Idea użycia napędu odrzutowego do napędu statków powietrznych pojawiła się już parę lat po pierwszym locie samolotu braci Wright. W roku 1908 mając do dyspozycji ówczesną technikę i technologię francuski inżynier Rene Lorin podjął próbę stworzenia lotniczego silnika odrzutowego wykorzystując do tego silnik tłokowy. Siłę napędową – odrzut – miały wytwarzać spaliny wydobywające się bezpośrednio z cylindrów silnika tłokowego poprzez specjalnie ukształtowane dysze, które miały dodatkowo rozpędzać spaliny. Ponieważ z za założenia w silniku takim, ze względu na brak śmigła, nie występowałyby silne siły skręcające, Lorin chciał je umieścić na skrzydłach samolotu. Niestety swojego projektu nie zrealizował. Natomiast dwa lata później rumuński oficer i inżynier pracujący w tym czasie we Francji, Henry Coanda, opierając się na pracy Rene Lorina, zrealizował pomysł, który zmienił projekt Lorina radykalnie. Dodał mianowicie do silnika tłokowego kompresor w postaci sprężarki odśrodkowej, połączył ją z silnikiem i dołączył komorę spalania. Stworzył w ten sposób pierwszy lotniczy silnik odrzutowy typu motorjet (silnik-ang. motor, odrzut-ang. jet). Silnik tłokowy napędzał sprężarkę, która tłoczyła powietrze do komory spalania. Tam dodawane było paliwo, następował zapłon i gorące gazy wydostające się przez dyszę wylotową na zewnątrz, wytwarzały odrzut. Ten pierwszy silnik odrzutowy miał ciąg 2,64 kN (ok. 220 KG). W grudniu 1910 pierwszy samolot o konstrukcji Henry’ego Coandy z napędem odrzutowym uniósł się w powietrze. Niestety uległ zniszczeniu w czasie lądowania. Idea lotniczego napędu odrzutowego, choć zapoczątkowana, jeszcze się nie zaczęła. Przez następne lata konstruowano odrzutowe silniki lotnicze, ale były to silniki typu motorjet.

 

Scheamat_ideowy_silnika_typu_motorjet

Schemat nr 7. Schemat ideowy klasycznego silnika odrzutowego typu motorjet

 

Przełomu dokonał w 1928 angielski inżynier Frank Whittle. Opracował on projekt silnika w którym do napędu sprężarki zastosował turbinę gazową. W 1930 roku opatentował swój projekt, lecz ówczesna technologia metalurgiczna nie pozwalała na zbudowanie turbiny gazowej, która mogłaby pracować w wysokiej temperaturze gazów wylotowych. Dopiero znaczne postępy w metalurgii powalające na produkcję stopów żaroodpornych i żarowytrzymałych pozwoliły Wittle’owi na zrealizowanie swojego projektu. W 1937 zbudował prototyp silnika turboodrzutowego W1 ze sprężarką odśrodkową, komorami spalania typu dzbanowego i turbiną gazową, napędzającą sprężarkę. Silnik W1 miał moc 4 kN.

 

 

Whittle_Jet_Engine_W2-700

Zdjęcie nr 8 . Silnik Franka Whittla W1

 

 

Rok później, w 1938, niemiecki inżynier Hans von Ohain, który również zajmował się problematyką lotniczego napędu odrzutowego i w 1935 opatentował swój projekt silnika odrzutowego z turbiną gazową, zbudował prototyp silnika odrzutowego HeS-3B. Silnik powstał w wytwórni Ernsta Heinkla, którego bardzo zainteresowały prace Ohaina. Silnik HeS-3B osiągał ciąg 4,4 kN i został zamontowany na eksperymentalnym płatowcu, tworząc samolot Heinkel He-178, który 27 sierpnia 1939 wykonał pomyślnie próbny lot trwający 12 miniut. Był to pierwszy lot samolotu napędzanego silnikiem turboodrzutowym z turbiną gazową.

