Hoe werkt een straalmotor en wat zijn de verschillende types?

Van de gedurfde dromen van Icarus tot de supersonische vliegtuigen van vandaag, de mens is nooit gestopt met het verleggen van de grenzen van het luchtruim.

Het hart van deze luchtverovering is een revolutionaire uitvinding: de straalmotor. Krachtig, complex en fascinerend, dit meesterwerk van techniek transformeert eenvoudige verbranding in een fenomenale kracht die honderden tonnen door de wolken kan stuwen.

Maar hoe werkt het eigenlijk? Welke natuurkundige principes en historische innovaties hebben dit mogelijk gemaakt?

Duik in de ingewanden van deze mechanische reuzen, waar wetenschap en pure kracht elkaar ontmoeten, en ontdek het ongelooflijke verhaal van de motoren die de wereld veranderden.

De geschiedenis van straalmotoren: een wetenschappelijk en technisch epos

Sinds de oudheid droomt de mens ervan om de hemel te veroveren. De mythe van Icarus, die vliegt met vleugels gemaakt van vogelveren, illustreert deze eeuwenoude zoektocht. Maar pas eeuwen later zetten wetenschap en technologie deze droom om in werkelijkheid.

Het theoretische begin (16ᵉ-18ᵉ eeuwen)

In de 16ᵉ eeuw schetste Leonardo da Vinci de eerste vliegmachines geïnspireerd op vogels. In die tijd was spierkracht echter nog de enige beschikbare drijfkracht. De wetenschappelijke fundamenten van het vliegen zouden pas in de 17ᵉ en 18ᵉ eeuwen ontstaan dankzij het werk van :

• Isaac Newton (wetten van de dynamica),
• Daniel Bernoulli (principe van aerodynamische lift).

De eerste successen (19ᵉ eeuw)

De industriële revolutie maakte de weg vrij voor concrete experimenten:

• In 1890 slaagde de Fransman Clément Ader erin om zijn Éole, een stoomvliegtuig geïnspireerd op de vlucht van vleermuizen, van de grond te krijgen. Hoewel het niet erg wendbaar was, was het een cruciale stap voorwaarts.
• Op 17 december 1903 maakten de broers Orville en Wilbur Wright de eerste aangedreven en gecontroleerde vlucht met hun Flyer, aangedreven door een interne verbrandingsmotor.

De komst van de straalmotor (20ᵉ eeuw)

Hoewel de eerste vliegtuigen propellers gebruikten, brachten de beperkingen van deze technologie ingenieurs ertoe om op zoek te gaan naar een alternatief. Het werk aan straalaandrijving begon in de jaren 1930, met pioniers als:

• Frank Whittle (Verenigd Koninkrijk),
• Hans von Ohain (Duitsland).

Het eerste operationele straalvliegtuig, de Messerschmitt Me 262, kwam in 1944 in dienst en zorgde voor een revolutie in de moderne luchtvaart.

Tegenwoordig wordt het merendeel van de civiele en militaire vliegtuigen aangedreven door straalmotoren, die snelheid, kracht en efficiëntie bieden. Dit verhaal van durf en innovatie laat zien hoe de mensheid de grenzen van het mogelijke heeft verlegd.

Hoe een straalmotor werkt

Oorsprong en ontwikkeling

De eerste straalmotor, of turbojet, werd in 1939 ontworpen door de Duitsers. Hij was echter het resultaat van verschillende eeuwen onderzoek.

De werking van de motoren die vandaag de dag worden gebruikt, wordt in deze video vereenvoudigd:

Het basisprincipe

de werking van een straalmotor is gebaseerd op een precieze volgorde:

1. Zuigen en comprimeren

Lucht wordt aangezogen door een blower en vervolgens continu samengeperst.

2. Verbranding

De samengeperste lucht komt in de verbrandingskamer, waar het wordt gemengd met paraffine en ontstoken. De resulterende reactie zet gassen bij hoge temperatuur en hoge druk uit.

3. Expansie en voortstuwing

De geëxpandeerde gassen worden met zeer hoge snelheid naar achteren gestuwd door een convergerende straalpijp (die smaller wordt), waardoor een voorwaartse stuwkracht ontstaat (volgens het principe van Newton: actie-reactie).

