Miten suihkumoottori toimii

Suihkumoottoreiden historia

Ikaros-myytistä lähtien, jossa Ikaros tekee siivet lintujen höyhenistä ja lentää, ihmiset ovat yrittäneet ymmärtää tapaa, jolla tietyt lajit nousevat taivaalle, jotta ne voisivat jäljitellä sitä koneiden avulla. Leonardo da Vinci kehitti ensimmäiset konseptit ^1500-luvulla. Mutta tuolloin ainoa tunnettu käyttövoima oli ihmisen lihakset. Perusperiaatteet, joiden avulla voimme myöhemmin ymmärtää, miten lentokoneet lentävät, tulivat esiin vasta 1600- ja ^{1700-luvuilla} Newtonin ja Bernoullin kaltaisten tutkijoiden myötä. ^1800-luvulla teollinen vallankumous johti moniin teknisiin edistysaskeliin. Ranskalainen Clément Ader oli ensimmäinen, joka sai lentokoneen nousemaan ilmaan höyrymoottorin avulla, ja hän käytti innoittajana lepakkoa. Vuosikymmentä myöhemmin, vuonna 1903, Wrightin veljekset tekivät historian ensimmäiset ohjatut moottorilennot.

Miten suihkumoottori toimii

Ensimmäisen suihkumoottorin eli turbojetin suunnittelivat saksalaiset vuonna 1939, mutta se oli useiden vuosisatojen tutkimustyön tulos.

Tällä videolla selitetään, miten nykyiset moottorit toimivat:

Periaate on yksinkertainen:

Ilma imetään puhaltimella ja puristetaan pysyvästi kokoon, minkä jälkeen se kulkeutuu polttokammioon, jossa se reagoi parafiinin kanssa ja syttyy. Syntyvä reaktio laajentaa kaasuja, jotka sitten puhalletaan taaksepäin suuttimen läpi ja vievät lentokonetta eteenpäin. Kaasut poistuvat erittäin suurella nopeudella kulkiessaan suihkumoottorin läpi, jonka muoto kutistuu.

Lisäksi kaasut pyörittävät moottorista poistuessaan turbiinia, joka sijaitsee samalla akselilla kuin kompressori, heti palotilan jälkeen. Turbiinin liike aiheuttaa kompressorin liikkeen, jolloin reaktio voi tapahtua jatkuvasti. Lentokone liikkuu ja sen siipien yli virtaava ilma saa sen lentämään.

Lentoyhtiöt pyrkivät jatkuvasti parantamaan polttokammioiden suorituskykyä lentokoneiden päästöjen vähentämiseksi.

Newtonin liikkeen lait

Newton esitti ^1600-luvulla kolme peruslakia selittääkseen liikkeen. Ensimmäinen on inertiaperiaate, toinen dynamiikan periaate. Meitä kiinnostaa Newtonin kolmas laki, vastavuoroisen toiminnan periaate.

Suihkumoottorikäyttö perustuu itse asiassa tähän toiminta-reaktioperiaatteeseen, jonka mukaan jokaisella toiminnalla on yhtä suuri ja vastakkainen reaktio. Näin ollen taaksepäin syöksyvä ilma aiheuttaa lentokoneeseen yhtä suuren ja vastakkaisen voiman, joka vie sitä eteenpäin. Lisäksi työntövoima on sitä suurempi, mitä suurempi on työnnettävän kaasusuihkun nopeus.

Newtonin laki selittää myös lentokoneiden lentämisen: jos siipi aiheuttaa ilmaan voiman (sen paino, alaspäin suuntautuva voima), ilma aiheuttaa siipeen vastakkaisen voiman, jota kutsutaan nostovoimaksi (ylöspäin suuntautuvaksi). Näiden voimien kompensointi pitää lentokoneen ilmassa.

Ensimmäinen suihkumoottori

Vuonna 1731 englantilainen John Barber alkoi rekisteröidä patentteja polttokaasuturbiinille, joka oli suihkumoottorin edeltäjä. Hänen moottorinsa koostui kompressorista, polttokammiosta ja turbiinista, jotka kaikki toimivat palavalla aineella. Barber ei kuitenkaan saanut keksintöään toimimaan, koska silloisella tekniikalla ei pystytty tuottamaan riittävästi tehoa.

Höyryturbiinin menestys viivästytti kaasuturbiinin kehittämistä. Romanian Henri Coandăn ja Ranskan Maxime Guillaumen 1930-luvulla tekemien töiden jälkeen brittiläinen Sir Frank Whittle mullisti lopulta lentoliikenteen turbojetin avulla. Sen sijaan, että Whittle olisi käyttänyt mäntämoottoria ilman puristamiseen, hän valitsi turbiinin, joka käytti pakokaasujen tuottamaa voimaa kompressorin käyttämiseen. Tämä uusi moottori oli taloudellisempi ja tehokkaampi kuin mäntämoottori.

