Cum funcționează un motor cu reacție și care sunt diferitele tipuri?

De la visele îndrăznețe ale lui Icar până la aeronavele supersonice de astăzi, omul nu a încetat niciodată să depășească limitele cerului.

În centrul acestei cuceriri aeriene se află o invenție revoluționară: motorul cu reacție. Puternică, complexă și fascinantă, această capodoperă a ingineriei transformă simpla combustie într-o forță fenomenală capabilă să propulseze sute de tone prin nori.

Dar cum funcționează cu adevărat? Ce principii fizice și inovații istorice l-au făcut posibil?

Scufundați-vă în măruntaiele acestor giganți mecanici, unde știința întâlnește puterea pură, și descoperiți povestea incredibilă a motoarelor care au schimbat lumea.

Istoria motoarelor cu reacție: o epopee științifică și tehnică

Din cele mai vechi timpuri, omul a visat să cucerească cerul. Mitul lui Icar, care zboară cu aripi făcute din pene de pasăre, ilustrează această căutare străveche. Dar abia secole mai târziu știința și tehnologia au transformat acest vis în realitate.

Începuturile teoretice (secolele 16ᵉ-18ᵉ)

În secolul 16ᵉ, Leonardo da Vinci a schițat primele mașini zburătoare inspirate de păsări. Cu toate acestea, la acea vreme, singura forță motrice disponibilă era încă forța musculară. Bazele științifice ale zborului vor apărea abia în secolele 17ᵉ și 18ᵉ datorită lucrărilor lui :

• Isaac Newton (legile dinamicii),
• Daniel Bernoulli (principiul portanței aerodinamice).

Primele realizări (secolul al XIXᵉlea)

Revoluția industrială a deschis calea experimentelor concrete:

• În 1890, francezul Clément Ader a reușit să își ridice de la sol Éole, un avion cu aburi inspirat de zborul liliecilor. Deși nu era foarte manevrabil, a fost un pas înainte esențial.
• La 17 decembrie 1903, frații Orville și Wilbur Wright au efectuat primul zbor motorizat și controlat cu avionul lor Flyer, propulsat de un motor cu ardere internă.

Apariția motorului cu reacție (secolul 20ᵉ)

Deși primele aeronave foloseau elice, limitările acestei tehnologii au determinat inginerii să caute o alternativă. Lucrările privind propulsia cu reacție au început în anii 1930, cu pionieri precum:

• Frank Whittle (Regatul Unit),
• Hans von Ohain (Germania).

Primul avion cu reacție operațional, Messerschmitt Me 262, a intrat în serviciu în 1944, revoluționând aviația modernă.

Astăzi, majoritatea aeronavelor civile și militare sunt propulsate de motoare cu reacție, care oferă viteză, putere și eficiență. Această poveste a îndrăznelii și inovației arată cum omenirea a depășit limitele posibilului.

Cum funcționează un motor cu reacție

Origine și dezvoltare

Primul motor cu reacție, sau turboreactor, a fost proiectat de germani în 1939. Cu toate acestea, el a fost rezultatul mai multor secole de cercetare.

Funcționarea motoarelor utilizate astăzi este simplificată în acest videoclip:

Principiul de bază

funcționarea unui motor cu reacție se bazează pe o secvență precisă:

1. Aspirație și compresie

Aerul este aspirat de o suflantă, apoi comprimat continuu.

2. Combustie

Aerul comprimat intră în camera de combustie, unde este amestecat cu parafină și aprins. Reacția rezultată expandează gazele la temperatură și presiune ridicate.

3. Expansiune și propulsie

Gazele expandate sunt expulzate înapoi la viteză foarte mare printr-o duză convergentă (care se îngustează), creând o împingere înainte (conform principiului lui Newton: acțiune-reacție).

4. Alimentarea continuă

La ieșirea din compresor, gazele antrenează o turbină situată pe aceeași axă cu compresorul. Mișcarea turbinei determină mișcarea compresorului, permițând ciclului să continue atâta timp cât motorul este alimentat.

Suport aerodinamic

Propulsia singură nu este suficientă: circulația aerului pe aripi este cea care generează portanța necesară pentru a face avionul să zboare.