 

 

HeS-3B_Ohaina

Zdjęcie nr 9 . Silnik odrzutowy z turbiną gazową i sprężarką odśrodkową Hansa von Ohaina.

 

Dwa lata później, 15 maja 1941, odbył się lot samolotu Gloster Meteor B28/39 napędzanego silnikiem turboodrzutowym Franka Whittle’a.

 

whittle_von_hain

Zdjęcie nr 10.Frank Whittle i Hans von Ohaim – twórcy silników turboodrzutowycj odrzutowych z turbiną gazową napędzającą sprężarkę

 

 

W latach II WŚ. Pracowano nad napędami odrzutowymi, choć głównie skupiano się na doskonaleniu napędu tłokowo-śmigłowego, mimo, że zdawano sobie sprawę z jego wyraźnych ograniczeń. Powstał wówczas jeden z lepszych silników odrzutowych tamtych czasów, Junkers Jumo 004. Jego cechą charakterystyczną było to, że użyto w nim po raz pierwszy na skalę użytkową, sprężarkę osiową. Silnik ten wykorzystano jako napęd w niemieckim myśliwcu odrzutowym Messerschmitt Me-262, który jako jedyny samolot odrzutowy wziął udział w działaniach bojowych w czasie II WŚ.

 

Silnik_Junkers_Jumo_004

Zdjęcie nr 11. Silnik Junkers Jumo 004.

 

W 1940 powstała jeszcze jedna odmiana silnika odrzutowego – silnik pulsacyjny. Był to Argus 190-014 i posłużył do napędu samolotu-pocisku Fieseler Fi-103 (V1). Jedynymi jego ruchomymi elementami były specjalne zawory, które otwierały się wpuszczając powietrze do komory spalania i zamykały pod wpływem zapłonu odcinając dopływ powietrza. Gorące gazy specjalnie ukształtowaną i odpowiednio długą dyszą wylatywały do atmosfery, wytwarzając ciąg rzędu 5 kN. Silnik pracował w cyklu szybko następujących po sobie eksplozji, czyli pulsów, stąd jego nazwa. Jego wadą był fakt, że aby go uruchomić, trzeba go było najpierw rozpędzić, aby wymusić przepływ powietrza (dlatego pocisk bezzałogowy Fi-103 wyrzucany był przez parową katapultę), a dodatkowo nie było możliwości sterowania ciągiem.

W latach czterdziestych zaczęły się też rozwijać silniki rakietowe. W czasie wojny użyły ich głównie Niemcy do napędu samolotów – silnik Walter R I-203 napędzający samolot doświadczalny Heinkel He-176 o ciągu rzędu 7,5 kN oraz silnik HWK 109-509 o ciągu rzędu 17 kN napędzający samolot myśliwski Me 163 Komet.

Skończyła się II WŚ i rozpoczął się gwałtowny rozwój napędu odrzutowego. 29 lipca 1949 roku wzbił się w powietrze pierwszy samolot pasażerski – De Haviland DH-Comet - napędzany odrzutowymi silnikami jednoprzepływowymi. Silniki odrzutowe wypierały zdecydowanie, jako napęd samolotów cywilnych i wojskowych, silniki tłokowe. Jego niewątpliwe zalety, jak wzrost sprawności wraz z wysokością lotu (w przeciwieństwie do silnika tłokowego), lepszy stosunek masy do osiąganej mocy oraz możliwość znacznego zwiększenia prędkości przelotowej, zrewolucjonizowało lotnictwo początku lat 50-tych. Wkrótce wprowadzono też odwracacze ciągu w silnikach, co znacznie skróciło długość drogi lądowania, zwiększyło bezpieczeństwo (był to właściwie jedyny bezpieczny sposób wytracania prędkości na oblodzonym, śliskim pasie) oraz manewrowość i operatywność samolotów. Następny przełom nastąpił w roku 1959. W maju wzbił się w powietrze pierwszy samolot komercyjny – Boening B-707 420 napędzany silnikami turboodrzutowymi dwuprzepływowymi I generacji. Silniki te, brytyjskiej firmy Rolls-Royce, o nazwie RCo.12 Conway Mk 508/509 stanowiły nową jakość w tego typu napędzie.

