Avtoargon.ru

АвтоАргон
1 просмотров
Рейтинг статьи
1 звезда2 звезды3 звезды4 звезды5 звезд
Загрузка...

Современные воздушно-реактивные двигатели

Современные воздушно-реактивные двигатели

Двигатель является основной частью силовой установки большинства летательных аппаратов. Все наиболее весомые достижения и успехи в этой области были всегда связаны или с появлением новых типов двигательных установок, или с коренным улучшением существующих.

В современном двигателестроении используются воздушно-реактивные двигатели нескольких типов. Их разделяют на прямоточные воздушно-реактивные двигатели и газотурбинные двигатели (ГТД). Газотурбинные двигатели, в свою очередь, подразделяются на турбореактивные, турбовинтовые и турбовентиляторные или двухконтурные двигатели.

Прямоточные двигатели имеют наиболее простую конструкцию. Однако, поскольку сжатие воздуха в них происходит за счёт действия скоростного напора набегающего потока, они могут создавать тягу только при достаточно большой скорости движения аппарата и использоваться либо в комбинации с другими двигателями, либо на летательных аппаратах, которым предварительно сообщается достаточная начальная скорость, что является их самым существенным недостатком.

В газотурбинных двигателях сжатие воздуха производится специальным компрессором с приводом от газовой турбины, на турбовинтовых двигателях для создания дополнительной тяги устанавливается воздушный винт, а на турбовентиляторных двигателях – специальный вентилятор.

Установка воздушного винта на турбовинтовых двигателях и специального вентилятора на турбовентиляторных двигателях существенно усложняет и утяжеляет их конструкцию, однако делает их более экономичными на дозвуковых скоростях полета.

Турбореактивные двигатели обладают меньшим весом, чем турбовинтовые или турбовентиляторные двигатели, большей надежностью, просты в эксплуатации и могут использоваться при больших дозвуковых и сверхзвуковых скоростях полета.

К основным недостаткам газотурбинных двигателей можно отнести их небольшую удельную тягу и невысокий КПД.

Указанные параметры определяются давлением и температурой рабочих газов на входе в реактивное сопло. Чем больше их значения, тем больше удельная тяга и КПД двигателя. Однако добиться их существенного увеличения у существующих ГТД не представляется возможным. Это обусловлено тем, что они, в свою очередь, зависят от температуры и давления рабочих газов в камере сгорания и доли их энергии, отбираемой турбиной для обеспечения работы компрессора. Температура в камере сгорания при этом не может быть существенно увеличена, так как не может превышать некоторых относительно невысоких предельных значений, обусловленных необходимостью обеспечения механической прочности лопаток газовой турбины, находящихся в высокотемпературной зоне, и низкой эффективностью систем их внутреннего воздушного охлаждения. Увеличение же давления в камере сгорания свыше определенных значений приводит к резкому увеличению энергии, отбираемой турбиной для обеспечения работы компрессора, уменьшению температуры и давления рабочих газов на входе в реактивное сопло и, соответственно, удельной тяги двигателя. В связи с этим существуют оптимальные значения давления в камере сгорания, при которых удельная тяга ГТД достигает относительного максимума.

Система внутреннего воздушного охлаждения ГТД используется, в основном, для охлаждения рабочих лопаток турбины, состоит из устройства подвода и отвода охлаждающего воздуха, заборного, выпускного устройств и представляет из себя совокупность сообщающихся каналов, выполненных в корпусе и деталях двигателя, уплотнений в местах перехода воздуха от неподвижных деталей к подвижным, дефлекторов и замковых устройств охлаждаемых лопаток. Заборное устройство выполнено в виде кольцевого канала или отверстий, обеспечивающих отвод части воздуха от одной из промежуточных ступеней компрессора, а выпускное устройство – в виде отверстий или окон для выпуска воздуха в проточную часть двигателя позади турбины или непосредственно во внешнюю среду /1,2/.

