2.3c Podstawy silników lotniczych: silnik odrzutowy
W tej lekcji przybliżymy tematykę silnika turbinowego (odrzutowego). Wyjaśnimy, jak silnik generuje ciąg, jakie są jego historyczne korzenie i w jakich typach statków powietrznych znajduje swoje optymalne zastosowanie.
Silnik odrzutowy
Silnik odrzutowy to jednostka napędowa, która generuje ciąg, wyrzucając z ogromną prędkością gorące gazy. Działa na zasadzie III zasady dynamiki Newtona: „każda akcja wywołuje reakcję o tej samej wielkości, lecz przeciwnie skierowaną„. Oznacza to, że wyrzucając gazy w jednym kierunku, wytwarza siłę, która przesuwa samolot w przeciwną stronę.
W tym momencie warto wspomnieć o analogii lub myślowym eksperymencie ilustrującym zasadę pędu.
Wyobraź sobie, że ktoś znajduje się na łódce na spokojnej wodzie. Osoba ta ma worek pełen kamieni i jeśli zacznie wyrzucać kamienie w jednym kierunku, to łódka zacznie się poruszać w przeciwnym kierunku.
Kluczowe elementy tego eksperymentu:
- Wyrzucanie kamieni symbolizuje działanie, czyli siłę skierowaną w jedną stronę.
- Ruch łódki w przeciwną stronę to reakcja, czyli wynik zgodny z trzecią zasadą dynamiki Newtona: „Każda akcja wywołuje równą i przeciwną reakcję”.
Podobnie jest w przypadku silnika odrzutowego: gazy wyrzucane z dyszy napędu stanowią siłę akcji, a samolot porusza się w przeciwną stronę (reakcja).
Bernard de Go Mars, CC BY-SA 4.0
Budowa
Chociaż istnieje wiele różnych typów napędów, większość z nich opiera się na podobnej zasadzie działania i składa się z tych samych podstawowych elementów:
Wlot powietrza
Wlot powietrza znajduje się z przodu i ma za zadanie skierować powietrze do wnętrza silnika. Ważne jest, aby było ono jak najbardziej równomiernie rozprowadzone, co zapewni lepsze spalanie paliwa.
Sprężarka
Następnie powietrze przechodzi przez sprężarkę – zestaw wirujących łopatek, które tłoczą wpadający gaz i sprężają go, podnosząc jego temperaturę i ciśnienie.
Komora spalania
Po sprężeniu, powietrze trafia do komory spalania, gdzie mieszane jest z paliwem lotniczym (Jet A-1). Dochodzi do zapłonu, co wywołuje gwałtowny wzrost temperatury i ciśnienia. Powstałe gorące gazy rozszerzają się i pędzą dalej.
Turbina
Dysza wylotowa
Ostatnim elementem jest dysza wylotowa, przez którą bardzo gorące gazy są wyrzucane z dużą prędkością, generując siłę ciągu. Dzięki tej sile samolot porusza się do przodu.
Jet_engine.svg: Jeff Dahlderivative work: TGCP, CC BY-SA 3.0
Rodzaje
Turboodrzutowy
Jest to najprostsza forma napędu odrzutowego, składająca się z wlotu, sprężarki, komory spalania, turbiny i dyszy. W tego typu jednostkach większość energii spalin jest zamieniana na ciąg, co czyni je bardzo efektywnymi przy wysokich prędkościach.
Turbowentylatorowy
Ten typ jest najczęściej stosowany w nowoczesnych samolotach pasażerskich. Różni się od poprzednika tym, że duża część powietrza omija komorę spalania, co sprawia, że jest cichszy i bardziej oszczędny. Turbowentylatory są bardziej efektywne na niższych prędkościach, co czyni je idealnymi do lotów pasażerskich.
Turbowałowy i turbośmigłowy
Wykorzystywany głównie w helikopterach i samolotach turbośmigłowych. W tym przypadku energia spalin napędza śmigło, a nie generuje bezpośredni ciąg (choć niewielka część ciągu pochodzi z gazów wylotowych).
Krótka historia
Historia napędów odrzutowych jest dość krótka, bo zaczyna się na początku XX wieku. Przełomowym momentem było opracowanie pierwszych egzemplarzy przez Franka Whittle’a w Wielkiej Brytanii oraz Hansa Joachima Pabst von Ohaina w Niemczech. Obaj pracowali nad nowym rodzajem napędu, który mógłby zrewolucjonizować lotnictwo.
British Government, Public domain, via Wikimedia Commons
U.S. Air Force AFRL by Michael Weber, Public domain, via Wikimedia Commons
Pierwszy lot samolotu z napędem odrzutowym odbył się 27 sierpnia 1939 roku w Niemczech (Heinkel He 178), natomiast Messerschmitt Me 262 – oblatany 18 lipca 1942 roku – stał się pierwszym operacyjnym myśliwcem odrzutowym w 1944 roku.
