Как устроен реактивный двигатель: Реактивный двигатель

Содержание

Доклад Реактивный двигатель 8 класс сообщение

Энциклопедия
Разное
Реактивный двигатель

Реактивный двигатель — это машина, которая превращает богатое энергией жидкое топливо в мощную силу толкания, называемую тягой. Тяга от одного или нескольких двигателей толкает самолет вперед, заставляя воздух проходить вдоль крыльев, в результате чего создается восходящая сила, называемая подъемом.

Все реактивные двигатели работают одинаково: втягивают воздух во входное отверстие, сжимают его, сжигают вместе с топливом и выводят выхлопные газы через турбину наружу. Поэтому все реактивные двигатели имеют пять ключевых компонентов: вход, компрессор, камеру сгорания и турбину. Но различные типы двигателей могут значительно отличаться друг от друга. Они могут иметь дополнительные компоненты, управляемые турбиной, входы у них могут работать по-разному, может быть более одной камеры сгорания, два или более компрессоров и несколько турбин.

Турбореактивный двигатель — это самый простой реактивный двигатель, основанный на газовой турбине. В нем базовая «ракетная» струя двигает плоскость вперед, стреляя горячей струей выхлопа назад. Выхлоп выходит из двигателя намного быстрее, чем холодный воздух входит в него, что и создает тягу.

Турбореактивные двигатели — это базовые реактивные двигатели общего назначения, которые постоянно производят одинаковое количество энергии, поэтому они подходят для небольших малоскоростных реактивных самолетов, которые не должны делать ничего особенно примечательного, например, внезапно ускоряться или перевозить огромные, тяжелые грузы.

Турбовальный двигатель сильно отличается от турбореактивного двигателя, поскольку выхлопной газ производит относительно небольшую тягу. Турбина в турбовальном двигателе передает большую часть мощности на вращение проходящего через нее приводного вала и один или несколько редукторов, которые вращают роторы. Турбовальные двигатели используются на вертолетах, в поездах, танках и лодках.

Современный самолет с пропеллером обычно использует турбовинтовой двигатель. Он похож на турбовальный двигатель в вертолете, но вместо того, чтобы приводить в действие верхний ротор, турбина внутри него вращает пропеллер, установленный спереди, который толкает плоскость вперед. В отличие от турбовального, турбовинтовой двигатель создает прямое движение от выхлопных газов, но большая часть тяги исходит от пропеллера. Поскольку летательные аппараты, управляемые пропеллером, летают медленнее, они тратят меньше энергии на борьбу с сопротивлением воздуха, что делает их очень эффективными для использования в рабочих грузовых самолетах и других небольших легких самолетах.

Гигантские пассажирские самолеты имеют огромные вентиляторы, установленные спереди, которые действуют как сверхэффективные пропеллеры. Вентиляторы работают двумя способами:

Немного увеличивают движение воздуха, который течет через центр двигателя, создавая большую тягу с тем же топливом, что делает их более эффективными.

Передают часть воздуха на внешнюю оболочку двигателя, полностью обходя внутреннюю часть, вызывая обратный поток воздуха.

Другими словами, турбовентилятор производит тягу частично как турбореактивный двигатель и частично как турбовинтовой. Низкооборотные турбовентиляторы посылают практически весь воздух через сердечник, в то время как обходные направляют больше воздуха вокруг двигателя. Впечатляющая мощность и эффективность делают турбовинтовые двигатели самыми востребованными: от пассажирских самолетов до реактивных истребителей.

Доклад №2

Устройство и роль ракетных двигателей в жизни людей.

Люди начали осваивать космос очень не скоро: не на чем было выбраться за пределы атмосферы Земли. Дело обстояло в том, что не хватало тяги для данной операции. Только в 1961 году удалось впервые полететь в космос. Все благодаря тому, что наконец – то удалось создать такой двигатель, который был способен вынести ракету за пределы орбиты Земли. Но как устроен ракетный двигатель? Что использовали для получения такой огромной мощи? И применяются ли где – нибудь еще подобные двигатели?

Как работает ракетный двигатель?

Создателем ракетного двигателя был А. Циолковский. Один из важных фактов про работу ракетного двигателя – это то, что его действие зависит от закона сохранения импульса. Для тех, кто не знает данный закон, я напомню: сумма импульсов до взаимодействия тел равна сумме импульсов после взаимодействия тел. Кстати говоря, ракетные двигатели работоспособны даже там, где отсутствует воздух. Главный компонент для отличной работы двигателей – это твердое топливо, которое вскоре начинает прогорать. Когда оно сгорит полностью, тогда образуется достаточная масса горючего газа. Весь этот газ образуется в мощную струю, благодаря которой ракета движется в направлении, противоположном направлению газового потока.

