Принцип работы реактивного двигателя

Принцип работы реактивного двигателя

В целом принцип работы реактивного двигателя почти аналогичен принципу работы ядерного двигателя. Для первого используется химическая движущая энергия, для второго — энергия ядерных элементов.

Многие из нас, особенно мужская половина населения (в армии, на охоте, на стрельбище, на полигоне), стреляли из огнестрельного оружия и соответственно ощущали действие реактивной силы в виде отдачи. Тот же принцип, основанный на законе сохранения количества движения, используется в реактивных двигателях, где основным двигателем является топливо.

Если рассматривать вариант реактивного двигателя, работающего на керосиновом топливе, то выделяется огромная энергия в виде тепла и мгновенного увеличения смесительной камеры агрегата, где происходит смешение топлива с окислителем и сжигание состава при давления в 10-20-30 или в несколько раз выше атмосферного.

При постоянной подаче горючего и окислителя (воздух, жидкий кислород, азотная кислота) уходящая кинетическая энергия рабочей смеси выхлопных газов будет иметь высокий движущий импульс. А вытекающие через сопло «Лаваля» аппарата в окружающее пространство струи будут приводить аппарат в движение за счет выталкивающего момента.

Как действует реактивная сила?

Чтобы понять, как работает реактивный двигатель, нужно понять, как работает эта сила.

Итак, представьте себе выстрел из любого огнестрельного оружия. Это яркий пример действия реактивной силы. Струя горячего газа, которая образовалась при сгорании заряда в патроне, отталкивает оружие назад. Чем мощнее заряд, тем сильнее будет отдача.

А теперь представьте себе процесс воспламенения горючей смеси: он происходит постепенно и непрерывно. Именно так выглядит принцип работы прямоточного воздушно-реактивного двигателя. Точно так же работает ракета с твердотопливным реактивным двигателем — это самый простой из вариантов. С ним знакомы даже начинающие ракетомоделисты.

Черный порох впервые был использован в качестве топлива для реактивных двигателей. Реактивные двигатели, принцип действия которых был уже более совершенным, требовали топлива на основе нитроцеллюлозы, растворенной в нитроглицерине. В крупных подразделениях, запускающих ракеты, выводящие на орбиту шаттлы, сегодня используют специальную смесь полимерного топлива с перхлоратом аммония в качестве окислителя.

Основной этап

Делая импульсно-реактивный двигатель в домашних условиях, помните, что трубы фиксированного диаметра легко изготовить из аналога большего размера. Операцию вполне можно выполнить руками за счет рычажного принципа, после чего края заготовки обрабатывают молотком, загибая их до нужного состояния. Желательно, чтобы торцы при соединении образовывали плоскость, что улучшит расположение сварного шва. Листы согнуть в трубочку сложнее, нужен трубогиб или ролики. Этот профессиональный инструмент подходит не всем. В качестве альтернативы можно использовать тис.

Важным и кропотливым моментом является сварка тонкого металлического листа. Здесь потребуются особые навыки, особенно если в процессе используется ручная дуговая сварка. Новичкам лучше не пытаться экспериментировать (малейший пересвет электрода в какой-то момент приводит к прожогу дырки). Кроме того, в зону шва могут попасть пузыри, что тогда гарантирует протечку.

Шов лучше всего зашлифовать до минимальной толщины, что позволит увидеть «брак» невооруженным глазом сразу. Конические сегменты сгибают вручную, при этом узкий конец заготовки обжимают трубкой малого диаметра, прикладывая большее усилие, чем на широкую часть.

Минусы

Среди недостатков также немало моментов, а именно:

• высокий уровень шума в рабочем состоянии;
• чрезмерный расход топлива;
• наличие остатков топлива после использования;
• повышенная уязвимость впускного клапана;
• ограничение скорости.

Несмотря на все недостатки, ПВРД по-прежнему востребован в своем сегменте. Такой двигатель незаменим при разовых пусках, особенно если ставить мощные и дорогие версии нецелесообразно.

Как формируется реактивная тяга?

Для формирования реактивной тяги (двигательной тяги), которая используется реактивными двигателями, необходимо:

• Источники начальной энергии, которая преобразуется в кинетическую энергию струйных течений;
• Рабочие жидкости, которые будут выбрасываться из реактивных двигателей в виде реактивных струй;
• Сам реактивный двигатель как преобразователь энергии.