Низкая эффективность систем внутреннего воздушного охлаждения ГТД при этом обусловлена малой площадью обдуваемых воздухом поверхностей охлаждаемых деталей и невысокой скоростью его движения. К их недостаткам следует также отнести безвозвратный унос значительной части тепла охлаждающим воздухом во внешнюю среду, что существенно снижает их КПД.

В настоящее время большое распространение получили турбореактивные двигатели с форсажной камерой. Они отличаются от обычных турбореактивных двигателей наличием ещё одной камеры сгорания, размещённой между турбиной и реактивным соплом. Эта камера называется форсажной и предназначена для сжигания дополнительного топлива, в результате которого температура газа перед реактивным соплом повышается, что влечет за собой увеличение скорости истечения газа из него и, соответственно, тяги и удельной тяги двигателя. Преимуществом турбореактивных двигателей с форсажной камерой является возможность увеличения тяги без существенного изменения массы и габаритов двигателя, однако приводит к резкому возрастанию расхода топлива и позволяет повысить его тягу не более, чем на (30-40)%. КПД двигателя при этом в связи с использованием дополнительного топлива не увеличивается. Вследствие отмеченного, обычно разрешается лишь кратковременное включение форсажной камеры.

Известна также идея создания комбинированного воздушно-реактивного двигателя путем оснащения его компрессора приводом, выполненным в виде самостоятельного двигателя, установленного между компрессором и входным устройством /3/. Его использование вместо газовой турбины устраняет основное препятствие, ограничивающее возможность повышения температуры и давления в камере сгорания, позволяет существенно повысить их значения и увеличить за счет этого не только удельную тягу, но и КПД двигателя. Попытки использования в качестве такого привода поршневых двигателей внутреннего сгорания потерпели неудачу, так как они при своих габаритах не обладают необходимой мощностью и приводят к резкому утяжелению двигателя.

Нами предложено в качестве привода компрессора воздушно-реактивного двигателя использовать новый турбороторный двигатель внутреннего сгорания. Указанный двигатель при малых габаритах обладает высоким собственным КПД и удельной мощностью, в несколько раз превосходящую удельную мощность поршневых ДВС, хорошо вписывается в контур воздушно-реактивного двигателя. Его масса, как и у турбины, распределена, в основном, по периметру, вследствие чего не будет значительно превосходить массу турбины. Увеличение удельной тяги и КПД воздушно-реактивного двигателя при этом целесообразно добиваться за счет повышения температуры в камере сгорания при относительно небольшом давлении, что позволит дополнительно уменьшить суммарную массу воздушно-реактивного двигателя за счет уменьшения массы компрессора. Все сказанное, в целом, позволяет рассчитывать на получение приемлемых массогабаритных характеристик предлагаемого двигателя.

Список использованных источников

  1. Штода А.В., Алещенко С.П., Иванов А.Я.и др. Конструкция авиационных газотурбинных двигателей, Воениздат МО СССР, М., 1961 г.
  2. И.И. Кулагин. Основы теории авиационных газотурбинных двигателей, Воениздат МО СССР, М., 1967 г.
  3. Патент РФ №2140001 по кл. МПК А 02 К 5/02, 1999 г.

Принцип работы реактивного двигателя

Кто придумал реактивный двигатель

Идею применения реактивной тяги для преодоления земного притяжения впервые довел до практической осуществимости в 1903 году российский ученый К. Э. Циолковский в своем труде «Исследование мировых пространств реактивными приборами». Опубликованная в «Научном обозрении» статья утвердила за ним репутацию мечтателя и не была воспринята всерьез. Константину Эдуардовичу потребовались годы трудов и смена политического строя, чтоб доказать свою правоту.

Сейчас много говорят о первенстве в этом вопросе одного из цареубийц Александра 2, революционера Кибальчича. Хотя его завещание и датировались 1881 годом, но к моменту выхода работы Константина Эдуардовича еще было погребено в тюремных архивах. К тому же это были лишь наброски, тогда как ученый сумел подвести надежный грунт под теорию уже в своих ранних работах.