Provocări actuale

Companiile aeriene și producătorii de aeronave lucrează în mod constant pentru a:

• Reducerea emisiilor (CO₂, particule) prin optimizarea camerelor de combustie.
• Îmbunătățirea eficienței consumului de combustibil, de exemplu cu ajutorul motoarelor cu raport de bypass ridicat (cum ar fi motoarele turbofan).
• Reducerea consumului de combustibil, o provocare economică și de mediu majoră.

Pentru o imagine simplificată, acest videoclip explică procesul.

Legile de mișcare ale lui Newton

În secolul 17ᵉ, Isaac Newton a stabilit trei legi fundamentale care guvernează mecanica clasică:

1. Principiul inerției: un corp rămâne în repaus sau în mișcare rectilinie uniformă dacă nu acționează asupra sa o forță.
2. Principiul dinamicii: forța exercitată asupra unui obiect este egală cu masa acestuia înmulțită cu accelerația sa (F = m × a).
3. Principiul acțiunii reciproce (sau al acțiunii-reacției): Pentru fiecare acțiune există o reacție corespunzătoare, egală ca intensitate, dar opusă ca direcție.

Aplicarea la propulsia cu reacție

A treia lege a lui Newton se află la baza funcționării motoarelor cu reacție. Atunci când un avion ejectează gaze în spate la viteză mare, acestea exercită o forță de reacție (împingere) care propulsează avionul înainte. Cu cât jetul de gaze este mai rapid și mai masiv, cu atât forța de împingere este mai mare.

Zborul și portanța aeronavei

Aceeași lege explică și modul în care un avion rămâne în aer:

• Aripile, prin forma și înclinarea lor, exercită o forță descendentă asupra aerului (acțiune).
• Ca răspuns, aerul exercită o forță opusă ascendentă, numită portanță, care compensează greutatea aeronavei.

În acest fel, compensarea forțelor (împingere, rezistență, portanță și greutate) permite un zbor stabil și controlat.

(Notă: aceste principii sunt esențiale și în astronautică, unde propulsia rachetelor se bazează în întregime pe ejecția gazelor în conformitate cu a treia lege a lui Newton)

Primul motor cu reacție: o revoluție aeronautică

Începuturile: John Barber și turbina cu gaz (1731)

Încă din 1731, englezul John Barber a venit cu un concept precursor al motorului turboreactor, depunând brevete pentru o turbină cu gaze cu combustie internă.

Motorul său conținea deja elementele-cheie: un compresor, o cameră de combustie și o turbină, alimentate cu combustibil.

Din păcate, tehnologiile de la acea vreme nu produceau suficientă putere pentru ca motorul să funcționeze corespunzător.

Dezvoltarea turbinelor cu gaz a fost apoi eclipsată de succesul turbinelor cu abur, care erau mai eficiente la acea vreme. Ideea a reapărut abia în secolul XXᵉ.

Epoca modernă: Whittle, Von Ohain și propulsia cu reacție

În anii 1930, lucrările românului Henri Coandă și ale francezului Maxime Guillaume au relansat interesul pentru propulsia cu reacție. Dar inginerul britanic Sir Frank Whittle a fost cel care a revoluționat cu adevărat acest domeniu.

În 1937, Whittle a proiectat un motor turboreactor inovator: în loc să utilizeze un motor cu piston pentru a comprima aerul, el a instalat o turbină în aval, exploatând energia gazelor de evacuare pentru a acționa compresorul. Această arhitectură a făcut ca motorul să fie mai puternic și mai economic decât modelele cu piston.

Aproape simultan, germanul Hans von Ohain a dezvoltat un motor similar pentru compania Heinkel. În 1939, Heinkel He-178 a devenit primul avion cu reacție din lume. Cu toate acestea, zborul său inaugural a fost întrerupt când o pasăre a fost aspirată în motor.

Cursa înarmărilor și apariția aviației moderne

Al Doilea Război Mondial a accelerat progresul tehnologic. Germania și Regatul Unit au intrat într-o cursă pentru performanță, în timp ce Statele Unite și URSS au recuperat rapid decalajul după 1945. Franța, întârziată de ocupație, s-a alăturat competiției mai târziu.

