Hvordan fungerer en jetmotor, og hvad er de forskellige typer?

Fra Ikaros’ dristige drømme til nutidens supersoniske fly er mennesket aldrig holdt op med at skubbe til himlens grænser.

Kernen i denne erobring af luftrummet er en revolutionerende opfindelse: jetmotoren. Dette tekniske mesterværk er kraftfuldt, komplekst og fascinerende og omdanner simpel forbrænding til en fænomenal kraft, der er i stand til at drive hundredvis af tons gennem skyerne.

Men hvordan fungerer den egentlig? Hvilke fysiske principper og historiske innovationer gjorde det muligt?

Dyk ned i disse mekaniske giganters indre, hvor videnskab møder ren kraft, og opdag den utrolige historie om de motorer, der ændrede verden.

Jetmotorernes historie: et videnskabeligt og teknisk epos

Siden oldtiden har mennesket drømt om at erobre himlen. Myten om Ikaros, der flyver med vinger lavet af fuglefjer, illustrerer denne ældgamle stræben. Men det var først århundreder senere, at videnskab og teknologi gjorde denne drøm til virkelighed.

Den teoretiske begyndelse (16ᵉ-18ᵉ århundrede)

I det 16. århundrede tegnede Leonardo da Vinci de første flyvende maskiner inspireret af fugle. Men på det tidspunkt var den eneste tilgængelige drivkraft stadig muskelkraft. Det videnskabelige grundlag for flyvning ville ikke dukke op før i det 17. og 18. århundrede takket være :

• Isaac Newton (dynamikkens love),
• Daniel Bernoulli (princippet om aerodynamisk opdrift).

De første resultater (19. århundrede)

Den industrielle revolution banede vejen for konkrete eksperimenter:

• I 1890 lykkedes det franskmanden Clément Ader at få sin Éole, et dampdrevet fly inspireret af flagermusenes flugt, til at lette. Selv om det ikke var særlig manøvredygtigt, var det et afgørende skridt fremad.
• Den 17. december 1903 foretog brødrene Orville og Wilbur Wright den første motoriserede og kontrollerede flyvning med deres Flyer, der blev drevet af en forbrændingsmotor.

Jetmotorens fremkomst (20. århundrede)

Selv om de første fly brugte propeller, fik begrænsningerne ved denne teknologi ingeniørerne til at lede efter et alternativ. Arbejdet med jetfremdrift begyndte i 1930’erne med pionerer som f.eks:

• Frank Whittle (Storbritannien),
• Hans von Ohain (Tyskland).

Det første operationelle jetfly, Messerschmitt Me 262, blev taget i brug i 1944 og revolutionerede den moderne luftfart.

I dag driver jetmotorer størstedelen af alle civile og militære fly og giver dem fart, kraft og effektivitet. Denne historie om vovemod og innovation viser, hvordan menneskeheden har rykket grænserne for, hvad der er muligt.

Sådan fungerer en jetmotor

Oprindelse og udvikling

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

Driften af de motorer, der bruges i dag, er forenklet i denne video:

Det grundlæggende princip

driften af en jetmotor er baseret på en præcis sekvens:

1. Sugning og kompression

Luft suges ind af en blæser og komprimeres derefter kontinuerligt.

2. Forbrænding

Den komprimerede luft kommer ind i forbrændingskammeret, hvor den blandes med paraffin og antændes. Den resulterende reaktion udvider gasser ved høj temperatur og højt tryk.

3. Ekspansion og fremdrift

De ekspanderede gasser sendes baglæns med meget høj hastighed gennem en konvergent dyse (som indsnævres), hvilket skaber et fremadrettet skub (i henhold til Newtons princip: aktion-reaktion).

4. Kontinuerlig tilførsel

Når gasserne forlader kompressoren, driver de en turbine, der er placeret på samme akse som kompressoren. Turbinens bevægelse får kompressoren til at bevæge sig, så cyklussen kan fortsætte, så længe der er strøm på motoren.

Aerodynamisk støtte

Fremdrift alene er ikke nok: Det er luftcirkulationen over vingerne, der skaber det løft, der er nødvendigt for at få flyet til at flyve.

Aktuelle udfordringer

Flyselskaber og flyproducenter arbejder konstant på at:

• Reducere udledningen (CO₂, partikler) ved at optimere forbrændingskamrene.
• Forbedre brændstofeffektiviteten, f.eks. med motorer med høj bypass ratio (som turbofanmotorer).
• Reducere brændstofforbruget, som er en stor økonomisk og miljømæssig udfordring.

Denne video forklarer processen på en forenklet måde.

Newtons love for bevægelse

I det 17. århundrede opstillede Isaac Newton tre grundlæggende love for den klassiske mekanik:

1. Inertiprincippet: Et legeme forbliver i hvile eller i ensartet retlinet bevægelse, medmindre der virker en kraft på det.
2. Princippet om dynamik: Den kraft, der udøves på et objekt, er lig med dets masse ganget med dets acceleration (F = m × a).
3. Princippet om gensidig handling (eller handling-reaktion): For enhver handling er der en tilsvarende reaktion, der er lige så stærk, men modsatrettet.

Anvendelse på jetfremdrift

Newtons tredje lov er kernen i, hvordan jetmotorer fungerer. Når et fly skyder gasser bagud ved høj hastighed, udøver de en reaktionskraft (thrust), som driver flyet fremad. Jo hurtigere og mere massiv gasstrålen er, desto større er fremdriften.

Flyvning og opdrift

Den samme lov forklarer også, hvordan et fly holder sig i luften:

• Vingerne udøver på grund af deres form og hældning en nedadrettet kraft på luften (action).
• Som svar udøver luften en modsatrettet opadgående kraft, kaldet løft, som kompenserer for flyets vægt.