Принцип действия реактивной силы

Если вам доводилось стрелять из огнестрельного оружия, или хотя бы наблюдать процесс со стороны, вы уже сталкивались с реактивной силой. Именно струя раскаленных газов, образовавшихся при сгорании пороха, отталкивает ствол назад. Чем больше количество заряда, тем круче отдача. А теперь представьте, что процесс воспламенения смеси постепенен и непрерывен. Получаем ракету с твердотопливным РД. Это самый простой вид двигателя, хорошо знакомый ракетомоделистам.

В качестве топлива в РДТТ сначала использовали дымный порох, более сложные варианты уже имеют основу в виде нитроцеллюлозы, растворенной в нитроглицерине. Топливом для небольших ракет выступает натриевая или калиевая селитра, смешанная с углеводами типа сахара или сорбита. Сделать такой движок можно самостоятельно, можно найти готовую модель и топливо в продаже. Большие твердотопливные двигатели использовались для запуска ракет, выводивших на орбиту шаттлы (характерный густой оранжевый дым при запуске ракеты дают именно такие двигатели), а также в военных целях для МБР. У них топливом выступает смесь полимерного горючего и перхлорат аммония как окислитель. Знаменитый «Тополь-М» основан именно на твердотопливных двигателях.

Твердотопливные двигатели относительно простые в конструкции, имеют нетоксичное топливо, надежные и пожаробезопасные, могут долго храниться, представляя собой стратегический арсенал. Однако удельный импульс у них небольшой, ими трудно управлять (включая не только направление тяги, но и запуск, а также остановку двигателя), а потому для космических полетов более предпочтительны ракетные двигатели на куда более эффективном жидком топливе.

Как работает реактивный двигатель

Разобравшись с реактивной силой, можно понять принцип работы реактивного двигателя. Рассмотрим классический вариант — жидкостный реактивный двигатель, или ЖРД, не претерпевший принципиальных изменений со времени его разработки Циолковским. Для создания толкающей струи или, как принято говорить, рабочего тела, в них применяют смесь топлива с окислителем.

Окислителем чаще всего выступает жидкий кислород или азотная кислота, как топливо применяют керосин. Современные криогенные ЖРД используют жидкий водород, при окислении кислородом позволяющий на 30% увеличить удельный импульс по сравнению с керосиново-кислородными. Кстати, идею применения водорода также предложил Циолковский в том же труде 1903 года, но чрезвычайная взрывоопасность и технически непреодолимые, на тот момент, трудности заставили искать другое топливо.

Поступающие из отдельных баков в рабочую камеру, компоненты превращаются в смесь, сгорающую с выделением колоссального количества тепла и давлением в десятки атмосфер. Окислитель вводится непосредственно в камеру. Топливо, проходя между сдвоенными, словно в термосе, стенками сопла и камеры, охлаждает их. Разогретое таким образом, оно впрыскивается многочисленными форсунками в зону горения. Сформированная соплом струя, вырываясь наружу, обеспечивает толкающий момент.

Почти паяльная лампа, только несколько сложнее. Ведь в предложенной схеме, не упоминаются различные компрессоры, создающие необходимое для впрыска давление, питающие их турбины, клапана и многие другие компоненты, без участия которых эксплуатация двигателя невозможна.

Несмотря на большое потребление топлива – приблизительно 1 кг смеси для подъема 200 кг груза, ЖРД продолжают использовать как основные маршевые двигатели ракетоносителей и маневровые для орбитальных станций и других космических аппаратов.

