Kaip veikia reaktyvinis variklis

Reaktyvinių variklių istorija

Nuo pat Ikaro mito, kuriame Ikaras iš paukščio plunksnų pasigamina sparnus ir skrenda, žmonės bando suprasti, kaip tam tikros rūšys pakyla į dangų, kad galėtų tai atkartoti su mašinomis. Leonardas da Vinčis pirmąsias koncepcijas sukūrė ^XVI amžiuje. Tačiau tuo metu vienintelė žinoma varomoji jėga buvo žmogaus raumenys. Pagrindiniai principai, kurie vėliau leis suprasti, kaip skraido lėktuvai, atsirado tik XVII ir ^XVIII a., kai juos sukūrė tokie mokslininkai kaip Niutonas ir Bernoulli. ^XIX a. pramonės revoliucija lėmė daugybę techninių pasiekimų. Prancūzas Klemensas Aderis (Clément Ader) pirmasis pakėlė lėktuvą į orą naudodamas garo variklį, o įkvėpimo šaltinis buvo šikšnosparnis. Po dešimtmečio, 1903 m., broliai Wrightai atliko pirmuosius istorijoje kontroliuojamus motorizuotus skrydžius.

Kaip veikia reaktyvinis variklis

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

Šiame vaizdo įraše paaiškinama, kaip veikia šiuolaikiniai varikliai:

Principas paprastas:

Jis patenka į degimo kamerą, kur reaguoja su parafinu ir užsidega. Dėl įvykusios reakcijos išsiplečia dujos, kurios pro purkštuką pučiamos atgal ir varo orlaivį į priekį. Dujos išeina labai dideliu greičiu, kai praeina pro reaktyvinį variklį, kurio forma susitraukia.

Be to, išeidamos iš variklio, dujos suka turbiną, esančią ant tos pačios ašies kaip ir kompresorius, iškart už degimo kameros. Turbinos judėjimas sukelia kompresoriaus judėjimą, todėl reakcija vyksta nepertraukiamai. Lėktuvas juda, o virš jo sparnų tekantis oras verčia jį skristi.

Aviakompanijos nuolat stengiasi pagerinti degimo kamerų veikimą, kad sumažintų orlaivių išmetamų teršalų kiekį.

Niutono judėjimo dėsniai

^XVII a. Niutonas nustatė tris pagrindinius dėsnius, paaiškinančius judėjimą. Pirmasis – inercijos principas, antrasis – dinamikos principas. Mus dominantis yra trečiasis Niutono dėsnis – abipusio veikimo principas.

Reaktyvinis varymas iš tikrųjų grindžiamas šiuo veiksmo ir reakcijos principu, kuris teigia, kad kiekvienas veiksmas turi lygiavertę ir priešingą reakciją. Taigi, atgal išmetamas oras lėktuvą veikia lygia ir priešinga jėga, stumdamas jį į priekį. Be to, kuo didesnis išstumiamų dujų srovės greitis, tuo didesnė trauka.

Niutono dėsnis taip pat paaiškina, kaip orlaiviai skrenda: jei sparnas veikia orą jėga (savo svoriu, žemyn nukreipta jėga), tai oras veikia sparną priešinga jėga, vadinama keliamąja jėga (aukštyn). Kompensuojant šias jėgas orlaivis laikosi ore.

Pirmasis reaktyvinis variklis

1731 m. anglas Johnas Barberis pradėjo registruoti vidaus degimo dujų turbinos– turboreaktyvinio variklio pirmtako – patentus. Jo variklį sudarė kompresorius, degimo kamera ir turbina, o visa tai buvo varoma degia medžiaga. Tačiau Barberiui nepavyko įgyvendinti savo išradimo, nes to meto technologijos negalėjo generuoti pakankamos galios.

Dujų turbinos kūrimas vėlavo, nes buvo sėkmingai sukurta garo turbina. Galiausiai po rumuno Henri Coandă ir prancūzo Maxime’o Guillaume’o darbų XX a. trečiajame dešimtmetyje revoliuciją oro transporte padarė britas seras Frankas Whittle’as, sukūręs turboreaktyvinę jėgainę. Užuot naudojęs stūmoklinį variklį orui suspausti, F. Whittle’as pasirinko pasroviui veikiančią turbiną, kuri kompresoriui varyti naudojo išmetamųjų dujų energiją. Šis naujas variklis buvo ekonomiškesnis ir galingesnis už stūmoklinį variklį.

