Zbliżenie na technikę: silniki odrzutowe

Czy zawsze chcieliście się dowiedzieć, jak działa samolot i dlaczego unosi się w powietrzu, ale nie mogliście przegryźć się przez złożony żargon lotniczy i mnóstwo wzorów matematycznych? Przedstawiamy nową, nieregularną serię, w której opiszemy te kwestie możliwie najprostszym językiem. Staniecie się prawdziwymi ekspertami w kilka chwil!

W tym miesiącu przyjrzymy się bliżej…

silnikom odrzutowym!

Wprawdzie większość samolotów w grze World of Warplanes to maszyny wirnikowe, ale kilka maszyn z najwyższych poziomów zostało wyposażonych w silniki odrzutowe (zwane również turbinami gazowymi). Pierwszym prawdziwym odrzutowcem był Messerschmitt 262, który jest dostępny w grze.

Silniki odrzutowe stały się najpopularniejszym mechanizmem napędowym nowoczesnych samolotów. Zasada działania tych silników jest bardzo prosta. Eksperymentowano z nią przez 2000 lat. Wyrzut powietrza pod wysokim ciśnieniem skutkuje powstaniem siły ciągu. Czy zdarzyło się Wam nadmuchać balon, a następnie wypuścić go z rąk, nie zawiązawszy na nim wcześniej supła? A może robiliście w szkole „rakietę balonową”, składającą się z balonu, słomki koktajlowej i sznurka?

Niesamowita rakieta balonowa!

Konstrukcja silników odrzutowych wykorzystuje trzecią zasadę dynamiki Newtona. Według niej siły funkcjonują w parach – każdej akcji towarzyszy reakcja równa co do wartości i kierunku, lecz przeciwnie zwrócona. Innymi słowy, gdy jedno ciało oddziałuje z określoną siłą na drugie, to drugie ciało jednocześnie wywiera taką samą siłę, ale w przeciwnym kierunku. W przypadku rakiety balonowej pierwszym ciałem jest powietrze, a drugim – balon. Wylatujące powietrze wypycha balon do przodu. Siłę tę nazywamy ciągiem – to ona napędza maszynę latającą.

Silnik odrzutowy działa na takiej samej zasadzie, co opisywany balon, aczkolwiek jest o wiele bardziej dopracowany pod względem technologicznym. Powietrze jest wyrzucane pod ogromnym ciśnieniem i z ogromną prędkością przez dyszę, tworząc równoważną i przeciwną siłę względem samego silnika. W efekcie silnik wraz z wszystkim, co jest do niego przytwierdzone (czyli resztą samolotu), porusza się do przodu. Techniczna nazwa tego urządzenia to „turbina gazowa”, a najprostszym przedstawicielem tego typu mechanizmów jest silnik turboodrzutowy. 

Typowy nowoczesny silnik odrzutowy

Wkrótce po wynalezieniu samolotów silnikowych inżynierowie z całego świata zaczęli rozważać zastosowanie technologii odrzutowej, która umożliwiłaby stworzenie maszyn o wyższej prędkości lotu. Jeszcze przed wybuchem II wojny światowej zauważono, że zbliża się granica wydajności wirników napędzanych silnikami tłokowych – czynnikiem ograniczającym jest prędkość końcówek wirników, która zbliżała się już do ponaddźwiękowej, czyli około 340 m/sek. Zaczęto szukać nowego systemu napędowego, który zapewniłby więcej mocy i umożliwił stworzenie samolotu osiągającego większą prędkość. Rozwiązaniem okazał się silnik turboodrzutowy.

Na początku XX wieku w wielu krajach Europy pracowano nad takimi konstrukcjami, ale pierwszy prawdziwy patent na działający silnik turboodrzutowy zgłosił w 1932 roku Brytyjczyk Frank Whittle. W tym samym czasie niemiecki inżynier Hans von Ohain pracował nad własną wersją silnika, nieświadomy postępów Whittle’a. Pierwszy samolot z silnikiem turboodrzutowym, He 178, wzbił się w przestworza w 1939 roku.

Silniki odrzutowe zyskały dużą popularność jednak dopiero w kilka lat po zakończeniu II wojny światowej. Pozwoliły na stworzenie potężniejszych samolotów bojowych, a także ułatwiły długodystansowe podróże zarówno pod względem praktycznym, jak i ekonomicznym. Dzięki nim tworzono coraz większe samoloty – zobaczcie, jak duży jest ten dwupokładowy Airbus A380! Silniki odrzutowe działają też na dużych wysokościach – tam, gdzie wirniki byłby nieskuteczne ze względu na niską gęstość powietrza.

Czy wyobrażacie sobie próbę poderwania takiego monstrum za pomocą wirników?

Silnik odrzutowy jest wynalazkiem, który zmienił świat mimo prostoty zasady działania.

