Jak funguje proudový motor a jaké jsou jeho typy?

Od odvážných Ikarových snů až po dnešní nadzvuková letadla člověk nikdy nepřestal posouvat hranice oblohy.

Jádrem tohoto vzdušného dobývání je revoluční vynález: proudový motor. Toto mistrovské dílo techniky, které je výkonné, složité a fascinující, přeměňuje jednoduché spalování ve fenomenální sílu schopnou pohánět stovky tun v oblacích.

Jak ale skutečně funguje? Jaké fyzikální principy a historické inovace to umožnily?

Ponořte se do útrob těchto mechanických obrů, kde se věda setkává s čistou silou, a objevte neuvěřitelný příběh motorů, které změnily svět.

Historie proudových motorů: vědecký a technický epos

Od pradávna člověk snil o tom, že dobude oblohu. Mýtus o Ikarovi, který létá s křídly z ptačího peří, ilustruje toto odvěké hledání. Teprve o několik století později však věda a technika proměnily tento sen ve skutečnost.

Teoretické počátky (16.-18. století)

V 16ᵉ století Leonardo da Vinci načrtl první létající stroje inspirované ptáky. V té době však byla jedinou dostupnou hnací silou stále svalová síla. Vědecké základy létání se objeví až v 17ᵉ a 18ᵉ století díky práci :

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

První úspěchy (19. století)

Průmyslová revoluce připravila půdu pro konkrétní experimenty:

• V roce 1890 se Francouzi Clémentu Aderovi podařilo vzlétnout s letadlem Éole, které bylo poháněno párou a inspirováno letem netopýrů. Ačkoli nebyl příliš obratný, byl to zásadní krok vpřed.
• Dne 17. prosince 1903 uskutečnili bratři Orville a Wilbur Wrightové první řízený let se svým letadlem Flyer, poháněným spalovacím motorem.

Nástup proudového motoru (20. století)

Ačkoli první letadla používala vrtule, omezení této technologie přiměla inženýry hledat alternativu. Práce na proudovém pohonu začaly ve 30. letech 20. století a jejich průkopníky byli např:

• Frank Whittle (Spojené království),
• Hans von Ohain (Německo).

První provozuschopný proudový letoun, Messerschmitt Me 262, vstoupil do služby v roce 1944 a způsobil revoluci v moderním letectví.

Dnes proudové motory pohánějí většinu civilních i vojenských letadel a nabízejí rychlost, výkon a účinnost. Tento příběh odvahy a inovací ukazuje, jak lidstvo posunulo hranice možného.

Jak funguje proudový motor

Vznik a vývoj

První proudový motor, neboli turbojet, zkonstruovali Němci v roce 1939. Byl však výsledkem několikasetletého výzkumu.

Fungování dnes používaných motorů je zjednodušeně popsáno v tomto videu:

Základní princip

provoz proudového motoru je založen na přesné posloupnosti:

1. Sání a stlačování

Vzduch je nasáván dmychadlem a následně plynule stlačován.

2. Spalování

Stlačený vzduch vstupuje do spalovací komory, kde se smísí s parafínem a zapálí. Výsledná reakce rozpíná plyny při vysoké teplotě a vysokém tlaku.

3. Expanze a pohon

Rozšířené plyny jsou vypuzovány zpět velmi vysokou rychlostí přes konvergentní trysku (která se zužuje), čímž vzniká tah vpřed (podle Newtonova principu: akce-reakce).

4. Plynulý přívod

Když plyny opouštějí kompresor, pohánějí turbínu umístěnou na stejné ose jako kompresor. Pohyb turbíny způsobuje pohyb kompresoru, což umožňuje pokračování cyklu, dokud je motor poháněn.

Aerodynamická podpora

Samotný pohon nestačí: je to právě cirkulace vzduchu nad křídly, která vytváří vztlak potřebný k tomu, aby letadlo letělo.

Současné výzvy

Letecké společnosti a výrobci letadel se neustále snaží:

• Snižovat emise (CO₂, částice) optimalizací spalovacích komor.
• Zlepšit účinnost paliva, například pomocí motorů s vysokým obtokovým poměrem (jako jsou turboventilátorové motory).
• Snížit spotřebu paliva, což je hlavní ekonomická a ekologická výzva.

Zjednodušený pohled na tento proces poskytuje toto video.

Newtonovy pohybové zákony

V 17ᵉ století stanovil Isaac Newton tři základní zákony, kterými se řídí klasická mechanika:

1. Princip setrvačnosti: Těleso zůstává v klidu nebo v rovnoměrném přímočarém pohybu, pokud na něj nepůsobí síla.
2. Princip dynamiky: Síla působící na objekt se rovná jeho hmotnosti vynásobené jeho zrychlením (F = m × a).
3. Princip vzájemného působení (nebo akce-reakce): Každé akci odpovídá reakce, která má stejnou intenzitu, ale opačný směr.

Aplikace na tryskový pohon

Třetí Newtonův zákon je základem fungování proudových motorů. Když letadlo při vysoké rychlosti vyvrhuje plyny dozadu, působí na ně reakční síla (tah), která pohání letadlo vpřed. Čím rychlejší a mohutnější je proud plynů, tím větší je tah.

Let letadla a vztlak

Stejný zákon vysvětluje také to, jak se letadlo udrží ve vzduchu:

• Křídla svým tvarem a sklonem působí na vzduch silou směrem dolů (působení).
• Vzduch v reakci na to působí opačnou silou směrem vzhůru, tzv. vztlakem, který vyrovnává hmotnost letadla.

Tímto způsobem kompenzace sil (tahu, odporu, vztlaku a hmotnosti) umožňuje stabilní a řízený let.

