Как устроен реактивный двигатель

Реактивный двигатель – так называемое устройство, предназначенное для передвижения, как правило, в воздухе этого же устройства и, как правило, сопряженное совместно с каким-либо агрегатом (аппаратом для полетов).

Перемещение двигателя производится за счет силы тяги, называемой реактивной, которая возникает при превращении энергии разного рода веществ или топливв (электроэнергии, химической, ядерной). Реактивная сила отдающих свою энергию истекающих струй и образующаяся на выходном сопле устройства, способна приводить в движение весь аппарат без помощи посторонних узлов и механизмов.

Саму теорию практического применения энергии реактивной силы, которая бы справилась с притяжением Земли, предложил ученый-инженер из России Циолковский К.Э. Однако ученому понадобилось достаточно много времени, в том числе политической смены власти, чтобы его научные исследования были приняты в практическом использовании.

Рисунок 1 – Общий снимок реактивного двигателя, который устанавливается в самолетах

Принцип работы реактивного двигателя

В общем виде принцип работы реактивного двигателя практически аналогичен принципу работы ядерного двигателя. Для первого применяется химическая движущая энергия, для вотрого же — энергия ядерных элементов.

Многие из нас, особенно мужская половина населения (на службе в армии, на охоте, в тире, на полигоне), стреляли из огнестрельного оружия и, соответственно, чувствовали на себе действие реактивной силы в виде отдачи. Этот же принцип, основанный на законе сохранения импульса, применяется в реактивных двигательных установках, в которых главным двигательным веществом является топливо.

Если рассмотреть вариант реактивного двигателя, функционирующего на керосиновом топливе, то в смесительном отсеке агрегата, где топливо смешивается с окислителем и происходит горение состав, выпускается огромнейшая энергия в виде тепла и мгновенного повышения давления в 10-20-30 и более раз выше атмосферного.

При постоянном поступлении топлива и окислителя (воздуха, жидкого кислорода, азотной кислоты) выходная кинетическая энергия рабочей отработанной смеси будет обладать высоким движущим импульсом. И истекающие струи через «Лавальское» сопло агрегата в окружающее пространство будут приводить в движение установку за счет выталкивающего момента.

Рисунок 2 – Иллюстрационное изображение работы реактивного двигателя

Как работает реактивный двигатель

Рисунок 3 – Схема работы реактивного двигателя

Воздух из окружающего пространства поступает на всас вентиляторов, которые подают его далее лопатки вращающегося с очень высокой скоростью турбокомпрессора. При этом поступающий воздух выполняет 2 функции:

• окислитель для сгорания топлива;
• охладитель агрегата.

В лопаточном аппарате турбокомпрессора воздух крепко уплотняется и под высоким давлением (от 3 МПа) подается в топливную смесительную камеру реактивного двигателя. Из рисунка 3 видно, что камера сгорания устроена таким образом, что смешение воздуха производится в несколько ступеней — на входе и в самой камере. Сюда же подводится топливо.

Хорошо перемешанная и в достаточном количестве обогащенная смесь воспламеняется, и в результате сгорания образуется тепловая энергия с выделением огромного объема газов. Последние приводят во вращение турбину горячей части двигателя, привод которой служит приводом турбокомпрессора.

В отдельных моделях реактивных двигателей турбины на выходе не монтируются. По большей части данное исполнение применяется в конструкции и принципе работы ракетного двигателя, где продукты сгорания после камеры попадают на выходные сопла.

Покидая горячую ступень, газы во всех реактивных аппаратах проходят через сопла. Эти элементы отличаются по своим конструкциям для разных моделей реактивных агрегатов и представляют собой «трубу», которая сначала сужается, а к выходу газов увеличивается в диаметре. За счет такой конструкции отработавшие газы увеличивают свою скорость до сверхзвука и образуют реактивную силу.

Температура горения в «сердце» реактивного агрегата достигает 2500°С, поэтому конструктивно требовательны в постоянстве охлаждения.

Устройство реактивного двигателя

С первого взгляда кажется устройство конструкции реактивной установки достаточно простым, однако характеристики использования топлива и его сгорания требуют применения высокопрочных материалов.

На рисунке 4 изображено устройство реактивного двигателя.

Рисунок 4 — Устройство реактивного двигателя

Из рисунка 4 видно, что на входе в аппарат установлен вентилятор всасывающий воздух в двигатель. Вентилятор состоит из мощных и объемных по размеру лопастей, которые, как правило, изготавливаются из титана. Далее вслед за вентилятором установлен многоступенчатый турбокомпрессор для подачи воздуха непосредственно в камеру, где происходит сгорание рабочего тела.

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

Отработанный газовый вихрь через сопла набирает реактивную скорость и покидает полость аппарата. Для предотвращения перегрева и расплавки на сопла подводится охлаждающий воздух от турбокомпрессора по специальным каналам в корпусе двигателя.

Разновидности реактивных двигателей

Существует несколько реактивных двигателей отличающихся по своему принципу работы и подобию. Так, принцип работы ядерного двигателя, в основу которого положена синтезная реакция разложения химического элемента, к примеру — урана.

Данный элемент помещается в реактор. Туда же подводится при помощи турбонасосов рабочее вещество. Распылительными форсунками производится его рассеивание по рабочей камере, в которой происходит контакт с химическим ураном. В результате выделяется энергия большой силы, которая и является движущей.

Не смотря на всю конфиденциальность и секретность информации о ядерном вооружении стран во всем мире, самую большую опасность представляет крылатая ракета, работающая на ядерном топливе.

Системы противовоздушной обороны настолько совершенны, что обмануть простыми полетами и маневрами уже не так-то просто. В этом случае и выступает на передний план ядерный двигатель. Увы, принцип работы ядерного двигателя для крылатой ракеты недоступен и, вряд ли, когда-нибудь будет раскрыт для общественности.

Прямоточный воздушно-реактивный двигатель

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

Устройство ПВРД

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

Принцип работы

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

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

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

История создания

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

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

Типы ПВРД

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

• дозвуковые;
• сверхзвуковые;
• гиперзвуковые.

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

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

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

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

Основные отличия ПВРД от других типов двигателей:

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

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

Достоинства и недостатки ПВРД

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

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

Недостатки:

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

Сфера применения

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

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

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

Последняя разработка является двигатель Sabre частной фирмы Reaction Engines.

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

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