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 ↓
Реактивное движение - это такой процесс, при котором от определенного тела с некоторой скоростью отделяется одна из его частей. Сила, которая возникает при этом, работает сама по себе, без малейшего контакта с внешними телами. Реактивное движение стало толчком к созданию реактивного двигателя. Принцип работы его основан именно на этой силе. Как же действует такой двигатель? Попробуем разобраться.
Исторические факты
Идею использования реактивной тяги, которая позволила бы преодолеть силу притяжения Земли, выдвинул в 1903 году феномен российской науки - Циолковский. Он опубликовал целое исследование на данную тему, но оно не было воспринято серьезно. Константин Эдуардович, пережив смену политического строя, потратил годы трудов, чтобы доказать всем свою правоту.
Сегодня очень много слухов о том, что первым в данном вопросе был революционер Кибальчич. Но завещание этого человека к моменту публикации трудов Циолковского было погребено вместе с Кибальчичем. Кроме того, это был не полноценный труд, а лишь эскизы и наброски - революционер не смог подвести надежную базу под теоретические выкладки в своих работах.
Как действует реактивная сила?
Чтобы понять принцип работы реактивного двигателя, нужно понимать, как действует эта сила.
Итак, представим выстрел из любого огнестрельного оружия. Это наглядный пример действия реактивной силы. Струя раскаленного газа, который образовался в процессе сгорания заряда в патроне, отталкивает оружие назад. Чем мощнее заряд, тем сильнее будет отдача.
А теперь представим процесс зажигания горючей смеси: он проходит постепенно и непрерывно. Именно так выглядит принцип работы прямоточного реактивного двигателя. Подобным образом работает ракета с твердотопливным реактивным двигателем - это наиболее простая из его вариаций. С ней знакомы даже начинающие ракетомоделисты.
В качестве горючего для реактивных двигателей вначале применяли дымный порох. Реактивные двигатели, принцип работы которых был уже более совершенен, требовали топлива с основой из нитроцеллюлозы, которая растворялась в нитроглицерине. В больших агрегатах, запускающих ракеты, выводящие шаттлы на орбиту, сегодня используют специальную смесь полимерного горючего с перхлоратом аммония в качестве окислителя.
Принцип действия РД
Теперь стоит разобраться с принципом работы реактивного двигателя. Для этого можно рассмотреть классику - жидкостные двигатели, которые практически не изменились со времен Циолковского. В этих агрегатах применяется топливо и окислитель.
В качестве последнего используется жидкий кислород либо же азотная кислота. В качестве горючего применяют керосин. Современные жидкостные двигатели криогенного типа потребляют жидкий водород. Он при окислении кислородом увеличивает удельный импульс (на целых 30 процентов). Идея о том, что можно использовать водород, также родилась в голове Циолковского. Однако на тот момент по причине чрезвычайной взрывоопасности пришлось искать другое горючее.
Принцип работы состоит в следующем. 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 по мере прохождения между сдвоенными стенками камеры и сопла охлаждает эти элементы. Далее горючее, подогретое стенками, попадет через огромное количество форсунок в зону воспламенения. Струя, которая формируется при помощи сопла, вырывается наружу. За счет этого и обеспечивается толкающий момент.
Кратко принцип работы реактивного двигателя можно сравнить с паяльной лампой. Однако последняя устроена значительно проще. В схеме ее работы нет различных вспомогательных систем двигателя. А это компрессоры, нужные для создания давления впрыска, турбины, клапана, а также прочие элементы, без которых реактивный двигатель просто невозможен.
Несмотря на то что жидкостные двигатели потребляют очень много горючего (расход топлива составляет примерно 1000 грамм на 200 килограммов груза), их до сих пор используют в качестве маршевых агрегатов для ракеты-носителей и маневровых для орбитальных станций, а также других аппаратов космического назначения.
Устройство
Устроен типичный реактивный двигатель следующим образом. Основные его узлы - это:
Компрессор;
Камера для сгорания;
Турбины;
Выхлопная система.
Рассмотрим данные элементы более подробно. Компрессор представляет собой несколько турбин. Их задача - всасывать и сжимать воздух по мере того, как он проходит через лопасти. В процессе сжатия повышается температура и давление воздуха. Часть такого сжатого воздуха подается в камеру сгорания. В ней воздух смешивается с топливом и происходит воспламенение. Этот процесс еще больше увеличивает тепловую энергию.
Смесь выходит из камеры сгорания на высокой скорости, а затем расширяется. Далее она следует еще через одну турбину, лопасти которой вращаются за счет воздействия газов. Эта турбина, соединяясь с компрессором, находящимся в передней части агрегата, и приводит его в движение. Воздух, нагретый до высоких температур, выходит через выпускную систему. Температура, уже достаточно высокая, продолжает расти за счет эффекта дросселирования. Затем воздух выходит окончательно.
