BAC.Классификация основных типов авиационных двигателей

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.

Преимущества и недостатки реактивного двигателя

Одним из существенных преимуществ ракеты является то, что в отличие от всех других транспортных средств она может двигаться, не взаимодействуя ни с какими другими телами, кроме продуктов сгорания топлива, содержащиеся в ней самой. В то время как обычные самолеты и даже самолеты с воздушно-реактивными двигателями могут летать только в пределах земной атмосферы, реактивный двигатель баллистической ракеты может работать и в без воздушном пространстве. Другое преимущество — возможность маневрирования корабля в космическом пространстве и торможения его, благодаря изменению направления выброса струи газа. О недостатках. Если даже предположить мгновенное выброс газов из сопла ракеты и вычислять ее установившуюся скорость , то для достижения скорости ракеты, например, в 4 раза большей от скорости газа, который вырывается, топливная масса должна быть в 4 раза больше от массы оболочки, есть оболочка должна составлять пятую часть всей массы ракеты. Не следует при этом забывать, что «полезной» части ракеты является именно ее оболочка. Расчет скорости ракеты показывает, что для того, чтобы скорость оболочки была в 4 раза больше от скорости газа, масса топлива на старте должно быть не в 4, а в несколько десятков раз больше массы оболочки. Если при этом дополнительно учесть, что во время запуска с Земли на ракету действуют и сила сопротивления воздуха, через которое она должна лететь, и сила тяжести, то можно сделать вывод, что отношение должно быть еще больше. Другим недостатком реактивных двигателей является относительно малая скорость выброса газов из сопла ракеты, и, таким образом, относительно малая скорость оболочки. Ракеты, созданные сегодня на компьютерах c установленной windows, не позволяют достичь скорости даже 50 км / с. И если бы могли, то с такой скоростью поездки до ближайших звезд продолжались бы миллионы лет. Все это делает даже намек на использование ракет с реактивными двигателями для межзвездных перелетов, а тем более пилотируемых перелетов, бессмысленным занятием. Для таких перелетов требуется принципиально иной тип двигателя, изобретение которого — дело далекого будущего. То есть, реактивные двигатели, такие, какие они есть на текущий момент, можно использовать для перелетов в пределах одной планеты и в пределах одной планетной системы. Когда будет найден двигатель для межзвездных перелетов, на космических кораблях будущего (а особенно на разведывательных лодочках) будут установлены реактивные двигатели — для перелетов на близкие расстояния и маневрирования.

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.

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.

Что такое тяга двигателя?

Тягой двигателей называют реактивную силу, которая проявляется газодинамическими силами, давлением и трением, приложенными к внутренним и внешним сторонам двигателя.

Тяги различаются на:

• Внутренние (реактивные тяги), когда не учитывается внешнее сопротивление;
• Эффективные, учитывающие внешнее сопротивление силовых установок.

Отправная энергия запасается на борту летательных или других аппаратов, оснащенных реактивными двигателями (химическим горючим, ядерным топливом), или может притекать снаружи (например, солнечная энергия).

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.

Германия – страна первых реактивных аппаратов

Самый маленький самолет в мире

Первые реактивные самолеты были разработаны немецкими инженерами. Создание проектов и производство проводились тайно на замаскированных заводах, расположенных в глубоких лесных чащах, поэтому такое открытие стало для мира, в некотором роде, неожиданностью. Гитлер мечтал стать мировым правителем, поэтому подключал лучших конструкторов Германии для создания мощнейшего оружия, в том числе и скоростных реактивных самолетов. Были, конечно, как провалы, так и удачные проекты.

Самым успешным из них стал первый немецкий реактивный самолет «Messer-schmitt Ме-262» (Мессершмит-262), который называли также «Штурмфогель».