Разновидности

В дополнение к обычному прямолинейному и впускному клапанному варианту пульсирующего реактивного двигателя существуют также бесклапанный и детонационный варианты.

Первая модификация не оборудована впускным клапаном. Это связано с уязвимостью и быстрым износом дополнительной детали. В этом варианте срок службы силовой установки больше. По конструкции устройство представляет собой фигуру в виде буквы U, концы которой направлены вниз по потоку реактивной тяги (назад). Канал, отвечающий за тягу, немного длиннее. Короткая трубка вводит поток воздуха в камеру сгорания.

В результате сгорания и расширения газов часть их возвращается обратно через указанный вход. Такое устройство позволяет обеспечить улучшенную вентиляцию рабочей камеры. При этом отсутствуют потери заряда топлива через впускной клапан, что создает небольшую «прибавку» тяги.

ПВРД детонационного типа ориентирован на сжигание заряда топлива посредством детонации. То есть при постоянном объеме происходит резкое увеличение давления топливно-воздушной смеси в камере сгорания. В этом случае объем увеличивается с момента движения газов по сопловой части. Такое решение позволяет повысить тепловую эффективность. На данный момент данная конфигурация двигателей не эксплуатируется и находится на стадии исследований и доработок.

Попытки усовершенствования

После окончания войны пульсирующий реактивный двигатель некоторое время оставался в военных разработках. Он использовался в качестве винта для ракет класса «воздух-земля». Низкий КПД, малая скорость пуска и необходимость разгона при пуске — причины, ставшие ключевыми для дальнейшего сведения положения ПВРД к нулю.

Указанный тип двигателя в последнее время снова начал интересовать инженеров и любителей. Есть новые разработки, другие схемы усовершенствования. Вполне возможно, что обновленные модификации вновь появятся на вооружении боевой авиации. Его практическое применение сегодня — моделирование прототипов ракет и самолетов с использованием современных конструкционных материалов.

Подготовительный процесс

Перед тем, как приступить к строительству пульсирующего реактивного двигателя своими руками, необходимо очистить металлические листы от ржавчины и пыли. Для этого вполне подойдет стандартная болгарка. Позаботьтесь о безопасности – наденьте перчатки, так как края листов острые и полны заусенцев.

Перед началом основной работы необходимо подготовить чертежи и картонные шаблоны деталей в натуральную величину. Для получения точной конфигурации и размеров контуры обводят перманентным маркером. Категорически не рекомендуется резать шлицы сварочным аппаратом, каким бы современным он ни был.

Дело в том, что полученные таким образом детали очень плохо свариваются по краям. Рекомендуется для этой цели использовать электрические ножницы по металлу, так как в ручном варианте велик риск загнуть края заготовок. Вырезать нужно аккуратно, закрепить обработанный шаблон струбциной или другим подходящим способом.

Детонационный пульсирующий реактивный двигатель своими руками

Для начала нужно сделать чертеж с разверткой будущих деталей. Если вы помните основы школьной геометрии и имеете минимальные навыки рисования, можно приступать к работе. Самая простая компоновка – цилиндрические трубы. Рисуются прямоугольники, где одна сторона будет равна длине, а другая диаметру (умноженному на 3,14 — число «пи»). Конические и цилиндрические развертки можно выполнить, найдя необходимые рекомендации в любом чертежном справочнике.

Другим важным вопросом является выбор металла. В качестве альтернативы можно использовать нержавеющую сталь или сталь с низким содержанием углерода. Остановимся на втором варианте, так как он проще в обработке и формировании. Минимальная толщина листа 0,6 мм. В данном случае размер был 1 мм.

Мотор самолета

Эти двигатели используются и в самолетах. Так, например, на огромные пассажирские лайнеры устанавливают ТРД. Отличаются от обычных наличием двух баков. В одном горючее, в другом окислитель. В то время как турбореактивный двигатель перевозит только топливо, в качестве окислителя используется воздух, выдуваемый из атмосферы.

Двухконтурный РД

Эти агрегаты имеют множество преимуществ перед ТРД. Например, значительно меньший расход топлива при той же мощности.

Но сам двигатель имеет более сложную конструкцию и больший вес.

