Что служит рабочим телом в реактивном двигателе самолета - Журнал "Автопарк"
Auto-park24.ru

Журнал "Автопарк"
5 просмотров
Рейтинг статьи
1 звезда2 звезды3 звезды4 звезды5 звезд
Загрузка...

Что служит рабочим телом в реактивном двигателе самолета

Прямоточный реактивный двигатель. пврд.

Реактивный двигатель – устройство, создающее требуемую для перемещения силу тяги, преобразовывая внутреннюю энергию горючего в кинетическую энергию реактивной струи рабочего тела.

Классы реактивных двигателей:

Все реактивные двигатели подразделяют на 2 класса:

  • Воздушно-реактивные – тепловые двигатели, применяющие энергию окисления воздуха, приобретаемого из воздуха. В этих двигателях рабочее тело представлено смесью продуктов горения с остальными элементами отобранного воздуха.
  • Ракетные – двигатели, каковые на борту содержат все нужные компоненты и могут трудиться кроме того в безвоздушном пространстве.

Прямоточный воздушно-реактивный двигатель – самый простой в классе ВРД по конструкции. Требуемое для работы устройства увеличение давления образуется методом торможения встречного воздушного потока.

Рабочий процесс ПВРД возможно коротко обрисовать следующим образом:

  • Во входное устройство двигателя поступает воздушное пространство со скоростью полета, кинетическая его энергия преобразуется во внутреннюю, давление и температура окружающей среды увеличиваются. На входе в камеру сгорания и на всей протяженности проточной части отмечается большое давление.
  • Нагревание сжатого воздуха в камере сгорания происходит методом окисления подаваемого воздуха, наряду с этим внутренняя энергия рабочего тела возрастает.
  • Потом поток сужается в сопле, рабочее тело достигает звуковой скорости, а снова при расширении – сверхзвуковой. Благодаря тому, что рабочее тело движется со скоростью, превышающей скорость встречного потока, в создается реактивная тяга.

pВ конструктивном замысле ПВРД есть предельно несложным устройством. В составе двигателя имеется камера сгорания, вовнутрь которой горючее поступает из топливных форсунок, а воздушное пространство – из диффузора. Камера сгорания заканчивается входом в сопло, которое есть суживающейся-расширяющимся.

Развитие разработки смесевого жёсткого горючего повлекло за собой применение этого горючего в ПВРД. В камере сгорания находится топливная шашка с центральным продольным каналом. Проходя по каналу, рабочее тело неспешно окисляет поверхность горючего и нагревается само.

Использование жёсткого горючего еще более упрощает состоящую конструкцию двигателя: топливная совокупность делается ненужной.

Смесевое горючее по собственному составу в ПВРД отличается от используемого в РДТТ. В случае если в ракетном двигателе солидную часть состава горючего занимает окислитель, то в ПВРД он употребляется в маленьких пропорциях для активирования процесса горения.

Наполнитель смесевого горючего ПВРД в основном складывается из мелкодисперсного порошка бериллия, магния либо алюминия. Их теплота окисления значительно превосходит теплоту сгорания углеводородного горючего. Как пример твердотопливного ПВРД возможно привести маршевый двигатель крылатой противокорабельной ракеты «П-270 Москит».

Тяга ПВРД зависит от скорости полета и определяется исходя из влияния нескольких факторов:

  • Чем больше показатель скорости полета, тем громадным будет расход воздуха, проходящего через тракт двигателя, соответственно, большее количество кислорода будет попадать в камеру сгорания, что увеличивает расход горючего, тепловую и механическую мощность мотора.
  • Чем больше расход воздуха через тракт двигателя, тем выше будет создаваемая мотором тяга. Но существует некоторый предел, расход воздуха через тракт мотора не имеет возможности возрастать неограниченно.
  • При возрастании скорости полета возрастает уровень давления в камере сгорания. Благодаря этого возрастает термический КПД двигателя.
  • Чем больше отличие между скоростью полета прохождения и скоростью аппарата реактивной струи, тем больше тяга двигателя.

Зависимость тяги прямоточного воздушно-реактивного двигателя от скорости полета возможно представить следующим образом: до того момента, пока скорость полета намного ниже скорости прохождения реактивной струи, тяга будет возрастать вместе с ростом скорости полета. В то время, когда скорость полета приближается к скорости реактивной струи, тяга начинает падать, миновав определенный максимум, при котором отмечается оптимальная скорость полета.

В зависимости от скорости полета выделяют такие категории ПВРД:

  • дозвуковые;
  • сверхзвуковые;
  • гиперзвуковые.

Любая из групп имеет собственные отличительные изюминки конструкции.

Эта несколько двигателей предназначена для обеспечения полетов на скоростях, равных от 0,5 до 1,0 числа Маха. торможение и Сжатие воздуха в таких двигателях происходит в диффузоре – расширяющемся канале устройства на входе потока.

Эти двигатели имеют очень низкую эффективность. При полетах на скорости М= 0,5 уровень повышения давления в них равен 1,186, почему совершенный термический КПД для них – всего 4,76%, а вдруг еще и учитывать утраты в настоящем двигателе, эта величина будет приближаться к нулю. Это значит, что при полетах на скоростях M

Но кроме того на предельной скорости для дозвукового диапазона при М=1 уровень повышения давления равен 1,89, а совершенный термический коэффициент – всего 16, 7%. Эти показатели в 1,5 раза меньше, чем у поршневых двигателей внутреннего сгорания, и в 2 раза меньше, нежели у газотурбинных двигателей. Газотурбинные и поршневые двигатели к тому же действенны для применения при работе в стационарном положении.

Исходя из этого прямоточные дозвуковые двигатели в сравнении с другими авиационными двигателями были неконкурентоспособными и на данный момент серийно не выпускаются.

Сверхзвуковые ПВРД вычислены на осуществление полетов в диапазоне скоростей 1 M 5.

Торможение газового сверхзвукового потока постоянно выполняется разрывно, наряду с этим образуется ударная волна, которая именуется скачком уплотнения. На дистанции ударной волны процесс сжатия газа не есть изоэнтропийным. Следовательно, наблюдаются утраты механической энергии, уровень повышения давления в нем меньший, нежели в изоэнтропийном ходе.

Чем замечательнее будет скачок уплотнения, тем больше изменится скорость потока на фронте, соответственно, больше утраты давления, время от времени достигающие 50%.

