Реактивный двигатель: принцип работы (кратко). Принцип работы реактивного двигателя самолета

- Турбовинтовой двигатель.

Такие двигатели позволяют большим самолетам летать на приемлемых скоростях и тратить меньше горючего

Двухлопастной турбовинтовой двигатель

- Турбовентиляторный реактивный двигатель.

Этот тип двигателя является более экономичным родственником классического типа. главное отличие в том, что на входе ставится вентилятор большего диаметра , который подает воздух не только в турбину, но и создает достаточно мощный поток вне её . Таким образом достигается повышенная экономичность, за счет улучшения КПД.

Еще в начале XX в. российский ученый К.Э. Циолковский предсказал, что вслед за эрой винтовых аэропланов наступит эра аэропланов реактивных. Он считал, что только с реактивным двигателем можно достичь сверхзвуковых скоростей.

В 1937 г. молодой и талантливый конструктор A.M. Люлька предложил проект первого советского турбореактивного двигателя. По его расчетам, такой двигатель мог разогнать самолет до небывалых в ту пору скоростей — 900 км/ч! Это казалось фантастикой, и к предложению молодого конструктора отнеслись настороженно. Но, тем не менее, работы по этому двигателю начались, и к середине 1941 г. он был уже практически готов. Однако началась война, и конструкторское бюро, где работал A.M. Люлька, эвакуировали в глубь СССР, а самого конструктора переключили на работу над танковыми двигателями.

Но A.M. Люлька был не одинок в своем стремлении создать реактивный авиационный двигатель. Перед самой войной инженеры из конструкторского бюро В.Ф. Болховитинова — А.Я. Березняк и А.М. Исаев — предложили проект истребителя-перехватчика «БИ-1» с жидкостным реактивным двигателем.

Проект был одобрен, и конструкторы приступили к работе. Несмотря на все трудности первого периода Великой Отечественной войны, опытный «БИ-1» все же был построен.

15 мая 1942 г. первый в мире ракетный истребитель был поднят в воздух летчиком-испытателем ЕЯ. Бахчиванджи. Испытания продолжались до конца 1943 г. и, к сожалению, закончились катастрофой. В одном из испытательных полетов Бахчиванджи достиг скорости 800 км/ч. Но на этой скорости самолет вдруг вышел из повиновения и устремился к земле. Новая машина и ее отважный испытатель погибли.

Первый самолет с реактивным двигателем «Messer-schmitt Ме-262» появился в небе перед самым концом второй мировой войны. Он производился на хорошо замаскированных заводах, размешенных в лесу. Один из таких заводов в Горгау — в 10 км к запалу от Аугсбурга по автобану — поставлял крылья, носовую и хвостовую секции самолета на другой «лесной» завод неподалеку, который осуществлял финальную сборку и поднимал готовые самолеты прямо с автобана. Крыша строений красилась в зеленый цвет, и обнаружить такой «лесной» завод с воздуха было почти невозможно. Хотя союзникам удалось засечь взлеты «Ме-262» и разбомбить несколько неукрытых самолетов, расположение завода они смогли установить только, после того, как заняли лес.

Первооткрыватель реактивного двигателя англичанин Фрэнк Уитл получил свой патент еще в 7 930 г. Первый реактивный самолет «Gloster» был построен в 1941 г. ив мае прошел испытания. Правительство от него отказалось — недостаточно мощный. Полностью раскрыли потенциал этого изобретения лишь немцы, в 1942 г. собравшие «Messerschmitt Ме-262», на котором и воевали вплоть до конца войны. Первым советским реактивным самолетом был «МиГ-9», а его «потомок» — «МиГ-15» — вписал много славных страниц в боевую историю войны в Корее (1950—1953).

В эти же годы в фашистской Германии, утратившей на советско-германском фронте превосходство в воздухе, все более интенсивно развертываются работы над реактивными самолетами. Гитлер надеялся, что с помощью этих самолетов он снова перехватит инициативу в войне и добьется победы.

