Động cơ phản lực không khí
Lịch sử

Nguyên lý của động cơ phản lực không khí không phải là một khái niệm mới; tuy nhiên phải đến thế kỷ 20 thì những tiến bộ về kỹ thuật mới khiến cho ý tưởng về động cơ phản lực không khí trở thành hiện thực.
Một mô hình thô sơ áp dụng nguyên lý phản lực là aeolipile, được mô tả bởi Hero of Alexandria, thế kỷ thứ nhất sau công nguyên, Ai Cập thuộc La Mã. Thiết bị này dẫn trực tiếp hơi nước qua hai miệng phụt, làm quay quả cầu quanh trục. Đây là một thiết bị lạ thường vào thời điểm đó. Các ví dụ về turbine ta có thể thấy trực tiếp ở bánh xe chạy bằng nước hoặc các cối xay gió.
Lực đẩy phản lực cũng được áp dụng trong việc sử dụng thuốc súng-đốt cháy tạo thành khí đẩy các mũi tên bay về phía kẻ địch, được người Trung Quốc phát minh vào thế kỷ 13. Ban đầu thuốc súng được sử dụng trong việc chế tạo pháo hoa, nhưng đã dần trở thành một thứ vũ khí nguy hiểm. Nguyên lý mà người Trung Quốc áp dụng trong các mũi tên lửa và pháo hoa tương tự như nguyên lý của động cơ phản lực khí hiện nay.
Năm 1551, Taqi ad-Din Muhammad ibn Ma'ruf, người thuộc tỉnh Ai Cập, Đế quốc Ottoman, đã phát minh ra đòn bẩy được dẫn động bằng tuốc bin hơi nước. Đây là một thiết bị sử dụng nguyên lý phản lực thực tiễn đầu tiên, một thiết bị tương tự cũng được mô tả bởi John Wilkins vào năm 1648.
Vào năm 1633, một người lính Ottoman tên là Lagâri Hasan Çelebi đã sử dụng một tên lửa có dạng hình côn.
Nỗ lực đầu tiên trong việc thiết kế động cơ phản lực không khí thực tế là động cơ hybrid, trong đó sử dụng một nguồn năng lượng từ bên ngoài để nén khí, sau đó trộn lẫn khí nén với nhiên liệu và đốt cháy chúng, tạo ra lực đẩy. Động cơ sử dụng trên Caproni Campini N.1, cùng với động cơ phản lực Tsu-11 của Nhật dự định sử dụng trên máy bay kamikaze Yokosuka MXY7 Ohka đều không phát triển thành công.
Ngay trước khi diễn ra chiến tranh thế giới II, các kỹ sư đã nhận thấy giới hạn của máy bay động cơ cánh quạt lúc đó do giới hạn về hiệu suất của cánh quạt, mà theo đó, tốc độ đầu cánh quạt không thể vượt quá tốc độ âm thanh. Để tăng cường hiệu suất của máy bay, cần phải thiết kế một loại động cơ mới. Đây chính là động lực cho sự ra đời của động cơ tuốc bin khí, dạng động cơ phổ biến nhất của động cơ phản lực không khí.
Chìa khóa trong nguyên lý của động cơ phản lực không khí nằm ở tuốc bin, sử dụng chính năng lượng từ động cơ, để làm quay các cánh quạt máy nén khí. Tuốc bin khí không phải là một ý tưởng thiết kế mới: bằng sáng chế về trạm tuốc bin đã được John Barber đưa ra tại Anh vào năm 1791. Tuốc bin khí đầu tiên có khả năng tự duy trì đã được chế tạo vào năm 1903 bởi kỹ sư người Na Uy Ægidius Elling. Các động cơ như vậy không thể đưa vào sản xuất do các vấn đề về độ an toàn, độ tin cậy, trọng lượng, và nhất là hoạt động liên tục.
Bằng sáng chế tuốc bin khí đầu tiên sử dụng cho máy bay được đưa ra vào năm 1921 bởi Maxime Guillaume. Động cơ của ông là loại động cơ tuốc bin phản lực luồng, nhưng không bao giờ được chế tạo, do khoa học công nghệ thời kỳ này không thể chế tạo máy nén khí đạt yêu cầu. Alan Arnold Griffith xuất bản cuốn Lý thuyết khí động học trong thiết kế tuốc bin (An Aerodynamic Theory of Turbine Design) vào năm 1926, dẫn đến các thử nghiệm tại Royal Aircraft Establishment.
Năm 1928, học viên trường đào tạo Cranwell không quân Hoàng gia Anh là Frank Whittle đã trình bày ý tưởng về động cơ tuốc bin phản lực với người hướng dẫn của mình. Tháng 10 năm 1929, Whittle đã tiếp tục phát triển thêm ý tưởng của mình. Vào ngày 16 tháng 1 năm 1930, tại Anh, Whittle đã đệ trình bằng sáng chế đầu tiên của mình (được cấp năm 1932). Bằng sáng chế của ông đưa ra là một máy nén hướng tâm hai tầng, cấp khí nén cho một máy nén ly tâm. Máy nén khí hướng trục đã được chế tạo từ ý tưởng đưa ra trong bài thuyết trình của A.A.Griffith vào năm 1926 ("An Aerodynamic Theory of Turbine Design"). Whittle sau đó chỉ tập trung nghiên cứu máy nén khí ly tâm đơn giản. Tuy nhiên thiết kế của Whittle không làm chính phủ Anh quan tâm, và việc phát triển động cơ diễn ra rất chậm chạp.