Да и принцип работы двухконтурного реактивного двигателя немного другой. Захваченный турбиной воздух частично сжимается и подается в первый контур компрессора и во второй контур неподвижных лопаток. Затем турбина действует как компрессор низкого давления. В первом контуре двигателя воздух сжимается и нагревается, а затем с помощью компрессора высокого давления подается в камеру сгорания.

Здесь топливо смешивается и воспламеняется. Образуются газы, которые подаются на турбину высокого давления, за счет чего вращаются лопатки турбины, которые в свою очередь обеспечивают вращательное движение компрессору высокого давления. Затем газы проходят через турбину низкого давления. Последний приводит в действие вентилятор, и, наконец, газы выходят и создают тягу.

Отклоняемый вектор тяги

Реактивные двигатели имеют сопла различной конфигурации. Наиболее совершенными считаются подвижные сопла, расположенные на двигателях, имеющих отклоняемый вектор тяги. Их можно сжимать и расширять, а также отклонять на значительные углы — так непосредственно регулируются и контролируются реактивные потоки. За счет этого самолеты с двигателями с отклоняемым вектором тяги становятся чрезвычайно маневренными, поскольку процессы маневрирования происходят не только за счет воздействия механизмов крыла, но и непосредственно самих двигателей.

Двухлопастные турбовинтовые двигатели

В этом типе турбовинтового двигателя мощность турбин регулируется с помощью редукторов для вращения классических винтов. Наличие таких двигателей позволяет крупным самолетам летать на максимально допустимых скоростях и при этом потреблять меньше реактивного топлива. Нормальная крейсерская скорость для турбовинтовых самолетов может составлять 600-800 км/ч.

Как получить рабочее тело?

Для получения рабочего тела в реактивных двигателях можно использовать:

• Вещества, взятые из окружающей среды (например, вода или воздух);
• Вещества в баках транспортных средств или в камерах реактивных двигателей;
• Смешанные вещества, поступающие из окружающей среды и хранящиеся на борту транспортных средств.

Современные реактивные двигатели используют главным образом химическую энергию. Рабочие органы представляют собой смесь горячих газов, являющихся продуктами сгорания химического топлива. При работе реактивного двигателя химическая энергия горящих веществ преобразуется в тепловую энергию продуктов сгорания. При этом тепловая энергия горячих газов преобразуется в механическую энергию от поступательных движений реактивных струй и устройств, на которых установлены двигатели.

Как работает реактивный двигатель

Воздух из окружающего пространства поступает на впуск вентиляторов, которые подают его дальше к лопаткам турбокомпрессора, вращающимся с очень большой скоростью. При этом поступающий воздух выполняет 2 функции:

• окислитель для сжигания топлива;
• охладитель агрегата.

В лопаточном аппарате турбокомпрессора воздух плотно сжимается и под высоким давлением (от 3 МПа) подается в камеру смешения топлива реактивного двигателя. На рис. 3 видно, что камера сгорания устроена таким образом, что воздух смешивается в несколько стадий — на входе и в самой камере. Вот откуда идет топливо.

Хорошо перемешанная и достаточно обогащенная смесь воспламеняется, и в результате сгорания выделяется тепловая энергия с выделением большого объема газов. Последний приводит в движение турбину горячей части двигателя, работа которой выполняет роль привода турбонагнетателя.

В некоторых моделях реактивных двигателей турбины на выходе не установлены. Преимущественно эта конструкция используется в конструкции и принципе работы ракетного двигателя, где продукты сгорания после камеры попадают в выходные сопла.

При выходе из горячей ступени газы во всех реактивных машинах проходят через сопла. Эти элементы различаются по конструкции для разных моделей струйных агрегатов и представляют собой «трубку», которая вначале сужается и увеличивается в диаметре по направлению к выходу газов. Благодаря такой конструкции выхлопные газы увеличивают скорость до сверхзвуковой и образуют реактивную силу.

Температура горения в «сердце» струйного агрегата достигает 2500°С, поэтому они конструктивно требовательны к холодостойкости.

Плюсы

Принцип действия реактивно-пульсного двигателя в совокупности с простотой конструкции и низкой стоимостью являются основными достоинствами рассматриваемой системы. Эти характеристики привели к появлению этих двигателей на боевых ракетах, летающих мишенях и других объектах, где важна не долговечность, а быстрая доставка самолета к цели при максимально упрощенной конфигурации «двигателя».