Виды ракетных двигателей

Самым экзотичным видом ракетных двигателей можно назвать электрореактивные, или плазменные движки. Принцип их действия основан не на поджигании топлива, а на использовании энергии выброса заряженного инертного газа (как правило, ксенона), который разгоняется с помощью электрического тока и магнитов. Удельный импульс у них небольшой, и на Земле они не применяются. Но зато для космических аппаратов, где масса двигателя имеет критическое значение, большая скорость выброса рабочего тела (а это означает его небольшой требуемый запас) и компактность двигателя сделало плазменный движок отличным вариантом для выполнения маневров и коррекции орбиты у малых спутников.

Читать еще:  Что скажете про двигатель субару ef12

В авиации получили распространение другие виды РД – воздушные прямоточные и турбореактивные, но они имеют несколько иную конструкцию и рабочие характеристики.

Турбореактивный двигатель самолета: устройство и принцип работы

Совершая полет в самолете в большинстве случаев люди никогда не задумываются о том, как работает его двигатель. Но на самом деле о работе двигателя и реактивной тяги с помощью, которой работает сам двигатель, знали ее в Античное время. Но применить эти знания на практике смогли не так давно, так как раньше не технологии не позволяли никому достичь его исправной работы. Гонка вооружения между Англией и Германией стала толчком к созданию ТРД (турбореактивного двигателя).

В работе ТРД самолета нет никаких сложностей, принцип его работы может понять почти каждый человек. Но данный двигатель имеет несколько нюансов, их соблюдение контролируется под строгим присмотром руководства. Для того чтобы авиалайнер смог держаться в небе, необходима идеальная работа двигателя. Так как от работы двигателя напрямую зависят жизни пассажиров находящихся на борту авиатранспорта.

Принцип работы реактивного двигателя

За работу двигателя отвечает реактивная тяга. Для создания реактивной тяги необходима определенная жидкость, которая подается из задней части двигателя и по ходу ее продвижения увеличивается ее скорость движения вперед. Работу тяги отлично объясняет один из законов Ньютона, звучит он так «Любое действия вызывает равное противодействие».

Вместо жидкости в ТРД используется горючая смесь (газы и воздух со сгоревшими частичками топлива). Благодаря этой смеси самолет толкает вперед и позволяет ему лететь дальше.

Разработки таких двигателей начались в тридцатых годах. Первыми кто начал разрабатывать двигатели такого типа стали немцы и англичане. Но в гонке вооружений одержали победу ученные из Германии, так как они выпустили самый первый в мире самолет с ТРД под названием «Ласточка», данный самолет впервые взлетел в небеса над Люфтваффом. Спустя некоторое время появился и Английский самолет «Глостерский метеор»

Также сверхзвуковые двигатели принято считать турбореактивными, но они отличаются более совершенными модификациями, в отличие от ТРД.

Устройство двигателя имеет четыре главные детали, а именно:

  • Компрессор.
  • Камера горения.
  • Турбина.
  • Выхлоп.

Компрессор

В компрессоре находиться несколько турбин, с помощью которых происходит засасывание и сжатие воздуха. Во время сжатия воздуха, его давление и температура начинает нагнетаться и расти.

Камера горения

После того как воздух проходит турбину и его сжимает до необходимых размеров. Часть сжатого воздуха поступает в камеру горения, где воздух начинает смешиваться с топливом, после чего его поджигают. Благодаря этому увеличивается тепловая энергия воздуха. После смесь выходит из камеры с большой скорости и расширяется.

Турбина

После выхода эта смесь снова попадает в турбину, с помощью высокой энергии газа лопасти в турбине начинают свое вращение. Турбина тесно связанна с компрессором, который находиться в начале двигателя. Благодаря этому турбина начинает свою работу. Остатки воздуха выходят в выхлоп. В момент выхода смеси температура достигает рекордных размеров. Но она продолжает повышать свою температуру с помощью эффекта Дросселирования. После того как температура воздуха доходит до своего пика, она начинает идти на спад и выходит из турбины.

Принцип работы турбореактивного двигателя

В отличие от реактивного двигателя, который пользуется спросом почти у всех самолетов, турбореактивный двигатель больше подходит для пассажирских авиалайнеров. Так как для работы реактивного двигателя необходимо не только топливо, но и окислитель.

