Κινητήρας αεριώθησης

Ο κινητήρας τουρμποφάν Pratt & Whitney F100 από ένα F-15 Eagle σε λειτουργία

Ο κινητήρας αεριώθησης ή τζετ, επίσης και αεριωθούμενος κινητήρας, στροβιλοκινητήρας, στροβιλοαντιδραστήρας και κινητήρας εκτόξευσης αερίων, είναι ένας κινητήρας ο οποίος προκαλεί ώθηση με την εκτόξευση ενός πίδακα αεριών με μεγάλη ταχύτητα εξαιτίας της δράσης του τρίτου νόμου του Νεύτωνα. Κινητήρες αεριώθησης θεωρούνται οι τουρμποτζέτ, τουρμποφάν, πύραυλοι, ραμτζέτ και τα παλμικά τζετ. Γενικά οι κινητήρες αεριώθησης είναι μηχανές εσωτερικής καύσης, αλλά υπάρχουν μορφές στις οποίες δεν γίνεται ανάφλεξη.

Οι κινητήρες αεριώθησης αποτελούνται από ένα περιστρεφόμενο αεροσυμπιεστή που κινείται από ένα στρόβιλο (κύκλος του Μπράιτον) και η υπόλοιπη ισχύς παράγει έργο μέσω ενός ακροφυσίου. Η αρχή λειτουργίας των κινητήρων εκτόξευσης αερίων (στροβιλοκινητήρες) στηρίζεται στη συμπύκνωση του εισερχόμενου αέρα, στον οποίο προστίθεται καύσιμο και στην ανάφλεξη αυτού του μίγματος. Τα υπέρθερμα καυσαέρια εκτονώνονται κατά ένα μέρος στο στρόβιλο, ο οποίος κινεί το συμπυκνωτή και άλλους μηχανισμούς, και τα υπόλοιπα εκτονώνονται στην έξοδο οπότε, σύμφωνα με την αρχή διατήρησης της ορμής, ασκείται στον κινητήρα προωθητική δύναμη. Οι κινητήρες αεριώθησης χρησιμοποιούνται κυρίως στα αεροπλάνα με μεγάλης απόστασης διαδρομές. Τα πρώτα αεροσκάφη χρησιμοποιούσαν τουρμποτζέτ ενώ σήμερα προτιμόνται για την υποηχητική πτήση οι κινητήρες τουρμποφάν.

Ιστορία

Η ιστορία των κινητήρων αεριώθησης μπορεί να αναχθεί στην εφεύρεση της αιολόσφαιρας από τον Ήρωνα τον 1ο αιώνα π.Χ. ή 1ο αιώνα μ.Χ. Αυτή η κατασκευή περιστρεφόταν εξαιτίας της ύπαρξης δύο ακροφυσιών, από τα οποία εξερρχόταν ατμός με πίεση. Επειδή η κατασκευή δεν είχε μεγάλη ισχύ δεν αξιοποιήθηκε περισσότερο. Ο πρώτος κινητήρας αεριθιώσης που εκτοξεύθηκε ήταν ένας πύραυλος που χρησιμοποιούσε ως καύσιμο πυρίτιδα του 13ου αιώνα από Κινέζους. Ο πύραυλος θεωρείται ότι ήταν μια μορφή πυροτεχνήματος.

Τα πρώτα αεροσκάφη με κινητήρα αεριθιώσης εμφανίστηκαν στο Β΄ Παγκόσμιο Πόλεμο, όμως οι μηχανικοί είχαν καταλάβει από πολύ νωρίτερα ότι ο εμβολοφόρος κινητήρας είχε αυτοπεριοριζόμενη απόδοση όσον αφορά την μέγιστη ταχύτητα που έφτανε (περίπου 700 χλμ/ώρα). Ο περιορισμός οφειλόταν στην απόδοση των ελίκων, η οποία μειωνόταν δραματικά όταν έφταναν στη ταχύτητα του ήχου. Για να αναπτυχθεί μεγαλύτερη ταχύτητα είχε γίνει προφανές ότι η κατασκευή των κινητήρων έπρεπε να αλλάξει δραστικά.

