В науке реактивным движением называют движение тела, возникающее при отделении от него некоторой его части. Что это означает?
Можно привести простые примеры. Представьте себе, что Вы находитесь в лодке посреди озера. Лодка неподвижна. Но вот Вы берете со дна лодки увесистый камень и с силой кидаешь его в воду. Что произойдет тогда? Лодка начнет медленно двигаться. Другой пример. Надуем резиновый шарик, а потом позволим воздуху свободно выходить из него. Сдувающийся шарик полетит в сторону, противоположную той, в которую устремится струя воздуха. Сила действия равна силе противодействия. Вы с силой бросили камень, но та же сила заставила лодку двигаться в противоположную сторону.
На этом законе физики и построен реактивный двигатель. В жаропрочной камере сгорает топливо. Образующийся при сгорании раскаленный расширяющийся газ с силой вырывается из сопла. Но та же сила толкает сам двигатель (вместе с ракетой или самолетом в противоположную сторону). Эта сила называется тягой.
Принцип реактивного движения известен человечеству давно — простые ракеты делали еще древние китайцы. Но вот для того, чтобы в небо поднялись современные самолеты и ракеты, инженерам пришлось решить немало технических задач, и сегодняшние реактивные двигатели являются достаточно сложными устройствами.
Давайте попробуем заглянуть внутрь реактивных двигателей, применяемых в авиации. О двигателях космических ракет поговорим как-нибудь в другой раз.
Итак сегодня реактивные самолеты летают на трех типах двигателей:
Турбореактивный двигатель;
Турбовентиляторный двигатель;
Турбовинтовой двигатель.
Как они устроены и чем отличаются друг от друга? Начнем с самого простого — турбореактивного . Само название этого устройства подсказывает нам ключевое слово — «турбина» . Турбина — это вал, вокруг которого закреплены лопатки — металлические «лепестки» развернутые под углом. Если на турбину вдоль вала направить поток воздуха (или воды, например) она начнет вращаться. Если, наоборот, начать вращать вал турбины, ее лопасти станут гнать вдоль вала поток воздуха или воды.
Горение — это соединение топлива с кислородом, газом, которого в обычном воздухе не так уж много. Точнее, его вполне достаточно, для того, чтобы мы с вами им дышали. Но для «дыхания» камеры сгорания реактивного двигателя кислород слишком сильно растворен в воздухе .
Что надо сделать, чтобы затухший костер вновь разгорелся? Правильно! Подуть на него или помахать над ним, например, листом фанеры. Силой нагнетая воздух, вы «подкармливаете» тлеющие угли кислородом и пламя загорается вновь. То же самое делает турбина в турбореактивном двигателе.
Когда самолет движется вперед, струя воздуха попадает в двигатель.
Здесь воздух встречается с вращающимися с огромной скоростью турбинами компрессора. Слово «компрессор»
можно перевести на русский язык как «сжиматель».
Лопатки турбин компрессора сжимают воздух примерно в 30 раз и «проталкивают»
его в камеру сгорания. Раскаленный газ, получившийся в ходе сгорания топлива устремляется дальше, к соплу. Но на его пути оказывается еще одна турбина. Попадая на ее лопатки, струя газа заставляет ее вал вращаться. Но к этому же валу прикреплены турбины компрессора. Получается такой своеобразный «тяни-толкай»
. Компрессор накачивает воздух в двигатель, смесь сжатого воздуха и топлива сгорает, выделяя раскаленный газ, а газ на пути к соплу вращает турбины компрессора.
Возникает интересный вопрос — как же завести такой двигатель? Ведь пока сжатый воздух не поступит в камеру сгорания, топливо не начнет гореть. Значит не будет раскаленного газа, который станет вращать турбину компрессора. Но пока турбина компрессора не закрутится, не будет сжатого воздуха.
Оказывается, двигатель запускается с помощью электромотора , который соединен с валом турбины. Электромотор заставляет вращаться компрессор, и как только в камере сгорание появится необходимое давление воздуха, туда поступает топливо и срабатывает зажигание. Реактивный двигатель заработал!
Устройство турбореактивного двигателя.
Турбореактивные двигатели отличаются большой мощностью и относительно мало весят. Поэтому их обычно устанавливают на сверхзвуковых военных самолетах, а также на сверхзвуковых пассажирских лайнерах. Но есть у таких моторов и серьезные недостатки — они сильно шумят и сжигают слишком много топлива.
Поэтому, на самолетах, летающих на дозвуковых скоростях (меньше 1200 километров в час) ставятся так называемые .
Устройство турбовентиляторного двигателя.
Отличаются они от турбореактивного двигателя тем, что впереди, до компрессора, на валу закреплена еще одна турбина с большими лопатками — вентилятор. Именно она первой встречает поток встречного воздуха и с силой гонит его назад. Часть этого воздуха, как и в турбореактивном двигателе, поступает в компрессор и дальше, в камеру сгорания, а другая часть «обтекает» камеру и тоже отбрасывается назад, создавая дополнительную тягу. Точнее говоря, для турбовентиляторного двигателя основная реактивная тяга (примерно 3/4) создается как раз этим самым потоком воздуха, который гонит вентилятор. И лишь 1/4 тяги дают вырывающиеся из сопла раскаленные газы.
Такой мотор гораздо меньше шумит и сжигает значительно меньше топлива, что очень важно для самолетов, используемых для перевозки пассажиров.
Устройство турбовинтового двигателя.
