Sådan fungerer en jetmotor

Jetmotorernes historie

Lige siden myten om Ikaros, hvor Ikaros laver vinger af fuglefjer og flyver, har folk forsøgt at forstå den måde, hvorpå visse arter flyver, for at kunne genskabe det med maskiner. Leonardo da Vinci udviklede de første koncepter i det ^16. århundrede. Men på det tidspunkt var den eneste kendte drivkraft de menneskelige muskler. De grundlæggende principper, som senere skulle gøre os i stand til at forstå, hvordan fly flyver, dukkede først op i det 17. og ^18. århundrede med forskere som Newton og Bernoulli. I det ^19. århundrede førte den industrielle revolution til en række tekniske fremskridt. Franskmanden Clément Ader var den første, der fik et fly til at lette med en dampmaskine og brugte en flagermus som inspiration. Et årti senere, i 1903, foretog brødrene Wright historiens første kontrollerede, motoriserede flyvninger.

Sådan fungerer en jetmotor

Den første jetmotor, eller turbojet, blev designet af tyskerne i 1939, men den var resultatet af flere århundreders forskning.

Denne video forklarer, hvordan nutidens motorer fungerer:

Princippet er enkelt:

Luft suges ind af en blæser og komprimeres derefter permanent; den passerer derefter ind i et forbrændingskammer, hvor den reagerer med paraffin og antændes. Den resulterende reaktion udvider gasserne, som derefter blæses bagud gennem en dyse og driver flyet fremad. Gasserne forsvinder med meget høj hastighed, når de passerer gennem en jetmotor, hvis form skrumper.

Desuden drejer gasserne, når de forlader motoren, en turbine, der er placeret på samme akse som kompressoren, lige efter forbrændingskammeret. Turbinens bevægelse får kompressoren til at bevæge sig, så reaktionen kan foregå kontinuerligt. Flyet bevæger sig, og luften, der strømmer over vingerne, får det til at flyve.

Flyselskaberne forsøger hele tiden at forbedre forbrændingskamrenes ydeevne for at reducere flyets emissioner.

Newtons bevægelseslove

I det ^17. århundrede opstillede Newton tre grundlæggende love for at forklare bevægelse. Den første er princippet om inerti, den anden princippet om dynamik. Den, der interesserer os, er Newtons tredje lov, princippet om gensidig påvirkning.

Jetfremdrift er faktisk baseret på dette princip om aktion-reaktion, som siger, at der for enhver aktion er en lige så stor og modsatrettet reaktion. Således vil den luft, der kastes bagud, udøve en lige så stor og modsatrettet kraft på flyet og drive det fremad. Og jo højere hastigheden på den fremdrevne gasstråle er, desto større er fremdriften.

Newtons lov forklarer også, hvordan fly flyver: Hvis vingen udøver en kraft på luften (dens vægt, en nedadgående kraft), så udøver luften en modsatrettet kraft på vingen, kaldet opdrift (opadgående). Ved at kompensere for disse kræfter holdes flyet i luften.

Den første jetmotor

I 1731 begyndte englænderen John Barber at registrere patenter på en gasturbine med intern forbrænding, forløberen for turbojetmotoren. Hans motor bestod af en kompressor, et forbrændingskammer og en turbine, som alle blev drevet af et brændbart stof. Barber kunne dog ikke få sin opfindelse til at fungere, fordi datidens teknologier ikke var i stand til at generere tilstrækkelig kraft.

Udviklingen af gasturbinen blev derefter forsinket af dampturbinens succes. Efter rumæneren Henri Coandăs og franskmanden Maxime Guillaumes arbejde i 1930’erne var det endelig en brite, Sir Frank Whittle, der revolutionerede lufttransporten med turbojet-fremdrift. I stedet for at bruge en stempelmotor til at komprimere luften valgte Whittle en nedstrøms turbine, der brugte kraften fra udstødningsgasserne til at drive kompressoren. Denne nye motor var mere økonomisk og kraftfuld end en stempelmotor.