Чтобы минимизировать утраты давления, организуется сжатие не в одном, а нескольких скачках уплотнения с меньшей интенсивностью. По окончании каждого из таких скачков отмечается понижение скорости потока, которая остается сверхзвуковой. Это достигается, в случае если фронт скачков расположен под углом к направлению скорости потока.

Параметры потока в промежутках между скачками остаются постоянными.

В последнем скачке скорость достигает дозвукового показателя, сжатия воздуха и дальнейшие процессы торможения происходят непрерывно в канале диффузора.

В случае если входное устройство мотора находится в области невозмущенного потока (к примеру, впереди летательного аппарата на носовом окончании либо на достаточном отдалении от фюзеляжа на крыльевой консоли), оно выполняется асимметричным и комплектуется центральным телом – острым долгим «конусом», выходящим из обечайки. Центральное тело предназначено для во встречном воздушном потоке косых скачков уплотнения, каковые снабжают торможение и сжатие воздуха до момента его поступления в особый канал входного устройства. Представленные входные устройства стали называться устройств конического течения, воздушное пространство в них циркулирует, образуя коническую форму.

Центральное коническое тело возможно оснащено механическим приводом, что разрешает ему двигаться на протяжении оси двигателя и оптимизировать торможение потока воздуха на различных скоростях полета. Эти входные устройства именуются регулируемыми.

При фиксации двигателя под крылом либо снизу фюзеляжа, другими словами в области аэродинамического влияния элементов конструкции самолета, применяют входные устройства плоской формы двухмерного течения. Они не оснащаются центральным телом и имеют поперечное прямоугольное сечение.

Их еще именуют устройствами смешанного либо внутреннего сжатия, потому, что внешнее сжатие тут имеет место лишь при скачках уплотнения, образующихся у передней кромки крыла либо носового окончания летательного аппарата. Входные регулируемые устройства прямоугольного сечения способны поменять положение клиньев в канала.

В сверхзвуковом скоростном диапазоне ПВРД более действен, нежели в дозвуковом. К примеру, на скорости полета М=3 степень повышения давления образовывает 36,7, что приближается к показателю турбореактивных двигателей, а расчетный совершенный КПД достигает 64,3 %. На практике эти показатели меньшие, но на скоростях в диапазоне М=3-5 СПВРД по эффективности превосходят все существующие типы ВРД.

При температуре невозмущенного воздушного потока 273°K и скорости самолета М=5 температура рабочего заторможенного тела равна 1638°К, при скорости М=6 — 2238°К, а в настоящем полете с учетом действия силы и скачков уплотнения трения делается еще выше.

Предстоящее нагревание рабочего тела есть проблематичным из-за термической неустойчивости конструкционных материалов, входящих в состав двигателя. Исходя из этого предельной для СПВРД считается скорость, равная М=5.

Гиперзвуковой прямоточный воздушно-реактивный двигатель

К категории гиперзвуковых ПВРД относится ПВРД, что трудится на скоростях более 5М. По состоянию на начало XXI века существование для того чтобы двигателя было лишь гипотетическим: не собрано ни единого примера, что бы прошел летные опробования и подтвердил актуальность и целесообразность его серийного выпуска.

На входе в устройство ГПВРД торможение воздуха выполняется лишь частично, и в течении остального такта перемещение рабочего тела есть сверхзвуковым. Большинство кинетической исходной энергии потока наряду с этим сохраняется, по окончании сжатия температура довольно низкая, что разрешает высвободить рабочему телу большое количество тепла. По окончании входного устройства проточная часть двигателя по всей собственной длине расширяется.

За счет сгорания горючего в сверхзвуковом потоке происходит нагрев рабочего тела, оно расширяется и ускоряется.

Данный тип двигателя рекомендован с целью проведения полетов в разреженной стратосфере. Теоретически таковой двигатель возможно применять на многоразовых носителях космических аппаратов.

Важной проблемой конструирования ГПВРД есть организация сгорания горючего в сверхзвуковом потоке.

В различных государствах начаты пара программ по созданию ГПВРД, все они находятся на стадии теоретических изысканий и предпроектных лабораторных изучений.

Где используются ПВРД

ПВРД не работает при нулевой скорости и низких скоростях полета. Летательный аппарат с таким двигателем требует установки на нем запасных приводов, в роли которых может выступать твердотопливный ракетный ускоритель либо самолет-носитель, с которого производится запуск аппарата с ПВРД.

По причине неэффективности ПВРД на малых скоростях его фактически неуместно применять на пилотируемых самолетах. Такие двигатели предпочтительно применять для беспилотных, крылатых, боевых ракет одноразового применения благодаря надежности, дешевизне и простоте. ПВРД кроме этого используют в летающих мишенях.

Борьбу по чертям ПВРД образовывает лишь ракетный двигатель.

Во время холодной войны между США и СССР создавались проекты прямоточных воздушных реактивных двигателей с ядерным реактором.

В таких агрегатах в качестве источника энергии выступала не химическая реакция сжигания горючего, а тепло, которое производил ядерный реактор, установленный вместо камеры сгорания. В таком ПВРД воздушное пространство, поступающий через входное устройство, попадает в активную область реактора, охлаждает конструкцию и сам нагревается до 3000 К. Потом происходит его истекание из сопла двигателя со скоростью, приближенной к скорости идеальных ракетных двигателей.

Ядерные ПВРД предназначались для установки в межконтинентальных крылатых ракетах, несущих ядерный заряд. Конструкторы в обеих государствах создали малогабаритные ядерные реакторы, каковые поместились в габариты крылатой ракеты.

В первой половине 60-ых годов двадцатого века в рамках программ изучения ядерных ПВРД Tory и Pluto совершили стационарные огневые опробования ядерного ПВРД Tory-IIC. Программа опробований была закрыта в июле 1964 г., летные опробования двигателя не проводили. Предположительной обстоятельством сворачивания программы имело возможность послужить совершенствование комплектации баллистических ракет ракетными химическими двигателями, каковые разрешали реализовать боевые задачи без привлечения ядерных ПВРД.

Термодинамика потока и воздушно-реактивный двигатель.