Ensimmäiset suihkuturbiinimoottorit kehitettiin samanaikaisesti Englannissa ja Saksassa. Saksalainen Hans Von Ohain kehitti ensimmäisen suihkumoottorin Heinkel-yhtiölle vuonna 1939. Ensimmäinen suihkukone oli Heinkel He-178, jota käytettiin taistelukäytössä. Ensimmäinen lento kuitenkin keskeytettiin, kun lintu imeytyi moottoriin. Toisen maailmansodan aikainen asevarustelukilpailu vauhditti modernin ilmailun syntyä. Yhdysvallat ja Neuvostoliitto saivat sodan lopussa kiinni, ja sen jälkeen Ranska, jota Saksan miehitys oli pidätellyt. Ensimmäiset suihkumoottorilla toimivat siviililentokoneet ilmestyivät 1950-luvulla.

Suihkumoottorin eri tyypit

Yleisesti ottaen suihkuturbiinimoottorit muuttavat polttoaineen sisältämän kemiallisen energian liike-energiaksi. Suihkuturbiinimoottoreiden kehittäminen on ollut alusta alkaen suuri haaste sekä sotilas- että siviilialalla. Nykyiset suihkumoottorit ovat paljon monimutkaisempia kuin aiemmat. Niissä on esimerkiksi työntövoiman kääntölaitteet, jotka jarruttavat lentokonetta. Suihku ohjataan moottorin etuosaan.

Suihkumoottoreita on useita alaluokkia:

• Keskipakokompressorisuihkumoottorit
• Aksiaalikompressoriset suihkuturbiinimoottorit
• Kaksivirtaussuihkumoottorit
• Ramjet-moottorit
• Turboprop-moottorit
• Vapaaturbiinimoottorit

Edellä kuvatut moottorit ovat keskipakokompressoriturbiinimoottoreita. Ne ovat yksinkertaisia valmistaa ja kestäviä, mutta niiden haittapuolena on, että ne vaativat halkaisijaltaan suuren moottorin, mikä vähentää lentokoneen loppunopeutta. Tämän vuoksi keksittiin aksiaaliset suihkuturbiinimoottorit. Ilma puristetaan potkurisarjan läpi, ja hyötysuhde on parempi, mutta tämä edellyttää kehittyneempiä materiaaleja. Molemmissa tapauksissa moottorin on kestettävä jopa 2000 °C:n lämpötiloja.

Ohitusreaktorissa puhallin on sijoitettu kompressorin eteen. Se imee suuremman ilmamäärän, joka sitten jaetaan ensisijaiseen ja toissijaiseen virtaukseen. Ensisijainen virtaus kulkee polttokammion läpi, joten se on kuuman ilman virtaus. Toissijainen virtaus purkautuu suoraan moottorin kummaltakin puolelta; se on kylmä ilmavirtaus, joka tuottaa 80 % työntövoimasta. Ulosmenoaukolla kylmä ilma sekoittuu kuumaan ilmaan, mikä johtaa jäähdytykseen. Tätä järjestelmää käytetään useimmissa avions commerciaux lentokoneissa työntövoiman parantamiseksi ja moottorin melun vähentämiseksi.

Ramjet-moottoreita käytetään nykyään hävittäjissä ja ohjuksissa, koska niillä voidaan saavuttaa erittäin suuria nopeuksia. Niiden työntövoima on suurempi, koska polttoainetta ruiskutetaan uudelleen palotilaan, mikä tunnetaan jälkipolttona. Lisäksi niissä ei ole liikkuvia osia, joten ne ovat kevyitä. Haittapuolena on, että ne eivät voi toimia alle tietyn nopeuden ja että niiden lämpötila on erittäin korkea, mikä ei ole kestävää monille materiaaleille. Niille on myös annettava alkunopeus, jotta ne voivat toimia. Superstatorjet-moottoreilla voidaan saavuttaa yliääninopeuksia. Concorde-moottori oli turbojetin ja ramjetin hybridi.

Turbosuihkumoottorit lisäävät työntövoimaa heittämällä ulos mahdollisimman paljon kaasua. Turboprop-moottoreissa näin ei ole. Ne luottavat lentokoneen ulkopuolelle kiinnitetyn potkurin pyörimisvoimaan, joka tuottaa suurimman osan työntövoimasta. Turboprop-koneet 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 osoitteesta cette page.

Turbomoottorit on suunniteltu helikoptereita varten. Ne on varustettu turbiinilla, kuten suihkumoottoritkin. Nykyään valmistetuissa helikoptereissa, kuten Dauphin, on vapaa turbiini. Se muuttaa pakokaasujen liike- ja lämpöenergian mekaaniseksi energiaksi ja mahdollistaa myös sen, että helikopterin lavat pyörivät eri nopeudella kuin kompressori, mikä takaa lentokoneen vakauden.