Kā darbojas reaktīvais dzinējs un kādi ir tā veidi?

No pārdrošajiem Ikaru sapņiem līdz pat mūsdienu virsskaņas lidmašīnām – cilvēks nekad nav pārstājis pārvarēt debesu robežas.

Šo gaisa iekarošanu pamatā ir revolucionārs izgudrojums – reaktīvais dzinējs. Šis jaudīgais, sarežģītais un fascinējošais inženierzinātņu šedevrs pārvērš vienkāršu degšanas procesu fenomenālā spēkā, kas spēj cauri mākoņiem dzīt simtiem tonnu smagus dzinējus.

Bet kā tas darbojas patiesībā? Kādi fizikālie principi un vēsturiskie jauninājumi padarīja to iespējamu?

Iegremdējieties šo mehānisko milžu dzīlēs, kur zinātne sastopas ar tīru spēku, un atklājiet neticamo stāstu par dzinējiem, kas izmainīja pasauli.

Reaktīvo dzinēju vēsture: zinātniskā un tehniskā epopeja

Kopš seniem laikiem cilvēks ir sapņojis iekarot debesis. Mīts par Ikaru, kurš lido ar spārniem, kas izgatavoti no putnu spalvām, ilustrē šo seno meklējumu. Taču tikai gadsimtiem vēlāk zinātne un tehnoloģijas šo sapni pārvērta realitātē.

Teorētiskie pirmsākumi (16.-18. gadsimts)

16ᵉ gadsimtā Leonardo da Vinči ieskicēja pirmās putnu iedvesmotās lidojošās mašīnas. Tomēr tajā laikā vienīgā pieejamā dzinējspēks joprojām bija muskuļu spēks. Lidojuma zinātniskie pamati parādījās tikai 17. un 18. gadsimtā, pateicoties :

• Īzaka Ņūtona (dinamikas likumi),
• Daniels Bernuili (aerodinamiskās pacelšanās princips).

Pirmie sasniegumi (19ᵉ gs.)

Rūpniecības revolūcija pavēra ceļu konkrētiem eksperimentiem:

• 1890. gadā francūzim Klemānam Aderam (Clément Ader) izdevās pacelt gaisā savu Éole – tvaika dzinēja lidaparātu, kas bija iedvesmojies no sikspārņu lidojuma. Lai gan tas nebija pārāk manevrētspējīgs, tas bija būtisks solis uz priekšu.
• Brāļi Orvils un Vilburs Raiti 1903. gada 17. decembrī veica pirmo vadāmo lidojumu ar lidaparātu Flyer, ko darbināja iekšdedzes dzinējs.

Reaktīvā dzinēja parādīšanās (20. gadsimts)

Lai gan pirmajos lidaparātos izmantoja propellerus, šīs tehnoloģijas ierobežojumi pamudināja inženierus meklēt alternatīvu. Darbs pie reaktīvo dzinēju izstrādes sākās 20. gadsimta 30. gados, un tā aizsācēji bija tādi pionieri kā:

• Frenks Vitls (Apvienotā Karaliste),
• Hanss fon Ohains (Vācija).

Pirmais reaktīvais reaktīvais lidaparāts – Messerschmitt Me 262 – tika nodots ekspluatācijā 1944. gadā, izraisot revolūciju mūsdienu aviācijā.

Mūsdienās reaktīvie dzinēji darbina lielāko daļu civilo un militāro lidmašīnu, piedāvājot ātrumu, jaudu un efektivitāti. Šis stāsts par uzdrīkstēšanos un inovācijām parāda, kā cilvēce ir pavirzījusi atpakaļ iespējamā robežas.

Kā darbojas reaktīvais dzinējs

Izcelsme un attīstība

Pirmo reaktīvo dzinēju jeb turboreaktīvo dzinēju 1939. gadā izstrādāja vācieši. Tomēr tas bija vairākus gadsimtus ilgu pētījumu rezultāts.

Mūsdienās izmantoto dzinēju darbība ir vienkāršota šajā video:

Pamatprincips

reaktīvā dzinēja darbības pamatā ir precīza secība:

1. Sūkšana un saspiešana

Gaisu iesūc ventilators, pēc tam to nepārtraukti saspiež.

2. Sadegšana

Saspiestais gaiss nonāk sadegšanas kamerā, kur to sajauc ar parafīnu un aizdedzina. Reakcijas rezultātā gāzes izplešas augstā temperatūrā un augstā spiedienā.

3. Paplašināšanās un dzinēja darbība

Paplašinātās gāzes ar ļoti lielu ātrumu tiek izspiestas atpakaļ caur konverģentu sprauslu (kas sašaurinās), radot virzītājspēku (saskaņā ar Ņūtona principu: darbība-reakcija).

4. Nepārtraukta padeve

Kad gāzes izplūst no kompresora, tās darbina turbīnu, kas atrodas uz tās pašas ass kā kompresors. Turbīnas kustība izraisa kompresora kustību, ļaujot ciklam turpināties tik ilgi, kamēr motors ir darbināms.

