Млазни мотор

Погон летелица
Ravnoteza u letu 4.gif
За постизање ове равнотеже неопходан је систем погона,
Врсте
1. Ваздухопловни мотор
1.1 Мотори са унутрашњим сагоревањем:
1.1.1 Клипни мотор
1.1.2 Линијски клипни мотор
1.1.3 Радијални клипни мотор
1.1.4 Ротациони клипни мотор
1.1.5 V клипни мотор
1.1.6 Боксер клипни мотор
1.1.6 Ванкелов мотор
1.2 Погон без процеса сагоревања:
1.2.1 Људски погон авиона
1.2.2 Електро мотор
1.3 Реактивни мотори:
1.3.1 Млазни мотори:
1.3.1.1 Елисномлазни мотор
1.3.1.2 Турбоелисни мотор
1.3.1.3 Турбомлазни мотор
1.3.1.4 Двопроточни турбомлазни мотор
1.3.1.5 Пулсирајући млазни мотор
1.3.1.6 Набојномлазни мотор
1.3.1.7 Надзвучни набојномлазни мотор
1.3.1.8 Мотокомпресорски реактивни мотор
1.3.2 Ракетни мотори
1.3.2.1 Ракетни мотор са хемијским горивом
1.3.2.2 Јонски мотор

Млазни мотор је уређај, којим се ствара потисак за погон летелице. Принцип добијања потиска заснива се на Њутновим законима, где се користи принцип убрзања излазног млаза гасова, промена количине кретања. Ова општа групација мотора обухвата елисномлазне, турбоелисне, турбомлазне, двопроточне турбомлазне, пулсирајуће млазне, набојномлазне и ракетне моторе. У принципу, већина млазних мотора јесу уређаји са унутрашњим сагоревањем, али међу њима постоје разлике у типу сагоревања. У теорији, млазне моторе међусобно одваја њихов принцип рада и термодинамички циклус. Исто тако, поједине његове врсте, међусобно се разликују по конструкцији. За турбомлазне моторе је актуелан Брајтонов циклус, док је за пулсирајуће Хамфријев термодинамички циклус.

Захтеви за погон летелица су различити, што је довело и до разлика у концепцији и у конструлцији млазних мотора. За путничке авионе на дугачким линијама лета потребан је економичан мотор, као што је двопроточни турбомлазни, а за ракете велики потисак на великим брзинама, што остварује ракетни и набојномлазни.

Историја

Почеци

Проналазак млазног мотора, принцип рада би се могао приписати Грку Херону Александријском. Он га је са својим проналаском еолипилом у основи доказао. Уређај му се састојао од кугле и две закренуте млазнице, управне на радијус ротације. Кроз млазнице је испуштан млаз водене паре и тако се са тангенцијалном силом потиска кугла ротирала. Вода се загревала у посуди а пара се преносила преко цеви спојених с куглом. Херонов проналазак није у то доба препознат као могућност одвођења и коришћења механичке енергије, те је остао само као атракција за дивљење.

Млазни погон поново се појавио у 11. веку, када су Кинези направили ракету. Издувни гасови од сагоревања барута су истицали из ракете у ваздух, стварали су потисак, а уједно су имали и визуелни ефекат ватромета. До следећег напретка прошле су стотине година.

Авиони са елисним погоном су достигли граничне брзине, даље повећање је било спречено са појавом локалних ударних таласа на крајевима кракова елисе, а са тиме и повећање отпора и губитак снаге. Постојала је велика потреба да авиони лете са већим брзинама од 800 km/h, у томе циљу, тражила су се нова решења за погон, која немају ограничења. Схваћено је да их нема без преласка на примену сасвим нове технологије.

Први самостално изведен погон са гасном турбином, развио је Агидус Елинг 1903. године. Затим је, Виктор Караводин је 1906. године, ударио темеље млазном мотору са брзим сагоревањем. Жорж Марконет је 1909. године концептирао млазни мотор за апликацију погона летелице. Коначно, млазни мотор је концепцијски био спреман за погон летелица.

Посебан правац развоја млазних мотора, био је усмерен на решења, са којима се компресија ваздуха врши са спољним извором енергије. У томе правцу је било неколико извођења где је ваздух сабијан са класичним бензинским мотором. Прављена је смеша ваздуха и горива и убацивана у комору сагоревања, где се палила и сагоревала. Чак је у Јапану спремано такво решење за погон авиона камиказа, крајем Другог светског рата. Ова решења нису имала практичан успех.

Резултати Френка Витла

Британац, ваздухопловни инжењер, официр Краљевског ратног ваздухопловства Френк Витл, понудио је својим претпостављенима решење за турбомлазни мотор, 16. јануара 1930. године. Френк Витл је у Енглеској патентирао и касније наставио истраживања на турбомлазном мотору, са центрифугалним компресором. Тешко је добијао подршку за тај свој рад, коначно га је уобличио 1932. године, као млазни мотор са једностепеном турбином и радијалним компресором. Значајнија подршка је пристигла 1935. године, изграђен је мотор и прва испитивања су почела 12. априла 1937. године, а добијени су задовољавајући резултати.

Еолипил

Френк Витл, британски инжењер,
официр ратног ваздухопловства.
 
Један од првих млазних мотора:
Јункерс Јумо 004.
Ролс-Ројс дервент.
 
Изглед мотора Снекма М88.
 