Роль ракетных двигателей в жизни людей.

К сожалению, у такого рода двигателей только одна задача, о которой уже было говорено ранее. Их цель – отправить ракету в космос, ведь у других двигателей не хватает мощи для этого. Больше ракетные двигатели нигде применения не находят.

Разновидности ракетных двигателей.

Да, они бывают нескольких видов. Главное их отличие – это источник энергии, он же – топливо для двигателей. Итак, вот эти самые виды:

• Химические.

Самый многочисленный, если подумать. Здесь топливом является реакция определенного горючего и окислителя. Затем всю «смесь» нагревают до высокой температуры, что ведет к расширению топлива, которое следом разгоняют в сопле Лаваля. В итоге, то, что получилось, выталкивает ракету. Стоит отметить, что уже в 2013 году данный вид двигателя улучшили до максимума, а значит, у ракет с химическим двигателем есть свой предел.

• Электрические.

Нетрудно догадаться, что в данном случае будет топливом. Импульс электрических двигателей способен достичь отметки 210 километров в час.

• Плазменные.

Схож с прошлым типом двигателей, только здесь ракета будет ускоряться, когда топливо находится в плазменном состоянии. На данный момент существует только один такой двигатель.

8 класс

Реактивный двигатель

Как устроен двигатель для покорения глубокого космоса: проекты, концепты и идеи

Через десять лет после удачного штурма космоса несколько стран затеяли чрезвычайно амбициозные проекты по его дальнейшему освоению. В 1971 году США запустили программу Space Shuttle, через пять лет СССР начал разработку системы «Энергия – Буран», а еще через шесть лет к гонке подключилась Великобритания с проектом HOTOL (Horizontal Take-Off and Landing).

Men Today

Многие специалисты считают именно английский проект самым революционным: если США и СССР развивали традиционные ракетные технологии, заложенные еще Вернером фон Брауном, то Великобритания решила создать принципиально новый воздушно-космический самолет. Самим аппаратом занималась British Aerospace, а уникальный воздушно-реактивный двигатель должна была разработать компания Rolls-Royce. Планировалось, что HOTOL будет взлетать с разгонной аэродромной тележки, двигатель начнет работать в воздушно-реактивном режиме (до высоты около 28 км), используя в качестве окислителя забортный воздух, после чего перейдет в режим классического ракетного жидкостного двигателя. Создание такого двигателя и сейчас задача почти фантастическая, что же говорить о восьмидесятых годах. Довольно скоро Rolls-Royce столкнулась с рядом трудностей, повлекших незапланированный рост затрат на исследовательские работы. В итоге British Aerospace решила отказаться от революционного двигателя и вступить в кооперацию с СССР, переименовав проект в Interim HOTOL. Аппарат планировали оснастить советскими ЖРД и запускать с модифицированного самолета Ан-225. Сотрудничество началось в 1991-м, однако в этом же году Советский Союз закончил свое существование, похоронив под своими обломками и совместный проект.

HOTOL

Беспилотный аппарат был предназначен для доставки полезной нагрузки массой около 7–8 т на низкую орбиту высотой 300 км. Он должен был взлетать с взлетно-посадочной полосы, размещаясь на фюзеляже большого самолета-носителя с ракетными ускорителями, которые должны были помочь разогнать аппарат до скоростей, оптимальных для работы его двигателей. Двигатели должны были переключаться с воздушно-реактивного на ракетный режим работы при достижении аппаратом скорости в 5–7 М.

Три в одном

Не все были согласны с таким положением дел. После сворачивания работ над RB545 в 1989 году ведущий конструктор двигателя Алан Бонд забрал с собой двух инженеров Rolls-Royce и основал собственную компанию – Reaction Engines. Она сосредоточилась на создании гибридного двигателя SABRE (Synergistic Air-Breathing Rocket Engine) и разработке других технологий для воплощения проекта космоплана Skylon. Многие эксперты считают, что проект SABRE способен перевернуть современную космонавтику и сделать возможным создание одноступенчатого космического аппарата. Он может работать на первом этапе полета как турбореактивный двигатель, в качестве окислителя забирая забортный воздух. На втором этапе – как прямоточный двигатель, а на третьем – как обычный ракетный двигатель, используя внутренний бортовой окислитель.