Idea silnika dwuprzepływowego polega na tym, że część strumienia powietrza sprężanego przez kompresor nie przechodzi przez komorę spalania, tylko obiega ją osobnym kanałem, tworzą tzw. zimny ciąg. Powietrze to łączy się przy wylocie z silnika z gorącymi gazami. Zaletami tego systemu jest zwiększenie masy powietrza (czynnika roboczego) przepływającej przez silnik w jednostce czasu, co zwiększa jego wydajność i jednocześnie zmniejsz zużycie paliwa ( ok. 20-30%). Dodatkowo połączenie przy wylocie dwóch strumieni powietrza, zimnego i ciepłego, zmniejsza hałas wytwarzany przez silnik. O tej idei myślał już Frank Whittle w 1936, projektując swój pierwszy silnik turboodrzutowy. Również jeden z najsławniejszych konstruktorów silników odrzutowych, radziecki inżynier Archip Michaylovitch Lyulka zaprojektował i opatentował projekt takiego silnika w latach 1937-41.

 

Silnik_dwuprzepywowy_A._Lyulki

Schemat nr 12. Silnik dwuprzepływowe konstrukcji a. Lyulki

 

 

Radziecki_konstruktor_silnikw_Archip_Michaylovich_Lyulka

Zdjęcie nr 13. Radziecki konstruktor silników lotniczych Archip Michaylovich Lyulka.

 

W latach 60-tych powstała druga generacja silników dwuprzepływowych o bardzo dużym współczynniku dwuprzepływowości (współczynnik ten, to stosunek ciągu wytwarzanego przez wentylator do ciągu wytwarzanego na skutek spalania mieszanki paliwowo-powietrznej w komorze spalania). W silnikach II generacji w kanale zewnętrznym umieszczona jest dodatkowa sprężarka, tzw. wentylator o dużej średnicy (stąd nazwa tej generacji silników), do napędu której wykorzystywany jest nadmiar mocy turbiny. Pozwoliło to na kolejne zwiększenie wydajności silników odrzutowych i obniżenie hałasu, zwłaszcza podczas startu i lądowania.

Za przykładem Rolls-Roys’a poszły inne firmy produkujące silniki odrzutowe: General Electric, Pratt&Whitney, Lyulka i pozostałe, liczące się w branży.

 

Silnik_dwuprzepywowy_I_generacji_F100-PW-220F

Zdjęcie nr 14. Silnik dwuprzepływowy I generacji F100-PW-220F firmy Pratt&Whitney

 

 

Dwuprzepywowy_silnik_II_generacji_V2500

Zdjęcie nr 15. Dwuprzepływowy silnik II generacji V2500

 

W międzyczasie, w 1958, powstał kolejny przyszłościowy silnik – Pegasus - z ruchomymi dyszami i wektorowanym ciągiem. Rodzina tych silników stała się napędem jednego z najsłynniejszych samolotów pionowego startu i lądowego – Harrier.

 

Silnik_PEGASUS_z_ruchomymi_dyszami

Zdjęcie nr 16. Silnik PEGASUS z ruchomymi dyszami i wek torowanym ciągiem zastosowany w samolotach pionowego startu Harier.