Любители авиамоделизма ценят нынешнюю модификацию по тем же причинам. Компактные, дешевые и легкие двигатели отлично подходят для авиамоделей. Еще один плюс – возможность изготовить элементарный пульсирующий реактивный двигатель своими руками.

Твердотопливные ракеты: топливная смесь

Ракетные двигатели на твердом топливе — первые двигатели, созданные человеком. Они были изобретены сотни лет назад в Китае и используются до сих пор. Красный свет от ракет воспет в национальном гимне (написанном в начале 1800-х годов) и относится к небольшим твердотопливным ракетам, используемым для доставки бомб или зажигательных устройств. Как видите, такие ракеты существуют уже давно.

Идея твердотопливной ракеты довольно проста. Вам нужно сделать что-то, что быстро горит, но не взрывается. Как известно, порох не годится. Порох состоит из 75 % селитры (селитры), 15 % древесного угля и 10 % серы. В ракетном двигателе нет необходимости во взрывах — нужно, чтобы топливо сгорело. Вы можете изменить смесь на 72% нитратов, 24% древесного угля и 4% серы. Вместо пороха вы получаете ракетное топливо. Эта смесь будет гореть быстро, но не взорвется при правильной загрузке. Вот типичный график:

Слева вы видите ракету до зажигания. Твердое топливо показано зеленым цветом. Он имеет форму цилиндра с просверленной посередине трубкой. При воспламенении топливо горит вдоль стенки трубы. Когда он горит, он выгорает по направлению к телу, пока не сгорит полностью. В небольшой модели ракетного двигателя или небольшой ракетки процесс горения может длиться секунду или меньше. В большой ракете топливо горит не менее двух минут.

Особенности конструкции турбореактивного двигателя

ТРД состоит из следующих элементов:

• устройство ввода;
• компрессор;
• камеры сгорания;
• турбины;
• сопла.

Во время полета набегающий поток воздуха тормозится во входном устройстве: скорость преобразуется в давление. Затем воздушный поток поступает в компрессор, что еще больше увеличивает степень сжатия. В камере сгорания нагрев происходит при сгорании топлива. От него сильно нагретый и сжатый поток направляется на турбину. Там газы работают за счет вращения лопаток, которые передаются на компрессор и другие вспомогательные агрегаты.
Конструкция турбореактивного двигателя

Когда он выходит из турбины турбореактивного двигателя, газ имеет давление, намного превышающее атмосферное давление. За счет этого достигается высокая скорость истечения из выходного сопла, что создает реактивное давление.

В 60-х и 70-х годах прошлого века ТРД широко применялись на различных типах гражданской и военной авиации. Позже их заменили двухконтурные турбореактивные двигатели (ТРДД), обладающие лучшим КПД, особенно при полете на дозвуковых скоростях. По сути, сегодня они являются основными двигателями современной авиации. Каков принцип работы РВД этого типа?

Внутренний (первый) контур любого ТРД фактически представляет собой обычный ТРД. Воздух, пройдя воздухозаборник, поступает в компрессор низкого давления, также называемый вентилятором. После этого он разделяется на два потока: один из которых поступает во внутренний контур, где проходит описанный выше нормальный цикл ТРД. Второй выходит во внешний контур, мимо турбины и камеры сгорания, и попадает в сопло, где смешивается с потоком, выходящим из первого контура. Этот тип двигателя называется смешанным ТРДД.

Благодаря наличию внешнего контура снижается общая скорость истечения газов из сопла, что повышает эффективность тяги. Важнейшей характеристикой любого ТРДД является степень его двухконтурности — это соотношение расхода воздуха по внутреннему и внешнему контурам. Двигатели с высокой степенью двухконтурности (выше 2) называются ТРДД. Основным недостатком двигателей этого типа являются их значительные габариты и масса, а достоинством — высокий КПД. Турбореактивные двигатели используются на большинстве коммерческих авиалайнеров и транспортных самолетов.

Существует несколько способов повышения эффективности ТРДД и ТРДД:

• дожигатель;
• регулируемая насадка;
• управление вектором тяги.

У любого ТРД есть запас мощности: избыток кислорода в камере сгорания. Однако его нельзя использовать напрямую — через увеличение впрыска топлива — потому что детали двигателя не выдерживают более высоких температур. Конструкторы пошли по другому пути, и он оказался правильным: между турбиной и соплом сжигается дополнительное топливо, что повышает температуру рабочего тела и значительно увеличивает тягу (до 1,5 раз). Форсажные камеры в основном устанавливаются на боевые самолеты.
Конструкция турбовентиляторного двигателя. Именно таким двигателем оснащаются современные пассажирские лайнеры

Регулируемое сопло состоит из подвижных продольных элементов, управляя положением которых можно изменять геометрию самой узкой части выходного отверстия двигателя. Это позволяет оптимизировать работу двигателя на разных его режимах.

