Kaip veikia reaktyvinis variklis ir kokie yra jo tipai?

Nuo drąsių Ikaro svajonių iki šiandieninių viršgarsinių lėktuvų – žmogus niekada nenustojo plėsti dangaus ribų.

Šio oro užkariavimo pagrindas – revoliucinis išradimas: reaktyvinis variklis. Galingas, sudėtingas ir žavus inžinerijos šedevras, kuriame paprastas degimas paverčiamas fenomenalia jėga, galinčia per debesis skraidinti šimtus tonų.

Tačiau kaip jis iš tikrųjų veikia? Kokie fizikiniai principai ir istorinės naujovės leido jį sukurti?

Pasinerkite į šių mechaninių milžinų vidų, kur mokslas susitinka su grynąja galia, ir sužinokite neįtikėtiną istoriją apie variklius, kurie pakeitė pasaulį.

Reaktyvinių variklių istorija: mokslinė ir techninė epopėja

Nuo seniausių laikų žmogus svajojo užkariauti dangų. Mitas apie Ikarą, kuris skraido iš paukščio plunksnų pagamintais sparnais, iliustruoja šį seną ieškojimą. Tačiau tik po kelių šimtmečių mokslas ir technologijos šią svajonę pavertė realybe.

Teorinė pradžia (16-18 a.)

XVIᵉ a. Leonardas da Vinčis nupiešė pirmuosius paukščių įkvėptus skraidančius aparatus. Tačiau tuo metu vienintelė turima varomoji jėga vis dar buvo raumenų jėga. Moksliniai skrydžio pagrindai atsirado tik 17ᵉ ir 18ᵉ amžiuje dėka :

• Izaoko Niutono (dinamikos dėsniai),
• Danielio Bernulio (aerodinaminio keliamojo jėgos srauto principas).

Pirmieji pasiekimai (19ᵉ a.)

Pramonės revoliucija atvėrė kelią konkretiems eksperimentams:

• 1890 m. prancūzui Klemenui Aderiui (Clément Ader) pavyko pakelti į orą šikšnosparnių skrydžio įkvėptą garu varomą orlaivį „Éole”. Nors jis nebuvo labai manevringas, tai buvo svarbus žingsnis į priekį.
• 1903 m. gruodžio 17 d. broliai Orvilis ir Vilburas Raitai (Orville and Wilbur Wright) atliko pirmąjį valdomą skrydį su vidaus degimo varikliu varomu orlaiviu „Flyer”.

Reaktyvinio variklio atsiradimas (XX a.)

Nors pirmuosiuose orlaiviuose buvo naudojami propeleriai, šios technologijos trūkumai paskatino inžinierius ieškoti alternatyvų. Reaktyvinių variklių kūrimo darbai prasidėjo XX a. trečiajame dešimtmetyje, o jų pradininkai, pvz:

• Frenkas Vitlis (Frank Whittle, Jungtinė Karalystė),
• Hansas von Ohainas (Vokietija).

Pirmasis reaktyvinis lėktuvas – „Messerschmitt Me 262” – pradėtas eksploatuoti 1944 m. ir sukėlė revoliuciją šiuolaikinėje aviacijoje.

Šiandien reaktyviniais varikliais varoma dauguma civilinių ir karinių orlaivių, kurie pasižymi greičiu, galia ir efektyvumu. Ši drąsos ir naujovių istorija rodo, kaip žmonija peržengė įmanomų galimybių ribas.

Kaip veikia reaktyvinis variklis

Kilmė ir raida

Pirmąjį reaktyvinį variklį, arba turboreaktyvinį variklį, 1939 m. sukūrė vokiečiai. Tačiau jis buvo kelių šimtmečių mokslinių tyrimų rezultatas.

Šiandien naudojamų variklių veikimas supaprastintas šiame vaizdo įraše:

Pagrindinis principas

reaktyvinio variklio veikimas pagrįstas tikslia seka:

1. Įsiurbimas ir suspaudimas

Oras įsiurbiamas orapūtės pagalba, tada nuolat suspaudžiamas.

2. Degimas

Suslėgtas oras patenka į degimo kamerą, kur jis sumaišomas su parafinu ir uždegamas. Dėl įvykusios reakcijos išsiplečia aukštos temperatūros ir aukšto slėgio dujos.

3. Išsiplėtimas ir varomoji jėga

Išsiplėtusios dujos labai dideliu greičiu išstumiamos atgal per konverguojančią tūtą (kuri susiaurėja), taip sukuriant priekinę trauką (pagal Niutono principą: veiksmas-reakcija).

4. Nuolatinis tiekimas

Iš kompresoriaus išeinančios dujos varo turbiną, esančią toje pačioje ašyje kaip ir kompresorius. Turbinos judėjimas sukelia kompresoriaus judėjimą, todėl ciklas tęsiasi tol, kol variklis yra varomas.

