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.
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.
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. животное собирает в пучок все свои десять щупалец, что придает телу обтекаемую форму. В сопле имеется специальный клапан. Животное поворачивает его при помощи сокращения мышц. Это позволяет морскому обитателю менять направление движения. Роль руля во время перемещений кальмара играют и его щупальца. Их он направляет влево или вправо, вниз или вверх, легко уклоняясь от столкновений с различными препятствиями.
Существует вид кальмаров (стенотевтис), которому принадлежит звание лучшего пилота среди моллюсков. Опишите принцип работы реактивного двигателя - и вы поймете, почему, преследуя рыб, это животное порой выскакивает из воды, попадая даже на палубы судов, идущих по океану. Как же это происходит? Кальмар-пилот, находясь в водной стихии, развивает максимальную для него реактивную тягу. Это и позволяет ему пролететь над волнами на расстояние до пятидесяти метров.
Если рассматривать реактивный двигатель, принцип работы какого животного можно упомянуть еще? Это, на первый взгляд, мешковатые осьминоги. Пловцы из них не такие быстрые, как кальмары, но в случае опасности их скорости могут позавидовать даже лучшие спринтеры. Биологи, изучавшие миграции осьминогов, установили, что перемещаются они наподобие того, какой имеет реактивный двигатель принцип работы.
Животное с каждой струей воды, выброшенной из воронки, делает рывок на два или даже на два с половиной метра. При этом плывет осьминог своеобразно - задом наперед.
Другие примеры реактивного движения
Существуют свои ракеты и в мире растений. Принцип реактивного двигателя можно наблюдать тогда, когда даже при очень легком прикосновении «бешеный огурец» с высокой скоростью отскакивает от плодоножки, одновременно отторгая клейкую жидкость с семенами. При этом сам плод отлетает на значительное расстояние (до 12 м) в противоположном направлении.
Принцип работы реактивного двигателя можно наблюдать также, находясь в лодке. Если из нее в воду в определенном направлении бросать тяжелые камни, то начнется движение в противоположную сторону. Такой же имеет и 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 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
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 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 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 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 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%.
РЕАКТИ́ВНЫЙ ДВИ́ГАТЕЛЬ, двигатель, создающий необходимую для движения силу тяги путём преобразования потенциальной энергии в кинетическую энергию реактивной струи рабочего тела. Под рабочим тело м, применительно к двигателям, понимают вещество (газ, жидкость, твёрдое тело), с помощью которого тепловая энергия, выделяющаяся при сгорании топлива, преобразуется в полезную механическую работу. В результате истечения рабочего тела из сопла двигателя образуется реактивная сила в виде реакции (отдачи) струи, направленной в пространстве в сторону, противоположную истечению струи. В кинетическую (скоростную) энергию реактивной струи в реактивном двигателе могут преобразовываться различные виды энергии (химическая, ядерная, электрическая, солнечная).
Реактивный двигатель (двигатель прямой реакции) сочетает в себе собственно двигатель с движителем , т. е. обеспечивает собственное движение без участия промежуточных механизмов. Для создания реактивной тяги (тяги двигателя), используемой реактивным двигателем, необходимы: источник исходной (первичной) энергии, которая превращается в кинетическую энергию реактивной струи; рабочее тело, которое в виде реактивной струи выбрасывается из реактивного двигателя; сам реактивный двигатель – преобразователь энергии. Тяга двигателя – это реактивная сила, являющаяся результирующей газодинамических сил давления и трения, приложенных к внутренним и наружным поверхностям двигателя. Различают внутреннюю тягу (реактивную тягу) – результирующую всех газодинамических сил, приложенных к двигателю, без учёта внешнего сопротивления и эффективную тягу, учитывающую внешнее сопротивление силовой установки. Исходная энергия запасается на борту летательного или другого аппарата, оснащённого реактивным двигателем (химическое горючее, ядерное топливо), или (в принципе) может поступать извне (энергия Солнца).
