Hur fungerar en jetmotor och vilka olika typer finns det?

Från Ikaros våghalsiga drömmar till dagens överljudsflygplan har människan aldrig slutat att tänja på himlens gränser.

I hjärtat av denna flygande erövring finns en revolutionerande uppfinning: jetmotorn. Detta kraftfulla, komplexa och fascinerande tekniska mästerverk förvandlar enkel förbränning till en fenomenal kraft som kan driva hundratals ton genom molnen.

Men hur fungerar den egentligen? Vilka fysikaliska principer och historiska innovationer har gjort den möjlig?

Dyk in i dessa mekaniska jättars inre, där vetenskap möter ren kraft, och upptäck den otroliga historien om motorerna som förändrade världen.

Jetmotorernas historia: ett vetenskapligt och tekniskt epos

Sedan urminnes tider har människan drömt om att erövra himlen. Myten om Ikaros, som flyger med vingar gjorda av fågelfjädrar, illustrerar denna urgamla strävan. Men det var inte förrän århundraden senare som vetenskap och teknik förvandlade denna dröm till verklighet.

Den teoretiska början (16:e-18:e århundradet)

På 1500-talet skissade Leonardo da Vinci på de första flygmaskinerna som inspirerats av fåglar. Men på den tiden var den enda tillgängliga drivkraften fortfarande muskelkraft. De vetenskapliga grunderna för flygning skulle inte dyka upp förrän på 17ᵉ och 18ᵉ århundradena tack vare arbetet med :

• Isaac Newton (dynamikens lagar),
• Daniel Bernoulli (principen om aerodynamisk lyftkraft).

De första landvinningarna (19:e århundradet)

Den industriella revolutionen banade väg för konkreta experiment:

• År 1890 lyckades fransmannen Clément Ader få sin Éole, ett ångdrivet flygplan inspirerat av fladdermössens flykt, att lyfta från marken. Även om det inte var särskilt manövrerbart var det ett avgörande steg framåt.
• Den 17 december 1903 gjorde bröderna Orville och Wilbur Wright den första motordrivna och kontrollerade flygningen med sin Flyer, som drevs av en förbränningsmotor.

Jetmotorns intåg (20:e århundradet)

Även om de första flygplanen använde propellrar, ledde begränsningarna i denna teknik till att ingenjörerna letade efter ett alternativ. Arbetet med jetframdrivning började på 1930-talet, med pionjärer som t.ex:

• Frank Whittle (Storbritannien),
• Hans von Ohain (Tyskland).

Det första operativa jetplanet, Messerschmitt Me 262, togs i bruk 1944 och revolutionerade den moderna luftfarten.

I dag driver jetmotorer de flesta civila och militära flygplan och erbjuder hastighet, kraft och effektivitet. Denna berättelse om djärvhet och innovation visar hur mänskligheten har flyttat fram gränserna för vad som är möjligt.

Hur en jetmotor fungerar

Ursprung och utveckling

Den första jetmotorn, eller turbojet, konstruerades av tyskarna 1939. Den var dock resultatet av flera århundradens forskning.

I den här videon förenklas funktionen hos de motorer som används idag:

Den grundläggande principen

driften av en jetmotor bygger på en exakt sekvens:

1. Sugning och kompression

Luft sugs in av en fläkt och komprimeras sedan kontinuerligt.

2. Förbränning

Den komprimerade luften leds in i förbränningskammaren, där den blandas med paraffin och antänds. Den resulterande reaktionen expanderar gaser vid hög temperatur och högt tryck.

3. Expansion och framdrivning

De expanderade gaserna trycks ut bakåt i mycket hög hastighet genom ett konvergent munstycke (som smalnar av), vilket skapar en framåtriktad drivkraft (enligt Newtons princip: aktion-reaktion).

4. Kontinuerlig matning

När gaserna lämnar kompressorn driver de en turbin som är placerad på samma axel som kompressorn. Turbinens rörelse orsakar kompressorns rörelse, vilket gör att cykeln kan fortsätta så länge motorn är igång.

