Miten suihkumoottori toimii ja mitä eri tyyppejä on olemassa?

Ikaroksen rohkeista unelmista nykypäivän yliäänilentokoneisiin ihminen ei ole koskaan lakannut pidentämästä taivaan rajoja.

Tämän ilmavalloituksen ytimessä on vallankumouksellinen keksintö: suihkumoottori. Tehokas, monimutkainen ja kiehtova insinööritaidon mestariteos muuttaa yksinkertaisen palamisen ilmiömäiseksi voimaksi, joka pystyy kuljettamaan satoja tonneja pilvien halki.

Mutta miten se todella toimii? Mitkä fysikaaliset periaatteet ja historialliset innovaatiot tekivät sen mahdolliseksi?

Sukella näiden mekaanisten jättiläisten uumeniin, jossa tiede kohtaa puhtaan voiman, ja tutustu maailmaa muuttaneiden moottoreiden uskomattomaan tarinaan.

Suihkumoottoreiden historia: tieteellinen ja tekninen eepos

Ihminen on jo muinaisista ajoista lähtien haaveillut taivaiden valloittamisesta. Myytti Ikaroksesta, joka lentää linnunhöyhenistä tehdyillä siivillä, kuvaa tätä ikivanhaa pyrkimystä. Mutta vasta vuosisatoja myöhemmin tiede ja tekniikka muuttivat tämän unelman todellisuudeksi.

Teoreettinen alku (16ᵉ-18ᵉ vuosisatoja)

16ᵉ vuosisadalla Leonardo da Vinci luonnosteli ensimmäiset lintujen innoittamat lentokoneet. Siihen aikaan ainoa käytettävissä oleva käyttövoima oli kuitenkin edelleen lihasvoima. Lentämisen tieteelliset perusteet syntyivät vasta 17ᵉ ja 18ᵉ vuosisadoilla seuraavien henkilöiden työn ansiosta :

• Isaac Newtonin (dynamiikan lait) ansiosta,
• Daniel Bernoulli (aerodynaamisen nosteen periaate).

Ensimmäiset saavutukset (19ᵉ vuosisata)

Teollinen vallankumous tasoitti tietä konkreettisille kokeille:

• Vuonna 1890 ranskalainen Clément Ader onnistui saamaan Éole-lentokoneensa, joka oli lepakoiden lennosta inspiraationsa saanut höyrykäyttöinen lentokone, lentoon. Vaikka se ei ollut kovin ketterä, se oli ratkaiseva edistysaskel.
• Joulukuun 17. päivänä 1903 veljekset Orville ja Wilbur Wright tekivät ensimmäisen moottoroidun ja hallitun lennon polttomoottorikäyttöisellä Flyer-lentokoneellaan.

Suihkumoottorin tulo (20ᵉ vuosisata)

Vaikka ensimmäiset lentokoneet käyttivät potkureita, tämän tekniikan rajoitukset saivat insinöörit etsimään vaihtoehtoa. Suihkukoneiden käyttövoimaa alettiin kehittää 1930-luvulla, ja pioneereja olivat mm. seuraavat:

• Frank Whittle (Yhdistynyt kuningaskunta),
• Hans von Ohain (Saksa).

Ensimmäinen käytössä ollut suihkukone, Messerschmitt Me 262, otettiin käyttöön vuonna 1944, mikä mullisti modernin ilmailun.

Nykyään suihkumoottorit käyttävät suurinta osaa siviili- ja sotilaslentokoneista, ja ne tarjoavat nopeutta, tehoa ja tehokkuutta. Tämä rohkeuden ja innovaation tarina osoittaa, miten ihmiskunta on siirtänyt mahdollisuuksien rajoja.

Miten suihkumoottori toimii

Alkuperä ja kehitys

Saksalaiset suunnittelivat ensimmäisen suihkumoottorin eli turbojetin vuonna 1939. Se oli kuitenkin useiden vuosisatojen tutkimuksen tulos.

Nykyään käytettävien moottoreiden toimintaa yksinkertaistetaan tällä videolla:

Perusperiaate

suihkumoottorin toiminta perustuu tarkkaan järjestykseen:

1. Imu ja puristus

Ilma imetään puhaltimella ja puristetaan sitten jatkuvasti.

2. Palaminen

Puristettu ilma johdetaan palotilaan, jossa se sekoitetaan parafiinin kanssa ja sytytetään. Syntyvässä reaktiossa kaasut paisuvat korkeassa lämpötilassa ja korkeassa paineessa.

3. Paisunta ja käyttövoima

Paisuneet kaasut purkautuvat taaksepäin erittäin suurella nopeudella konvergenssisuuttimen (joka kapenee) kautta, jolloin syntyy työntövoima eteenpäin (Newtonin toiminta-reaktio-periaatteen mukaisesti).

4. Jatkuva syöttö

Kun kaasut poistuvat kompressorista, ne pyörittävät turbiinia, joka sijaitsee samalla akselilla kuin kompressori. Turbiinin liike saa aikaan kompressorin liikkeen, jolloin kierto jatkuu niin kauan kuin moottorissa on virtaa.