Aerodinamiskais atbalsts

Ar dzinējspēku vien nepietiek: gaisa cirkulācija virs spārniem rada pacēlumu, kas nepieciešams, lai lidaparāts lidotu.

Pašreizējās problēmas

Aviokompānijas un lidaparātu ražotāji pastāvīgi strādā pie tā, lai:

• Samazināt emisijas (CO₂, daļiņas), optimizējot sadegšanas kameras.
• Uzlabot degvielas patēriņa efektivitāti, piemēram, izmantojot dzinējus ar augstu aploces koeficientu (piemēram, turbopropelleru dzinējus).
• Samazināt degvielas patēriņu, kas ir būtisks ekonomisks un vides aizsardzības izaicinājums.

Šajā videoklipā ir sniegts vienkāršots procesa skaidrojums.

Ņūtona kustības likumi

17ᵉ gadsimtā Īzaks Ņūtons noteica trīs pamatlikumus, kas regulē klasisko mehāniku:

1. Inerces princips: ķermenis atrodas miera stāvoklī vai vienmērīgā taisnvirziena kustībā, ja uz to neiedarbojas spēks.
2. Dinamikas princips: spēks, kas iedarbojas uz objektu, ir vienāds ar tā masu, reizinātu ar paātrinājumu (F = m × a).
3. Savstarpējās darbības princips (vai darbības-reakcijas princips): Katrai darbībai ir atbilstoša reakcija, kas ir vienādas intensitātes, bet pretēja virziena.

Piemērošana reaktīvajam dzinējam

Ņūtona trešais likums ir reaktīvo dzinēju darbības pamatā. Kad lidmašīna ar lielu ātrumu izmet gāzes atpakaļgaitā, tās rada reakcijas spēku (vilci), kas virza lidmašīnu uz priekšu. Jo ātrāka un masīvāka ir gāzes strūkla, jo lielāka ir vilkme.

Gaisa kuģa lidojums un celtspēja

Šis pats likums izskaidro arī to, kā lidmašīna noturas gaisā:

• Spārnu formas un slīpuma dēļ tie iedarbojas uz gaisu ar lejupvērstu spēku (iedarbība).
• Savukārt gaiss rada pretēju augšupvērstu spēku, ko sauc par pacelšanas spēku, kas kompensē lidaparāta svaru.

Šādā veidā spēku (vilces, pretestības, pacelšanās un svara) kompensācija nodrošina stabilu, kontrolētu lidojumu.

(Piezīme: šie principi ir būtiski arī astronautikā, kur raķešu dzinējspēks pilnībā balstās uz gāzu izmešanu saskaņā ar Ņūtona trešo likumu)

Pirmais reaktīvais dzinējs: aeronautikas revolūcija

Pirmsākumi: Džons Bārbers un gāzes turbīna (1731)

Jau 1731. gadā anglis Džons Bārbers nāca klajā ar koncepciju, kas bija turboreaktīvā dzinēja priekštecis, iesniedzot patentu par iekšdedzes gāzes turbīnu.

Viņa dzinējam jau bija galvenie elementi: kompresors, sadegšanas kamera un turbīna, ko darbināja ar degvielu.

Diemžēl tā laika tehnoloģijas nespēja radīt pietiekamu jaudu, lai tas darbotos pareizi.

Gāzturbīnu izstrādi aizēnoja tvaika turbīnu panākumi, kas tajā laikā bija efektīvākas. Tikai XX gadsimtā šī ideja atsākās no jauna.

Mūsdienu laikmets: Vitls, fon Ohains un reaktīvā dzinējspēks

20. gadsimta 30. gados rumāņa Henri Koanda un francūža Maksima Gijoma (Maxime Guillaume) darbs atdzīvināja interesi par reaktīvo piedziņu. Taču patiesu revolūciju šajā jomā radīja britu inženieris sers Frenks Vitls.

Vitls 1937. gadā izstrādāja novatorisku turboreaktīvo dzinēju: tā vietā, lai gaisa saspiešanai izmantotu virzuļdzinēju, viņš uzstādīja turbīnu, kas izmantoja izplūdes gāzu enerģiju, lai darbinātu kompresoru. Šī arhitektūra padarīja dzinēju jaudīgāku un ekonomiskāku nekā virzuļdzinēju modeļi.

Gandrīz vienlaicīgi vācietis Hanss fon Ohains izstrādāja līdzīgu dzinēju Heinkel uzņēmumam. 1939. gadā Heinkel He-178 kļuva par pasaulē pirmo reaktīvo lidmašīnu. Tomēr tā pirmais lidojums tika pārtraukts, kad dzinējā iesūcās putns.

Bruņošanās sacensība un modernās aviācijas attīstība

Otrais pasaules karš paātrināja tehnoloģiju attīstību. Vācija un Apvienotā Karaliste sacentās veiktspējas sacensībā, bet ASV un PSRS pēc 1945. gada strauji apsteidza konkurentus. Francija, kuru aizkavēja okupācija, sacensībai pievienojās vēlāk.