Увлекательные записи:
  • Крушение самолета в горах. самолет упал в горах. 1995 год.
  • Самолет сухого кр-860. фото. история. характеристики.
  • Туполев ту-114. фото и видео, история и характеристики ту-114.
Похожие статьи, которые вам, наверника будут интересны:

Реактивный двигатель самолета — двигатель, создающий нужную для перемещения силу тяги при помощи преобразования внутренней энергии горючего в…

Известны следующие главные типы реактивных двигателей: ракетные, пороховой, жидкостной ракетный; воздушно-реактивные двигатели, прямоточный…

Реактивный двигатель – силовой агрегат, что формирует требуемое для полета самолета тяговое упрочнение посредством изменения внутренней энергии горючего…

Читать еще:  Генераторы и двигатели постоянного тока что это такое

Этот материал был переведен глубокоуважаемым сотрудником NF и мало доработан мной. Перевод был выполнен в апреле 2016 года. Желаю выразить громадную…

Тяга – сила, выработанная двигателем. Она толкает самолет через воздушный поток. Единственное, что противостоит тяге – лобовое сопротивление. В…

Самолеты должны быть более действенными — это основополагающая задача, в то время, когда дело доходит до проектирования реактивных двигателей. Но, при…

♀ «Реактивный двигатель: принцип работы (кратко). Принцип работы реактивного двигателя самолета»♂

Под реактивным понимают движение, при котором от тела с определенной скоростью отделяется одна из его частей. Возникающая в результате такого процесса сила действует сама по себе. Другими словами, у нее отсутствует даже малейший контакт с внешними телами.

Реактивное движение в природе

Во время летнего отдыха на юге практически каждый из нас, купаясь в море, встречался с медузами. Но мало кто задумывался о том, что эти животные перемещаются так же, как реактивный двигатель. Принцип работы в природе подобного агрегата можно наблюдать при перемещении некоторых видов морских планктонов и личинок стрекоз. Причем КПД этих беспозвоночных зачастую выше, чем у технических средств.

Кто еще может наглядно продемонстрировать, какой имеет реактивный двигатель принцип работы? Кальмар, осьминог и каракатица. Подобное движение совершают и многие другие морские моллюски. Возьмем, например, каракатицу. Она вбирает воду в свою жаберную полость и энергично выбрасывает ее через воронку, которую направляет назад или вбок. При этом моллюск способен совершать движения в нужную сторону.

Принцип работы реактивного двигателя можно наблюдать и при перемещении сальца. Это морское животное принимает воду в широкую полость. После этого мышцы его тела сокращаются, выталкивая жидкость через отверстие, находящееся сзади. Реакция получаемой при этом струи позволяет сальце совершать движение вперед.

Морские ракеты

Но самого большего совершенства в реактивной навигации достигли все-таки кальмары. Даже сама форма ракеты, кажется, скопирована именно с этого морского обитателя. При перемещении с низкой скоростью кальмар периодически изгибает свой ромбовидный плавник. А вот для быстрого броска ему приходится использовать собственный «реактивный двигатель». Принцип работы всех его мышц и тела при этом стоит рассмотреть подробнее.

У кальмаров есть своеобразная мантия. Это мышечная ткань, которая окружает его тело со всех сторон. Во время движения животное засасывает в эту мантию большой объем воды, резко выбрасывая струю через специальное узкое сопло. Такие действия позволяют кальмарам двигаться толчками назад со скоростью до семидесяти километров в час. Во время перемещения животное собирает в пучок все свои десять щупалец, что придает телу обтекаемую форму. В сопле имеется специальный клапан. Животное поворачивает его при помощи сокращения мышц. Это позволяет морскому обитателю менять направление движения. Роль руля во время перемещений кальмара играют и его щупальца. Их он направляет влево или вправо, вниз или вверх, легко уклоняясь от столкновений с различными препятствиями.

Существует вид кальмаров (стенотевтис), которому принадлежит звание лучшего пилота среди моллюсков. Опишите принцип работы реактивного двигателя — и вы поймете, почему, преследуя рыб, это животное порой выскакивает из воды, попадая даже на палубы судов, идущих по океану. Как же это происходит? Кальмар-пилот, находясь в водной стихии, развивает максимальную для него реактивную тягу. Это и позволяет ему пролететь над волнами на расстояние до пятидесяти метров.

Если рассматривать реактивный двигатель, принцип работы какого животного можно упомянуть еще? Это, на первый взгляд, мешковатые осьминоги. Пловцы из них не такие быстрые, как кальмары, но в случае опасности их скорости могут позавидовать даже лучшие спринтеры. Биологи, изучавшие миграции осьминогов, установили, что перемещаются они наподобие того, какой имеет реактивный двигатель принцип работы.

Животное с каждой струей воды, выброшенной из воронки, делает рывок на два или даже на два с половиной метра. При этом плывет осьминог своеобразно – задом наперед.

Другие примеры реактивного движения

Существуют свои ракеты и в мире растений. Принцип реактивного двигателя можно наблюдать тогда, когда даже при очень легком прикосновении «бешеный огурец» с высокой скоростью отскакивает от плодоножки, одновременно отторгая клейкую жидкость с семенами. При этом сам плод отлетает на значительное расстояние (до 12 м) в противоположном направлении.

Принцип работы реактивного двигателя можно наблюдать также, находясь в лодке. Если из нее в воду в определенном направлении бросать тяжелые камни, то начнется движение в противоположную сторону. Такой же имеет и ракетный реактивный двигатель принцип работы. Только там вместо камней используются газы. Они создают реактивную силу, обеспечивающую движение и в воздухе, и в разряженном пространстве.

Фантастические путешествия

О полетах в космос человечество мечтало давно. Об этом свидетельствуют произведения писателей-фантастов, которые для достижения этой цели предлагали самые разнообразные средства. Например, герой рассказа французского писателя Эркюля Савиньена Сирано де Бержерака достиг Луны на железной повозке, над которой постоянно подбрасывался сильный магнит. До этой же планеты добрался и знаменитый Мюнхгаузен. Совершить путешествие ему помог гигантский стебель боба.

Реактивное движение использовалось в Китае еще в первом тысячелетии до нашей эры. Своеобразными ракетами для забавы при этом служили бамбуковые трубки, которые начинялись порохом. Кстати, проект первого на нашей планете автомобиля, созданный Ньютоном, был также с реактивным двигателем.

