1900-luku oli ilmailun vuosisata. On vaikea kuvitella toista yhtä merkittävää keksintöä moottorilennon satavuotisessa historiassa kuin suihkumoottorin soveltaminen lentokoneen voimalaitteeksi. Suihkumoottoriajan koittaminen vei koko moottorilentämisen uusille urille. Kuten monet muutkin tekniset edistysaskeleet, kuuluvat myös suihkumoottorin ensiaskeleet kiinteästi toiseen maailmansotaan.


Ajatuksesta moottoriin

Tässä artikkelissa puhutaan suomen kieleen vakiintuneesti suihkumoottoreista. Oikeastaan tästä voimalaiteesta kuulusi käyttää nimitystä kaasuturbiini.

Kaasuturbiinin toimintaperiaatteen esitti n. 2000 vuotta sitten Aleksandriassa elänyt keksijä Heron.

Aivan kuten monen muunkin keksinnön kohdalla syntyi myös ajatus käyttää kaasuturbiinia lentokoneen voimalaitteena monessa paikkaa lähes samaan aikaan. Lentokonetta eteenpäin kuljettavaan suihkumoottoriin johtavassa kehityksessä on kaksi polkua: saksalainen ja brittiläinen.

Suihkumoottorin isänä pidetään yleisesti brittiläistä Sir Frank Whittleä. Whittle esitti ensimmäisen alan patenttinsa vuonna 1930. Armeija ei kuitenkaan kiinnostunut hänen ideoistaan, niinpä moottorin kehittelyä jatkettiin yksityisenä projektina. Vuonna 1936 Whittle perusti yksityisten tukijoiden avustuksella Power Jets -yhtiön.
Ensimmäinen hänen rakentamansa suihkumoottori valmistui 1937. Kehitystyötä jatkettiin, mutta vasta vuonna 1939 Air Ministry kiinnostui suihkumoottorista, ja Whittle sai kaipaamaansa tukea. Ratkaiseva askel otettiin kun Air Ministry tilasi Whittleltä lentokelpoisen moottorin ja Gloster Aircraft Companyltä lentokoneen moottoria varten.

Saksassa suihkumoottorin kehittämiseen vaikutti ratkaisevasti kaksi miestä: Hans von Ohtain ja Ernst Heinkel. Ohtain aloitti tutkimustyön 1930-luvun alussa. Vuoteen 1935 mennessä hän oli rakentanut koemoottorin.

Suuret saksalaiset moottorivalmistajat eivät kuitenkaan osoittaneet kiinnostusta suihkumoottoriin. Niinpä Ohtain kääntyi lentokonevalmistaja Heinkelin puoleen.

Ernst Heinkel oli 1930-luvun puolivälissä kiinnostunut nopeista koneista. Hän näki suihkumoottorin potentiaalin maailman nopeimpien koneiden voimalaitteena, tästä alkoi Ohtainin ja Heinkelin yhteistyö.

Ensimmäinen tämän yhteistyön hedelmistä HS-1 -suihkumoottori valmistui koekäytettäväksi keväällä 1937. Koemoottorista vakuuttuneena Heinkel antoi Ohtainille tehtäväksi suunnitella lentokoneeseen asennettava suihkumoottori. Tämän HS-3 -moottorin rakentaminen käynnistyi vuoden 1938 alussa, samaan aikaan aloitettiin suunnittelemaan He-178 -lentokonetta moottoria varten.

Vuoden 1939 alussa sekä moottori että lentokone olivat valmiit. Pitkien testien jälkeen 27.8.1939 Heinkelin koelentäjä Warsitz vei HE-178:n ensilennolleen. Maailman ensimmäinen lento suihkumoottorin avulla oli suoritettu.


Enkelin käsi

Samalla kun Heinkel oli työskennellyt oman projektinsa parissa olivat muutkin tahot Saksassa kiinnostuneet uudesta voimalaitteesta. Samaan aikaan teollisuuden kanssa oli myös RLM (Reichsluftfahrt Ministerium) alkanut kiinnostua suihkumoottorin kehittämisestä. Vuoden 1939 lopussa RLM tuki kahta suihkumoottorilla varustettavan lentokoneen ja neljän suihkumoottorin suunnittelua. Lentokoneista työn alla olivat Heinkelin He-280 ja Me 262. Moottoreita suunnittelivat Heinkel, BMW ja Junkers.

Heinkel sai oman S-8:n -moottorilla varustetun He-280 -koneen valmiiksi keväällä 1941. Konetta pidettiin lupaavana, ja se osoittautui lentotesteissä onnistuneeksi. Moottorin kehittäminen kuitenkin viivästyi ongelmien vuoksi, tästä ja monesta muuta syystä johtuen He-280 ei koskaan päässyt tuotantoon.

