Hallen Hävittäjäsivu


Moottorit

Mäntämoottorit
Suihkumoottori
Ohivirtausmoottori
Turbiinimoottori
Patoputkimoottori
Yliäänipatoputkimoottori
Linkkejä

Mäntämoottorit

Mäntämoottorissa polttoaineen ja ilman seos imetään sylinteriin imuventtiilin (nelitahtimoottori) kautta männän liikkuessa poispäin venttiileistä, jonka jälkeen mäntä puristaaa seoksen kasaan. Dieselmoottorissa (joita ei huonon teho/paino -suhteen vuoksi käytännössä koskaan käytetä lentokoneissa) puristuksen aiheuttama paineen ja lämpötilan nousu aiheuttaa seoksen syttymisen kun taas bensiinimoottorissa (ottomoottori) seos sytytetään sähköisen kipinän avulla. Räjähtäen palavasta polttoaineen ja ilman seoksesta syntyvät voimakkaasti laajenevat palokaasut saavat männän taas liikkumaan poispäin ja näin mäntä pyörittää kampiakselia. Kampiakselilta pyörintävoima johdetaan joko suoraan tai vaihteiston kautta esim. auton pyöriin tai lentokoneen potkuriin. 

Mäntämoottori ei ole lentokonekäytössä eikä etenkään hävittäjässä kovin käytännöllinen. Tähän on useita syitä. Mäntämoottori on tehoonsa nähden varsin painava ja se menettää tehoaan nopeasti lentokorkeuden kasvaessa. Lentokorkeuden myötä alenevaa tehoa voidaan kompensoida ahtimen käytöllä, mutta tämäkin lisää monimutkaisuutta moottorin rakenteeseen. Mäntämoottorin pyörintävoima pitää muuttaa työntövoimaksi potkurin avulla, mutta potkuri on hyötysuhteeltaan huono nopeassa lennossa, eikä sen avulla päästä yliääninopeuksiin. Lentomoottorin pitää kestää pitkäaikaista yhtäjaksoista käyttöä korkeilla vakiokierroksilla ja hävittäjäkoneessa polttoaineensyötön, voitelun jne. pitäisi toimia vaikka kone olisi ylösalaisin. Kaikki nämä ominaisuudet yhdessä ovat johtaneet mäntämoottorin syrjäytymiseen suihkumoottorin tieltä hävittäjien voimanlähteenä. 
 

Suihkumoottori (Turbojet)

Turbojet-suihkumoottori on yksinkertaisin ja 70 -luvulle asti yleisimmin hävittäjissä esiintynyt suihkumoottorityyppi. Toisin kuin mäntämoottorissa, suihkumoottorissa palaminen tapahtuu jatkuvana. Ilma tulee moottoriin edestä ja sen painetta nostetaan asteittain ns. kompressorivaiheissa (stages), jotka ovat eräänlaisia potkureita. Pyöriviä siipiä on vain enemmän kuin tavallisessa potkurissa. Jokaisen vaiheen myötä ilman virtausnopeus hidastuu ja sen paine ja lämpötila kasvavat. Kompressorivaiheiden pyörivien roottoreiden välissä on yleensä paikallaan pysyviä 'staattoreita' joiden tarkoituksena on saada ilma virtaamaan jokaiseen kompressoriroottoriin oikeassa suunnassa ja optimaalisella nopeudella. Ensimmäisissä suihkumoottoreissa käytettiin ns. sentrifugikompressoria, mutta se on väistynyt aksiaalikompressorin tieltä. 

Ilman ahtamisen jälkeen se tulee polttokammioon jossa siihen ruiskutetaan polttoaine hienona sumuna. Vanhemmissa suihkumootoreissa polttokammioita on useita, uudemmissa mottoreissa kammio on yhtenäinen ja tavallaan kiertää koko moottorin. Polttoainesuuttimet tai useat polttokammiot on sijoitettu ympyrän muotoon niin lähelle toisiaan, että jos jokin liekeistä jostakin syystä sammuu, viereiset liekit sytyttävät sen välittömästi uudelleen. Laajenevat palokaasut pyrkivät kohti pienempää painetta, eli moottorin takaosaa. 