Управление вектором тяги осуществляется с помощью специальных изгибаемых насадок, позволяющих изменять поток рабочего тела относительно оси двигателя. Такая конструкция несколько усложняет управление самолетом, но значительно повышает его маневренность и взлетно-посадочные характеристики.

История развития реактивных двигателей

Развитие реактивных двигателей неразрывно связано с развитием авиации. На протяжении почти всей истории улучшение летных характеристик в основном обеспечивалось непрерывным совершенствованием авиационных двигателей.

Первые самолеты были оснащены поршневыми двигателями, и эта ситуация оставалась неизменной в течение нескольких десятилетий. Постепенно их конструкция совершенствовалась, увеличивалась мощность, снижался расход топлива. Но в середине 40-х годов прошлого века стало ясно, что авиационный поршневой двигатель достиг своего предела, и для дальнейшего развития нужны совсем другие технологии и новые конструктивные решения.

Всего за несколько десятилетий поршневая авиация прошла впечатляющий путь: если первые самолеты летали со скоростью 50 км/ч, то к середине Второй мировой войны они перешагнули рубеж в 700 км/ч дальнейшее увеличение мощности пришло в противоречие с другими важными характеристиками любого авиадвигателя — компактностью и массой.

Вторым препятствием, препятствовавшим увеличению скорости поршневых самолетов, был воздушный винт — пропеллер. Дело в том, что на высоких скоростях начинает работать такое неприятное явление, как «эффект блокировки», не позволяющее увеличить тягу даже при увеличении мощности.

Попытки создания самолетов с реактивным двигателем предпринимались еще на заре развития авиации. В 1913 году французский инженер Лорен получил патент на конструкцию прямоточного воздушно-реактивного двигателя (ПВРД). В 1921 году француз Максим Гийом создал проект двигателя, имевшего основные элементы современного воздушно-реактивного двигателя: камеру сгорания, компрессор и турбину, приводимую в движение выхлопными газами. Однако изобретателю так и не удалось никого заинтересовать своим проектом. В 1928 году летчик Фриц Штамер впервые поднялся в воздух на ракетном корабле.
Немецкий «снаряд» Фау-1 с ПУВРД в стартовом положении. Так фашисты обстреливали Лондон

Заинтересован в изучении этого предмета в России. Важный вклад в развитие реактивного движения внесли Кибальчич, Жуковский, Мещерский, Циолковский. Последний дал обоснование полета жидкостной ракеты (ЖРД), а также описал многие особенности конструкции.

В 1930 году англичанин Фрэнк Уиттл получил патент на конструкцию пригодного для использования турбореактивного двигателя, позже он основал компанию, создавшую первые британские двигатели для такси. В 1935 году немецкий изобретатель Ганс фон Охайн разработал турбореактивный двигатель HeS, а в 1939 году в небо поднялся первый в мире самолет с турбореактивным двигателем.

Скорость первого реактивного самолета He 178 была выше, чем у самого быстрого поршневого самолета (700 против 650 км/ч), хотя он был менее экономичным и, следовательно, имел меньшую дальность полета.
Немецкий Ме.262 — один из первых серийных самолетов с ТРД

В СССР проект первого истребителя с ракетным двигателем разработал конструктор Люлька в 1943 году. Но его «зарезали»: руководство советского авиапрома не верило в перспективы таких двигателей. Но у немецких конструкторов, работавших в области реактивной и ракетной техники, таких проблем с начальством не было. В 1944 году немцам удалось наладить серийный выпуск истребителя-бомбардировщика с двумя ТРД Ме.262 и реактивного бомбардировщика Arado Ar 234 Blitz.

В конце войны немецкая промышленность освоила также производство пульсирующих воздушно-реактивных двигателей (ПуВРД), которыми оснащались снаряды Фау-1.