Благодаря своему строению окислитель поступает вместе с топливом из бака. А в случаи с ТРД окислитесь, поступает напрямую из атмосферы. А в остальном их работа совершенно идентична и не отличается друг от друга.

У турбореактивного двигателя главной деталью является лопасть турбины, так как от ее исправной работы напрямую зависит мощность двигателя. Благодаря этим лопастям и образуется тяга, которая необходима для поддержания скорости самолета. Если сравнить одну лопасть с автомобильным двигателем, то она сможет обеспечить мощностью целых десять машин.

Лопасти устанавливаются за камерой сгорания, так как там нагнетается самое высокое давления, также температура воздуха в данной части двигателя может доходить до 1400 градусов Цельсия.

В целях улучшения прочности и устойчивости лопасти перед различными факторами их монокристаллизируют, благодаря этому они могут держать высокую температуру и давление. Прежде чем установить такой двигатель на самолет его тестируют на полном тяговом усилителе. Также двигатель должен получить сертификат от Европейского совета по безопасности.

Атомный двигатель

В период холодной войны в мире были попытки создания атомного двигателя, за основу был взят турбореактивный двигатель. Главной задумкой ученых было создание двигателя, основанного не на химической реакции радиоактивных веществ, а на вырабатываемом тепле от ядерного реактора. Он должен был находиться на месте камеры сгорания.

В теории воздух должен был проходить через работающую зону реактора, благодаря этому реактор должен был остужаться, а температура воздуха наоборот возрастать. После чело воздух должен был расширяться и выходить через сопла (выхлоп) на этот момент скорость воздуха должна была превышать скорость полета самолета.

В Советском союзе были попытки проведения испытаний подобного двигателя, также ученные в соединенных штатах Америки, вели разработку данного двигателя, и их работа почти подходила к тестам двигателя на настоящем самолете.

Но по ряду причин разработки этого двигателя было решено закрыть. Так как у двигателя было множество недостатков, а именно:

  • Пилоты были подвержены постоянному радиоактивному облучению на протяжении всего полета.
  • Вместе с воздухом через сопла выходили и частички радиоактивного элемента в атмосферу.
  • В том случае если самолет терпел крушение, был очень большой шанс взрыва радиоактивного реактора, что влекло за собой радиоактивное отравление на довольно большой площади.

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.

Читать еще:  Что определяет число полюсов двигателя

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.

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%.

Классификация реактивных двигателей

Принцип прямой реакции дал жизнь огромной семье реактивных двигателей. Как можно видеть на рисунке (рис.1), двигатели делятся на две группы. Это деление произошло по тому, что все «химические» реактивные двигатели делятся на два класса в зависимости от того,

используют они для своей работы окружающий воздух или нет.

Первая группа — воздушно-реактивные двигатели (ВРД). Они не могут работать вне атмосферы. Вот почему эти двигатели — основа современной авиации, как пилотируемой, так и беспилотной. ВРД используют атмосферный кислород для сгорания топлива, без него реакция сгорания в двигателе не пойдет. Но все же в настоящее время наиболее широко применяются турбореактивные двигатели.

ТРД, устанавливаемые почти на всех без исключения современных самолётах, как и все двигатели, использующие атмосферный воздух, нуждаются в специальном устройстве для сжатия воздуха перед его подачей в камеру сгорания. Ведь если давление в камере сгорания не будет значительно превышать атмосферное, то газы не станут вытекать из двигателя с большей скоростью — именно давление выталкивает их наружу. Но при малой скорости истечения тяга двигателя будет малой, а топлива двигатель будет расходовать много, такой двигатель не найдёт применения.

В ТРД для сжатия воздуха служит компрессор, и конструкция двигателя во многом зависит от типа компрессора. Существует двигатели с осевым и центробежным компрессором, осевые компрессоры могут иметь меньшее или большее число ступеней сжатия, быть одно — двухкаскадными и т.д.