Purkautuessaan kohti suihkuputkea palokaasut pyörittävät kompressorin vastakohtaa, turbiinia, joka puolestaan pyörittää moottorin etuosassa olevaa komperssoria. Lisäksi tätä pyörintävoimaa käytetään muihin tarkoituksiin, kuten polttoainepumpun ja generaattorin pyörittämiseen. Purkautuessaan suihkuputkesta palokaasujen massavirta työntää moottoria eteenpäin. 

Jotta moottorin hyötysuhde olisi paras mahdollinen, ilman lämpötilan pitäisi polttokammiossa nousta niin kuumaksi kuin polttoaineen ja ilman seoksen polttamisella on mahdollista aikaansaada. Käytännössä kuumuus joudutaan materiaalirajoitusten vuoksi rajaamaan noin 1100°C lämpötilaan. Jäähdytys voidaan aikaansaada ohjaamalla osa kompressoidusta ilmasta polttokammion ohitse suoraan turbiinille (ei piirretty kuvaan). Käytännössä tämä turbiinin tuloilman lämpötilaraja rajaa nykytekniikalla suihkumoottorista saatavan tehon. 

Palokaasujen purkautumisnopeutta voidaan säädellä ja näin optimoida moottorin toimintaa muuttamalla pakoaukon kokoa. Tämä tapahtuu erityisellä suihkusuuttimella (nozzle), jota joissakin konetyypeissä käytetään myös pakovirtauksen ohjailemiseen (thrust vectoring). 

Suihkumoottorin työntövoimaa voidaan tarpeen vaatiessa kasvattaa voimakkaasti lisäämällä turbiinin ja suihkusuuttimen väliin toinen polttoaineensyöttö, jota kutsutaan jälkipolttimeksi (am.eng. afterburner, eng. reheat). Tämä on mahdollista, koska toisin kuin mäntämoottorissa, suihkumoottorissa moottorin läpi kulkee enemmän ilmaa kuin polttoaineen palamiseen tarvitaan. Tyypillisesti jälkipoltin tuo noin 50% lisätehoa, mutta polttoaineen kulutus kaksinkertaistuu. Ohivirtausmoottorissa jälkipoltin voi tuoda jopa 100% lisää työntövoimaa, koska osa moottorin läpi kulkevasta ilmasta ei kulje polttokammion läpi ja sisältää siksi paljon happea. Jälkipoltinta ei huonon polttoainetalouden vuoksi kuitenkaan käytetä (Concorde poislukien) siviilikoneissa ja sotilaskoneissakin sitä käytetään vain lyhytaikaisesti kun tehoa tarvitaan paljon esimerkiksi lentoonlähtökiihdytyksessä tai ilmataistelussa. 

Suihkumoottori (Turbojet)

Suihkumoottorissa käytetään polttoaineena kerosiinia, joka sijoittuu 'raskaudeltaan' suunnilleen bensiinin ja dieselöljyn väliin. Useimmissa suihkumoottoreissa voitaisiin käyttää myös tavallista bensiiniä, mutta se on kalliimpaa, palaa kuumemmin ja saattaa ylikuumentaa moottorin. Jotkut moottorit kykenevät hätätilassa käyttämään jopa dieselöljyä.

Turbojet on aikaisemmin ollut yleisin hävittäjistä löytyvä moottorityyppi, koska se on yksinkertainen ja tehokas yliääninopeuksissa. Uudemmissa hävittäjissä käytetään kuitenkin yleensä pienen ohivirtaussuhteen omaavaa ohivirtausmoottoria. Eri moottorit voivat erota esimerkiksi kokonsa, polttokammioiden ja komperssorivaiheiden lukumäärän, sekä ilmanottorakenteiden puolesta, mutta perusrakenne on sama. Suihkumoottori on melko kriittinen tuloilman suhteen. Jos ilman virtaus moottoriin häiriintyy, saattaa kompressori epäonnistua ilman ahtamisessa palokammioon ja moottori sammua. Suihkumoottorin käynnistäminen ilmassa on hankalaa varsinkin jos moottoreita on vain yksi, koska kompressorin pyörittämiseen tarvitaan paljon tehoa.
 