 
 
 

Министарство војске је одвојило буџет и отпочео је организован развој мотора W.1 и одговарајућег авиона са тим погоном, у фабрици Глостер авиони (ен. Gloster Aircraft). Витлов први мотор на течно гориво покренут је у априлу 1937. године. Мотор је имао властиту пумпу за гориво те је тако радио независно. Догађај који је Витлов стручни тим довео до панике био је наставак рада мотора и након затварања довода горива. Наиме, гориво које није успело сагорети, накупило се на доњим деловима мотора и наставило изгарати и након затварања пумпе.

Резултати Ханс фон Охаина

Не знајући за Витлов рад и резултате, Ханс фон Охаин, 1935. године, у Немачкој, започео је рад на сличном пројекту. Његов мотор није самостално радио, компривовани ваздух се доводио из спољњег извора. Своју конструкцију је приказао фабрици авиона „Хенкел“, где је вредност пројекта препозната. Одмах је покренут програм развоја, из кога је произашао мотор, са којим је почело да се експериментише у септембру 1937. године, употребљавајући водоник као гориво и сабијени ваздух из спољњег извора. Континуална истраживања и развој променили су пројекат, који је реализован са мотором који је користио бензин као гориво. Овај мотор је интегрисан на конструкцију авиона Хенкел He-178, са оствареним потиском од 5 kN. Са овим авионом, 27. августa 1939. године, са аеродрома Маринехе, полетео је пилот Ерих Варситз. На овај начин је Хенкел He-178 ушао у историју, као први авион са млазним мотором.

Војни развој током Другог светског рата

Први немачки турбомлазни мотор, имао је аксијални компресор и на тај начин и мањи пречник попречног пресека од енглеског са радијалним. Основни развој је био у фабрици Јункерс Јумо 004, којих је произведено 4.750 примерака, за авионе Месершмит Me 262 и Arado Ar 234, док је произведено 750 примерака BMW 003 за авионе Хајнкел Хе 162 и Arado Ar 234. 

 

Приоритет немачког развоја је био повећање брзина, смањење потрошње горива, смањење тежине и повећање стабилности и поузданости у раду. После 1941. године, било је неопходно да се постигне већи потисак, и постигнуто је око 7,8 kN. Ускоро је настала несташица бензина, али је дизел-гориво (које је било лакше доступно) захтевало промену система паљења и сагоревања, то јест модификације мотора.

До краја рата, произведено је око 6.700 мотора BMW 003 и Јумо 004, код којих су направљена побољшања у перформансама, касније је постигнут потисак од око 8,8 kN. Мотор Хајнкел HeS 011 је коришћен у рату, са око 12,7 kN и то је био тада најјачи турбомлазни мотор на свету. BMW и Хајнкел, први су почели са развојем погона елисе са турбином. Ролс-Ројс дервент.

На основу решења W.1, развијен се у Уједињеном Краљевству, мотор Ролс-Ројс веланд, са потиском од око 7,56 kN. Овај мотор је првобитно коришћен на авиону Глостер метеор. Касније је унапређен у варијанту Ролс-Ројс дервент (горе на слици, лево), који је такође био коришћен на истом авиону. Ова два мотора су била једино у употреби на борбеним авионима, у Великој Британији. Развој млазних мотора на основу концепта радијалног компресора, задржан је све до раних 50-их година прошлог века, у Великој Британији.

Први оперативни амерички млазни мотор је Џенерал Електрик J31, базиран на концепту радијалног компресора. Много моћнији Алисон Ј33, развијен је од Хавиленд Гоблина. Коришћен је за погон авиона Локид P-80, у завршном делу Другог светског рата.

 

Наставак развоја за војну употребу

При крају и на завршетку Другог светског рата, немачки стручни кадар, посебно из домена савремених истраживања и развоја ваздухопловних борбених средстава, био је веома интересантан за доскорашње савезнике. Као пример, американци су ангажовали чувеног научника и стручњака за ракетну технику Вернера фон Брауна, совјети пробног пилота Ериха Варсица (ен. Erich Warsitz), који је одбио сарадњу и завршио је у Сибиру.

Постигнуте немачке резултате, на развоју млазних мотора, интензивно су проучавале обе победничке савезнике стране, што је много допринело убрзању даљем развоју совјетских и америчких авиона. Преузимање аксијалног протока флуида кроз мотор, огледа се у чињеници да су практично већина првих послератних авиона, интегрисали млазне моторе у гондоле на крилима. Све до 1950. године, млазни мотори су у борбеним авионима, били мање или више типизирани. У томе периоду су британци почели са пројектима њихових апликација и на цивилним авионима.

Стечена знања, освојене технологије у Немачкој, преливени су у даљи развој и војно јачање ново оформљених војних савеза, Варшавског пакта и НАТО.

Даљи развој, био је усмерен на побољшање перформанси без повећања масе и габарита мотора. То је убрзо довело до развоја мотора са допунским сагоревањем, што је резултирало са малим повећањем масе, али је значајно побољшало перформансе. Међутим, ово је постигнуто на рачун потрошње горива. Типични представници апликација 1950. године, на западу су били Џенерал Електрик Ј79, а на истоку Тумански Р-11. Оба мотора су омогућили ловачким авионима да лете са брзином, које одговарају еквиваленту Маховог броја 2. Технички проблеми су углавном решени. Тада је настао тренд развоја, средином 60-их година прошлог века, у смеру постизања Маховог броја 3. У Совјетском Савезу, развијен је Тумански Р-31 а у САД, Прат енд Витни Ј58, који је због великог топлотног оптерећења, на тим брзинама, користио посебно гориво (JP-7). У току те трке, за све веће брзине и висине, захтеви развоја авиона су условили промену мотора. Тада је искристалисан критеријум на велику специфичну снагу и на малу потрошњу горива, добро убрзање прираста потиска, поузданост и способност у надзвучном лету. Та тенденција је довела до увођења Двопроточног турбомлазног мотора у војном ваздухопловству, као што је Прат енд Витни F100 и Тумански Р-33. Да би се покрио широк опсег брзина може бити понекад врло сложен проблем, па су у употреби различите апликације. Све у свему, мотори су увек били доминантног утицаја на карактеристике ловачких авиона и стицање предности над противником у циљу избегавања његових ракета и заузимање повољног положаја за лансирање својих.