Читать еще:  Большие обороты холостого хода на прогретом двигателе

Для приведения во вращение компрессора ТРД имеет газовую турбину, которая и дала название двигателю. Из-за компрессора и турбины конструкция двигателя оказывается весьма сложной.

Значительно проще по конструкции бескомпрессорные воздушно-реактивные двигатели, в которых необходимое повышение давления осуществляется другими способами, которые имеют названия: пульсирующие и прямоточные двигатели.

В пульсирующем двигателе для этого служит обычно клапанная решётка, установленная на входе в двигатель: когда новая порция топливно-воздушной смеси заполняет камеру сгорания и в ней происходит вспышка, клапаны закрываются, изолируя камеру сгорания от входного отверстия двигателя. Вследствие того давление в камере повышается, и газы устремляются через реактивное сопло наружу, после чего весь процесс повторяется.

В прямоточном двигателе нет даже и этой клапанной решётки, и давление в камере сгорания повышается в результате торможения встречного потока воздуха во входном устройстве – диффузоре. Понятно, что такой двигатель способен работать только тогда, когда летательный аппарат уже летит с достаточно большой скоростью. Но зато при весьма большой скорости, в 4-5 раз большей скорости звука, прямоточный двигатель развивает очень большую тягу и расходует меньше топлива, чем любой другой «химический» реактивный двигатель при этих условиях.

Поэтому сверхзвуковые летательные аппараты с прямоточными воздушно-реактивными двигателями (ПВРД) имеют специальные двигатели (ускорители), обеспечивающие скорость движения, необходимую для начала устойчивой работы ПРД. Это утяжеляет хвостовую часть конструкции и для обеспечения необходимой устойчивости требует установки стабилизаторов.

Работа ракетных двигателей (РД) не зависит от окружающей среды, так как всё топливо находится на борту ЛА.

В ЖРД в качестве окислителя применяются жидкий кислород, смеси азотной кислоты с окислами азота и другие вещества. Горючими могут служить керосин, спирты и другие компоненты.

В РДТТ в качестве топлива применяют специальные твёрдые составы, содержащие горючие и окислительные элементы. По физической структуре твёрдые топлива делят на два класса: гомогенные и гетерогенные.

Гомогенные топлива – твёрдый раствор органических веществ, содержащих горючее и окислитель. Горючей основой является нитроклетчатка (нитроцеллюлоза), кислород находится в растворителях (вещества типа нитроглицерина).

Нитроклетчатка растворяется в нитроглицерине — С3Н5(ОNO2)3.

Гомогенные топлива получают методом прессования. Нитроглицерин и нитроцеллюлоза смешиваются в виде взвеси в большом объёме воды (1:10). Полученная суспензия пропускается через фильтры и центрифугируется. Затем масса сушится теплым воздухом до остаточного содержания влаги (10 – 12%), в нагретом виде вальцуется до тех пор, пока влажность не снизится до десятых долей процента. Скатанные из полученных полотен рулоны поступают на прессы, где заряд приобретает необходимую форму.

Возможен другой способ: производят гранулированное топливо, которое насыщается пластификатором превращается в однородную массу нагреванием.

Гетерогенные топлива – механические смеси горючих и окислительных элементов, скреплённых пластической связкой.

Горючими компонентами этих топлив являются каучукообразные или смолообразные вещества (они же являются связующими веществами): фенол, формальдегидная резина, асфальт, различные полимеры.

Окислителями являются вещества, содержащие большой процент активного кислорода: нитраты или перхлораты калия, натрия, лития и др.

Двигатели ЖРД и РДТТ наряду с достоинствами обладают и определёнными недостатками. Некоторые качества этих двигателей улучшают при совершенствовании конструкции, но некоторые недостатки, связанные с использованием только жидкого или только твёрдого топлива устранить полностью невозможно.