 

Silniki turboodrzutowe i turbowentylatorowe rozwijały się nadal i zmieniały się również materiały używane do ich produkcji. Również sam sposób konstruowania tego typu silników mocno ewoluował. Wprowadzono konstrukcję modułową, co pozwało i nadal pozwala na wymienialność całych podzespołów roboczych danego silnika, co znacznie skraca i upraszcza proces zarówno produkcji (poszczególne przedsiębiorstwa specjalizują się w produkcji konkretnych modułów poszczególnych typów silników) jak i serwisu, co ponownie zmniejsza koszty i powoduje, że silniki stają coraz bardziej ekonomiczne w użytkowaniu. Nowe materiały z kolei radykalnie zmniejszają awaryjność silników turboodrzutowych i umożliwiają osiągnięcie poziomu niezawodności, o jakim wcześniej nigdy nawet nie myślano. Dla przykładu producenci współczesnych silników turboodrzutowych gwarantują, że prawdopodobieństwo przypadkowego, samoczynnego zgaśnięcia silnika wynosi 0,0026 na 1000 godzin pracy. Co oznacza to w praktyce? Otóż nowoczesny silnik turboodrzutowy może być użytkowany średnio prawie 44 lata bez przerwy! Resurs, wynosi obecnie 13 000 godzin, czyli 18 miesięcy nieustannej eksploatacji.

Tuż przed II WŚ. powstał jeszcze jeden typ silnika odrzutowego, który później przeszedł gwałtowną ewolucję - silnik strumieniowy – nazwany Ramjet. Nie ma on części ruchomych, składa się tyko z dyfuzora, komory spalania, systemu wtrysku paliwa, tzw. stabilizatorów strumienia oraz dyszy wylotowej. Podobnie jak silnik pulsacyjny, może on zostać uruchomiony tylko w przypadku, kiedy zostanie rozpędzony do prędkości gwarantującej odpowiednio szybki przepływ powietrza przez dyfuzor. Następuje wówczas wtrysk paliwa, zapłon i silnik rozpoczyna pracę. Jego zaletą jest to, że może on nadać samolotowi prędkość nieosiągalną dla silników turboodrzutowych. Jako pierwszy zbudował go radziecki konstruktor Jurij Pobiedonoscew w roku 1933- był to silnik GIRD–08. A jako pierwszy do napędu użył silnika tego typu Rene Reduc, montując go w samolocie własnej konstrukcji Leduc010. Jedynym samolotem w czynnej służbie, który używa obecnie tego typu napędu jest wojskowy samolot zwiadowczy SR-71 Blackbird, oblatany w 1961.

Mimo niedogodności, jaką była konieczność rozpędzenia przed uruchomieniem, prace nad tym silnikiem trwały nadal. Wiązano z nim nadzieję osiągnięcia prędkości będącej wielokrotnością prędkości dźwięku. Udało się to, kiedy powstała nowa odmiana tego silnika – Scramjet.

Scramjet (Super Sonic Combustion Ramjet ), czyli silnik strumieniowy z naddźwiękową komorą spalania, dzięki swojej konstrukcji teoretycznie umożliwiał rozpędzenie samolotu do prędkości odpowiadającej licznie Macha ponad 20. W roku 2004 powstał pierwszy prototyp - HYPOSED III – który zamontowany na samolocie doświadczalnym X-43A, 27 marca rozpędził go do prędkości prędkość 6,38 Ma a w następnej próbie do 9,6 Ma. Prędkość dźwięku przestała być jakąkolwiek barierą.

