Двигатели

Реактивный двигатель

Реактивным двигателем называют такой тепловой двига­тель, у которого тепловая энергия, выделившаяся при сгорании топлива, непосредственно превращается в кинетическую энергию потока газа, а возникающая при этом реакция используется как движущая сила, или тяга. Такой двигатель называется двигате­лем прямой реакции, в противоположность двигателям непрямой реакции, к которым относится, например, поршневая винтомотор­ная установка; в этой последней тепловая энергия превращается предварительно с помощью кривошипно-шатунного механизма в механическую энергию вращения вала винта (собственно дви­гатель), а затем уже механическая энергия вращения винта пре­вращается в работу тяги в результате отбрасывания масс воз­духа (движитель). Реактивный двигатель не имеет промежуточных звеньев для преобразования энергии (кривошипно-шатунный механизм, ре­дуктор и т. д.); он не имеет также и отдельного движителя, со­здающего движущую силу (тягу), каковым являются, например, колеса у автомобиля, гусеницы у трактора, гребной винт у паро­хода, воздушный винт у самолета, глиссера, аэросаней.

        Классификация тепловых реактивных двигателей (рис 1) прежде всего связана с родом потребляемого химического топлива, методами его получения и использования. Известно, что тепловая энергия, затрачиваемая на создание тяговой работы реактивного двигателя, высвобождается в результате термохимической реакции сгорания или окисления. Осуществление этой реакции оказывается возможным, как правило, при наличии двух компонентов топлива: горючего и окислителя. Для обеспечения непрерывной работы двигателя в полете необходимо иметь на летательном аппарате достаточный запас горючего. Окислитель можно также заранее запасать в виде различных кислородсодержащих твердых и жидких веществ. В качестве окислителя удобно использовать атмосферный  воздух — вплоть до очень больших высот (30-50 км) в атмосфере содержится около 20% (по весу) кислорода.

Рисунок 1 – классификация реактивных двигателей

В зависимости от способа получения и использования окислителя реактивные двигатели подразделяются на два больших класса:   ракетные    (РД)    и   воздушно-реактивные   двигатели (ВРД). Ракетные двигатели, в свою очередь, подразделяются в соответствии с фазовым состоянием применяемого топлива на ракетные двигатели твердого топлива (РДТТ) и жидкостно-ракетные двигатели (ЖРД) (Рис 2) . В качестве твердого топлива (содержащего и горючее, и окислитель) применяется бездымный порох (шашки пластифициро­ванной

Рисунок 2 – классификация реактивных двигателей, применяемых в ГА

 нитроцеллюлозы и нитроглицерина), а в последние годы — смесь полимерного горючего (каучука с порошкообразным алюминием) и активного кислородсодержащего вещества (например, перхлората аммония). Современное твердое топливо безопасно в обращении и пригодно для длительного хранения. Ракетные двигатели твердого топлива отличаются простотой конструкции, высокой надежностью и, что самое важное, — чрезвычайной простотой эксплуатации. РДТТ — двигатели кратковременного действия, однако, в течение двух-трех минут они способны развивать огромные импульсы. Жидкие топлива, применяемые в ЖРД, чрезвычайно разнообразны. К наиболее распространенным и эффективным из них относятся (по данным, приведенным в зарубежной печати):

окислители — азотная кислота, жидкий кислород, четырех окись азота, перекись водорода и др.;

горючие — керосин, спирт, гидразин, пентаборан, жидкий водород и др. Перечисленные горючие и окислители образуют различные виды так называемого двухкомпонентного топлива. В некоторых ЖРД применяют однокомпонентное топливо, например, перекись водорода. Последняя под действием катали­затора разлагается, образуя рабочее тело — высоконагретую смесь водяного пара и кислорода.

Топлива, применяемые в ЖРД, характеризуются относительной дешевизной и высокой теплотворной способностью. Однако они в большинстве случаев токсичны, нестабильны при хранении и взрывоопасны. Жидкостно-ракетные двигатели — это двигатели долговре­менного действия; они допускают регулирование тяги в широких пределах. Их конструкция несравненно сложней, а удельный вес больше, чем у РДТТ. Эксплуатация ЖРД требует специальных мер предосторожности. В последние годы появились и быстро нашли применение «гибриды» РДТТ и ЖРД — ракетные двигатели смешанного топ­лива (РДСТ). Создание этих двигателей связано со стремлением сочетать в них достоинства РДТТ и ЖРД и избавиться от недостатков двигателей этих типов. В РДСТ применяется твердое горючее и жидкий окислитель. В качестве твердого горючего используют полимер с порошкообразным алюминием, а в качестве окислителя — азотную кислоту или перекись водорода. Если у РДТТ топливо (в виде шашек или блока-отливки) заполняет объем камеры сгорания двигателя, у ЖРД топливо хранится в раздельных баках горючего и окислителя, то у РДСТ твердое топливо содержится в камере сгорания, а жидкий окислитель — в специальном баке. Так как топливо для ракетных двигателей хранится на борту летательного аппарата (либо непосредственно в объеме самой конструкции двигателя, либо в баках), то питание ракетных двигателей горючим и окислителем не зависит от состояния окру­жающей среды и режима полета. Поэтому ракетные двигатели могут применяться для полетов на очень больших высотах и в космосе, а также в широком диапазоне сверхзвуковых, гиперзвуковых и орбитальных скоростей полета. Необходимо отме­тить, что тяга, развиваемая ракетными двигателями, и их расход топлива практически не зависят от высоты и скорости полета. Мы уже отметили, что в качестве окислителя в воздушно-реактивных двигателях используется кислород окружающей атмосферы, а в качестве горючего для ВРД применяют обычный керосин. Известно, что с поднятием на высоту уменьшается плотность воздуха, а на очень больших высотах уменьшается и содержа­ние кислорода в воздухе. Таким образом, весовой расход окислителя, а следовательно, и горючего по мере увеличения вы­соты полета летательного аппарата уменьшается. Следовательно, тяга ВРД с увеличением высоты полета неизбежно падает. Та­ким образом, воздушно-реактивный двигатель — это двигатель невысотный. Эффективность его работы ограничена высотой полета в 30-50 км. С другой стороны, тяга ВРД в значительной степени зависит от скорости полета. Чем больше скорость полета, тем больше входной импульс двигателя, и тем труднее увеличить выходной импульс двигателя. Это приводит к тому, что на больших скоро­стях полета тяга, развиваемая любым ВРД, неизбежно начи­нает падать, вплоть до нуля. Таким образом, воздушно-реактивный двигатель — это двигатель ограниченного диапазона скоро­стей полета. Максимальное число М_о полета летательного аппарата с ВРД различно для различных типов двигателей; оно зависит от ряда конструктивных факторов и для ВРД обычных схем и типов не превышает М₀= 4-6. Зато ВРД в области их преимущественного использования гораздо экономичней ракет­ных двигателей, затраты на эксплуатацию которых в значитель­ной степени определяются расходом огромного количества специального окислителя.