Развој за цивилну употребу

Ефикасност турбомлазних мотора и даље је расла, превазишла је клипне моторе. Од седамдесетих година, прошлога века, са појавом високог односа двопроточности код двопроточних млазних мотора, постигнуто је да на великим брзинама и висинама лета, смањена је потрошња горива, на ниво елисно клипних мотора.

Први експеримент је изведен на цивилном британском авиону Викерс VC.1, где су два елисно клипна мотора замењена са млазнима Ролс-Ројс Нене. Експеримент је успешно и доказан у лету, 6. априла 1948. године, када су доказане основне погодности овог погона у цивилном ваздухопловству.

Ролс-Ројс Нене Mk.II.
 

После овога успеха, почела је конверзија војних млазних мотора на цивилне авионе, првенствено путничке. Прво су интегрисани млазни мотори на Де Хевиленд комет. На Комету је то решење више него добро прихваћено, првенствено због удобности путника, због вишеструког смањења вибрација. Кроз мистериозне серије несрећа Комета (који нема никакве везе са новим моторима, већ са концетрацијом напона у правоугаоно исеченим прозорима), нарастао је скептицизам и не поверење према новим моторима, све до није откривен прави узрок, средином 50-их година прошлог века. То неповерење је смањило број путника по авио-компанијама и успорило процес увођења млазног погона на путничким авионима. Након дуготрајних испитивања замора структуре и концетрације напона на Комету, дат је одговор и скинуто је неповерење у млазни погон путничких авиона. Млазни мотори су имали брз тренд свога развоја, те нису били кочница за развој путничких авиона. То је била једна од значајних предности и то је подстакло развој њихових нових генерација.

Совјетски Савез је истовремено радио на развоју мотора за цивилне авионе. Претходно је развијен најјачи елисномлазни мотор Кузњецов НК-12, интегрисн на Тупољев Ту-95, убрзо је после тога уграђен и у цивилни Тупољев Ту-114, за примену и показало се у експлоатацији да турбомлазни и елисномлазни мотор нису међусобно удаљени по карактеристикама брзине лета и потрошње горива.

Мотори Кузњецов НК-12,
на авиону Ан-22.
 

Микулин АМ-3, 1955. године, демонстриран је на авиону Тупољев Ту-104, који је настао од војног мотора, као што је и Прат енд Витни JT3, настао од војног Прат енд Витни J57. Први Двопроточни турбомлазни мотор, представљен је у апликацији Ролс-Ројс конвеј, који је, као Прат енд Витни JT3D турбомлазни мотор са малом двопроточношћу. Први наменски Двопроточни турбомлазни мотор, развијен за цивилно ваздухопловство и уведен је у Совјетском Савезу 1960. године, Соловјев Д-20, који је са смањеном потрошњом горива.

Двопроточни турбомлазни мотори, убрзо су постали масовнији у употреби у цивилном, него у војном ваздухопловству. Постало је правило да се уводе и на мање, пословне авионе, а на путничке линијске обавезно. Једино је оправдано одступање било код надзвучних путничких авиона. Ту је предност, на надзвучним брзинама задржао класични турбомлазни мотор, као што је био случај на Конкорду са Ролс-Ројс Олимпус 593 и совјетски Кузњецов НК-144, на основу војне верзије Кузњецов НК-22, на авиону Тупољев Ту-144.

Нафтна криза и повећање трошкова за коришћење енергије, био је допунски притисак на развој економичнијих мотора.

Илустрација промене притиска, 
температуре и брзине издумних
гасова, дуж осе млазног мотора.
Модел прираста количине кретања
 
 

Светска ваздухопловна индустрија се фокусирала на повећање ефикасности погона авиона и на испуњење савремених захтева екологије, првенствено у домену буке и загађивања средине. Усавршене су технологије, уведена су нова конструктивна решења као што је прстенаста комора сагоревања и друго.

Општи принцип

Сви млазни мотори су реактивног дејства, стварају потисак емисијом сагорелих гасова, на излазној млазници у правцу лета летелице, релативно великом брзином. На овај начин генеришу реактивну силу потиска, која га гура мотор односно летелицу унапред.

Млазни мотори се напајају регулисаним млазом горива под притиском из резервоара, који је повезан са пумом и осталим деловима горивне инсталације. Ваздух се узима из атмосфере, изузев ракетног мотор, који носи кисеоник као и гориво.

Потисак

Потисак је исти за случај када се велика количина гаса споро креће на излазу и у случају када се мала количина истиче брзо. У пракси локални делови издувних гасова могу бити бржи од других, али је важан њихов „просечан ефекат“ што се зове „ефективна брзина издувних гасова“ —. Међутим, када се летелица креће са одређеном брзином V, ваздух има релативно кретање према њему. Резултат тога је да кроз усисник мотора утиче количина масе ваздуха — .