После войны началась настоящая эра реактивной авиации: ведущие мировые державы стали интенсивно развивать ВРД. Уже в 1946 году на базе трофейных немецких двигателей Jumo-004 был создан первый советский реактивный катер Як-15, а через год в ОКБ Люльки появился отечественный ТРД ТР-1. В 1947 году на вооружение поступили истребители МиГ-15 с двигателем РД-45. В середине 50-х началось серийное производство первого советского пассажирского реактивного самолета Ту-104.

К этому времени Советский Союз стал одним из лидеров авиадвигателестроения. Дальнейшее развитие техники позволило создать двигатели, с помощью которых самолет сначала преодолел звуковой барьер, а затем достиг сверхзвуковой скорости.

Читайте также: Самый лучший снайпер в мире: топ-11 знаменитых стрелков и их статистика

Явление отдачи

Время шло, наука не стояла на месте. На смену простейшим механическим двигателям пришли паровые, топливные и электрические.

Но научные исследования и разработки на этом не остановились. Как всегда на помощь пришла природа, которая в большинстве случаев подталкивает изобретателей к удивительным открытиям.

Наблюдения за морскими обитателями, такими как каракатица, каракатица и каракатица, привели к неожиданным результатам. Режим передвижения этих морских обитателей был похож на кратковременный толчок. Как будто тело отталкивается от чего-то и движется вперед.

Эти наблюдения были чем-то похожи на замечания Гюгенса о выстреле и пушке, о которых мы упоминали выше.

Так в физике появился термин «феномен отдачи». В ходе дальнейших научных исследований было установлено, что именно благодаря явлению отдачи происходит все движение на планете Земля: автомобиль отталкивается от земли, корабль от воды и т.д.

Движение тел происходит за счет передачи количества движения от одного тела к другому. Для пояснения явления приведем простейший пример: вы решили толкнуть своего товарища в плечо, приложили некую силу, в результате которой он сдвинулся, но вы также испытали силу, толкнувшую вас в противоположную сторону.

Конечно, расстояние, которое пройдете вы с другом, будет зависеть от ряда факторов: сколько вы весите, как сильно вы его толкали.

Устройство реактивного двигателя

На первый взгляд конструкция ракетной установки кажется довольно простой, но особенности использования топлива и его горения требуют применения высокопрочных материалов.

На рис. 4 показано устройство реактивного двигателя.

Из рисунка 4 видно, что на входе в устройство установлен вентилятор, который всасывает воздух в двигатель. Вентилятор состоит из мощных и объемных лопастей, которые обычно изготавливаются из титана. Кроме того, после вентилятора установлен многоступенчатый турбокомпрессор для подачи воздуха непосредственно в камеру, где происходит сгорание рабочего тела.

После воспламенения и сгорания поток реактивных газов направляется на рабочие лопатки турбоагрегата, заставляя его вращаться. На валу турбины горячей ступени имеется жесткая связь с компрессором, который вращается от работы турбины.

Вихрь выхлопных газов увеличивает скорость струи через сопла и покидает полость аппарата. Для предотвращения перегрева и плавления к форсункам от турбокомпрессора по специальным каналам в корпусе двигателя подается охлаждающий воздух.

Что такое самолет с атомным двигателем?

Во времена холодной войны предпринимались попытки создать реактивный двигатель не на химической реакции, а на тепле, которое выделялось бы ядерным реактором. Его поставили вместо камеры сгорания.

Воздух проходит через активную зону реактора, понижая ее температуру и повышая собственную. Он расширяется и вытекает из сопла со скоростью, превышающей скорость воздуха.

Комбинированный турбоядерный двигатель.

В СССР испытывался на базе ТУ-95. Даже в США не отставали от ученых в Советском Союзе.

В 1960-е годы исследования в обоих направлениях постепенно прекратились. Тремя основными проблемами, препятствовавшими развитию, были:

• безопасность пилотов во время полета;
• выброс радиоактивных частиц в атмосферу;
• в случае крушения самолета радиоактивный реактор может взорваться и нанести непоправимый ущерб всему живому.

Принцип действия РД

Теперь стоит разобраться в принципе работы реактивного двигателя. Для этого можно рассмотреть классику — жидкостные двигатели, мало изменившиеся со времен Циолковского. Эти устройства используют топливо и окислитель.

В качестве последних используют жидкий кислород или азотную кислоту. В качестве топлива используется керосин. Современные жидкостные двигатели криогенного типа используют жидкий водород. При окислении кислородом увеличивает удельный импульс (на целых 30%). Идея использования водорода тоже родилась в уме Циолковского. Однако в то время приходилось искать другое топливо из-за его чрезвычайной взрывоопасности.

