Silnik odrzutowy. Jak jest zbudowany? Jak działa?

Silnik odrzutowy to dziś podstawowy rodzaj napędu w poważnym lotnictwie. Zarówno najlepsze samoloty wojskowe, jak i cywilne do poruszania się w przestworzach wykorzystują wysokowydajne silniki odrzutowe. Dzięki nim z łatwością przekraczają prędkość dźwięku lub efektywnie transportują ogromne ładunki na długich dystansach. Oczywiście śmigła dalej są w użyciu, ale zeszły na drugi plan, często zasiedlając niewielkie nisze, w których silnik odrzutowe nie czują się dobrze. Sprawdźmy zatem dlaczego opracowanie i wprowadzenie do produkcji silników odrzutowych wywróciło lotnictwo do góry nogami.

Dlaczego silnik odrzutowy, a nie śmigłowy?

Silnik odrzutowy przewyższa silnik śmigłowe z kilku powodów. Obracające się śmigło, dochodząc do swej maksymalnej prędkości, blisko prędkości dźwięku dla jego końcówki, mierzy się z coraz większym oporem i siłami i przez co, zaczyna coraz bardziej hałasować i traci na efektywności. Stąd samoloty śmigłowe zazwyczaj latają z prędkością Mach 0,6.

Dodatkowo silniki odrzutowe są znacznie bardziej efektywne pod względem zużywanego paliwa na kilogram przewożonego ładunku, co w przypadku przewozów pasażerskich i towarowych ma niebagatelne, a wręcz kluczowe znaczenie. Koniec końców są również niezawodne i wymagają mniejszych prac obsługowych. Pozwalają nam też latać szybciej i wyżej, a w lotnictwie szybciej i wyżej zazwyczaj równa się też lepiej.

To oczywiście nie jest tak, że silniki turbośmigłowe są nieprzydatne. Samoloty wyposażone w takie jednostki napędowe lepiej sprawdzają się przy niższych prędkościach i na niższych wysokościach. Jeśli chcemy lecieć daleko i wysoko to silnik odrzutowy jest bezkonkurencyjny. To właśnie między innymi dlatego samoloty pasażerskie stosunkowo szybko nabierają wysokości, by potem spokojnie sunąć po niebie w idealnych dla siebie warunkach.

Silniki śmigłowe nadal czują się dobrze w określonych zastosowaniach i póki co nie zanosi się by miały oddać pola silnikom odrzutowym. Źródło: USAF

Silnik odrzutowy. Krótki rys historyczny

Można by powiedzieć, że silnik odrzutowy jest stary jak świat, no prawie tak stary, a przynajmniej tak stary, jak nasza era. Już w roku 60 Heron z Aleksandrii skonstruował prostą maszynę zwaną aeolipile. Zanim udało się z tej koncepcji wystrugać prawdziwą maszynę odrzutową, musiało minąć niemal 2000 lat. Trochę czasu nam zatem zajęło dopracowanie i praktyczne zastosowanie tej koncepcji.

Koniec końców to Niemcom przypadła w udziale palma pierwszeństwa zbudowania i oblatania pierwszego na świecie samolotu odrzutowego. Był nim przetestowany w 1939 roku Heinkel He 178. Kilka lat później, w roku 1944 Niemcy rozpoczęli masowa produkcje silników Jumo 004 zastosowanych w pierwszym bojowym myśliwcu, którym był Messerschmitt Me 262.

Z kolei pierwszym seryjnym cywilnym samolotem pasażerskim był brytyjski De Havilland Comet 1 zabierający na pokład 36 pasażerów. Prędkość przelotowa samolotu dochodziła do 800 kilometrów na godzinę, a w dziewiczy lot komercyjny maszyna wyleciała 2 czerwca 1949 roku. To tyle, jeśli idzie o krótką historię silników odrzutowych. Przejdźmy do konkretów.

silnik odrzutowy podczas inspekcji
Silnik odrzutowy składa się z kilku stałych elementów. Są nimi od prawej: wentylator, sekcja sprężania, komora spalania, sekcja turbin i stożek wylotowy. Źródło: USAF / Joshua J. Seybert

Jak działa silnik odrzutowy

Zasada działania silnika odrzutowego jest stosunkowo prosta. Wydaje się nawet, że jest nieco prostsza od silników spalinowych montowanych w samochodach, w których wyróżniamy suwy ssania, sprężania, pracy i wydechu. Tutaj mamy do czynienia z zasadą działania tożsamą z turbinami gazowymi, które montuje się też w czołgach Abrams M1A2 SEPv3, kupowanych przez Polskę.

Cała maszyneria działa w jednej osi i składa się z obracających się wokół niej elementów. Można zatem powiedzieć, że etapy znane z silnika spalinowego zostały rozłożone na ciąg czynności realizowany w sekwencji i w jednej osi.