Мотор самолета
В самолетах также используются эти двигатели. Так, например, в огромных пассажирских лайнерах устанавливают турбореактивные агрегаты. Они отличаются от обычных наличием двух баков. В одном находится горючее, а в другом - окислитель. В то время как турбореактивный мотор несет только топливо, а в качестве окислителя используется воздух, нагнетаемый из атмосферы.
Турбореактивный мотор
Принцип работы реактивного двигателя самолета основан на той же реактивной силе и тех же законах физики. Самая важная часть - это лопасти турбины. От размеров лопасти зависит итоговая мощность.
Именно благодаря турбинам вырабатывается тяга, которая нужная для ускорения самолетов. Каждая из лопастей в десять раз мощнее обыкновенного автомобильного ДВС. Турбины установлены после камеры сгорания там, где наиболее высокое давление. А температура здесь может достигать полутора тысяч градусов.
Двухконтурный РД
Эти агрегаты имеют массу преимуществ перед турбореактивными. 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. Воздух, захватываемый турбиной, частично сжимается и подается в первый контур на компрессор и на второй - к неподвижным лопастям. Турбина при этом работает в качестве компрессора низкого давления. В первом контуре двигателя воздух сжимается и подогревается, а затем посредством компрессора высокого давления подается в камеру сгорания. Здесь происходит смесь с топливом и воспламенение. Образуются газы, которые подаются на турбину высокого давления, за счет чего и вращаются лопасти турбины, подающие, в свою очередь, вращательное движение на компрессор высокого давления. Затем газы проходят через турбину низкого давления. Последняя приводит в действие вентилятор и, наконец, газы попадают наружу, создавая тягу.
Синхронные РД
Это электрические моторы. Принцип работы синхронного реактивного двигателя аналогичен работе шагового агрегата. Переменный ток подается на статор и создает магнитное поле вокруг ротора. Последний вращается за счет того, что пытается минимизировать магнитное сопротивление. Эти моторы не имеют отношения к освоению космоса и запуску шаттлов.
Идеи создания теплового двигателя, к которому относится и реактивный двигатель, известны человеку с древнейших времен. Так, в трактате Герона Александрийского под названием «Пневматика» присутствует описание Эолипила – шара «Эола». Данная конструкция представляла собой не что иное, как паровую турбину, в которой пар подавался через трубки в бронзовую сферу и, вырываясь из нее, эту сферу и раскручивал. Вероятнее всего, устройство использовалось для развлечений.
Шар «Эола» Несколько дальше продвинулись китайцы, создавшие в XIII веке некое подобие «ракет». Используемая изначально в качестве фейерверка, в скором времени новинка была взята на вооружение и применялась в боевых целях. Не обошел стороной идею и великий Леонардо, вознамерившийся при помощи горячего воздуха, подаваемого на лопасти, вращать вертел для жарки. Впервые идею газотурбинного двигателя предложил в 1791 году английский изобретатель Дж. Барбер: конструкция его ГТД была оснащена газогенератором, поршневым компрессором, камерой сгорания и газовой турбиной. Использовал в качестве силовой установки для своего самолета, разработанного в 1878 году, тепловой двигатель и А.Ф. Можайский: два паросиловых двигателя приводили в движение пропеллеры машины. Из-за низкого КПД желаемого эффекта достичь не удалось. Другой русский инженер – П.Д. Кузьминский – в 1892 году разработал идею газотурбинного двигателя, в котором топливо сгорало при постоянном давлении. Начав реализацию проекта в 1900 году, он решил установить ГТД с многоступенчатой газовой турбиной на небольшой катер. Однако смерть конструктора помешала закончить начатое. Более интенсивно за создание реактивного двигателя принялись лишь в ХХ веке: сначала теоретически, а через несколько лет – уже и практически. В 1903 году в работе «Исследование мировых пространств реактивными приборами» К.Э. Циолковским были разработаны теоретические основы жидкостных ракетных двигателей (ЖРД) с описанием основных элементов реактивного двигателя, использующего жидкое топливо. Идея создания воздушно-реактивного двигателя (ВРД) принадлежит Р. Лорину, запатентовавшему проект в 1908 году. При попытке создания двигателя, после обнародования чертежей устройства в 1913 году, изобретатель потерпел неудачу: скорости, необходимой для функционирования ВРД, достигнуть так и не удалось. Попытки создания газотурбинных двигателей продолжались и далее. Так, в 1906 году русский инженер В.В. Караводин разработал, а через два года и построил бескомпрессорный ГТД с четырьмя камерами прерывистого сгорания и газовой турбиной. Однако мощность, развиваемая устройством, даже при 10000 об/мин не превышала 1,2 квт (1,6 л.с.). Создал газотурбинный двигатель прерывистого горения и немецкий конструктор Х. Хольварт. Построив ГТД в 1908 году, к 1933 году, после многолетних работ по его совершенствованию, он довёл КПД двигателя до 24%. Тем не менее, идея не нашла широкого применения.