(Poznámka: Tyto principy jsou zásadní také v kosmonautice, kde je raketový pohon založen výhradně na vymršťování plynů v souladu s třetím Newtonovým zákonem)

První proudový motor: letecká revoluce

Počátky: John Barber a plynová turbína (1731)

Již v roce 1731 přišel Angličan John Barber s konceptem, který byl předchůdcem proudového motoru, když podal patent na plynovou turbínu s vnitřním spalováním.

Jeho motor již obsahoval klíčové prvky: kompresor, spalovací komoru a turbínu poháněnou palivem.

Bohužel tehdejší technologie nedokázaly vyvinout dostatečný výkon, aby motor správně fungoval.

Vývoj plynových turbín byl poté zastíněn úspěchem parních turbín, které byly v té době účinnější. Teprve ve XXᵉ století se tato myšlenka znovu objevila.

Moderní éra: Whittle, Von Ohain a proudový pohon

Ve 30. letech 20. století oživily zájem o tryskový pohon práce Rumuna Henriho Coanda a Francouze Maxima Guillauma. Skutečnou revoluci v této oblasti však způsobil britský inženýr Sir Frank Whittle.

V roce 1937 Whittle navrhl inovativní proudový motor: místo pístového motoru, který stlačuje vzduch, instaloval za ním turbínu, která využívá energii výfukových plynů k pohonu kompresoru. Díky této architektuře byl motor výkonnější a úspornější než pístové modely.

Téměř současně vyvinul Němec Hans von Ohain podobný motor pro společnost Heinkel. V roce 1939 se Heinkel He-178 stal prvním proudovým letadlem na světě. Jeho první let však byl přerušen, když do motoru nasál pták.

Závody ve zbrojení a vznik moderního letectví

Druhá světová válka urychlila technologický pokrok. Německo a Velká Británie se předháněly ve výkonech, zatímco Spojené státy a SSSR je po roce 1945 rychle doháněly. Francie, zdržovaná okupací, se do soutěže zapojila později.

V 50. letech 20. století byly do prvních civilních letadel namontovány proudové motory, což znamenalo začátek nové éry letecké dopravy.

Tato inovace, která se zrodila po řadě neúspěchů a průlomů, definitivně změnila letectví a nabídla rychlejší, efektivnější a spolehlivější letadla.

Heinkel He-178 – Foto: Wikimedia Commons

Jaké jsou různé typy proudových motorů?

Existuje několik kategorií proudových motorů, z nichž každá je přizpůsobena specifickým potřebám:

1. Turbodmychadlové motory

Obecně řečeno, proudové motory přeměňují chemickou energii obsaženou v palivu na energii kinetickou.

Vývoj proudových motorů byl od počátku velkou výzvou, a to jak ve vojenském, tak v civilním sektoru.

Dělí se na dva podtypy:

• Odstředivé kompresorové proudové motory: Odstředivé kompresorové proudové motory jsou jednoduché na výrobu a robustní. Vyžadují však motor o velkém průměru, což snižuje konečnou rychlost letadla.
• Axiální kompresorové proudové motory: Jsou výkonnější díky řadě vrtulí, které stlačují vzduch. Vyžadují však pokročilejší materiály.

V obou případech musí být motor schopen odolat teplotám až 2000 °C.

2. Turboventilátorové motory

V turboventilátorovém motoru je před kompresorem umístěn ventilátor. Ten nasává větší množství vzduchu, který je pak rozdělen do dvou proudů:

• Primární proudění: Primární proudění prochází do spalovací komory, jedná se tedy o proudění horkého vzduchu.
• Sekundární proud: Sekundární proud je vyvrhován přímo na obě strany motoru; jedná se o proud studeného vzduchu, který zajišťuje 80 % tahu.

Na výstupu se studený vzduch mísí s horkým vzduchem, což vede k ochlazování. Tento systém se používá ve většině komerčních letadel ke zlepšení tahu a snížení hlučnosti motoru.

Obtokový motor – Foto: Wikipedia

3. Ramjets

Ramjetové motory se dnes používají ve stíhacích letounech a raketách, protože mohou dosahovat velmi vysokých rychlostí.

• Výhody: Jejich tah je vyšší, protože palivo je znovu vstřikováno do spalovací komory, což je proces známý jako přídavné spalování. Kromě toho nemají žádné pohyblivé části, a jsou proto lehké.
• Nevýhody: Vyžadují počáteční rychlost a časem se špatně vyrovnávají s extrémními teplotami.

Superhvězdicové proudové motory (například hybrid turboreaktivního a proudového motoru Concorde) dosahují nadzvukových rychlostí.

4. Turbovrtulové motory

Turbovrtulové motory zvyšují tah tím, že vyvrhují co největší množství plynu. U turbovrtulových motorů tomu tak není.

Turbovrtulové motory se spoléhají na rotační sílu vrtule, která je připevněna na vnější straně letadla a zajišťuje většinu tahu.

Turbovrtulové letouny představují nejekonomičtější řešení pro lety na krátké vzdálenosti. Jsou účinnější a spotřebují méně paliva, ale jsou omezeny z hlediska výšky a vzdálenosti.

Pokud se chcete dozvědět více o různých modelech turbovrtulových letadel, navštivte tuto stránku.

Foto: Wikimedia Commons

5. Turbovrtulové motory (pro vrtulníky)

Turbovrtulové motory byly navrženy pro vrtulníky. Stejně jako proudové motory jsou vybaveny turbínou.

Dnes vyráběné vrtulníky, například Dauphin, mají volnou turbínu.

Ta přeměňuje kinetickou a tepelnou energii výfukových plynů na mechanickou energii.

Umožní také, aby se lopatky vrtulníku otáčely jinou rychlostí než kompresor, čímž se zajistí stabilita letounu.