Najpierw zatem powietrze wpada do silnika odrzutowego, następnie jest sprężane, czyli można powiedzieć, że rośnie jego kaloryczność. Zwiększa się ilość tlenu w jednostce objętości i działa to podobnie jak turbo lub kompresor w samochodzie.

Tak przygotowane powietrze spotyka się z wtryskiwaczami paliwa i iskrą, dochodzi do zapłonu i gorące gazy ulatują, zahaczając po drodze o turbiny, które są połączone z wirnikami kompresującymi na przodzie, napędzając je.

Na samym końcu układu w silnikach wojskowych montowane są jeszcze tak zwane dopalacze. Dzięki dopalaniu samoloty mogą przekroczyć barierę dźwięku, choć najlepsze myśliwce na świecie robią to nawet bez dopalania.

silnik odrzutowy dopalacze
Silnik odrzutowy wyposażony w dopalacze pozwala z łatwością przekroczyć prędkość dźwięku. Źródło: USAF / Airman 1st Class Rhonda Smith

Silnik dwuprzepływowy, czyli tanie latanie

I tak oto w skrócie działa silnik odrzutowy. Oczywiście są różne warianty silników odrzutowych. Warto wspomnieć zwłaszcza o jednym z nich, czyli o najpopularniejszym obecnie silniku dwuprzepływowym, który wyparł jednostki jendoprzepływowe. Dlaczego jest on taki ważny?

To właśnie silnik odrzutowy o dużej dwuprzepływowości sprawia, że możemy latać za grosze. A co oznacza ta cała dwuprzepływowość? W skrócie oznacza, że na przedzie silnika montowany jest wielki wentylator napędzany przez jedną z turbin znajdujących się w tylnej części silnika z tyłu. Wentylator ten przypomina wręcz ogromne śmigło.

Znaczna część powietrza nie trafia w ogóle na sprężanie, spalanie i turbiny, tylko opływa rdzeń silnika i wypada z tyłu. Stąd taki wentylator można porównać do śmigła. Dzięki takiej konstrukcji osiągamy niezwykle oszczędne silniki pozwalające przewozić pasażerów i towary za grosze.

W silnikach wojskowych dwuprzepływowość wykorzystywana może być na przykład do chłodzenia całego układu, a przez jakiś czas mówiło się nawet o trójprzepływowości dla projektowanych nowych silników dla F-35 Lightning II. Trzeci strumień powietrza pozwoliłby zwiększyć efektywność silnika w każdym zakresie jego pracy.

Budowa silnika odrzutowego

Omawiając działanie silnika odrzutowego, siłą rzeczy zahaczyliśmy już nieco o jego budowę. W tym akapicie możemy przyjrzeć się jej nieco bardziej. Uogólniając, na przodzie silnika znajduje się ogromnych rozmiarów wentylator. To jego łopaty widzimy, jeśli czekamy na nasz samolot i zerkamy na silnik. W przeciwieństwie do samolotów śmigłowych wentylator nie znajduje się w otwartym powietrzu, ale jest zabudowany w gondoli silnikowej. Pozwala to precyzyjnie wpływać na przepływ powietrza „zagarnianego” przez wentylator.

Gondole silnikowe są również wentylem bezpieczeństwa. Dzięki nim łopatka wentylatora lub kompresora, która postanowiła opuścić silnik i udać się w daleki świat, nie trafi w nasze okno, ale zostanie wyłapana.

Najpierw sprężanie

Gdy łopaty wentylatora przepchną już powietrze dalej, to trafia ono na dwa tory. W jednym opływa rdzeń silnika, a w drugim podlega kompresji. Wirniki kompresorów ułożone są jeden za drugim i stopniowo powodują sprężanie wtłaczanego przez wentylator powietrza. W silniku może być więcej niż jedna sekcja kompresji. Składa się ona z ruchomych łopatek oraz ze stałych strumienic kierujących powietrze i „prostujących” zawirowania. By nadać całości większej efektywności, w nowoczesnych silnikach odrzutowych mamy do czynienia z sekcją kompresji niskiego i wysokiego ciśnienia.

Gdy powietrze zostanie już sprężone do zadanej wartości, trafia do komory spalania, gdzie jest mieszane z paliwem. Powstaje łatwopalna mieszanka, która po podpaleniu czymś na kształt świec znanych z samochodów osobowych, generuje ogromną energię, która jest wykorzystywana do napędzania turbin. Te również ustawione są w kilku szeregach i mają różne zadania. Część, jak już wspomniano, napędza wirniki kompresora, by ten zapewniał sprężone powietrze, a część odpowiada za obroty wentylatora.

Jak nietrudno się domyślić, w wyniku spalania gazów powstaje ogromna temperatura, która działa na łopatki turbin. Te, by się nie rozlecieć, wymagają specjalnego chłodzenia.

