Jak działa silnik odrzutowy

Historia silników odrzutowych

Od czasu mitu o Ikarze, w którym Ikar tworzy skrzydła z ptasich piór i lata, ludzie starają się zrozumieć sposób, w jaki niektóre gatunki wzbijają się w przestworza, aby odtworzyć go za pomocą maszyn. Leonardo da Vinci opracował pierwsze koncepcje w ^XVI wieku. Jednak w tamtym czasie jedyną znaną siłą napędową były ludzkie mięśnie. Fundamentalne zasady, które później pozwolą nam zrozumieć, jak latają samoloty, pojawią się dopiero w XVII i ^XVIII wieku, wraz z naukowcami takimi jak Newton i Bernoulli. W ^XIX wieku rewolucja przemysłowa doprowadziła do szeregu postępów technicznych. Francuz Clément Ader jako pierwszy wystartował samolotem z silnikiem parowym, wykorzystując nietoperza jako inspirację. Dekadę później, w 1903 roku, bracia Wright wykonali pierwszy kontrolowany lot silnikowy w historii.

Jak działa silnik odrzutowy

Pierwszy silnik odrzutowy lub turboodrzutowy został zaprojektowany przez Niemców w 1939 roku, choć był wynikiem kilku stuleci badań. Działanie silników używanych obecnie jest uproszczone w tym filmie:

Zasada jest prosta:powietrze jest zasysane przez dmuchawę, a następnie trwale sprężane; następnie przechodzi do komory spalania, gdzie reaguje z parafiną i zapala się. Powstała reakcja powoduje rozprężenie gazów, które są następnie wydmuchiwane do tyłu przez dyszę, napędzając samolot do przodu. Gazy opuszczają silnik z bardzo dużą prędkością, przechodząc przez silnik odrzutowy, którego kształt zwęża się, a gdy opuszczają silnik odrzutowy, gazy obracają turbinę, umieszczoną na tej samej osi co sprężarka, tuż za komorą spalania. Ruch turbiny powoduje ruch sprężarki, umożliwiając ciągłe zachodzenie reakcji. Linie lotnicze nieustannie starają się poprawić wydajność komór spalania, aby zmniejszyć emisję spalin przez samoloty.

Prawa ruchu Newtona

W ^XVII wieku Newton określił trzy podstawowe prawa wyjaśniające ruch. Pierwszym z nich jest zasada bezwładności, a drugim zasada dynamiki. Napęd reakcyjny opiera się na zasadzie akcja-reakcja, która mówi, że każdej akcji towarzyszy równa i przeciwna reakcja. Tak więc powietrze wyrzucane do tyłu będzie wywierać równą i przeciwną siłę na samolot, napędzając go do przodu. Siła ta nazywana jest ciągiem. Prawo Newtona wyjaśnia również, w jaki sposób latają samoloty: jeśli skrzydło wywiera siłę na powietrze (jego ciężar, w dół), wówczas powietrze wywiera przeciwną siłę na skrzydło, zwaną siłą nośną (w górę). Kompensacja tych sił utrzymuje samolot w powietrzu.

Pierwszy silnik odrzutowy

W 1731 r. Anglik John Barber zaczął rejestrować patenty na turbinę gazową wewnętrznego spalania, prekursora silnika turboodrzutowego. Jego silnik składał się ze sprężarki, komory spalania i turbiny, zasilanych łatwopalną substancją. Rozwój turbiny gazowej został opóźniony przez sukces turbiny parowej. Wreszcie, po pracach Rumuna Henri Coandă i Francuza Maxime Guillaume w latach 30. ubiegłego wieku, to w końcu Brytyjczyk, Sir Frank Whittle, zrewolucjonizował transport lotniczy dzięki napędowi turboodrzutowemu. Zamiast używać silnika tłokowego do sprężania powietrza, Whittle zdecydował się na turbinę, która wykorzystywała moc dostarczaną przez gazy spalinowe do napędzania sprężarki. Pierwsze silniki turboodrzutowe zostały opracowane jednocześnie w Anglii i Niemczech. Niemiec Hans Von Ohain opracował pierwszy silnik odrzutowy dla firmy Heinkel w 1939 roku. Pierwszym samolotem odrzutowym był Heinkel He-178, używany do walki. Jednak pierwszy lot został przerwany, gdy ptak został zassany do silnika. Wyścig zbrojeń podczas II wojny światowej przyspieszył narodziny nowoczesnego lotnictwa. Stany Zjednoczone i Związek Radziecki nadrobiły zaległości pod koniec wojny, a następnie Francja, która została powstrzymana przez niemiecką okupację. Pierwsze samoloty cywilne wykorzystujące silniki odrzutowe pojawiły się w latach 50. XX wieku