В 1944 г. самолет «Messerschmitt Ме-262», оснащенный реактивным двигателем, был запущен в серийное производство и вскоре появился на фронте. Немецкие летчики с большой опаской относились к этой необычной машине, не имеющей привычного винта. Кроме этого на скорости, близкой к 800 км/ч, ее затягивало в пикирование, и вывести машину из этого состояния было невозможно. В авиационных частях далее появилась строжайшая инструкция — ни в коем случае не доводить скорость до 800 км/ч.

Тем не менее, даже с таким ограничением «Ме-262» превосходил по скорости все другие истребители тех лет. Это позволило командующему гитлеровской истребительной авиацией генералу Голланду заявить, что «Ме-262» — «единственный шанс организовать реальное сопротивление противнику».

На Восточном фронте «Ме-262» появились в самом конце войны. В связи с этим конструкторские бюро получили срочное задание создать аппараты для борьбы с немецкими реактивными самолетами.

А.И. Микоян и П.О. Сухой в помощь обычному поршневому мотору, расположенному в носовой части аппарата, добавили мотокомпрессорный мотор конструкции К.В. Холщевникова, установив его в хвосте самолета. Дополнительный двигатель должен был запускаться, когда самолету требовалось придать значительное ускорение. Это было продиктовано тем обстоятельством, что двигатель К.В. Холщевникова работал не более трех-пяти минут.

Первым закончил работу над скоростным истребителем А.И. Микоян. Его самолет «И-250» совершил полет в марте 1945 г. В ходе испытаний этой машины была зарегистрирована рекордная скорость 820 км/ч, впервые достигнутая в СССР. Истребитель П.О. Сухого «Су-5» поступил на испытания в апреле 1945 г., и на нем после включения дополнительного хвостового двигателя была получена скорость, превышающая 800 км/ч.

Однако обстоятельства тех лет не позволили запустить новые скоростные истребители в серийное производство. Во-первых, война закончилась, даже хваленый «Ме-262» не помог вернуть фашистам утраченное превосходство в воздухе.

Во-вторых, мастерство советских пилотов позволило доказать всему миру, что даже реактивные самолеты можно сбивать, управляя обыкновенным серийным истребителем.

Параллельно с разработкой самолета, оснащенного «толкающим» мотокомпрессорным двигателем, в конструкторском бюро П.О. Сухого был создан истребитель «Су-7», в котором совместно с поршневым мотором работал жидкостно-реактивный «РД-1», разработанный конструктором В.П. Глушко.

Полеты на «Су-7» начались в 1945 г. Испытывал его пилот Г. Комаров. При включении «РД-1» скорость самолета увеличивалась в среднем на 115 км/ч. Это был неплохой результат, однако вскоре испытания пришлось прекратить из-за частого выхода из строя реактивного двигателя.

Аналогичная ситуация сложилась в конструкторских бюро С.А. Лавочкина и АС. Яковлева. На одном из опытных самолетов «Ла-7Р» ускоритель взорвался в полете, летчику-испытателю чудом удалось спастись. А вот при испытании «Як-3» с ускорителем «РД-1» самолет взорвался и его пилот погиб. Участившиеся катастрофы привели к тому, что испытания самолетов с «РД-1» были прекращены. К тому же стало ясно, на смену поршневым должны были прийти новые двигатели — реактивные.

После поражения Германии в качестве трофеев СССР достались немецкие реактивные самолеты с двигателями. Западным же союзникам попали не только образцы реактивных самолетов и их двигателей, но и их разработчики и оборудование фашистских заводов.

Для накопления опыта в реактивном самолетостроении было принято решение использовать немецкие двигатели «JUMO-004» и «BMW-003», а затем на их основе создать собственные. Эти двигатели получили наименование «РД-10» и «РД-20». Кроме этого конструкторам A.M. Люльке, А.А. Микулину, В.Я. Климову было поручено создать «полностью советский» авиационный реактивный двигатель.

Пока у «двигателистов» шла работа, П.О. Сухой разработал реактивный истребитель «Су-9». Его конструкция была выполнена по схеме двухмоторных самолетов — два трофейных двигателя «JUMO-004» («РД-10») размещались под крыльями.

