Γιατί οι ουρές κάποιων μαχητικών αεροπλάνων αναπνέουν φωτιά;

Μερικά μαχητικά αεροσκάφη έχουν μετακαυστήρα που αναμιγνύει καύσιμο στα καυσαέρια. Αυτό τους δίνει επιπλέον ώθηση, η οποία είναι χρήσιμη για υπερηχητικές πτήσεις.

Οι εναέριες δυνάμεις μιας χώρας δεν είναι μόνο οργανισμοί που λειτουργούν καλά, αλλά και καλά διατίθενται στο εμπόριο. Για αρχή, δεν λείπουν ταινίες με σεκάνς που δαγκώνουν τα νύχια που περιλαμβάνουν πολύ ισχυρά αεροσκάφη. Στη συνέχεια, υπάρχουν αεροπορικές εκθέσεις και εκθέσεις που χρηματοδοτούνται από κυβερνητικά όργανα. Τέτοιες εκδηλώσεις επιδιώκουν να εκπαιδεύσουν τους ανθρώπους και να ενισχύσουν την πίστη τους στις ένοπλες δυνάμεις. Ένα οπτικό που με έχει ιντριγκάρει ατελείωτα είναι η ουρά που αναπνέει φωτιά κάποιων μαχητών. Γιατί οι ουρές ορισμένων μαχητικών αεροσκαφών λάμπουν πορτοκαλί;

Ο μετακαυστήρας έχει ως αποτέλεσμα μια μακριά, φλεγόμενη ουρά που προέρχεται από την εξάτμιση του αεροσκάφους (Φωτογραφία:Maciej Kopaniecki/Shutterstock)

Γιατί οι ουρές ορισμένων μαχητικών αεροπλάνων αναπνέουν φωτιά;

Η πορτοκαλί λάμψη που φαίνεται στο άκρο της ουράς ορισμένων μαχητικών αεροπλάνων οφείλεται στον μετακαυστήρα. Οι μετακαυστήρες είναι συσκευές που καίνε επιπλέον καύσιμο στην εξάτμιση του κινητήρα αεριωθούμενου αεροσκάφους. Αυτό δημιουργεί την πρόσθετη ώθηση που απαιτείται για ένα αεροσκάφος να φτάσει σε υπερηχητικές ταχύτητες.

Γιατί χρειαζόμαστε afterburners;

Τα αεροσκάφη προωθούνται από την ώθηση που δημιουργείται από τους κινητήρες αεριωθουμένων. Για τα αεροσκάφη να αλλάζουν γρήγορα υψόμετρα ή να επιτυγχάνουν υπερηχητικές ταχύτητες, αυτή η δύναμη ώθησης από μόνη της μπορεί να είναι ανεπαρκής. Θεωρητικά, ένας κινητήρας μεγαλύτερος από τον κανονικό μπορεί να ξεπεράσει αυτό το πρόβλημα. Πρακτικά, ένας μεγαλύτερος κινητήρας σημαίνει περισσότερο βάρος, λιγότερο ευέλικτο λόγω της μεγαλύτερης περιοχής ανεμιστήρα και μεγαλύτερη κατανάλωση καυσίμου.

Η λύση;

Πρόσθετη ώθηση από τον υπάρχοντα κινητήρα.

Για να γίνει αυτό, οι κινητήρες είναι εξοπλισμένοι με μετακαυστήρες για να παρέχουν αυτήν την επιπλέον ώθηση, χωρίς να αυξάνεται σημαντικά το προφίλ του κινητήρα.

Ο μετακαυστήρας είναι το εμφανώς εκτεταμένο τμήμα του κινητήρα ενός μαχητικού αεροσκάφους. (Φωτογραφία:Ryan Fletcher/Shutterstock

Πριν βουτήξουμε στη λειτουργία των μετακαυστών, είναι χρήσιμο να κατανοήσουμε τη λειτουργία των κινητήρων αεριωθουμένων και πώς τοποθετούνται οι μετακαυστήρες.

Λειτουργία κινητήρων αεροσκαφών

Τα αεροσκάφη βασίζονται κυρίως σε κινητήρες αεριωθουμένων για τη δημιουργία ώθησης. Ένας κινητήρας αεροσκάφους αποτελείται από τέσσερα στάδια. Στην αρχή, ένας ανεμιστήρας εισπνέει αέρα στον κινητήρα. Ο αέρας επιταχύνεται και χωρίζεται σε δύο μέρη. Ένα μέρος αυτού του επιταχυνόμενου αέρα παρακάμπτει τον πυρήνα του κινητήρα μέσω ενός αγωγού. Είναι υπεύθυνο για τη διατήρηση του κινητήρα κρύο και τη μείωση του θορύβου του κατά τη λειτουργία.

Το άλλο μέρος του αέρα εισέρχεται στον πυρήνα του κινητήρα, όπου ένας συμπιεστής πιέζει αυτόν τον αέρα έως και 40 φορές, καθιστώντας τον εξαιρετικά ενεργειακά πυκνό. Στη συνέχεια ωθείται στον θάλαμο καύσης, όπου αναμιγνύεται με καύσιμο και αναφλέγεται (πηγή).

