Ο κινητήρας τουρμποφάν Pratt & Whitney F100 από ένα F-15 Eagleσε λειτουργία
Οκινητήρας αεριώθησης ή τζετ, επίσης καιαεριωθούμενος κινητήρας, στροβιλοκινητήρας, στροβιλοαντιδραστήραςκαικινητήρας εκτόξευσης αερίων, είναι ένας κινητήραςο οποίος προκαλεί ώθησημετην εκτόξευση ενός πίδακα αεριών με μεγάλη ταχύτητα εξαιτίας της δράσης τουτρίτου νόμου του Νεύτωνα. Κινητήρες αεριώθησης θεωρούνται οι τουρμποτζέτ, τουρμποφάν, πύραυλοι, ραμτζέτ καιτα παλμικά τζετ. Γενικά οι κινητήρες αεριώθησης είναι μηχανές εσωτερικής καύσης[1], αλλά υπάρχουν μορφές στις οποίες δεν γίνεται ανάφλεξη.
Οι κινητήρες αεριώθησης αποτελούνται από ένα περιστρεφόμενο αεροσυμπιεστή που κινείται από ένα στρόβιλο (κύκλος του Μπράιτον) καιη υπόλοιπη ισχύς παράγει έργο μέσω ενός ακροφυσίου. Η αρχή λειτουργίας των κινητήρων εκτόξευσης αερίων (στροβιλοκινητήρες) στηρίζεται στη συμπύκνωση του εισερχόμενου αέρα, στον οποίο προστίθεται καύσιμο καιστην ανάφλεξη αυτού του μίγματος. Τα υπέρθερμα καυσαέρια εκτονώνονται κατά ένα μέρος στο στρόβιλο, ο οποίος κινεί το συμπυκνωτή και άλλους μηχανισμούς, καιτα υπόλοιπα εκτονώνονται στην έξοδο οπότε, σύμφωνα μετηναρχή διατήρησης της ορμής, ασκείται στον κινητήρα προωθητική δύναμη.[2]Οι κινητήρες αεριώθησης χρησιμοποιούνται κυρίως στααεροπλάναμε μεγάλης απόστασης διαδρομές. Τα πρώτα αεροσκάφη χρησιμοποιούσαν τουρμποτζέτ ενώ σήμερα προτιμόνται γιατην υποηχητική πτήση οι κινητήρες τουρμποφάν.
Η ιστορία των κινητήρων αεριώθησης μπορεί να αναχθεί στην εφεύρεση της αιολόσφαιρας από τονΉρωνατον 1ο αιώνα π.Χ. ή 1ο αιώνα μ.Χ. Αυτή η κατασκευή περιστρεφόταν εξαιτίας της ύπαρξης δύο ακροφυσιών, από τα οποία εξερρχόταν ατμός με πίεση. Επειδή η κατασκευή δεν είχε μεγάλη ισχύ δεν αξιοποιήθηκε περισσότερο. Ο πρώτος κινητήρας αεριθιώσης που εκτοξεύθηκε ήταν ένας πύραυλος που χρησιμοποιούσε ως καύσιμο πυρίτιδατου 13ου αιώνα από Κινέζους. Ο πύραυλος θεωρείται ότι ήταν μια μορφή πυροτεχνήματος.
Τα πρώτα αεροσκάφη με κινητήρα αεριθιώσης εμφανίστηκαν στοΒ΄ Παγκόσμιο Πόλεμο, όμως οι μηχανικοί είχαν καταλάβει από πολύ νωρίτερα ότι ο εμβολοφόρος κινητήρας είχε αυτοπεριοριζόμενη απόδοση όσον αφορά την μέγιστη ταχύτητα που έφτανε (περίπου 700 χλμ/ώρα). Ο περιορισμός οφειλόταν στην απόδοση των ελίκων, η οποία μειωνόταν δραματικά όταν έφταναν στηταχύτητα του ήχου. Γιανα αναπτυχθεί μεγαλύτερη ταχύτητα είχε γίνει προφανές ότι η κατασκευή των κινητήρων έπρεπε να αλλάξει δραστικά.