Наземные испытания реактивного мотора «РА- 7» проводились на летном поле аэродрома в Тушино. Во время работы он издавал страшный шум и выбрасывал из своего сопла клубы дыма и огня. Грохот и зарево от пламени были заметны даже у московской станции метро «Сокол». Не обошлось и без курьеза. Однажды на аэродром примчалось несколько пожарных машин, вызванных москвичами тушить пожар.

Самолет «Су-9» трудно было назвать просто истребителем. Летчики обычно называли его «тяжелым истребителем», так как более точное название — истребитель-бомбардировщик — появилось только к середине 50-х гг. Но по своему мощному пушечному и бомбовому вооружению «Су-9» вполне можно было считать прототипом такого самолета.

У такого размещения моторов были как недостатки, так и преимущества. К недостаткам можно отнести большое лобовое сопротивление, создаваемое расположенными под крыльями моторами. Но с другой стороны, размещение двигателей в специальных подвесных мотогондолах открывало к ним беспрепятственный доступ, что было немаловажно при ремонте и регулировке.

Кроме реактивных двигателей самолет «Су-9» содержал много «свежих» конструкторских решений. Так, например, П.О. Сухой установил на свой самолет стабилизатор, управляемый специальным электромеханизмом, стартовые пороховые ускорители, катапультируемое сиденье летчика и устройство по аварийному сбросу фонаря, прикрывающего кабину летчика, воздушные тормоза с посадочным щитком, тормозной парашют. Можно сказать, что «Су-9» был целиком создан из новшеств.

Вскоре опытный вариант истребителя «Су-9» был построен. Однако было обращено внимание на то, что выполнение виражей на нем для летчика физически тяжелое.

Стало очевидным, что с возрастанием скоростей и высоты полета летчику все труднее будет справляться с управлением, и тогда в систему управления самолетом было введено новое устройство — бустер-усилитель, наподобие гидроусилителя руля. Но в те годы применение сложного гидравлического устройства на самолете вызвало споры. Даже опытные авиаконструкторы отнеслись к нему скептически.

И все же бустер установили на «Су-9». Сухой первым полностью переложил усилия с ручки управления самолетом на гидросистему. Положительная реакция пилотов не заставила себя ждать. Управление самолетом стало более приятным и неутомительным. Маневр упростился и стал возможен на всех скоростях полета.

Следует добавить, что добиваясь совершенства конструкции, П.О. Сухой «проиграл» в соревновании бюро Микояна и Яковлева. Первые реактивные истребители СССР — «МиГ-9» и «Як-15» взлетели в воздух в один день — 26 апреля 1946 г. Они приняли участие в воздушном параде в Тушино и тут же были запущены в серию. А «Су-9» появился в воздухе только в ноябре 1946 г. Однако он очень понравился военным и в 1947 г. был рекомендован для серийного производства. Но в серию он не пошел — авиационные заводы уже были загружены работой по выпуску реактивных «МиГов» и «Яков». Да и П.О. Сухой к тому времени уже заканчивал работу над новой, более совершенной машиной — истребителем «Су-11».

К концу первого десятилетия XX в. англичане значительно отставали в области авиастроения от своих французских коллег. К моменту объявления мобилизации в 1914 г. большая часть авиационного парка страны состояла из самолетов иностранного производства, в основном французских. Однако такое отставание было недолгим. Большой экономический, технический и научный потенциал страны позволил уже к середине первой мировой войны…

Наступила вторая половина XX в. Конструкция самолета, претерпев множество изменений, приобрела наконец привычный для нас вид. Ушли в небытие квадропланы, трипланы и практически не используются аппараты, построенные по схеме биплана. И поэтому, если в тексте встретится термин «крыло», мы не будем рисовать в своем воображении фантастические «этажерки», поднимавшиеся в небо в начале XX в., а…

Летчиков всего мира кроме любви к полетам объединяет еще одно обстоятельство — вне зависимости от того, служат они сейчас в военной или гражданской авиации, начинался их путь в небо с управления небольшим тренировочным самолетом-учителем. Самолет «АИР-14» был создан под руководством А.С. Яковлева в 1937 г. Это был одноместный учебно-тренировочный и спортивный самолет, который пошел в…

