Zgorevalna komora je prostor, kjer se gorivo in stisnjeni zrak zmešata in zgorita. Proces poteka kontinuirano, pri tem pa se iz kemične energije, ki je shranjena v gorivu, pridobiva kinetična energija. Nadzorovana eksplozija zmesi goriva in zraka zagotavlja vso potrebno energijo za pogon kompresorja, pomožnih pogonskih enot ter potisk letala. Pri turboreakcijskih in turboventilatorskih motorjih se približno 75 % sproščene energije porabi za pogon kompresorja in pomožnih pogonskih enot, ostalo pa za potisk letala (curek zraka). Pri turbovijačnih in turbogrednih motorjih pa se večina pridobljene energije porabi za pogon kompresorja in pomožnih pogonskih enot. Hitrost izpušnih plinov bistveno ne vpliva na potisk letala.

Zgorevalna komora je zgrajena tako, da omogoča čim boljše mešanje zraka in goriva ter s tem čim boljše zgorevanje (čim nižje emisije). Kerozin najbolj učinkovito zgoreva pri razmerju 15:1 v korist zraka. Celotno razmerje zrak/gorivo v motorju pa je med 150-200:1. To pomeni, da je presežek zraka večji od 10. In ta presežek se porabi za različne namene (hlajenje, dodatno zgorevanje …).

Zgorevalna komora je razdeljena na primarni in sekundarni del. Še preden se komprimiran zrak vodi v zgorevalno komoro, se razdeli na dva dela. Primarni del zraka (približno 15-20 %) se vodi v neposredno bližino gorivnih šob, kjer se zavrtinči in zmeša z gorivom ter zgori. Sekundarni tok zraka se ponovno razdeli na dva dela. Do 10 % se porabi za dokončanje zgorevalnega procesa, ostali zrak pa za hlajenje ohišja zgorevalne komore ter nenazadnje za hlajenje produktov zgorevanja, ki morajo - preden dosežejo turbinske lopatice - izgubiti nekaj temperature. Kaj lahko bi se namreč zgodilo, da bi bila temperatura po zgorevanju previsoka, s tem pa bi lahko prevroči plini deformirali turbinske lopatice. V najslabšem primeru bi to lahko privedlo do poškodbe turbinskega dela motorja in končno fizične poškodbe motorja. Zgorevalna komora mora zagotavljati kontinuiran, stabilen in temperaturno enakomeren masni pretok plinov na turbinski del motorja.

Ločimo več vrst zgorevalnih komor. V zgodnje turbinske motorje so vgrajevali sodčkaste zgorevalne komore, ki so bile razporejene po obodu jedra motorja. Vsaka zase je bila samostojna, skupaj pa so predstavljale celoto. Na zadnjem delu komor je oblikovan poseben prostor, ki naprej zagotavlja enakomeren dotok plinov na turbinske lopatice. Kasneje so razvili komore obročaste oblike, ki so danes najbolj razširjene. Dva obroča drug v drugem sta postavljena okrog jedra motorja. Zgorevanje se dogaja v vmesnem prostoru, tudi tu pa so produkti zgorevanja vodeni na turbinski del. Sčasoma se je pojavila kombinacija obeh komor ter komora z nasprotnim tokom zraka. Slednje delujejo na povsem enakem načelu kot prej opisane, le da je tok zraka v komoro speljan po posebnem sistemu cevi. Zgorevalna komora je v tem primeru postavljena okrog turbine v nasprotni smeri letenja. Zrak iz kompresorja mora, preden pride do turbine, dvakrat spremeniti smer za 180°, enkrat pred komoro in enkrat za njo. Takšni motorji (npr. JT-15, PT6, Garrett TPE311) so precej krajši in lažji, njihov izkoristek pa je zaradi trenja ob spremembi smeri toka zraka manjši.

Zgorevalne komore so zgrajene iz materialov, ki dobro prenašajo visoke temperature in so nekorozivni. Materiali morajo vzdržati velike vibracije, ki jih povzroča motor. Zgorevalne komore gradijo iz nikljevih zlitin, v prihodnje pa jih bodo najverjetneje nadomestili keramični kompozitni materiali.