Для получения рабочего тела в реактивном двигателе может использоваться вещество, отбираемое из окружающей среды (например, воздух или вода); вещество, находящееся в баках аппарата или непосредственно в камере реактивного двигателя; смесь веществ, поступающих из окружающей среды и запасаемых на борту аппарата. В современных реактивных двигателях в качестве первичной энергии чаще всего используется химическая энергия. В этом случае рабочее тело представляет собой раскалённые газы – продукты сгорания химического топлива. При работе реактивного двигателя химическая энергия сгорающих веществ преобразуется в тепловую энергию продуктов сгорания, а тепловая энергия горячих газов превращается в механическую энергию поступательного движения реактивной струи и, следовательно, аппарата, на котором установлен двигатель.
Принцип работы реактивного двигателя
В реактивном двигателе (рис. 1) струя воздуха попадает в двигатель, встречается с вращающимися с огромной скоростью турбинами компрессора, который засасывает воздух из внешней среды (с помощью встроенного вентилятора). Таким образом, решаются две задачи – первичный забор воздуха и охлаждение всего двигателя в целом. Лопатки турбин компрессора сжимают воздух примерно в 30 раз и более и «проталкивают» его (нагнетают) в камеру сгорания (генерируется рабочее тело), которая является основной частью любого реактивного двигателя. Камера сгорания выполняет ещё и роль карбюратора , смешивая топливо с воздухом. Это может быть, например, смесь воздуха с керосином, как в турбореактивном двигателе современного реактивного самолёта, или же смесь жидкого кислорода со спиртом, как в некоторых жидкостных ракетных двигателях, или какое-нибудь твёрдое топливо пороховых ракет. После образования топливно-воздушной смеси она поджигается и выделяется энергия в виде теплоты, т. е. топливами реактивных двигателей могут служить лишь такие вещества, которые при химической реакции в двигателе (сгорании) выделяют достаточно много теплоты, а также образуют при этом большое количество газов.
В процессе возгорания происходит значительный разогрев смеси и окружающих деталей, а также объёмное расширение. Фактически реактивный двигатель использует для движения управляемый взрыв. Камера сгорания реактивного двигателя одна из самых горячих его частей (температура в ней достигает 2700° С), её необходимо постоянно интенсивно охлаждать. Реактивный двигатель снабжён соплом, через которое из двигателя наружу с огромной скоростью вытекают раскалённые газы – продукты сгорания топлива в двигателе. В одних двигателях газы попадают в сопло сразу же после камеры сгорания, например в ракетных или прямоточных двигателях. В турбореактивных двигателях газы после камеры сгорания сначала проходят через турбину , которой отдают часть своей тепловой энергии для приведения в движение компрессора, служащего для сжатия воздуха перед камерой сгорания. Но, так или иначе, сопло является последней частью двигателя – через него текут газы, перед тем как покинуть двигатель. Оно формирует непосредственно реактивную струю. В сопло направляется холодный воздух, нагнетаемый компрессором для охлаждения внутренних деталей двигателя. Реактивное сопло может иметь различные формы и конструкцию в зависимости от типа двигателя. Если скорость истечения должна превосходить скорость звука, то соплу придаётся форма расширяющейся трубы или же сначала суживающейся, а затем расширяющейся (сопло Лаваля). Только в трубе такой формы можно разогнать газ до сверхзвуковых скоростей, перешагнуть через «звуковой барьер».