Ale oprócz silników zapewniających dużą prędkość, lotnictwo potrzebowało do celów czysto komercyjnych nadal prostych, tanich i ekonomicznych silników i na tyle mocnych, by uniosły średniej wielkości samolot pasażerski, towarowy czy desantowy, zachowując wspomniane właściwości. Silniki tłokowe (gwiazdowe lub rzędowe) nadal były, i są w użytkowaniu, ale stosuje się je w zdecydowanie mniejszych samolotach, turystycznych, sportowych lub wyczynowych. Okazało się, że śmigło, jako źródło ciągu może być nadal użyteczne w średnich przedziałach prędkości. Zmieniono tylko rodzaj silnika, który je napędzał. Połączono bowiem silnik turbinowy ze śmigłem tworząc w ten sposób silnik turbośmigłowy oraz późniejszą jego odmianę-silnik turbinowy śmigłowentylatorowy (tzw. Profan). W silniku turbośmigłowym energia gorących gazów powstałych w komorze spalania i napędzających turbinę wykorzystywana jest niemal całości do napędu śmigła, które jest głównym źródłem ciągu (tzw. zimnego ciągu). Niektóre silniki turbośmigłowe wykorzystują nadmiar energii gazów, które przy wylocie z silnika tworzą tzw. ciąg szczątkowy o wartości 15-20% wartości ciągu całego zespołu napędowego. Prototyp pierwszego silnika turbośmigłowego skonstruował i zbudował Gyorgy Jendrassik (1889-1954). Był to silnik CS-1 o mocy 760kW, który napędzał pierwszy samolot z napędem turbośmigłowym: Varga RMI-1.

 

 

Pierwszy_turbinowy_silnik_migowy_turbomigowy_CS-1_o_mocy_760_kW

Zdjęcie nr 17. Pierwszy turbinowy silnik śmigłowy (turbośmigłowy) CS-1 o mocy 760 kW

 

Gyorgy_Jendrassik_1889-1954_konstruktor_silnika__CS-1

Zdjęcie nr 18. Gyorgy Jendrassik (1889-1954) konstruktor silnika CS-1

 

Silniki tego turbośmigłowe rozwijały się powoli w latach 40, a kolejnym silnikiem tego typu, który wszedł do użytku, był Rolls-Ryce Trent oblatany w 1945. Po nim powstał kolejny, bardzo popularny w latach 50., Rolls-Royce Dart, który stał się napędem pierwszego samolotu pasażerskiego z napędem turbośmigłowym – Vicers Viscount. Silniki te okazały się bardzo użyteczne i ekonomiczne w samolotach o prędkości przelotowej w granicach 600 km/h, pułapie 6-10 km na trasach średnio i dalekodystansowych. Pracują na tańszym paliwie niż silniki tłokowe i, w przeciwieństwie do nich, mają dobry stosunek mocy do masy. Lotniczy silniki turbośmigłowy o mocy rzędu 15-20 tysięcy KM nie jest rzadkością, podczas, gdy silnik tłokowy przy tej mocy nadawałby się, ze względu na gabaryty i masę, do napędu okrętu, ale ale na pewno nie samolotu.

 

Kolejną modyfikacją rozwojową tej grupy silników są wspomniane już silniki śmigłowentylatorowe. Zwrócono na nie uwagę na początku la 80, podczas badań nad zwiększeniem sprawności śmigła. Zmieniono profil śmigła (szerokość i kształt krawędzi łopat) , materiały (wprowadzono kompozyty) oraz zastosowano zespoły śmigieł przeciwbieżnych o zróżnicowanej ilości łopat. Uzyskano konstrukcję pośrednią pomiędzy śmigłem a wentylatorem, czyli tzw. śmigłowentylator, co pozwoliło na odzyskane energii resztkowego wiru zaśmigłowego. Zmodyfikowano odpowiednio silnik turbinowy a po połączeniu całości w jeden zespół napędowy okazało się, że pozwala on ekonomicznie rozpędzać średnie i duże samoloty do prędkości 980 km/h. Rodzina tych silników coraz szerzej wchodzi do zastosowania.

 

Wspczesny_silnik_turbowentylatorowy

Zdjęcie nr 19. Współczesny silnik turbowentylatorowy

 

Poniższy wykres pokazuje spadek jednostkowego zużycia paliwa w kolejnych generacjach silników turboodrzutowych oraz wynik silnika śmigłowentylatorowego (profan) na ich tle.

 

 

 

porwnanie_zuycia_paliwa_przez_generacje_silnikw_turboodrzutowych

Wykres nr 20. Porównanie zużycia jednostkowego paliwa przez silniki turboodrzutowe turbowentylatorowe

 

 

Maciej Ługowski