Дальнейшее развитие вертолетостроения было прервано первой мировой войной. Так как этот удивительный аппарат не успел до ее начала доказать свою «полезность» для военных, про винтокрылые машины на время забыли и все силы бросили на развитие самолетостроения. Но едва человечество покончило с кровопролитной войной, из разных стран мира все чаще и чаще стали поступать сведения о…

«Человек полетит, опираясьне на силу своих мускулов,а на силу своего разума». Н.Е. Жуковский Термин «воздухоплавание» обозначал таюке и летание на аппаратах тяжелее воздуха (самолетах, планерах). Однако мечтать о полетах человек начал гораздо раньше. Построив машины, способные передвигаться по суше, обгоняя самых быстрых животных, и корабли, спорящие с жителями водной стихии, он длительное время продолжал с…

Пережив ужасы кровавой первой мировой войны люди считали, что теперь-то мир на земле установится надолго, ведь очень большая цена была заплачена за него. Но это была лишь попытка выдать желаемое за действительное. Историки, политики, военные понимали, что это еще не мир, а, скорее всего, передышка между двумя войнами. И на это были свои причины. Вначале…

Если кому-нибудь из вас приходилось стрелять в тире из винтовки, то вы знаете, что обозначает термин «отдача». Для остальных поясню. Вы, наверно, не раз видели, как ныряльщик, прыгая в воду с лодки, отталкивает ее в противоположном направлении. По такому же, но более сложному принципу летает ракета, а упрощенный вариант этого процесса как раз и представляет…

Площадь поверхности нашей планеты равна 510,2 млн. км2, из них лишь 29,2% приходится на сушу. Вся остальная территория Земли покрыта Мировым океаном, что создает идеально ровную поверхность площадью в сотни миллионов квадратных километров. Взлетно-посадочную полосу таких гигантских размеров трудно себе даже вообразить. И самое главное — никаких препятствий: взлетай там, где тебе удобней, садись не…

Первый советский вертолет был построен в стенах ЦАГИ под руководством A.M. Черемухина в августе 1930 г. Там же в присутствии пожарного А.М. Черемухин — по совместительству пилот экспериментального аппарата «ЦАГИ 1-ЭА» — провел первые, наземные, испытания. После этого аппарат был перевезен на один из подмосковных военных аэродромов. Весной 1925 г. один из старейших вертолетчиков России…

К сожалению, никому не известно, когда человек впервые поднял голову к небу и обратил внимание на его пугающие размеры и вместе с тем фантастическую красоту. Не известно нам и то время, когда человек впервые заметил парящих в воздухе птиц и в голове его возникла мысль последовать за ними. Как любой, даже самый длинный путь начинается с…

Реактивный двигатель - двигатель, создающий необходимую для движения силу тяги посредством преобразования внутренней энергии топлива в кинетическую энергию реактивной струи рабочего тела.

Рабочее тело с большой скоростью истекает из двигателя, и, в соответствии с законом сохранения импульса, образуется реактивная сила, толкающая двигатель в противоположном направлении. Для разгона рабочего тела может использоваться как расширение газа, нагретого тем или иным способом до высокой термотемпературы (т. н. тепловые реактивные двигатели), так и другие физические принципы, например, ускорение заряженных частиц в электростатическом поле (см. ионный двигатель).

Реактивный двигатель сочетает в себе собственно двигатель с движителем, то есть он создает тяговое усилие только за счет взаимодействия с рабочим телом, без опоры или контакта с другими телами. По этой причине чаще всего он используется для приведения в движение самолетов, ракет и космических аппаратов.

В реактивном двигателе сила тяги, необходимая для движения, создается путем преобразования исходной энергии в кинетическую энергию рабочего тела. В результате истечения рабочего тела из сопла двигателя образуется реактивная сила в виде отдачи (струи). Отдача перемещает в пространстве двигатель и конструктивно связанный с ним аппарат. Перемещение происходит в направлении, противоположном истечению струи. В кинетическую энергию реактивной струи могут преобразовываться различные виды энергии: химическая, ядерная, электрическая, солнечная. Реактивный двигатель обеспечивает собственное движение без участия промежуточных механизмов.