Τέσσερα στάδια δημιουργίας ώθησης σε κινητήρα αεριωθουμένων (Photo Credit :shaineast/Shutterstock)

Το αποτέλεσμα της ανάφλεξης είναι μια πολύ ζεστή ροή αέρα υψηλής ενέργειας που πιέζει το εξάρτημα του κινητήρα. Σπρώχνει έξω από το θάλαμο καύσης, μετακινώντας έναν στρόβιλο στην έξοδο του. Αυτή η τουρμπίνα συνδέεται με τον ανεμιστήρα και τον συμπιεστή και η κίνηση της τουρμπίνας διατηρεί τη δραστηριότητα του κινητήρα. Καθώς η εξάτμιση βγαίνει από τον στρόβιλο, αναμειγνύεται με την παρακαμπθείσα ροή αέρα και εισέρχεται στο ακροφύσιο εξάτμισης.

Δημιουργεί ώθηση για να προωθήσει το αεροσκάφος προς τα εμπρός. Οι κινητήρες είναι διαθέσιμοι σε διάφορες διαμορφώσεις, όπως turbojets, turboprop, turbofan και turboshaft κινητήρες. Τα αεροσκάφη που έχουν σχεδιαστεί για υπερηχητικές πτήσεις είναι εξοπλισμένα με κινητήρες ramjet και scramjet, οι οποίοι στερούνται εντελώς κινούμενων μερών, όπως συμπιεστές, ανεμιστήρες και τουρμπίνες.

Ο μετακαυστήρας τοποθετείται μετά το ακροφύσιο εξάτμισης του κινητήρα και αποτελείται από έναν ειδικό θάλαμο καύσης και ένα ακροφύσιο μεταβλητού ανοίγματος. (Φωτογραφία:3D-Horse/Shutterstock)

Ένας μετακαυστήρας, όπως υποδηλώνει το όνομα, είναι τοποθετημένος στο άκρο του ακροφυσίου της εξάτμισης ενός κινητήρα αεροσκάφους. Είναι ένα εκτεταμένο τμήμα, εξοπλισμένο με ακροφύσια ψεκασμού και ένα κάλυμμα παράκαμψης για περαιτέρω διχασμό της ροής των καυσαερίων που εισέρχεται σε αυτό. Ενώ κάποιο μέρος της ροής των καυσαερίων καίγεται στον θάλαμο καύσης του, η υπόλοιπη ροή διοχετεύεται για να ψύχεται κατά την έξοδο από τον μετακαυστήρα.

Πώς λειτουργεί ένα afterburner;

Οι κινητήρες αεριωθουμένων είναι γενικά προγραμματισμένοι να λειτουργούν άπαχο, δηλαδή, υπάρχει περισσότερος αέρας στο εύφλεκτο μείγμα αέρα-καυσίμου από ό,τι απαιτείται. Αυτό σημαίνει μεγαλύτερη διαθεσιμότητα αχρησιμοποίητου οξυγόνου στα καυσαέρια που εξέρχονται από το ακροφύσιο του κινητήρα. Αυτό το ζεστό καυσαέριο εισέρχεται στον μετακαυστήρα, όπου ένα μέρος του ψεκάζεται με καύσιμο και αναφλέγεται.

Λειτουργία μετακαυστήρα

Αυτό είναι γνωστό ως μετακαύση ή αναθέρμανση. Το αποτέλεσμα είναι μια απότομη αύξηση της θερμοκρασίας και του όγκου των καυσαερίων που εξέρχονται από τον μετακαυστήρα. Το υπόλοιπο τμήμα της εξάτμισης του κινητήρα διοχετεύεται μέσω ενός καλύμματος κατά μήκος των τοιχωμάτων του μετακαυστήρα. Όπως και ο κινητήρας, αυτή η ροή αέρα αναμιγνύεται με την εξάτμιση του μετακαυστήρα για να διατηρείται ήσυχη και δροσερή. Σε ορισμένους κινητήρες που μπορεί να ζεσταθούν πολύ, ο φρέσκος αέρας παρακάμπτεται απευθείας από τον συμπιεστή, αντί από την εξάτμιση του κινητήρα.

Μεταβλητό ακροφύσιο ανοίγματος του μετακαυστήρα (εμφανίζεται σε φινίρισμα από χάλυβα) (Πιστωτική φωτογραφία :Marinodenisenko/Shutterstock)

Οι μετακαυστήρες είναι εφοδιασμένοι με ένα μεταβλητό ακροφύσιο ανοίγματος που μπορεί να διευρύνεται ή να συστέλλεται, για να φιλοξενεί τον πρόσθετο όγκο των καυσαερίων. Αυτό αποτρέπει την ώθηση αερίων προς τα πίσω στον κύριο κινητήρα, όπου μπορούν να παρεμποδίσουν την κανονική του λειτουργία.

