Hur en jetmotor fungerar

Jetmotorernas historia

Ända sedan myten om Ikaros, där Ikaros gör vingar av fågelfjädrar och flyger, har människor försökt förstå hur vissa arter tar sig upp i luften för att kunna återskapa det med maskiner. Leonardo da Vinci utvecklade de första koncepten på ^1500-talet. Men på den tiden var den enda kända drivkraften de mänskliga musklerna. De grundläggande principer som senare skulle göra det möjligt för oss att förstå hur flygplan flyger kom inte förrän på 1600- och ^1700-talen, med vetenskapsmän som Newton och Bernoulli. Under ^1800-talet ledde den industriella revolutionen till ett antal tekniska framsteg. Fransmannen Clément Ader var den förste som fick ett plan att lyfta med hjälp av en ångmaskin, med en fladdermus som inspiration. Ett decennium senare, 1903, gjorde bröderna Wright historiens första kontrollerade, motoriserade flygningar.

Hur en jetmotor fungerar

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

I den här videon förklaras hur dagens motorer fungerar:

Principen är enkel:

Luft sugs in av en fläkt och komprimeras sedan permanent; den passerar sedan in i en förbränningskammare där den reagerar med paraffin och antänds. Den resulterande reaktionen expanderar gaserna, som sedan blåses bakåt genom ett munstycke, vilket driver flygplanet framåt. Gaserna lämnar planet i mycket hög hastighet när de passerar genom en jetmotor, vars form krymper.

När gaserna lämnar motorn roterar de dessutom i en turbin, som är placerad på samma axel som kompressorn, strax efter förbränningskammaren. Turbinens rörelse orsakar kompressorns rörelse, vilket gör att reaktionen kan ske kontinuerligt. Flygplanet rör sig och luften som strömmar över dess vingar får det att flyga.

Flygbolagen försöker hela tiden förbättra förbränningskammarens prestanda för att minska flygplanens utsläpp.

Newtons rörelselagar

På ^1600-talet formulerade Newton tre grundläggande lagar för att förklara rörelse. Den första är tröghetsprincipen, den andra är dynamikprincipen. Den som intresserar oss är Newtons tredje lag, principen om ömsesidig verkan.

Jetframdrivning bygger i själva verket på denna princip om aktion-reaktion, som säger att för varje aktion finns det en lika stor och motsatt reaktion. Således kommer luften som kastas ut bakåt att utöva en lika stor och motsatt kraft på flygplanet och driva det framåt. Ju högre hastighet på den drivande gasstrålen, desto större blir dessutom dragkraften.

Newtons lag förklarar också hur flygplan flyger: om vingen utövar en kraft på luften (dess vikt, en nedåtriktad kraft), utövar luften en motsatt kraft på vingen, kallad lyftkraft (uppåtriktad). Genom att kompensera för dessa krafter hålls flygplanet i luften.

Den första jetmotorn

År 1731 började engelsmannen John Barber registrera patent för en förbränningsgasturbin, föregångaren till turbojetmotorn. Hans motor bestod av en kompressor, en förbränningskammare och en turbin, som alla drevs av ett brännbart ämne. Barber lyckades dock inte få sin uppfinning att fungera eftersom den tidens teknik inte kunde generera tillräcklig kraft.

Utvecklingen av gasturbinen försenades sedan av ångturbinens framgångar. Efter rumänen Henri Coandăs och fransmannen Maxime Guillaumes arbete på 1930-talet var det slutligen en britt, Sir Frank Whittle, som revolutionerade flygtransporterna med turbojetdrift. I stället för att använda en kolvmotor för att komprimera luften valde Whittle en nedströms turbin som använde kraften från avgaserna för att driva kompressorn. Den nya motorn var både mer ekonomisk och kraftfull än en kolvmotor.

De första turbojetmotorerna utvecklades samtidigt i England och Tyskland. Tysken Hans Von Ohain utvecklade den första jetmotorn för Heinkel-företaget 1939. Det första jetflygplanet var Heinkel He-178, som användes för strid. Den första flygningen avbröts dock när en fågel sögs in i motorn. Kapprustningen under andra världskriget påskyndade det moderna flygets födelse. USA och Sovjetunionen kom ikapp i slutet av kriget, följt av Frankrike, som hade hållits tillbaka av den tyska ockupationen. De första civila flygplanen som drevs av jetmotorer dök upp på 1950-talet.

De olika typerna av jetmotorer

Generellt sett omvandlar turbojetmotorer den kemiska energi som finns i ett bränsle till rörelseenergi. Utvecklingen av turbojetmotorer har redan från början varit en stor utmaning, både inom den militära och civila sfären. Dagens jetmotorer är mycket mer komplexa än tidigare. De är till exempel utrustade med så kallade thrust reversers, som har till uppgift att bromsa flygplanet. Strålen leds om mot motorns främre del.

Det finns flera underkategorier av jetmotorer:

• Jetmotorer med centrifugalkompressor
• Turbojetmotorer med axialkompressor
• Jetmotorer med dubbla flöden
• Ramjetmotorer
• Turboprop-motorer
• Fria turbinmotorer

De motorer som beskrivs ovan är turbojetmotorer med centrifugalkompressor. De är enkla att tillverka och robusta, men nackdelen är att de kräver en motor med stor diameter, vilket minskar flygplanets sluthastighet. Därför uppfanns de axiella turbojetmotorerna. Luften komprimeras genom en serie propellrar och verkningsgraden blir bättre, men det kräver mer avancerade material. I båda fallen måste motorn klara temperaturer på upp till 2000°C.

I en bypassreaktor placeras en fläkt framför kompressorn. Den suger in en större mängd luft som sedan delas upp i ett primär- och ett sekundärflöde. Primärflödet passerar genom förbränningskammaren och är alltså ett varmluftsflöde. Sekundärflödet sprutas ut direkt från vardera sidan av motorn, det är ett kalluftsflöde som ger 80% av dragkraften. Vid utloppet blandas kalluften med varmluften, vilket resulterar i kylning. Detta system används på de flesta kommersiella flygplan flygplan för att förbättra dragkraften och minska motorbullret.

Ramjetmotorer används nu i stridsflygplan och missiler eftersom de kan nå mycket höga hastigheter. Dragkraften är större eftersom bränsle återinsprutas i förbränningskammaren, en process som kallas efterförbränning. Dessutom har de inga rörliga delar och är därför lätta. Nackdelarna är att de inte kan arbeta under en viss hastighet och att temperaturen är mycket hög, vilket är ohållbart i längden för många material. De måste också förses med en initial hastighet för att kunna fungera. Superstatorjetmotorer kan nå överljudshastigheter. Concorde-motorn var en hybrid mellan en turbojet och en ramjet.

Turbojetmotorer ökar sin dragkraft genom att släppa ut så mycket gas som möjligt. Detta är inte fallet med turboprops. De förlitar sig på rotationskraften hos en propeller, fäst på utsidan av flygplanet, för att tillhandahålla större delen 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 denna sida.

Turbomotorer är konstruerade för helikoptrar. Precis som turbojetmotorer är de utrustade med en turbin. Helikoptrar som tillverkas idag, till exempel Delfin, har en fri turbin. Denna omvandlar avgasernas kinetiska och termiska energi till mekanisk energi och gör det också möjligt för helikopterns blad att rotera med en annan hastighet än kompressorn, vilket säkerställer flygplanets stabilitet.