Z kolei pierwszym brytyjskim samolotem odrzutowym był Gloster E.28/39, który wzbił się w powietrze w 1941 roku.
U.S. Air Force, Public domain, via Wikimedia Commons
Po II wojnie światowej technologia rozwijała się w zawrotnym tempie. Dzięki nowym konstrukcjom silników samoloty mogły osiągać coraz większe prędkości i latać na większych wysokościach.
We współczesnych samolotach pasażerskich, takich jak Boeing 787 Dreamliner czy Airbus A350, stosuje się nowoczesne silniki turbowentylatorowe, które są wydajniejsze, cichsze i bardziej ekologiczne niż starsze typy. Największe samoloty pasażerskie wykorzystują ogromne jednostki, takie jak Rolls-Royce Trent 1000 (stosowany w Dreamlinerach) czy General Electric GE9X (stosowany w Boeingu 777X).
Przykładem potężnego napędu wykorzystywanego w cywilnych gigantach jest General Electric GE9X. Jest to największy turbofan na świecie, stosowany w Boeingu 777X, o średnicy wentylatora niemal dorównującej szerokości kadłuba Boeinga 737 (średnica wentylatora GE9X wynosi ok. 340 cm, kadłub B737 ma szerokość ok. 396 cm).
Chihaya Sta, CC0, via Wikimedia Commons
Copyright Dan Nevill from Seattle, WA, United States, CC BY 2.0 via Wikimedia Commons
Nowoczesne silniki turbowentylatorowe są oszczędniejsze (mogą pokonywać większe odległości bez konieczności tankowania), cichsze oraz charakteryzują się wysokim stosunkiem ciągu do masy.
Samoloty wojskowe
Samoloty wojskowe korzystają z bardziej zaawansowanych wersji silników, które pozwalają osiągać wyjątkowe prędkości i wykonywać skomplikowane manewry. Myśliwce, takie jak F-22 Raptor i Eurofighter Typhoon, wykorzystują silniki turbowentylatorowe z dopalaczem (komorą dopalania), które mogą przez krótki czas wytwarzać bardzo duży ciąg.
Dopalacze to dodatkowe urządzenia, które wstrzykują paliwo bezpośrednio do strumienia gorących gazów za turbiną, co natychmiast zwiększa ciąg. Chociaż dopalacze są niezwykle efektywne, zużywają ogromne ilości paliwa, dlatego stosuje się je tylko w sytuacjach wymagających nagłego przyspieszenia – np. w trakcie walki powietrznej.
Peter Gronemann, CC BY 2.0
Przykładem nowoczesnego silnika wojskowego jest Pratt & Whitney F119, używany w myśliwcach F-22.
W samolotach wojskowych dużą wagę przywiązuje się do zdolności manewrowania, prędkości maksymalnej oraz przyspieszenia. Dlatego często stosowane są tu rozwiązania, które cechują się wyjątkową wydajnością i szybkim dostarczaniem mocy.
http://www.dodmedia.osd.mil, Copyrighted free use, via Wikimedia Commons
Wojskowe samoloty transportowe
Oprócz myśliwców, wojsko korzysta także z dużych transportowych samolotów, takich jak Boeing C-17 Globemaster III czy Lockheed C-5 Galaxy. Ponieważ te ogromne maszyny nie potrzebują osiągów myśliwców, ważniejsze są dla nich stabilność, siła nośna i oszczędność paliwa. Z tego powodu, podobnie jak samoloty pasażerskie, korzystają z silników turbowentylatorowych.
Należący do Sił Powietrznych Stanów Zjednoczonych testowy Boeing C-17 Globemaster III T-1 przelatujący nad doliną Owens w Kalifornii w drodze do bazy Edwards po trwającej 208 dni modernizacji w San Antonio, w Teksasie. T-1 jest pierwszym należącym do USAF egzemplarzem C-17 zbudowanym do przeprowadzania testów rozwojowych.
U.S. Air Force, Public domain, via Wikimedia Commons
Jaka będzie przyszłość?
Współczesne badania koncentrują się głównie na dwóch aspektach: ekologii i efektywności energetycznej. Silniki przyszłości będą musiały emitować mniej spalin i zużywać mniej paliwa, aby sprostać wymaganiom środowiskowym.
W praktyce najbliższa przyszłość lotnictwa będzie należeć nie do jednego przełomowego napędu, lecz do stopniowej poprawy sprawności, redukcji emisji i łączenia nowych technologii z istniejącą infrastrukturą.