вращение вала турбины передаются на пропеллер — воздушный винт, который толкает самолет вперед. Винт с огромными лопастями не может вращаться с такой же бешеной скоростью, как вал турбины. Поэтому пропеллер с валом соединяет редуктор, понижающий скорость вращения. И хотя турбовинтовой двигатель «съедает» мало топлива, а значит делает стоимость перелета дешевле, он не может разогнать самолет до большой скорости. Поэтому в наши дни такие моторы используются в основном в транспортной авиации и на небольших пассажирских самолетах, совершающих местные рейсы.
Для опыта Вам понадобятся:
1. нитка покрепче;
2. широкая соломинка для коктейля;
3. воздушный шарик продолговатой формы;
4. моток скотча;
5. бельевая прищепка.
Натяните нитку (можно под углом), продев ее предварительно сквозь соломинку. Надуй шарик, а чтобы он не сдулся, защипните его бельевой прищепкой как показано на рисунке слева. Теперь примотайте шарик к соломинке скотчем. Реактивный двигатель готов!
На старт! Разожмите прищепку. Из шарика вырвется струя воздуха, а сам он, вместе с соломинкой заскользит вперед по нитке.
©При частичном или полном использовании данной статьи - активная гиперссылка ссылка на сайт ОБЯЗАТЕЛЬНА
Реактивными двигателями называют такие устройства, которые создают нужную для процесса движения силу тяги преобразованием внутренней энергии горючего в кинетическую энергию реактивных струй в рабочем теле. Рабочее тело стремительно проистекает из двигателя, и по закону сохранения импульса формируется реактивная сила, которая толкает двигатель в противолежащем направлении. Чтобы разогнать рабочее тело может применяться как расширение газов, нагретых самыми разнообразными способами до высоких температур, а также и другими физическими процессами, в частности, ускорением заряженных частиц в электростатическом поле.
Реактивные двигатели сочетают в себе собственно двигатели с движителями. Имеется в виду, что они создают тяговые усилия исключительно взаимодействием с рабочими телами, без опор, либо контактами с остальными телами. То есть обеспечивают сами себе собственное продвижение, при этом промежуточные механизмы не принимают никакого участия. Вследствие этого в основном они используются для того, чтобы приводить в движение воздушные судна, ракеты и, конечно же, космические аппараты.
Что такое тяга двигателя?
Тягой двигателей называют реактивную силу, которая проявляется газодинамическими силами, давлением и трением, приложенными к внутренним и внешним сторонам двигателя.
Тяги различаются на:
- Внутренние (реактивные тяги), когда не учитывается внешнее сопротивление;
- Эффективные, учитывающие внешнее сопротивление силовых установок.
Отправная энергия запасается на борту летательных или других аппаратов, оснащенных реактивными двигателями (химическим горючим, ядерным топливом), или может притекать снаружи (например, солнечная энергия).
Как формируется реактивная тяга?
Для формирования реактивной тяги (тяги двигателя), которая используется реактивными двигателями, потребуются:
- Источники исходной энергии, которые превращаются в кинетическую энергию реактивных струй;
- Рабочие тела, которые в качестве реактивных струй будут выбрасываться из реактивных двигателей;
- Сам реактивный двигатель в качестве преобразователя энергии.
Как получить рабочее тело?
Для приобретения рабочего тела в реактивных двигателях могут использоваться:
- Вещества, отбираемые из окружающей среды (к примеру, вода, либо воздух);
- Вещества, находящиеся в баках аппаратов или в камерах реактивных двигателей;
- Смешанные вещества, поступающие из окружающей среды и запасаемые на бортах аппаратов.
Современные реактивные двигатели главным образом используют химическую энергию. Рабочие тела представляют собой смесь раскаленных газов, которые являются продуктами сгорания химического горючего. Когда работает реактивный двигатель, химическая энергия от сгорающих веществ преобразуется в тепловую энергию от продуктов сгорания. В то же время тепловая энергия от горячих газов превращается в механическую энергию от поступательных движений реактивных струй и аппаратов, на которых установлены двигатели.
В реактивных двигателях струи воздушных потоков, которые попадают в двигатели, встречаются с обращающимися с колоссальной скоростью турбинами компрессоров, которые засасывают воздух из окружающей среды (при помощи встроенных вентиляторов). Следовательно, происходит решение двух задач:
- Первичное забирание воздуха;
- Охлаждение в целом всего двигателя.
Лопатки турбин компрессоров производят сжатие воздуха приблизительно от 30 и более раз, совершают «проталкивания» его (нагнетание) в камеру сгорания (происходит генерирование рабочего тела). Вообще камеры сгорания выполняют к тому же и роли карбюраторов, производя смешивание топлива с воздухом.
Это могут быть, в частности, смеси воздуха и керосина, как в турбореактивных двигателях современных реактивных самолетах, либо смеси жидкого кислорода и спирта, такими обладают кое-какие жидкостные ракетные двигатели, либо еще какое-то твердое топливо в пороховых ракетах. Как только образовалась топливно-воздушная смесь, происходит ее воспламенение с выделением энергии в виде тепла. Таким образом, топливом в реактивных двигателях могут быть только такие вещества, которые в результате химических реакций в двигателях (при возгорании) выделяют тепло, при этом образуя множество газов.
При возгорании совершается существенное разогревание смеси и деталей вокруг с объемным расширением. Собственно говоря, реактивные двигатели пользуются для продвижения управляемыми взрывами. Камеры сгорания в реактивных двигателях — это одни из самых горячих элементов (температурный режим в них может достигать до 2700 °С), и они требуют постоянного интенсивного охлаждения.