4. Continue toevoer

Wanneer de gassen de compressor verlaten, drijven ze een turbine aan die zich op dezelfde as als de compressor bevindt. De beweging van de turbine veroorzaakt de beweging van de compressor, waardoor de cyclus doorgaat zolang de motor wordt aangedreven.

Aerodynamische ondersteuning

Voortstuwing alleen is niet genoeg: het is de luchtcirculatie over de vleugels die de lift genereert die nodig is om het vliegtuig te laten vliegen.

Huidige uitdagingen

Luchtvaartmaatschappijen en vliegtuigfabrikanten werken voortdurend aan

• De uitstoot (CO₂, deeltjes) te verminderen door de verbrandingskamers te optimaliseren.
• De brandstofefficiëntie te verbeteren, bijvoorbeeld met motoren met een hoge omloopverhouding (zoals turbofanmotoren).
• Het brandstofverbruik te verminderen, een belangrijke uitdaging voor de economie en het milieu.

In deze video wordt het proces vereenvoudigd uitgelegd.

De wetten van Newton

In de 17ᵉ eeuw stelde Isaac Newton drie fundamentele wetten op voor de klassieke mechanica:

1. Het traagheidsprincipe: een lichaam blijft in rust of in een uniforme rechtlijnige beweging tenzij er een kracht op werkt.
2. Het principe van dynamica: de kracht die op een voorwerp wordt uitgeoefend is gelijk aan zijn massa vermenigvuldigd met zijn versnelling (F = m × a).
3. Het principe van wederkerige actie (of actie-reactie): Voor elke actie is er een overeenkomstige reactie, gelijk in intensiteit maar tegengesteld in richting.

Toepassing op straalaandrijving

De derde wet van Newton vormt de kern van de werking van straalmotoren. Wanneer een vliegtuig op hoge snelheid gassen naar achteren spuit, oefenen deze een reactiekracht (stuwkracht) uit die het vliegtuig naar voren stuwt. Hoe sneller en massiever de gasstraal, hoe groter de stuwkracht.

Vliegtuigvlucht en lift

Dezelfde wet verklaart ook hoe een vliegtuig in de lucht blijft:

• De vleugels oefenen door hun vorm en helling een neerwaartse kracht uit op de lucht (actie).
• Als reactie hierop oefent de lucht een tegengestelde opwaartse kracht uit, lift genaamd, die het gewicht van het vliegtuig compenseert.

Op deze manier maakt de compensatie van krachten (stuwkracht, weerstand, lift en gewicht) een stabiele, gecontroleerde vlucht mogelijk.

(Opmerking: deze principes zijn ook essentieel in de astronautiek, waar raketvoortstuwing volledig is gebaseerd op het uitwerpen van gassen in overeenstemming met de derde wet van Newton)

De eerste straalmotor: een luchtvaartrevolutie

Het begin: John Barber en de gasturbine (1731)

Al in 1731 kwam de Engelsman John Barber met een concept dat een voorloper was van de turbojetmotor toen hij patenten aanvroeg voor een gasturbine met interne verbranding.

Zijn motor bevatte al de belangrijkste elementen: een compressor, een verbrandingskamer en een turbine, aangedreven door brandstof.

Helaas leverden de technologieën van die tijd niet genoeg vermogen om de motor goed te laten werken.

De ontwikkeling van gasturbines werd toen overschaduwd door het succes van stoomturbines, die op dat moment efficiënter waren. Pas in de XXᵉ eeuw dook het idee weer op.

Het moderne tijdperk: Whittle, Von Ohain en straalaandrijving

In de jaren 1930 wakkerde het werk van de Roemeen Henri Coandă en de Fransman Maxime Guillaume de interesse in straalaandrijving weer aan. Maar het was de Britse ingenieur Sir Frank Whittle die een ware revolutie teweegbracht.

In 1937 ontwierp Whittle een innovatieve turbojetmotor: in plaats van een zuigermotor te gebruiken om de lucht samen te persen, installeerde hij stroomafwaarts een turbine die de energie van de uitlaatgassen gebruikte om de compressor aan te drijven. Deze architectuur maakte de motor krachtiger en zuiniger dan de zuigermodellen.