Ohivirtausmoottori (Turbofan)

Ohivirtausmoottori on käytännössä pieni suihkumoottori joka pyörittää suurta 'tuuletinta'. Ohivirtausmoottori on parhaimmillaan korkeissa aliääninopeuksissa ja se onkin käytännössä kaikkien nykyaikaisten suurten liikennelentokoneiden voimanlähteenä. Matkustajakoneista ainoastaan yliäänikoneissa kuten Concorde käytetään turbojet-moottoria. Ohivirtausmoottori on taloudellisin vaihtoehto korkeisiin aliääninopeuksiin ja se on myös turbojet-moottoria hiljaisempi, koska ilman virtausnopeudet ovat pienempiä. 

Ns. ohivirtaussuhde voi vaihdella, mutta matkustajakoneissa tyypillisesti vain noin 15 prosenttia johdetaan kompressoriin kun pääosa virtauksesta eli ohivirtaus kulkee vain 'tuuletinosan' lävitse. Matkustajakoneen ohivirtausmoottorin ensimmäinen aste onkin pääasiallinen työntövoiman lähde, sillä suurin osa polttokammiosta purkautuvan pakokaasun liike-energiasta käytetään turbiinien ja ohivirtausroottorin pyörittämiseen. Yleensä jopa 75-90% työntövoimasta tulee ohivirtauksesta, sillä ohivirtausilman nopeutta ei suuren määränsä vuoksi tarvitse kiihdyttää kovin paljon suuren työntövoiman aikaansaamiseksi. Joissakin tapauksissa ohivirtausilma voi myös auttaa jäähdyttämään polttokammiota ja turbiiniosaa ulkopuolelta. Ohivirtausmoottoreita käytetään myös hävittäjissä, mutta niissä ohivirtaussuhde on huomattavasti pienempi kuin liikennelentokoneissa.

Ohivirtausmoottori (Turbofan)

Ohivirtausmoottorissa tarvitaan ainakin kahdet turbiinisiivet ja kaksi akselia. Toiset pyörittävät kompressoria ja muita laitteita, kuten turbojet-moottorissa, toiset taas pyörittävät ohivirtausroottoria. Ohivirtausroottori pyörii tyypillisesti n. 2500 - 4000 kierrosta minuutissa, kun kompressori pyörii yli 10000 kierroksen minuuttinopeudella.
 

Turbiinimoottori

Turbiinimoottorit ovat käytännössä tavallisia suihkumoottoreita, joissa pakovirtausta ei käytetä sellaisenaan työntövoiman lähteenä tai ohivirtausroottorin pyörittämiseen. Kuten ohivirtausmoottorissa pakovirtauksen liike-energia muunnetaan turbiinin avulla pääasiassa pyörintävoimaksi. Pyörintävoimaa voidaan käyttää alennusvaihteen kautta esimerkiksi pyörittämään potkuria (turboprop). Turboprop-moottoreita käytetään yleisesti pienissä ja keskisuurissa lentokoneissa, jotka lentävät suuria matkustajakoneita hitaammin ja tekevät lyhyempiä matkoja. 

Akselitehoa voidaan hyödyntää myös muissa laitteissa. Nykyisissä helikoptereissa käytetään yleisesti turbiinimoottoreita (turboshaft). Turbiinimoottori on tehoonsa nähden kevyt (esim. 80 kg, 600 hv), eikä helikopterissa tarvita suuria moottorin kierrosluvun vaihteluita koska varsinainen työntövoiman säätely hoidetaan roottorin lapakulmaa muuttamalla. 