Pomemben del zgorevalne komore je tudi sistem za vžig.

Ločimo centrifugalne in aksialne kompresorje. Oboji so konstruirani tako, da stiskajo zrak. Zraku se med kompresijo zmanjšuje volumen in povečuje temperatura. Pri izstopu iz kompresorja ima zrak torej povečano notranjo energijo.

Tako centrifugalne kot aksialne kompresorje je zaradi velikih mas, ki se vrtijo z visokimi vrtilnimi frekvencami, pred zagonom motorja treba uravnotežiti. Vsaka ekscentričnost kompresorja bi lahko povzročila fizične poškodbe celotnega motorja.

Centrifugalni kompresor

Centrifugalni kompresor je sestavljen iz treh glavnih delov: rotorskega diska (impelerja), na katerem so kompresorske lopatice, statorskega dela (difuzorja), ki je hkrati tudi zunanji del kompresorja, ter razdelilnika, prek katerega stisnjeni zrak preide v zgorevalno komoro.



Impeler in difuzor skupaj predstavljata kompresorsko stopnjo. Motor ima lahko vgrajenih več zaporednih centrifugalnih kompresorskih stopenj. Danes se najbolj množično uporabljajo enostopenjski in dvojni enostopenjski kompresorji v različnih kombinacijah. Centrifugalni kompresor deluje tako, da zrak, ki vstopa v kompresor blizu središča vrtenja kompresorja, pospešuje proti njegovi zunanjosti. Zaradi velike vrtilne frekvence in oblike rotorskih lopatic zrak pridobi veliko hitrost. Difuzor, ki ta zrak ustavlja, poskrbi, da se njegova hitrost zmanjša, hkrati pa mu poveča statični tlak. Centrifugalni kompresorji lahko z eno stopnjo dosežejo kompresijsko razmerje do 5:1, z uporabo sodobnih materialov, ki omogočajo večje vrtilne frekvence (večja centrifugalna obremenitev lopatic), pa to razmerje doseže tudi večje vrednosti.

Aksialni kompresor

V aksialnem kompresorju teče zrak v aksialni smeri skozi serijo rotorskih in statorskih lopatic. Par rotorskih in statorskih lopatic imenujemo kompresorska stopnja. Več kompresorskih stopenj predstavlja serijo. Reakcijski motorji imajo eno ali več vreten, ki so med seboj ločena. V tem primeru govorimo o eno-, dvo- ali trivretenskih turbinskih motorjih (single, dual oziroma three spool turbojet).

Več vreten omogoča boljši izkoristek kompresorja. Hitrost komprimiranega zraka se namreč v aksialni smeri rahlo zmanjšuje, to pa lahko privede do dušenja kompresorja in nenazadnje do fizičnih poškodb. To bi se lahko zgodilo, kadar motor obratuje pri nižjih obremenitvah, kot so tiste, za katere je bil skonstruiran. Temu se izognemo z dvo- ali trivretenskim turbinskim motorjem. Vrtilna frekvenca posameznih kompresorskih serij je različna in zrak zato lahko nedušeno prehaja naprej. V trivretenskem turbinskem motorju se hitrost visokotlačne turbine (N3) krmili z dotokom goriva. Ostali dve turbini (N1 in N2) se vrtita s trenutnima najboljšima hitrostma. Težave z dušenjem kompresorja se lahko rešujejo tudi s spremenljivim kotom statorskih lopatic ter z izpustnim ventilom, ki odvečnemu zraku omogoča pretok v atmosfero.

Prečni prerez aksialnega kompresorja pokaže, da se pretočni kanal zmanjšuje v smeri toka zraka. Kompresorske lopatice so zato z vsako kompresorsko stopnjo krajše. Zrak skozi kompresorske serije pridobiva notranjo energijo – zmanjšuje se mu volumen ter povečujeta tlak in temperatura. Prirastek tlaka v kompresorski stopnji je od 10-30 odstotkov. Da bi dosegli razmerje 5:1, ki ga zmore centrifugalni kompresor z eno stopnjo, tako potrebujemo od 5 do 8 aksialnih kompresorskih stopenj. Prav zaradi tega so aksialni kompresorji mnogo daljši in kompleksnejši za izgradnjo. Njihov čelni presek je manjši, kar zmanjšuje upor letala. Hkrati so mnogo občutljivejši na poškodbe, njihovo vzdrževanje pa je mnogo dražje. Njihova prednost je omogočanje visokih tlačnih razmerij, ki dosežejo vrednosti 30:1 in več ter relativno majhen čelni presek.

