Hogyan működik egy sugárhajtómű, és melyek a különböző típusai?

Ikarosz merész álmaitól a mai szuperszonikus repülőgépekig az ember soha nem hagyta abba az égbolt határainak feszegetését.

E légi hódítás középpontjában egy forradalmi találmány áll: a sugárhajtómű. A mérnöki tudomány eme hatalmas, összetett és lenyűgöző remekműve az egyszerű égést olyan fenomenális erővé alakítja át, amely több száz tonnát képes a felhőkön átrepíteni.

De hogyan is működik valójában? Milyen fizikai elvek és történelmi újítások tették lehetővé?

Merüljön el e mechanikai óriások gyomrában, ahol a tudomány találkozik a tiszta erővel, és fedezze fel a világot megváltoztató motorok hihetetlen történetét.

A sugárhajtóművek története: egy tudományos és műszaki eposz

Az ember ősidők óta arról álmodik, hogy meghódítja az eget. Az Ikarosz mítosza, aki madártollakból készült szárnyakkal repül, illusztrálja ezt az ősi törekvést. A tudomány és a technológia azonban csak évszázadokkal később váltotta valóra ezt az álmot.

Az elméleti kezdetek (16ᵉ-18ᵉ század)

A 16ᵉ században Leonardo da Vinci megrajzolta az első repülőgépeket, amelyeket a madarak ihlettek. Ekkor azonban az egyetlen rendelkezésre álló hajtóerő még mindig az izomerő volt. A repülés tudományos alapjai csak a 17ᵉ és 18ᵉ században születtek meg, köszönhetően :

• Isaac Newton (a dinamika törvényei),
• Daniel Bernoulli (az aerodinamikai felhajtóerő elve).

Az első eredmények (19ᵉ század)

Az ipari forradalom megnyitotta az utat a konkrét kísérletek előtt:

• 1890-ben a francia Clément Adernek sikerült felemelnie a földre Éole nevű, a denevérek repülése által ihletett gőzmeghajtású repülőgépét. Bár nem volt túl manőverezőképes, döntő előrelépés volt.
• 1903. december 17-én az Orville és Wilbur Wright testvérek belső égésű motorral hajtott Flyer repülőgépükkel végrehajtották az első motoros és irányított repülést.

A sugárhajtómű megjelenése (20. század)

Bár az első repülőgépek propellereket használtak, e technológia korlátai arra késztették a mérnököket, hogy alternatívát keressenek. A sugárhajtású meghajtással kapcsolatos munkálatok az 1930-as években kezdődtek, olyan úttörőkkel, mint például:

• Frank Whittle (Egyesült Királyság),
• Hans von Ohain (Németország).

Az első üzemképes sugárhajtású repülőgép, a Messerschmitt Me 262 1944-ben állt szolgálatba, forradalmasítva a modern repülést.

Ma a sugárhajtóművek a polgári és katonai repülőgépek többségét hajtják, sebességet, teljesítményt és hatékonyságot kínálva. A merészség és az innováció története megmutatja, hogy az emberiség hogyan feszegette a lehetőségek határait.

Hogyan működik egy sugárhajtómű

Eredet és fejlődés

Az első sugárhajtóművet, azaz turbojetet a németek tervezték 1939-ben. Ez azonban több évszázados kutatás eredménye volt.

A ma használt hajtóművek működését egyszerűsíti le ez a videó:

Az alapelv

a sugárhajtóművek működése egy pontos sorrenden alapul:

1. Szívás és kompresszió

A levegőt egy fúvóka szívja be, majd folyamatosan sűríti.

2. Az égés

A sűrített levegő az égéstérbe kerül, ahol összekeveredik a paraffinnal és meggyullad. A keletkező reakció során a gázok magas hőmérsékleten és nagy nyomáson kitágulnak.

3. Tágulás és meghajtás

A kitágult gázok egy konvergens fúvókán (amely szűkül) keresztül nagyon nagy sebességgel hátrafelé kilökődnek, így előretoló tolóerő keletkezik (Newton elve szerint: akció-reakció).

4. Folyamatos adagolás

Ahogy a gázok elhagyják a kompresszort, egy turbinát hajtanak meg, amely a kompresszorral azonos tengelyen helyezkedik el. A turbina mozgása a kompresszor mozgását okozza, így a ciklus mindaddig folytatódik, amíg a hajtóművet működtetik.

Aerodinamikai támogatás

A meghajtás önmagában nem elég: a szárnyak fölötti levegő keringése az, ami a repülőgép repüléséhez szükséges felhajtóerőt generálja.

