Känn dånet från pulsjetmotorn! Läs handboken! Förstå funktionen!

Alla vet att handböcker är usla. Uselt språk, usla bilder och obegripliga förklaringar. Den som författat handboken till en typisk videobandspelare måste ha varit sinnesförvirrad. Handboken till det tyska V-1-vapnet som inleder den här artikeln är något helt annat! Och resultatet av den så mycket roligare, då Svarthålet Racing från östersundstrakten byggt en modern version och tävlingskör den på is. Längre ned i artikeln redogör de för sina erfarenheter.

Bild: Kristoffer Bång

Flamma stolt mot dunkla skyar,
likt en glimt av sommarens sol
över Sveriges skogar, berg och byar,
över vatten av viol.

Dokumentationen är det som oftast brister i moderna produkter. Usla handböcker eller tunna blad som inte ger någon klarhet i hur apparaten ska användas. Halva eller ibland ¾ av boken går ut på varningar och friskrivningar så att inte mindre vetande ska bränna fingrarna eller avrätta sig själva med motorsågen. Tillkommer sida upp och sida ned om allt som är förbjudet att göra med produkten. Dessutom är handledningen för det mesta skriven på bruten japansvenska av någon underbetald källaröversättare.

Dokumentation när den är som bäst

Utställd V-1 på en bild från den engelsk-amerikanska utredningen Operation Paperclip från 1945. Paperclip organiserades för att de västallierade skulle hinna plocka åt sig så mycket tysk raketteknik och -tekniker som möjligt innan Sovjet hann fram. Werner von Braun var en av dem, som såg till att amerikanerna kom till Månen.

Måhända gjorde tyskarna inte mycket bra under andra världskriget, men skriva handböcker, det kunde de. En kamrat som kommit över en del unika dokument från Nazityskland visar upp ett par klenoder på sin webbplats http://zenza.se/vw/. Han har gått och snokat omkring i den gamla tyska raketstationen Peenemünde och pratat med folk som jobbat där.

Handboken (Geräte-Handbuch = apparathandbok) till V-1-roboten är helt enkelt oslagbar vad gäller klarhet och logik. Allt förklaras, funktion, igångsättning och provning. Tyskarna kallade maskinen för FZG 76 (Flugzeuggerät 76) som kan översättas med flygplansanordning. Handboken börjar med en kort och koncis översikt.

“Das FZG 76 ist ein als freitragender Mitteldecker ausgebildetes unbemanntes Flugzeug, das durch ein Schubrohr angetrieben wird und mit einer selbsttätigen Kurs- und Höhensteurung ausgerüstet ist. Die zum Zielanflug erforderlige Messung der zurückgelegten Flugstrecke erfolgt durch ein Luftlog in Verbindung mit einem elektrischen Zählwerk.”

som betyder

FZG 76 är utformad som ett självbärande midvingat obemannat flygplan som drivs av ett framdrivningsrör och är utrustad med automatisk kurs- och höjdhållning. Mätningen av den tillryggalagda flygsträckan för anflygning mot målet utförs med en luftlogg förbunden med ett elektriskt räkneverk.

Texten innehåller också hänvisningar till var i handboken man kan finna noggrannare beskrivningar av dessa delar. I denna artikel utvidgas dina kunskaper dessutom med Svarthålet Racings erfarenheter av ett praktiskt konstruktionsarbete och bygge.

Översiktsbilden visar FZG från sidan och det vi ska koncentrera oss på i den här artikeln är motorn, det rör som sitter överst på farkosten. Jetmotorer enligt turbinprincipen som vi känner dem idag, var inte praktiskt användbara när FZG konstruerades 1939. Därav beteckningen “Schubrohr” som betyder påknuffsrör.

Först en sprängskiss på motorn (triebwerk = drivdel), mera känd som Argus As 014.

Principen var att man blåste igång pulsjetmotorn med en stor fläkt genom luftintaget (5) och tände den helt vanliga bensinen som sprutades in i brännkammaren genom bränslespridarna (3), med ett tändstift (7). När motorn värmts upp, självantände den och tändstiftet behövdes inte längre. Förbränningen hölls i schack tack vare att brännkammaren var resonant. Det var resonansen som gav upphov till “surrandet” eller kanske hellre “brölet” (se vidare nedan).