Первый немецкий реактивный самолет «Messer-schmitt Ме-262»

Этот летательный аппарат стал первым в мире, который удачно прошел все испытания, свободно поднялся в воздух и начал после этого выпускаться серийно. Великий «сокрушитель врагов третьего рейха» имел следующие особенности:

• Аппарат имел два турбореактивных двигателя;
• В носовой части авиалайнера располагался радиолокатор;
• Максимальная скорость самолета достигала 900 км/час, при этом в инструкции указывалось, что доводить суда до таких скоростей крайне нежелательно, так как терялся контроль над управлением, и машина начинала совершать крутые пике в воздухе.

Благодаря всем этим показателям и конструктивным особенностям первый реактивный летательный аппарат «Мессершмит-262» выступал эффективным средством борьбы против самолетов союзников, высотными «Б-17», получившими прозвище «летающие крепости». Штурмофогели были более скоростными, поэтому вели «свободную охоту» на самолеты СССР, которые оснащались поршневыми движками.

Интересный факт. Адольф Гитлер был настолько фанатичен в своем желании всемирного господства, что собственными руками снизил эффективность самолета «Messer-schmitt Ме-262». Дело в том, что конструкция изначально проектировалась как истребитель, но по указанию правителя Германии, он был переоборудован в бомбардировщик, из-за этого мощность двигателя не была раскрыта в полной мере.

Факультативный курс физики. 9 кл.

Факультативный курс физики. 9 кл.

Как работают процедуры запуска реактивного двигателя?

Запуск реактивного двигателя включает в себя ряд шагов, которые необходимо выполнять в упорядоченном порядке, чтобы гарантировать, что двигатель не выйдет из строя в результате серьезной неисправности. Реактивные двигатели очень дороги, поэтому о них нужно хорошо заботиться. Простая ошибка вполне могла списать двигатель.

Компоненты реактивного двигателя, участвующие в запуске

Подводя итог, можно сказать, что типичный реактивный двигатель состоит из воздухозаборника, ступени компрессора, камеры сгорания и ступени турбины. Он работает очень похоже на двигатель в автомобиле. Сначала воздух всасывается во впуск, который затем сжимается. Со ступени компрессора воздух проходит в камеру сгорания, где вводятся топливо и зажигание, которое затем сжигает воздух. Затем этот воздух подается в турбины, где он расширяется. Это расширение увеличивает кинетическую энергию потока, и когда он выбегает из двигателя, на самолет действует равная и противоположная сила. Это называется тяга.

При более высоких скоростях и числах Маха воздух сжимается перед входом в двигатель. Картина:
К. Аинскаци через Wikimedia Commons

Чтобы подать воздух для запуска, ступень компрессора сначала должна вращаться с определенной скоростью. Это первое требование для запуска реактивного двигателя. В своей самой базовой форме реактивный двигатель с высокой степенью двухконтурности имеет две ступени компрессора. Ступень компрессора низкого давления известна как N1, а ступень высокого давления известна как N2. Во время процесса запуска компрессор N2 необходимо вращать, так как большая часть вспомогательного оборудования двигателя (масляные и гидравлические насосы и т. д.) подключены к этому компрессору.

Существует два способа вращения компрессора N2. Один — с помощью электричества. Этот метод в основном используется для запуска реактивных двигателей меньшего размера, таких как турбовинтовые. Здесь один из электрических генераторов двигателя действует как стартер. Когда на него подается питание, он вращается, и, поскольку он связан с компрессором N2, это заставляет компрессор N2 вращаться.

Второй метод используется для более крупных реактивных двигателей. Здесь для вращения компрессора N2 используется отдельный стартер. Двигатель называется воздушным стартером и приводится в действие исключительно воздухом. Этот воздух может подаваться от вспомогательной силовой установки (ВСУ) или от наземной пусковой установки.

Пневматический стартер двигателя J79, который приводил в движение F-4. Картина:
Wikimedia Commons

Процедура запуска

Как обсуждалось выше, для запуска реактивного двигателя необходимо провернуть компрессор N2. Для этого воздух должен быть направлен в воздушный стартер. Если самолет оборудован ВСУ, этот воздух, называемый отбираемым воздухом, может подаваться ВСУ. Во время наземных операций ВСУ подает воздух для кондиционеров. Однако во время запуска подача воздуха к этим блокам перекрывается, чтобы воздух был доступен для запуска двигателя.

