Động cơ phản lực
Một số điều có thể bạn chưa biết về động cơ phản lực.
Nguyên lý động cơ phản lực
Về lý thuyết, động cơ phản lực là một động cơ sinh ra nhiệt và biến đổi nó thành động năng dựa trên định luật 3 của Newton. Nội dung của định luật 3 Newton là
khi một vật tác động lên một vật thứ hai khác, thì vật bị tác động sẽ tác động lại vật thứ nhất một lực có cùng cường độ và ngược chiều về phía vật thứ nhất
Lịch sử ra đời
Trước khi động cơ phản lực ra đời thì động cơ piston cánh quạt là loại động cơ máy bay phổ biến nhất và cũng có thể coi là duy nhất. Nhưng sau đó, khi thực hiện những chuyến bay ở động cao khoảng 30,000ft (10,000 mét) thì hiệu suất của những động cơ piston này hoạt động không hiệu quả. Bởi vì khi ở độ cao này, không khí rất loãng động cơ piston không thể nạp đủ lượng oxi để đốt cháy nhiên liệu hiệu quả. Bên cạnh đó động cơ piston cánh quạt không thể tạo đủ lực đẩy để đưa máy bay bay đủ nhanh để tạo đủ lực nâng với mức không khí loãng ở đọ cao này.
Một hạn chế khác của động cơ cánh quạt là khi vòng quay của cánh quạt đạt với vận tốc âm thanh thì chuyển động của dòng khí xung quanh cánh quạt gần như không còn đủ lực đẩy để đẩy máy bay nhanh hơn.
Vì những vấn đề trên, các kĩ sư phải sử dụng một phương pháp khác để chế tạo được những máy bay có thể bay cao và xa hơn.
Những ý tưởng về động cơ phản lực, hoặc những mô hình về động cơ phản lực đã được nghĩ ra và chế tạo lần đầu vào năm 1910. Chiếc máy bay đầu tiên này sử dụng một động cơ piston đẻ chạy máy nén khí, kết quả không được suôn sẻ lắm. Chiếc máy bay này đã rơi trong lần bay đầu tiên. Trong giai đoạn tiền chiến tranh thế giới thứ 2, người đức đã phát triển một máy báy được trang bị một động cơ phản lực thực thụ là Heinkel He 178. Heinkel He 178 được phát triển từ năm 1936 bởi người được xem cha đẻ của động cơ phản lực là Hans von Ohain. Chiếc máy bay này được thử nghiệm bay lần đầu tiên vào ngày 27 tháng 8 năm 1939, tức là chỉ 3 ngày trước khi chiến tranh thế giới thứ hai bùng nổ. Chiếc máy bay này sử dụng một động cơ tuabine phản lực Heinkel HeS 3 có lực đẩy 4.4Kn, động cơ này giúp chiếc máy bay có thể đạt vận tốc cực đại là 598 km/h. Người Anh và người Mỹ cũng phát triển máy bay trang bị động cơ phản lực sau đó. Máy bay phản lực đầu tiên của người Anh là Gloster E.28/39 được bay thử vào năm 1941, còn máy bay phản lực đầu tiên của người Mỹ là Bell XP-59 được bay lần đầu vào năm 1942. Người Đức đã đi đầu trong lĩnh vực máy bay phản lực này, năm 1944 họ đã đưa vào sử dụng máy bay chiến đấu trang bị động cơ phản lực là Messerschmitt Me 262 với vai trò là máy bay ném bom/trinh sát và tiêm kích/đánh chặn. Chiếc máy bay này được trang bị 2 động cơ phản lực có lực đẩy tới 8,8kN mỗi bên, nó giúp cho máy bay có thể đạt được vận tốc cực đại là 870km/h nhanh hơn bất kì máy bay chiến đấu nào ở thời điểm của nó.
Các biến thể của động cơ phản lực
Động cơ phản lực Turbine
Động cơ phản lực cánh quạt là loại động cơ phản lực chúng ta thường nhìn thấy nhất bởi vì động cơ phản lực cảnh quạt thường được áp dụng cho những máy bay.