Aerodynamiskt stöd

Enbart framdrivning är inte tillräckligt: det är luftcirkulationen över vingarna som genererar den lyftkraft som behövs för att få flygplanet att flyga.

Aktuella utmaningar

Flygbolag och flygplanstillverkare arbetar ständigt med att:

• Minska utsläppen (CO₂, partiklar) genom att optimera förbränningskamrarna.
• Förbättra bränsleeffektiviteten, till exempel med motorer med högt bypassförhållande (t.ex. turbofläktmotorer).
• Minska bränsleförbrukningen, en stor ekonomisk och miljömässig utmaning.

För en förenklad bild förklarar den här videon processen.

Newtons rörelselagar

På 1600-talet fastställde Isaac Newton tre grundläggande lagar för den klassiska mekaniken:

1. Tröghetsprincipen: En kropp förblir i vila eller i en jämn rätlinjig rörelse om ingen kraft verkar på den.
2. Dynamikprincipen: Den kraft som utövas på ett föremål är lika med dess massa multiplicerad med dess acceleration (F = m × a).
3. Principen om ömsesidig verkan (eller verkan-reaktion): För varje aktion finns det en motsvarande reaktion, lika stark men med motsatt riktning.

Tillämpning på jetframdrivning

Newtons tredje lag är kärnan i hur jetmotorer fungerar. När ett flygplan slungar ut gaser bakåt i hög hastighet utövar de en reaktionskraft (dragkraft) som driver flygplanet framåt. Ju snabbare och mer massiv gasstrålen är, desto större blir dragkraften.

Flygplanets flygning och lyftkraft

Samma lag förklarar också hur ett flygplan håller sig uppe:

• Vingarna utövar genom sin form och lutning en nedåtriktad kraft på luften (action).
• Som svar utövar luften en motsatt uppåtriktad kraft, kallad lyftkraft, som kompenserar för flygplanets vikt.

På detta sätt möjliggör kompensationen av krafterna (dragkraft, luftmotstånd, lyftkraft och vikt) en stabil och kontrollerad flygning.

(Obs: Dessa principer är också viktiga inom astronautiken, där raketframdrivningen helt och hållet bygger på utskjutning av gaser i enlighet med Newtons tredje lag)

Den första jetmotorn: en flygteknisk revolution

Början: John Barber och gasturbinen (1731)

Redan 1731 kom engelsmannen John Barber med ett koncept som var en föregångare till turbojetmotorn när han ansökte om patent för en gasturbin med förbränning.

Hans motor innehöll redan de viktigaste delarna: en kompressor, en förbränningskammare och en turbin som drevs av bränsle.

Tyvärr gav den tidens teknik inte tillräckligt med kraft för att få den att fungera ordentligt.

Utvecklingen av gasturbiner överskuggades sedan av ångturbinernas framgångar, som var mer effektiva vid den tiden. Det var inte förrän på 2000-talet som idén dök upp igen.

Den moderna eran: Whittle, Von Ohain och jetframdrivning

På 1930-talet väckte rumänen Henri Coandăs och fransmannen Maxime Guillaumes arbete intresset för jetdrift till liv igen. Men det var den brittiske ingenjören Sir Frank Whittle som verkligen revolutionerade området.

År 1937 konstruerade Whittle en innovativ turbojetmotor: i stället för att använda en kolvmotor för att komprimera luften installerade han en turbin nedströms, som utnyttjade energin i avgaserna för att driva kompressorn. Denna arkitektur gjorde motorn mer kraftfull och mer ekonomisk än kolvmodeller.

Nästan samtidigt utvecklade tysken Hans von Ohain en liknande motor för Heinkel-företaget. År 1939 blev Heinkel He-178 världens första jetflygplan. Dess jungfruflygning avbröts dock när en fågel sögs in i motorn.