История создания РД

Только в 19-м в. мечта человечества о космосе стала приобретать конкретные черты. Ведь именно в этом столетии русским революционером Н. И. Кибальчичем был создан первый в мире проект летательного аппарата с реактивным двигателем. Все бумаги были составлены народовольцем в тюрьме, куда он попал после покушения на Александра. Но, к сожалению, 03.04.1881 г. Кибальчич был казнен, и его идея не нашла практического воплощения.

В начале 20-го в. мысль об использовании ракет для полетов в космос выдвинул русский ученый К. Э. Циолковский. Впервые его работа, содержащая описание движения тела переменной массы в виде математического уравнения, была опубликована в 1903 г. В дальнейшем ученый разработал саму схему реактивного двигателя, приводящегося в движение при помощи жидкого топлива.

Также Циолковским была изобретена многоступенчатая ракета и высказана идея о создании на околоземной орбите настоящих космических городов. Циолковский убедительно доказал, что единственным средством для космических полетов является ракета. То есть аппарат, оборудованный реактивным двигателем, заправляемый горючим и окислителем. Только такая ракета способна преодолеть силу тяжести и совершать полеты за пределами атмосферы Земли.

Освоение космоса

Статья Циолковского, опубликованная в периодическом издании «Научное обозрение», утвердила за ученым репутацию мечтателя. Его доводов никто не принял всерьез.

Идею Циолковского реализовали советские ученые. Возглавляемые Сергеем Павловичем Королевым, они осуществили запуск первого искусственного спутника Земли. 4 октября 1957 г. этот аппарат доставила на орбиту ракета с реактивным двигателем. Работа РД была основана на преобразовании химической энергии, которая передается топливом газовой струе, превращаясь в энергию кинетическую. При этом ракета совершает движение в обратном направлении.

Реактивный двигатель, принцип работы которого используется уже много лет, находит свое применение не только в космонавтике, но и в авиации. Но более всего его используют для запуска ракет. Ведь только РД способен перемещать аппарат в пространстве, в котором отсутствует любая среда.

Жидкостный реактивный двигатель

Тот, кто стрелял из огнестрельного оружия или просто наблюдал этот процесс со стороны, знает, что существует сила, которая непременно оттолкнет ствол назад. Причем при большем количестве заряда отдача непременно увеличивается. Так же работает и реактивный двигатель. Принцип работы его схож с тем, как происходит отталкивание ствола назад под действием струи раскаленных газов.

Что касается ракеты, то в ней процесс, во время которого происходит воспламенение смеси, является постепенным и непрерывным. Это самый простой, твердотопливный двигатель. Он хорошо знаком всем ракетомоделистам.

В жидкостном реактивном двигателе (ЖРД) для создания рабочего тела или толкающей струи применяется смесь, состоящая из топлива и окислителя. Последним, как правило, выступает азотная кислота или жидкий кислород. Топливом в ЖРД служит керосин.

Принцип работы реактивного двигателя, который был в первых образцах, сохранен и до настоящего времени. Только теперь в нем используется жидкий водород. При окислении этого вещества удельный импульс увеличивается по сравнению с первыми ЖРД сразу на 30%. Стоит сказать о том, что идея применения водорода была предложена самим Циолковским. Однако существующие на тот момент трудности работы с этим чрезвычайно взрывоопасным веществом были просто непреодолимы.

Каков принцип работы реактивного двигателя? Топливо и окислитель попадают в рабочую камеру из отдельных баков. Далее происходит превращение компонентов в смесь. Она сгорает, выделяя при этом колоссальное количество тепла под давлением в десятки атмосфер.

Компоненты в рабочую камеру реактивного двигателя попадают по-разному. Окислитель вводится сюда напрямую. А вот топливо проходит более длинный путь между стенками камеры и сопла. Здесь оно разогревается и, уже имея высокую температуру, вбрасывается в зону горения через многочисленные форсунки. Далее струя, сформированная соплом, вырывается наружу и обеспечивает летательному аппарату толкающий момент. Вот так можно рассказать, какой имеет реактивный двигатель принцип работы (кратко). В данном описании не упоминаются многие компоненты, без которых работа ЖРД была бы невозможной. Среди них компрессоры, необходимые для создания нужного для впрыска давления, клапана, питающие турбины и т. д.

Современное использование

Несмотря на то что работа реактивного двигателя требует большого количества топлива, ЖРД продолжают служить людям и сегодня. Их применяют в качестве основных маршевых двигателей в ракетоносителях, а также маневровых для различных космических аппаратов и орбитальных станций. В авиации же используются другие виды РД, которые имеют несколько иные рабочие характеристики и конструкцию.

Развитие авиации

С начала 20-го столетия, вплоть до того периода, когда разразилась Вторая мировая война, люди летали только на винтомоторных самолетах. Эти аппараты были оснащены двигателями внутреннего сгорания. Однако прогресс не стоял на месте. С его развитием появилась потребность в создании более мощных и быстрых самолетов. Однако здесь авиационные конструкторы столкнулись с, казалось бы, неразрешимой проблемой. Дело в том, что даже при незначительном увеличении мощности двигателя значительно возрастала масса самолета. Однако выход из создавшего положения был найден англичанином Френком Уиллом. Он создал принципиально новый двигатель, названный реактивным. Это изобретение дало мощный толчок для развития авиации.

Принцип работы реактивного двигателя самолета схож с действиями пожарного брандспойта. Его шланг имеет зауженный конец. Вытекая через узкое отверстие, вода значительно увеличивает свою скорость. Создающаяся при этом сила обратного давления настолько сильна, что пожарный с трудом удерживает в руках шланг. Таким поведением воды можно объяснить и то, каков принцип работы реактивного двигателя самолета.

Прямоточные РД

Этот тип реактивного двигателя является самым простым. Представить его можно в виде трубы с открытыми концами, которая установлена на движущемся самолете. В передней части ее поперечное сечение расширяется. Благодаря такой конструкции входящий воздух снижает свою скорость, а его давление увеличивается. Самое широкое место такой трубы является камерой сгорания. Здесь происходит впрыскивание топлива и его дальнейшее сгорание. Такой процесс содействует нагреванию образовавшихся газов и их сильному расширению. При этом возникает тяга реактивного двигателя. Ее производят все те же газы, когда с силой вырываются наружу из узкого конца трубы. Именно эта тяга и заставляет самолет лететь.