Aerodinaminė atrama

Vien varomosios jėgos nepakanka: oro cirkuliacija virš sparnų sukuria keliamąją jėgą, reikalingą orlaiviui skristi.

Dabartiniai iššūkiai

Oro linijų bendrovės ir orlaivių gamintojai nuolat stengiasi:

• Mažinti išmetamų teršalų (CO₂, kietųjų dalelių) kiekį optimizuojant degimo kameras.
• Didinti degalų naudojimo efektyvumą, pavyzdžiui, naudojant variklius su dideliu apėjimo koeficientu (pvz., turboreaktyvinius variklius).
• Sumažinti degalų sąnaudas, kurios yra pagrindinis ekonominis ir aplinkosauginis iššūkis.

Šiame vaizdo įraše supaprastintai paaiškinamas šis procesas.

Niutono judėjimo dėsniai

XVIIᵉ a. Izaokas Niutonas nustatė tris pagrindinius klasikinės mechanikos dėsnius:

1. Inercijos principas: kūnas išlieka ramybės būsenoje arba juda tolygiai tiesiaeigiu judesiu, jei jo neveikia jėga.
2. Dinamikos principas: objektą veikianti jėga yra lygi jo masei, padaugintai iš pagreičio (F = m × a).
3. Grįžtamojo veikimo principas (arba veikimo ir reakcijos principas): Kiekvienam veiksmui yra atitinkama reakcija, vienodo intensyvumo, bet priešingos krypties.

Pritaikymas reaktyvinei varomajai jėgai

Trečiasis Niutono dėsnis yra reaktyvinių variklių veikimo pagrindas. Kai lėktuvas dideliu greičiu išmetinėja dujas atgal, jos sukelia reakcijos jėgą (trauką), kuri varo lėktuvą į priekį. Kuo greitesnė ir masyvesnė dujų srovė, tuo didesnė trauka.

Orlaivio skrydis ir keliamoji jėga

Tas pats dėsnis paaiškina, kaip orlaivis išsilaiko ore:

• Sparnai dėl savo formos ir polinkio veikia žemyn nukreiptą oro jėgą (veikimą).
• Oras veikia priešingą aukštyn kylančią jėgą, vadinamąją keliamąją jėgą, kuri kompensuoja orlaivio svorį.

Tokiu būdu jėgų (traukos, pasipriešinimo, keliamosios jėgos ir svorio) kompensavimas užtikrina stabilų ir valdomą skrydį.

(Pastaba: šie principai taip pat labai svarbūs astronautikoje, kur raketų varomoji jėga yra pagrįsta vien tik dujų išmetimu pagal trečiąjį Niutono dėsnį)

Pirmasis reaktyvinis variklis: aviacijos revoliucija

Pradžia: Džonas Barberis ir dujų turbina (1731 m.)

Dar 1731 m. anglas Džonas Barberis (John Barber), pateikęs vidaus degimo dujų turbinos patentą, pasiūlė koncepciją, kuri buvo turboreaktyvinio variklio pirmtakas.

Jo variklyje jau buvo pagrindiniai elementai: kompresorius, degimo kamera ir turbina, varoma degalais.

Deja, tuometinės technologijos nesuteikė pakankamai galios, kad jis tinkamai veiktų.

Dujų turbinų kūrimą tuomet užtemdė garo turbinų, kurios tuo metu buvo efektyvesnės, sėkmė. Ši idėja vėl atgimė tik XX amžiuje.

Šiuolaikinė era: Whittle’as, Von Ohainas ir reaktyvinis variklis

XX a. trečiajame dešimtmetyje rumunas Henri Coandă ir prancūzas Maxime’as Guillaume’as savo darbais atgaivino susidomėjimą reaktyvine jėgaine. Tačiau tikrą revoliuciją šioje srityje padarė britų inžinierius seras Frankas Whittle’as.

1937 m. Whittle’as sukūrė naujovišką turboreaktyvinį variklį: užuot naudojęs stūmoklinį variklį orui suslėgti, jis įrengė turbiną, kuri panaudojo išmetamųjų dujų energiją kompresoriui varyti. Dėl šios architektūros variklis tapo galingesnis ir ekonomiškesnis už stūmoklinius modelius.

Beveik tuo pat metu vokietis Hansas von Ohainas sukūrė panašų variklį bendrovei „Heinkel”. 1939 m. „Heinkel He-178” tapo pirmuoju pasaulyje reaktyviniu lėktuvu. Tačiau jo pirmasis skrydis buvo nutrauktas, kai į variklį įsiurbė paukštis.