Код већине типова млазних мотора, тај унос ваздуха, највећи је део који учествује у процесу. Конвенционални ракетни мотори, међутим, немају спољни унос ваздуха, оксидант и гориво се носе унутар летелице. Дакле, ракетни мотори немају усисник, па је бруто потисак млазнице и нето потисак мотора. Сходно томе, карактеристике потиска ракетног мотора се разликују од проточног млазног мотора са ваздухом, пошто њихово сагоревање није у функцији брзине лета.

Унос ваздуха у канал млазног мотора једино даје корист ако је брзина гаса из моторавећа од брзине летелице. Нето потисак мотора постоји када и вредност разлике.

 

Приближна општа једначина за потисак млазног мотора је:

 

Где су:
  •  – проток масе у секунди и
  •  – брзина издувних гасова.

Ова једначина показује, да већа маса гасова мора проћи кроз мотор и да се наставља убрзавати по истом прирасту, али сви мотори су пројектом лимитирани на ово. Зато што једначина подразумева да летелица не може да убрза и престигне брзину издувних гасова, јер би то дало негативан потисак, а то би изазвало њено успоравање.

 

Маса издувних гасова је:

 

Где је:
  •  – густина ваздуха

Специфичност ракетног мотора

Ракетни мотор користи исте основне физичке принципе као и млазни, генерисање потиска и његова је употреба за погон, али се разликује по томе што не захтева атмосферски ваздух за обезбеђење неопходног кисеоника за сагоревање, он носи све неопходне компоненте за сагоревање у гориву.

Велике брзине издувних гасова и специфична тежина горива обезбеђују ракетним моторима велику ефикасност, на великим брзинама лета.

Шема за моделирање основне једначине потиска ракетног мотора.

 

 

 

 

 

 

Једначина за нето потисак:

 

 

 

 

 

Где су:
  •  – потисак, у аеродинамици се обележава са ,
  •  – еквивалент брзине,
  •  – брзина излазног млаза гаса
  •  – стандардна гравитација,
  •  – проток горива у kg/s,
  •  – излазни пресек млазнице,
  •  – атмосферски притисак и
  •  – притисак излазног млаза гаса.

Енергетска ефикасност

Енергетска ефикасност () млазних мотора, интегрисаних у летелицама, има две основне компоненте ефикасност циклуса (), што је мера ефикасности мотора за убрзање прираста енергије млаза и пропулзивна ефикасност (), што је мера енергије пренетог потиска на летелицу, без успутних губитака.

Укупна енергетска ефикасност , износи:

Пропулзивна ефикасност

Зависност енергетске ефикасности (ηp)
односа брзина летелице / издувних гасова
 (v/vg), за млазне моторе.
 

Пропулзивна ефикасност је проценат механичке енергије, који се искористи за погон летелице, у односу на уложену. Увек је мањи од 100% због губитка кинетичке енергије у издувним гасовима, а мањи је од идеалне ефикасности погонског механизма, као што је принцип са елисом. Поред тога, погонска ефикасност, у великој мери зависи од густине ваздуха и брзине лета. На пример, ефикасност погонске елисе нагло пада при приближавању брзине лета летелице, брзини звука, због аеродинамичких ефеката стишљивости на краковима елисе. Увек постоји неки губитак енергије у погонском процесу кретања кроз ваздух.

За све млазне моторе погонска ефикасност је највећа, када се издувни гасови избацују брзином која је иста, или приближно, као брзина лета.

 

Тада су минимални губици у кинетичкој енергији избачених гасова:

За ракетни мотор:

 

Ефикасност циклуса

Ефикасност циклуса (), односи се на топлотну ефикасност млазног мотора. То је у облику искоришћења топлоте, створене у мотору. Топлотна ефикасност мотора одређује однос температуре која се унесе у мотор са сагоревањем, у овом случају на улазу у млазницу, и температуре гасова на крају процеса ширења, који излазе у атмосферу. То је условљено са укупним односом притиска који се може постићи, кроз мотор.

Циклус ефикасности, највећи је код ракетних мотора (~ 60 +%), пошто они могу да постигну изузетно високе температуре при сагоревању и могу имати веома велику, енергетску ефикасност млазнице. Циклус ефикасности турбомлазних мотора (и сличних), ближе је вредности од 30%. Практично, са сагоревањем се постижу ниже температуре, пошто су им млазнице много мање ефикасности.

Специфични импулс и потрошња горива

Укупни импулс је:

 – еквивалент брзине

Специфични импулс је:

 

Потисак је:

 

 

Еквивалент брзине је:

 

{

  •  – за проточне млазне моторе
  •  – за ракетни мотор

Специфична потрошња горива, код млазних мотора, мери се са специфичним импулсом или са оствареном снагом. Специфични импулс и ефикасност брзине издувног млаза, директно су пропорционални, док је специфична потрошња горива обрнуто.  је дато у секундама. Специфични импулс представља дужину времена трајања једног килограма масе горива, за производњу потиска од једног Њутна.

Појам енергетске ефикасности и специфичне потрошње горива, у блиској су вези. За млазне моторе, енергетска ефикасност и горивна ефикасност су сасвим иста ствар, јер је гориво извор енергије. Код ракетног мотора, са горивом, ствара се само издувни млаз, а то значи да висока енергетска горива, даје бољу ефикасност, али ипак могу у неким случајевима дати и мању, пошто зависи и од других фактора. Може се видети да подзвучни двопроточни турбомлазни мотор, попут Џенерал Елецтриц CF6 користи много мање горива за генерисање потиска, у односу на турбомлазни на Конкорду. Међутим, пошто је енергија производ силе и пређеног пута, а Конкорд у јединици времена пређе већи пут, зато његов мотор генерише већу снагу, за исту количину горива, при своме надзвучном лету са великом брзином, еквивалента M = 2. Зато су Конкордови мотори много ефикаснији на линијском лету, за јединицу потиска, по километру пређеног пута, пошто пређу километар пута за много краће време.