В.П. Глушко Идея же турбореактивного двигателя была озвучена в 1909 году русским инженером Н.В. Герасимовым, получившим патент на газотурбинный двигатель для создания реактивной тяги. Работы по реализации этой идеи не прекращались в России и впоследствии: в 1913 году М.Н. Никольской проектирует ГТД мощностью 120 квт (160 л.с.) с трёхступенчатой газовой турбиной; в 1923 году В.И. Базаров предлагает принципиальную схему газотурбинного двигателя, близкую по схеме современным турбовинтовым двигателям; в 1930 году В.В. Уваров совместно с Н.Р. Брилингом проектирует, а в 1936 году и реализует газотурбинный двигатель с центробежным компрессором. Огромный вклад в создание теории реактивного двигателя внесли работы русских ученых С.С. Неждановского, И.В. Мещерского, Н.Е. Жуковского. французского учёного Р. Эно-Пельтри, немецкого учёного Г. Оберта. На создание воздушно-реактивного двигателя повлияла и работа известного советского ученого Б.С. Стечкина, который опубликовал в 1929 году свой труд «Теория воздушно-реактивного двигателя». Не останавливались работы по созданию и жидкостного реактивного двигателя: в 1926 году американский ученый Р. Годдард осуществил запуск ракеты на жидком топливе. Работы над этой темой происходили и в Советском Союзе: в период с 1929 по 1933 год В.П. Глушко разработал и испытал в действии в Газодинамической лаборатории электротермический реактивный двигатель. Им же в этот период были созданы и первые отечественные жидкостные реактивные двигатели – ОРМ, ОРМ-1, ОРМ-2. Наибольший вклад в практическое воплощение реактивного двигателя внесли немецкие конструкторы и ученые. Имея поддержку и финансирование со стороны государства, рассчитывавшего этим путем добиться технического превосходства в грядущей войне, инженерный корпус III Рейха с максимальной отдачей и в короткие сроки подошел к созданию боевых комплексов, имевших в своей основе идеи реактивного движения. Концентрируя внимание на авиационной составляющей, можно сказать, что уже 27 августа 1939 года летчик-испытатель фирмы Heinkel флюг-капитан Э. Варзиц поднял в воздух He.178 – реактивный самолет, технологические наработки которого были впоследствии использованы при создании истребителей Heinkel He.280 и Messerschmitt Me.262 Schwalbe. Установленный на Heinkel He.178 двигатель Heinkel Strahltriebwerke HeS 3 конструкции Х.-И. фон Охайна хоть и не обладал высокой мощностью, но сумел открыть эру реактивных полетов боевой авиации. Достигнутая He.178 максимальная скорость в 700км/ч с использованием двигателя, мощность которого не превышала 500 кгс, говорила о многом. Впереди лежали безграничные возможности, которые лишали будущего поршневые моторы. Созданная в Германии целая серия реактивных двигателей, например, Jumo-004 производства фирмы Junkers, позволила ей уже в конце Второй мировой войны обладать серийными реактивными истребителями и бомбардировщиками, опередив другие страны в этом направлении на несколько лет. После поражения III Рейха именно немецкие технологии дали толчок развитию реактивного самолетостроения во многих странах мира. Единственной страной, сумевшей ответить на немецкий вызов, была Великобритания: созданный Ф. Уиттлом турбореактивный двигатель Rolls-Royce Derwent 8 был установлен на истребителе Gloster Meteоr.
Трофейный Jumo 004 Первым в мире турбовинтовым двигателем стал венгерский двигатель Jendrassik Cs-1 конструкции Д. Ендрашика, построившего его в 1937 году на заводе Ganz в Будапеште. Несмотря на возникшие в ходе внедрения проблемы, двигатель предполагалось устанавливать на венгерский двухмоторный штурмовик Varga RMI-1 X/H, специально сконструированный для этого авиаконструктором Л. Варго. Однако довести работы до конца венгерские специалисты так и не сумели – предприятие было перенацелено на выпуск немецких моторов Daimler-Benz DB 605, выбранных для установки на венгерские Messerschmitt Me.210. Перед началом войны в СССР продолжались работы по созданию различных типов реактивных двигателей. Так, в 1939 году прошли испытания ракеты, на которых стояли прямоточные воздушно-реактивные двигатели конструкции И.А. Меркулова. В том же году на ленинградском Кировском заводе начались работы по постройке первого отечественного турбореактивного двигателя конструкции А.М. Люльки. Однако начавшаяся война прекратила опытные работы над двигателем, направив всю мощность производства на нужды фронта. Настоящая эра реактивных двигателей началась после завершения Второй мировой войны, когда за короткий промежуток времени был покорен не только звуковой барьер, но и земное притяжение, что позволило вывести человечество в космическое пространство.
