Ako funguje prúdový motor a aké sú jeho typy?

Od odvážnych snov Ikara až po dnešné nadzvukové lietadlá človek nikdy neprestal posúvať hranice oblohy.

Základom tohto vzdušného dobývania je revolučný vynález: prúdový motor. Toto majstrovské dielo techniky, ktoré je výkonné, zložité a fascinujúce, premieňa jednoduché spaľovanie na fenomenálnu silu schopnú poháňať stovky ton cez oblaky.

Ako však naozaj funguje? Aké fyzikálne princípy a historické inovácie ho umožnili?

Ponorte sa do útrob týchto mechanických gigantov, kde sa veda stretáva s čistou silou, a objavte neuveriteľný príbeh motorov, ktoré zmenili svet.

História prúdových motorov: vedecký a technický epos

Od dávnych čias človek sníval o tom, že dobyje oblohu. Mýtus o Ikarovi, ktorý letí s krídlami z vtáčieho peria, ilustruje toto odveké hľadanie. Ale až o niekoľko storočí neskôr veda a technika premenili tento sen na skutočnosť.

Teoretické začiatky (16.-18. storočie)

V 16. storočí Leonardo da Vinci načrtol prvé lietajúce stroje inšpirované vtákmi. V tom čase však jedinou dostupnou hnacou silou bola stále svalová sila. Vedecké základy lietania sa objavili až v 17. a 18. storočí vďaka práci :

• Isaaca Newtona (zákony dynamiky),
• Daniela Bernoulliho (princíp aerodynamického vztlaku).

Prvé úspechy (19. storočie)

Priemyselná revolúcia otvorila cestu konkrétnym experimentom:

• V roku 1890 sa Francúzovi Clémentovi Aderovi podarilo dostať do vzduchu svoje lietadlo Éole poháňané parou, ktoré bolo inšpirované letom netopierov. Hoci nebolo veľmi obratné, bol to zásadný krok vpred.
• Dňa 17. decembra 1903 bratia Orville a Wilbur Wrightovci uskutočnili prvý riadený let so svojím lietadlom Flyer poháňaným spaľovacím motorom.

Nástup prúdového motora (20. storočie)

Hoci prvé lietadlá používali vrtule, obmedzenia tejto technológie prinútili inžinierov hľadať alternatívu. Práce na prúdovom pohone sa začali v 30. rokoch 20. storočia, pričom priekopníkmi boli napr:

• Frank Whittle (Spojené kráľovstvo),
• Hans von Ohain (Nemecko).

Prvé funkčné prúdové lietadlo, Messerschmitt Me 262, vstúpilo do služby v roku 1944 a spôsobilo revolúciu v modernom letectve.

V súčasnosti prúdové motory poháňajú väčšinu civilných a vojenských lietadiel a ponúkajú rýchlosť, výkon a účinnosť. Tento príbeh odvahy a inovácií ukazuje, ako ľudstvo posunulo hranice možného.

Ako funguje prúdový motor

Vznik a vývoj

Prvý prúdový motor alebo turboreaktívny motor skonštruovali Nemci v roku 1939. Bol však výsledkom niekoľko storočí trvajúceho výskumu.

Fungovanie dnes používaných motorov je zjednodušené v tomto videu:

Základný princíp

činnosť prúdového motora je založená na presnej postupnosti:

1. Sanie a kompresia

Vzduch sa nasáva dúchadlom a potom sa nepretržite stláča.

2. Spaľovanie

Stlačený vzduch vstupuje do spaľovacej komory, kde sa zmieša s parafínom a zapáli. Výsledná reakcia rozpína plyny pri vysokej teplote a vysokom tlaku.

3. Expanzia a pohon

Rozpínané plyny sú vypudzované dozadu veľmi vysokou rýchlosťou cez konvergentnú dýzu (ktorá sa zužuje), čím vzniká ťah vpred (podľa Newtonovho princípu: akcia-reakcia).

4. Kontinuálny prívod

Keď plyny opúšťajú kompresor, poháňajú turbínu umiestnenú na rovnakej osi ako kompresor. Pohyb turbíny spôsobuje pohyb kompresora, čo umožňuje, aby cyklus pokračoval, kým je motor poháňaný.

Aerodynamická podpora

Samotný pohon nestačí: práve cirkulácia vzduchu nad krídlami vytvára vztlak potrebný na to, aby lietadlo mohlo letieť.