Jelenlegi kihívások

A légitársaságok és a repülőgépgyártók folyamatosan dolgoznak:

• A kibocsátások (CO₂, részecskék) csökkentése az égéstér optimalizálásával.
• Az üzemanyag-hatékonyság javítása, például a nagy áthaladási arányú hajtóművek (például a turbóventilátoros hajtóművek) segítségével.
• Az üzemanyag-fogyasztás csökkentése, ami jelentős gazdasági és környezetvédelmi kihívás.

A folyamatot leegyszerűsítve ez a videó mutatja be.

Newton mozgástörvényei

A 17ᵉ században Isaac Newton a klasszikus mechanikát szabályozó három alapvető törvényt fogalmazott meg:

1. A tehetetlenség elve: Egy test nyugalomban vagy egyenletes egyenes vonalú mozgásban marad, hacsak nem hat rá erő.
2. A dinamika elve: A testre ható erő egyenlő a tömeg és a gyorsulás szorzatával (F = m × a).
3. A kölcsönös hatás (vagy hatás-reakció) elve: Minden hatásnak van egy megfelelő reakciója, amely egyenlő erősségű, de ellentétes irányú.

Alkalmazás a sugárhajtásra

Newton harmadik törvénye áll a sugárhajtóművek működésének középpontjában. Amikor egy repülőgép nagy sebességgel gázokat lök ki hátrafelé, azok reakcióerőt (tolóerőt) fejtenek ki, amely előre hajtja a repülőgépet. Minél gyorsabb és masszívabb a gázsugár, annál nagyobb a tolóerő.

A repülőgép repülése és a felhajtóerő

Ugyanez a törvény magyarázza azt is, hogyan marad a levegőben egy repülőgép:

• A szárnyak alakjuk és dőlésszögük révén lefelé irányuló erőt fejtenek ki a levegőre (hatás).
• Válaszul a levegő ezzel ellentétes, felfelé irányuló erőt fejt ki, amelyet felhajtóerőnek nevezünk, és amely ellensúlyozza a repülőgép súlyát.

Ily módon az erők (tolóerő, légellenállás, felhajtóerő és súly) kiegyenlítése stabil, irányított repülést tesz lehetővé.

(Megjegyzés: Ezek az elvek az űrhajózásban is alapvető fontosságúak, ahol a rakétahajtás teljes egészében a gázok kilökődésén alapul Newton harmadik törvényének megfelelően)

Az első sugárhajtómű: forradalom a repülésben

A kezdetek: John Barber és a gázturbina (1731)

Az angol John Barber már 1731-ben előállt egy olyan koncepcióval, amely a sugárhajtómű előfutára volt, amikor szabadalmat nyújtott be egy belső égésű gázturbinára.

Motorja már tartalmazta a kulcselemeket: egy kompresszort, egy égéstermet és egy turbinát, amelyet üzemanyaggal hajtott meg.

Sajnos az akkori technológiák nem termeltek elegendő teljesítményt ahhoz, hogy megfelelően működjön.

A gázturbinák fejlődését aztán háttérbe szorította az akkoriban hatékonyabb gőzturbinák sikere. Csak a XXᵉ században merült fel újra az ötlet.

A modern korszak: Whittle, Von Ohain és a sugárhajtás

Az 1930-as években a román Henri Coandă és a francia Maxime Guillaume munkája felélesztette az érdeklődést a sugárhajtás iránt. De Sir Frank Whittle brit mérnök volt az, aki valóban forradalmasította a területet.

Whittle 1937-ben egy innovatív turbó sugárhajtóművet tervezett: ahelyett, hogy dugattyús motorral sűrítette volna össze a levegőt, egy turbinát épített be a motor után, amely a kipufogógázok energiáját a kompresszor meghajtására használta fel. Ez a felépítés a dugattyús modelleknél nagyobb teljesítményűvé és gazdaságosabbá tette a hajtóművet.

Szinte ezzel egy időben a német Hans von Ohain hasonló hajtóművet fejlesztett ki a Heinkel vállalat számára. 1939-ben a Heinkel He-178 lett a világ első sugárhajtású repülőgépe. A szűzrepülése azonban félbeszakadt, amikor egy madarat beszippantott a hajtómű.

A fegyverkezési verseny és a modern repülés kialakulása

A második világháború felgyorsította a technológiai fejlődést. Németország és az Egyesült Királyság versenyben állt a teljesítményért, míg az Egyesült Államok és a Szovjetunió 1945 után gyorsan felzárkózott. Franciaország, amelyet a megszállás késleltetett, később csatlakozott a versenyhez.

