Kuidas reaktiivmootor töötab

Reaktiivmootorite ajalugu

Alates müüdist Ikarusest, kus Ikarus teeb linnusulgedest tiivad ja lendab, on inimesed püüdnud mõista, kuidas teatud liigid võtavad taeva poole, et seda masinatega korrata. Leonardo da Vinci töötas ^16. sajandil välja esimesed kontseptsioonid. Kuid tol ajal oli ainus teadaolev liikumapanev jõud inimlihased. Põhiprintsiibid, mis hiljem võimaldaksid meil mõista, kuidas lennukid lendavad, ilmusid alles 17. ja ^18. sajandil selliste teadlaste nagu Newton ja Bernoulli abil. ^19. sajandil tõi tööstusrevolutsioon kaasa mitmeid tehnilisi edusamme. Prantslane Clément Ader oli esimene, kes tõukas aurumootoriga lennuki maanduma, kasutades selleks eeskujuks nahkhiirt. Kümme aastat hiljem, 1903. aastal, tegid vennad Wrightid ajaloo esimesed kontrollitud mootoriga lennud.

Kuidas reaktiivmootor töötab

Esimese reaktiivmootori ehk turboreaktiivmootori konstrueerisid sakslased 1939. aastal, kuid see oli mitme sajandi pikkuse uurimistöö tulemus.

See video selgitab, kuidas tänapäeva mootorid töötavad:

Põhimõte on lihtne:

Õhk imetakse sisse puhuriga, seejärel surutakse see püsivalt kokku; seejärel liigub see põlemiskambrisse, kus see reageerib parafiiniga ja süttib. Tekkinud reaktsioon paisutab gaase, mis seejärel puhutakse läbi düüsi tagasi, paisates lennukit edasi. Gaasid lahkuvad väga suure kiirusega, kui nad läbivad reaktiivmootori, mille kuju kahaneb.

Veelgi enam, mootorist väljudes keeravad gaasid turbiini, mis asub kompressoriga samal teljel, vahetult pärast põlemiskambrit. Turbiini liikumine põhjustab kompressori liikumist, mis võimaldab reaktsiooni pidevat toimumist. Õhusõiduk liigub ja selle tiibade kohal voolav õhk paneb ta lendama.

Lennuettevõtjad püüavad pidevalt parandada põlemiskambrite jõudlust, et vähendada õhusõiduki heitkoguseid.

Newtoni liikumisseadused

^17. sajandil kehtestas Newton liikumise selgitamiseks kolm põhilist seadust. Esimene neist on inertsuse põhimõte, teine dünaamika põhimõte. Meid huvitab Newtoni kolmas seadus, vastasmõju põhimõte.

Reaktsiooniline tõukejõud põhineb toime-reaktsiooni põhimõttel, mis ütleb, et igale toimele vastab võrdne ja vastupidine reaktsioon. Seega avaldab tahapoole paisatav õhk lennukile võrdset ja vastupidist jõudu, mis viib seda edasi. Lisaks sellele on tõukejõud seda suurem, mida suurem on tõukejoa kiirus.

Newtoni seadus seletab ka seda, kuidas lennukid lendavad: kui tiib avaldab õhule jõudu (selle kaal, allapoole suunatud jõud), siis õhk avaldab tiibale vastupidist jõudu, mida nimetatakse tõukeks (ülespoole suunatud jõud). Nende jõudude kompenseerimine hoiab õhusõiduki õhus.

Esimene reaktiivmootor

1731. aastal hakkas inglane John Barber registreerima sisepõlemisgaasiturbiini, turboreaktiivmootori eelkäija, patente. Tema mootor koosnes kompressorist, põlemiskambrist ja turbiinist, mida toideti põleva ainega. Barber ei suutnud oma leiutist siiski tööle panna, sest tolleaegsed tehnoloogiad ei suutnud toota piisavat võimsust.

Gaasiturbiini arendamine lükkus siis edasi auruturbiini edu tõttu. Pärast rumeenlase Henri Coandă ja prantslase Maxime Guillaume’i tööd 1930. aastatel oli lõpuks briti Sir Frank Whittle see mees, kes tegi turboreaktiivmootoriga õhutranspordi revolutsiooni. Selle asemel, et kasutada kolbmootorit õhu kokkusurumiseks, valis Whittle allavoolu asuva turbiini, mis kasutas kompressori käivitamiseks heitgaaside poolt pakutavat energiat. See uus mootor oli ökonoomsem ja võimsam kui kolbmootor.