Реактивные двигатели снабжены соплами, через которые из них вовне с огромной скоростью вытекают накаленные газы, которые являются продуктами сгорания топлива. В некоторых двигателях газы оказываются в соплах сразу же после камер сгорания. Это относится, например, к ракетным или прямоточным двигателям.
Турбореактивные двигатели функционируют несколько иначе. Так, газы, после камер сгорания, вначале проходят турбинами, которым отдают свою тепловую энергию. Это делается для того, чтобы привести в движение компрессоры, которые послужат для сжатия воздуха перед камерой сгорания. В любом случае, сопла остаются последними частями двигателей, через которые протекут газы. Собственно они и формируют непосредственно реактивную струю.
В сопла направляют холодный воздух, который нагнетается при помощи компрессоров, чтобы охлаждать внутренние детали двигателей. Реактивные сопла могут обладать различными конфигурациями и конструкциями исходя из разновидностей двигателей. Так, когда скорость проистекания должна быть выше скорости звука, тогда соплам придаются формы расширяющихся труб или же вначале суживающиеся, а далее расширяющиеся (так называемые сопла Лаваля). Только с трубами такой конфигурации газы разгоняются до сверхзвуковых скоростей, при помощи чего реактивные самолеты перешагивают «звуковые барьеры».
Исходя из того, задействуется ли в процессе работы реактивных двигателей окружающая среда, они подразделяются на основные классы воздушно-реактивных двигателей (ВРД) и ракетных двигателей (РД). Все ВРД являются тепловыми двигателями, рабочие тела которых образуются тогда, когда происходит реакция окисления горючих веществ с кислородом воздушных масс. Поступающие из атмосферы воздушные потоки составляют основу рабочих тел ВРД. Таким образом, аппараты с ВРД несут на борту источники энергии (топливо), но большая часть рабочих тел черпается из окружающей среды.
К аппаратам ВРД относятся:
- Турбореактивные двигатели (ТРД);
- Прямоточные воздушно-реактивные двигатели (ПВРД);
- Пульсирующие воздушно-реактивные двигатели (ПуВРД);
- Гиперзвуковые прямоточные воздушно-реактивные двигатели (ГПВРД).
В противоположность воздушно-реактивным двигателям все компоненты рабочих тел РД находятся на борту аппаратов, оснащенных ракетными двигателями. Отсутствие движителей, взаимодействующих с окружающей средой, а также присутствие всех составляющих рабочих тел на борту аппаратов делают ракетные двигатели пригодными для функционирования в космическом пространстве. Имеется также комбинация ракетных двигателей, представляющих собой некое совмещение двух основных разновидностей.
Кратко об истории реактивного двигателя
Считается, что реактивный двигатель изобрели Ганс фон Охайн и выдающийся немецкий инженер-конструктор Фрэнк Виттл. Первый патент на действующий газотурбинный двигатель получил именно Фрэнк Виттл в 1930 году. Тем не менее, первая рабочая модель была собрана собственно Охайном. В конце лета 1939 года в небе появилось первое реактивное воздушное судно – He-178 (Хейнкель-178), который был снаряжен двигателем HeS 3, разработанным Охайном.
Как устроен реактивный двигатель?
Устройство реактивных двигателей довольно-таки простое и в то же время чрезвычайно сложное. Оно простое по принципу действия. Так, забортный воздух (в ракетных двигателях – жидкий кислород) засасывается в турбину. После чего он там начинает смешиваться с горючим и сгорать. На краю турбины образуется так называемое «рабочее тело» (ранее упоминаемая реактивная струя), которое продвигает летательный или космический аппарат.
При всей простоте, на самом деле это целая наука, ведь в середине таких двигателей рабочий температурный режим может достигать более тысячи градусов по Цельсию. Одной из важнейших проблем в турбореактивном двигателестроении является создание неплавящихся деталей из металлов, которые сами поддаются плавлению.
В начале, перед каждой турбиной всегда располагается вентилятор, засасывающий воздушные массы из окружающей среды в турбины. Вентиляторы обладают большой площадью, а также колоссальной численностью лопастей специальных конфигураций, материалом для которых послужил титан. Сразу за вентиляторами располагаются мощные компрессоры, которые необходимы для нагнетания воздуха под огромным давлением в камеры сгорания. После камер сгорания горящие топливовоздушные смеси направляются в саму турбину.
Турбины состоят из множества лопаток, на которые оказывают давление реактивные потоки, которые и приводят турбины во вращение. Далее турбины вращают валы, на которых «насажены» вентиляторы и компрессоры. Собственно так, система становится замкнутой и нуждается исключительно в подводе топлива и воздушных масс.
Вслед за турбинами потоки направляются в сопла. Сопла реактивных двигателей являются последними, но не самыми последними по своей значимости частями в реактивных двигателях. Они формируют непосредственные реактивные струи. В сопла направляются холодные воздушные массы, нагнетаемые вентиляторами для охлаждения «внутренностей» двигателей. Эти потоки ограничивают манжеты сопел от сверхгорячих реактивных потоков и не позволяют им расплавляться.
Отклоняемый вектор тяги
Реактивные двигатели обладают соплами самых разнообразных конфигураций. Самыми передовыми считаются подвижные сопла, размещенные на двигателях, у которых имеется отклоняемый вектор тяги. Они могут сдавливаться и расширяться, а также отклоняться на существенные углы — так регулируются и направляются непосредственно реактивные потоки. Благодаря этому воздушные судна с двигателями, имеющими отклоняемый вектор тяги, становятся чрезвычайно маневренными, потому что процессы маневрирования происходят не только вследствие действий механизмов крыльев, но также прямо самими двигателями.