Sen sijaan Me 262:n kehitys jatkui. Siihen alun perin suunnitellut BMW -moottorit osoittautuivat epäluotettaviksi. Koneen kehittelyä jatkettiin hetki mäntämoottorin avulla kunnes käyttöön saatiin Junkers Jumo 004 -moottorit. Näillä varustettu Me 262 lensi ensi kerran kesällä 1942. Me 262:n tie laajamittaiseen sarjatuotantoon oli pitkä ja kivinen. Kun sarjatuotanto pääsi todella käyntiin vuoden 1944 lopulla, oli jo liian myöhäistä. Liittoutuneiden ilmaherruus Saksan yläpuolella oli tosiasia.

Me 262 oli kuitenkin ensimmäinen laivuekäytössä tullut suihkumoottorikone. Suihkumoottorin aikakausi oli alkanut.


Tie Gobliniin

Saatuaan Air Ministryltä toimeksiannon rakentaa moottori Glosterin suunnittelemaa konetta varten Sir Frank Whittle ja hänen yhtiönsä aloittivat W.1 -moottorin suunnittelun. Kuten Saksassakin kiinnostuivat myös muut yhtiöt suihkumoottorista. Kesällä 1939 Rolls-Royce liittyi Whittlen rinnalle kehittelemään moottoria. Glosterin valmistama koekone E28/39 valmistui maaliskuussa 1941. Heti kun W.1 -moottori oli asennettu koneeseen, suoritettiin ensilento illalla 15.5.1941. Britit olivat lähes kaksi vuotta saksalaisia jäljessä.

Glosterin kehitystyö johti myöhemmin Gloster Metor -hävittäjään. Se oli ensimmäinen brittien laivuepalvelukseen tullut suihkumoottorikone. Meteor ei ehtinyt osallistua toisen maailmansodan taisteluihin.

Tilanne Britanniassa oli hyvin erilainen kuin Sakassa. Saksassa teollisuus kehitti omia projektejaan juuri jakamatta tietoa muille valmistajille. Britanniassa puolestaan ainoa tutkimustyötä tekevä taho oli Whittlen Power Jets. Britanniassa (ja myös USA:ssa) moottorit pohjautuivatkin 1950-luvun alkuun saakka alkuperäisiin Whittlen suunnitelmiin.

De Havilland oli tutkinut mahdollisuuksia rakentaa oma suihkumoottorikone 1940-luvun alussa. Vuoden 1941 Air Ministry päätti jakaa Whittlen työryhmän tutkimustulokset de Havillandin kanssa. Näin de Havillandin ei tarvitsisi suunnitella omaa moottoria, mihin olisi kulunut kohtuuttomasti aikaa. Ja juuri aikaa uusien moottoreiden ja koneiden kehittelyyn ei sotaa käyvällä maalla ollut. De Havilland jatkoi Whittlen perusmoottorin kehittämistä rinnan Vampiren suunnittelun kanssa. Moottorityypille annettiin (peite)nimi Goblin. D.H.Goblin moottori joka vauhditti Vampiren prototyypin taivaalle 1943 oli noin kaksi kertaa tehokkaampi kuin W.1 -moottori. Goblinin kehitys kulki versioiden Goblin 2 ja 3 kautta Goblin 35:een. Jokainen uusi versio oli edeltäjäänsä tehokkaampi.


Kuinka se toimii?

Suihkumoottorin toimintaperiaate on yksinkertainen. Ilma imetään moottoriin ilmanottokanavaa pitkin. Ensimmäisenä ilma joutuu ahtimeen. Ensimmäisen sukupolven suihkumoottoreissa ahdin oli usein keskipakotyyppiä.

Keskipakoahdin siirtää ahtamansa ilman sivulle, kun taas nykyisin yleisesti käytössä olevassa aksiaaliahtimessa ilma siirtyy ahtimen akselin suunnassa. Ahdettu ilma jatkaa ahtimelta polttokammioon. Varsinainen palaaminen tapahtuu polttokammiossa olevissa lieskaputkissa.

Whittle -tyyppisessä moottorissa polttokammiot ovat erilliset ja sijaitsivat moottorin ulkokehällä. Polttokammiossa polttoaine sekoitetaan ilmaan ja seos sytytetään palamaan. Seoksen palamisesta syntyvät palokaasut purkautuvat laajetessaan suurella nopeudella polttokammiosta.

Välittömästi polttokammion takana sijaitsee turbiini. Virratessaan turbiinin läpi palokaasut saavat sen pyörimään, aivan kuten virtaavaa vesi pyörittää vesivoimalaitoksen turbiinia. Ahdin ja turbiini ovat yhdistetty samalle akselille. Turbiini siis pyörittää ahdinta, joka ahtaa lisää ilmaa polttokammioon. Palokaasut jatkavat turbiinilta suihkuputkeen ja purkautuvat suurella nopeudella ja voimalla ulos.

Koska Newtonin kolmannen lain mukaan jokaisella voimalla on saman suuruinen mutta vastakkaissuuntainen vastavoima, vaikuttaa moottoriin (ja siihen kiinnitettyyn lentokoneeseen) ulospurkautuvan suihkun voiman suuruinen työntövoima. Suihkumoottori toimii kärjistäen samoin kuin ilmapallo, joka on puhallettu täyteen ilmaa ja päästetään lentoon jolloin ilma purkautuu vapaasti ulos.