På denne måde muliggør kompensationen af kræfter (tryk, træk, løft og vægt) stabil, kontrolleret flyvning.

(Bemærk: Disse principper er også afgørende inden for astronautik, hvor raketfremdrift udelukkende er baseret på udstødning af gasser i overensstemmelse med Newtons tredje lov)

Den første jetmotor: en revolution inden for luftfarten

Begyndelsen: John Barber og gasturbinen (1731)

Allerede i 1731 kom englænderen John Barber med et koncept, der var en forløber for turbojetmotoren, da han indgav patent på en gasturbine med intern forbrænding.

Hans motor indeholdt allerede nøgleelementerne: en kompressor, et forbrændingskammer og en turbine, der blev drevet af brændstof.

Desværre producerede datidens teknologier ikke nok kraft til at få den til at fungere ordentligt.

Udviklingen af gasturbiner blev derefter overskygget af dampturbinernes succes, som var mere effektive på det tidspunkt. Det var først i det 20. århundrede, at ideen dukkede op til overfladen igen.

Den moderne æra: Whittle, Von Ohain og jetfremdrift

I 1930’erne genoplivede rumæneren Henri Coandăs og franskmanden Maxime Guillaumes arbejde interessen for jetfremdrift. Men det var den britiske ingeniør Sir Frank Whittle, der virkelig revolutionerede området.

I 1937 designede Whittle en innovativ turbojetmotor: I stedet for at bruge en stempelmotor til at komprimere luften, installerede han en turbine nedstrøms og udnyttede energien i udstødningsgasserne til at drive kompressoren. Denne arkitektur gjorde motoren mere kraftfuld og mere økonomisk end stempelmodeller.

Næsten samtidig udviklede tyskeren Hans von Ohain en lignende motor til Heinkel-firmaet. I 1939 blev Heinkel He-178 verdens første jetfly. Jomfruturen blev dog afbrudt, da en fugl blev suget ind i motoren.

Våbenkapløbet og fremkomsten af moderne luftfart

Anden Verdenskrig fremskyndede den teknologiske udvikling. Tyskland og Storbritannien var i et kapløb om præstationer, mens USA og Sovjetunionen hurtigt indhentede dem efter 1945. Frankrig, som blev forsinket af besættelsen, kom senere med i konkurrencen.

I 1950’erne blev de første civile fly udstyret med turbojetmotorer, hvilket markerede starten på en ny æra inden for lufttransport.

Denne innovation, der blev født af en række fiaskoer og gennembrud, ændrede definitivt luftfarten og gav hurtigere, mere effektive og mere pålidelige fly.

Heinkel He-178 – Fotokredit: Wikimedia Commons

Hvad er de forskellige typer jetmotorer?

Der findes flere kategorier af jetmotorer, som hver især er tilpasset specifikke behov:

1. Turbojetmotorer

Generelt set omdanner turbojetmotorer den kemiske energi i et brændstof til kinetisk energi.

Lige fra starten har udviklingen af turbojetmotorer været en stor udfordring, både i den militære og civile sektor.

De inddeles i to undertyper:

• Centrifugalkompressor-turbojetmotorer: Centrifugalkompressor-turbojetmotorer er enkle at fremstille og robuste. De kræver dog en motor med stor diameter, hvilket reducerer flyets sluthastighed.
• Aksialkompressor-turbojetmotorer: Disse er mere kraftfulde takket være en række propeller, der komprimerer luften. De kræver dog mere avancerede materialer.

I begge tilfælde skal motoren kunne modstå temperaturer på op til 2000 °C.

2. Turbofan-motorer

I en turbofanmotor er der placeret en blæser foran kompressoren. Den trækker en større mængde luft ind, som derefter deles i to strømme:

• Primært flow: Det primære flow passerer ind i forbrændingskammeret, så det er et flow af varm luft.
• Sekundærstrøm: Sekundærstrømmen sendes direkte ud på hver side af motoren; det er en kold luftstrøm, som giver 80 % af fremdriften.

Ved udløbet blandes den kolde luft med den varme luft, hvilket resulterer i afkøling. Dette system bruges på de fleste kommercielle fly for at forbedre fremdriften og reducere motorstøjen.

Bypass-motor – Fotokredit: Wikipedia

3. Ramjets

Ramjet-motorer bruges nu på jagerfly og missiler, fordi de kan nå meget høje hastigheder.

• Fordele: Deres fremdrift er større, fordi brændstoffet sprøjtes ind i forbrændingskammeret igen, en proces, der kaldes efterforbrænding. Desuden har de ingen bevægelige dele og er derfor lette.
• Ulemper: De kræver en starthastighed for at fungere og kan ikke klare ekstreme temperaturer over tid.

Superstar-jetmotorer (som f.eks. Concorde turbojet/ramjet-hybrid) når overlydshastigheder.

4. Turboprop-motorer

Turbojetmotorer øger deres fremdrift ved at skubbe så meget gas ud som muligt. Det er ikke tilfældet med turbopropmotorer.

Turboprops 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 denne side.

Foto: Wikimedia Commons

5. Turbomotorer (til helikoptere)

Turbomotorer blev designet til helikoptere. Ligesom turbojetmotorer er de udstyret med en turbine.

Helikoptere, der produceres i dag, såsom Dauphin, har en fri turbine.

Den omdanner den kinetiske og termiske energi i udstødningsgasserne til mekanisk energi.

Den vil også gøre det muligt for helikopterens vinger at rotere med en anden hastighed end kompressoren og dermed sikre flyets stabilitet.