Типы реактивных двигателей
Имеется несколько основных разновидностей реактивных двигателей. Так, классическим реактивным двигателем можно назвать авиадвигатель в самолете F-15. Большинство таких двигателей используются преимущественно на истребителях самых разнообразных модификаций.
Двухлопастные турбовинтовые двигатели
В этой разновидности турбовинтовых двигателей мощность турбин через понижающие редукторы направляется для вращения классических винтов. Наличие таких двигателей позволяет большим воздушным суднам осуществлять полеты с максимально приемлемыми скоростями и при этом расходовать меньшее количество авиатоплива. Нормальная крейсерская скорость у турбовинтовых воздушных суден может быть 600-800 км/ч.
Турбовентиляторные реактивные двигатели
Эта разновидность двигателей является более экономичной в семействе двигателей классических типов. Главной отличительной характеристикой в них является то, что на входе ставятся вентиляторы больших диаметров, которые подают воздушные потоки не только для турбин, но и создают довольно-таки мощные потоки вне их. Вследствие этого, можно достичь повышенной экономичности, путем усовершенствования КПД. Они используются на лайнерах и больших воздушных суднах.
Прямоточные воздушно-реактивные двигатели
Эта разновидность двигателей функционирует таким образом, что не нуждается в подвижных деталях. Воздушные массы нагнетаются в камеру сгорания непринужденным путем, благодаря торможению потоков об обтекатели входных отверстий. В дальнейшем совершается все то же, что и в обыкновенных реактивных двигателях, а именно воздушные потоки смешиваются с топливом и выходят как реактивные струи из сопел. Прямоточные воздушно-реактивные двигатели применяются в поездах, в воздушных суднах, в «беспилотниках», в ракетах, кроме того они могут устанавливаться на велосипеды или скутеры.
Вы задумывались когда-нибудь о том, как работает двигатель реактивного самолета? О реактивной тяге, которая приводит его в действие, знали еще в Античные времена. Применить же ее на практике смогли только в начале прошлого века, в результате гонки вооружений между Англией и Германией.
Принцип работы двигателя реактивного самолета довольно прост, но имеет некоторые нюансы, которые строго соблюдаются при их производстве. Чтобы самолет смог надежно держаться в воздухе, они должны работать идеально. Ведь от этого зависят жизни и безопасность всех, кто находится на борту самолета.
Его приводит в действие реактивная тяга. Для этого нужна какая-то жидкость, выталкиваемая из задней части системы и придающая ей движение вперед. Здесь работает третий закон Ньютона , который гласит: “Любое действие вызывает равное противодействие”.
У реактивного двигателя вместо жидкости применяется воздух . Он создает силу, обеспечивающую движение.
В нем используются горячие газы и смесь воздуха со сгораемым топливом. Эта смесь выходит из него с высокой скоростью и толкает самолет вперед, давая ему лететь.
Если говорить об устройстве двигателя реактивного самолета, то оно представляет из себя соединение четырех самых важных деталей:
- компрессора;
- камеры горения;
- турбины;
- выхлопа.
Компрессор состоит из нескольких турбин , которые засасывают воздух и сжимают его по мере прохождения через расположенные под углом лопасти. При сжатии температура и давление воздуха повышаются. Часть сжатого воздуха попадает в камеру горения, где смешивается с топливом и поджигается. Это увеличивает тепловую энергию воздуха.
Реактивный двигатель.
Горячая смесь на высокой скорости выходит из камеры и расширяется. Там она проходит через еще одну турбину с лопастями, которые вращаются, благодаря энергии газа.
Турбина соединена с компрессором в передней части двигателя , и таким образом приводит его в движение. Горячий воздух выходит через выхлоп. К этому моменту температура смеси очень высока. И еще увеличивается, благодаря эффекту Дросселирования . После этого воздух выходит из него.
Разработка самолетов с реактивным двигателем началась в 30х годах прошлого века. Англичане и немцы начали разрабатывать подобные модели. В этой гонке победили немецкие ученые. Поэтому первым самолетом с реактивным двигателем стала “Ласточка” в Люфтваффе. “Глостерский метеор” поднялся в воздух немного позднее. О первых самолетах с такими двигателями подробно рассказано
Двигатель сверхзвукового самолета — тоже реактивный, но уже в совершенно другой модификации.
Как работает турбореактивный двигатель?
Реактивные двигатели применяются повсеместно, а турбореактивные устанавливаются больших . Отличие их в том, что первый несет с собой запас топлива и окислителя, а конструкция обеспечивает их подачу из баков.
Турбореактивный двигатель самолета несет с собой лишь топливо, а окислитель — воздух — нагнетается турбиной из атмосферы. В остальном принцип его работы совпадает с тем же, что и у реактивного.
Одна из самых важных деталей у них — это лопасть турбины. От нее зависит мощность двигателя.
Схема турбореактивного двигателя.
Именно они вырабатывают тяговые усилия, необходимые для самолета. Каждый из лопастей производит в 10 раз больше энергии, чем самый обычный, автомобильный двигатель. Они устанавливаются позади камеры сгорания, в той части двигателя, где самое высокое давление, а температура доходит до 1400 градусов по Цельсию.
В процессе производства лопастей они проходят через процесс монокристаллизации , что придает им твердости и прочности.
Перед тем, как установить на самолет, каждый двигатель проверяется на полное тяговое усилие. Он должен пройти сертификацию Европейского совета по безопасности и компанией, которая его произвела. Одной из самых крупных фирм по их производству является Роллс-Ройс.