Ginklavimosi varžybos ir šiuolaikinės aviacijos atsiradimas

Antrasis pasaulinis karas paspartino technologinę pažangą. Vokietija ir Jungtinė Karalystė lenktyniavo dėl našumo, o Jungtinės Valstijos ir SSRS po 1945 m. sparčiai jas pasivijo. Prancūzija, vėluojanti dėl okupacijos, į varžybas įsitraukė vėliau.

Šeštajame dešimtmetyje pirmuosiuose civiliniuose orlaiviuose buvo sumontuoti turboreaktyviniai varikliai, kurie pradėjo naują oro transporto erą.

Ši inovacija, atsiradusi po keleto nesėkmių ir proveržių, galutinai pakeitė aviaciją, suteikdama greitesnius, efektyvesnius ir patikimesnius orlaivius.

Heinkel He-178 – nuotrauka: Wikimedia Commons

Kokie yra skirtingi reaktyvinių variklių tipai?

Yra kelios reaktyvinių variklių kategorijos, kurių kiekviena pritaikyta konkretiems poreikiams:

1. Turboreaktyviniai varikliai

Apskritai turboreaktyviniai varikliai degaluose esančią cheminę energiją paverčia kinetine energija.

Nuo pat pradžių turboreaktyvinių variklių kūrimas buvo didelis iššūkis tiek kariniame, tiek civiliniame sektoriuose.

Jie skirstomi į du potipius:

• Išcentriniai kompresoriniai turboreaktyviniai varikliai: išcentriniai kompresoriniai turboreaktyviniai varikliai yra paprasti gaminti ir tvirti. Tačiau jiems reikalingas didelio skersmens variklis, todėl sumažėja galutinis orlaivio greitis.
• Ašiniai kompresoriniai turboreaktyviniai varikliai: šie varikliai yra galingesni, nes juose orą suspaudžia keli sraigtai. Tačiau jiems reikia pažangesnių medžiagų.

Abiem atvejais variklis turi atlaikyti iki 2000 °C temperatūrą.

2. Turboslėgtuviniai varikliai

Turbokompresoriniame variklyje priešais kompresorių yra ventiliatorius. Jis įsiurbia didesnį oro kiekį, kuris vėliau padalijamas į du srautus:

• Pirminis srautas: Pirminis srautas patenka į degimo kamerą, todėl tai yra karšto oro srautas.
• Antrinis srautas: antrinis srautas išmetamas tiesiai į bet kurią variklio pusę; tai šalto oro srautas, užtikrinantis 80 % traukos.

Išėjime šaltas oras susimaišo su karštu oru, todėl jis atvėsta. Ši sistema naudojama daugumoje komercinių orlaivių, siekiant pagerinti trauką ir sumažinti variklio triukšmą.

Aplenkiamasis variklis – nuotrauka: Vikipedija

3. Ramziniai reaktyviniai varikliai

Ramjet varikliai dabar naudojami naikintuvuose ir raketose, nes jie gali pasiekti labai didelį greitį.

• Privalumai: jų trauka didesnė, nes degalai pakartotinai įpurškiami į degimo kamerą – šis procesas vadinamas papildomu degimu. Be to, jie neturi judančių dalių, todėl yra lengvi.
• Trūkumai: Jiems veikti reikia pradinio greičio, o ilgainiui jie blogai pakelia ekstremalią temperatūrą.

Viršgarsiniai reaktyviniai varikliai (pavyzdžiui, „Concorde” turboreaktyvinio ir reaktyvinio variklio hibridas) pasiekia viršgarsinį greitį.

4. Turbosraigtiniai varikliai

Turboreaktyviniai varikliai padidina trauką išmesdami kuo daugiau dujų. Turbosraigtiniai varikliai to nedaro.

Turbosraigtiniai varikliai didžiąją traukos dalį sukuria prie orlaivio išorės pritvirtinto sraigto sukimosi galia.

Turbosraigtiniai lėktuvai yra ekonomiškiausias sprendimas trumpiems skrydžiams. Jie yra efektyvesni ir sunaudoja mažiau degalų, tačiau jų naudojimo aukštis ir atstumas yra ribotas.

Norėdami sužinoti daugiau apie įvairius turbosraigtinių lėktuvų modelius, apsilankykite šiame puslapyje.

Nuotrauka: Wikimedia Commons

5. Turbosraigtiniai varikliai (skirti sraigtasparniams)

Turbosraigtiniai varikliai buvo sukurti sraigtasparniams. Juose, kaip ir turboreaktyviniuose varikliuose, įrengta turbina.

Šiandien gaminamuose sraigtasparniuose, pavyzdžiui, ” Dauphin”, turbina yra laisva.

Joje išmetamųjų dujų kinetinė ir šiluminė energija paverčiama mechanine energija.

Ji taip pat leidžia sraigtasparnio mentėms suktis kitu greičiu nei kompresoriaus, taip užtikrinant orlaivio stabilumą.