Esimesed turboreaktiivmootorid töötati välja samaaegselt Inglismaal ja Saksamaal. Sakslane Hans Von Ohain töötas 1939. aastal Heinkel’i jaoks välja esimese reaktiivmootori. Esimene reaktiivlennuk oli Heinkel He-178, mida kasutati lahingutegevuses. Esimene lend katkestati siiski, kui mootorisse imeti sisse lind. Teise maailmasõja ajal toimunud võidurelvastumine kiirendas kaasaegse lennunduse sündi. Ameerika Ühendriigid ja Nõukogude Liit jõudsid sõja lõpus järele, neile järgnes Prantsusmaa, keda Saksa okupatsioon oli tagasi hoidnud. Esimesed reaktiivmootoritega tsiviillennukid ilmusid 1950. aastatel.

Erinevad reaktiivmootori tüübid

Üldiselt muundavad turboreaktiivmootorid kütuses sisalduvat keemilist energiat kineetiliseks energiaks. Turboreaktiivmootorite arendamine on algusest peale olnud suur väljakutse nii sõjalises kui ka tsiviilsfääris. Tänapäeva reaktiivmootorid on palju keerulisemad kui varem. Näiteks on nad varustatud tõukejõu ümberpöörajatega, mille ülesandeks on pidurdada õhusõidukit. Jõu suunatakse ümber mootori esiosa suunas.

Reaktiivmootoreid on mitu alaliiki:

• Tsentrifugaalkompressoriga reaktiivmootorid
• Aksiaalkompressoriga turboreaktiivmootorid
• Topeltvoolulised reaktiivmootorid
• Reaktiivmootorid
• Turboturbiinmootorid
• Vaba turbiinmootorid

Eespool kirjeldatud mootorid on tsentrifugaalkompressoriga turboreaktiivmootorid. Neid on lihtne valmistada ja vastupidavad, kuid nende puuduseks on see, et nad nõuavad suure läbimõõduga mootorit, mis vähendab õhusõiduki lõppkiirust. Seetõttu leiutati telg-turboreaktiivmootorid. Õhku surutakse kokku läbi propellerite seeria ja tõhusus on parem, kuid selleks on vaja moodsamaid materjale. Mõlemal juhul peab mootor olema võimeline taluma kuni 2000 °C temperatuuri.

Ümbersõidureaktoris on kompressori ette paigutatud ventilaator. See tõmbab sisse suurema koguse õhku, mis seejärel jaguneb primaarseks ja sekundaarseks vooluks. Primaarvool läbib põlemiskambrit, seega on tegemist kuuma õhu vooluga. 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.

Ramjet-mootoreid kasutatakse praegu hävituslennukitel ja rakettidel, sest need suudavad saavutada väga suuri kiirusi. Nende tõukejõud on suurem, sest kütust paisatakse uuesti põlemiskambrisse, mida nimetatakse järelpõletuseks. Lisaks sellele puuduvad neil liikuvad osad ja seetõttu on nad kerged. Puudusteks on see, et nad ei saa töötada alla teatud kiiruse ja nende temperatuur on väga kõrge, mis on paljude materjalide puhul aja jooksul mittejätkusuutlik. Samuti tuleb neile tööks anda algkiirus. Superstatoriga reaktiivmootorid võivad saavutada ülehelikiirusi. Concorde’i mootor oli turboreaktiivmootori ja reaktiivmootori hübriid.

Turboreaktiivmootorid suurendavad oma tõukejõudu, paisates välja võimalikult palju gaasi. Turbopropide puhul see nii ei ole. Need tuginevad õhusõiduki välisküljele kinnitatud propelleri pöörlemisjõule, mis annab suurema osa tõukejõust. Turbopropid pakuvad kõige ökonoomsemat lahendust lühilendude jaoks. Nad on tõhusamad ja tarbivad vähem kütust, kuid on piiratud kõrguse ja vahemaa osas. Lisateavet erinevate turbopropellertüüpide kohta leiate sellelt leheküljelt.

Turbovõlli mootorid on mõeldud helikopterite jaoks. Sarnaselt turboreaktiivmootoritele on nad varustatud turbiiniga. Tänapäeva helikopteritel, näiteks Dauphinil, on vaba turbiin. See muudab heitgaaside kineetilise ja soojusenergia mehaaniliseks energiaks ning võimaldab ka kopteri labade pöörlemist kompressori kiirusest erineval kiirusel, tagades sellega õhusõiduki stabiilsuse.