Turbina gazowa to maszyna, która wciąga i kompresuje powietrze, a następnie wyrzuca je przez dyszę zamontowaną z tyłu. Cały proces można opisać czterema słowami, które opisują, co dzieje się z powietrzem przechodzącym przez maszynę: ZASYSANIE, SPRĘŻANIE, SPALANIE, WYDECH.

Schemat z widocznymi kolejnymi etapami pracy silnika: zasysanie (1), sprężanie (2), spalanie (3), wydech (4)

Zapamiętajcie te słowa. Zawierają one esencję zasady działania turbiny gazowej! Spójrzcie na powyższy diagram i porównajcie go z przekrojową ilustracją przedstawioną poniżej. Czy widzicie, w których częściach turbiny gazowej odbywają się poszczególne cztery etapy procesu?

Przekrój turbiny gazowej Rolls-Royce Trent 1000 używanej w wielu dużych, nowoczesnych samolotach pasażerskich. Jest to silnik turbowentylatorowy.

ZASYSANIE

Pierwszy etap pracy silnika polega na wciągnięciu powietrza do silnika. Służy do tego ogromny wentylator zamontowany na przodzie zespołu. Wentylator jest widoczny w każdym silniku lotniczym. Gdy maszyna znajduje się na ziemi, ten element jest zwykle odgrodzony dla bezpieczeństwa osób postronnych. Wbudowany wirnik jest straszliwie silny, a przez to niebezpieczny dla wszystkiego, co znajduje się w pobliżu! Typowy silnik, taki jak wspomniany model Trent, zasysa tonę powietrza – czyli równowartość całego kortu do squasha – w jedną sekundę. Część powietrza trafia do głównej komory silnika, natomiast reszta przepływa przez zawory obejściowe, prosto do etapu wydechu.

SPRĘŻANIE

Powietrze znajdujące się w silniku jest kompresowane za pomocą szeregu coraz mniejszych turbin (wyróżnionych złotym kolorem na powyższej ilustracji). Wirniki ściskają powietrze w niewielkiej ilości przestrzeni, tworząc bardzo wysokie ciśnienie, co w połączeniu z innymi czynnikami sprawia, że powietrze jest bardziej podatne na detonację. W tym miejscu przechodzimy do następnego etapu.

SPALANIE

Paliwo trafia do silnika przez niewielki przewód, a następnie jest mieszane z powietrzem pod wysokim ciśnieniem. Następnie mieszanka ulega zapłonowi. Powstaje kontrolowana eksplozja, w wyniku której gazy będące produktem spalania gwałtownie się rozprężają. Dzięki kształtowi silnika wytworzona siła jest skierowana do tyłu.

WYDECH

Ostatni etap! W tym momencie gorące powietrze z silnika miesza się powietrzem dostarczonym przez główny wirnik, po czym cała mieszanka wylatuje z wysoką prędkością z tyłu silnika, wytwarzając ogromną siłę ciągu. Część obiegu powietrza służy do obracania głównego wału silnika, natomiast większość ciągu służy do napędzania maszyny.

Junkers Jumo 004 w RAF Museum w Cosford w Wielkiej Brytanii – silnik z samolotu Messerchmitt 262

To wszystko! Właśnie poznaliście zasadę działania prostego silnika turboodrzutowego, w którym ciąg jest tworzony wyłącznie przez wydmuchiwane powietrze. Proste silniki odrzutowe stosowane we wczesnych modelach odrzutowców z II wojny światowej nie miały dużych wirników na wlocie powietrza. Pracowały wyłącznie na strumieniu powietrza przepływającego przez silnik.

Innym wariantem jest silnik turboodrzutowy, wyposażony w wirnik połączony z wałem turbiny, który może pracować na niższych wysokościach, oszczędzając paliwo.

W przypadku silników spalinowych (zwane również silnikami tłokowymi) stosuje się podobną terminologię, gdyż zachodzące w nich procesy są podobne do opisanych. Zasada działania silników spalinowych zostanie opisana w oddzielnym artykule.

Większość nowoczesnych silników odrzutowych jest stosowanych w lotnictwie, ale przydają się one również w innych zastosowaniach. Niektóre napędzają śruby w dużych statkach, inne zaś montuje się na pojazdach kołowych w celu pobicia naziemnego rekordu prędkości. Bieżący rekord ustanowiono w październiku 1997 roku w Nevadzie (Stany Zjednoczone), w pojeździe Thrust SSC. Osiągnął on prędkość 1228 km/h, przebijając barierę dźwięku!

Thrust SSC przytłoczony ogromny silnikami odrzutowymi

Uwaga: Dużą część artykułu oparto na informacjach dotyczących działania silników odrzutowych przedstawionych przez firmę Rolls-Royce. Więcej informacji, a także interesujące animacje, znajdziecie na stronie firmy.

Piloci, czy czujecie się ekspertami? Zasiądźcie za sterami i wzbijcie się w przestworza!