Różne typy silników odrzutowych

Ogólnie rzecz biorąc, silniki turboodrzutowe przekształcają energię chemiczną zawartą w paliwie w energię kinetyczną. Rozwój silników turboodrzutowych od samego początku stanowił poważne wyzwanie, zarówno w sferze wojskowej, jak i cywilnej. Dzisiejsze silniki odrzutowe są znacznie bardziej złożone niż w przeszłości. Na przykład, są one wyposażone w odwracacze ciągu, które służą do hamowania samolotu. Istnieje kilka podkategorii silników odrzutowych:

• Silniki odrzutowe ze sprężarką odśrodkową
• Silniki odrzutowe ze sprężarką osiową
• Silniki odrzutowe z obejściem
• Silniki strumieniowe
• Silniki turbośmigłowe
• Silniki z turbiną swobodną

Silniki opisane powyżej to silniki turboodrzutowe ze sprężarką odśrodkową. Są one proste w produkcji i wytrzymałe, ale ich wadą jest to, że wymagają silnika o dużej średnicy, co zmniejsza prędkość końcową samolotu. Dlatego też wynaleziono osiowe silniki turboodrzutowe. Powietrze jest sprężane przez szereg śmigieł, a wydajność jest lepsza, ale wymaga to bardziej zaawansowanych materiałów. W obu przypadkach silnik musi być w stanie wytrzymać temperatury do 2000°C. W silniku turbowentylatorowym wentylator jest umieszczony przed sprężarką. Zasysa on większą ilość powietrza, które jest następnie dzielone na przepływ pierwotny i wtórny. Strumień pierwotny przechodzi przez komorę spalania, więc jest to strumień gorącego powietrza. Przepływ wtórny jest wyrzucany bezpośrednio po obu stronach silnika; jest to przepływ zimnego powietrza, który zapewnia 80% ciągu. Na wylocie zimne powietrze miesza się z gorącym, powodując chłodzenie. System ten jest stosowany w większości samolotów komercyjnych, aby poprawić ciąg i zmniejszyć hałas silnika.

Silniki Ramjet są obecnie używane w myśliwcach i pociskach rakietowych, ponieważ mogą osiągać bardzo duże prędkości. Ich ciąg jest większy, ponieważ paliwo jest ponownie wtryskiwane do komory spalania, w procesie znanym jako dopalanie. Co więcej, nie mają one ruchomych części, dzięki czemu są lekkie. Wadą jest to, że nie mogą działać poniżej pewnej prędkości, a temperatura jest bardzo wysoka, co jest nietrwałe dla wielu materiałów. Aby mogły działać, muszą też mieć zapewnioną prędkość początkową. Silniki Superstatorjet mogą osiągać prędkości naddźwiękowe. Silnik Concorde był hybrydą silnika turboodrzutowego i odrzutowego. Silniki turboodrzutowe zwiększają swój ciąg poprzez wyrzucanie jak największej ilości gazu. Inaczej jest w przypadku samolotów turbośmigłowych. Polegają one na mocy obrotowej śmigła, przymocowanego na zewnątrz samolotu, aby zapewnić większość ciągu. Samoloty turbośmigłowe oferują najbardziej ekonomiczne rozwiązanie dla lotów krótkodystansowych. Są bardziej wydajne i zużywają mniej paliwa, ale są ograniczone pod względem wysokości i odległości. Jeśli chcesz dowiedzieć się więcej o różnych modelach turbośmigłowych, zajrzyj na tę stronę

Silniki turbośmigłowe zostały zaprojektowane dla helikopterów. Podobnie jak silniki turboodrzutowe, są one wyposażone w turbinę. Obecnie produkowane śmigłowce, takie jak Dauphin, mają wolną turbinę. Przekształca ona energię kinetyczną i cieplną spalin w energię mechaniczną. Umożliwia również obracanie się łopat śmigłowca z inną prędkością niż prędkość sprężarki, zapewniając tym samym stabilność samolotu.