Motor – Jetmotorer som inte var det

Kompressorn i en jetmotor drivs normalt av en turbin
men det behöver inte alltid vara så.

En jetmotor i sin enklaste form består av fyra huvuddelar. En kompressor som komprimerar inloppsluften, en brännkammardel där luften blandas med insprutat bränsle och antänds, en gasturbin som drivs av förbränningsgaserna samt slutligen en utloppsdel där motorns dragkraft genereras. Turbindelen i motorn är egentligen ett nödvändigt ont. Dragkraften skulle bli betydligt större utan den, men turbinen måste till för att driva kompressorn.

Det finns dock inget som säger att kompressorn måste drivas just av en gasturbin och i jetmotorns barndom konstruerades ett antal motorer där kompressorn istället drevs av en konventionell kolvmotor. Denna motortyp tycks inte ha något svenskt namn, på engelska brukar den kallas för motorjet, thermojet eller hybrid jet och hybridmotor kan väl vara ett vettigt svenskt namn.

Osannolikt avancerat

Coandas plan från 1910. Världens första jetdrivna flygplan. Foto: Se nedan.

Det första hybridmotordrivna flygplanet konstruerades faktiskt redan 1910 av den rumänske uppfinnaren Henri Coanda. Flygplanet (bild 1) som var nästan osannolikt avancerat för sin tid och till stora delar byggt i metall drevs av en 50 hästkrafters Clerget-motor som via en växellåda drev en kompressor som roterade med 4 000 varv i minuten. Den komprimerade luften gick till två ringformade brännkammare där den blandades med avgaserna från motorn och ytterligare bränsle och antändes. Förbränningsgaserna strömmade sedan ut genom ett antal rör på båda sidor om flygkroppen. Dragkraften var ca 220 kp vilket inte är dåligt baserat på en 50 hästkrafters motor.

En originell bild av N. 1 med bakkroppen bortmonterad och brännarna tända. Foto: Se nedan.

Coanda hade försiktigtvis klätt flygkroppen med stålplåt, men räknade med att förbränningsgaserna snabbt skulle expandera och blandas med den omgivande luften. Vid det första taxiprovet 16 december 1910, visade det sig dock att förbränningsgaserna ”häftade” vid flygkroppen så att Coanda bokstavligt talat fick det mycket hett om öronen. Han blev begripligt nog distraherad och försökte dra av på motoreffekten. Olyckligtvis hade flygplanet under tiden hunnit lyfta varför det stallade och kraschade. Coanda undkom med några mindre blessyrer men kunde inte finansiera fortsatta försök utan fick ägna sig åt att konstruera mera konventionella flygplan åt franska och engelska flygplanstillverkare. Han fortsatte dock att studera varför de heta gaserna följde flygkroppen och blev därmed upptäckare av vad som nu kallas Coandaeffekten.

Sex år

Camproni-Ciampino N. 1 på väg från Milano till Rom 1941. Foto: Se nedan.

Kanske hade flyghistorien sett mycket annorlunda ut om Coanda hade kunnat fullfölja sina försök. Nu tog det tjugo år innan hybridmotorer åter började studeras på allvar. Under 1930-talet togs konceptet upp igen i Italien och Tyskland. I Tyskland utvecklade både Heinkel och BMW testmotorer men när de var färdiga i slutet av 30-talet hade Hans von Ohain redan en ”riktig” jetmotor på provbänksstadiet och det var uppenbart att en ren jetmotor, ehuru tekniskt mera krävande, hade mycket större potential än en hybridmotor.

I Italien hade Secondo Campini arbetat på hybridkonceptet sedan 1931 och tre år senare fick han ett kontrakt från det italienska flygvapnet, Regio Aeronautica, på två flygande prototyper. Själva flygplanet byggdes av Caproni och är därför känt som Caproni-Campini N. 1.

Av någon outgrundlig anledning tog det Caproni sex år att bygga prototyperna som trots detta (eller kanske just därför) var orimligt tunga. En egenhet med Campinis hybridmotor var att den även kunde köras ”kall”, dvs. utan att något bränsle sprutades in efter kompressorn. Då fungerade den alltså som vad som idag skulle kallas en ”ducted fan”.

Utloppsdelen på en modell 22. Foto: Se nedan.