Для создания реактивной тяги необходимы источник исходной энергии, которая преобразуется в кинетическую энергию реактивной струи, рабочее тело, выбрасываемое из двигателя в виде реактивной струи, и сам реактивный двигатель, преобразующий первый вид энергии во второй.

Основной частью реактивного двигателя является камера сгорания, в которой создается рабочее тело.

Все реактивные двигатели делятся на два основных класса, в зависимости от того, используется в их работе окружающая среда или нет.

Первый класс – воздушнореактивные двигатели (ВРД). Все они тепловые, в которых рабочее тело образуется при реакции окисления горючего вещества кислородом окружающего воздуха. Основную массу рабочего тела составляет атмосферный воздух.

В ракетном двигателе все компоненты рабочего тела находятся на борту оснащенного им аппарата.

Существуют также комбинированные двигатели, сочетающие в себе оба вышеназванные типа.

Впервые реактивное движение было использовано в шаре Герона – прототипе паровой турбины. Реактивные двигатели на твердом топливе появились в Китае в X в. н. э. Такие ракеты применялись на Востоке, а затем в Европе для фейерверков, сигнализации, а затем как боевые.

Важным этапом в развитии идеи реактивного движения была идея применения ракеты в качестве двигателя для летательного аппарата. Ее впервые сформулировал русский революционернародоволец Н. И. Кибальчич, который в марте 1881 г., незадолго до казни, предложил схему летательного аппарата (ракетоплана) с использованием реактивной тяги от взрывных пороховых газов.

H. Е. Жуковский в работах "О реакции вытекающей и втекающей жидкости" (1880е годы) и "К теории судов, приводимых в движение силой реакции вытекающей воды" (1908 г.) впервые разработал основные вопросы теории реактивного двигателя.

Интересные работы по исследованию полета ракеты принадлежат также известному русскому ученому И. В. Мещерскому, в частности в области общей теории движения тел переменной массы.

В 1903 г. К. Э. Циолковский в своей работе "Исследование мировых пространств реактивными приборами" дал теоретическое обоснование полета ракеты, а также принципиальную схему ракетного двигателя, предвосхищавшую многие принципиальные и конструктивные особенности современных жидкостноракетных двигателей (ЖРД). Так, Циолковский предусматривал применение для реактивного двигателя жидкого топлива и подачу его в двигатель специальными насосами. Управление полетом ракеты он предлагал осуществить посредством газовых рулей – специальных пластинок, помещаемых в струе вылетающих из сопла газов.

Особенность жидкостнореактивного двигателя в том, что в отличие от других реактивных двигателей он несет с собой вместе с топливом весь запас окислителя, а не забирает необходимый для сжигания горючего воздух, содержащий кислород, из атмосферы. Это единственный двигатель, который может быть применен для сверхвысотного полета вне земной атмосферы.

Первую в мире ракету с жидкостным ракетным двигателем создал и запустил 16 марта 1926 г. американец Р. Годдард. Она весила около 5 килограммов, а ее длина достигала 3 м. Топливом в ракете Годдарда служили бензин и жидкий кислород. Полет этой ракеты продолжался 2,5 секунды, за которые она пролетела 56 м.

Систематические экспериментальные работы над этими двигателями начались в 30х годах XX века.

Первые советские ЖРД были разработаны и созданы в 1930–1931 гг. в ленинградской Газодинамической лаборатории (ГДЛ) под руководством будущего академика В. П. Глушко. Эта серия называлась ОРМ – опытный ракетный мотор. Глушко применил некоторые новинки, например охлаждение двигателя одним из компонентов топлива.

Параллельно разработка ракетных двигателей велась в Москве Группой изучения реактивного движения (ГИРД). Ее идейным вдохновителем был Ф. А. Цандер, а организатором – молодой С. П. Королев. Целью Королева была постройка нового ракетного аппарата – ракетоплана.

В 1933 г. Ф. А. Цандер построил и успешно испытал ракетный двигатель ОР1, работавший на бензине и сжатом воздухе, а в 1932–1933 гг. – двигатель ОР2, на бензине и жидком кислороде. Этот двигатель был спроектирован для установки на планере, который должен был совершить полет в качестве ракетоплана.