В зависимости от того, используется или нет при работе реактивного двигателя окружающая среда, их подразделяют на два основных класса – воздушно-реактивные двигатели (ВРД) и ракетные двигатели (РД). Все ВРД – тепловые двигатели , рабочее тело которых образуется при реакции окисления горючего вещества кислородом воздуха. Поступающий из атмосферы воздух составляет основную массу рабочего тела ВРД. Т. о., аппарат с ВРД несёт на борту источник энергии (горючее), а бо́льшую часть рабочего тела черпает из окружающей среды. К ним относят турбореактивный двигатель (ТРД), прямоточный воздушно-реактивный двигатель (ПВРД), пульсирующий воздушно-реактивный двигатель (ПуВРД), гиперзвуковой прямоточный воздушно-реактивный двигатель (ГПВРД). В отличие от ВРД все компоненты рабочего тела РД находятся на борту аппарата, оснащённого РД. Отсутствие движителя, взаимодействующего с окружающей средой, и наличие всех компонентов рабочего тела на борту аппарата делают РД пригодным для работы в космосе. Существуют также комбинированные ракетные двигатели, представляющие собой как бы сочетание обоих основных типов.
Основные характеристики реактивных двигателей
Основным техническим параметром, характеризующим реактивный двигатель, является тяга – усилие, которое развивает двигатель в направлении движения аппарата, удельный импульс – отношение тяги двигателя к массе ракетного топлива (рабочего тела), расходуемого в 1 с, или идентичная характеристика – удельный расход топлива (количество топлива, расходуемого за 1 с на 1 Н развиваемой реактивным двигателем тяги), удельная масса двигателя (масса реактивного двигателя в рабочем состоянии, приходящаяся на единицу развиваемой им тяги). Для многих типов реактивных двигателей важными характеристиками являются габариты и ресурс. Удельный импульс является показателем степени совершенства или качества двигателя. В приведённой диаграмме (рис. 2) в графической форме представлены верхние значения этого показателя для разных типов реактивных двигателей в зависимости от скорости полёта, выраженной в форме Маха числа , что позволяет видеть область применимости каждого типа двигателей. Этот показатель является также мерой экономичности двигателя.
Тяга – сила, с которой реактивный двигатель воздействует на аппарат, оснащённый этим двигателем, - определяется по формуле: $$P = mW_c + F_c (p_c – p_n),$$ где $m$ – массовый расход (расход массы) рабочего тела за 1 с; $W_c$ – скорость рабочего тела в сечении сопла; $F_c$ – площадь выходного сечения сопла; $p_c$ – давление газов в сечении сопла; $p_n$ – давление окружающей среды (обычно атмосферное давление). Как видно из формулы, тяга реактивного двигателя зависит от давления окружающей среды. Она больше всего в пустоте и меньше всего в наиболее плотных слоях атмосферы, т. е. изменяется в зависимости от высоты полёта аппарата, оснащённого реактивным двигателем, над уровнем моря, если рассматривается полёт в атмосфере Земли. Удельный импульс реактивного двигателя прямо пропорционален скорости истечения рабочего тела из сопла. Скорость же истечения увеличивается с ростом температуры истекающего рабочего тела и уменьшением молекулярной массы топлива (чем меньше молекулярная масса топлива, тем больше объём газов, образующихся при его сгорании, и, следовательно, скорость их истечения). Поскольку скорость истечения продуктов сгорания (рабочего тела) определяется физико-химическими свойствами компонентов топлива и конструктивными особенностями двигателя, являясь постоянной величиной при не очень больших изменениях режима работы реактивного двигателя, то величина реактивной силы определяется в основном массовым секундным расходом топлива и колеблется в очень широких пределах (минимум у электрических – максимум у жидкостных и твердотопливных ракетных двигателей). Реактивные двигатели малой тяги применяются главным образом в системах стабилизации и управления летательных аппаратов. В космосе, где силы тяготения ощущаются слабо и практически нет среды, сопротивление которой приходилось бы преодолевать, они могут использоваться и для разгона. РД с максимальной тягой необходимы для запуска ракет на большие дальность и высоту и особенно для вывода летательных аппаратов в космос, т. е. для разгона их до первой космической скорости. Такие двигатели потребляют очень большое количество топлива; они работают обычно очень короткое время, разгоняя ракеты до заданной скорости.