Kompresorske lopatice se izdelujejo iz materialov, ki prenašajo velike trdnostne, aerodinamične in temperaturne obremenitve, hkrati pa so dovolj lahki. Te lastnosti imajo aluminijeve, magnezijeve, titanove in jeklene zlitine. V nekaterih primerih se uporabljajo tudi kompozitni materiali iz steklenih in ogljikovih vlaken, a le v kompresorskih stopnjah, kjer temperatura zraka še ni previsok.

V turbini se produktom zgorevanja med ekspanzijo zmanjšajo tlak, temperatura in hitrost. Energija, ki se ob tem sprosti, se uporabi za pogon kompresorja (enega, dveh ali treh), pomožnih pogonskih enot ter za neposreden potisk letala. Turbinski sklop je prek gredi neposredno povezan s kompresorskim delom.

Kadar ima motor več stopenj, sta med seboj povezana nizkotlačna turbina in nizkotlačni kompresor ter visokotlačna turbina in visokotlačni kompresor. Stopnja (kompresor-turbina) se vrti z enako vrtilno frekvenco, medtem ko se različni stopnji vrtita pri različnih vrtilnih frekvencah, zaradi česar se izkoristek motorja poveča. Nizkotlačna turbina lahko ob tem poganja še ventilator, prek reduktorja pa tudi vijak. Turbovijačni in turbogredni motorji so skonstruirani tako, da se velika večina sproščene energije iz zgorevalne komore pretvori v delo na gredi. Produkti zgorevanja odtečejo v atmosfero prek izpušne cevi in nimajo omembe vrednega prispevka k potisku plovila.

Ločimo aksialne in centrifugalne turbine, vendar se slednje v letalskih motorjih uporabljajo bolj poredko. Aksialne turbine se razlikujejo po položaju in obliki statorskih in rotorskih lopatic (turbinska stopnja).

Impulzne in reakcijske turbine

Pri impulznih turbinah so statorske lopatice postavljene tako, da tvorijo konvergentni kanal. Zato se produktom zgorevanja v tem območju hitrost poveča, tlak in temperatura pa padeta. Statorske lopatice usmerjajo zrak na rotorske lopatice pod takim kotom, da je izkoristek najboljši – turbina se v tem primeru vrti najhitreje. Rotorske lopatice so postavljene tako, da je hitrost skoznje konstantna, pri čemer tlak in temperatura padata.

Pri reakcijskih turbinah je hitrost zraka skozi statorski del lopatic konstantna. Rotorske lopatice pa so vgrajene tako, da ustvarijo konvergentni kanal. Učinek na stopnji je samo zamenjan, sicer pa je enak kot pri impulznih turbinah. Dejansko so turbinske lopatice konstruirane tako, da imajo na korenu položaj impulzne turbine, na konicah pa položaj reakcijske turbine. Vmes se oblika interpolacijsko spreminja. Podobno kot pri krilu letala, kjer poznamo geometrijsko in aerodinamično zvitje, imajo tudi lopatice za kar najboljši izkoristek energije dotekajočih plinov po dolžini spremenljivo obliko in vpadni kot.

Ob tem so turbinske lopatice podvržene velikim temperaturnim in mehanskim obremenitvam. Temperaturno odpornost lopatic zvišuje kompresorski zrak, ki je hladnejši, v lopatice pa se vpihuje skozi lopatičino notranjost. Ta zrak izhaja iz lopatic skozi majhne luknjice, ki so izvrtane na njihovem prednjem in zadnjem delu. Tako zrak ustvarja zračni film, ki varuje lopatico pred neposrednim stikom z izredno vročimi produkti zgorevanja. Zaradi visokih temperatur se lopatice vseeno deformirajo, materialu pa se spreminja struktura. Po priporočilih standardov naj bi se turbinske lopatice deformirale največ 0,1 % pri obremenitvi 186 kg/cm2 in temperaturi 1380 °F v 300 urah delovanja motorja.