Читать еще:  Гибридный двигатель в тойота приус что это такое

Проблемы использования

Прямоточные реактивные двигатели имеют некоторые недостатки. Они способны работать только на том самолете, который находится в движении. Летательный аппарат, находящийся в состоянии покоя, прямоточные РД привести в действие не могут. Для того чтобы поднять в воздух такой самолет нужен любой другой стартовый двигатель.

Решение проблемы

Принцип работы реактивного двигателя самолета турбореактивного типа, который лишен недостатков прямоточного РД, позволил авиационным конструкторам создать самый совершенный летательный аппарат. Как действует это изобретение?

Основной элемент, находящийся в турбореактивном двигателе, – газовая турбина. С ее помощью приводится в действие воздушный компрессор, проходя через который, сжатый воздух направляется в специальную камеру. Полученные в результате сгорания топлива (обычно это керосин) продукты попадают на лопасти турбины, чем приводят ее в действие. Далее воздушно-газовый поток переходит в сопло, где разгоняется до больших скоростей и создает огромнейшую реактивную силу тяги.

Увеличение мощности

Реактивная сила тяги может значительно возрасти за короткий промежуток времени. Для этого используется дожигание. Оно представляет собой впрыскивание дополнительного количества топлива в поток газа, вырывающийся из турбины. Неиспользованный в турбине кислород способствует сгоранию керосина, что и увеличивает тягу двигателя. На больших скоростях прирост ее значения достигает 70%, а на малых – 25-30%.

Преимущества и недостатки реактивного двигателя

1939 год, Германия — впервые в небо поднялся самолёт, работающий на реактивном двигателе. Он превосходил по скорости полета истребители того времени. Но потреблял больше топлива и требовал длинной взлетно-посадочной полосы. Несмотря на недостатки, это был прорыв в авиации.

Сейчас этот усовершенствованный движитель применяется для запуска ракет, космических аппаратов, гражданских и военных самолётов. Рассмотрим его плюсы и минусы более подробно.

Реактивный двигатель: принцип действия и типы

Двигатель, в котором создается сила тяги за счет преобразования внутренней энергии топлива в кинетическую энергию рабочего тела, называется реактивным.

Рабочее тело с большой скоростью выходит из сопла, сообщая ему реактивную силу, направленную в противоположную сторону. Действуя согласно закону сохранения импульса, продукт сгорания топлива и двигатель перемещаются относительно друг друга в противоположных направлениях.

Если надуть воздушный шарик и, не завязывая, отпустить его, то получится простейший реактивный двигатель. Рабочее тело – накачанный в шарик воздух – будет вырываться наружу, заставляя шарик перемещаться в противоположном направлении.

Для работы реактивного двигателя нужны составляющие:

  1. Топливо.
  2. Камера сгорания (реактор), в которой внутренняя энергия топлива преобразуется в тепловую энергию рабочего тела.
  3. Сопла, из которых под давлением вырываются наружу продукты сгорания топлива, сообщая двигателю реактивную тягу.

Бывает двух типов:

  1. Воздушно-реактивный – тепловая энергия образуется при сгорании топлива в присутствии кислорода.
  2. Ракетный – работающий в безвоздушном пространстве.


Как работает турбореактивный двигатель

Если реактивный двигатель в наше время — дело обычное, то турбореактивный встречается не так часто. Ими оборудуют крупные пассажирские самолёты.

Важнейшая деталь реактивного двигателя — лопасть турбины. Она отвечает за мощность, она даёт тяговое усилие, за счёт которого самолёт получает скорость. Мощность работы одной лопасти в десять раз больше, чем среднестатистического автомобильного двигателя.

Главное отличие этих двух видов двигателей: для реактивного нужен не только запас горючего, но и окислитель, то есть воздух, который подаётся из топливных баков. Турбореактивный «тащит» на себе и без того нелёгкий груз, поэтому устроен так, что воздух он захватывает с помощью лопастей турбины из атмосферы, поэтому лайнер нужно загрузить только топливом.

Далее принцип работы турбореактивного двигателя ничем не отличается от реактивного.

Преимущества реактивного двигателя

Перед остальными видами такие:

  • Простота конструкции. Для создания простейшего реактивного двигателя достаточно камеры сгорания и сопла. В камере сгорания образуется рабочее тело с высокой тепловой энергией, которое проходя через сопло передает аппарату реактивную тягу.
  • Малое количество подвижных деталей. Для повышения эффективности работы воздушно-реактивного двигателя, созданы дополнительные механизмы. Они обеспечивают принудительное нагнетание воздуха в камеру сгорания. Их конструкция проста. Обычно это воздухозаборник с крутящимся винтом и лопастями. У ракетного таковые отсутствуют вообще.
  • Высокие удельный импульс и мощность. Удельный импульс характеризует насколько большое ускорение передается самолёту или ракете рабочим телом, что позволяет развить хорошую скорость полета. Сравнение мощностей различных типов двигателей наглядно демонстрирует преимущества реактивного: карбюраторный ДВС – 200 кВт; дизельный ДВС – 2200 кВТ.; атомный – 55 000 кВт; турбинный паровой — 300 000 кВт; реактивный – 30 000 000 кВт.
  • КПД достигает 47-60%. Этот показатель гораздо выше, чем у двигателей внутреннего сгорания (25-35%) или турбинного (27-30%). Это значит, что реактивный совершает больше полезной работы.
  • Управляемость с помощью тяги во время космических полетов. Меняя расход топлива, можно уменьшать или увеличивать скорость полета, делать манёвры и вовсе отключать двигатель, а затем снова его запускать. При этом ему не требуется взаимодействовать с другими телами.
  • Работает при низком давлении воздуха или вовсе без него в условиях безвоздушного пространства. Пока ещё не создан механизм, который зарекомендовал себя лучше в условиях космоса.

Реактивный двигатель: мотор, подаривший людям небо

Мы живем в эпоху реактивной авиации – это знакомо любому, даже не слишком сведущему в технических вопросах, человеку. Поршневой мотор с традиционным винтом, хотя и не совсем канул в Лету, но лидирующие позиции он сдал давным-давно. Подавляющее большинство современных самолетов – пассажирских, транспортных и военных – оснащены различными типами реактивных двигателей. Именно благодаря моторам подобно конструкции авиация превратилась в удобный, массовый и быстрый вид транспорта.