ВРД используют в качестве основного компонента рабочего тела окружающий воздух, значительно экономичнее. ВРД могут работать непрерывно в течение многих часов, что делает их удобными для использования в авиации. Разные схемы позволили их применять для ЛА эксплуатирующихся на разных режимах полёта. Широко применяются турбореактивные двигатели (ТРД), устанавливаемые почти на всех без исключения современных самолётах. Как и все двигатели, использующие атмосферный воздух, ТРД нуждаются в специальном устройстве для сжатия воздуха перед его подачей в камеру сгорания. В ТРД для сжатия воздуха служит компрессор, и конструкция двигателя во многом зависит от типа компрессора. Значительно проще по конструкции бескомпрессорные воздушно-реактивные двигатели, в которых необходимое повышение давления осуществляется другими способами; это пульсирующие и прямоточные двигатели. В пульсирующем воздушно-реактивном двигателе (ПуВРД) 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 этого давление в камере повышается, и газы устремляются через реактивное сопло наружу, после чего весь процесс повторяется. В бескомпрессорном двигателе другого типа, прямоточном воздушно-реактивном (ПВРД), нет даже и этой клапанной решётки и атмосферный воздух, попадая во входное устройство двигателя со скоростью, равной скорости полёта, сжимается за счёт скоростного напора и поступает в камеру сгорания. Впрыскиваемое топливо сгорает, повышается теплосодержание потока, который истекает через реактивное сопло со скоростью, большей скорости полёта. За счёт этого и создаётся реактивная тяга ПВРД. Основным недостатком ПВРД является неспособность самостоятельно обеспечить взлёт и разгон летательного аппарата (ЛА). Требуется сначала разогнать ЛА до скорости, при которой запускается ПВРД и обеспечивается его устойчивая работа. Особенность аэродинамической схемы сверхзвуковых летательных аппаратов с прямоточными воздушно-реактивными двигателями (ПВРД) обусловлена наличием специальных ускорительных двигателей, обеспечивающих скорость движения, необходимую для начала устойчивой работы ПРД. Это утяжеляет хвостовую часть конструкции и для обеспечения необходимой устойчивости требует установки стабилизаторов.
Историческая справка
Принцип реактивного движения известен давно. Родоначальником реактивного двигателя можно считать шар Герона . Твердотопливные ракетные двигатели (РДТТ – ракетный двигатель твёрдого топлива) – пороховые ракеты появились в Китае в 10 в. н. э. На протяжении сотен лет такие ракеты применялись сначала на Востоке, а затем в Европе как фейерверочные, сигнальные, боевые. Важным этапом в развитии идеи реактивного движения была идея применения ракеты в качестве двигателя для летательного аппарата. Её впервые сформулировал русский революционер-народоволец Н. И. Кибальчич, который в марте 1881, незадолго до казни, предложил схему летательного аппарата (ракетоплана) с использованием реактивной тяги от взрывных пороховых газов. РДТТ применяют во всех классах ракет военного назначения (баллистических, зенитных, противотанковых и др.), в космической (например, в качестве стартовых и маршевых двигателей) и авиационной технике (ускорители взлёта самолётов, в системах катапультирования ) и др. Небольшие твердотопливные двигатели применяются в качестве ускорителей при взлёте самолётов. Электрические ракетные двигатели и ядерные ракетные двигатели могут использоваться на космических летательных аппаратах.
Турбореактивными двигателями и двухконтурными турбореактивными двигателями оснащено большинство военных и гражданских самолётов во всём мире, их применяют на вертолётах. Эти реактивные двигатели пригодны для полётов как с дозвуковыми, так и со сверхзвуковыми скоростями; их устанавливают также на самолётах-снарядах, сверхзвуковые турбореактивные двигатели могут использоваться на первых ступенях воздушно-космических летательных аппаратов , ракетно-космической технике и т. д.