В 1933 г. в ГИРДе создана и испытана первая советская ракета на жидком топливе.

Развивая начатые работы, советские инженеры в последующем продолжали работать над созданием жидкостных реактивных двигателей. Всего с 1932 по 1941 г. в СССР было разработано 118 конструкций жидкостных реактивных двигателей.

В Германии в 1931 г. состоялись испытания ракет И. Винклера, Риделя и др.

Первый полет на самолетеракетоплане с жидкостнореактивным двигателем был совершен в Советском Союзе в феврале 1940 г. В качестве силовой установки самолета был применен ЖРД. В 1941 г. под руководством советского конструктора В. Ф. Болховитинова был построен первый реактивный самолет – истребитель с жидкостноракетным двигателем. Его испытания были проведены в мае 1942 г. летчиком Г. Я. Бахчиваджи.

В это же время состоялся первый полет немецкого истребителя с таким двигателем. В 1943 г. в США провели испытания первого американского реактивного самолета, на котором был установлен жидкостнореактивный двигатель. В Германии в 1944 г. были построены несколько истребителей с этими двигателями конструкции Мессершмитта и в том же году применены в боевой обстановке на Западном фронте.

Кроме того, ЖРД применялись на немецких ракетах Фау2, созданных под руководством В. фон Брауна.

В 1950е годы жидкостноракетные двигатели устанавливались на баллистических ракетах, а затем на искусственных спутниках Земли, Солнца, Луны и Марса, автоматических межпланетных станциях.

ЖРД состоит из камеры сгорания с соплом, турбонасосного агрегата, газогенератора или парогазогенератора, системы автоматики, органов регулирования, системы зажигания и вспомогательных агрегатов (теплообменники, смесители, приводы).

Идея воздушнореактивных двигателей не раз выдвигалась в разных странах. Наиболее важными и оригинальными работами в этом отношении являются исследования, проведенные в 1908–1913 гг. французским ученым Р. Лореном, который, в частности, в 1911 г. предложил ряд схем прямоточных воздушнореактивных двигателей. Эти двигатели используют в качестве окислителя атмосферный воздух, а сжатие воздуха в камере сгорания обеспечивается за счет динамического напора воздуха.

В мае 1939 г. в СССР впервые состоялось испытание ракеты с прямоточным воздушнореактивным двигателем конструкции П. А. Меркулова. Это была двухступенчатая ракета (первая ступень – пороховая ракета) с взлетным весом 7,07 кг, причем вес топлива для второй ступени прямоточного воздушнореактивного двигателя составлял лишь 2 кг. При испытании ракета достигла высоты 2 км.

В 1939–1940 гг. впервые в мире в Советском Союзе проводились летние испытания воздушнореактивных двигателей, установленных в качестве дополнительных двигателей на самолете конструкции Н. П. Поликарпова. В 1942 г. в Германии испытывались прямоточные воздушнореактивные двигатели конструкции Э. Зенгера.

Воздушнореактивный двигатель состоит из диффузора, в котором за счет кинетической энергии набегающего потока воздуха происходит сжатие воздуха. В камеру сгорания через форсунку впрыскивается топливо и происходит воспламенение смеси. Реактивная струя выходит через сопло.

Процесс работы ВРД непрерывен, поэтому в них отсутствует стартовая тяга. В связи с этим при скоростях полета меньше половины скорости звука воздушнореактивные двигатели не применяются. Наиболее эффективно применение ВРД на сверхзвуковых скоростях и больших высотах. Взлет самолета с воздушнореактивным двигателем происходит при помощи ракетных двигателей на твердом или жидком топливе.

Большее развитие получила другая группа воздушнореактивных двигателей – турбокомпрессорные двигатели. Они подразделяются на турбореактивные, в которых тяга создается струей газов, вытекающих из реактивного сопла, и турбовинтовые, в которых основная тяга создается воздушным винтом.