När den första prototypen flögs 28 augusti 1940, visade det sig att toppfarten i så fall blev ca 330 km/h. Med bränsleinsprutningen inkopplad ökade maxfarten till 375 km/h till priset av en fyrdubblad bränsleförbrukning, vilket knappast kan sägas vara särskilt imponerande.

Även i övrigt var prestanda usla, topphöjden var t. ex. 4.000 meter, en höjd som det tog nästan en timme att uppnå!

Detta hindrade dock inte att flygplanet den 28 november 1941 gjorde en propagandaflygning från Milano till Rom varvid det i den fascistiska propagandan utbasunerades som det första jetflygplanet.

Vid den tidpunkten flög visserligen redan mycket bättre ”riktiga” jetflygplan i både Tyskland och England, men det skedde i djup sekretess, så propagandan tycks faktiskt ha gjort ett visst intryck internationellt. Vad som inte nämndes var att trots att avståndet mellan Milano och Rom bara är ca 500 km måste N-1 landa och tanka på vägen. Provflygningarna fortsatte till 1942, men prototyp nummer två flög bara en enda gång.

Prototyp nummer ett hamnade så småningom i skadat skick i Farnborough där engelsmännen var synnerligen oimponerade av den, medan prototyp nummer två finns i ett flygmuseum i Rom.

Caproni hade faktiskt planer på ett jaktplan, Ca.183, som skulle ha dels en kolvmotor med propeller i nosen och dels en mindre kolvmotor som drev en hybridmotor i bakkroppen. Något optimistiskt hoppades man på en toppfart av 740 km/h, men projektet kom aldrig längre än till ritbordet.

Körsbärsblomman

Japanerna utnyttjade också hybridkonceptet fast i ett mycket speciellt sammanhang. I krigets slutskede utvecklade japanerna MXY-7 Ohka (Körsbärsblomman) som väl närmast kan beskrivas som en bemannad sjörobot.

Den fyrcylindriga Hitachi Hatsukaze-motorn som var själva kärnan i Tsu-11. Foto: Se nedan.

Ohka fälldes från ett bombflygplan (oftast en Mitsubishi G4M) och flögs sedan i hög fart i plané mot målet, normalt ett amerikanskt fartyg, som sedan attackerades i ett självmordsanfall.

Den ursprungliga Ohka, Modell 11, hade tre krutraketer i bakkroppen som vardera gav 270 kp dragkraft under 8-10 sekunder vilket gav en räckvidd om ca 35 kilometer efter fällningen. Tyvärr var G4M-planen mycket klumpiga och sårbara med den 2100 kg tunga ”roboten” under buken varför det var angeläget att utveckla en version med längre räckvidd som kunde fällas på säkrare avstånd från målet.

Lösningen blev Ohka Modell 22 som drevs av en Tsu-11, en liten hybridmotor baserad på en Hitachi Hatsukaze motor om 110 hk vilket gav en dragkraft om ca 200 kp och en räckvidd av ca 130 km. Man kan notera att Coanda fick ut större dragkraft med en bara hälften så stark motor 35 år tidigare. Förklaringen var enligt amerikanska prov efter kriget att brännkammaren var så ineffektiv att förbränningen bara gav ett mycket blygsamt dragkraftstillskott. Tsu-11 fuagerade alltså i praktiken som en ”ducted fan”. Bara ca 50 Ohka Modell 22 hann byggas före krigsslutet, och de kom aldrig till insats. Ett exemplar finns bevarat på Smithsonians Flyg- och rymdmuseum i Washington.

Då dansade en klok man

Det mest lyckade hybriddrivna flygplanet var dock sovjetiskt. I början av 1944 utgick ett påbud från Stalin att Sovjetunionen skulle bygga jetjaktplan som de andra stormakterna. Det fanns dock en liten hake, nämligen att Sovjetunionen inte hade några jetmotorer. Men, som Nikita Krustjev skriver i sina memoarer: ”När Stalin sa ‘dansa’ då dansade en klok man”. Det närmaste som fanns till en jetmotor var VK-107A/VRDK. Detta var en sorts hybrid-hybridmotor där 1300 hk drev en normal propeller och 1200 hk via en växellåda gick till en kompressor (bild 6). Två konstruktionsbyråer, Suchoj och Mikojan-Gurevitj, konstruerade varsitt jaktplan baserat på VK-107A-motorn. Suchojs flygplan Su-5 (I-107) var skäligen misslyckat medan MiGs flygplan I-250 nog måste betraktas som det enda någorlunda lyckade hybridflygplan som byggts.

