Kuidas reaktiivmootor töötab ja millised on erinevad tüübid?

Alates Ikaruse julgetest unistustest kuni tänapäevaste ülehelikiiruselennukiteni ei ole inimene kunagi lakanud piiride laiendamisest.

Selle õhuvallutuse keskmes on revolutsiooniline leiutis: reaktiivmootor. See võimas, keeruline ja põnev inseneriteose meistriteos muudab lihtsa põlemise fenomenaalseks jõuks, mis suudab sadu tonne läbi pilvede liikuma panna.

Kuid kuidas see tegelikult töötab? Millised füüsikalised põhimõtted ja ajaloolised uuendused tegid selle võimalikuks?

Sukelduge nende mehhaaniliste hiiglaste sisemusse, kus teadus kohtub puhta jõuga, ja avastage maailma muutnud mootorite uskumatu lugu.

Reaktiivmootorite ajalugu: teaduslik ja tehniline eepos

Juba iidsetest aegadest alates on inimene unistanud taeva vallutamisest. Seda iidset püüdlust illustreerib müüt Ikarosest, kes lendas linnusulgedest valmistatud tiibadega. Kuid alles sajandeid hiljem muutsid teadus ja tehnoloogia selle unistuse reaalsuseks.

Teoreetilised algused (16ᵉ-18ᵉ sajandit)

16ᵉ sajandil visandas Leonardo da Vinci esimesed lindudest inspireeritud lennumasinad. Sel ajal oli aga ainus olemasolev liikumapanev jõud veel lihasjõud. Lennu teaduslikud alused tekkisid alles 17ᵉ ja 18ᵉ sajandil tänu :

• Isaac Newtonile (dünaamika seadused),
• Daniel Bernoulli (aerodünaamilise tõstejõu põhimõte).

Esimesed saavutused (19ᵉ sajand)

Tööstuslik revolutsioon sillutas teed konkreetsetele katsetele:

• Aastal 1890 õnnestus prantslasel Clément Aderil oma Éole, nahkhiirte lendamisest inspireeritud aurulennuk, maandada. Kuigi see ei olnud väga manööverdamisvõimeline, oli see otsustav samm edasi.
• Detsembril 1903 tegid vennad Orville ja Wilbur Wright oma sisepõlemismootoriga Flyeriga esimese mootoriga ja kontrollitava lennu.

Reaktiivmootori tulek (20. sajand)

Kuigi esimesed õhusõidukid kasutasid propellereid, ajendasid selle tehnoloogia piirangud insenere otsima alternatiivi. Töö reaktiivmootori propulsiooni kallal algas 1930. aastatel, kus pioneerid nagu nt:

• Frank Whittle (Ühendkuningriik),
• Hans von Ohain (Saksamaa).

Esimene reaktiivlennuk, Messerschmitt Me 262, võeti kasutusele 1944. aastal, mis tõi kaasa revolutsiooni kaasaegses lennunduses.

Tänapäeval kasutavad reaktiivmootorid enamikku tsiviil- ja sõjalennukeid, pakkudes kiirust, võimsust ja tõhusust. See julge ja uuenduslik lugu näitab, kuidas inimkond on nihutanud võimaluste piire.

Kuidas reaktiivmootor töötab

Päritolu ja areng

Esimese reaktiivmootori ehk turboreaktiivmootori konstrueerisid sakslased 1939. aastal. See oli aga mitme sajandi pikkuse uurimistöö tulemus.

Tänapäeval kasutatavate mootorite toimimist lihtsustab see video:

Põhimõte

reaktiivmootori töö põhineb täpsel järjestusel:

1. Imemine ja kokkusurumine

Õhk imetakse sisse puhuriga ja seejärel surutakse pidevalt kokku.

2. Põlemine

Suruõhk siseneb põlemiskambrisse, kus see segatakse parafiiniga ja süüdatakse. Tekkinud reaktsioon paisutab gaase kõrgel temperatuuril ja kõrgel rõhul.

3. Paisumine ja käitamine

Paisunud gaasid paisutatakse väga suure kiirusega tagasi läbi läheneva düüsi (mis aheneb), tekitades tõukejõu (vastavalt Newtoni põhimõttele: toimimisreaktsioon).

4. Pidev söötmine

Kui gaasid väljuvad kompressorist, ajavad nad turbiini, mis asub kompressoriga samal teljel. Turbiini liikumine põhjustab kompressori liikumise, mis võimaldab tsükli jätkumist nii kaua, kui mootor on jõul.