Принцип работы следующий. Компоненты поступают в камеру сгорания из двух отдельных баков. После смешивания они превращаются в массу, которая при сгорании выделяет огромное количество тепла и десятки тысяч атмосфер давления.

Окислитель подается в камеру сгорания. Топливная смесь, проходя между двойными стенками камеры и соплом, охлаждает эти элементы. Кроме того, топливо, нагретое стенками, будет поступать в зону воспламенения через большое количество форсунок. Струя, формируемая соплом, вырывается наружу. Из-за этого дается тяговый момент.

Вкратце принцип работы реактивного двигателя можно сравнить с паяльной лампой. Однако последнее намного проще. В рабочем плане отсутствуют различные вспомогательные системы двигателя. А это компрессоры, необходимые для создания давления впрыска, турбины, клапаны, а также другие элементы, без которых реактивный двигатель просто невозможен.

Несмотря на то, что жидкостные двигатели потребляют много топлива (расход топлива составляет около 1000 граммов на 200 килограммов груза), они до сих пор используются в качестве двигательных установок ракет-носителей и тяговых агрегатов орбитальных станций, а также других космических аппаратов.

Типы реактивных двигателей

Существует несколько основных типов реактивных двигателей. Так что авиадвигатель в самолете F-15 можно назвать классическим реактивным двигателем. Большинство этих двигателей в основном используются на истребительной авиации самых разнообразных модификаций.

Твердотопливные ракеты: конфигурации

Читая описание современных твердотопливных ракет, часто можно встретить что-то вроде этого:

Ракетное топливо состоит из перхлората аммония (окислитель, 69,6 мас. %), алюминия (топливо, 16 %), оксида железа (катализатор, 0,4 %), полимера (связующее, скрепляющее топливо, 12,04 %) и эпоксидного отвердителя (1,04 %). 96%). Перфорация выполнена в виде 11-конечной звезды в переднем сегменте двигателя и в виде двойного усеченного конуса в каждом из остальных сегментов, включая последний.

Эта конфигурация обеспечивает высокую тягу при воспламенении, а затем снижает тягу примерно на одну треть после 50 секунд запуска, предотвращая перегрузку устройства при максимальном динамическом давлении. — НАСА

Этим объясняется не только состав топлива, но и форма канала, просверленного в центре топлива. «Перфорация в виде 11-конечной звезды» может выглядеть так:

Смысл в увеличении площади поверхности канала, а значит увеличении площади прогара, а значит тяги. По мере сгорания топлива форма меняется на круг. В случае с космическим челноком такая форма дает сильный взлет и чуть слабее — в середине полета.

Твердотопливные двигатели обладают тремя важными преимуществами:

• простота
• бюджетный
• безопасность

Но есть и два недостатка:

• тяга неуправляемая
• после зажигания двигатель нельзя выключить или снова запустить

Недостатки означают, что твердотопливные ракеты полезны для краткосрочных миссий (ракет) или ракет-носителей. Если вам нужно проверить двигатель, перейдите к жидкостной топливной системе.

Конструктивные особенности

Пульсирующий реактивный двигатель, чертеж и схема которого приведены ниже, имеет впускной клапан перед камерой сгорания. В этом главное отличие от ближайших «собратьев» типа прямоточного воздушно-реактивного двигателя. Эта деталь отвечает за предотвращение возврата продуктов сгорания, что определяет направление непосредственно в сопло.

Конкурирующие варианты особо не нуждаются в клапанах, так как воздух сразу подается под давлением с предварительным сжатием. Такая «мелочь» на самом деле является большим плюсом в эксплуатации рассматриваемого устройства, в плане улучшения термодинамических свойств.

Еще одним отличием является рабочий цикл. Например, в турбореактивном двигателе топливо сжигается непрерывно, что гарантирует плавную и постоянную тягу. В ПВРД циклы вызывают колебания конструкции. Чтобы гарантировать максимальную амплитуду, требуется синхронизация вибрации всех частей. Этот момент достигается выбором оптимальной длины сопла.

Импульсный реактивный двигатель способен работать на малых оборотах или в режиме холостого хода при отсутствии встречного воздушного потока. Это преимущество перед версией постоянного тока является весьма спорным, поскольку для запуска ракеты или самолета в этих условиях требуется начальное ускорение.