Реактивный двигатель (РД) – это двигатель, создающий силу тяги путем преобразования внутренней энергии топлива в кинетическую рабочего тела. Оно истекает из сопла со значительной скоростью, и, согласно закону сохранения импульса, толкает его в противоположную сторону. Это и есть принцип работы реактивного двигателя. Особенностью РД является его сочетание с движителем, усилие тяги он создает только за счет контакта с рабочим телом, без опоры или взаимодействия с иными объектами. Первым прототипом РД можно назвать шар Герона, созданный еще в I веке н. э.

В наши дни основной областью применения реактивного двигателя является авиация и ракетостроение, но не только. Их пытались устанавливать на поезда и автомобили, правда, широкого распространения такие транспортные средства так и не получили. Турбины используются при перекачке природного газа, причем многие из подобных агрегатов разработаны на базе авиационных ВРД и имеют аналогичный принцип действия.

В данном материале мы подробно коснемся конструкции устройств, относящихся к реактивным двигателям. Рассмотрим, как работает реактивный двигатель, представим их классификацию, а также основные особенности применения.

Недостатки реактивного двигателя

  • Создает сильный шум при работе. При взлете реактивного самолёта создается шум до 120 децибел. Для человеческого уха это значение близко к болевому порогу. Если стоять на расстоянии 100 метров от места взлета космического корабля, можно получить контузию. Ведь уровень шума достигает 150 децибел. Ученым пока не удается подавить шум от реактивного движителя или решить эту проблему иным способом.
  • Расходует большой объем топлива. Он невероятно прожорлив. Чтобы вывести на орбиту ракетную систему с исходным весом 3000 тонн, необходима установка пяти таких двигателей. Они придают рабочему телу скорость 3 км/с. При этом высвобождается 10 тонн отработанных газов в секунду. За 4 секунды в камерах без остатка сгорает одна цистерна ракетного топлива.
  • Ограниченный ресурс для космических полетов. Все виды топлива, которые применяют для ракет, выделяют ограниченное количество энергии. Этого недостаточно для совершения полетов в пределах Галактики и даже между планетами Солнечной системы. Перспективным направлением считается использование ядерной энергии.
  • Большой вес и размер летательных аппаратов. Перед учеными, изучающими космос, стоят колоссальные задачи. Одна из главных – создание летательного аппарата для межпланетных и межзвездных перелетов. Они научились выводить на земную орбиту ракеты, спутники, достигли Луны. Для дальних полетов использовать реактивный двигатель невыгодно и нецелесообразно. Ученые подчитали, что для полета ракеты на Марс, ее стартовый вес должен составлять – 30 000 тонн, а на Юпитер – 250 000 тонн. Соответственно, увеличатся и размеры летательных аппаратов.
  • Топливо расходуется быстро. Для длительного полета необходим большой объем энергоносителя. Емкости с горючим составляют значительную часть от массы самолёта или космического корабля.

Реактивное движение в природе

Во время летнего отдыха на юге практически каждый из нас, купаясь в море, встречался с медузами. Но мало кто задумывался о том, что эти животные перемещаются так же, как реактивный двигатель. Принцип работы в природе подобного агрегата можно наблюдать при перемещении некоторых видов морских планктонов и личинок стрекоз. Причем КПД этих беспозвоночных зачастую выше, чем у технических средств.

Кто еще может наглядно продемонстрировать, какой имеет реактивный двигатель принцип работы? Кальмар, осьминог и каракатица. Подобное движение совершают и многие другие морские моллюски. Возьмем, например, каракатицу. Она вбирает воду в свою жаберную полость и энергично выбрасывает ее через воронку, которую направляет назад или вбок. При этом моллюск способен совершать движения в нужную сторону.

Принцип работы реактивного двигателя можно наблюдать и при перемещении сальца. Это морское животное принимает воду в широкую полость. После этого мышцы его тела сокращаются, выталкивая жидкость через отверстие, находящееся сзади. Реакция получаемой при этом струи позволяет сальце совершать движение вперед.

Ракетный двигатель

(РД),
реактивный двигатель
, использующий для своей работы только вещества и источники энергии, имеющиеся в запасе на перемещающемся аппарате (летательном, наземном, подводном). Т. о., в отличие от
воздушно-реактивных двигателей
, для работы РД не требуется окружающая среда (воздух, вода). В зависимости от вида энергии, преобразующейся в РД в кинетическую энергию реактивной струи, различают химические (термохимические) ракетные двигатели (ХРД),
ядерные ракетные двигатели
(ЯРД),
электрические ракетные двигатели
(ЭРД). Наибольшее распространение получили ХРД, т. е. РД, работающие на химическом ракетном топливе. ЯРД и ЭРД получат, вероятно, значительное распространение в будущем, главным образом на
космических летательных аппаратах.
Известно большое число химических РД, различающихся по компонентам топлива (окислителю и горючему) их агрегатному состоянию, значению реактивной тяги

, конструкции, назначению и т.п. Однако принципиальные схемы и рабочие процессы различных типов ХРД практически аналогичны. В любом из них имеется основной агрегат, состоящий из
камеры сгорания
и
реактивного сопла
(
рис.
, а). В камере идёт окисление горючего и выделение продуктов реакции — раскалённых газов. В реактивном сопле газы разгоняются (в результате расширения) и вытекают с большой скоростью наружу, образуя реактивную струю, т. е. создавая реактивную тягу двигателя. За малым исключением все ХРД работают в непрерывном режиме, давление газов в камере сгорания остаётся при работе двигателя приблизительно постоянным. Некоторые ХРД (наименьшие по размерам) работают в импульсном режиме. По агрегатному состоянию топлива ХРД подразделяют на
жидкостные ракетные двигатели
(ЖРД),
твердотопливные ракетные двигатели
(РДТТ), РД на гибридном (комбинированном) топливе (РДГТ), желеобразном (тиксотропном), псевдосжиженном и газообразном (парогазовом) топливе.