Vào năm 1935, Hans von Ohain bắt đầu nghiên cứu một thiết kế tương tự tại Đức, cả bộ nén khí và tuốc bin đều nằm trên một trục, đặt đối diện nhau trên cùng một đĩa, nhưng Ohain không biết tới những thiết kế của Whittle. Động cơ của Von Ohain là một động cơ thử nghiệm khác hoàn toàn và chỉ có thể chạy dưới nguồn điện bên ngoài, nhưng ông đã chứng minh được nguyên lý cơ bản của động cơ phản lực. Ohain sau đó được giới thiệu với Ernst Heinkel, một trong những nhà chế tạo máy bay lớn nhất tại Đức để thực hiện ý tưởng của von Ohain. Heinkel sau đó đã mua lại công ty động cơ Hirth, và Ohain cùng với Max Hahn-một thợ máy bậc thầy, đã được đưa tới làm việc tại công ty động cơ Hirth. Họ đã chế tạo động cơ ly tâm đầu tiên của mình, động cơ HeS 1, thử nghiệm vào tháng 9 năm 1937. Không giống như thiết kế của Whittle, Ohain sử dụng nhiên liệu là hydrogen, được nạp ở áp suất cao từ bên ngoài. Tiếp sau đó họ đã thiết kế động cơ HeS 3 nhiên liệu xăng, có lực đẩy 5 kN (1.100 lbf), được trang bị trên máy bay He 178, buổi bay thử nghiệm diễn ra bởi phi công thử nghiệm Erich Warsitz sáng sớm ngày 27/8/1939, bay từ Rostock đến sân bay Marienehe. Qua đó đánh dấu chiếc He 178 là chiếc máy bay động cơ tuốc bin phản lực đầu tiên trên thế giới. Heinkel đã nộp đơn xin cấp bằng sáng chế của Hoa Kỳ cho Động cơ máy bay của Hans Joachim Pabst von Ohain vào ngày 31/5/1939; số đăng ký US2256198, với Max Hahn là người phát minh.
Kỹ sư người Áo Anselm Franz làm việc tại bộ phận động cơ của hãng Junkers (Junkers Motoren hay viết tắt là "Jumo") đã phát triển máy nén khí dọc trục sử dụng cho động cơ phản lực. Kết quả là ông đã chế tạo động cơ phản lực Jumo 004. Sau khi các vấn đề kỹ thuật khác được giải quyết, việc sản xuất loạt động cơ này đã được tiến hành từ năm 1944, để sử dụng trên chiếc tiêm kích phản lực đẩu tiên trên thế giới Messerschmitt Me 262 (sau đó nó cũng được trang bị trên máy bay ném bom phản lực đẩu tiên trên thế giới Arado Ar 234). Chiếc Me 262 đã tham chiến quá muộn để cứu vãn tình thế của phát xít Đức, tuy nhiên, đây vẫn là loại động cơ phản lực đầu tiên được đưa vào trang bị.
Trong khi đó, tại Anh, máy bay phản lực Gloster E28/39 thực hiện chuyến bay thử lần đầu vào ngày 15/5/1941, Gloster Meteor được đưa vào trang bị trong Không quân Hoàng gia Anh từ tháng 7 năm 1944. Chúng được trang bị động cơ phản lực của công ty động cơ Power Jets Ltd., do Frank Whittle thành lập.
Sau khi chiến tranh kết thúc, máy bay phản lực và động cơ phản lực của Đức đã được quân Đồng minh nghiên cứu và là nền tảng cho các mẫu máy bay chiến đấu phản lực của Liên Xô và Hoa Kỳ thời kỳ đầu. Tất cả các động cơ phản lực trên máy bay cánh cố định đều dựa trên thiết kế này.
Đến cuối những năm 1950, động cơ phản lực không khí đã được sử dụng trên hầu hết các máy bay chiến đấu, trừ các máy bay vận tải, máy bay liên lạc, và một số kiểu máy bay đặc biệt khác. Cũng trong thời gian này, một số máy bay dân dụng của Anh cũng được thiết kế để sử dụng động cơ phản lực, ví dụ như de Havilland Comet và Avro Canada Jetliner. Vào những năm 1960, tất cả các máy bay dân dụng cỡ lớn đều được trang bị động cơ phản lực, các máy bay động cơ piston chỉ còn dùng để chở hàng.
Hiệu suất sử dụng nhiên liệu của động cơ tuốc bin phản lực luồng lúc đầu còn thấp hơn so với động cơ piston, nhưng vào những năm 1970, với việc phát minh ra động cơ tuốc bin phản lực cánh quạt high-bypass đã giúp cho động cơ phản lực có hiệu suất tiêu thụ nhiên liệu tương đương với các mẫu động cơ piston và động cơ cánh quạt tốt nhất.