Aerodünaamiline tugi

Propulsioonist üksi ei piisa: õhusõiduki lendamiseks vajaliku tõstejõu tekitab õhu ringlus tiibade kohal.

Praegused väljakutsed

Lennuettevõtjad ja lennukitootjad töötavad pidevalt selle nimel, et:

• Vähendada heitkoguseid (CO₂, tahked osakesed), optimeerides põlemiskambreid.
• Parandada kütuse tõhusust, näiteks suure möödavoolusuhtega mootorite (nt turbofaasimootorid) abil.
• Vähendada kütusekulu, mis on suur majanduslik ja keskkonnaalane väljakutse.

Lihtsustatud kujul selgitab see video protsessi.

Newtoni liikumisseadused

17ᵉ sajandil sätestas Isaac Newton kolm klassikalist mehaanikat reguleerivat põhilist seadust:

1. Inertsuse põhimõte: keha püsib paigal või ühtlases sirgjoonelises liikumises, kui sellele ei mõju jõud.
2. Dünaamika põhimõte: esemele mõjuv jõud on võrdne tema massi ja kiirenduse korrutisega (F = m × a).
3. Vastastikuse toime (või toime-reaktsiooni) põhimõte: Igale toimele vastab vastureaktsioon, mis on võrdse intensiivsusega, kuid vastupidise suunaga.

Kohaldamine reaktiivmootori tõukejõule

Newtoni kolmas seadus on reaktiivmootorite tööpõhimõte. Kui õhusõiduk paiskab suure kiirusega gaase tahapoole, avaldavad need reaktsioonijõudu (tõukejõudu), mis viib õhusõidukit edasi. Mida kiirem ja massiivsem on gaasijuga, seda suurem on tõukejõud.

Õhusõiduki lend ja tõstejõud

Sama seadus seletab ka seda, kuidas õhusõiduk püsib õhus:

• Tiivad avaldavad oma kuju ja kalde tõttu õhule allapoole suunatud jõudu (mõju).
• Vastuseks avaldab õhk vastupidist ülespoole suunatud jõudu, mida nimetatakse tõstejõuks, mis kompenseerib õhusõiduki kaalu.

Sellisel viisil võimaldab jõudude (tõukejõud, tõukejõud, tõstejõud ja kaal) kompenseerimine stabiilset ja kontrollitud lendu.

(Märkus: Need põhimõtted on olulised ka kosmonautikas, kus raketi tõukejõud põhineb täielikult gaaside väljapaiskamisel vastavalt Newtoni kolmandale seadusele)

Esimene reaktiivmootor: revolutsioon lennunduses

Algus: John Barber ja gaasiturbiin (1731)

Juba 1731. aastal tuli inglane John Barber välja kontseptsiooniga, mis oli turboreaktiivmootori eelkäija, kui ta esitas patendid sisepõlemisega gaasiturbiini kohta.

Tema mootor sisaldas juba põhielemente: kompressorit, põlemiskambrit ja turbiini, mida toidab kütus.

Kahjuks ei suutnud tolleaegsed tehnoloogiad toota piisavalt energiat, et seda korralikult tööle panna.

Gaasiturbiinide areng jäi seejärel varju auruturbiinide edu tõttu, mis olid tol ajal tõhusamad. Alles XXᵉ sajandil kerkis idee uuesti esile.

Tänapäeva ajastu: Whittle, Von Ohain ja reaktiivmootorid

1930. aastatel äratasid rumeenlase Henri Coandă ja prantslase Maxime Guillaume’i tööd taas huvi reaktiivmootorite vastu. Kuid tõelise revolutsiooni tegi selles valdkonnas Briti insener Sir Frank Whittle.

Whittle konstrueeris 1937. aastal uuendusliku turboreaktiivmootori: selle asemel, et kasutada õhu kokkusurumiseks kolbmootorit, paigaldas ta tagantjärele turbiini, mis kasutas heitgaaside energiat kompressori käivitamiseks. Selline ülesehitus muutis mootori võimsamaks ja ökonoomsemaks kui kolbmootorid.

Peaaegu samal ajal töötas sakslane Hans von Ohain välja sarnase mootori ettevõtte Heinkel jaoks. Heinkel He-178 sai 1939. aastal maailma esimeseks reaktiivlennukiks. Selle esmalend jäi siiski pooleli, kui mootorisse imeti sisse lind.