Περιορισμοί ενός afterburner

Αν και οι μετακαυστήρες είναι ένας φανταστικός τρόπος για την επίτευξη πολύ υψηλότερων ταχυτήτων από ό,τι είχε αρχικά σχεδιαστεί, έχουν μερικούς σχεδιαστικούς περιορισμούς.

Αρχικά, οι θερμοκρασίες στο θάλαμο καύσης ενός μετακαυστήρα μπορεί να φτάσουν έως και τους 1700° C. Αυτό περιορίζει σημαντικά το είδος των υλικών που μπορούν να χρησιμοποιηθούν στην κατασκευή του, ενώ παράλληλα μειώνει τη διάρκεια ζωής του.

Η μακριά ουρά της φλόγας από τον μετακαυστήρα δημιουργεί μια αναπόφευκτη θερμική υπογραφή, καθιστώντας το αεροσκάφος εύκολο να εντοπιστεί (Πιστωτική φωτογραφία :Wikimedia Commons)

Ένα άλλο ανεπιθύμητο χαρακτηριστικό των μετακαυστών είναι η φλόγα που μοιάζει με φυσητήρα των καυτών καυσαερίων που προέρχονται από το μεταβλητό ακροφύσιο. Η ισχυρή θερμική υπογραφή μειώνει το πηλίκο stealth του αεροσκάφους, καθιστώντας το ευάλωτο στους εχθρούς.

Οι μετακαυστήρες είναι επίσης διαβόητοι για την αυξημένη κατανάλωση καυσίμου. Λόγω αυτού, οι πιλότοι περιορίζουν τη χρήση μετακαυστών σε συγκεκριμένες καταστάσεις, όπως η είσοδος στην υπερηχητική εμβέλεια, η απόκτηση πλεονεκτήματος μάχης ή η ταχεία άνοδος.

Χρήση μετακαυστήρα

Παρά όλους τους περιορισμούς τους, η εξάρτηση από μετακαυστήρες δύσκολα μπορεί να απαξιωθεί. Στις πτητικές λειτουργίες από αεροπλανοφόρα, οι πιλότοι θα αντλήσουν κάθε ουγγιά ώθησης που μπορούν για να μεταφερθούν στον αέρα στο συντομότερο δυνατό μήκος του διαδρόμου.

Οι μετακαυστήρες διαδραματίζουν κρίσιμο ρόλο σε τέτοιες θαλάσσιες επιχειρήσεις. Σε σενάρια όπου η ταχύτητα είναι ουσιαστικής σημασίας, είναι πολύ χρήσιμο να έχετε επιπλέον διαθέσιμη ώθηση κατά παραγγελία. Συνήθως παρατηρούνται σε καταστάσεις μάχης, οι μετακαυστήρες μπορούν να βοηθήσουν τους πιλότους να αποφύγουν τα εχθρικά αεροσκάφη ή ακόμα και να επιτύχουν υπερηχητική πτήση. Στη λαϊκή κουλτούρα, τα afterburners έχουν απεικονιστεί με ακρίβεια στο Top Gun franchise ταινιών.

Το θρυλικό Concorde είναι ένα από τα λίγα εμπορικά αεροσκάφη εξοπλισμένα με μετακαυστήρες (Φωτογραφία:John Selway/Shutterstock)

Εμπορικά, μετακαυστήρες έχουν παρατηρηθεί μόνο σε λίγα αεροσκάφη, με το υπερηχητικό Concorde να είναι το πιο διάσημο ανάμεσά τους. Δεδομένου ότι τα αεροπλάνα μεταφέρουν περιορισμένη ποσότητα καυσίμου, οι μετακαυστήρες χρησιμοποιούνται μόνο για τη διέλευση του ηχητικού φράγματος. Μετά από αυτό το σημείο, το αεροσκάφος εγκαθίσταται σε «υπερκρουαζιέρα», όπου μπορεί να διατηρήσει την πτήση σε υψηλές ταχύτητες χωρίς τη χρήση μετακαυστήρα.

Σημείωση αποχωρισμού – Ο ρόλος των afterburners στη σύγχρονη πτήση

Οι πρώτοι κινητήρες αεριωθούμενου μετά την καύση δοκιμάστηκαν από Αμερικανούς στις αρχές της δεκαετίας του 1940. Παρόλο που οι σύγχρονοι κινητήρες είναι ικανοί να πραγματοποιούν υπερηχητικές πτήσεις χωρίς αυτούς, οι μετακαυστήρες έχουν κολλήσει ως κρίσιμος εξοπλισμός για περιόδους πίεσης.

Με ανταγωνιστικές τεχνολογίες, όπως η ηλεκτρονική πρόωση, να βρίσκονται ακόμη σε αρχικό στάδιο, θα μπορούσε να περάσει αρκετός καιρός μέχρι να καταργηθούν σταδιακά οι μετακαυστήρες!