Την ιδέα του αεριοστρόβιλου την είχε πρώτος ο Άγγλος John Barber το 1791, όμως περιορισμοί στην σχεδίαση και στα διαθέσιμα υλικά απέτρεψαν την κατασεκυή μιας λειτουργικής μηχανής. Ο πρώτος στροβιλοκινητήρας με αυτοδύναμη λειτουργία κατασκευάστηκε το έτος 1903 από το Νορβηγό Aegidius Elling. Η πρώτη πατέντα για την χρήση στροβιλοκινητήρα στην αεροπορία αρχειοθετήθηκε το 1921 από το Γάλλο Ζωρζ Μαρκονέ (Georges Marconnet).

Ο κινητήρας W2-700 που χρησιμοποιήθηκε στο Gloster E.28/39

Το 1928 ο αξιωματικός της RAF Φρανκ Γουίτλ κατέθεσε επίσημα τις ιδέες για ένα τουρμποτζέτ στους ανώτερούς του. Τον Οκτώβριο του 1929 ανέπτυξε περαιτέρω τις ιδέες του και τελικά στις 16 Ιανουαρίου 1930 ο Γούιτλ κατέθεσε αίτηση για πατέντα, η οποία έγινε δεκτή το 1932. Η πατέντα έδειχνε ένα αξονικό αεροσυμπιεστή ο οποίος τροφοδοτούσε ένα φυγοκεντρικό συμπιεστή. Αργότερα επικεντρώθηκε για διάφορους λόγους στο μονό φυγοκεντρικό συμπιεστή. Ο πρώτος λειτουργικός κινητήρας του Γουίτλ τέθηκε σε λειτουργία το 1937. Ο Γουίτλ χρηματοδοτήθηκε από την Βρετανική κυβέρνηση έτσι ώστε να κατασκευαστεί ένα αεριωθούμενο, όμως αυτές οι προσπάθειες δεν ευδοκίμησαν όμως σε ικανοποιητικό βαθμό, ώστε το αεροπλάνο να αξιοποιηθεί στο Β' Παγκόσμιο Πόλεμο. Το πρώτο αεριοθούμενο βρεταννικό αεροσκάφος, το Gloster E.28/39, πραγματοποιήσε τη πρώτη πτήση του το 1941.

Το Heinkel He 178 ήταν το πρώτο αεριοθούμενο αεροσκάφος

Το 1935, ανεξάρτητα από τον Γουίτλ, ο Γερμανός Χανς φον Οχάιν εργάστηκε στην κατασκευή ενός στροβιλοκινητήρα. Ο φον Οχάιν συνεργάστηκε με τον Ερνστ Χάινκελ και το 1937 παρουσίασαν τον πρώτο κινητήρα Heinkel HeS 1, ο οποίος είχε ως καύσιμη ύλη αρχικά υδρογόνο. Μετέπειτα σχέδιά τους οδήγησαν στην κατασκευή του κινητήρα Hes 3, ο οποίος έκαιγε βενζίνη και μπορούσε να χρησιμοποιηθεί σε αεροσκάφη. ο κινητήρας εγκαταστάθηκε σε ένα πλαίσιο αεροσκάφος. Το αεροσκάφος αυτό ονομάστηκε Heinkel He 178 και ήταν έτοιμο το 1939. Το He 178 ήταν το πρώτο αεριωθούμενο που κατασκευάστηκε.

Το 1942 σχεδιάστηκε ο πρώτος αξονικός στροβιλοκινητήρας από τον H. Wagner και έλαβε την πατέντα με αριθμό 724091. Εξέλιξη αυτού του σχεδίου είναι ο κινητήρας Jumo 004, ο πρώτος στροβιλοκινητήρας μαζικής παραγωγής. Το 1943 κατασκευάστηκαν 7.900 κινητήρες Jumo 004. Ο κινητήρας παρήγαγε περισσότερο από ένα τόνο ώθησης και ήταν ο πρώτος εφοδιασμένος με μετακαυστήρα. Ο κινητήρας χρησιμοποιήθηκε στο πολεμικό δικινητήριο αεροσκαφός Messerschmitt Me 262. Το Me 262 έφτανε μέγιστη ταχύτητα τα 0,86 μαχ. Τα σχέδια κινητήρων των γερμανικών αεροσκαφών πέρασαν στα χέρια των Αμερικανών.

Τη δεκαετία του 1950 σχεδόν όλα τα πολεμικά αεροσκάφη ήταν αεριωθούμενα και είχε αρχίσει να διαδίδεται η χρήση των κινητήρων αεριθιώσης και στα πολιτικά αεροσκαφή, όπως το de Havilland Comet. Η απόδοση όμως των κινητήρων τουρμποτζέτ στις υποηχητικές ταχύτητες ήταν χειρότερη από αυτή των εμβολοκίνητων αεροσκαφών. Τη δεκαετία του 1960 και 1970 εμφανίστηκαν οι κινητήρες τουρμποφάν οι οποίοι έχουν απόδοση παρόμοια με αυτή των καλύτερων εμβολοφόρων κινητήρων.