Động cơ phản lực turbine thường sẽ có 1 máy nén khí ở trước, mục đích của máy nén khí này là hút một lượng lớn không khí ở ngoài và nén chúng vào một buồng không khí mà sau đó nhiên liệu sẽ được bơm vào đầy và đốt hỗn hợp hoà khí này. Khi không khí cháy sẽ nở ra và trước khi đốt cháy không khí đã được nén ở một mức đặc hơn và sau đó còn được đốt cháy cộng thêm sự giãn nở nhờ sự cháy nên ở giao đoạn này của động cơ nó sẽ tạo ra một luồng áp suất cực lớn ra khoang sau của động cơ
Giai đoạn cuối cùng của động cơ là một turbine, turbine này sẽ giúp chạy máy nén khí ở phía trước của động cơ, cũng như là phát điện cho toàn bộ hệ thống của máy bay. Ở một số động cơ người ta sẽ định hướng luồng áp suất ra ở đây giúp kiểm soát hướng đẩy của động cơ, hệ thống này gọi là Thrust vectoring. Ban đầu Thrust vectoring được phát triển dưới dạng 2D, tức là chỉ điều chỉnh được phương dọc, việc này sẽ giúp cho máy bay có thể thay đổi được góc bay lớn hơn. Bởi khi Thrust vectoring lúc này sẽ bổ trợ lên lực cho elevator wings ở sau.
Thêm nữa, sau này trên một số máy bay chiến đấu. Các kỹ sư đã trang bị thêm 1 tầng nữa đó là After Burner, ở tầng này họ sẽ đốt thêm hoà khí một lần nữa để đảm bảo rằng tận dụng được tối đa lượng oxi từ hoà khí và tăng thêm áp suất đầu ra. Điều này sẽ giúp tăng hiệu suất của động cơ rất đáng kể.
Động cơ phản lực cánh quạt
Nhìn động cơ phản lực cánh quạt trông có vẻ giống những động cơ máy bay piston bình thường. Nhưng về mặt kỹ thuật động cơ phản lực cánh quạt và động cơ piston có nguyên lý hoạt động rất khác nhau.
Thay vì sử dụng nhiên liệu phun vào trong cylinder và đẩy piston ra thì động cơ phản lực cánh quạt dùng một động cơ phản lực tunrbine ở bên trong làm quay cánh quạt bên ngoài. Cánh quạt lớn bên ngoài và luồng khí xả tạo nên lực đẩy chính của động cơ.
Nhưng vì sử dụng cánh quạt để tạo nên lực đẩy chính nên động cơ phản lực cánh quạt cũng gặp vấn đề tương tụ với động cơ piston cánh quạt, đó là động cơ phản lực cánh quạt chỉ hoạt động tốt với tốc độ không khí dưới 450 Mph (725 km/h) và trần bay cũng thấp hơn những máy bay sử dụng loại động cơ phản lực turbine.
Nhưng động cơ phản lực cánh quạt là một bước cải tiến lớn đối với cộng nghệ động cơ máy bay, động cơ phản lực cánh quạt ngày nay được áp dụng rộng rãi không chỉ trong những máy bay cỡ nhỏ có tốc độ thấp mà còn trên những máy bay cỡ lớn có khả năng đạt tới tốc độ cận âm. Chiến máy bay có động cơ phản lực cánh quạt mạnh nhất hiện nay là Airbus A400M với 4 động cơ phản lực cánh quạt có tổng công suất là 15,000hp
Động cơ Pulsejet
Pulsejet có cơ chế hoạt động có thể nói là giống như động cơ hai thì gồm 2 giai đoạn đó là nổ và xả, bên cạnh đó Pulsejet là động cơ phản lực có rất ít hoặc không có bộ phận chuyển động. Pulsejet là một kiểu động cơ phản lực có công suất thấp và cũng rất dễ chế tạo. Bởi vì Pulse có tỉ số nén không khí rất thấp (Pulse không có cơ chế nén khí mà chỉ bơm không khí vào buồng đốt) nên xung lực khi đốt cháy nhiên liệu cũng rất yếu.
Về Pulsejet chúng ta có thể chia thành hai loại chính đó là pulsejet có van và không có van. Loại động cơ Pulsejet có van sẽ có một cơ chế điều chỉ luồng khí sao cho khi không khí đốt cháy thì luồng xung khi đốt cháy nhiên liệu chỉ đi theo một hướng ta phía ống xả của động cơ, và không khí nén sẽ đi vào từ đầu nạp khí của động cơ. Thông thường bộ phận điều chỉ dòng khí này là các van để dòng khi đi theo hướng đã định hình từ trước. Với loại động cơ pulsejet không có van thì không có bộ phận chuyển động cơ khí để điều chỉnh luồng khí mà chỉ loại động cơ này sẽ dùng chính hình dáng động cơ để giúp luồng khí đi đúng hướng.