Az 1950-es években az első polgári repülőgépeket turbó sugárhajtóművekkel szerelték fel, ami a légi közlekedés új korszakának kezdetét jelentette.

Ez az innováció, amely kudarcok és áttörések sorozatából született, végleg átalakította a repülést, mivel gyorsabb, hatékonyabb és megbízhatóbb repülőgépeket kínált.

Heinkel He-178 – Fotóhitel: Wikimedia Commons

Melyek a sugárhajtóművek különböző típusai?

A sugárhajtóműveknek több kategóriája létezik, amelyek mindegyike speciális igényekhez igazodik:

1. Turbó sugárhajtóművek

Általánosságban elmondható, hogy a turbó sugárhajtóművek az üzemanyagban lévő kémiai energiát alakítják át mozgási energiává.

A turbó sugárhajtóművek fejlesztése kezdettől fogva nagy kihívást jelentett mind a katonai, mind a polgári szektorban.

Két altípusra oszthatók:

• Centrifugális kompresszoros turbó sugárhajtóművek: A centrifugális kompresszoros turbó sugárhajtóművek egyszerűen gyárthatók és robusztusak. Nagy átmérőjű motort igényelnek azonban, ami csökkenti a repülőgép végsebességét.
• Axiális kompresszoros turbó sugárhajtóművek: Ezek nagyobb teljesítményűek a levegőt összenyomó propellerek sorozatának köszönhetően. Azonban fejlettebb anyagokat igényelnek.

Mindkét esetben a hajtóműnek képesnek kell lennie akár 2000°C-os hőmérsékletet is elviselni.

2. Turbóventilátoros hajtóművek

A turbóventilátoros hajtóművekben a kompresszor előtt egy ventilátor van elhelyezve. Ez nagyobb mennyiségű levegőt szív be, amely aztán két áramlásra oszlik:

• Elsődleges áramlás: Az elsődleges áramlás az égéstérbe jut, tehát forró levegő áramlása.
• Másodlagos áramlás: A másodlagos áramlás közvetlenül a hajtómű mindkét oldalán kilökődik; ez egy hideg levegőáramlás, amely a tolóerő 80%-át adja.

A kilépésnél a hideg levegő keveredik a forró levegővel, ami hűtést eredményez. Ezt a rendszert a legtöbb kereskedelmi repülőgépen alkalmazzák a tolóerő növelése és a motorzaj csökkentése érdekében.

Bypass-hajtómű – Fotóhitel: Wikipedia

3. Ramjetek

A ramsugaras hajtóműveket ma már vadászrepülőgépeken és rakétákon használják, mivel nagyon nagy sebességet tudnak elérni.

• Előnyeik: A tolóerejük nagyobb, mivel az üzemanyagot újra befecskendezik az égéstérbe, ez az úgynevezett utóégetés. Ezenkívül nincsenek mozgó alkatrészeik, ezért könnyűek.
• Hátrányok: Működésükhöz kezdeti sebességre van szükség, és idővel nem bírják jól a szélsőséges hőmérsékleteket.

A szupersztár sugárhajtóművek (mint például a Concorde turbó- és sugárhajtóművek hibridje) szuperszonikus sebességet érnek el.

4. Turboprop hajtóművek

A turbóhajtóművek úgy növelik a tolóerejüket, hogy a lehető legtöbb gázt löknek ki. Ez nem így van a turbólégcsavaros hajtóművek esetében.

A légcsavaros hajtóművek a tolóerő nagy részét a repülőgép külső oldalára erősített légcsavar forgási erejére alapozzák.

A turbopropok a leggazdaságosabb megoldást kínálják a rövid távú repülésekhez. Hatékonyabbak és kevesebb üzemanyagot fogyasztanak, de a magasság és a távolság tekintetében korlátozottak.

Ha többet szeretne megtudni a különböző turbólégcsavaros típusokról, látogasson el erre az oldalra.

Fotóhitelesítés: Wikimedia Commons

5. Turbótengelyes motorok (helikopterekhez)

A turbótengelyes motorokat helikopterekhez tervezték. A turbó sugárhajtóművekhez hasonlóan turbinával vannak felszerelve.

A ma gyártott helikopterek, mint például a Dauphin, szabad turbinával rendelkeznek.

Ez alakítja át a kipufogógázok mozgási és hőenergiáját mechanikai energiává.

Emellett lehetővé teszi, hogy a helikopter lapátjai a kompresszor sebességétől eltérő sebességgel forogjanak, így biztosítva a repülőgép stabilitását.