Воздушно-реактивные двигатели крайне разнообразны по своему устройству, схеме и принципу действия. В зависимости от способа сжатия воздуха они подразделяются на бескомпрессорные и компрессорные ВРД. В бескомпрессорных ВРД сжатие воздуха осуществляется только за счет скоростного напора, т. е. кинетической энергии набегающего потока воздуха. К таким двигателям относятся прямоточные воздушно-реактивные двигатели (ПуВРД) и пульсирующие воздушно-реактивные двигатели  (ПуВРД). Прямоточные ВРД предназначены для больших сверхзвуковых скоростей полета. Они чрезвычайно просты по конструкции, имеют небольшой удельный вес и хорошую экономичность на расчетном режиме полета; однако они неэффективны на малых скоростях полета и, в частности, не могут работать и развивать тягу на взлете. Этот органический порок ПВРД пытались исправить переходом к пульсирующему процессу подачи воздуха и сгорания топлива в двигателе, при котором повышение давления воздуха происходит без использования скоростного напора и компрессора. Принцип действия пульсирующей камеры сгорания был впер­вые разработан русским инженером В. В. Караводиным в 1908 г. Пульсирующий же ВРД был создан в конце второй мировой войны и устанавливался немцами на летающих снарядах «V-1». Дальнейшего развития ПуВРД не получили. В компрессорных ВРД сжатие воздуха осуществляется меха­ническим путем, с помощью компрессоров осевого или центробежного типа. Эти компрессоры приводятся во вращение газовыми турбинами. Такие двигатели носят название газотур­бинных двигателей (ГТД), так как в них важнейшим конструктивным элементом, источником механической энергии вращения, служит газовая турбина. Были попытки приводить во вращение компрессоры ВРД с помощью поршневого двигателя. Однако такие мотореактив­ные двигатели (МРД) оказались слишком тяжелыми, громоздкими и неэкономичными. Примером мотореактивного двигателя является двигатель, устанавливавшийся на самолете Кампини, который совершил несколько полетов в 1940—1942 гг., и даль­нейшего развития этот тип двигателя не получил. Авиационные газотурбинные двигатели, в свою очередь, под­разделяются на турбореактивные (ТРД), турбовинтовые (ТВЦ) и двухконтурные турбореактивные (ДТРД) двигатели. В том случае, когда мощность газовой турбины равна мощ­ности компрессора, авиационный ГТД носит название турбо­реактивного двигателя. В ТРД вся полезная работа цикла расхо­дуется на увеличение кинетической энергии рабочего тела, на разгон потока внутри двигателя, на  создание тяговой  работы. В том случае, когда мощность газовой турбины используется также и для вращения винта, вентилятора или дополнительного компрессора во втором контуре двигателя, авиационный , ГТД носит соответственно название турбовинтового, турбовентиля­торного или двухконтурного ТРД. У этих двигателей реактивная тяга создается в двух контурах, т. е. они имеют два движителя.

Двухконтурные ГТД, будучи более сложными в конструктивном отношении, отличаются высокой экономичностью и хорошими эксплуатационными характеристиками. Комбинация турбореактивного и прямоточного ВРД также образует разновид­ность двухконтурного ГТД — турбопрямоточный двигатель (ТПД). Авиационные газотурбинные двигатели получили чрезвычайно широкое распространение в воздушном транспорте благо­даря их высокой экономичности, большому ресурсу, обеспечиваемой ими возможности надежно работать в течение длительного времени, сравнительно низкому удельному весу. Авиационные ГТД — двигатели широкого диапазона, предназначенные для дозвуковых и сверхзвуковых скоростей полета. Они составляют техническую основу современного транспортного авиадвигателестроения. Технико-экономические достижения современной Гражданской авиации связаны именно с успешным развитием авиационных ГТД и с высоким уровнем их технического совершенства. Описанные выше особенности ракетных и воздушно-реактивных двигателей, наличие у них сравнительных достоинств и недостатков, привели к попыткам создания смешанных, или комбинированных ракетно-воздушных реактивных двигателей, которые, по идее, должны обладать существенными преимуществами над «исходными» двигателями и могли бы успешно применяться в широком диапазоне высот и чисел Мо полета. К таким двигателям относятся ракетно-прямоточные двигатели (РПД) и ракетно-турбинные двигатели (РТД).