Cum funcționează un motor cu reacție

Istoria motoarelor cu reacție

Încă de la mitul lui Icar, în care acesta își face aripi din pene de pasăre și zboară, oamenii au încercat să înțeleagă modul în care anumite specii își iau zborul pentru a-l reproduce cu ajutorul mașinilor. Leonardo da Vinci a dezvoltat primele concepte în secolul al ^XVI-lea. Dar, la acea vreme, singura forță motrice cunoscută era cea a mușchilor umani. Principiile fundamentale care ne vor permite mai târziu să înțelegem cum zboară avioanele vor apărea abia în secolele al XVII-lea și ^{al XVIII-lea}, cu oameni de știință precum Newton și Bernoulli. În secolul al ^XIX-lea, revoluția industrială a condus la o serie de progrese tehnice. Francezul Clément Ader a fost primul care a reușit să ridice un avion de la sol cu un motor cu aburi, folosindu-se de un liliac ca sursă de inspirație. Un deceniu mai târziu, în 1903, frații Wright au efectuat primele zboruri controlate și motorizate din istorie.

Cum funcționează un motor cu reacție

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

Funcționarea motoarelor utilizate astăzi este simplificată în acest videoclip:

Principiul este simplu:

Aerul este aspirat de o suflantă, apoi este comprimat permanent; acesta trece apoi într-o cameră de combustie unde reacționează cu parafina și se aprinde. Reacția rezultată dilată gazele, care sunt apoi suflate înapoi printr-o duză, propulsând avionul înainte. Gazele pleacă cu viteză foarte mare la trecerea printr-un motor cu reacție, a cărui formă se micșorează.

În plus, la ieșirea din motor, gazele rotesc o turbină, situată pe aceeași axă cu compresorul, imediat după camera de combustie. Mișcarea turbinei o determină pe cea a compresorului, permițând reacției să aibă loc continuu. Avionul se mișcă, iar aerul care curge pe aripile sale îl face să zboare.

Companiile aeriene încearcă în permanență să îmbunătățească performanțele camerelor de combustie pentru a reduce emisiile aeronavelor.

Legile de mișcare ale lui Newton

În secolul al ^XVII-lea, Newton a stabilit trei legi fundamentale pentru a explica mișcarea. Prima este principiul inerției, a doua principiul dinamicii. Cea care ne interesează pe noi este a treia lege a lui Newton, principiul acțiunii reciproce.

Propulsia reactivă se bazează pe acest principiu al acțiunii-reacției, care afirmă că pentru fiecare acțiune există o reacție egală și opusă. Astfel, aerul ejectat înapoi va exercita o forță egală și opusă asupra aeronavei, propulsând-o înainte. Această forță se numește împingere. În plus, cu cât viteza jetului de gaz propulsat este mai mare, cu atât forța de împingere este mai mare.

Legea lui Newton explică și modul în care zboară avioanele: dacă aripa exercită o forță asupra aerului (greutatea sa, o forță descendentă), atunci aerul exercită o forță opusă asupra aripii, numită portanță (ascendentă). Compensarea acestor forțe menține avionul în aer.

Primul motor cu reacție

În 1731, englezul John Barber a început să înregistreze brevete pentru o turbină cu gaze cu ardere internă, precursoarea motorului turboreactor. Motorul său consta dintr-un compresor, o cameră de combustie și o turbină, toate alimentate cu o substanță inflamabilă. Cu toate acestea, Barber nu a reușit să își pună invenția în funcțiune, deoarece tehnologiile de la acea vreme nu erau capabile să genereze suficientă putere.

Dezvoltarea turbinei cu gaz a fost apoi întârziată de succesul turbinei cu abur. În cele din urmă, după lucrările românului Henri Coandă și ale francezului Maxime Guillaume în anii 1930, un britanic, Sir Frank Whittle, a revoluționat transportul aerian cu ajutorul turboreactorului. În loc să utilizeze un motor cu piston pentru a comprima aerul, Whittle a optat pentru o turbină în aval care folosea energia furnizată de gazele de evacuare pentru a acționa compresorul. Acest nou motor era mai economic și mai puternic decât un motor cu piston.

Primele motoare turboreactoare au fost dezvoltate simultan în Anglia și Germania. Germanul Hans Von Ohain a dezvoltat primul motor cu reacție pentru compania Heinkel în 1939. Primul avion cu reacție a fost Heinkel He-178, utilizat pentru luptă. Cu toate acestea, primul zbor a fost anulat când o pasăre a fost aspirată în motor. Cursa înarmărilor din timpul celui de-al Doilea Război Mondial a accelerat nașterea aviației moderne. Statele Unite și Uniunea Sovietică au ajuns din urmă la sfârșitul războiului, urmate de Franța, care fusese reținută de ocupația germană. Primele aeronave civile propulsate de motoare cu reacție au apărut în anii 1950.

Diferitele tipuri de motoare cu reacție

În general, motoarele turboreactoare transformă energia chimică conținută într-un combustibil în energie cinetică. Dezvoltarea turboreactoarelor a reprezentat încă de la început o provocare majoră, atât în domeniul militar, cât și în cel civil. Motoarele cu reacție din prezent sunt mult mai complexe decât în trecut. De exemplu, acestea sunt echipate cu inversoare de tracțiune, care servesc la frânarea aeronavei. Avionul este redirecționat spre partea din față a motorului.

Există mai multe subcategorii de motoare cu reacție:

• Motoare cu reacție cu compresor centrifugal
• Motoare turboreactoare cu compresor axial
• Motoare cu reacție cu dublu flux
• Motoare Ramjet
• Motoare turbopropulsoare
• Motoare cu turbină liberă

Motoarele descrise mai sus sunt motoare turboreactoare cu compresor centrifugal. Acestea sunt simplu de fabricat și robuste, dar dezavantajul lor este că necesită un motor cu diametru mare, ceea ce reduce viteza finală a aeronavei. Prin urmare, au fost inventate turboreactoarele axiale. Aerul este comprimat printr-o serie de elice și randamentul este mai bun, dar necesită materiale mai avansate. În ambele cazuri, motorul trebuie să poată rezista la temperaturi de până la 2000°C.

Într-un reactor bypass, un ventilator este plasat în fața compresorului. Acesta aspiră o cantitate mai mare de aer, care este apoi împărțită într-un flux primar și unul secundar. Fluxul primar trece prin camera de ardere, deci este un flux de aer cald. 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 avions commerciaux pentru a îmbunătăți propulsia și a reduce zgomotul motorului.

Motoarele Ramjet sunt utilizate în prezent pe avioane de luptă și rachete, deoarece pot atinge viteze foarte mari. Propulsia lor este mai mare deoarece combustibilul este reinjectat în camera de ardere, un proces cunoscut sub numele de postcombustie. În plus, nu au părți mobile și, prin urmare, sunt ușoare. Dezavantajele sunt că nu pot funcționa sub o anumită viteză și că temperatura este foarte ridicată, ceea ce este nesustenabil în timp pentru multe materiale. De asemenea, trebuie să li se asigure o viteză inițială pentru a putea funcționa. Motoarele superstatorjet pot atinge viteze supersonice. Motorul Concorde a fost un hibrid între un turboreactor și un ramjet.

Turboreactoarele își măresc puterea prin ejectarea a cât mai mult gaz posibil. Acesta nu este cazul turbopropulsoarelor. Acestea se bazează pe puterea de rotație a unei elice, atașată la exteriorul aeronavei, pentru a furniza cea mai mare parte a puterii 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. Pentru a afla mai multe despre diferitele modele de turbopropulsoare, vizitați cette page.

Motoarele cu turbosuflantă 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.