροβιλοκινητήρων αξονικού συμπιεστή: Αυτοί είναι πιο ισχυροί χάρη σε μια σειρά ελίκων που συμπιέζουν τον αέρα. Ωστόσο, απαιτούν πιο προηγμένα υλικά.

Και στις δύο περιπτώσεις, ο κινητήρας πρέπει να είναι ικανός να αντέχει σε θερμοκρασίες έως και 2000°C.

2. Κινητήρες turbofan

Σε έναν κινητήρα στροβιλοανεμιστήρα, ένας ανεμιστήρας τοποθετείται μπροστά από τον συμπιεστή. Αναρροφά μεγαλύτερη ποσότητα αέρα, η οποία στη συνέχεια χωρίζεται σε δύο ροές:

• Πρωτογενής ροή: Η πρωτογενής ροή διέρχεται στο θάλαμο καύσης, οπότε πρόκειται για ροή θερμού αέρα.
• Δευτερεύουσα ροή: Η δευτερεύουσα ροή εκτοξεύεται απευθείας σε κάθε πλευρά του κινητήρα- πρόκειται για μια ροή κρύου 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 εμπορικά αεροσκάφη για τη βελτίωση της ώσης και τη μείωση του θορύβου του κινητήρα.

Κινητήρας παράκαμψης – Πίστωση φωτογραφίας: Wikipedia

3. Ramjets

Οι κινητήρες Ramjet χρησιμοποιούνται πλέον σε μαχητικά αεροσκάφη και πυραύλους επειδή μπορούν να φτάσουν σε πολύ υψηλές ταχύτητες.

• Πλεονεκτήματα: Η ώση τους είναι μεγαλύτερη επειδή το καύσιμο επανεισάγεται στο θάλαμο καύσης, μια διαδικασία γνωστή ως μετακαύση. Επιπλέον, δεν έχουν κινούμενα μέρη και επομένως είναι ελαφροί.
• Μειονεκτήματα: Απαιτούν μια αρχική ταχύτητα για να λειτουργήσουν και δεν αντέχουν καλά σε ακραίες θερμοκρασίες με την πάροδο του χρόνου.

Οι υπερηχητικοί κινητήρες (όπως το υβρίδιο turbojet/ramjet του Concorde) επιτυγχάνουν υπερηχητικές ταχύτητες.

4. Κινητήρες στροβιλοκινητήρων

Οι κινητήρες στροβιλοκινητήρων αυξάνουν την ώθησή τους εκτοξεύοντας όσο το δυνατόν περισσότερο αέριο. Αυτό δεν συμβαίνει με τους στροβιλοκινητήρες.

Οι στροβιλοκινητήρες βασίζονται στην περιστροφική δύναμη ενός έλικα, που είναι προσαρτημένος στο εξωτερικό του αεροσκάφους, για να παρέχει 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.

Αν θέλετε να μάθετε περισσότερα για τα διάφορα μοντέλα στροβιλοελικοφόρων, επισκεφθείτε αυτή τη σελίδα.

Πίστωση φωτογραφίας: Wikimedia Commons

5. Κινητήρες στροβιλοφόρου άξονα (για ελικόπτερα)

Οι κινητήρες στροβιλοφόρου άξονα σχεδιάστηκαν για ελικόπτερα. Όπως και οι κινητήρες στροβιλοκινητήρων, είναι εξοπλισμένοι με μια τουρμπίνα.

Τα ελικόπτερα που παράγονται σήμερα, όπως το Dauphin, διαθέτουν ελεύθερη τουρμπίνα.

Αυτός μετατρέπει την κινητική και θερμική ενέργεια των καυσαερίων σε μηχανική ενέργεια.

Επιτρέπει επίσης στα πτερύγια του ελικοπτέρου να περιστρέφονται με διαφορετική ταχύτητα από αυτή του συμπιεστή, εξασφαλίζοντας έτσι την ευστάθεια του αεροσκάφους.