Ngày nay, động cơ pulse jet đa phần được sử dụng trong những máy bay điều khiển có kích thước nhỏ hoặc những chiếc xe phản lực hoặc thậm chí là máy tạo sương mù.
Động cơ Ramjet
Cũng như nguyên lý nén khí của những động cơ trên. Nhưng ở đây, Ram Jet không làm vậy, nó dùng tốc độ di chuyển không khí bên ngoài để nén khí một cánh tự nhiên mà không cần những tới những cánh quạt. Vì sử dụng lực nén không khí tự nhiên nên Ramjet phải có tốc độ ban đầu rất lớn. Thường thì người ta sẽ dùng động cơ tên lửa nhiên liệu lỏng hoặc rắn để tạo tốc độ ban đầu cho động cơ ramjet. Đôi khi người ta cũng treo một tên lửa ramjet lên một máy bay mẹ. Máy bay này sẽ đem tên lửa ramjet lên một độ cao và ở một tốc độ cao nhất họ sẽ phóng Ramjet đi.
Ramjet ngày nay được áp dụng rất nhiều trong những tên lửa hành trình hoặc những tên lửa đối không tầm xa. Thường thì những tên lửa sử dụng ramjet ở tầng thứ 2 trở lên của tên lửa. Bởi vì Ramjet cần một tốc độ không khí lớn mới có thể khởi động. Đối với máy bay thì Ramjet vẫn chưa được sử dụng rộng rãi, chiếc may bay nổi tiếng nhất được trang bị loại động cơ này là SR-71 Blackbird của không quân Mỹ, nó có thể đạt tới tốc độ 3,529 km/h (Mach 3.2).
Động cơ Scramjet
Scamjet (supersonic combustion ramjet) cũng tương tự như Ramjet nhưng tỉ lệ nén của Scamjet lớn hơn. Scamjet thường có tốc độ cao hơn Ramjet nhưng yêu cầu tốc độ ban đầu rất lớn để có thẻ tạo được tỉ lệ nén không khí lớn như vậy.
Động cơ nhiên liệu lỏng
Khác với tất cả loại động cơ trên, động cơ nhiên liệu lỏng không cần phải hút không khí từ bên ngoài để đốt cháy nhiên liệu. Động cơ nhiên liệu lỏng sử dụng oxi hoá lỏng ở nhiệt độ cực thấp để tạo điều kiện đốt cháy nhiên liệu. Vì không có cơ hết air intake nên động cơ nhiên liệu lỏng có thể hoạt động được trong môi trường chân không. Cơ chế hoạt động của động cơ động cơ nhiên liệu lỏng khá đơn giản, động cơ nhiên liệu lỏng sẽ trộn hỗn hợp gồm oxi và hidro với một tỉ lệ phù hợp để tạo nên hiệu suất đốt cháy lớn nhất. Hồn hợp nhiên liệu này khi cháy sẽ tạo nên 1 lực đẩy cực mạnh qua ống xả của động cơ. Bên cạnh đó, động cơ cũng tận dụng nhiệt độ của ống xả để làm quay turbine để cấp điện cho máy bơm nhiên liệu và các thiết bị khác.
Nguyên lý hoạt động của đông cơ nhiên liệu lỏng nghe có vẻ đơn giản, nhưng quá trình nạp và bảo quản nhiên liệu vô cũng khó khăn bởi để bảo quản oxi lỏng và hidro lỏng vô cùng khó khăn với khả năng trang bị số lượng thiết bị có giới hạn trên những tên lửa. Một số động cơ nhiên liệu lỏng có thể trang bị nhiều hơn 2 loại nhiên liệu là oxi lỏng và hidro lỏng, các kỹ sư còn có thể mang thêm một loại nhiên thứ 3 hoặc thậm chí là thứ 4. Một số loại động cơ nhiên liệu lỏng khác chỉ trang bị một loại nhiên liệu.
Động cơ nhiên liệu lỏng bây giờ được sử dụng trong các tàu vũ trụ không gian, bởi vì động cơ nhiên liệu lỏng hoạt động rất tốt trong môi trường chân không của không gian.
Động cơ nhiên liệu rắn
Động cơ nhiên liệu rắn là loại động cơ nhiên liệu/chất oxi hoá ở thể rắn.