De første turbojetmotorer blev udviklet samtidig i England og Tyskland. Tyskeren Hans Von Ohain udviklede den første jetmotor til Heinkel-firmaet i 1939. Det første jetfly var Heinkel He-178, som blev brugt i kamp. Den første flyvning blev dog afbrudt, da en fugl blev suget ind i motoren. Våbenkapløbet under Anden Verdenskrig fremskyndede den moderne luftfarts fødsel. USA og Sovjetunionen indhentede dem i slutningen af krigen, efterfulgt af Frankrig, som var blevet holdt tilbage af den tyske besættelse. De første civile fly med jetmotorer dukkede op i 1950’erne.

De forskellige typer jetmotorer

Generelt set omdanner turbojetmotorer den kemiske energi i et brændstof til kinetisk energi. Udviklingen af turbojetmotorer har været en stor udfordring lige fra starten, både på det militære og det civile område. Nutidens jetmotorer er meget mere komplekse end tidligere. For eksempel er de udstyret med thrust reversers, som tjener til at bremse flyet. Strålen omdirigeres til forsiden af motoren.

Der findes flere underkategorier af jetmotorer:

• Jetmotorer med centrifugalkompressor
• Aksialkompressor-turbojetmotorer
• Jetmotorer med dobbelt flow
• Ramjet-motorer
• Turboprop-motorer
• Fri turbine-motorer

De motorer, der er beskrevet ovenfor, er turbojetmotorer med centrifugalkompressor. De er enkle at fremstille og robuste, men ulempen er, at de kræver en motor med stor diameter, hvilket reducerer flyets sluthastighed. Derfor blev de aksiale turbojetmotorer opfundet. Luften komprimeres gennem en række propeller, og effektiviteten er bedre, men det kræver mere avancerede materialer. I begge tilfælde skal motoren kunne modstå temperaturer på op til 2000 °C.

I en bypass-reaktor er der placeret en ventilator foran kompressoren. Den suger en større mængde luft ind, som derefter opdeles i et primært og et sekundært flow. Den primære strøm passerer gennem forbrændingskammeret, så det er en strøm af varm luft. Den sekundære strøm sendes direkte ud fra hver side af motoren; det er en kold luftstrøm, der giver 80 % af fremdriften. Ved udløbet blandes den kolde luft med den varme luft, hvilket resulterer i afkøling. Dette system bruges på de fleste avions commerciaux -fly for at forbedre fremdriften og reducere motorstøjen.

Ramjetmotorer bruges nu i jagerfly og missiler, fordi de kan nå meget høje hastigheder. Deres fremdrift er større, fordi der sprøjtes brændstof ind i forbrændingskammeret igen, en proces, der kaldes efterforbrænding. Desuden har de ingen bevægelige dele og er derfor lette. Ulemperne er, at de ikke kan køre under en vis hastighed, og at temperaturen er meget høj, hvilket er uholdbart i længden for mange materialer. De skal også have en starthastighed for at kunne fungere. Superstatorjetmotorer kan nå supersoniske hastigheder. Concorde-motoren var en hybrid mellem en turbojet og en ramjet.

Turbojetmotorer øger deres fremdrift ved at skyde så meget gas ud som muligt. Det er ikke tilfældet med turboprops. De er afhængige af rotationskraften fra en propel, der er fastgjort til flyets yderside, for at levere det meste af fremdriften. Turboprops er den mest økonomiske løsning til kortdistanceflyvninger. De er mere effektive og bruger mindre brændstof, men er begrænsede med hensyn til højde og afstand. Hvis du vil vide mere om de forskellige turbopropmodeller, kan du besøge cette page.

Turbomotorer blev designet til helikoptere. Ligesom turbojetmotorer er de udstyret med en turbine. Helikoptere, der produceres i dag, som f.eks. Dauphin, har en fri turbine. Den omdanner udstødningsgassernes kinetiske og termiske energi til mekanisk energi og gør det også muligt for helikopterens vinger at rotere med en anden hastighed end kompressoren, hvilket sikrer flyets stabilitet.