Foto: Se nedan.

Den första prototypen flög 3 mars 1945 och provflygningarna var långtifrån problemfria. Två prototyper havererade, men problemen, främst dålig girstabilitet, löstes snabbt och den enda kvarstående anmärkningen mot planet var att VRDK alltid måste vara tänd vid start eftersom startsträckan annars blev orimligt lång. Prestanda med VRDK var dock imponerande. Toppfarten var 825 km/h på 7.000 meter, tjänstetopphöjden 12.000 m och stigtiden till 5.000 m mindre än 4 minuter. Till och med flygsträckan med VRDK tänd var så pass bra som 900 km. Detta innebär f ö att I-250 är det snabbaste kolvmotordrivna jaktplan som någonsin byggts (rekordet med en konventionell kolvmotor innehas av Republic XP-47J med 811 km/h).

Fullt följdriktigt kom i juni 1945 en order från högsta ort om att bygga 10 I-250 före den 7 november då de skulle visas upp under oktoberrevolutionsparaden över Röda Torget och demonstrera att även Sovjetunionen minsann hade jetplan, i alla fall nästan. MiG lyckades faktiskt att helt för hand och utan produktionsverktyg få nio flygplan klara och att utbilda piloter till dem, men tyvärr var vädret i Moskva inte flygbart den 7 november.

Det kan förresten vara värt att nämna att MiG fick göra om exakt samma manöver året därpå och i liknande hysteriska former bygga 10 exemplar av det första ”riktiga” MiG-jetplanet MiG-9, bara för att än en gång få konstatera av novembervädret i Moskva sällan är lämpligt för flyguppvisningar.

Ögonlock

Anledningen till I-250 (eller MiG-13 som det kallades internt inom MiG) fick så goda prestanda var att VK-107A-motorn var betydligt effektivare och mera genomtänkt än de övriga hybridmotorerna och att flygkroppen var noga anpassad efter motorn. Under normal flygning gick huvuddelen av effekten via propellern och ”jet-delen” kördes som en ”ducted fan” utan bränsleinsprutning. När man ville flyga med maxfart reducerades propellereffekten medan kompressorn varvades upp och bränsleinsprutningen startade. Luften till kolvmotordelen tappades av efter VRDK-kompressorn som därmed också fungerade som turboöverladdare.

Den första prototypen av 1-250. Utloppsdelens ”ögonlock” syns under stabilisatorn. Foto: Se nedan.

Dessutom var utloppsdelen försedd med hydrauliskt omställbara ”ögonlock” vilket gjorde att man kunde få god verkningsgrad både när motorn gick ”kall” och ”varm” (i motsats till Caproni-Ciampino N. 1).

Förutom de 9 ”paradflygplanen” byggdes ytterligare ett fåtal serieflygplan 1946 och inalles 16 I-250 levererades 1947 till ett av Östersjöflottans jaktregementen som var baserat i Skultye nära Riga.

Motorinstallationen i I-250. Luften till kompressorn togs in genom luftkanalen under motorn. Foto: Se nedan.

I-250 blev dock kortlivad. Under tiden hade de första ”riktiga” sovjetiska jetflygplanen MiG-9 och Jak-15 hunnit utvecklas, och även om de var tämligen primitiva och baserade på kopierade tyska jetmotorer så överträffade de ändå prestandamässigt I-250 med god marginal. Redan i maj 1948 togs I-250 ur tjänst.

Sedan 1940-talet har veterligen inga hybridmotordrivna flygplan byggts och det verkar inte troligt att det kommer att ske i framtiden heller. I nutiden inskränker sig användningen till modellflygplan. Skalmodeller av jetflygplan drivs ju ofta av små elektriska fläktmotorer och det finns modifieringssatser som konverterar dessa till hybridmotorer. Dragkraften ökar förvisso en del, men kanske är det lika viktigt för den entusiastiske skalbyggaren att kunna åstadkomma en realistisk ”ebk-flamma”.


Källor:
Artikeln publicerad i TIFF nr 3, 2007, författad av Tommy Tyrberg, Saab Aerotech (här publicerad med tillstånd av TIFF)

– Fotograf ej angivet i originalartikeln.
(TIFF=Teknisk Information För Försvarsmaterieltjänsten)

Uppdaterad: 2008-09-23

Annonser