Så här fungerar motorns förbränningscykel från det att den startas och tills den är i drift.

Utblåsningsröret (1) är själva brännkammaren där det förgasade bränslet exploderar. För att inte tryckvågen ska flyga ut genom luftintaget finns en backventil (2) (sv. ventilgitter, ty. klappenregister) som är snabb nog att hinna stänga av själva tryckvågen som uppstår inuti (1), varför avgaserna tvingas ut bakåt genom (1) och ger reaktionskraften. Alldeles efter backventilen sitter en diffusor (4) som skyddar backventilen mot explosionerna och förlänger dess livslängd. Detaljerna (6) är enkla infästningar.

Mera i detalj fungerar det så här.

1. Bränsle sprutas in i bakom ventilgittret (2) i riktning mot förbränningsutrymmet.
2. Luft blåses in genom ventilgittret. Svarthålet använder en 6 kW utsugsfläkt för detta.
3. Bränslet och luften blandas och när blandningen uppnått rätt koncentration antänds denna av det pulserande tändstiftet (7) som sitter i förbränningsutrymmet.
4. Ett kraftigt övertryck bildas i förbränningsutrymmet, varpå ventilbladen i ventilgittret stänger. Nu är motorn endast öppen baktill och de brinnande gaserna accelererar ut genom utblåset. Denna acceleration av massa ger, i enlighet med Newtons rörelselagar, upphov till en motsvarande framåtriktad kraft (dragkraft).
5. På grund av gasernas tröghet (de strömmar ju bakåt med hög hastighet), skapas ett undertryck i förbränningsutrymmet. Detta undertryck resulterar i att ny luft sugs in genom ventilgittret i fronten, men med rätt avstämning av pipan vänder även en liten del av de brinnande gaserna i utblåset tillbaks.
6. Den nya luft-bränsleblandningen möter de brinnande gaserna från utblåset i förbränningsutrymmet varpå en ny förbränning tar vid.
7. Nu är motorn igång, och tändstiftet fyller ej längre någon funktion. Repetera från steg 4.

En pulsjetmotor är i grunden en enkel konstruktion, men trots detta kan det vara väldigt krävande att få den att fungera bra. Då man helt förlitar sig på resonans för att hålla motorn igång så kräver detta att motorns proportioner stämmer. Ett längre rör kan t ex göra motorn mera lättstartad och driftsäker (en större andel brinnande gaser vänder tillbaks från utblåset vid varje cykel), men på bekostnad av dragkraften.

Svarthålet har gjort otaliga stationära tester med jetskotern fäst i en lång vajer med en lastcell i änden. Lastcellen är kopplad till en dator som loggar dragkraften under en hel provkörning. Mellan körningarna justerar man bränsletillgång, insugsarea, utblåsrörets längd, experimenterar med konor på utblåset mm.

Det som också försvårat för Svarthålet är motorns storlek. Det är ett ganska stort projekt att åstadkomma en provkörning. Inte minst med tanke på att Svarthålet har som policy att varna alla hushåll i byn om en kommande körning minst tre dagar i förväg, men även logistiskt då man inte kan provköra vid verkstaden, utan måste transportera allt till en gård som ligger lite mer ensligt.

Ventilmatrisen

Nästa bild är en ypperlig tysk perspektivritning av hur backventilen byggs ihop av lösa moduler. Svarthålet Racings moduler ser misstänkt likadana ut (se vidare nedan).

Bränslet sprutas in genom röret 2 till bränslespridarna (3). Tryckluft (ofta med tillsats av acetylen) genom röret 1 används för att förgasa bränslet vid starten eftersom det inte fanns någon fartvind som kunde blåsa igenom backventilen när FZG stod på startrampen.