В передней части реактивного двигателя располагается вентилятор. Он забирает воздух из внешней среды, засасывая его в турбину. В двигателях, применяемых в ракетах, воздух заменяет жидкий кислород. Вентилятор снабжен множеством титановых лопастей, имеющих специальную форму.
Площадь вентилятора стараются сделать достаточно большой. Помимо забора воздуха эта часть системы участвует также и в охлаждении двигателя, предохраняя его камеры от разрушения. Позади вентилятора располагается компрессор. Он под большим давлением нагнетает воздух в камеру сгорания.
Один из главных конструктивных элементов реактивного двигателя – камера сгорания. В ней топливо смешивается с воздухом и поджигается. Происходит возгорание смеси, сопровождающееся сильным разогревом деталей корпуса. Топливная смесь под действием высокой температуры расширяется. Фактически в двигателе происходит управляемый взрыв.
Из камеры сгорания смесь топлива с воздухом поступает в турбину, которая состоит из множества лопаток. Реактивный поток с усилием давит на них и приводит турбину во вращение. Усилие передается на вал, компрессор и вентилятор. Образуется замкнутая система, для работы которой требуется лишь постоянный подвод топливной смеси.
Последняя по счету деталь реактивного двигателя – сопло. Сюда из турбины поступает разогретый поток, формируя реактивную струю. В эту часть двигателя также подается от вентилятора холодный воздух. Он служит для охлаждения всей конструкции. Воздушный поток защищает манжету сопла от вредного воздействия реактивной струи, не позволяя деталям расплавиться.
Как работает реактивный двигатель
Рабочим телом двигателя является реактивная . Она с очень большой скоростью истекает из сопла. При этом образуется реактивная сила, которая толкает все устройство в противоположном направлении. Тяговое усилие создается исключительно за счет действия струи, без какой-либо опоры на другие тела. Эта особенность работы реактивного двигателя позволяет использовать его в качестве силовой установки для ракет, самолетов и космических аппаратов.
Отчасти работа реактивного двигателя сравнима с действием струи воды, вытекающей из шланга. Под огромным давлением жидкость подается по рукаву к зауженному концу шланга. Скорость воды при выходе из брандспойта выше, чем внутри шланга. При этом образуется сила обратного давления, которая позволяет пожарному удерживать шланг лишь с большим трудом.
Производство реактивных двигателей представляет собой особую отрасль техники. Поскольку температура рабочего тела здесь достигает нескольких тысяч градусов, детали двигателя изготовляют из высокопрочных металлов и тех материалов, которые устойчивы к плавлению. Отдельные части реактивных двигателей выполняют, к примеру, из специальных керамических составов.
Видео по теме
Функция тепловых двигателей – преобразование тепловой энергии в полезную механическую работу. Рабочим телом в таких установках служит газ. Он с усилием давит на лопатки турбины или на поршень, приводя их в движение. Самые простые примеры тепловых двигателей – это паровые машины, а также карбюраторные и дизельные двигатели внутреннего сгорания.
Инструкция
Поршневые тепловые двигатели имеют в своем составе один или несколько цилиндров, внутри которых находится поршень. В объеме цилиндра происходит расширение горячего газа. При этом поршень под воздействием газа перемещается и совершает механическую работу. Такой тепловой двигатель преобразует возвратно-поступательное движение поршневой системы во вращение вала. Для этой цели двигатель оснащается кривошипно-шатунным механизмом.
К тепловым двигателям внешнего сгорания относятся паровые машины, в которых рабочее тело разогревается в момент сжигания топлива за пределами двигателя. Нагретый газ или пар под сильным давлением и при высокой температуре подается в цилиндр. Поршень при этом перемещается, а газ постепенно охлаждается, после чего давление в системе становится почти равным атмосферному.
Отработавший свое газ выводится из цилиндра, в который немедленно подается очередная порция. Для возврата поршня в начальное положение применяют маховики, которые крепят на вал кривошипа. Подобные тепловые двигатели могут обеспечивать одинарное или двойное действие. В двигателях с двойным действием на один оборот вала приходится две стадии рабочего хода поршня, в установках одинарного действия поршень совершает за то же время один ход.
Отличие двигателей внутреннего сгорания от описанных выше систем состоит в том, что горячий газ здесь получается при сжигании топливно-воздушной смеси непосредственно в цилиндре, а не вне его. Подвод очередной порции горючего и
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.