Что такое самолет с атомным двигателем?
Во время Холодной войны были предприняты попытки создания реактивного двигателя не на химической реакции, а на тепле, который бы вырабатывал ядерный реактор. Его ставили вместо камеры сгорания.
Воздух проходит через активную зону реактора, понижая его температуру и повышая свою. Он расширяется и истекает из сопла со скоростью, большей чем скорость полета.
Комбинированный турбреактивно-атомный двигатель.
В СССР проводились его испытания на базе ТУ-95. В США тоже не отставали от ученых в Советском Союзе.
В 60х годах исследования в обеих сторонах постепенно прекратились. Основными тремя проблемами, которые помешали разработке, стали:
- безопасность летчиков во время полета;
- выброс радиоактивных частиц в атмосферу;
- в случае падения самолета, радиоактивный реактор может взорваться, нанеся непоправимый вред всему живому.
Как производят реактивные двигатели для моделей самолетов?
Их производство для моделей самолетов занимает около 6 часов. Сначала вытачивается базовая пластина из алюминия , к которой крепятся все остальные детали. По размеру она совпадает с хоккейной шайбой.
К ней прикрепляют цилиндр , поэтому получается что-то вроде консервной банки. Это будущий двигатель внутреннего сгорания. Далее устанавливается система подачи . Чтобы его закрепить, в основную пластину вкручиваются шурупы, предварительно опущенные в специальный герметик.
Двигатель для модели самолета.
Каналы стартера крепятся с другой стороны камеры , чтобы перенаправлять выбросы газа в турбинное колесо. В отверстие сбоку от камеры сгорания устанавливается спираль накаливания. Она поджигает топливо внутри двигателя.
Потом ставят турбину и центральную ось цилиндра. На нее ставят колесо компрессора , которое нагнетает воздух в камеру сгорания. Его проверяют с помощью компьютера, прежде чем закрепить пусковую установку.
Готовый двигатель еще раз проверяют на мощность. Его звук немногим отличается от звука двигателя самолета. Он, конечно, меньшей силы, но полностью напоминает его, придавая больше схожести модели.
В реактивном двигателе сила тяги, необходимая для движения, создается путем преобразования исходной энергии в кинетическую энергию рабочего тела. В результате истечения рабочего тела из сопла двигателя образуется реактивная сила в виде отдачи (струи). Отдача перемещает в пространстве двигатель и конструктивно связанный с ним аппарат. Перемещение происходит в направлении, противоположном истечению струи. В кинетическую энергию реактивной струи могут преобразовываться различные виды энергии: химическая, ядерная, электрическая, солнечная. Реактивный двигатель обеспечивает собственное движение без участия промежуточных механизмов.
Для создания реактивной тяги необходимы источник исходной энергии, которая преобразуется в кинетическую энергию реактивной струи, рабочее тело, выбрасываемое из двигателя в виде реактивной струи, и сам реактивный двигатель, преобразующий первый вид энергии во второй.
Основной частью реактивного двигателя является камера сгорания, в которой создается рабочее тело.
Все реактивные двигатели делятся на два основных класса, в зависимости от того, используется в их работе окружающая среда или нет.
Первый класс – воздушно?реактивные двигатели (ВРД). Все они тепловые, в которых рабочее тело образуется при реакции окисления горючего вещества кислородом окружающего воздуха. Основную массу рабочего тела составляет атмосферный воздух.
В ракетном двигателе все компоненты рабочего тела находятся на борту оснащенного им аппарата.
Существуют также комбинированные двигатели, сочетающие в себе оба вышеназванные типа.
Впервые реактивное движение было использовано в шаре Герона – прототипе паровой турбины. Реактивные двигатели на твердом топливе появились в Китае в X в. н. э. Такие ракеты применялись на Востоке, а затем в Европе для фейерверков, сигнализации, а затем как боевые.
Важным этапом в развитии идеи реактивного движения была идея применения ракеты в качестве двигателя для летательного аппарата. Ее впервые сформулировал русский революционер?народоволец Н. И. Кибальчич, который в марте 1881 г., незадолго до казни, предложил схему летательного аппарата (ракетоплана) с использованием реактивной тяги от взрывных пороховых газов.
H. Е. Жуковский в работах «О реакции вытекающей и втекающей жидкости» (1880?е годы) и «К теории судов, приводимых в движение силой реакции вытекающей воды» (1908 г.) впервые разработал основные вопросы теории реактивного двигателя.
Интересные работы по исследованию полета ракеты принадлежат также известному русскому ученому И. В. Мещерскому, в частности в области общей теории движения тел переменной массы.
В 1903 г. К. Э. Циолковский в своей работе «Исследование мировых пространств реактивными приборами» дал теоретическое обоснование полета ракеты, а также принципиальную схему ракетного двигателя, предвосхищавшую многие принципиальные и конструктивные особенности современных жидкостно?ракетных двигателей (ЖРД). Так, Циолковский предусматривал применение для реактивного двигателя жидкого топлива и подачу его в двигатель специальными насосами. Управление полетом ракеты он предлагал осуществить посредством газовых рулей – специальных пластинок, помещаемых в струе вылетающих из сопла газов.
Особенность жидкостно?реактивного двигателя в том, что в отличие от других реактивных двигателей он несет с собой вместе с топливом весь запас окислителя, а не забирает необходимый для сжигания горючего воздух, содержащий кислород, из атмосферы. Это единственный двигатель, который может быть применен для сверхвысотного полета вне земной атмосферы.