Aerodynaaminen tuki

Pelkkä työntövoima ei riitä: ilman kierto siipien yli tuottaa lentokoneen lentämiseen tarvittavan nosteen.

Nykyiset haasteet

Lentoyhtiöt ja lentokoneiden valmistajat pyrkivät jatkuvasti:

• Vähentää päästöjä (CO₂, hiukkaset) optimoimalla polttokammiot.
• Parannetaan polttoainetehokkuutta esimerkiksi suurilla ohivirtaussuhteilla varustettujen moottoreiden (kuten turbofan-moottoreiden) avulla.
• Vähentää polttoaineen kulutusta, joka on merkittävä taloudellinen ja ympäristöhaaste.

Tässä videossa prosessi selitetään yksinkertaistetusti.

Newtonin liikkeen lait

Isaac Newton esitti 17ᵉ vuosisadalla kolme klassista mekaniikkaa ohjaavaa peruslakia:

1. Inertiaperiaate: Kappale pysyy levossa tai tasaisessa suoraviivaisessa liikkeessä, ellei siihen kohdistu voimaa.
2. Dynamiikan periaate: Kappaleeseen kohdistuva voima on yhtä suuri kuin sen massa kerrottuna sen kiihtyvyydellä (F = m × a).
3. Vastavuoroisen vaikutuksen periaate (tai vaikutus-reaktio): Jokaiseen vaikutukseen liittyy vastaava reaktio, joka on voimakkuudeltaan yhtä voimakas mutta suunnaltaan vastakkainen.

Soveltaminen suihkukoneiden käyttövoimaan

Newtonin kolmas laki on suihkumoottoreiden toiminnan ydin. Kun lentokone paiskaa kaasuja taaksepäin suurella nopeudella, ne aiheuttavat reaktiovoiman (työntövoiman), joka vie lentokonetta eteenpäin. Mitä nopeampi ja massiivisempi kaasusuihku on, sitä suurempi on työntövoima.

Lentokoneen lento ja noste

Tämä sama laki selittää myös sen, miten lentokone pysyy ilmassa:

• Siipien muodon ja kaltevuuden ansiosta ne kohdistavat ilmaan alaspäin suuntautuvan voiman (vaikutus).
• Vastavuoroisesti ilmaan kohdistuu vastakkainen ylöspäin suuntautuva voima, jota kutsutaan nostovoimaksi ja joka kompensoi lentokoneen painon.

Tällä tavoin voimien (työntövoima, vastus, nostovoima ja paino) kompensointi mahdollistaa vakaan ja hallitun lennon.

(Huomautus: Nämä periaatteet ovat olennaisen tärkeitä myös astronautiikassa, jossa rakettien käyttövoima perustuu täysin kaasujen sinkoutumiseen Newtonin kolmannen lain mukaisesti)

Ensimmäinen suihkumoottori: ilmailun vallankumous

Alku: John Barber ja kaasuturbiini (1731)

Jo vuonna 1731 englantilainen John Barber kehitti turbosuihkumoottorin edeltäjän, kun hän jätti patenttihakemuksen polttomoottorikaasuturbiinille.

Hänen moottorinsa sisälsi jo keskeiset osat: kompressorin, polttokammion ja turbiinin, jotka saivat polttoainetta.

Valitettavasti silloinen teknologia ei tuottanut riittävästi tehoa, jotta se olisi toiminut kunnolla.

Kaasuturbiinien kehitys jäi tuolloin tehokkaampien höyryturbiinien menestyksen jalkoihin. Vasta XXᵉ vuosisadalla ajatus nousi uudelleen esiin.

Nykyaika: Whittle, Von Ohain ja suihkukoneiden käyttövoima

1930-luvulla romanialaisen Henri Coandăn ja ranskalaisen Maxime Guillaumen työ herätti uudelleen kiinnostuksen suihkukoneisiin. Brittiläinen insinööri Sir Frank Whittle mullisti kuitenkin alan.

Vuonna 1937 Whittle suunnitteli innovatiivisen suihkuturbiinimoottorin: sen sijaan, että hän olisi käyttänyt mäntämoottoria ilman puristamiseen, hän asensi virtaussuuntaan turbiinin, joka valjasti pakokaasujen energian kompressorin käyttämiseen. Tämä rakenne teki moottorista tehokkaamman ja taloudellisemman kuin mäntämalleista.

Lähes samanaikaisesti saksalainen Hans von Ohain kehitti samanlaisen moottorin Heinkel-yhtiölle. Vuonna 1939 Heinkel He-178:sta tuli maailman ensimmäinen suihkukone. Sen neitsytlento jäi kuitenkin lyhyeksi, kun lintu imeytyi moottorin sisään.