În anii 1950, primele aeronave civile au fost echipate cu motoare turboreactoare, marcând începutul unei noi ere în transportul aerian.

Această inovație, născută dintr-o succesiune de eșecuri și descoperiri, a transformat definitiv aviația, oferind avioane mai rapide, mai eficiente și mai fiabile.

Heinkel He-178 – Credit foto: Wikimedia Commons

Care sunt diferitele tipuri de motoare cu reacție?

Există mai multe categorii de motoare cu reacție, fiecare fiind adaptată la nevoi specifice:

1. Motoare turboreactoare

În general, motoarele turboreactoare transformă energia chimică conținută într-un combustibil în energie cinetică.

Încă de la început, dezvoltarea motoarelor turboreactoare a reprezentat o provocare majoră, atât în sectorul militar, cât și în cel civil.

Acestea sunt împărțite în două subtipuri:

• Turboreactoare cu compresor centrifugal: Turboreactoarele cu compresor centrifugal sunt simple de fabricat și robuste. Cu toate acestea, ele necesită un motor cu diametru mare, ceea ce reduce viteza finală a aeronavei.
• Turboreactoare cu compresor axial: Acestea sunt mai puternice datorită unei serii de elice care comprimă aerul. Cu toate acestea, necesită materiale mai avansate.

În ambele cazuri, motorul trebuie să fie capabil să reziste la temperaturi de până la 2000°C.

2. Motoare turbofan

Într-un motor turbofan, un ventilator este plasat în fața compresorului. Acesta aspiră o cantitate mai mare de aer, care este apoi împărțită în două fluxuri:

• Fluxul primar: Fluxul primar trece în camera de ardere, deci este un flux de aer cald.
• Flux secundar: Fluxul secundar este ejectat direct de o parte și de alta a motorului; este un flux de aer rece care asigură 80% din tracțiune.

La ieșire, aerul rece se amestecă cu aerul cald, ceea ce duce la răcire. Acest sistem este utilizat pe majoritatea aeronavelor comerciale pentru a îmbunătăți propulsia și a reduce zgomotul motorului.

Motor bypass – Credit foto: Wikipedia

3. Ramjeturi

Motoarele Ramjet sunt utilizate în prezent pe avioane de luptă și rachete, deoarece pot atinge viteze foarte mari.

• Avantaje: Propulsia lor este mai mare deoarece combustibilul este reinjectat în camera de combustie, un proces cunoscut sub numele de postcombustie. În plus, nu au părți mobile și, prin urmare, sunt ușoare.
• Dezavantaje: Au nevoie de o viteză inițială pentru a funcționa și nu suportă bine temperaturile extreme de-a lungul timpului.

Motoarele cu reacție superstar (cum ar fi hibridul turbojet/ramjet Concorde) ating viteze supersonice.

4. Motoare turbopropulsoare

Motoarele turboreactoare își măresc puterea prin ejectarea a cât mai mult gaz posibil. Acesta nu este cazul turbopropulsoarelor.

Turbopropulsoarele se bazează pe puterea de rotație a unei elice, atașată la exteriorul aeronavei, pentru a furniza cea mai mare parte a forței de propulsie.

Turbopropulsoarele oferă cea mai economică soluție pentru zborurile pe distanțe scurte. Acestea sunt mai eficiente și consumă mai puțin combustibil, dar sunt limitate în ceea ce privește altitudinea și distanța.

Dacă doriți să aflați mai multe despre diferitele modele de turbopropulsoare, vizitați această pagină.

Credit foto: Wikimedia Commons

5. Motoare cu arbore turbo (pentru elicoptere)

Motoarele turboshaft au fost concepute pentru elicoptere. Ca și motoarele turboreactoare, acestea sunt echipate cu o turbină.

Elicopterele produse astăzi, cum ar fi Dauphin, au o turbină liberă.

Aceasta transformă energia cinetică și termică a gazelor de eșapament în energie mecanică.

De asemenea, va permite palele elicopterului să se rotească la o viteză diferită de cea a compresorului, asigurând astfel stabilitatea aeronavei.