Μέρη κινητήρα

Η εισαγωγή του αέρα πραγματοποιείται από ειδικό αεραγωγό εισαγωγής, ο οποίος, αν και αποτελεί στην πραγματικότητα μέρος του αεροσκάφους και όχι του κινητήρα, είναι σημαντικός επειδή η παροχή αέρα είναι απαραίτητη για την λειτουργία του κινητήρα. Ο αεραγωγός πρέπει να κατευθύνει τον αέρα στον συμπιεστή όσον το δυνατόν πιο ομοιόμορφα και με τις λιγότερες τριβές και στροβιλισμούς. Η διατομή του αεραγωγού αυξάνεται κατά μήκος του ώστε να αυξηθεί η στατική πίεση. Το σχήμα και η θέση του αεραγωγού εισαγωγής εξαρτάται από τον τύπο του αεροσκάφους. Ο αεραγωγός μπορεί να διαθέτει οδηγητικά πτερύγια για να διευκολύνει τη ροή του αέρα.

Πίσω ακριβώς από τον αεραγωγό είναι ο αεροσυμπιεστής. Ο ρόλος του αεροσυμπιεστή είναι να συμπιέζει τον εισερχόμενο αέρα στον κινητήρα ώστε να γίνει πυκνότερος. Οι αεροσυμπιεστές μπορεί να είναι φυγοκεντρικής ή αξονικής ροής ή και συνδυασμός των δύο τύπων. Οι συμπιεστές αξονικής ροής αποτελούνται από σταθερά (στάτορες) και κινητά (ρότορες) πτερύγια. Ο συμπιεσμένος αέρας περνά μέσω του διαχυτή στο θάλαμο κάυσης. Στο διαχυτή η πίεση λαμβάνει τη μέγιστη τιμή της μέσα στο κινητήρα.

Ο θάλαμος καύσης είναι το μέρος στο οποίο γίνεται καύση του καυσίμου μαζί με τον αέρα που εξέρχεται από το συμπιεστή. Τα εξερχόμενα αέρια στη συνέχεια κινούν ένα στρόβιλο, ο οποίος είναι συνδεδεμένος με το συμπιεστή, έτσι ώστε η περιστροφή του στρόβιλου να περιστρέφει και τον συμπιεστή. Χρησιμοποιείται αποκλειστικά στρόβιλος αξονικού τύπου. Αν ο συμπιεστής εξάγει τα αέρια σε υψηλούς λόγους συμπίεσης γίνεται χρήση πολλαπλών στρόβιλων. Οι στρόβιλου προστατεύονται από τα θερμά αέρια με ένα σύστημα ψύξης.

Τα καυτά αέρια μόλις περάσουν από τον τελευταίο στρόβιλο βγαίνουν στην ατμόσφαιρια μέσα από το σύστημα εξαγωγής. Το σύστημα εξαγωγής αποτελείται από το κώνο, τον αγωγό και το ακροφύσιο εξαγωγής. Έχει ως στόχο να αυξήσει την παραγόμενη ώθηση με την εξίσωση της πίεσης των αερίων με την ατμοσφαιρική. Σε κάποιους κινητήρες ανάμεσα στον στρόβιλο και το ακροφύσιο βρίσκεται ο μετακαυστήρας.

Αρχές λειτουργίας

Όλοι οι κινητήρες αεριώθησης είναι κινητήρες αντίδρασης, δηλαδή παράγουν ώθηση εκτοξεύοντας προς τα πίσω κάποιο υγρό ή αέριο. Σύμφωνα με το τρίτο νόμο του Νεύτωνα, δηλαδή για κάθε δράση υπάρχει ίση και αντίθετη αντίδραση, οπότε αέρας που εξέρχεται από τον κινητήρα με ταχύτητα μεγαλύτερη απ' αυτή που εισήλθε θα σπρώξει το αεροπλάνο προς τα μπρος. Στους κινητήρες τουρμποφάν η φτερωτή αυξάνει την ταχύτητα του αέρα μέσω συμπίεσης στη ροή αέρα που δεν περνάει μέσα από τον κινητήρα αυξάνοντας την απόδοση του κινητήρα.