Когда пилот включает стартер, открывается пусковой клапан, что позволяет отбираемому воздуху поступать в турбину стартера. Затем стартер запускает N2. По мере того, как N2 накапливается, пилот наблюдает за этим по приборам в кабине. При вращении азота примерно на 20% топливо вводится в камеру сгорания пилотом с помощью топливных переключателей. Затем воспламенители воспламеняют топливно-воздушную смесь, что вызывает повышение температуры двигателя. В большинстве реактивных двигателей эта температура измеряется на ступенях турбины или выхлопных газах и называется температурой выхлопных газов (EGT).

При первой подаче топлива наблюдается резкое повышение температуры выхлопных газов из-за присутствия в камере сгорания избытка топлива по сравнению с воздухом. Меньше воздуха означает меньше охлаждения. По мере того, как двигатель разгоняется, вводится больше топлива, что постепенно увеличивает выхлопную трубу. В какой-то момент двигатель достигает самоподдерживающейся скорости, при которой двигатель может продолжать разгоняться без помощи стартера. При достижении этого момента стартер автоматически отключается от компрессора N2, и запальники выключаются. Затем температура выхлопных газов достигает пикового значения, а затем падает по мере того, как топливо и воздух уравновешиваются в камере сгорания. На этом процедура запуска заканчивается.

 Изображение: Airbus

 

Пиковая EGT является важным значением. Высокий пик EGT указывает на возможную деградацию двигателя. Это также может быть связано с неисправностью стартера двигателя. В любом случае, аномально высокие пиковые значения EGT во время запуска следует обсудить с техническим специалистом, прежде чем это станет частью более серьезной проблемы. Сам EGT показывает температуру турбин, и, поскольку они чувствительны к теплу, существует предел пуска EGT, который никогда не должен превышаться. В случае превышения двигатель следует немедленно заглушить, а самолет передать на техническое обслуживание.

Когда ВСУ неработоспособна или недоступна, к самолету можно подключить блок наземного запуска. Длинный патрубок от пускового агрегата подсоединяется к переходнику, подающему воздух от агрегата к двигателям. При использовании этого метода пилоты запускают один из своих двигателей у ворот с помощью пускового устройства. После запуска двигателя он отключается от самолета. Затем воздух от запущенного двигателя можно отвести через перепускной клапан для запуска оставшихся двигателей. Этот тип пуска называется перекрестным пуском.

Для запуска некоторых двигателей требуется внешнее питание. Фото: ВВС США

 

Для двигателей, запускаемых с помощью электрического генератора или электродвигателя, применяется тот же процесс, за исключением того, что для запуска не требуется подача воздуха. Boeing 787 — единственный большой самолет, который использует электричество для запуска двигателя. Это требует большой мощности, а без ВСУ для запуска двигателя к самолету необходимо подключить два внешних наземных блока питания.

Неполадки при запуске

В реактивном двигателе возникают две основные неисправности запуска. Один называется «Горячий старт», а другой — «Зависший старт».

При горячем пуске по мере подачи топлива температура выхлопных газов повышается, как и ожидалось, но температура быстро достигает предела выхлопных газов для запуска. Если это произойдет, пилоты должны немедленно отключить подачу топлива и зажигание. Задержка с этим может привести к превышению предела EGT, и это может вывести двигатель из строя за считанные секунды.

Причина горячего старта проста. Недостаточный поток воздуха. Это может быть вызвано слабым стартером, неспособностью ВСУ или наземного пускового устройства обеспечить достаточное количество воздуха или проблемой с электронным блоком управления двигателем. Запуск двигателя при сильном попутном ветре также может вызвать горячий пуск, поскольку ветер препятствует вращению двигателя.