Bijna tegelijkertijd ontwikkelde de Duitser Hans von Ohain een soortgelijke motor voor het bedrijf Heinkel. In 1939 werd de Heinkel He-178 het eerste straalvliegtuig ter wereld. De eerste vlucht werd echter afgebroken toen een vogel in de motor werd gezogen.

De wapenwedloop en de opkomst van de moderne luchtvaart

De Tweede Wereldoorlog versnelde de technologische vooruitgang. Duitsland en het Verenigd Koninkrijk waren in een prestatiewedloop verwikkeld, terwijl de Verenigde Staten en de USSR na 1945 hun achterstand snel inhaalden. Frankrijk, vertraagd door de bezetting, voegde zich later bij de concurrentie.

In de jaren 1950 werden de eerste burgerluchtvaartuigen uitgerust met turbinestraalmotoren, wat het begin betekende van een nieuw tijdperk in het luchtvervoer.

Deze innovatie, geboren uit een opeenvolging van mislukkingen en doorbraken, veranderde de luchtvaart definitief en bood snellere, efficiëntere en betrouwbaardere vliegtuigen.

Heinkel He-178 – Foto credit: Wikimedia Commons

Wat zijn de verschillende soorten straalmotoren?

Er zijn verschillende categorieën straalmotoren, elk aangepast aan specifieke behoeften:

1. Turbinestraalmotoren

In het algemeen zetten turbinestraalmotoren de chemische energie in een brandstof om in kinetische energie.

Vanaf het begin is de ontwikkeling van turbinestraalmotoren een grote uitdaging geweest, zowel in de militaire als in de civiele sector.

Ze worden onderverdeeld in twee subtypes:

• Turbinestraalmotoren met centrifugale compressor: Turbinestraalmotoren met centrifugale compressor zijn eenvoudig te fabriceren en robuust. Ze vereisen echter een motor met een grote diameter, wat de eindsnelheid van het vliegtuig vermindert.
• Axiale compressor turbojetmotoren: Deze zijn krachtiger dankzij een reeks propellers die de lucht samenpersen. Ze vereisen echter meer geavanceerde materialen.

In beide gevallen moet de motor bestand zijn tegen temperaturen tot 2000°C.

2. Turbofanmotoren

In een turbofanmotor wordt een ventilator voor de compressor geplaatst. Deze zuigt een grotere hoeveelheid lucht aan, die vervolgens in twee stromen wordt verdeeld:

• Primaire stroom: De primaire stroom gaat de verbrandingskamer in en is dus een stroom van hete lucht.
• Secundaire stroom: 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.

Bypassmotor – Foto credit: Wikipedia

3. Ramjets

Ramjetmotoren worden nu gebruikt in gevechtsvliegtuigen en raketten omdat ze zeer hoge snelheden kunnen bereiken.

• Voordelen: 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.
• Nadelen: Ze hebben een initiële snelheid nodig om te kunnen werken en zijn niet goed bestand tegen extreme temperaturen na verloop van tijd.

Superstar straalmotoren (zoals de Concorde turbojet/ramjet hybride) bereiken supersonische snelheden.

4. Turbopropmotoren

Turbopropmotoren verhogen hun stuwkracht door zoveel mogelijk gas uit te stoten. Dit is niet het geval bij turboprops.

Turboprops 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, bezoek dan deze pagina.

Foto krediet: Wikimedia Commons

5. Turboshaftmotoren (voor helikopters)

Turboshaftmotoren zijn ontworpen voor helikopters. Net als turbinestraalmotoren zijn ze uitgerust met een turbine.

Helikopters die tegenwoordig worden geproduceerd, zoals de Dauphin, hebben een vrije turbine.

Deze zet de kinetische en thermische energie van de uitlaatgassen om in mechanische energie.

Het zorgt er ook voor dat de bladen van de helikopter op een andere snelheid draaien dan die van de compressor, waardoor de stabiliteit van het vliegtuig wordt gewaarborgd.