Hoe een straalmotor werkt

De geschiedenis van straalmotoren

Al sinds de mythe van Icarus, waarin Icarus vleugels maakt van vogelveren en vliegt, proberen mensen de manier waarop bepaalde soorten het luchtruim kiezen te begrijpen om het te reproduceren met machines. Leonardo da Vinci ontwikkelde de eerste concepten in de ^16e eeuw. Maar in die tijd was de enige bekende drijfkracht die van de menselijke spieren. De fundamentele principes die ons later in staat zouden stellen om te begrijpen hoe vliegtuigen vliegen, zouden pas in de 17e en ^18e eeuw verschijnen, met wetenschappers als Newton en Bernoulli. In de ^19e eeuw leidde de industriële revolutie tot een aantal technische ontwikkelingen. De Fransman Clément Ader was de eerste die een vliegtuig van de grond kreeg met een stoommachine, waarbij hij een vleermuis als inspiratie gebruikte. Een decennium later, in 1903, maakten de gebroeders Wright de eerste gecontroleerde, gemotoriseerde vluchten in de geschiedenis.

Hoe een straalmotor werkt

De eerste straalmotor, of turbojet, werd in 1939 ontworpen door de Duitsers, hoewel het het resultaat was van verschillende eeuwen onderzoek. De werking van de motoren die vandaag de dag worden gebruikt, wordt vereenvoudigd in deze video:

Het principe is eenvoudig:lucht wordt aangezogen door een blower en vervolgens permanent samengeperst; het gaat dan naar een verbrandingskamer waar het reageert met paraffine en ontbrandt. De resulterende reactie zet de gassen uit, die vervolgens door een mondstuk naar achteren worden geblazen, waardoor het vliegtuig vooruit wordt gestuwd. De gassen verlaten de motor met zeer hoge snelheid, omdat ze door een straalmotor gaan, waarvan de vorm smaller wordt, en terwijl ze de straalmotor verlaten, laten de gassen een turbine draaien, die zich op dezelfde as bevindt als de compressor, net na de verbrandingskamer. De beweging van de turbine veroorzaakt die van de compressor, waardoor de reactie continu kan plaatsvinden. Luchtvaartmaatschappijen proberen voortdurend de prestaties van verbrandingskamers te verbeteren om de uitstoot van vliegtuigen te verminderen.

Newton’s bewegingswetten

In de ^17e eeuw stelde Newton drie fundamentele wetten op om beweging te verklaren. De eerste is het principe van traagheid, de tweede het principe van dynamica. Reactievoortstuwing is gebaseerd op dit principe van actie-reactie, dat stelt dat er voor elke actie een gelijke en tegengestelde reactie is. De lucht die naar achteren wordt gespoten, oefent dus een gelijke en tegengestelde kracht uit op het vliegtuig, waardoor het naar voren wordt gestuwd. Deze kracht wordt stuwkracht genoemd. De wet van Newton verklaart ook hoe vliegtuigen vliegen: als de vleugel een kracht uitoefent op de lucht (zijn gewicht, naar beneden), dan oefent de lucht een tegenovergestelde kracht uit op de vleugel, lift genaamd (naar boven). Door deze krachten te compenseren blijft het vliegtuig in de lucht.

De eerste straalmotor

In 1731 begon de Engelsman John Barber patenten te registreren voor een gasturbine met interne verbranding, de voorloper van de turbojetmotor. Zijn motor bestond uit een compressor, een verbrandingskamer en een turbine, allemaal gevoed door een brandbare stof. De ontwikkeling van de gasturbine werd vervolgens vertraagd door het succes van de stoomturbine. Na het werk van de Roemeen Henri Coandă en de Fransman Maxime Guillaume in de jaren 1930, was het uiteindelijk een Brit, Sir Frank Whittle, die een revolutie teweegbracht in het luchtvervoer met turbojetaandrijving. In plaats van een zuigermotor te gebruiken om de lucht samen te persen, koos Whittle voor een nageschakelde turbine die de kracht van de uitlaatgassen gebruikte om de compressor aan te drijven. De eerste turbojetmotoren werden tegelijkertijd in Engeland en Duitsland ontwikkeld. De Duitser Hans Von Ohain ontwikkelde in 1939 de eerste straalmotor voor de firma Heinkel. Het eerste straalvliegtuig was de Heinkel He-178, die werd gebruikt voor gevechten. De eerste vlucht werd echter afgebroken toen een vogel in de motor werd gezogen. De wapenwedloop tijdens de Tweede Wereldoorlog versnelde de geboorte van de moderne luchtvaart. De Verenigde Staten en de Sovjet-Unie haalden de achterstand aan het einde van de oorlog in, gevolgd door Frankrijk, dat was tegengehouden door de Duitse bezetting. De eerste burgerluchtvaartuigen met straalmotoren verschenen in de jaren 1950