Специфични импулс је параметар за опис ефикасности млазних мотора, укључујући и ракетне. Користан је за поређење вредности мотора, као и за способност летелица да пређу одређени пут по јединици количине горива. Погон са већим специфичним импулсом је и са већом ефикасношћу горива. Специфична потрошња горива је обрнуто пропорционална специфичном импулсу и ефикасности издувне брзине.

Специфични импулс, даје брз одговор о карактеристикама ракете, ако се зна масеони проток кроз млазницу. Друго, то је упоредни показатељ ефикасности мотора. Два различита ракетна мотора имају различите вредности специфичних импулса. Мотор са већом вредношћу специфичног импулса је ефикаснији, јер производи више потиска за исту количину горива. Треће, специфични импулс поједностављује математичке анализе термодинамичких процеса у бездимензионом облику, без тешкоћа коришћења система мера. Четврто, даје лак начин за одређивање „величине“ мотора, током прелиминарне анализе. Резултат термодинамичке анализе одређених вредности специфичног импулса, за одређену тежину ракете, дефинише потребну вредност потиска, па и величину мотора.

Специфични импулс за познате млазне моторе

Карактеристике разних врста млазних мотора
Тип мотора
Услови
ǂ SFC у g/(kN·s)
Специфични импулс (s)
Брзина млаза (m/s)
NK-33 ракетни мотор Вакуум 309 330 3,240
SSME ракетни мотор Спејс Шатл у вакууму 225 453 4,423
Набојномлазни M = 1 127 800 7,877
J-58 двопроточни SR-71 M =3,2 53,8 1 900 18,587
Ролс-Ројс/Снекма Олумпус 593 Конкорд M=2 33,8 3 012 29,553
CF6-80C2B1F двопроточни Боинг 747-400 17,1 5 950 58,400
Џенерал Електрик CF6 двопроточни Ниво мора 8 696 11 700 115,000

 ǂ Специфична потрошња горива

Однос потиска и тежине

Параметар, однос потиска и тежине, је однос потиска према тежини код ракетног, млазног, елисно клипног мотора, односно тежине летелице коју покреће тај мотор. Тај параметар је показатељ перформанси мотора и те летелице. Однос потиска и тежине, код летелице је променљив у функцији времена рада мотора, због прогресивне потрошње горива. Због тога се у поређењу дају почетне, или неке стандардне оперативне вредности, за летелице. Однос потиска и тежине код млазних мотора, сличних принципа варира у одређеном распону вредности, али углавном је у функцији примењене технологије градње. Пожељно је, за дати мотор, постићи што мању његову тежину, за захтевани потисак. Са мањом тежином мотора, обично иду и мањи његови габарити, па и мањи отпор, а и могућности за већи корисни терет летелице, за одређене перформансе лета. Ракетни мотори генерално, имају далеко бољи однос потиска и тежине, од проточних млазних мотора, као што је нпр. двопроточни турбомлазни мотор. То је пре свега због тога што ракетни мотори готово универзално користе густа течна горива, у којима су сви састојци за сагоревање, док код проточних млазних мотора се ваздух уводи и сабија са допунским уређајима, који имају габарите, масу и одводе део енергије преко турбине на компресор. То упоређење се види у табели, десно.

Однос потисак / тежина за разне врсте млазних мотора
Мотори
Маса [kg]
Потисак [kN]
Потисак / Тежина
RD-0410нуклеарни ракетни мотор 2 000 35,2 1,8
J-58 авион „Црна птица“ 2 722 150 5,2
Ролс-Ројс/Снекма Олумпус 593 на Конкорду 3 175 169,2 5,4
RD-0750 ракетни мотор 4 621 1 413 31,2
RD-0146 ракетни мотор 260 98 38,5
Спејс Шатл SSME ракетни мотор 3 177 2 278 73,2
RD-180 ракетни мотор 5 393 4 152 78,6
F-1 Сатурн V 8 391 7 740,5 94,1
NK-33 ракетни мотор 1 222 1 638 136,8

Однос потиска и тежине и специфично оптерећење крила, најважнија су два параметра у одређивању перформанси ваздухоплова.

Пример су перформансе хоризонталног лета.

Vista-xmag.pngЗа више информација видети чланак Аеродинамика.

 

Хоризонтални лет дефинишу једначине:

}→

 

}→

Поређење типова

У овој анализи, укључени су у разматрање и елисно клипни мотори, због сагледавања разлика и специфичности у поређењу. Они елисом убрзавају велику масу ваздуха, са релативно малом границом максималне брзине лета. Ова ниска брзина је због ограниченог максималног потиска (вучне силе) елисе, у погону авиона. Међутим, зато што се у принципу убрзава велика маса ваздуха, код мотора са елисом, као код елисномлазног мотора, исти могу бити врло ефикасни.

Са друге стране, турбомлазни мотори убрзавају много мању масу ваздуха, истом потрошњом горива, али га убрзавају на много већу излазну брзину Лаваловом млазницом. Та особина је разлог да су ови мотори погодни за велике окозвучне и надзвучне брзине.

Ниска двопроточност, код турбомлазних мотора, заснива се на два проточна канала ваздуха, кроз језгро и кроз обилазни канал, са различитим брзинама.