При зависании обороты компрессора двигателя не достигают ожидаемого значения или скорости самоподдерживания. Он как бы «завис» на неприемлемо низком значении, при этом EGT выше ожидаемого для низких оборотов. Действие пилота при зависании заключается в остановке двигателя путем закрытия топливных клапанов. Зависший запуск в основном вызван неисправным стартером.

Каждый раз, когда двигатель не запускается, перед попыткой нового запуска пилоты должны выполнить так называемый цикл «продувки». Это связано с тем, что в большинстве неудачных запусков в камеру сгорания попадает несгоревшее топливо. Если попытаться запустить с этим топливом, присутствующим в камере, это может привести к воспламенению залитого топлива, и из выхлопа двигателя может выйти пламя. Это называется пожаром выхлопной трубы или поджогом.

Поджигание редко повреждает компоненты двигателя. Однако он может повредить конструкции самолета, на которые он непосредственно воздействует, например, компоненты крыла и закрылки. Чтобы выполнить цикл продувки, пилоты должны выключить зажигание и просто включить стартер без подачи топлива. Это направляет воздух через камеру сгорания и выдувает из нее лишнее топливо.

Поджигание обычно не повреждает сам двигатель. Картина: Аэробус

 

Перезапуск двигателя в полете

Реактивные двигатели чрезвычайно надежны. Тем не менее, есть шанс провала в воздухе. Если двигатель выйдет из строя во время полета, пилоты могут выполнить перезапуск в полете. Запуск реактивного двигателя в воздухе очень похож на запуск на земле. Одно существенное отличие состоит в том, что во время полета скорость самолета автоматически включает компрессор. Это называется ветряная мельница. Чем быстрее движется самолет, тем быстрее вращение. Таким образом, в воздухе двигатель можно запустить без помощи стартера, если он летит со стабильной ветряной скоростью. Ниже этой скорости может потребоваться воздух от работающего двигателя или воздух от работающего ВСУ, чтобы разогнать компрессор N2 до приемлемой скорости.

Двигатели | Как летают вещи

Смитсоновский национальный музей авиации и космонавтики

Поиск

Три типа двигателей приводят в действие большинство летательных аппаратов

Поршневые двигатели, реактивные двигатели и ракетные двигатели основаны на одних и тех же основных принципах создания тяги.

1. Двигатель смешивает топливо с кислородом или другим окислителем в камере сгорания.
2. Смесь воспламеняется.
3. Горящая смесь создает горячие расширяющиеся газы.
4. Расширяющиеся газы либо непосредственно создают тягу (в реактивных и ракетных двигателях), либо используются для толкания поршня или привода турбины.

Три типа двигателей

Двигатели винтовых самолетов , реактивных лайнеров, космических челноков и даже двигателя вашего семейного автомобиля работают по одним и тем же основным принципам. Хотите испачкать руки? Загляните под капот и узнайте, как работают эти двигатели.

Как двигатели создают тягу?

Третий закон движения Ньютона часто приводится как объяснение возникновения тяги. Но это объясняет эффект тяги, а не причину тяги. Давление и напряжение сдвига — единственные два способа, которыми природа воздействует на объект аэродинамической силой. Давление является основным источником тяги, создаваемой воздушным винтом, реактивным двигателем или ракетным двигателем.

Поршневой двигатель не может создавать тягу сам по себе. Он обеспечивает питание вращающегося винта, который создает тягу за счет создания разницы давлений между передней и задней частями винта, что приводит к возникновению поступательной силы. Реактивные или ракетные двигатели создают тягу за счет увеличения давления внутри двигателя. Это повышенное давление в реактивном или ракетном двигателе создает большую силу в направлении вперед, чем в направлении назад.

Выхлопные газы, производимые воздушным винтом, реактивным двигателем или ракетой, в соответствии с третьим законом Ньютона испытывают силу, противоположную и равную тяге, и поэтому перемещаются в направлении, противоположном тяге двигателя.