Твердотопливные РД — родоначальники всех РД — применяются для запуска сигнальных, фейерверочных и боевых ракет (см. Реактивная артиллерия

), а также в космонавтике. Достоинства РДТТ — надёжность и простота эксплуатации, постоянная готовность к действию при длительном хранении; недостатки — меньшая эффективность по сравнению с лучшими ЖРД, трудность регулирования значения и направления реактивной тяги и, как правило, одноразовость использования. РДТТ могут развивать рекордную для ХРД тягу, их удельный импульс достигает 2,5—3 (
кн
×
сек
)/
кг.
Наиболее совершенные из современных РД — жидкостные РД. ЖРД, в особенности мощные, снабжены рядом сложных автоматических систем: запуска и остановки, регулирования тяги и расходования компонентов топлива, управления вектором тяги и др. Эффективность ЖРД в большой степени зависит от выбора компонентов топлива, прежде всего окислителя. Максимальная тяга единичных ЖРД приближается к 10 Мн,

Читать еще:  Устройство и принцип работы дизельного двигателя кратко

удельный импульс достигает 4,5 (
кн
×
сек
)/
кг.
В РД на комбинированном топливе используются одновременно жидкие и твёрдые компоненты топлива. Обычно в камере сгорания РДГТ размещается твёрдое горючее, а жидкий окислитель подаётся из бака — подобным сочетанием достигается большая энергопроизводительность топлива; иногда в камере размещают твёрдый окислитель, а в баке — жидкое горючее. Особенность РДГТ — гетерогенное
горение
топлива. В подобных РД сочетаются достоинства и недостатки ЖРД и РДТТ; широкого применения они не получили. РД на желеобразном, псевдо-сжиженном и газообразном топливе находятся (1975) в стадии изучения.

У ядерных РД (находятся в стадии изучения) можно получить удельный импульс, значительно превышающий импульс, развиваемый ХРД. Теплота, выделяющаяся в реакторах, идёт на нагрев рабочего тела, т. е. у этих РД, в отличие от ХРД, источник энергии и рабочее тело разделены (рис.

, б)
.
Повышение удельного импульса в десятки и сотни раз достигается с помощью электрических РД, в которых в кинетическую энергию реактивной струи переходит электрическая энергия.

Теоретически РД предельных возможностей является фотонный (квантовый) РД, в котором реактивная струя образуется квантами излучения (см. Фотон

). Возможная область применения
фотонного ракетного двигателя —
межзвёздные полёты, но пока (1975) реальных путей создания подобных РД не найдено.

По характеру использования в ракетной и космической технике РД могут быть маршевыми (основные двигатели ракеты, разгоняющие её, например, до космической скорости), управляющими, тормозными, корректирующими, ориентационными, стабилизирующими и др. В авиации нашли применение РД в качестве основных и вспомогательных (стартовых, ускорительных) двигателей.

см. при статьях об отдельных видах ракетных двигателей.

Прямоточный воздушно-реактивный двигатель

Одним из наиболее простых по конструкции силовых агрегатов семейства воздушно-реактивных двигателей является прямоточный воздушно-реактивный двигатель (ПВРД). Как и у всех других ВРД, его тяга обеспечивается сгоранием топлива и образованием реактивного потока, но при этом он имеет и ряд принципиальных отличий.

Устройство ПВРД

Конструкция ПВРД, как было отмечено выше, отличается лаконичностью и минимальным количеством составляющих элементов. В упрощенном варианте он состоит из диффузора, камеры сгорания и сопла, а также вспомогательных систем подачи топлива и зажигания, которые в некоторых моделях могут и отсутствовать. На первый взгляд может показаться, что собрать такой двигатель можно и самостоятельно, ведь в нем нет ничего сложного, но на самом деле это не совсем так. Эффективность работы ПВРД зависит от множества мелких нюансов, в том числе и от формы, геометрии и размеров диффузора и сопла. Эти параметры определяют тип ПВРД, его мощность и сферу применения.

Принцип работы

Работа ПВРД, как и практически всех реактивных двигателей (кроме пульсирующих ВРД), нециклична, то есть беспрерывна. Встречный поток воздуха через входное устройство попадает в диффузор, где снижает свою скорость и сжимается, превращая кинетическую энергию движения во внутреннюю. Сжатый и нагретый воздух с пониженной скоростью попадает в камеру сгорания, перемешивается с впрыснутым форсунками топливом и образует топливный заряд. Полученная горючая смесь воспламеняется от искры или при контакте с горячими стенками двигателя, в результате чего образуются продукты сгорания – газы с большим зарядом энергии. Поток расширяющихся газов проходит через сопло и выходит наружу со скоростью большей, чем скорость полета, образуя реактивную тягу.

В некоторых моделях ПВРД жидкое топливо заменяется твердым, расположенным в камере сгорания, что значительно упрощает его конструкцию. В этом случае система подачи топлива отсутствует, а само топливо представляет собой измельченный порошок бериллия, алюминия или магния, который нагревается и под влиянием температуры и кислорода постепенно окисляется.

Как легко заметить, ПВРД имеет один недостаток: он не может работать при низких скоростях или в неподвижном состоянии. Для его запуска и стабильной работы необходим достаточно мощный встречный воздушный поток, который может обеспечиваться только дополнительным ускорителем.

История создания

Конструкция и принцип работы ПВРД были разработаны и запатентованы французом Рене Лореном в 1913 году. Многих авиаконструкторов того времени привлекла простота устройства этого двигателя, возможность его использования при полетах со сверхзвуковыми скоростями и в разреженных слоях атмосферы. Первые рабочие модели были получены во Франции, США и СССР уже в 30-х годах. Начало Второй мировой войны остановило многие научные работы, но уже в конце 40-х – начале 50-х годов ученые вновь вернулись к ПВРД. Первой ракетой, оснащенной этим двигателем, стала французская Leduc 010, за которой последовали Leduc 021 и Leduc 022. Со временем эксперименты с ПВРД прекратились, а их признали бесперспективными, потому как появились более удобные в использовании и эффективные ТРД.

Среди отечественных разработок стоит отметить межконтинентальную ракету «Буря», над созданием которой работали советские конструкторы. В 1957 году она прошла первые испытания, которые выявили ряд ее недостатков, таких как проблемы с точностью поражения целей. Из современных ракет ПВРД оснащаются П-270 «Москит» и П-800 «Оникс».

Типы ПВРД

В зависимости от скорости, которую они могут развивать, ПВРД делятся на три типа:

  • дозвуковые;
  • сверхзвуковые;
  • гиперзвуковые.