 

Потисак таквог мотора је:

 

Где су:
  •  – маса ваздуха, кроз језгро мотора,
  •  – маса ваздуха, кроз обилазницу.
Упоредни преглед ефикасности
млазних мотора, у функцији
брзине лета, на висини од 10 km
 
Упоредна илустрација типова проточних
млазних мотора, са турбином.
 
Анимација рада турбине.
 
Елисномлазни мотори Прогрес Д27,
на авиону Ан-27.
 
 
 

Такви мотори су ефикаснији при мањим брзинама лета, у односу на класичне турбомлазне, али су мање ефикасни од двопроточних турбомлазних мотора и елисномлазних. На пример, на висини лета од 10 km, двопроточни турбомлазни мотори су најефикаснији око Маховог броја= 0,4, са малом двопроточношћу ефикаснији су на око 0,75, а класични турбомлазни су ефикаснији од двопроточних при брзинама, еквивалента Маховом броју 2-3.

Ракетни мотори имају изузетно велике брзине издувних гасова и са тиме су најбоље решење за велике хиперсоничне брзине лета, на великим висинама. Потисак и ефикасност ракетног мотора се побољшава са повећањем надморске висине лета, зато што се са тиме повећава разлика притиска у излазном млазу и у атмосфери. Са висином лета пада густина улазног ваздуха, па код проточног млазног мотор нето потисак опада. Ракетни мотори су ефикаснији и од надзвучних набојномлазних око Маховог броја M=15.

Надморска висина и брзина лета

Са изузетком надзвучних набојномлазних, проточни млазни мотори, могу да прихвате ваздух само на брзини око половине брзине звука. Довод система уводника за моторе крозвучних и надзвучних авиона успорава ваздух и врши његову компресију.

Ограничење максималне висине за моторе одређују услови које је потребно обезбедити за сагоревање на веома великим висинама, где ваздух постаје сувише редак и тешко га је обезбедити за сагоревање. Са компресијом, у великом степену сабијања, исти се много загреје и пре коморе сагоревања. За турбомлазни мотор, гранична висина је око 40 km, док је за набојномлзне 55 km. Надзвучни набојномлзни мотор може теоретски стабилно радити до висина од 75 km, а ракетни мотор, нема ограничење висине.

На мањим висинама лета лакше се компримује ваздух у усиснику мотора, и то у великој мери загрева ваздух. Горња граница брзина се обично сматра, изражено преко Маховог броја, да је око M=5-8. На већим брзинама азот из атмосфере има тенденцију да реагују због високе температуре на улазу у усисник, што значајно троши енергију. Изузетак је надзвучни набојномлазни мотор, који може бити у стању да постигне око M=15 и више, пошто не успорава ваздух, а ракетни немају ограничење брзине.

Бука

Млазни мотори, првенствено се користе за погон авиона. Такође се користе за погон крстарећих ракета и беспилотних летелице. У специфичним апликацијама, користе се за погон специјалних пловила и тркаћих аутомобила.

Ракетни мотори су једна од његових врста и користе се за погон војних пројектила и ракета, свемирских летелица, преноса сателита у свемир, за ватромет и за погон модела ракета.

Тренутно најбржи аутомобил на свету има погон са млазним мотором.

Млазни мотори, често су конструктивно модификовани за употребу изван ваздухопловства, као индустријске гасне турбине. Они се користе у производњи електричне енергије, погон пумпи за уље и у друге сличне сврхе. Многи од ових мотора су изведени из старијих војних турбомлазних мотора, као што су Прат енд Витнеј J57 и J75.

Често се користе старији мотори (чији је ваздухопловни ресурс истекао – прописани век основне употребе) за градњу уређаја за одмрзавање полетно слетних стаза на аеродромима.

Употреба

Млазни мотори, првенствено се користе за погон авиона. Такође се користе за погон крстарећих ракета и беспилотних летелице. У специфичним апликацијама, користе се за погон специјалних пловила и тркаћих аутомобила.

Ракетни мотори су једна од његових врста и користе се за погон војних пројектила и ракета, свемирских летелица, преноса сателита у свемир, за ватромет и за погон модела ракета.

Тренутно најбржи аутомобил на свету има погон са млазним мотором.

Млазни мотори, често су конструктивно модификовани за употребу изван ваздухопловства, као индустријске гасне турбине. Они се користе у производњи електричне енергије, погон пумпи за уље и у друге сличне сврхе. Многи од ових мотора су изведени из старијих војних турбомлазних мотора, као што су Прат енд Витнеј J57 и J75.

Често се користе старији мотори (чији је ваздухопловни ресурс истекао – прописани век основне употребе) за градњу уређаја за одмрзавање полетно слетних стаза на аеродромима.

Начини снабдевања ваздухом / кисеоником

Свима врстама и типовима млазних мотора је заједничко да стварају потисак, усмереног дејства према напред, супротно од смера истицања убрзаног млаза гасова. Међусобно су подељени на начине узимања ваздуха / кисеоника, у оквиру чега постоје варијације по примени и условљеним конструктивним решењима.

Употреба атмосферског ваздуха, његовим сабијањем

Сви млазни мотори, изузев ракетних, узимају ваздух из атмосфере за стварање мешавине са горивом, која сагорева и ослобађа велику количину топлотне енергије. Током развоја, брзо је схваћено да ефикасност мотора зависи од степена компресије узетог ваздуха. Тражен је повољан и ефикасан начин узимања ваздуха, што је и међусобно одвојило врсте и типове млазних мотора.

Турбински погон

Vista-xmag.pngЗа више информација видети чланак Гасна турбина.