Centrifugalne obremenitve rotorskih lopatic predstavljajo naslednji velik problem. Lopatica, ki ima v statičnem stanju maso 0,09 kg, ima pri 9980 vrtljajih v minuti in 66 cm daleč od osi vrtenja obodno hitrost 350 m/s. Njena teža postane tedaj kar 33.956-krat večja. Zaradi tega se lopatice elastično in plastično deformirajo.

Vse te deformacije morajo ostati v sprejemljivih okvirih, zato morajo biti turbinske lopatice izdelane iz izjemno kakovostnih materialov. Nikljeve zlitine (REX78, Nimonic80, CMSX-4, RR3000 … ) z dodatki kroma, kobalda, molibdena ter drugih elementov, iz katerih so lopatice narejene, jim izboljšujejo mehansko odpornost. Dodani aluminij pa lopaticam povečuje protikorozijsko odpornost, ki je nujna zaradi korozijske agresivnosti produktov zgorevanja. Nove tehnologije omogočajo izdelavo lopatic iz okrepljene keramike, ki so mnogo bolj odporne na vse prej omenjene obremenitve. Keramično prevleko imajo tudi kovinske lopatice, zaradi česar se jim močno poveča temperaturna odpornost. To pomeni tudi možnost večjih obremenitev motorja ter posledično večjo koristno moč.

Sinhronizirana strojnica

 

---

Prešli smo na področje, ki brez dvoma zahteva posebno obravnavo, torej posebno široko razlago tako o razvoju kot posameznih vrstah, tipičnih in različicah. Osnovna delitev današnjega letalskega orožja, če izvzamemo namenske bombnike (teh pa je danes malo in so v oborožitvi le nekaj držav), je na ognjeno in na raketno orožje. Naslednje so potem lahko nevodljive ali vodljive, namenjene ciljem v zraku ali pa na kopnem ter na morski površini.

Ko so se pojavile prve vodljive rakete, so nekateri konstruktorji predvsem z lovskih letal odstranili celo do tedaj nezamenljive mitraljeze in topove. Kasneje so na podlagi izkušenj začeli topove spet vgrajevati v letala, saj naj bi bilo po analitičnih podatkih v izraelsko-arabskih vojnah v šestdesetih in sedemdesetih letih kar 15 % letal v zračnih dvobojih uničeno z letalskimi topovi.

Top je zelo univerzalno orožje, saj lahko uničuje tako cilje v zraku kot na tleh, medtem ko se rakete, namenjene uničevanju ciljev v zraku, precej razlikujejo od raket za uničevanje ciljev na tleh (govorimo o vodljivih raketah). poleg tega imajo za današnje razmere še eno prednost -  topov ni moč elektronsko ali drugače motiti, kot je mogoče vodljive rakete.

Na Zahodu danes prevladuje top M61A1 vulcan kalibra 20 mm, s katerim so opremljeni praktično vsi ameriški lovci in lovski bombniki od F-14 do F-18. Francozi in Britanci se zatekajo h kalibru 30 mm, Nemci pa 27 mm. Ruska letala imajo vgrajena topovska orožja večinoma kalibra 23 mm in 30 mm.

Poudarili smo že, da je uvajanje raketnih orožij, predvsem vodljivih, povzročilo temeljito prevetritev v taktiki uporabe bojnih letal. Ta orožja so se dokazala kot zelo učinkovita, tako navajajo podatke o 60-odstotni učinkovitosti izraelskih vodljivih raket zrak-zrak šafir med arabsko-izraelsko vojno v letu 1973. Še boljši rezultat naj bi dosegli Britanci z vodljivimi raketami zrak-zrak kratkega dosega sidewinder med spopadom za Falklande leta 1982, ko naj bi dosegli skorajda 90 % učinkovitost.