Большое значение для создания реактивных двигателей имели теоретические работы русских учёных С. С. Неждановского, И. В. Мещерского , Н. Е. Жуковского , труды французского учёного Р. Эно-Пельтри , немецкого учёного Г. Оберта . Важным вкладом в создание ВРД была работа советского учёного Б. С. Стечкина «Теория воздушного реактивного двигателя», опубликованная в 1929. Практически на более 99% летательных аппаратов в той или иной степени применяют реактивный двигатель.
И каково его значение для современной авиации. С самого своего появления на Земле Человек устремлял свой взор к небу. С какой невероятной легкостью птицы парят в восходящих потоках теплого воздуха! Причем не только маленькие экземпляры, но даже такие крупные, как пеликаны, журавли и многие другие. Попытки подражать им, применяя примитивные основанные на мускульной силе самого летчика, если и приводили к своеобразному «полету», то все равно о массовом внедрении разработки речь идти не могла - уж очень ненадежными были конструкции, слишком много ограничений накладывалось на человека, их использующего.
Затем появились двигатели внутреннего сгорания и пропеллерные моторы. Они оказались настолько успешными, что современный реактивный двигатель и винтово-моторный (пропеллерный) до сих пор параллельно сосуществуют. Конечно, претерпев ряд модификаций.
Как появился реактивный двигатель
Большинство технических решений, изобретение которых приписывается Человеку, на самом деле были подсмотрены у природы. К примеру, созданию дельтаплана предшествовало наблюдение за полетом птиц, парящих в небе. Обтекаемые формы рыб и птиц также были блестяще аргументированы, но уже в рамках технических средств. Подобная история не обошла стороной и реактивный двигатель. Данный принцип движения используют многие морские обитатели - осьминоги, кальмары, медузы и пр. О подобном двигателе высказывался Циолковский. Даже более - он теоретически обосновал возможность создания дирижабля для полетов в межпланетном пространстве.
Лежит в основе А ракеты были известны еще в Древнем Китае. Можно сказать, что идея создания реактивного мотора «витала в воздухе», требовалось лишь увидеть ее и воплотить в технике.
Строение двигателя и принцип работы
В основе любого реактивного мотора лежит камера с выходом, заканчивающимся трубкой-раструбом. Внутрь камеры подается топливная смесь, воспламеняется там, превращаясь в газ высокой температуры. Так как его давление распространяется равномерно во все стороны, давя на стенки, то покинуть камеру газ может только через раструб, ориентированный в противоположную сторону желаемого направления движения. Это создает Сказанное легче понять на примере: на льду стоит человек, держа в руках тяжелый лом. Но стоит ему отбросить лом в сторону, как он получит импульс ускорения и заскользит по льду в противоположную броску сторону. Различие в дальности полета лома и смещения человека объясняется только их массой, сами же силы равны, а векторы противоположны. Проводя аналогию с реактивным двигателем: человек - это летательный аппарат, а лом - перегретый газ из раструба камеры.
При всей своей простоте данная схема обладает несколькими существенными недостатками - большим расходом топлива и огромным давление на стенки камеры. Для снижения потребления используют различные решения: в качестве горючего применяют и окислитель, которые, изменяя свое агрегатное состояние, более предпочтительны, чем жидкое топливо; другой вариант - окисляемый порошок вместо жидкости.
Но наилучшим решением является прямоточный реактивный двигатель. Он представляет собой сквозную камеру, с входом и выходом (условно говоря - цилиндр с раструбом). При движении аппарата в камеру под давлением попадает воздух внешней среды, нагревается и сжимается. Подающаяся топливная смесь воспламеняется и сообщает дополнительную температуру. Далее он вырывается через раструб и создает импульс, как в обычном реактивном моторе. В этой схеме топливо является вспомогательным элементом, поэтому его затраты существенно ниже. Именно такой тип двигателя использован в самолетах, где можно увидеть лопасти турбины, нагнетающей воздух в камеру.