Relvastumisvõitlus ja kaasaegse lennunduse teke

Teine maailmasõda kiirendas tehnoloogilist arengut. Saksamaa ja Ühendkuningriik pidasid võidujooksu, samal ajal kui Ameerika Ühendriigid ja NSVL jõudsid pärast 1945. aastat kiiresti järele. Okupatsiooni tõttu hilinenud Prantsusmaa liitus konkurentsiga hiljem.

1950. aastatel paigaldati turboreaktiivmootorid esimestele tsiviillennukitele, mis tähistas uue ajastu algust õhutranspordis.

See innovatsioon, mis sündis mitmete ebaõnnestumiste ja läbimurrete järel, muutis lennundust lõplikult, pakkudes kiiremaid, tõhusamaid ja usaldusväärsemaid õhusõidukeid.

Heinkel He-178 – Foto: Wikimedia Commons

Millised on erinevad reaktiivmootori tüübid?

Reaktiivmootoreid on mitut liiki, millest igaüks on kohandatud konkreetsetele vajadustele:

1. Turboreaktiivmootorid

Üldiselt muundavad turboreaktiivmootorid kütuses sisalduvat keemilist energiat kineetiliseks energiaks.

Turboreaktiivmootorite arendamine on algusest peale olnud suur väljakutse nii sõjalises kui ka tsiviilsektoris.

Need jagunevad kaheks alatüübiks:

• Tsentrifugaalkompressoriga turboreaktiivmootorid: tsentrifugaalkompressoriga turboreaktiivmootorid on lihtsasti valmistatavad ja vastupidavad. Nad nõuavad aga suure läbimõõduga mootorit, mis vähendab õhusõiduki lõppkiirust.
• Aksiaalkompressoriga turboreaktiivmootorid: Need on võimsamad tänu propellerite seeriale, mis suruvad õhku kokku. Siiski nõuavad nad arenenumaid materjale.

Mõlemal juhul peab mootor olema võimeline taluma kuni 2000 °C temperatuuri.

2. Turbomootorid

Turboventilaatorite mootorites on kompressori ette paigutatud ventilaator. See tõmbab sisse suurema koguse õhku, mis seejärel jaguneb kaheks vooluks:

• Esmavool: Esmavool suundub põlemiskambrisse, seega on tegemist kuuma õhu vooluga.
• Sekundaarvool: Sekundaarvool paiskub otse mootori mõlemale küljele; see on külm õhuvool, mis annab 80% tõukejõust.

Väljalaskeava juures seguneb külm õhk kuuma õhuga, mille tulemuseks on jahutus. Seda süsteemi kasutatakse enamikul kommertslennukitel, et suurendada tõukejõudu ja vähendada mootori müra.

Bypass-mootor – Foto: Wikipedia

3. Ramjets

Ramjet-mootoreid kasutatakse praegu hävituslennukitel ja rakettidel, sest need suudavad saavutada väga suuri kiirusi.

• Eelised: Nende tõukejõud on suurem, sest kütust paisatakse uuesti põlemiskambrisse, mida nimetatakse järelpõletuseks. Lisaks puuduvad neil liikuvad osad ja seetõttu on nad kerged.
• Puudused: Nad vajavad tööks algkiirust ja ei tule aja jooksul hästi toime äärmuslike temperatuuridega.

Üleliigsed reaktiivmootorid (näiteks Concorde’i turboreaktiivmootori/rakettmootori hübriid) saavutavad ülehelikiiruse.

4. Turboturbiinmootorid

Turboreaktiivmootorid suurendavad oma tõukejõudu, paisates välja võimalikult palju gaasi. Turbopropide puhul see nii ei ole.

Turbopropide tõukejõud sõltub peamiselt õhusõiduki välisküljele kinnitatud propelleri pöörlemisjõust.

Turboprop pakub kõige ökonoomsemat lahendust lühilendude jaoks. Nad on tõhusamad ja tarbivad vähem kütust, kuid on piiratud kõrguse ja vahemaa osas.

Kui soovite rohkem teada saada erinevate turbopropellerite mudelite kohta, külastage seda lehekülge.

Foto: Wikimedia Commons

5. Turbovõlli mootorid (helikopterite jaoks)

Turbovõlli mootorid on mõeldud helikopterite jaoks. Sarnaselt turboreaktiivmootoritele on nad varustatud turbiiniga.

Tänapäeval toodetud helikopteritel, näiteks Dauphinil, on vaba turbiin.

See muudab heitgaaside kineetilise ja soojusenergia mehaaniliseks energiaks.

Samuti võimaldab see helikopteri labasid keerata kompressori omast erineva kiirusega, tagades seeläbi õhusõiduki stabiilsuse.