Súčasné výzvy

Letecké spoločnosti a výrobcovia lietadiel neustále pracujú na:

• Znižovať emisie (CO₂, častice) optimalizáciou spaľovacích komôr.
• Zlepšiť palivovú účinnosť, napríklad pomocou motorov s vysokým obtokovým pomerom (ako sú turboventilátorové motory).
• Znížiť spotrebu paliva, čo je veľká ekonomická a environmentálna výzva.

Zjednodušený pohľad na tento proces poskytuje toto video.

Newtonove zákony pohybu

V 17ᵉ storočí Isaac Newton stanovil tri základné zákony, ktorými sa riadi klasická mechanika:

1. Princíp zotrvačnosti: Teleso zostáva v pokoji alebo v rovnomernom priamočiarom pohybe, pokiaľ naň nepôsobí sila.
2. Princíp dynamiky: Sila pôsobiaca na objekt sa rovná jeho hmotnosti vynásobenej jeho zrýchlením (F = m × a).
3. Princíp vzájomného pôsobenia (alebo princíp akcie a reakcie): Každej akcii zodpovedá reakcia rovnakej intenzity, ale opačného smeru.

Aplikácia na prúdový pohon

Tretí Newtonov zákon je základom fungovania prúdových motorov. Keď lietadlo pri vysokej rýchlosti vypudzuje plyny dozadu, pôsobia reakčnou silou (ťahom), ktorá poháňa lietadlo dopredu. Čím rýchlejší a mohutnejší je prúd plynov, tým väčší je ťah.

Let lietadla a vztlak

Ten istý zákon vysvetľuje aj to, ako sa lietadlo udrží vo vzduchu:

• Krídla svojím tvarom a sklonom pôsobia na vzduch silou smerom nadol (akcia).
• Vzduch na to pôsobí opačnou silou smerom nahor, ktorá sa nazýva vztlak a ktorá kompenzuje hmotnosť lietadla.

Týmto spôsobom kompenzácia síl (ťahu, odporu, vztlaku a hmotnosti) umožňuje stabilný, riadený let.

(Poznámka: Tieto princípy sú nevyhnutné aj v kozmonautike, kde je raketový pohon založený výlučne na vymršťovaní plynov v súlade s tretím Newtonovým zákonom)

Prvý prúdový motor: letecká revolúcia

Začiatky: John Barber a plynová turbína (1731)

Už v roku 1731 prišiel Angličan John Barber s konceptom, ktorý bol predchodcom prúdového motora, keď podal patent na plynovú turbínu s vnútorným spaľovaním.

Jeho motor už obsahoval kľúčové prvky: kompresor, spaľovaciu komoru a turbínu poháňanú palivom.

Nanešťastie, vtedajšie technológie nevytvárali dostatočný výkon na jeho správne fungovanie.

Vývoj plynových turbín vtedy zatienil úspech parných turbín, ktoré boli v tom čase účinnejšie. Táto myšlienka sa znovu objavila až v XX. storočí.

Moderná éra: Whittle, Von Ohain a prúdový pohon

V 30. rokoch 20. storočia oživili záujem o prúdový pohon práce Rumuna Henriho Coanda a Francúza Maxima Guillauma. Skutočnú revolúciu v tejto oblasti však spôsobil britský inžinier Sir Frank Whittle.

V roku 1937 Whittle navrhol inovatívny prúdový motor: namiesto piestového motora na stláčanie vzduchu nainštaloval turbínu, ktorá využívala energiu výfukových plynov na pohon kompresora. Vďaka tejto architektúre bol motor výkonnejší a úspornejší ako piestové modely.

Takmer súčasne Nemec Hans von Ohain vyvinul podobný motor pre spoločnosť Heinkel. V roku 1939 sa Heinkel He-178 stal prvým prúdovým lietadlom na svete. Jeho prvý let však bol prerušený, keď do motora nasal vták.

Preteky v zbrojení a vznik moderného letectva

Druhá svetová vojna urýchlila technologický pokrok. Nemecko a Spojené kráľovstvo sa predháňali vo výkonnosti, zatiaľ čo Spojené štáty a ZSSR ich po roku 1945 rýchlo dobehli. Francúzsko, ktoré sa oneskorilo kvôli okupácii, sa do súťaže zapojilo neskôr.