Asevarustelukilpailu ja modernin ilmailun nousu

Toinen maailmansota kiihdytti teknistä kehitystä. Saksa ja Yhdistynyt kuningaskunta kävivät kilpajuoksua suorituskyvystä, kun taas Yhdysvallat ja Neuvostoliitto kuroivat nopeasti kiinni vuoden 1945 jälkeen. Ranska, jota miehitys viivästytti, liittyi kilpailuun myöhemmin.

1950-luvulla ensimmäisiin siviililentokoneisiin asennettiin suihkuturbiinimoottorit, mikä merkitsi uuden aikakauden alkua lentoliikenteessä.

Tämä useiden epäonnistumisten ja läpimurtojen jälkeen syntynyt innovaatio muutti lopullisesti ilmailua, sillä se tarjosi nopeampia, tehokkaampia ja luotettavampia lentokoneita.

Heinkel He-178 – Kuvan luotto: Wikimedia Commons

Mitä eri suihkumoottorityyppejä on olemassa?

Suihkumoottoreita on useita eri luokkia, joista kukin on mukautettu erityistarpeisiin:

1. Suihkuturbiinimoottorit

Yleisesti ottaen suihkuturbiinimoottorit muuttavat polttoaineen sisältämän kemiallisen energian liike-energiaksi.

Turbosuihkumoottoreiden kehittäminen on alusta alkaen ollut suuri haaste sekä sotilas- että siviilialalla.

Ne jaetaan kahteen alatyyppiin:

• Keskipakokompressoriturbiinimoottorit: Keskipakokompressoriturbiinimoottorit ovat yksinkertaisia valmistaa ja kestäviä. Ne vaativat kuitenkin halkaisijaltaan suuren moottorin, mikä vähentää lentokoneen loppunopeutta.
• Aksiaalikompressoriset suihkuturbiinimoottorit: Ne ovat tehokkaampia, koska niissä on useita potkureita, jotka puristavat ilmaa. Ne vaativat kuitenkin kehittyneempiä materiaaleja.

Molemmissa tapauksissa moottorin on kestettävä jopa 2000 °C:n lämpötiloja.

2. Suihkuturbiinimoottorit

Turbofan-moottorissa puhallin on sijoitettu kompressorin eteen. Se imee suuremman ilmamäärän, joka jaetaan sitten kahteen virtaukseen:

• Ensisijainen virtaus: Ensisijainen virtaus kulkee palotilaan, joten se on kuuman ilman virtaus.
• Toissijainen virtaus: Toissijainen virtaus purkautuu suoraan moottorin kummallekin puolelle; se on kylmä ilmavirtaus, joka tuottaa 80 % työntövoimasta.

Ulostulossa kylmä ilma sekoittuu kuumaan ilmaan, mikä johtaa jäähdytykseen. Tätä järjestelmää käytetään useimmissa liikennelentokoneissa työntövoiman parantamiseksi ja moottorin melun vähentämiseksi.

Bypass-moottori – Kuvan luotto: Wikipedia

3. Ramjets

Ramjet-moottoreita käytetään nykyään hävittäjissä ja ohjuksissa, koska niillä voidaan saavuttaa hyvin suuria nopeuksia.

• Edut: Niiden työntövoima on suurempi, koska polttoainetta ruiskutetaan uudelleen palotilaan, mikä tunnetaan jälkipolttona. Lisäksi niissä ei ole liikkuvia osia, joten ne ovat kevyitä.
• Haitat: Ne vaativat toimiakseen alkunopeuden, eivätkä ne kestä hyvin äärimmäisiä lämpötiloja ajan mittaan.

Supersuihkumoottoreilla (kuten Concorde-turbiini-/ramsuihkuhybridillä) saavutetaan yliääninopeuksia.

4. Turboprop-moottorit

Turbosuihkumoottorit lisäävät työntövoimaa heittämällä ulos mahdollisimman paljon kaasua. Näin ei ole turboprop-moottoreissa.

Turboprop-moottorit luottavat siihen, että suurin osa työntövoimasta saadaan aikaan lentokoneen ulkopuolelle kiinnitetyn potkurin pyörimisvoimalla.

Turboprop-lentokoneet ovat taloudellisin ratkaisu lyhyen matkan lennoille. Ne ovat tehokkaampia ja kuluttavat vähemmän polttoainetta, mutta niiden lentokorkeus ja -matka ovat rajoitettuja.

Lisätietoja eri turboprop-malleista saat tältä sivulta.

Kuvan luotto: Wikimedia Commons

5. Turboakselimoottorit (helikoptereissa)

Turbomoottorit on suunniteltu helikoptereita varten. Kuten suihkuturbiinimoottorit, ne on varustettu turbiinilla.

Nykyään valmistetuissa helikoptereissa, kuten Dauphinissa, on vapaa turbiini.

Se muuttaa pakokaasujen liike- ja lämpöenergian mekaaniseksi energiaksi.

Se mahdollistaa myös sen, että helikopterin lavat pyörivät eri nopeudella kuin kompressori, mikä takaa lentokoneen vakauden.