Rakete zrak-zrak, pa tudi zrak-zemlja, delimo glede na dolet in glede na način vodenja. Glede na dolet so kratkega, srednjega in dolgega dosega, glede načina vodenja pa pasivno ali aktivno radarsko vodljive (izstreljene so proti cilju, radar pa se vključi samo v končni, odločilni fazi zaradi lastne zaščite), infrardeče (sledijo toplotnemu viru) ali pa kombinirane.

Rakete zrak-zrak kratkega dosega so namenjene uničevanju ciljev do razdalje 20 km, pomembna pa je seveda tudi najmanjša razdalja, ki je nekaj pod 500 m. Med najbolj razširjene sodijo danes rakete sidewider (res pa jo od uvedbe pred trideset leti nenehno izpopolnjujejo). Francozi so svoje enakovredno orožje začeli razvijati  že pred Američani, rakete R.550 magic so v poosebljeni izvedbi magic 2 še vedno v rabi. Znani sta tudi izraelski raketi zrak-zrak kratkega dosega šafrir in piton. Sovjetska zveza  je v sedemdesetih letih razvila raketo zrak-zrak AA-8 Ńaphidî. Najsodobnejše izvedenke raket tega razreda so danes ASRAAM (izpopolnjene rakete zrak-zrak kratkega dosega).

Med raketami srednjega dosega je znana ameriška serija AIM-7 sparrow, nadalje francoska super matra R.530, britanska verzija sparowa sky flash, potem pa sledi cela paleta sovjetskih (ruskih) raket srednjega dosega AA-6, AA-7 in AA-10. Na Zahodu bodo to področje sčasoma pokrile rakete AMRAAM (izpopolnjene rakete zrak-zrak srednjega dosega). Rakete tega razreda omogočajo napade na cilje v zraku v oddaljenosti med 5 in 50 km.

Med rakete zrak-zrak dolgega dosega sodijo orožja z učinkovitim delovanjem v razdaljah od 50 do 150 km in več. Najbolj znamenita je zagotovo ameriška AIM-54A phoenix, s kakršno so oborožili palubne prestreznike F-14 tomcat. Tudi ruska stran razvija nekaj raket z zelo dolgim dosegom in z velikimi hitrostmi na nabojni-turbo reakcijski pogon (t.i. pulzor).

Bojna letala so zelo učinkovita pri uničevanju kopenskih ciljev, kar so dokazala predvsem v zadnjih letih, ko so predvsem NATO in ZDA izvajali izključno letalske napade kot sredstvo pritiska na določene države. Paleta orožij zrak-zemlja (ali zrak-površina) je danes zaradi tega izjemno pestra. Vanjo sodijo nevodljivi raketni izstrelki in vodljivi raketni izstrelki, pa tudi pametne bombe, na primer natančno vodljive laserske bombe. Nasploh je v zadnjem desetletju v ospredju razvoj prav v tej smeri: torej k natančnim zadetkom, ki v sodobnih spopadih tako imenovane nizke intenzivnosti ne povzročajo stranskih posledic v neposredni bližini uničenega cilja. Gre za tako imenovane kirurško natančne operacije, te pa zahtevajo izredno natančne zadetke.

Tudi ta orožja, recimo izstrelke zrak-zemlja (ali zrak-površina) lahko delimo na več načinov, po načinu vodenja ali pa po namenu uporabe. Zanimivo je, da imajo nekatere rakete za napade na kopenske cilje lahko tudi različno vodenje, značilen primer je ameriški AGM-65 maverick s TV, IR in elektrooptičnim vodenjem. Potem se te  rakete dalje delijo po namenu uporabe na  npr. protiladijske, protiradarske, protioklepne ipd. To pa so že precej ozka področja nalog.

Med najučinkovitejša orožja, lansirana z letal, sodijo manevrirne rakete, vendar gre v tem primeru za velika letala, velike nosilce, torej bombnike.

Nekako klasična oborožitev letal so bombe in še dandanes uporabljajo lovski bombniki (in seveda bombniki) tudi konvencionalne prostopadne bombe. Da bi izboljšali njihovo natančnost, so najprej uvedli inercialno vodljive, potem pa TV, IR in lasersko vodljive bombe. Med najbolj razširjene lasersko vodljive bombe sodi danes ameriška bomba paveway z lasersko samovodljivo napravo.