Гасна турбина је ротациони мотор, који претвара топлотну енергију гаса у механичку. Они имају испред компресор који погони турбина са погонским вратилом, а између њих је комора сагоревања. У авионским моторима, ово су три основна сегмента. Постоји много различитих варијација гасне турбине, али све користе систем гас генератора.

Елисномлазни мотор

Vista-xmag.pngЗа више информација видети чланак Елисномлазни мотор.

Елисномлазни мотор („ултра висока двопроточност“) је млазни мотор који користи свој гас генератор за погон вентилаторске елисе, за велике брзине. У односу на турбоелисни, елисомлазни мотор генерише погон преко елисе, а задржао је и део потиска са издувним гасовима. Једна од разлика између конструкције турбоелисног и елисомлазног мотора је да су кракови елисе на елисомлазном мотору подешени за високе подзвучне брзине. Омогућена им сје добра ефикасност и на брзинама лета, којима одговара Махов број и око 0,8, што је упоредиво са савременим цивилним двопрточним турбомлазним моторима.

Турбоелисни/Турбороторски мотор

Vista-xmag.pngЗа више информација видети чланак Турбороторски мотор.

Турбоелисни мотор је произашао из млазног мотора, који искључиво преноси сву енергију гасова на турбину да обрће погонско вратило за пренос на елису авиона или ротор хеликоптера, преко редуктора. Није стриктно млазни мотор, пошто не производи директно потисак, већ преко помоћног механизма. Има веома много сличности у систему спреге компресора и турбине и између њих коморе сагоревања. Зато се ова врста млазног мотора назива да је хибридна. Веома су ефикасни на малим брзина, док на већим нису, а турборотоска концепција је постала незаменљива за погон хеликоптера.

Турбоелисни и турбороторски мотор

Турбомлазни

Vista-xmag.pngЗа више информација видети чланак Турбомлазни мотор.

Анимација спрегнутог рада
компресора и турбине.
 
Анимација рада Двопроточног
 турбомлазног мотора
 
 

Турбомлазни мотор се заснива на принципу гасне турбине. Основни су му делови усисник, компресор, комора сагоревања, турбина и млазница. Првенствено је развијен за војне ловачке авионе, током Другог светског рата. Компресор (аксијални, центрифугалне, или оба, у комбинацији) сабија ваздух, гориво се меша са компримованим ваздухом, та смеше се пали и сагорева у комори сагоревања, а затим тако топла пролази кроз турбину. Компресор покреће турбина, која узима енергију из ширења гаса који пролази кроз њу. Кинетичка енергија издувног млаза гаса, кроз млазницу, генерише потисак.

Овај тип млазног мотора је претходник свима осталима.

Двопроточни турбомлазни

Vista-xmag.pngЗа више информација видети чланак Двопроточни турбомлазни мотор.

Двопроточни турбомлазни мотор је тип ваздухопловног млазног мотора заснованог на гасној турбини и на вентилаторском протоку ваздуха око комплетног склопа једнопроточног турбомлазног мотора („језгра“). Укупни потисак се постиже са доприносом ова два ефекта струјања, кроз вентилаторски систем и кроз млазницу. Део вентилаторског ваздуха пролази кроз језгро мотора, снабдевајући горионик са кисеоником за сагоревање горива. Међутим, остатак ваздуха заобилази језгро мотора, меша се са убрзаним његовим током, што између осталога значајно смањује и буку издувних гасова. Знатно спорији вентилаторски проток ваздуха (обилазни) производи ефикаснији потисак него сама млазница од језгра мотора, а та чињеница доприноси смањују специфичне потрошње горива.

Склоп двопроточног турбомлазног мотора се конструктивно изводи у апликацијама, са заједничком и са одвојеним млазницама.

Двопроточни турбомлазни мотори имају мању брзину издувних гасова, у односу на класичне турбомлазне. То их чини много ефикаснијим у подзвучној и крозвочној области брзина и на мањим надзвучним брзинама од турбомлазних мотора. На вишим надзвучним брзинама је ефикасан у комбинацији са уређајем за допунско сагоревање.

Двопроточни турбомлазни мотори се грубо деле на категорије, са малом и са великом количином обилазећег ваздуха, око језгра. Мотори са малим односом двопроточности, кориснији су за ловачке авионе, пресретаче. За борбене авионе, за непосредну подршку, при земљи, користе се мотори са великим односом двопроточнсти, а за вишенаменске борбене авионе са средњом, од 0,45 до 0,5. За путничке авионе се захтева висок однос двопроточности, што обезбеђује ниску потрошњу горива и малу буку.

Допунско сагоревање
авиона МиГ-23
 

На левом цртежу је илустрација са 2-вратила, ниске-двопроточности, са заједничком млазницом. Ниски притисак је означен са зелено, а високи са љубичасто. Вентилатор и степен ниског притиска компресора је на заједничком вратилу, које покреће турбина ниског притиска, док степен високог притиска компресора покреће турбина високог притиска, са краћим вратилом, већег пречника.

Допунско сагоревање

Vista-xmag.pngЗа више информација видети чланак Допунско сагоревање.

Допунско сагоревање је додатни уређај, додат неком млазном мотору, пре свега на војним надзвучним авионима. Његова сврха је да обезбеди привремени пораст потиска, за надзвучни лет, полетање и за перформансе супер маневра. На војним авионима додатни потисак, посебно може бити пресудан за исход борбе у ваздушном простору. Допунско сагоревање се постиже са убацивањем додатног горива у млазницу, иза турбине. Предност допунског сагоревања је значајно повећање потиска, мана је његова веома висока потрошња горива и неефикасност, и ако је то често прихватљиво из нужде потребе, у кратком временском периоду употребе. Допунско сагоревање се користи на турбомлазним и двопроточно турбомлазним моторима, који погоне надзвучне ловачке авионе.