Pirmieji turboreaktyviniai varikliai vienu metu buvo sukurti Anglijoje ir Vokietijoje. Vokietis Hansas von Ohainas 1939 m. sukūrė pirmąjį reaktyvinį variklį bendrovei „Heinkel”. Pirmasis reaktyvinis lėktuvas buvo „Heinkel He-178”, naudotas kovai. Tačiau pirmasis skrydis buvo nutrauktas, kai į variklį buvo įsiurbtas paukštis. Ginklavimosi varžybos Antrojo pasaulinio karo metais paspartino šiuolaikinės aviacijos gimimą. Karo pabaigoje pasivijo Jungtinės Valstijos ir Sovietų Sąjunga, o po jų – Prancūzija, kurią stabdė vokiečių okupacija. Pirmieji reaktyviniais varikliais varomi civiliniai orlaiviai pasirodė šeštajame dešimtmetyje.

Skirtingi reaktyvinių variklių tipai

Apskritai turboreaktyviniai varikliai degaluose esančią cheminę energiją paverčia kinetine energija. Turboreaktyvinių variklių kūrimas nuo pat pradžių buvo didelis iššūkis tiek karinėje, tiek civilinėje srityje. Šiandieniniai reaktyviniai varikliai yra daug sudėtingesni nei anksčiau. Pavyzdžiui, juose įrengti traukos reversoriai, kurie padeda stabdyti orlaivį. Srovė nukreipiama į variklio priekį.

Yra kelios reaktyvinių variklių pakategorės:

• Išcentriniai kompresoriniai reaktyviniai varikliai
• Ašinio kompresoriaus turboreaktyviniai varikliai
• Dvigubo srauto reaktyviniai varikliai
• Ramjet varikliai
• Turbosraigtiniai varikliai
• Laisvosios turbinos varikliai

Pirmiau aprašyti varikliai yra išcentrinio kompresoriaus turboreaktyviniai varikliai. Juos paprasta pagaminti ir jie yra tvirti, tačiau jų trūkumas yra tas, kad reikia didelio skersmens variklio, o tai sumažina galutinį orlaivio greitį. Todėl buvo išrasti ašiniai turboreaktyviniai varikliai. Jų oras suspaudžiamas per sraigtų seriją, o efektyvumas yra geresnis, tačiau tam reikia pažangesnių medžiagų. Abiem atvejais variklis turi atlaikyti iki 2000 °C temperatūrą.

Aplenkiamajame reaktoriuje priešais kompresorių įrengiamas ventiliatorius. Jis įsiurbia didesnį oro kiekį, kuris vėliau padalijamas į pirminį ir antrinį srautą. Pirminis srautas eina per degimo kamerą, todėl tai yra karšto oro srautas. Antrinis srautas išmetamas tiesiai į abi variklio puses; 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.

Dabar raketiniai varikliai naudojami naikintuvuose ir raketose, nes jie gali pasiekti labai didelį greitį. 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 yra tai, kad jie negali veikti mažesniu nei tam tikras greitis greičiu ir temperatūra yra labai aukšta, o tai daugeliui medžiagų yra nepakeliama ilgą laiką. Be to, norint, kad jie veiktų, jiems reikia suteikti pradinį greitį. Superstatorjet varikliai gali pasiekti viršgarsinį greitį. Konkordo variklis buvo turboreaktyvinio ir ramjet variklio hibridas.

Turboreaktyviniai varikliai padidina trauką išmesdami kuo daugiau dujų. Turbosraigtiniai varikliai to nedaro. Jiems didžiausią traukos jėgą suteikia 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. Daugiau informacijos apie įvairių tipų turbosraigtinius lėktuvus rasite šiame puslapyje.

Turbosraigtiniai varikliai buvo skirti sraigtasparniams. Juose, kaip ir turboreaktyviniuose varikliuose, įrengta turbina. Šiandieniniuose sraigtasparniuose, pavyzdžiui, ” Dauphin”, yra laisvoji turbina. Joje išmetamųjų dujų kinetinė ir šiluminė energija paverčiama mechanine energija, o sraigtasparnio mentės sukasi kitu greičiu nei kompresorius, taip užtikrinant orlaivio stabilumą.