Поэтому появились двигатели, топливо которых состоит из веществ разного агрегатного состояния (жидких и твёрдых) – гибридные ракетные двигатели (ГРД). Первая ракета с ГРД была создана в 1933 году под руководством С.П.Королёва по проекту М.К. Тихонравова. Двигатель ОР-2 конструкции Ф.А.Цандера с тягой 50 кг работал на жидком кислороде твёрдом бензине (ракеты достигла высоты 1500 м).

Известны РДТТ с двумя раздельными зарядами твёрдого топлива, один из которых содержит избыток окислителя, а другой – избыток горючего. Такой двигатель называют РДТТ раздельного снаряжения (РДТТ РС). РДТТ РС и ГРД объединяют в класс комбинированных ракетных двигателей – КРД.

В ядерном ракетном двигателе (ЯРД) используется энергия распада или синтеза ядерного горючего, которая затем преобразуется в кинетическую энергию отбрасываемых частиц.

Простейшая схема ЯРД с реактором на твёрдом горючем показана на рисунке 6.

Отечественный ЯРД, в принципе, был создан в 1981 году (это год проведения экспериментальных запусков реактора). На выставке «Двигателестроение» в 1999 году был показан ЯРД-0410. Его характеристики приведены в таблице ниже

Характеристики двигателя РД-0410

Тяга в вакууме35,28 кН
Рабочее телоСмесь Н2 и гексана
Средняя температура на входе в сопло3000 К
Время работы3600 с
Количество включений
Масса с радиационной защитой и адаптером2000 кг
Тепловая мощность реактора196 МВт
Размеры реактора: — высота — диаметр800 мм 500 мм
Размеры двигателя: — высота — максимальный диаметр3700 мм 1200 мм

ЭРД – двигатель для дальних космических полётов. В этих двигателях рабочее тело разгоняется до высоких скоростей истечения с помощью электрической энергии. Для этих двигателей характерна очень высокая удельная тяга при малой абсолютной тяге. Сейчас ЭРД работают на ИСЗ, КА, КК в качестве двигателей коррекции. Источником электрической энергии для них может быть ядерный реактор. Существует несколько типов ЭРД, например, плазменный или ионный.

В плазменном двигателе рабочее тело разогревается с помощью мощной электрической дуги с высокой плотностью тока до очень высокой температуры (свыше 10000 о абс.). при такой температуре происходит полная ионизация частиц, т.е. возникает плазма. Расширяется рабочее тело при движении по соплу.

В ионном двигателе ускорение массе ионизированных частиц сообщается электростатическим или электромагнитным полем (рис.7). В качестве рабочего тела может быть использован цезий, который ионизируется при нагреве.

Характеристики рассмотренных двигателей представлены в таблице ниже.

Состояние разработкиПервый запуск в 1926 году; существует много столетийНаземные испытания; теоретическая разработка и лабораторные экспериментыЛётные испыт. В 1964 годуТеоретическая Разработка; Только идея
Сообщаемое ускорение в единицах g = 9,8 м/с1…8; в особых случаях 10 -2 …10 21…8; в особых случаях 10 -2 …1010 -4 …10 -2 ; 10 -5 …10 -3 ; 10 -5 …10 -310 -4 …10 -5 ; 4*10 -5
Скорость истечения, км/с2…4,5; 2…38…12; 12…20; 20…70; 10…10015…20; 50…600; 50…10080000;
Отбрасыва-емая среда или лучиГаообразные продукты химической реакциидиссоциированный газ; ˝ — ˝ ˝ — ˝ ˝ — ˝ плазмплазмаФотоны; Альфа-частицы; фотоны
Источник энергииРабочее телоядерное горючее; ˝ — ˝ ˝ — ˝ ˝ — ˝ синтез ядерЯдерный реактор; Солнце или Химическая батареяСолнце; Радиоактивн. распад; аннигиляция
Тип двигателяЖРД РДТТтвёрдофазныйреактор; жидкофазный реактор; газообразный реактор; термоядер-ныйЭлектротермический; электростатический; магнитодинамическийСолнечный; Изотопный парус; фотонный
Класс двигателейТермохи-мическиеЯдерные (ЯРД)Электрические (ЭРД)Парусные

3. Классификация жидкостных ракетных двигателей

Тип ЖРД принято определять по какому-либо характерному признаку приведённой выше схемы.