De verschillende typen straalmotoren

In het algemeen zetten turbinestraalmotoren de chemische energie in een brandstof om in kinetische energie. De ontwikkeling van turbojetmotoren is vanaf het begin een grote uitdaging geweest, zowel op militair als civiel gebied. De straalmotoren van tegenwoordig zijn veel complexer dan in het verleden. Ze zijn bijvoorbeeld uitgerust met stuwkrachtomkeerders, die dienen om het vliegtuig af te remmen. Er zijn verschillende subcategorieën straalmotoren:

• Straalmotoren met centrifugale compressor
• Axiale compressor straalmotoren
• Bypass straalmotoren
• Ramstraalmotoren
• Turbopropmotoren
• Motoren met vrije turbine

De hierboven beschreven motoren zijn turbojetmotoren met centrifugale compressoren. Ze zijn eenvoudig te fabriceren en robuust, maar het nadeel is dat ze een motor met een grote diameter nodig hebben, wat de eindsnelheid van het vliegtuig vermindert. Daarom werden axiale turbojetmotoren uitgevonden. De lucht wordt samengeperst door een reeks propellers en de efficiëntie is beter, maar hiervoor zijn geavanceerdere materialen nodig. In beide gevallen moet de motor bestand zijn tegen temperaturen tot 2000°C. In een turbofanmotor wordt een ventilator vóór de compressor geplaatst. Deze zuigt een grotere hoeveelheid lucht aan, die vervolgens wordt verdeeld in een primaire en secundaire stroom. De primaire stroom gaat door de verbrandingskamer en is dus een stroom van hete lucht. De secundaire stroom wordt direct aan weerszijden van de motor uitgeworpen; het is een koude luchtstroom die 80% van de stuwkracht levert. Bij de uitlaat mengt de koude lucht zich met de hete lucht, waardoor koeling ontstaat. Dit systeem wordt in de meeste commerciële vliegtuigen gebruikt om de stuwkracht te verbeteren en het motorgeluid te verminderen. caption id=”attachment_15778″ align=”alignnone” width=”390″] Turbofanmotor – Photo credit: Wikipedia[/caption] Ramjetmotoren worden nu gebruikt in gevechtsvliegtuigen en raketten omdat ze zeer hoge snelheden kunnen bereiken. Hun stuwkracht is groter omdat er opnieuw brandstof in de verbrandingskamer wordt gespoten, een proces dat bekend staat als naverbranding. Bovendien hebben ze geen bewegende delen en zijn ze dus licht van gewicht. De nadelen zijn dat ze niet onder een bepaalde snelheid kunnen werken en dat de temperatuur erg hoog is, wat voor veel materialen op den duur niet houdbaar is. Ze moeten ook een beginsnelheid krijgen om te kunnen werken. Superstatorjetmotoren kunnen supersonische snelheden bereiken. De Concorde motor was een hybride tussen een turbojet en een ramjet. Turbojets verhogen hun stuwkracht door zoveel mogelijk gas uit te stoten. Dit is niet het geval bij turboprops. Zij vertrouwen op de rotatiekracht van een propeller, bevestigd aan de buitenkant van het vliegtuig, om het grootste deel van de stuwkracht te leveren. Turboprops bieden de meest economische oplossing voor korteafstandsvluchten. Ze zijn efficiënter en verbruiken minder brandstof, maar zijn beperkt in termen van hoogte en afstand. Als je meer wilt weten over de verschillende turbopropmodellen, bekijk dan deze pagina