Tìm hiểu động cơ phản lực
Động cơ phản lực là một loại hệ thống động cơ đẩy thường được sử dụng trong ngành hàng không và vũ trụ. Nguyên lý cơ bản của nó là hút không khí vào ở phía trước, nén lại, trộn với nhiên liệu và đốt cháy hỗn hợp, sau đó thổi ra phía sau với tốc độ cao để tạo ra lực đẩy. Phương pháp đẩy này cho phép máy bay bay với tốc độ và độ cao cao.
Động cơ phản lực hoạt động như thế nào
Hoạt động của động cơ phản lực có thể được trình bày theo bốn giai đoạn chính: nạp, nén, đốt và xả.
- Cửa nạp : Không khí đi vào động cơ thông qua cửa nạp và được dẫn đến máy nén. Cửa hút được thiết kế để đảm bảo luồng không khí đi vào máy nén một cách trơn tru.
- Nén : Không khí sau đó được nén bởi một loạt quạt bên trong máy nén. Quá trình này làm tăng áp suất và nhiệt độ của không khí. Tỷ số nén, là tỷ số giữa áp suất thoát của máy nén và áp suất đầu vào, là thước đo hiệu suất chính của động cơ phản lực. Theo thuật ngữ toán học, tỷ số nén ( \(CR\) ) được định nghĩa là \(CR = \frac{P {exit}}{P {inlet}}\) trong đó \(P {exit}\) là áp suất tại lối ra của máy nén và \(P{inlet}\) là áp suất ở đầu vào máy nén.
- Đốt cháy : Không khí áp suất cao sau đó được trộn với nhiên liệu (thường là dầu hỏa hàng không) trong buồng đốt. Hỗn hợp được đốt cháy, khiến nó cháy và nở ra nhanh chóng. Quá trình này làm tăng đáng kể nhiệt độ và thể tích của không khí.
- Khí thải : Khí nóng, áp suất cao sau đó thoát ra qua tuabin và vòi phun ở cuối động cơ. Khi khí thoát ra khỏi động cơ, chúng tạo ra một luồng khí thải đẩy động cơ (và máy bay) về phía trước. Nguyên lý giải thích chuyển động về phía trước này là định luật chuyển động thứ ba của Newton, trong đó phát biểu rằng đối với mọi hành động đều có một phản lực bằng nhau và ngược chiều.
Các loại động cơ phản lực
Có một số loại động cơ phản lực, mỗi loại được thiết kế cho các ứng dụng và yêu cầu hiệu suất cụ thể.
- Động cơ phản lực : Dạng đơn giản nhất của động cơ phản lực, trong đó tất cả không khí đi qua lõi động cơ. Động cơ phản lực là loại động cơ phản lực đầu tiên được phát triển và được biết đến với tốc độ cao và hiệu quả ở độ cao lớn.
- Động cơ Turbofan : Những động cơ này có một quạt lớn ở phía trước, giúp tăng lượng không khí đi qua động cơ lõi. Điều này làm cho động cơ phản lực cánh quạt chạy êm hơn và tiết kiệm nhiên liệu hơn động cơ phản lực, đặc biệt ở tốc độ và độ cao thấp hơn. Tỷ lệ không khí đi qua lõi động cơ so với không khí đi qua lõi được gọi là tỷ lệ bỏ qua.
- Động cơ cánh quạt : Kết hợp động cơ phản lực với cánh quạt. Những động cơ này hoạt động hiệu quả ở tốc độ thấp hơn và thường được sử dụng trên các máy bay khu vực nhỏ hơn.
Nguyên tắc hoạt động
Hoạt động của động cơ phản lực có thể được hiểu rõ hơn thông qua nguyên lý bảo toàn động lượng. Lực đẩy được tạo ra bởi động cơ phản lực, \(T\) , có thể được tính gần đúng bằng phương trình \(T = \dot{m}(v {e} - v {0}) + A {e}(p {e} - p_{0})\) ở đâu
- \(\dot{m}\) là tốc độ dòng khối của không khí,
- \(v_{e}\) là vận tốc của khí thải,
- \(v_{0}\) là vận tốc của máy bay (hoặc vận tốc ban đầu của không khí),
- \(A_{e}\) là diện tích vòi xả,
- \(p_{e}\) là áp suất của khí thải, và
- \(p_{0}\) là áp suất xung quanh.
Công thức này nêu bật tầm quan trọng của vận tốc khí thải (
\(v {e}\) ) trong việc tạo ra lực đẩy. Vận tốc khí thải càng cao so với vận tốc máy bay (
\(v{0}\) ), lực đẩy tạo ra càng lớn.
Hiệu quả và Hiệu suất
Hiệu suất của động cơ phản lực rất quan trọng đối với hiệu suất và tác động môi trường của nó. Hiệu suất có thể được đo lường theo nhiều cách, bao gồm hiệu suất nhiên liệu, hiệu suất nhiệt và hiệu suất đẩy.
- Hiệu suất nhiên liệu : Được biểu thị bằng lực đẩy được tạo ra trên một đơn vị nhiên liệu tiêu thụ. Những cải tiến trong thiết kế động cơ, chẳng hạn như tỷ số nén cao hơn và vật liệu tiên tiến, đã làm tăng hiệu quả sử dụng nhiên liệu của động cơ phản lực hiện đại.
- Hiệu suất nhiệt : Liên quan đến hiệu quả chuyển đổi năng lượng nhiên liệu thành năng lượng cơ học của động cơ. Nó được xác định bởi nhiệt độ tối đa mà động cơ có thể đạt được trong quá trình đốt cháy.
- Hiệu suất đẩy : Điều này đo lường mức độ hiệu quả của động cơ sử dụng năng lượng được tạo ra để đẩy máy bay. Động cơ có tỷ lệ bỏ qua cao hơn, chẳng hạn như động cơ phản lực cánh quạt, có xu hướng có hiệu suất đẩy cao hơn.
Những thách thức và đổi mới
Công nghệ động cơ phản lực liên tục phải đối mặt với những thách thức như giảm tiếng ồn, cải thiện hiệu suất sử dụng nhiên liệu và giảm lượng khí thải. Những đổi mới giải quyết những thách thức này bao gồm việc phát triển động cơ có tỷ lệ bỏ qua cao hơn, sử dụng vật liệu composite để giảm trọng lượng và nghiên cứu nhiên liệu thay thế.
Khi công nghệ động cơ phản lực tiếp tục phát triển, nó hứa hẹn mang lại một ngành hàng không hiệu quả hơn, yên tĩnh hơn và thân thiện với môi trường hơn. Hiểu các nguyên tắc cơ bản chi phối hoạt động của nó là điều cần thiết để đánh giá cao những tiến bộ trong công nghệ hàng không vũ trụ.