Den färdiga backventilen byggs ihop som en ventilmatris av omväxlande lister med ventilsäten (5) och lister med fjädrande ventilblad i fjäderstål (6) och det hela fungerar så att luft trycks genom backventilen åt höger i bild, blandas med bränsle i förbränningsutrymmet på bortsidan om ventilen och antänds. Den tryckpuls som bildas, slår igen ventilbladen och förhindrar backströmning genom ventilsätena. När pulsen strömmat ut genom utblåsningsröret öppnar ventilbladen genom fjäderkraft och ny luft kan strömma in i förbränningsutrymmet. Detta kan upprätthållas i ungefär 45 slag i sekunden. Pulsjetmotorns resonansfrekvens är främst beroende på motorns storlek eftersom den fungerar som en öppen orgelpipa.

Svarthålet har helt klart låtit sig inspirera av den tyska konstruktionen men har gjort vissa ändringar för att den ska bli extra servicevänlig. Mellan varje ventilblock (ventilsäte) ligger en laserskuren packning som hjälper till att hålla allt tätt. Svarthålets ventilblad är gjorda ett och ett och byts separat. Man köper dem färdigklippta i mått och trådgnistar sedan urtag för styrstiften, bockar dem, värmebehandlar och efterjusterar vinkeln så att den blir perfekt. Ventilpaketet är utan tvekan den del som krävt mest tid att konstruera och tillverka. Som tur är, har Svarthålet tillgång till både bra konstruktionsprogramvara och CNC-maskiner.

Så här ser backventilen ut i ett foto från Operation Paperclip år 1945. Bilden är tagen genom luftintaget. Bränslerören är de horisontella rören i bilden, som leder fram till de nio bränslespridarna, bakom vilka ventilmatrisen ses. Tryckluftröret är det lite tjockare i mitten.

Så här ser ventilmatrisen ut på brännkammarsidan. Du ser de nio bränslespridarna som står upp ur matrisen.

I Svarthålets motor består spridarna av oljebrännarmunstycken, modell väldigt stora. Totalt sitter 12 munstycken bakom ventilpaketet. Sex vanliga eldrivna bränslepumpar för insprutningsmotorer matar bensin till spridarna.

Navigering mm

FZG nådde en topphastighet på 640 km/t och kunde flyga ungefär 250 km. Därefter hade antingen farkosten skakat sönder eller de 625 litrarna bränsle tagit slut. FZG hade en mycket enkel elektromekanisk autopilot med en magnetisk kompass och en gyrokompass som påverkade sidrodren, och en vägmätare i form av en propeller framtill kopplad till ett räkneverk. När propellern snurrat tillräckligt många varv i fartvinden stängdes motorn av, ett antal bultar i rodermekanismen sprängdes av och FZG dök rakt ned. Pang!

Handboken visar i detalj hur FZG ska transporteras, sättas samman, mekas och repareras och provas och avfyras. Det finns en lista med nödvändiga verktyg och reservdelar, samt alla elscheman och pneumatiska scheman. Perspektivteckningarna är utmärkta, med skuggning och blänk, centrumlinjer och allt.

Så bra dokumentation hittar du inte till dagens apparater. Handbokens 193 sidor med alla sprängskisser och sammansättningsritningar måste ha tagit många manår att färdigställa manuellt under andra världskriget. Som dokumentatör står man bara och gapar inför denna fulländade produkt.

Damma av skoltyskan och se själv på http://www.zenza.se/vw/gh/gh.pdf

På riktigt

Engelsmännen som drabbades av FZG kallade den för buzzbomb – surrbomb – men jag kan försäkra att den inte bara surrar, den dånar så hela kroppen skakar när man står nära.

Speed Weekend on Ice är en tillställning med fortkörning på is som hålls av gruppen Landracing, oftast i februari på en sjö med tillräckligt tjock is. Undertecknad var på Speed Weekend 2016 som hölls vid Årsunda Strandbad vid Storsjön intill staden Årsunda i gävletrakten. Helt bortsett från alla trimmade fyrhjuliga fordon och konventionella turbin-jetmotorer på medar, fanns där också Svarthålet Racings tävlingsteam, komna från Svarthålsbyn och Mattmar.