Kapprustningen och framväxten av det moderna flyget

Andra världskriget påskyndade de tekniska framstegen. Tyskland och Storbritannien var i en kapplöpning om prestanda, medan USA och Sovjetunionen snabbt kom ikapp efter 1945. Frankrike, som försenades av ockupationen, anslöt sig till tävlingen senare.

På 1950-talet utrustades de första civila flygplanen med turbojetmotorer, vilket markerade början på en ny era inom flygtransporter.

Denna innovation, som var resultatet av en rad misslyckanden och genombrott, förändrade definitivt luftfarten genom att erbjuda snabbare, effektivare och mer tillförlitliga flygplan.

Heinkel He-178 – Fotokredit: Wikimedia Commons

Vilka är de olika typerna av jetmotorer?

Det finns flera kategorier av jetmotorer, var och en anpassad till specifika behov:

1. Turbojetmotorer

Generellt sett omvandlar turbojetmotorer den kemiska energi som finns i ett bränsle till rörelseenergi.

Redan från början har utvecklingen av turbojetmotorer varit en stor utmaning, både inom den militära och civila sektorn.

De delas in i två undertyper:

• Centrifugalkompressorturbojetmotorer: Centrifugalkompressorturbojetmotorer är enkla att tillverka och robusta. De kräver dock en motor med stor diameter, vilket minskar flygplanets sluthastighet.
• Turbojetmotorer med axialkompressor: Dessa är mer kraftfulla tack vare en serie propellrar som komprimerar luften. De kräver dock mer avancerade material.

I båda fallen måste motorn klara temperaturer på upp till 2000°C.

2. Turbofanmotorer

I en turbofläktmotor är en fläkt placerad framför kompressorn. Den drar in en större mängd luft som sedan delas upp i två flöden:

• Primärflöde: Primärflödet passerar in i förbränningskammaren, det är alltså ett varmluftsflöde.
• Sekundärflöde: Sekundärflödet kastas ut direkt på vardera sidan om motorn, det är ett kalluftsflöde som ger 80% av dragkraften.

Vid utloppet blandas den kalla luften med den varma luften, vilket resulterar i kylning. Detta system används på de flesta kommersiella flygplan för att förbättra dragkraften och minska motorbullret.

Bypass-motor – Fotokredit: Wikipedia

3. Ramjetmotorer

Ramjetmotorer används nu i stridsflygplan och missiler eftersom de kan nå mycket höga hastigheter.

• Fördelar: De har större dragkraft eftersom bränsle återinsprutas i förbränningskammaren, en process som kallas efterförbränning. Dessutom har de inga rörliga delar och är därför lätta.
• Nackdelar: De kräver en initial hastighet för att fungera och klarar inte extrema temperaturer över tid.

Superstar-jetmotorer (t.ex. hybriden Concorde turbojet/ramjet) når överljudshastigheter.

4. Turbopropmotorer

Turbojetmotorer ökar sin dragkraft genom att skjuta ut så mycket gas som möjligt. Detta är inte fallet med turbopropmotorer.

Turboprops förlitar sig på rotationskraften hos en propeller, fäst på utsidan av flygplanet, för att ge det mesta av dragkraften.

Turboprops erbjuder den mest ekonomiska lösningen för kortdistansflygningar. De är mer effektiva och förbrukar mindre bränsle, men är begränsade när det gäller höjd och avstånd.

Om du vill veta mer om de olika turbopropmodellerna kan du besöka den här sidan.

Fotokredit: Wikimedia Commons

5. Turbomotorer (för helikoptrar)

Turbomotorer är konstruerade för helikoptrar. Precis som turbojetmotorer är de utrustade med en turbin.

Helikoptrar som tillverkas idag, till exempel Dauphin, har en fri turbin.

Denna omvandlar avgasernas kinetiska och termiska energi till mekanisk energi.

Den gör det också möjligt för helikopterns blad att rotera med en annan hastighet än kompressorn, vilket säkerställer flygplanets stabilitet.