В 1909 г. проект турбореактивного двигателя был разработан инженером Н. Герасимовым. В 1914 г. лейтенант русского морского флота М. Н. Никольской сконструировал и построил модель турбовинтового авиационного двигателя. Рабочим телом для приведения в действие трехступенчатой турбины служили газообразные продукты сгорания смеси скипидара и азотной кислоты. Турбина работала не только на воздушный винт: отходящие газообразные продукты сгорания, направленные в хвостовое (реактивное) сопло, создавали реактивную тягу дополнительно к силе тяги винта.

В 1924 г. В. И. Базаров разработал конструкцию авиационного турбокомпрессорного реактивного двигателя, состоявшую из трех элементов: камеры сгорания, газовой турбины, компрессора. Поток сжатого воздуха здесь впервые делился на две ветви: меньшая часть шла в камеру сгорания (к горелке), а большая подмешивалась к рабочим газам для понижения их температуры перед турбиной. Тем самым обеспечивалась сохранность лопаток турбины. Мощность многоступенчатой турбины расходовалась на привод центробежного компрессора самого двигателя и отчасти на вращение воздушного винта. Дополнительно к винту тяга создавалась за счет реакции струи газов, пропускаемых через хвостовое сопло.

В 1939 г. на Кировском заводе в Ленинграде началась постройка турбореактивных двигателей конструкции А. М. Люльки. Его испытаниям помешала война.

В 1941 г. в Англии был впервые осуществлен полет на экспериментальном самолетеистребителе, оснащенном турбореактивным двигателем конструкции Ф. Уиттла. На нем был установлен двигатель с газовой турбиной, которая приводила в действие центробежный компрессор, подающий воздух в камеру сгорания. Продукты сгорания использовались для создания реактивной тяги.

Самолет Уиттла Gloster (E.28/39)

В турбореактивном двигателе воздух, поступающий при полете, сжимается сначала в воздухозаборнике, а затем в турбокомпрессоре. Сжатый воздух подается в камеру сгорания, куда впрыскивается жидкое топливо (чаще всего – авиационный керосин). Частичное расширение газов, образовавшихся при сгорании, происходит в турбине, вращающей компрессор, а окончательное – в реактивном сопле. Между турбиной и реактивным двигателем может быть установлена форсажная камера, предназначенная для дополнительного сгорания топлива.

Сейчас турбореактивными двигателями оснащено большинство военных и гражданских самолетов, а также некоторые вертолеты.

В турбовинтовом двигателе основная тяга создается воздушным винтом, а дополнительная (около 10 %) – струей газов, вытекающих из реактивного сопла. Принцип действия турбовинтового двигателя схож с турбореактивным, с той разницей, что турбина вращает не только компрессор, но и воздушный винт. Эти двигатели применяются в дозвуковых самолетах и вертолетах, а также для движения быстроходных судов и автомобилей.

Наиболее ранние реактивные твердотопливные двигатели использовались в боевых ракетах. Их широкое применение началось в XIX в., когда во многих армиях появились ракетные части. В конце XIX в. были созданы первые бездымные порохи, с более устойчивым горением и большей работоспособностью.

В 1920–1930е годы велись работы по созданию реактивного оружия. Это привело к появлению реактивных минометов – "катюш" в Советском Союзе, шестиствольных реактивных минометов в Германии.

Получение новых видов пороха позволило применять реактивные твердотопливные двигатели в боевых ракетах, включая баллистические. Кроме этого они применяются в авиации и космонавтике как двигатели первых ступеней ракетносителей, стартовые двигатели для самолетов с прямоточными воздушнореактивными двигателями и тормозные двигатели космических аппаратов.

Реактивный твердотопливный двигатель состоит из корпуса (камеры сгорания), в котором находится весь запас топлива и реактивного сопла. Корпус выполняется из стали или стеклопластика. Сопло – из графита, тугоплавких сплавов, графита.

Зажигание топлива производится воспламенительным устройством.

Регулирование тяги производится изменением поверхности горения заряда или площади критического сечения сопла, а также впрыскиванием в камеру сгорания жидкости.

Направление тяги может меняться газовыми рулями, отклоняющейся насадкой (дефлектором), вспомогательными управляющими двигателями и т. п.

Реактивные твердотопливные двигатели очень надежны, могут долго храниться, а следовательно, постоянно готовы к запуску.

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.