Первую в мире ракету с жидкостным ракетным двигателем создал и запустил 16 марта 1926 г. американец Р. Годдард. Она весила около 5 килограммов, а ее длина достигала 3 м. Топливом в ракете Годдарда служили бензин и жидкий кислород. Полет этой ракеты продолжался 2,5 секунды, за которые она пролетела 56 м.
Систематические экспериментальные работы над этими двигателями начались в 30?х годах XX века.
Первые советские ЖРД были разработаны и созданы в 1930–1931 гг. в ленинградской Газодинамической лаборатории (ГДЛ) под руководством будущего академика В. П. Глушко. Эта серия называлась ОРМ – опытный ракетный мотор. Глушко применил некоторые новинки, например охлаждение двигателя одним из компонентов топлива.
Параллельно разработка ракетных двигателей велась в Москве Группой изучения реактивного движения (ГИРД). Ее идейным вдохновителем был Ф. А. Цандер, а организатором – молодой С. П. Королев. Целью Королева была постройка нового ракетного аппарата – ракетоплана.
В 1933 г. Ф. А. Цандер построил и успешно испытал ракетный двигатель ОР?1, работавший на бензине и сжатом воздухе, а в 1932–1933 гг. – двигатель ОР?2, на бензине и жидком кислороде. Этот двигатель был спроектирован для установки на планере, который должен был совершить полет в качестве ракетоплана.
В 1933 г. в ГИРДе создана и испытана первая советская ракета на жидком топливе.
Развивая начатые работы, советские инженеры в последующем продолжали работать над созданием жидкостных реактивных двигателей. Всего с 1932 по 1941 г. в СССР было разработано 118 конструкций жидкостных реактивных двигателей.
В Германии в 1931 г. состоялись испытания ракет И. Винклера, Риделя и др.
Первый полет на самолете?ракетоплане с жидкостно?реактивным двигателем был совершен в Советском Союзе в феврале 1940 г. В качестве силовой установки самолета был применен ЖРД. В 1941 г. под руководством советского конструктора В. Ф. Болховитинова был построен первый реактивный самолет – истребитель с жидкостно?ракетным двигателем. Его испытания были проведены в мае 1942 г. летчиком Г. Я. Бахчиваджи.
В это же время состоялся первый полет немецкого истребителя с таким двигателем. В 1943 г. в США провели испытания первого американского реактивного самолета, на котором был установлен жидкостно?реактивный двигатель. В Германии в 1944 г. были построены несколько истребителей с этими двигателями конструкции Мессершмитта и в том же году применены в боевой обстановке на Западном фронте.
Кроме того, ЖРД применялись на немецких ракетах Фау?2, созданных под руководством В. фон Брауна.
В 1950?е годы жидкостно?ракетные двигатели устанавливались на баллистических ракетах, а затем на искусственных спутниках Земли, Солнца, Луны и Марса, автоматических межпланетных станциях.
ЖРД состоит из камеры сгорания с соплом, турбонасосного агрегата, газогенератора или парогазогенератора, системы автоматики, органов регулирования, системы зажигания и вспомогательных агрегатов (теплообменники, смесители, приводы).
Идея воздушно?реактивных двигателей не раз выдвигалась в разных странах. Наиболее важными и оригинальными работами в этом отношении являются исследования, проведенные в 1908–1913 гг. французским ученым Р. Лореном, который, в частности, в 1911 г. предложил ряд схем прямоточных воздушно?реактивных двигателей. Эти двигатели используют в качестве окислителя атмосферный воздух, а сжатие воздуха в камере сгорания обеспечивается за счет динамического напора воздуха.
В мае 1939 г. в СССР впервые состоялось испытание ракеты с прямоточным воздушно?реактивным двигателем конструкции П. А. Меркулова. Это была двухступенчатая ракета (первая ступень – пороховая ракета) с взлетным весом 7,07 кг, причем вес топлива для второй ступени прямоточного воздушно?реактивного двигателя составлял лишь 2 кг. При испытании ракета достигла высоты 2 км.
В 1939–1940 гг. впервые в мире в Советском Союзе проводились летние испытания воздушно?реактивных двигателей, установленных в качестве дополнительных двигателей на самолете конструкции Н. П. Поликарпова. В 1942 г. в Германии испытывались прямоточные воздушно?реактивные двигатели конструкции Э. Зенгера.
Воздушно?реактивный двигатель состоит из диффузора, в котором за счет кинетической энергии набегающего потока воздуха происходит сжатие воздуха. В камеру сгорания через форсунку впрыскивается топливо и происходит воспламенение смеси. Реактивная струя выходит через сопло.
Процесс работы ВРД непрерывен, поэтому в них отсутствует стартовая тяга. В связи с этим при скоростях полета меньше половины скорости звука воздушно?реактивные двигатели не применяются. Наиболее эффективно применение ВРД на сверхзвуковых скоростях и больших высотах. Взлет самолета с воздушно?реактивным двигателем происходит при помощи ракетных двигателей на твердом или жидком топливе.
Большее развитие получила другая группа воздушно?реактивных двигателей – турбокомпрессорные двигатели. Они подразделяются на турбореактивные, в которых тяга создается струей газов, вытекающих из реактивного сопла, и турбовинтовые, в которых основная тяга создается воздушным винтом.