Дозвуковые ПВРД используются для полетов со скоростью, не превышающей звуковой. Они имеют наиболее простую конструкцию, описанную выше, и отличаются довольно низким КПД, что объясняется низкой степенью сжатия воздуха в диффузоре. Диапазон их скоростей находится в пределах 0,5-1М (М – число Маха), если скорость ниже, двигатель перестает работать. Низкий КПД, ограничение по скорости, необходимость первоначального разгона – все это делает дозвуковые ПВРД малоэффективными, поэтому они практически не используются.

Сверхзвуковые ПВРД развивают скорость в пределах от 1 до 5М. Их легко узнать по характерному конусу, который выступает в передней части и предназначен для скачкообразного торможения воздушного потока. Такие конусы называются центральным телом и обеспечивают внешнее сжатие. При движении на сверхзвуковых скоростях поток воздуха попадает на конусную поверхность и тормозится, причем торможение происходит в виде резкого скачка в несколько этапов (обычно не более 4-х скачков). Скорость при этом остается сверхзвуковой. Далее воздушный поток попадает в диффузор, где продолжает сжиматься и тормозиться до дозвуковой скорости.

Конусы могут заменяться плоскими входными устройствами двухмерного течения без центрального тела. Скачкообразное повышение давления в этом случае обеспечивается сложной формой внутреннего канала. Именно сверхзвуковые ПВРД нашли широкое применение в военной авиации. По своим характеристикам они сравнимы с другими типами ВРД, что в сочетании с простой конструкцией делает их незаменимыми в определенной сфере. Степень сжатия воздуха в таких двигателях сравнима со степенью сжатия в компрессорах ТРД. Правда, диапазон скоростей, на которых они достигают наибольшей эффективности, находится в узких пределах от 3 до 5М.

Гиперзвуковые ПВРД – это пока только научные разработки авиаконструкторов. На сегодняшний день еще нет ни одного экспериментального рабочего образца этих двигателей, диапазон скоростей которых должен быть выше 5М. Его принципиальное отличие от двух предыдущих типов заключается в том, что поток воздуха проходит через диффузор и камеру сгорания со сверхзвуковой скоростью. Сечение всего тракта двигателя постоянно расширяется; поток, проходя по нему, тормозится лишь частично, а при сгорании топлива дополнительно ускоряется, так что его скорость на выходе больше, чем на входе. Основной проблемой при разработке таких двигателей является организация сгорания топлива в условиях сверхзвукового воздушного потока.

Основные отличия ПВРД от других типов двигателей:

  • отсутствие компрессора, как такового. Роль компрессора играет либо диффузор, либо входное устройство;
  • невозможность запуска при нулевой скорости, необходимость внешнего дополнительного ускорителя;
  • эффективная работа только в узких скоростных диапазонах в зависимости от типа ПВРД.

Если сравнивать рабочие характеристики ПВРД и других типов реактивных двигателей, можно сделать вывод, что дозвуковые ПВРД полностью проигрывают своим ближайшим «родственникам» по мощности и КПД. А вот сверхзвуковые модели вполне конкурентоспособные: их термический КПД выше, чем у других реактивных моторов.

Достоинства и недостатки ПВРД

К достоинствам прямоточного ВРД несомненно стоит отнести простоту конструкции и минимальное количество составляющих элементов, а значит, и сравнительно низкую себестоимость. Кроме этого:

  • возможность использования двигателя при полетах на большой высоте в разреженных слоях атмосферы;
  • возможность использования твердого топлива, что упрощает конструкцию;
  • высокий показатель термического КПД у сверхзвуковых ПВРД, достигающий значения порядка 60%, что выше, чем у других реактивных двигателей.

Недостатки:

  • двигатель не может работать при нулевой и при низкой скорости; для его работы необходимо наличие встречного воздушного потока;
  • наиболее перспективные сверхзвуковые ПВРД эффективно работают только в узких скоростных диапазонах (3-5М).

Сфера применения

Использование ПВРД на пилотируемых самолетах нецелесообразно, ведь для их запуска нужны дополнительные двигатели. Намного проще сразу установить, например, ТРД. Именно поэтому их применение сводится к установке на крылатые ракеты, летающие мишени и непилотируемые самолеты, летающие со скоростью в пределах от 2 до 5М. В основном это «одноразовые» двигатели, что вполне логично, учитывая их невысокую стоимость и простую конструкцию. Запуск аппаратов с ПВРД осуществляется за счет их разгона до рабочей скорости с помощью самолетов-носителей или ракетных ускорителей.

Гиперзвуковые ПВРД планируется использовать на космических аппаратах, но пока это только теория.

Несмотря на то, что использование ПВРД в настоящее время ограничено, постоянно ведутся работы по улучшению их рабочих характеристик и созданию новых моделей.

Последняя разработка является двигатель Sabre частной фирмы Reaction Engines.

Суть данного двигателя в том, что традиционные двигатели, которые сегодня применяются в авиации, для полета на гипер скоростях требуют спецрезервуаров с жидким кислородом, если самолет развивает в полете скорость более 3000 км/ч. Обыкновенный воздух на таких скоростях нагревается до очень высоких температур, порядка 1000 градусов по Цельсию, что резко понижает термическое КПД. Особенность двигателя Sabre в том, что позволяет применять атмосферный воздух вместо жидкого кислорода. Когда воздух проходит сквозь двигатель, он сжимается и разогревается, в это время он попадает в холодильник, который оснащен целой системой трубок, которые наполняются гелием эти трубки, гелий охлаждает воздух до необходимой температуры. У двигателя Sabre есть одна особенность. Он в состоянии работать в 2-х режимах: как реактивный двигатель и как ракетный двигатель. Устанавливаться он будет на самолете Skylon. Данная аппарат сможет разогнаться в атмосфере в 5 раз быстрее скорости звука и в 25 раз в открытом космическом пространстве.

Skylon готовиться как космический самолет, способный выводить спутники на низкую орбиту. При этом это будет очень выгодная технология. По словам Алана Бонда, являющегося основателем компании, суммы, которые требуются для запуска спутников и других похожих миссий, могут уменьшиться сразу на 95% в том случае, если будет налажено коммерческое производство двигателей Sabre.

голоса
Рейтинг статьи
Ссылка на основную публикацию
ВсеИнструменты
Adblock
detector