Какими бывают реактивные моторы?

В настоящее время существует множество типов реактивных двигателей, поэтому их довольно сложно классифицировать.
Классификация авиационных двигателей

Такие силовые установки можно разделить на две большие группы:

Ракетный двигатель. Он несет в себе все компоненты для создания рабочей жидкости, поэтому способен функционировать в любой среде, в том числе в безвоздушном пространстве.

Воздушно-реактивный двигатель (ВРД), использующий для движения смесь атмосферного воздуха и продуктов сгорания топлива.

Благодаря такому принципу работы ВРД имеют большие преимущества перед ракетными двигателями при использовании в атмосфере Земли. Любая ракета, кроме горючего, должна нести еще и окислитель, масса которого может в несколько раз превышать массу горючего. В отдельную категорию следует выделить электростанции, используемые для выработки ядерной энергии или электроэнергии. С точки зрения энергоэффективности химические ракеты уже достигли предела своих возможностей, поэтому для покорения дальнего космоса человечество должно использовать что-то другое.

ВРД можно разделить на две большие группы:

• винт;
• реактивный.

К первой категории относятся устройства, в которых двигатель и тепловая машина не объединены в одном блоке — их условно можно назвать турбовинтовыми. В таких двигателях мощность, вырабатываемая турбиной, заставляет вращаться лопасти гребного винта. Именно он создает большую часть тяги (80-85%). Для двигателей второй группы тепловая машина и двигательная установка составляют единое целое, а тяга создается за счет потока газа из сопла.

Ко второй группе относятся следующие типы двигателей:

• турбореактивный (ТРД);
• тРДД (ТРД с высокой степенью двухконтурности);
• прямо через;
• ракета прямо насквозь;
• импульсно-воздушная струя (ПуВРД).

Существуют также электродвигатели: асинхронные и синхронные реактивные. Они так называются потому, что их роторы вращаются за счет реакций магнитных сил притяжения, но к законам реактивного движения это не имеет никакого отношения.

Прямоточные воздушно-реактивные двигатели

Прямоточный воздушно-реактивный двигатель является простейшим по конструкции типом реактивного двигателя. В нем вообще нет движущихся частей. Необходимое для работы повышенное давление достигается за счет замедления набегающего потока воздуха. Любой ПВРД состоит из трех компонентов:

• диффузор;
• камеры сгорания;
• сопла.

В диффузоре уменьшается расход воздуха и увеличивается его давление, затем он нагревается в камере сгорания за счет окисления топлива, после чего рабочее тело расширяется в сопле и возникает реактивная сила. ПВРД бывают трех типов:

• дозвуковой;
• сверхзвуковой;
• гиперзвуковой.

Дозвуковые прямоточные воздушно-реактивные двигатели имеют очень низкий тепловой КПД, поэтому в настоящее время они не используются в коммерческих целях.

На сверхзвуковых скоростях прямоточный воздушно-реактивный двигатель очень эффективен; при 3 Маха степень сжатия вполне сопоставима с турбореактивным двигателем.

Гиперзвуковой прямоточный воздушно-реактивный двигатель (ГПВРД) предназначен для полета со скоростью выше 5 Маха. Сегодня создание таких силовых установок ведется во многих странах мира, но они пока остаются на уровне отдельных прототипов.
Гиперзвуковые самолеты будущего, вероятно, будут оснащены прямоточными воздушно-реактивными двигателями

Прямоточный воздушно-реактивный двигатель бесполезен на земле и неэффективен на малых скоростях полета. Поэтому его часто применяют с различными разгонными устройствами: пороховыми ускорителями, либо запуск самолета с прямоточным воздушно-реактивным двигателем осуществляется с самолета-носителя.

Такие ограничения определяют сферу возможного использования самолетов с прямоточными воздушно-реактивными двигателями: обычно это одноразовые боевые системы. Примером могут служить крылатые ракеты «Оникс» и «Брамос».

Отдельно упоминаются ядерные прямоточные воздушно-реактивные двигатели, разработка которых велась в 60-х и 70-х годах. Воздух в таких электростанциях нагревался за счет тепла работающего ядерного реактора, помещенного в камеру сгорания. Американцам даже удалось построить подобное устройство и испытать его на огне. Однако дальше этого дело не пошло, и проект закрыли.