В 1909 г. проект турбореактивного двигателя был разработан инженером Н. Герасимовым. В 1914 г. лейтенант русского морского флота М. Н. Никольской сконструировал и построил модель турбовинтового авиационного двигателя. Рабочим телом для приведения в действие трехступенчатой турбины служили газообразные продукты сгорания смеси скипидара и азотной кислоты. Турбина работала не только на воздушный винт: отходящие газообразные продукты сгорания, направленные в хвостовое (реактивное) сопло, создавали реактивную тягу дополнительно к силе тяги винта.
В 1924 г. В. И. Базаров разработал конструкцию авиационного турбокомпрессорного реактивного двигателя, состоявшую из трех элементов: камеры сгорания, газовой турбины, компрессора. Поток сжатого воздуха здесь впервые делился на две ветви: меньшая часть шла в камеру сгорания (к горелке), а большая подмешивалась к рабочим газам для понижения их температуры перед турбиной. Тем самым обеспечивалась сохранность лопаток турбины. Мощность многоступенчатой турбины расходовалась на привод центробежного компрессора самого двигателя и отчасти на вращение воздушного винта. Дополнительно к винту тяга создавалась за счет реакции струи газов, пропускаемых через хвостовое сопло.
В 1939 г. на Кировском заводе в Ленинграде началась постройка турбореактивных двигателей конструкции А. М. Люльки. Его испытаниям помешала война.
В 1941 г. в Англии был впервые осуществлен полет на экспериментальном самолете?истребителе, оснащенном турбореактивным двигателем конструкции Ф. Уиттла. На нем был установлен двигатель с газовой турбиной, которая приводила в действие центробежный компрессор, подающий воздух в камеру сгорания. Продукты сгорания использовались для создания реактивной тяги.
В турбореактивном двигателе воздух, поступающий при полете, сжимается сначала в воздухозаборнике, а затем в турбокомпрессоре. Сжатый воздух подается в камеру сгорания, куда впрыскивается жидкое топливо (чаще всего – авиационный керосин). Частичное расширение газов, образовавшихся при сгорании, происходит в турбине, вращающей компрессор, а окончательное – в реактивном сопле. Между турбиной и реактивным двигателем может быть установлена форсажная камера, предназначенная для дополнительного сгорания топлива.
Сейчас турбореактивными двигателями оснащено большинство военных и гражданских самолетов, а также некоторые вертолеты.
В турбовинтовом двигателе основная тяга создается воздушным винтом, а дополнительная (около 10 %) – струей газов, вытекающих из реактивного сопла. Принцип действия турбовинтового двигателя схож с турбореактивным, с той разницей, что турбина вращает не только компрессор, но и воздушный винт. Эти двигатели применяются в дозвуковых самолетах и вертолетах, а также для движения быстроходных судов и автомобилей.
Наиболее ранние реактивные твердотопливные двигатели использовались в боевых ракетах. Их широкое применение началось в XIX в., когда во многих армиях появились ракетные части. В конце XIX в. были созданы первые бездымные порохи, с более устойчивым горением и большей работоспособностью.
В 1920–1930?е годы велись работы по созданию реактивного оружия. Это привело к появлению реактивных минометов – «катюш» в Советском Союзе, шестиствольных реактивных минометов в Германии.
Получение новых видов пороха позволило применять реактивные твердотопливные двигатели в боевых ракетах, включая баллистические. Кроме этого они применяются в авиации и космонавтике как двигатели первых ступеней ракет?носителей, стартовые двигатели для самолетов с прямоточными воздушно?реактивными двигателями и тормозные двигатели космических аппаратов.
Реактивный твердотопливный двигатель состоит из корпуса (камеры сгорания), в котором находится весь запас топлива и реактивного сопла. Корпус выполняется из стали или стеклопластика. Сопло – из графита, тугоплавких сплавов, графита.
Зажигание топлива производится воспламенительным устройством.
Регулирование тяги производится изменением поверхности горения заряда или площади критического сечения сопла, а также впрыскиванием в камеру сгорания жидкости.
Направление тяги может меняться газовыми рулями, отклоняющейся насадкой (дефлектором), вспомогательными управляющими двигателями и т. п.
Реактивные твердотопливные двигатели очень надежны, могут долго храниться, а следовательно, постоянно готовы к запуску.
Отличное определение
Неполное определение ↓
Реактивные авиадвигатели во второй половине XX века открыли новые возможности в авиации: полеты на скоростях, превышающих скорость звука, создание самолетов с высокой грузоподъемностью, сделали возможным массовые путешествия на большие расстояния. Турбореактивный двигатель по праву считается одним из самых важных механизмов ушедшего века, несмотря на простой принцип работы.
История
Первый самолет братьев Райт, самостоятельно оторвавшийся от Земли в 1903 году, был оснащен поршневым двигателем внутреннего сгорания. И на протяжении сорока лет этот тип двигателя оставался основным в самолетостроении. Но во время Второй мировой войны стало ясно, что традиционная поршнево-винтовая авиация подошла к своему технологическому пределу – как по мощности, так и по скорости. Одной из альтернатив был воздушно-реактивный двигатель.
Идею применения реактивной тяги для преодоления земного притяжения впервые довел до практической осуществимости Константин Циолковский. Еще в 1903 году, когда братья Райт запускали свой первый самолет «Флайер-1», российский ученый опубликовал свой труд «Исследование мировых пространств реактивными приборами», в котором он разработал основы теории реактивного движения. Опубликованная в «Научном обозрении» статья утвердила за ним репутацию мечтателя и не была воспринята всерьез. Циолковскому потребовались годы трудов и смена политического строя, чтоб доказать свою правоту.