Основными конструктивными элементами двигательной установки являются: система подачи; система наддува; камера двигателя и баки с компонентами топлива.

В системе подачи можно выделить две основных части:

1. агрегат для создания давления подачи компонента;

2. систему агрегатов и трубопроводов, обеспечивающих запуск, остановку и работу двигателя (система ПГС)

По типу агрегата, создающего давление подачи, различают ТНСП и ВСП.

В ВСП по типу источника сжатого газа различают:

1. систему подачи с воздушным аккумулятором давления или газовым (ВАД или ГАД);

2. систему подачи с пороховым аккумулятором давления (ПАД);

3. систему подачи с жидкостным аккумулятором давления (ЖАД).

В вытеснительной СП газ в баллонах находится при давлении 250…350 атм. и поступает через газовый редуктор в бак при давлении, необходимом для вытеснения топлива из баков в камеру сгорания – Р ≈ 45 атм.

В системах с ПАД вытеснение осуществляется продуктами сгорания пороховых шашек, в ЖАД — продуктами сгорания жидких компонентов, сгораемых в специальных газогенераторах.

Общий недостаток ВСП – высокое давление наддува баков, в результате чего толщина стенки баков и вес получаются большими, а давление в камере сгорания – низким.

Наиболее экономичными и лёгкими СП являются турбонасосные системы подачи (ТНСП).

ТНА (турбонасосный агрегат) состоит из центробежных насосов, турбины, насаженной на один вал с насосами. Для выработки рабочего газа, раскручивающего турбину, применяются либо однокомпонентные топлива (перекись водорода, изопропилнитрат), либо двухкомпонентные, обычно используемые с избытком горючего, что позволяет снизить температуру газов до 700…900 о С.

Для обеспечения беспрерывной бескавитационной подачи топлива из баков в двигатель перед насосами необходимо создавать давление Рвх. ≈ 2…6 атм.

Кавитация – холодное кипение- явление возникновения в потоке жидкости разрывов или пустот, заполненных парами жидкости.

Перед входом в насос жидкость обладает определённым запасом энергии, который по мере движения жидкости по каналу уменьшается. Наблюдается падение давления жидкости, которое возрастает при движении по суживающемуся каналу перед насосом. Когда давление в потоке жидкости станет меньше давления насыщенных паров жидкости, то в какой либо точке произойдёт местное испарение – образуются паровые объёмы.

При попадании в область высоких давлений пар конденсируется, заполнение объёма паровых мешков жидкостью происходит с большой скоростью, что обусловливает значительное местное повышение давления, т.е. гидравлические удары. Гидравлические удары приводят к эрозии металла и разрушению конструкции.


В зависимости от дальнейшего использования рабочего газа, вышедшего из ТНА, двигательные установки разделяют на работающие по открытой и по замкнутой схемам. В первой схеме газ из ТНА выбрасывается в атмосферу рис.8, а во второй – отработанный в турбине газ поступает для дальнейшего дожигания в камеру сгорания рис.9, создавая дополнительную тягу. По схеме (рис.9) весь окислитель из бака подаётся насосом в ЖГГ. Основная часть горючего подаётся в камеру сгорания, некоторая часть поступает в ЖГГ. Образовавшийся в ЖГГ газ с избытком окислителя поступает на турбину и дальше по газоводу в камеру сгорания.

голоса
Рейтинг статьи
Ссылка на основную публикацию
ВсеИнструменты
Adblock
detector