Шема уградње уређаја за допунско сагоревање на турбомлазни мотор.

Употреба атмосферског ваздуха, на основу природне разлике притиска

Произилази, да је код млазног мотора компресор „нужно зло“, пошто захтева турбину за свој погон, а то је заједно компликовано решење, са доста покретних делова и одвод значајног дела енергије. Конструктори и истраживачи су покушавали направити једноставнији млазни мотор и то су успели, али условљено са другим манама. Ова решења се заснивају на природној разлици зауставног притиска (укупни статички и динамички), испред и иза улазног попречног пресека у комору сагоревања. На томе принципу раде две врсте млазних мотора.

Puls1Motor.gif
Анимација рада пулсирајућег
млазног мотора.

Пулсирајући млазни мотор

Vista-xmag.pngЗа више информација видети чланак Пулсирајући млазни мотор.

Пулсирајући млазни мотор је карактеристичан по процесу, у коме се узимање ваздуха, горива, сагоријевање и стварање млаза (са потиском) одвија у импулсима. Састоји се од уводника (усисника) ваздуха, система неповратних вентила (или без њих), коморе сагоријевања, бризгаљки горива и млазнице.

Мотору, са вентилима, није потребна почетна брзина да би почео са радом, за разлику од набојно млазног, а за неке без вентила потребно је убацити почетни, свежи ваздух. Пулсирајући млазни мотор има веома мали статички потисак. Исти расте са повећањем брзине, односно са динамичким притиском, испред неповратних вентила, односно испред коморе сагоревања. Из тога разлога, се ови мотори користе у комбинацији са додатним почетним погоном (као што је био случај са V-1 са стартном ракетом). Поред тога, пулсирано сагоревање ствара буку и представља извор јаких вибрација. Из тога разлога су непрактични за употребу, без обзира на убедљиву предност у једноставности конструкције, производњи, одржавању и у малој цени.

Набојномлазни мотор

Набојномлазни мотор
(шема)
 

Vista-xmag.pngЗа више информација видети чланак Набојномлазни мотор.

Набојномлазни мотор (ен. Ramjet) је врста млазног мотора, у којем нема покретних делова. Мотор је у ствари обликована цев, са чијом променом попречних пресека, трансформише се динамички у статички притисак ваздуха. Оптимизација законитости промене попречних пресека „цеви“, везана је за постављени критеријум испуњења услова потребног статичког притиска за ефикасно сагоревање. На основу искључивог услова, да је за рад овога мотора неопходан динамички притисак ваздуха на његовом улазном пресеку, исти не може радити у статичким условима, нити се може сам покренути из стања мировања. Његов најефикаснији рад је при великим надзвучним брзинама лета, еквивалента у Маховом броју око М = 3, а успешно функционише и до М = 6.

Посебно је погодан за апликације које захтевају мале и једноставне погоне на великим брзинама лета, као што су ракете, посебно за противоклопну борбу. У неким специјалним и изолованим случајевима користе се и за погон посебних брзих авиона.

По термодинамичком циклусу, сврстава се у исту категорију са Пулсирајућим млазним мотором и ако је овај испрекиданог принципа рада, а набојно млазни је континуалног.

Надзвучни набојномазни мотор

Шема надзвучног набојномазног мотора..


 
 

Vista-xmag.pngЗа више информација видети чланак Надзвучни набојномазни мотор.

Надзвучни набојномазни мотор, механички је врло сличнан набојномазном мотору. Оба се састоје од усисника, коморе сагоревања и млазнице. Основна разлика између њих је што надзвучни набојномазни мотор не успорава долазећи проток ваздуха на подзвучне брзине за сагоревање, они користе „надзвучно сагоревање“. По тој особини је дато име на енглеском језику ен. Scramjets (од речи суперсоник и рамјет). Ови мотори могу добро да раде на великим брзинама лета, чак и на Маховим бројевима већим од 6, где би обични набојно млазни мотор био неефикасан. Још једна разлика између ова два типа мотора је и та што надзвучни набојномазни мотор користи допунски скок притиска услед ударних таласа.

У свету је веома мали број надзвучних набојномазних мотора изграђено и летело. У мају 2010. године, Боинг X-51 поставио је рекорд издржљивости за најдуже трајања надзвучног сагоревања од преко 200 секунди.

Погон авиона са интерним кисеоникоми горивом

Ракетоплан Месершмит Ме-163
 

Ракетоплан

Vista-xmag.pngЗа више информација видети чланак Ракетоплан.

Када авион („авион ракета“) - поседују ракетни погон, понекад га поседује удвојено, поред турбомлазног или неког другог мотора. Ракетни авиони могу постићи много већу брзину лета од сличног са млазним мотором, али типично је за већину њихових мотора да им рад траје само неколико минута, а потом летелица слободно планира. Неометано, без обавезе да узима кисеоник из атмосфере, такав погон је погодан за постизање врло великих висина лета. Такође је у стању да створи много веће убрзање авиона и да постигне полетање на краћој стази затрчавања.

Ракете се једноставно и најчешће користе код авиона да помогну главном погону у полетању, у функцији „стартних ракета“.

Види још

  • Двопроточни турбомлазни мотор
  • Елисномлазни мотор
  • Турбоелисни мотор
  • Турбомлазни мотор
  • Пулсирајући млазни мотор
  • Набојномлазни мотор
  • Набојно надзвучни млазни мотор
  • Брајтонов циклус

Извори

Спољашње везе