Turbiinimoottoreita voidaan käyttää myös laivoissa, kuten Finnjetissä. Myös yhdysvaltain armeijan päätaisteluvaunussa M1A2 Abramsissa on voimanlähteenä turbiinimoottori. 
 

Patoputkimoottori (Ramjet)

Ranskalainen Rene Lorin keksi tämän rakenteeltaan erittäin yksinkertaisen moottorityypin jo 1913. Siinä ei ole juurikaan liikkuvia osia, kuten kompressoria tai turbiinia, vaan ilma ahdetaan polttokammioon pelkän ilmanopeuden avulla. Suora putki ei toimi, vaan patoputkimoottorissa pitää olla oikein muotoiltu ilmanotto, joka hidastaa ilman virtausta ja kasvattaa sen painetta ennen polttokammioon saapumista. Patoputki alkaa toimia aikaisintaan vasta noin kolmensadan kilometrin tuntinopeudessa ja mikäli sen geometriaa ei kyetä muuttamaan, siitä saadaan työntövoimaa vain kapealla nopeusalueella. Tehokkaimmillaan patoputkimoottori on vasta n. 2 Machin nopeudessa ja sillä kyetään pääsemään jopa 8 machin nopeuksiin. Nestemäistä polttoainetta käytettäessä joudutaan käyttämään putkessa ns. liekinpitimiä, jotta liekit eivät voimakkaan ilmavirran vaikutuksesta sammuisi.

Patoputkimoottori (Ramjet)

Käytännölliseksi tämä moottorityyppi tulee vasta yliääninopeuksissa, mutta koska tällaista moottoria käyttävä lentokone tai muu laite pitäisi kiihdyttää riittävään nopeuteen ensin muilla keinoin, on tätä moottorityyppiä käytetty lähinnä koetarkoituksissa. Alkukiihdytykseen voidaan käyttää esimekiksi moottoriin rakennettua kiinteäpolttoaineista rakettia, joka tukkii aluksi patoputken mutta kun se on palanut loppuun, putken alkupää aukeaa ja moottorissa siirrytään patoputkimoodiin. Tällaista moottoria kutsutaan englannin kielessä nimellä ramrocket tai ducted rocket

Tällä hetkellä ramjet-moottoria tutkitaan varteenotettavana vaihtoehtona ns. avaruuslentokoneen voimanlähteeksi. "Avaruuslentokone" nousisi tavalliselta kiitoradalta ja kiihdyttäisi jollakin keinolla noin kahden machin nopeuteen, jolloin patoputkimoottorit käynnistettäisiin. Niiden avulla noustaisiin ilmakehän yläosiin ja kiihdytettäisiin noin 6 Machin nopeuteen, jonka jälkeen pieni rakettimoottori riittäisi aluksen nostamiseen avaruuteen. Tällainen laite olisi huomattavasti nykyisiä kantoraketteja edullisempi tapa satelliittien kuljettamiseksi kiertoradalle.
 

Yliäänipatoputkimoottori (Scramjet)

Englanninkielinen nimi scramjet tulee sanoista Supersonic flow ramjet. Tämä on patoputkimoottorin muunnos, jossa sisäänvirtaavaa ilmaa ei hidasteta aliääninopeuteen. Liekinpitimenä toimii oikeaan kohtaan moottoria muodostuva shokkiaalto. Tässä moottorityypissä polttoaine sekoittuu huonosti ilman kanssa, joten polttoaineena tulisi käyttää jotakin helposti höyrystyvää ainetta kuten vetyä. Kuten patoputkimoottoria, tätäkään moottorityyppiä ei ole käytetty missään tuotantolentokoneessa, sensijaan sitä on käytetty ohjuksen voimanlähteenä. Tämän moottorityypin huippunopeutta ei tiedetä.

Yliäänipatoputki (Scramjet)


 

Linkkejä 



[Takaisin Hallen Hävittäjäsivulle] [Takaisin Sotilasilmailun Yleistietoon]