Ku wylotowi

Na samym końcu silnika znajduje się stożek wylotowy, który odpowiada za mieszanie i przyspieszanie gazów wylotowych, by poprawić ich efektywność. Jak pamiętamy w silnikach dwuprzepływowych powietrze napędzone przez przedni wentylator opływa rdzeń i na końcu miesza się z gorącymi gazami wydobywającymi się z turbiny. To on powodują największy hałas. Dzięki temu, że opływa, niejako otula je, zimne, wolniejsze powietrze następuje znaczący spadek hałasu, jaki generuje silnik odrzutowy.

W silniku wojskowym, przeznaczonym do myśliwców montowana jest też sekcja dopalania, o której również wspominaliśmy wcześniej. Tutaj nie ma zbyt wielkiej filozofii. Naukowcy ustalili, że jeśli dolejemy benzyny do ognia, to będzie jeszcze większe bum 😉. Zatem w dopalaczach montuje się dysze wtryskiwaczy dodatkowej dawki paliwa, które ulega zapłonowi i nadaje maszynie jeszcze większą prędkość. Jak nietrudno się domyślić bezceremonialne lanie paliwa do „wydechu” nie jest ekonomiczne i stąd dopalacza używa się w wymagających sytuacjach takich jak start alarmowy mocno obciążonym samolotem czy też walka powietrzna.

SR-71 Blackbird
To między innymi silniki J58 sprawiały, że Blackbird był w swoim czasie niedoścignioną dla Rosjan maszyną szpiegowską. Źródło: USAF / Tech. Sgt. Michael Haggerty

Najszybszy samolot wojskowy z silnikiem odrzutowym

Tutaj nieprzerwanie palme pierwszeństwa dzierży SR-71A Blackbird, czyli amerykański samolot, który zastąpił słynne U-2 i zamiast pułapem operacyjnym walczył z Rosjanami prędkością. By powstała tak doskonała maszyna, konieczna była praca wielu wybitnych specjalistów z dziedziny lotnictwa, a mocną ekipę w tym gronie stanowili spece od silników. To oni opracowali jednostki napędowe Pratt & Whitney J58. Dzięki nim SR-71 osiągnął prędkość maksymalną wynoszącą 3500 kilometrów na godzinę, czyli ponad trzykrotnie szybciej niż prędkość dźwięku.

Najszybszy samolot pasażerski z silnikiem odrzutowym

Tutaj sprawa jest nieco bardziej skomplikowana. Wszyscy wiemy, że francusko-brytyjski Concorde i rosyjski tupolew Tu-144 latały z prędkością ponaddźwiękową. I choć samoloty te zostały jednak już tylko ozdobą muzeów, to rekord prędkości nadal jest w rękach rosyjskich. Tu-144 rozpędził się do prędkości Mach 2.28 (2,430 km/h). Concorde nigdy tak szybko nie poleciał i nie ma znaczenia, że w ogólnym rozrachunku był maszyną znacznie lepszą. Koniec końców był wolniejszy.

Jeśli natomiast szukacie najszybszej cywilnej maszynki do latania aktualnie będącej w produkcji, to palmę pierwszeństwa od roku 2010 dzierży Gulfstream G650. Pilotom w locie poziomym udało się osiągnąć prędkość przelotową na poziomie Mach 0.925.

Podsumowanie

Silniki odrzutowe to małe cuda inżynierii, ale mają swoje ograniczenia. Do lotów w kosmos musimy korzystać z rakiet, a jeśli chcemy polecieć jeszcze szybciej niż SR-71 to sięgamy również po rakiety, albo po silniki kojarzone szerszej publiczności z bronią hipersoniczną. Są to jeszcze większe cudeńka techniki zwane z angielskiego Scramjet (Supersonic Combustion Ramjet), czyli Są to silniki strumieniowe z naddźwiękową komorą spalania będące odmianą silników ramjet, czyli silników strumieniowych bez ruchomych części (w dużym uproszczeniu).

Jak widać, ludzkość ma jeszcze w zanadrzu parę sztuczek silnikowych, ale prędkości osiągane przez takie maszyny są już trudne do zniesienia dla ludzi. Można się spodziewać, że znajdą zastosowanie w bezzałogowych aparatach bojowych, których era już się zaczęła, a teraz zbliżamy się małymi krokami do kolejnego przełomu lotniczego.

Źródła:
  • https://encyklopedia.pwn.pl/haslo/silnik-odrzutowy;3950031.html
  • https://www.grc.nasa.gov/www/k-12/UEET/StudentSite/engines.html
  • https://gizmodo.com/the-next-f-35-lightnings-engine-adapts-for-flight-figh-1456423944
  • https://www1.grc.nasa.gov/historic-facilities/special-projects-laboratory/materials-research/
  • https://www.guinnessworldrecords.com/world-records/fastest-aircraft-unmanned-and-jet-powered
  • https://www.guinnessworldrecords.com/world-records/fastest-aircraft-civil
  • https://www.guinnessworldrecords.com/world-records/fastest-aircraft-airliner