Την ιδέα του αεριοστρόβιλου την είχε πρώτος ο Άγγλος John Barber το 1791, όμως περιορισμοί στην σχεδίαση καιστα διαθέσιμα υλικά απέτρεψαν την κατασεκυή μιας λειτουργικής μηχανής. Ο πρώτος στροβιλοκινητήρας με αυτοδύναμη λειτουργία κατασκευάστηκε το έτος 1903 από το Νορβηγό Aegidius Elling. Η πρώτη πατέντα γιατην χρήση στροβιλοκινητήρα στην αεροπορία αρχειοθετήθηκε το 1921 από το Γάλλο Ζωρζ Μαρκονέ (Georges Marconnet)[3].
Το 1928 ο αξιωματικός της RAFΦρανκ Γουίτλ κατέθεσε επίσημα τις ιδέες για ένα τουρμποτζέτ στους ανώτερούς του. Τον Οκτώβριο του 1929 ανέπτυξε περαιτέρω τις ιδέες του[4]και τελικά στις 16 Ιανουαρίου 1930 ο Γούιτλ κατέθεσε αίτηση για πατέντα, η οποία έγινε δεκτή το 1932.[5]Η πατέντα έδειχνε ένα αξονικό αεροσυμπιεστή ο οποίος τροφοδοτούσε ένα φυγοκεντρικό συμπιεστή. Αργότερα επικεντρώθηκε για διάφορους λόγους στο μονό φυγοκεντρικό συμπιεστή. Ο πρώτος λειτουργικός κινητήρας του Γουίτλ τέθηκε σε λειτουργία το 1937. Ο Γουίτλ χρηματοδοτήθηκε από την Βρετανική κυβέρνηση έτσι ώστε να κατασκευαστεί ένα αεριωθούμενο, όμως αυτές οι προσπάθειες δεν ευδοκίμησαν όμως σε ικανοποιητικό βαθμό, ώστε το αεροπλάνο να αξιοποιηθεί στοΒ' Παγκόσμιο Πόλεμο. Το πρώτο αεριοθούμενο βρεταννικό αεροσκάφος, τοGloster E.28/39, πραγματοποιήσε τη πρώτη πτήση τουτο 1941.[2][6]
Το 1935, ανεξάρτητα από τον Γουίτλ, ο Γερμανός Χανς φον Οχάιν εργάστηκε στην κατασκευή ενός στροβιλοκινητήρα. Οφον Οχάιν συνεργάστηκε μετονΕρνστ Χάινκελ καιτο 1937 παρουσίασαν τον πρώτο κινητήρα Heinkel HeS 1, ο οποίος είχε ως καύσιμη ύλη αρχικά υδρογόνο. Μετέπειτα σχέδιά τους οδήγησαν στην κατασκευή του κινητήρα Hes 3, ο οποίος έκαιγε βενζίνη και μπορούσε να χρησιμοποιηθεί σε αεροσκάφη. ο κινητήρας εγκαταστάθηκε σε ένα πλαίσιο αεροσκάφος. Το αεροσκάφος αυτό ονομάστηκε Heinkel He 178 και ήταν έτοιμο το 1939. Το He 178 ήταν το πρώτο αεριωθούμενο που κατασκευάστηκε.[7]
Το 1942 σχεδιάστηκε ο πρώτος αξονικός στροβιλοκινητήρας από τον H. Wagner και έλαβε την πατέντα με αριθμό 724091. Εξέλιξη αυτού του σχεδίου είναι ο κινητήρας Jumo 004, ο πρώτος στροβιλοκινητήρας μαζικής παραγωγής[2]. Το 1943 κατασκευάστηκαν 7.900 κινητήρες Jumo 004. Ο κινητήρας παρήγαγε περισσότερο από ένα τόνο ώθησης και ήταν ο πρώτος εφοδιασμένος μεμετακαυστήρα. Ο κινητήρας χρησιμοποιήθηκε στο πολεμικό δικινητήριο αεροσκαφός Messerschmitt Me 262. Το Me 262 έφτανε μέγιστη ταχύτητα τα 0,86 μαχ. Τα σχέδια κινητήρων των γερμανικών αεροσκαφών πέρασαν στα χέρια των Αμερικανών.[6]
Τη δεκαετία του 1950 σχεδόν όλα τα πολεμικά αεροσκάφη ήταν αεριωθούμενα και είχε αρχίσει να διαδίδεται η χρήση των κινητήρων αεριθιώσης καιστα πολιτικά αεροσκαφή, όπως τοde Havilland Comet. Η απόδοση όμως των κινητήρων τουρμποτζέτ στις υποηχητικές ταχύτητες ήταν χειρότερη από αυτή των εμβολοκίνητων αεροσκαφών. Τη δεκαετία του 1960 και 1970 εμφανίστηκαν οι κινητήρες τουρμποφάν οι οποίοι έχουν απόδοση παρόμοια με αυτή των καλύτερων εμβολοφόρων κινητήρων.