Svarthålet kallar sitt fordon för Jetskotern och den har stora likheter med en traditionell snöskoter. Motorn är ungefär hälften så stor som den tyska förebilden och låter ungefär likadant. Den har så gott som samma dragkraft som den tyska förebilden. Medelst lastcell och datorloggning har man uppmätt dryga 2300 N dragkraft. Vid sagda tävling 2016 nådde man 232 km/t efter en kilometer på bara några sekunder och en topphastighet på 241 km/t. År 2017 nådde man 246 km/t i toppfart.

Bränsletankarna sitter nedtill på sidorna. Tankarna köptes av en skrothandlare och de har märkningen “Endast för medicinum medicinale”. Under varje tank sitter tre elektriska pumpar (som nämnts tidigare). Man använder hydraulslang för bränslesystemet och allt bränsle passerar fördelningsblocket som sitter framför styret. Bränslemängden regleras på två sätt. Dels med en justerbar retur där man enkelt kan återcirkulera en lagom mängd bränsle till tankarna varpå flödet genom spridarna minskar, samt dels genom att slå till eller från två av de sex pumparna.

Normalt startas motorn med alla sex pumparna. Sedan slår man från eller till två av dem med en knapp på högra handtaget för att få en känsla för om bränslemängden är korrekt. Man kan då göra några snabba justeringar. Samtidigt “pulsar” man pumparna lite till och från, tills motorn går optimalt.

Då pulsjetmotorer i regel kan behöva lite mer bränsle vid hög fart på grund av RAM-jeteffekten så kan man låta motorn gå lite “fett” vid avfärd. Det går att justera lite under färd, men bara under 200 km/t. Sedan blir det för osäkert, så som reglagen sitter placerade idag.

Luftintaget framtill sitter fast med spännen för att det ska kunna demonteras och ge snabb åtkomst till ventilmatrisen. Motorn är riktigt servicevänlig och man kan byta alla 180 ventiler på en timme. Dock har ventilernas hållbarhet överträffat alla förväntningar och man är totalt endast inne på den tredje omgången ventiler.

För detta har man dels ventilernas material (SS 2331-06) att tacka, men även ventilpaketets utformning. Innanför ventilpaketet sitter ett diffuserande anhåll som ventilbladen lägger sig mot när de slår upp. Detta hindrar ventilerna från att slå upp onödigt mycket, men det förbättrar även (teoretiskt sett) flödet lite.

Bild: Svaarthålet Racing.

Efter ventilpaket och anhåll sitter diffusorn (ty. blende) som dels ökar flödeshastigheten lite, men även utgör ett visst värmeskydd mellan förbränningsutrymmet och ventilpaketet.

En titt in i luftintaget avslöjar den svarthålska ventilmatrisen. Svarthålet använder grövre delning än tyskarna. Du ser dessutom att ett antal ventiler är bortstrypta med en plåt framtill då det hade positiv inverkan på dragkraften.

Tändsystemet består av en elektronikenhet som matar en vanlig tändspole för bilmotorer. Denna driver i sin tur ett tändstift, som gnistrar runt 50 pulser per sekund. Ett helt vanligt tändstift av godtycklig modell fungerar visserligen bra, men Svarthålet utnyttjar stift som används för Pro Mod (drag racing) för de har fördelen att inte sota igen så lätt.

När motorn startat kan man stänga av tändningen, men man lämnar den i regel igång tills loppet är fullföljt.

En modul ventilsäte. Känns den igen från Geräte-Handbuch? Precis som den tyska förebilden är den gjord i aluminium.

En av de två bränsletankarna med sina tre bränslepumpar. Även Svarthålet använder helt vanlig bensin för framdriften. Det är högt tryck i bränsleledningarna, nämligen cirka 2 kg/cm². Det behövs för att finfördela bränslet i brännkammaren. Bild: Svarthålet Racing.

Vid Svarthålets depåtält fanns ett bord som man skulle kunna tro är fyllt med allt nyttigt man behöver för att kunna hålla en jetskoter igång, som voltmetrar, batteriladdare, små brickor och muttrar, kaffe och kakor. Och silvertejp. Dolt inne i depån finns emellertid svetsar, slipar, kapar och en hel låda med reservmaterial. Behöver man inte laga sin egen utrustning så är det alltid någon annan på tävlingsområdet som behöver något fixat.