V 50. rokoch 20. storočia boli do prvých civilných lietadiel namontované prúdové motory, čo znamenalo začiatok novej éry leteckej dopravy.

Táto inovácia, ktorá sa zrodila ako dôsledok viacerých neúspechov a prelomov, definitívne zmenila letectvo a ponúkla rýchlejšie, efektívnejšie a spoľahlivejšie lietadlá.

Heinkel He-178 – Foto: Wikimedia Commons

Aké sú rôzne typy prúdových motorov?

Existuje niekoľko kategórií prúdových motorov, z ktorých každá je prispôsobená špecifickým potrebám:

1. Turbodúchadlové motory

Vo všeobecnosti platí, že prúdové motory premieňajú chemickú energiu obsiahnutú v palive na kinetickú energiu.

Vývoj prúdových motorov bol od začiatku veľkou výzvou, a to tak vo vojenskom, ako aj v civilnom sektore.

Delia sa na dva podtypy:

• Odstredivé kompresorové prúdové motory: Odstredivé kompresorové prúdové motory sú jednoduché na výrobu a robustné. Vyžadujú však motor s veľkým priemerom, ktorý znižuje konečnú rýchlosť lietadla.
• Axiálne kompresorové prúdové motory: Sú výkonnejšie vďaka sérii vrtúľ, ktoré stláčajú vzduch. Vyžadujú si však modernejšie materiály.

V oboch prípadoch musí byť motor schopný odolať teplotám až do 2 000 °C.

2. Ventilátorové motory

V turboventilátorovom motore je pred kompresorom umiestnený ventilátor. Nasáva väčšie množstvo vzduchu, ktorý sa potom rozdelí na dva prúdy:

• Primárny prúd: Primárny prúd prechádza do spaľovacej komory, takže ide o prúd horúceho vzduchu.
• Sekundárny prúd: Sekundárny prúd sa vyvrhuje priamo na obe strany motora; je to prúd studeného vzduchu, ktorý zabezpečuje 80 % ťahu.

Na výstupe sa studený vzduch mieša s horúcim vzduchom, čo vedie k ochladzovaniu. Tento systém sa používa vo väčšine komerčných lietadiel na zlepšenie ťahu a zníženie hlučnosti motora.

Obtokový motor – Foto: Wikipedia

3. Ramjety

Ramjetové motory sa v súčasnosti používajú v stíhacích lietadlách a raketách, pretože môžu dosahovať veľmi vysoké rýchlosti.

• Výhody: Ich ťah je väčší, pretože palivo sa opätovne vstrekuje do spaľovacej komory, čo je proces známy ako dohorievanie. Okrem toho nemajú žiadne pohyblivé časti, a preto sú ľahké.
• Nevýhody: Vyžadujú si počiatočnú rýchlosť a časom sa zle vyrovnávajú s extrémnymi teplotami.

Superhviezdicové prúdové motory (ako napríklad hybrid turboreaktívneho a raketového motora Concorde) dosahujú nadzvukové rýchlosti.

4. Turbovrtuľové motory

Turbovrtuľové motory zvyšujú svoj ťah tým, že vypúšťajú čo najviac plynu. V prípade turbovrtuľových motorov to tak nie je.

Turbovrtuľové motory sa spoliehajú na rotačnú silu vrtule, ktorá je pripevnená na vonkajšej strane lietadla a poskytuje väčšinu ťahu.

Turbovrtuľové lietadlá predstavujú najhospodárnejšie riešenie pre lety na krátke vzdialenosti. Sú efektívnejšie a spotrebujú menej paliva, ale sú obmedzené z hľadiska výšky a vzdialenosti.

Ak sa chcete dozvedieť viac o rôznych modeloch turbovrtuľových lietadiel, navštívte túto stránku.

Foto: Wikimedia Commons

5. Turbovrtuľové motory (pre vrtuľníky)

Turbovrtuľové motory boli navrhnuté pre vrtuľníky. Podobne ako turbovrtuľové motory sú vybavené turbínou.

Dnes vyrábané vrtuľníky, ako napríklad Dauphin, majú voľnú turbínu.

Tá premieňa kinetickú a tepelnú energiu výfukových plynov na mechanickú energiu.

Umožní tiež, aby sa lopatky vrtuľníka otáčali inou rýchlosťou ako kompresor, čím sa zabezpečí stabilita lietadla.