Samaan fysiikan perussääntöön perustuu myös rakettimoottorin toiminta avaruuden tyhjiössä.

Näin toimii perussuihkumoottori. Moderneista moottoreista löytyy useampia ahtimen ja turbiinin yhdistäviä akseleita (ns. N1 ja N2 akselit), ja käytännössä kaikki suihkumoottorit ovat ohivirtaustyyppisiä.


Peikon anatomiaa

Vampire -hävittäjien liittyminen Ilmavoimien riveihin nosti Suomen ilmapuolustuksen uskottavalle tasolle. Vampire ei ollut vain kehittynyt hävittäjäkone, se oli myös iso tekninen edistysaskel Ilmavoimille. Sen de Havilland Goblin (Peikko) moottori oli uutta tekniikkaa Suomessa.

Suomalaisten Vampire -koneiden voimalaitteena oli de Havilland Goblin 35 -suihkumoottori. Goblin 35 oli tehokkaampi versio aikaisemmista Goblin 2 ja 3 -moottoreista. Tehonlisäys oli saatu aikaan lisäämällä moottoriin toinen polttoainepumppu, tehostamalla ilman virtausta ahtimen ja polttokammion välillä, sekä suunnittelemalla polttokammiot uudelleen.

Goblin 35:n pääosat ovat: yksivaiheinen, yksipuolinen keskipakoahdin, 16 polttokammiota, ja yksivaiheinen aksiaaliturbiini. Moottorin sydämen muodostaa pääakseli. Tälle akselille on kiinnitetty ahdin ja turbiini. Ahtimessa on 17 siipeä, ja se on koneistettu yhdestä taotusta kappaleesta. Ahdin kiinnittyy pääakseliin napa-akselin avulla. Itse pääakseli on putki jonka etu- ja takapäässä on laippa ahtimen ja turbiinin kiinnittämiseksi. Turbiini kiinnittyy pääakselin laippaan väliakselin kautta. Turbiinipyörässä on 83 ”kuusipuu” liitoksella kiinnitettyä siipeä. Pääakseli on laakeroitu etu- ja takapäästä kuulalaakerein.

Suurimman osan moottorin runkoa muodostaa ahdinkammio. Se jakautuu neljään osaan: etuahdinkammioon, hajotinkammioon, takakanteen ja tiivistekanteen. Etuahdinkammio muodostaa kaksihaaraisen ilmanottoaukon. Pääakselin etulaakeri kiinnittyy myös etuahdinkammioon. Ahdin sijaitsee etuahdinkammion ja hajotinkammion välissä.

Hajotinkammio muodostuu 16:sta ilmanvirtauskanavasta, joita pitkin ahtimelta tuleva ilma virtaa polttokammioihin. Ahdinkammion takaosan muodostaa takakansi. Takakannelta otetaan kymmenestä paikasta vuodatusilmaa ahtimelta mm. ohjaamon paineistus- ja tuuletusjärjestelmää varten. Pääakselin läpiviennin ympärille takakanteen kiinnittyy tiivistekansi. Tämä kansi muodostaa labyrinttitiivisteen pääakselin ympärille.

Seuraava osa moottorin rungossa on moottorin keskirunko. Keskirunko on kartion muotoinen osa, joka yhdistää ahdinkammion ja turbiinin kaasunkerääjän.

Kaasunkeräjäässä on 16 johdinputkea. Ne johtavat palamiskaasut polttokammioilta turbiinille. Turbiinille virtaavia palokaasuja ohjaa 77 johdesiipeä.

Polttokammiot sijaitsevat ahtimen hajotinkammion ja kaasunkerääjän välissä. Goblin -moottorissa on ns. erilliset polttokammiot. Jokainen polttokammio sisältää lieskaputken ja polttimen. Polttokammiot on yhdistetty toisiinsa, jolloin liekki leviää syttymisen yhteydessä jokaiseen polttokammioon, ja kaikissa kammioissa vallitsee sama paine.

Turbiinin jälkeen palokaasut kerätään kokoon ja johdetaan suihkuputkeen suihkukartion avulla. Moottorin viimeisenä osana on suihkuputken suutin, jonka kautta kaasut purkautuvat ulkoilmaan.


Moottorin apulaitteet (käynnistin, generaattori, alipainepumppu jne.) on kiinnitetty ylä- ja alakäyttökoteloon. Nämä kotelot kiinnittyvät ahdinkammioon moottorin etuosassa. Käyttövoiman nämä laitteet saavat pääakselilta akseleiden ja hammaspyörien kautta.


Ilmavoimat on operoinut menestyksellisesti suihkukoneilla nyt 50 vuotta. Vaikka suihkumoottorit tulivatkin käyttöön Suomessa verrattain myöhään, ei Suomi ole jäänyt kehityksestä jälkeen. Viisi vuosikymmentä kestänyt suihkuaika on yli puolet ilmavoimien 85-vuotisesta historiasta!

kommentit: kahvila@ilmailutoimittajat.fi

ALOITUSSIVULLE