Η εισαγωγή του αέρα πραγματοποιείται από ειδικό αεραγωγό εισαγωγής, ο οποίος, ανκαι αποτελεί στην πραγματικότητα μέρος του αεροσκάφους και όχι του κινητήρα, είναι σημαντικός επειδή η παροχή αέρα είναι απαραίτητη γιατην λειτουργία του κινητήρα. Ο αεραγωγός πρέπει να κατευθύνει τον αέρα στον συμπιεστή όσον το δυνατόν πιο ομοιόμορφα καιμε τις λιγότερες τριβέςκαιστροβιλισμούς. Η διατομή του αεραγωγού αυξάνεται κατά μήκος του ώστε να αυξηθεί ηστατική πίεση. Το σχήμα καιη θέση του αεραγωγού εισαγωγής εξαρτάται από τον τύπο του αεροσκάφους. Ο αεραγωγός μπορεί να διαθέτει οδηγητικά πτερύγια γιανα διευκολύνει τη ροή του αέρα.[8]
Πίσω ακριβώς από τον αεραγωγό είναι ο αεροσυμπιεστής. Ο ρόλος του αεροσυμπιεστή είναι να συμπιέζει τον εισερχόμενο αέρα στον
κινητήρα ώστε να γίνει πυκνότερος. Οι αεροσυμπιεστές μπορεί να είναι φυγοκεντρικής ή αξονικής ροής ή και συνδυασμός των δύο τύπων. Οι συμπιεστές αξονικής ροής αποτελούνται από σταθερά (στάτορες) και κινητά (ρότορες) πτερύγια. Ο συμπιεσμένος αέρας περνά μέσω του διαχυτή στο θάλαμο κάυσης. Στο διαχυτή η πίεση λαμβάνει τη μέγιστη τιμή της μέσα στο κινητήρα.[9]
Ο θάλαμος καύσης είναι το μέρος στο οποίο γίνεται καύσητου καυσίμου μαζί μετον αέρα που εξέρχεται από το συμπιεστή. Τα εξερχόμενα αέρια στη συνέχεια κινούν ένα στρόβιλο, ο οποίος είναι συνδεδεμένος μετο συμπιεστή, έτσι ώστε η περιστροφή του στρόβιλου να περιστρέφει καιτον συμπιεστή. Χρησιμοποιείται αποκλειστικά στρόβιλος αξονικού τύπου. Ανο συμπιεστής εξάγει τα αέρια σε υψηλούς λόγους συμπίεσης γίνεται χρήση πολλαπλών στρόβιλων. Οι στρόβιλου προστατεύονται από τα θερμά αέρια με ένα σύστημα ψύξης.[9]
Τα καυτά αέρια μόλις περάσουν από τον τελευταίο στρόβιλο βγαίνουν στην ατμόσφαιρια μέσα από το σύστημα εξαγωγής. Το σύστημα εξαγωγής αποτελείται από το κώνο, τον αγωγό καιτο ακροφύσιο εξαγωγής. Έχει ως στόχο να αυξήσει την παραγόμενη ώθηση μετην εξίσωση της πίεσης των αερίων μετην ατμοσφαιρική. Σε κάποιους κινητήρες ανάμεσα στον στρόβιλο καιτο ακροφύσιο βρίσκεται ομετακαυστήρας.[9]
Όλοι οι κινητήρες αεριώθησης είναι κινητήρες αντίδρασης, δηλαδή παράγουν ώθηση εκτοξεύοντας προς τα πίσω κάποιο υγρό ή αέριο. Σύμφωνα μετο τρίτο νόμο του Νεύτωνα, δηλαδή για κάθε δράση υπάρχει ίση και αντίθετη αντίδραση, οπότε αέρας που εξέρχεται από τον κινητήρα με ταχύτητα μεγαλύτερη απ' αυτή που εισήλθε θα σπρώξει το αεροπλάνο προς τα μπρος. Στους κινητήρες τουρμποφάν η φτερωτή αυξάνει την ταχύτητα του αέρα μέσω συμπίεσης στη ροή αέρα πουδεν περνάει μέσα από τον κινητήρα αυξάνοντας την απόδοση του κινητήρα.[10]