Rekordförsök

När det är dags för fartrekord ställer fordonen upp sig vid trafikfyren och tänder motorerna. Gentlemen, start your engines!

Det är nu brölet börjar. Den orange startfläkten har just blåst igång motorn och en avgasflamma kommer ut baktill. Dånet i bröstet är obeskrivligt härligt. Man ser inte så mycket av mekaniken på grund av den svarta aerodynamiska kåpan. Men om en sekund är farkosten försvunnen bort i horisonten. Att föraren lyckas sitta kvar på sätet är litet av ett mirakel. Förloppet filmades med två kameror på jetskotern: http://svarthaletracing.se/?p=3447

Ljudtrycket är så överväldigande att det brukar lösa ut billarm hundratals meter bort och folk upp till 10 kilometer bort har ibland trott att deras värmepannor kokat. Ett TV-team fick en gång problem med filmkamerorna och datorerna i speakerbåset höll på att ramla i golvet ett år. Under provkörningar hemma på gården har blommor ramlat ur fönstren någon gång och på ett par filmer ser man hur snön ramlar från taket på huset.

Efter loppet plockade man sönder farkosten och tog ut motorn. Du ser hur anlöpt plåten är av de höga temperaturerna. Det inramade området visar ett hål som uppstått i utblåsningsröret på grund av att ett motorfäste lossnade.

Motorn är upphängd i tre punkter. Framtill kan den endast vrida sig kring en horisontell axel, men inte röra sig i längsled. De bakre fästena (ett bakom förbränningsutrymmet och ett nästan längst bak) har varit utformade som “vaggor” för att tillåta motorn att expandera.

Till loppet år 2016 hade man byggt en ny motor som var runt 20 % större än de tidigare och nu räckte inte de bakre fästenas slaglängd till för att ta upp motorns expansion. Detta resulterade i att det mittre fästet slets av, varpå den glödheta motorn började kasta runt inne i chassit och slog sönder sig själv.

Till 2017 års upplaga av Speed Weekend tillverkade man linjära fästen med mässingslagringar som smörjs med grafitfett. De fungerar betydligt bättre. Det sitter en o-ring trädd över glidstången på det bakre fästet för att man ska kunna se hur långt fästet rört sig och det handlar om uppåt 3 cm under en komplett tävlingsomgång!

Bild: Svarhålet Racing.

Svarthålets Linus Nilsson avslutar själv:

– Det höll på att gå snett en gång när motorn sprack. Vi hade förvisso byxor av brandsäkert tyg, men de saknade fodring. Bilden ovan visar hur flamman slagit genom ett motorfäste, värmeskölden, trasat sönder skyddsbyxan och smält MC-byxorna som var inunder. När jag skulle kliva av hade MC-byxorna smält fast i chassit. Efter detta sponsrade en lokal brandstation med riktiga brandmansdräkter med tjockt foder.

Snabbfakta om jetskotern

Tack till

Redaktionen ber att få tacka Svarthålet Racing för värdefull information och bilder till artikeln. På Svarthålets webbsida hittar du väldigt många snygga byggbilder och mycket annat intressant bildmaterial från till exempel Arboga Robotmuseum.

Läs mer

Zenza: http://zenza.se/vw/

Svarthålet Racing: http://svarthaletracing.se/

Svarthålets egen kortfattade beskrivning: http://svarthaletracing.se/?page_id=1807

Om stålet som använts: http://www.kihlsteel.se/Vaermebestaendigt-staal-253-ma.html

Speed Weekend 2016: http://landracing.se/event/speed-weekend-2016/

Årsunda Strandbad: http://www.strandbaden-arsunda.com/

Pulsjetens uppfinnare Paul Schmidt: https://en.wikipedia.org/wiki/Paul_Schmidt_(inventor)

Wikipedia om pulsjet: https://en.wikipedia.org/wiki/Pulsejet