Naslednja skupina so bombe kasetnice, ki vsebujejo večje število bomb, namenjenih uničevanju različnih ciljev, od žive sile do letaliških stez  in oklepnih vozil.

Naposled sodi v arzenale nekaterih držav še taktično jedrsko orožje, ki ga nosijo letala. Običajno so njihovi nosilci večje letala, na primer bombniki, vendar je tudi nekaj lovskih bombnikov oboroženih bodisi z jedrskimi bombami ali taktičnimi jedrskimi izstrelki.

Sikorsky S-76 se je v preteklosti izkazal kot popularen v razredu civilnih srednjih helikopterjev, saj so jih od leta 1979, ko so jih začeli izdelovati prodali kar 800. Danes v Sikorskem izdelujejo osmo različico osnovnega modela z oznako S-76D.

Helikopter je pridobil certifikat FAA oktobra lani. V kratkem pričakujejo certificiranje tudi v Kanadi, Evropi in na Japonskem. Temu bodo sledile prve dobave kupcem že letošnje poletje. Ciljni kupci so tudi pri seriji D naročniki, ki opravljajo prevoze na naftne ploščadi, VIP, HNMP in SAR. Novosti, ki so jih pripravili za serijo D so plod večletnega sodelovanja z uporabniki, piloti, vzdrževalci in znanja, ki so ga pridobili z razvojem večjega S-92.

Med najbolj opaznimi so močnejši motorji, nove rotorske lopatice, steklen kokpit in sistem za samodejni nadzor delovanja sistemov ter zmanjševanje vibracij.

Nova turbogredna motorja P&W Canada PW210S, ki poganjata S-76D proizvedeta 14% več moči in potrošita 8% manj goriva, kot njuna predhodnika Turbomecina Arries 2S2 na S-76C++.

Rotorske lopatice so izdelane iz kompozitnih materialov in imajo daljšo tetivo – posledično višji vzgon in preoblikovane konice lopatic, ki povzročajo manj hrupa. Prav tako so nekoliko globje lopatice repnega rotorja, ki z novo obliko profila lopatic omogočajo višji vzgon in posledično potrebujejo nižjo vrtilno hitrost. Povzročajo občutno nižji hrup kot lopatice serije C. Zunanji hrup je 86dBA v kabini pa 83dBA. (serija C: 92dBA in 87dBA). Lopatice glavnega in repnega rotorja imajo vgrajen tudi sistem za razledenitev. Ta sistem omogoča letenje v pogojih zaledenitve in je na voljo kot opcija. Certificiranje tega sistema pričakujejo v obdobju 2014-15.

Za pilote najobčutnejša sprememba je steklen kokpit. Starejše serije helikopterjev S-76 niso imele digitalnih inštrumentov. Serija C++ pa ima le nekaj digitalnih inštrumentov, ki jih je izdelal Parker-Gull. V seriji D večino avionike izdeluje Thales. Rocwell Collins dobavlja Pro Line sistem, ki podpira radijsko komunikacijo in navigacijo. Honeywell pa sistem Mark XXI, ki opozarja na bližino terena. Avionka TopDeck omogoča pilotoma enostavno upravljanje s helikopterjem. V sredinski konzoli je vgrajena krogla, ki deluje na principu računalniške miške. Pilot jo vrti in kurzor spravi na želen položaj na LCD zaslonu in potem stisne in s tem potrdi ukaz.

Sistem za samodejni nadzor delovanja sistemov, ki ga je izdelal United Technologies Aerospace Systems sporoča parametre sistemov v nadzorni center, kjer Sikorsky načrtuje vzdrževanje helikopterjev. Sistem je originalno vgrajen na helikopter S-92, kjer so uporabniki več kot podvojili čas med vzdrževanjem določenih komponent in s tem občutno znižali operativne stroške.

Sistem za zmanjševanje vibracij je opcijski in vsebuje do šest generatorjev blažilcev vibracij. Uporabniki se bodo sami odločali kako 'miren' helikopter želijo.

Vir: Aviationweek
Foto: Sikorsky