Реактивный самолет Су-11 с двигателями ТР-1, разработки КБ Люльки
Тем не менее, родиной серийного турбореактивного двигателя суждено было стать совсем другой стране – Германии. Создание турбореактивного двигателя в конце 1930-х было своеобразным хобби немецких компаний. В этой области отметились практически все известные ныне бренды: Heinkel, BMW, Daimler-Benz и даже Porsche. Основные лавры достались компании Junkers и ее первому в мире серийному турбореактивному двигателю 109-004, устанавливаемому на первый же в мире турбореактивный самолет Me 262.
Несмотря на невероятно удачный старт в реактивной авиации первого поколения, немецкие решения дальнейшего развития нигде в мире не получили, в том числе и в Советском Союзе.
В СССР разработкой турбореактивных двигателей наиболее удачно занимался легендарный авиаконструктор Архип Люлька. Еще в апреле 1940 года он запатентовал собственную схему двухконтурного турбореактивного двигателя, позже получившую мировое признание. Архип Люлька не нашел поддержки у руководства страны. С началом войны ему вообще предложили переключиться на танковые двигатели. И только когда у немцев появились самолеты с турбореактивными двигателями, Люльке было приказано в срочном порядке возобновить работы по отечественному турбореактивному двигателю ТР-1.
Уже в феврале 1947 года двигатель прошел первые испытания, а 28 мая свой первый полет совершил реактивный самолет Су-11 с первыми отечественными двигателями ТР-1, разработки КБ А.М. Люльки, ныне филиала Уфимского моторостроительного ПО, входящего в Объединенную двигателестроительную корпорацию (ОДК).
Принцип работы
Турбореактивный двигатель (ТРД) работает на принципе обычной тепловой машины. Не углубляясь в законы термодинамики, тепловой двигатель можно определить как машину для преобразования энергии в механическую работу. Этой энергией обладает так называемое рабочее тело – используемый внутри машины газ или пар. При сжатии в машине рабочее тело получает энергию, а при последующем его расширении мы имеем полезную механическую работу.
При этом понятно, что работа, затрачиваемая на сжатие газа должна быть всегда меньше работы, которую газ может совершить при расширении. Иначе никакой полезной «продукции» не будет. Поэтому газ перед расширением или во время него нужно еще и нагревать, а перед сжатием – охладить. В итоге за счет предварительного нагрева энергия расширения значительно повысится и появится ее излишек, который можно использовать для получения необходимой нам механической работы. Вот собственно и весь принцип работы турбореактивного двигателя.
Таким образом, любой тепловой двигатель должен иметь устройство для сжатия, нагреватель, устройство для расширения и охлаждения. Все это есть у ТРД, соответственно: компрессор, камера сгорания, турбина, а в роли холодильника выступает атмосфера.
Рабочее тело – воздух, попадает в компрессор и сжимается там. В компрессоре на одной вращающейся оси укреплены металлические диски, по венцам которых размещены так называемые «рабочие лопатки». Они «захватывают» наружный воздух, отбрасывая его внутрь двигателя.
Далее воздух поступает в камеру сгорания, где нагревается и смешивается с продуктами сгорания (керосина). Камера сгорания опоясывает ротор двигателя после компрессора сплошным кольцом, либо в виде отдельных труб, которые называются жаровыми трубами. В жаровые трубы через специальные форсунки и подается авиационный керосин.
Из камеры сгорания нагретое рабочее тело поступает на турбину. Она похожа на компрессор, но работает, так сказать, в противоположном направлении. Ее раскручивает горячий газ по тому же принципу, как воздух детскую игрушку-пропеллер. Ступеней у турбины немного, обычно от одной до трех-четырех. Это самый нагруженный узел в двигателе. Турбореактивный двигатель имеет очень большую частоту вращения – до 30 тысяч оборотов в минуту. Факел из камеры сгорания достигает температуры от 1100 до 1500 градусов Цельсия. Воздух здесь расширяется, приводя турбину в движение и отдавая ей часть своей энергии.
После турбины – реактивное сопло, где рабочее тело ускоряется и истекает со скоростью большей, чем скорость встречного потока, что и создает реактивную тягу.
Поколения турбореактивных двигателей
Несмотря на то, что точной классификации поколений турбореактивных двигателей в принципе не существует, можно в общих чертах описать основные типы на различных этапах развития двигателестроения.
К двигателям первого поколения относят немецкие и английские двигатели времен Второй мировой войны, а также советский ВК-1, который устанавливался на знаменитый истребитель МИГ-15, а также на самолеты ИЛ-28 и ТУ-14.
Истребитель МИГ-15
ТРД второго поколения отличаются уже возможным наличием осевого компрессора, форсажной камеры и регулируемого воздухозаборника. Среди советских примеров двигатель Р-11Ф2С-300 для самолета МиГ-21.
Двигатели третьего поколения характеризуются увеличенной степенью сжатия, что достигалось увеличением ступеней компрессора и турбин, и появлением двухконтурности. Технически это самые сложные двигатели.
Появление новых материалов, которые позволяют значимо поднять рабочие температуры, привело к созданию двигателей четвертого поколения. Среди таких двигателей – отечественный АЛ-31 разработки ОДК для истребителя Су-27.
Сегодня на уфимском предприятии ОДК начинается выпуск авиационных двигателей пятого поколения. Новые агрегаты установят на истребитель Т-50 (ПАК ФА), который приходит на смену Су-27. Новая силовая установка на Т-50 с увеличенной мощностью сделает самолет еще более маневренным, а главное – откроет новую эпоху в отечественном авиастроении.