Pagājušā gadsimta 50. gados pirmajiem civilajiem lidaparātiem tika uzstādīti turboreaktīvie dzinēji, kas iezīmēja jaunas ēras sākumu gaisa transporta nozarē.

Šī inovācija, kas radās pēc vairākām neveiksmēm un izrāvieniem, galīgi pārveidoja aviāciju, piedāvājot ātrākus, efektīvākus un uzticamākus lidaparātus.

Heinkel He-178 – Foto: Wikimedia Commons

Kādi ir dažādi reaktīvo dzinēju veidi?

Ir vairākas reaktīvo dzinēju kategorijas, un katra no tām ir pielāgota konkrētām vajadzībām:

1. Turboreaktīvie dzinēji

Vispārīgi runājot, turboreaktīvie dzinēji pārveido degvielā esošo ķīmisko enerģiju kinētiskajā enerģijā.

Turboreaktīvo dzinēju izstrāde jau no paša sākuma ir bijis liels izaicinājums gan militārajā, gan civilajā sektorā.

Tos iedala divos apakštipos:

• Centrbēdzes kompresoru turboreaktīvie dzinēji: Centrbēdzes kompresoru turboreaktīvie dzinēji ir vienkārši izgatavojami un izturīgi. Tomēr tiem nepieciešams liela diametra motors, kas samazina gaisa kuģa galīgo ātrumu.
• Aksiāli kompresoru turboreaktīvie dzinēji: tie ir jaudīgāki, pateicoties vairākiem propelleriem, kas saspiež gaisu. Tomēr tiem ir vajadzīgi modernāki materiāli.

Abos gadījumos dzinējam jāiztur līdz pat 2000 °C temperatūra.

2. Turboventilatoru dzinēji

Turboreaktīvajā dzinējā kompresoram priekšā atrodas ventilators. Tas iesūc lielāku gaisa daudzumu, kas pēc tam tiek sadalīts divās plūsmās:

• Primārā plūsma: primārā plūsma nonāk sadegšanas kamerā, tātad tā ir karsta gaisa plūsma.
• Sekundārā plūsma: sekundārā plūsma tiek izvadīta tieši uz abām dzinēja pusēm; tā ir auksta gaisa plūsma, kas nodrošina 80 % vilces.

Izvadā aukstais gaiss sajaucas ar karsto gaisu, tādējādi radot dzesēšanu. Šo sistēmu izmanto lielākajā daļā komerciālo lidmašīnu, lai uzlabotu vilci un samazinātu dzinēja troksni.

Apkārtējais dzinējs – fotoattēls: Vikipēdija

3. Ramjets

Ramjet dzinējus tagad izmanto iznīcinātājlidmašīnās un raķetēs, jo tie var sasniegt ļoti lielu ātrumu.

• Priekšrocības: to vilces spēks ir lielāks, jo degviela tiek atkārtoti iesmidzināta sadegšanas kamerā, kas ir process, ko dēvē par pēcdegšanu. Turklāt tiem nav kustīgu detaļu, tāpēc tie ir viegli.
• Trūkumi: Lai tie darbotos, tiem nepieciešams sākotnējais ātrums, un laika gaitā tie slikti panes ekstrēmas temperatūras.

Superdzvaigžņu reaktīvie dzinēji (piemēram, Concorde turboreaktīvo un reaktīvo dzinēju hibrīds) sasniedz virsskaņas ātrumu.

4. Turbopropelleru dzinēji

Turboreaktīvie dzinēji palielina vilci, izmetot pēc iespējas vairāk gāzes. Tas neattiecas uz turbopropelleru dzinējiem.

Turbopropelleru dzinēju lielākā daļa vilces spēka ir atkarīga no propellera, kas piestiprināts lidaparāta ārpusē, rotācijas jaudas.

Turbopropelleri ir visekonomiskākais risinājums īsiem lidojumiem. Tie ir efektīvāki un patērē mazāk degvielas, taču to darbības augstums un attālums ir ierobežots.

Ja vēlaties uzzināt vairāk par dažādiem turbopropelleru modeļiem, apmeklējiet šo lapu.

Foto: Wikimedia Commons

5. Turbovārpstas dzinēji (helikopteriem)

Turbovārpstas dzinēji ir paredzēti helikopteriem. Tāpat kā turboreaktīvie dzinēji, tie ir aprīkoti ar turbīnu.

Mūsdienās ražotajiem helikopteriem, piemēram, Dauphin, ir brīva turbīna.

Tā pārveido izplūdes gāzu kinētisko un termisko enerģiju mehāniskajā enerģijā.

Tā arī ļauj helikoptera lāpstiņām griezties ar citu ātrumu nekā kompresors, tādējādi nodrošinot lidaparāta stabilitāti.