Идея одноступенчатого многоразового воздушно-космического аппарата (SSTO, Single Stage to Orbit) далеко не нова, но на пути ее воплощения стоит ряд препятствий – низкий уровень весовой отдачи конструкции и недостаточный удельный импульс существующих ракетных двигателей. Это взаимосвязанные параметры: повысив удельный импульс (который показывает, сколько секунд данный двигатель сможет создавать тягу в 1 Н, истратив при этом 1 кг топлива), вы можете получить ту же тягу с меньшим расходом топлива и окислителя, что позволяет сделать конструкцию большей массы. Однако существующие жидкостные ракетные двигатели имеют удельный импульс в вакууме порядка 400 с (рекорд для кислород-водородных КВД1 и RL-10 составляет 462 с, двигатели на экзотических компонентах – например, использующие водород-литий-фтор – позволяют получить на сотню больше, однако с ними столько проблем, что игра не стоит свеч).

Сравнительные размеры многоразовых кораблей

Проекты кораблей с двигателями SABRE на фоне существующих челноков смотрятся как звездолеты из «Звездных войн». Это действительно принципиально другие космические аппараты.

Не ракета, не самолет

В то же время двигатели современных авиалайнеров имеют удельный импульс на порядок выше, приближаясь к цифре 6000 с, и даже «прожорливый» двигатель сверхзвукового Concorde имел удельный импульс всего в два раза ниже – 3000 с (почти в десять раз экономичней космической ракеты). Такая радикальная разница из-за иного принципа работы: воздушно-реактивный двигатель на каждую часть топлива использует 14 частей воздуха (если топливо – водород, то 30), а ракетному приходится черпать из баков все, что потом улетит в сопло.

Можно, конечно, использовать воздушно-реактивный двигатель на части траектории выведения, которая проходит сквозь плотные слои атмосферы, с его экономичностью и отсутствием необходимости в окислителе. Но не все так просто. Космическая ракета стремится пройти плотные слои атмосферы быстро, проткнув их на вертикальном участке траектории, а уже потом заваливая траекторию горизонтально. Аппарат с ВРД не может позволить себе такой роскоши – он должен максимально использовать бесплатный окислитель за бортом, потому его траектория пологая и долгое время проходит в плотных слоях атмосферы, с большой скоростью полета на этом участке. Все это время аппарат находится под воздействием скоростного напора набегающего потока, что требует упрочнения конструкции и повышения эффективности теплозащиты – и то и другое тянет за собой увеличение веса. Есть еще одна хитрость – возможность использовать подъемную силу крыла: если ракета с вертикальным стартом висит на тяге двигателей и при наборе высоты тяга должна быть больше ее веса, то крылатый аппарат с аэродинамическим качеством 5 для набора высоты должен иметь тягу всего лишь больше 1/5 веса. Однако крылья – это тоже дополнительный рост веса конструкции. Все это затягивается в тугой клубок противоречий, решить которые на современном технологическом уровне, получив преимущества над многоступенчатой системой, достаточно сложно.

Самый мощный холодильник в мире

Алан Бонд со своей командой столкнулся с теми же проблемами, что и его предшественники: среди всего множества существующих типов воздушно-реактивных двигателей нет универсала, каждый из них отличается разной эффективностью, каждый хорош в своем диапазоне скоростей, обладает своего рода узкой специализацией. Турбореактивный двигатель отлично работает в диапазоне от 0 до 3 М, но разгон с его помощью до больших скоростей затруднителен: воздух при торможении в воздухозаборнике нагревается так сильно, что дальнейшее сжатие его компрессором приводит к росту температуры до величин, выходящих за пределы термостойкости материалов камеры сгорания и турбины. Прямоточный воздушно-реактивный двигатель и гиперзвуковой прямоточный воздушно-реактивный двигатель (последний отличается сверхзвуковым течением в камере сгорания) отлично работают на больших скоростях (Х-43А достиг 10 М), однако не работают на малых. Турборакетные двигатели обладают низким удельным импульсом и тяговооруженностью (они тяжелы для той тяги, что создают). В свое время большие надежды возлагали на двигатель со сжижением кислорода (LACE, Liquid Air Cycle Engine), в котором криогенное топливо идет через теплообменник, забирая тепло у набегающего потока до температуры сжижения воздуха, далее через сепаратор, где кислород отделяется от азота и подается в камеру сгорания. Однако такой двигатель тяжел, конструктивно сложен (прощай, надежность) и имеет повышенный расход топлива (водорода на охлаждение тратится больше, чем можно сжечь в камере сгорания с полученным жидким кислородом, а это потери удельного импульса). Впрочем, от LACE Алан Бонд решил позаимствовать идею охлаждать воздушный поток в теплообменнике.

Одна из самых сложных и важных деталей SABRE – криогенный теплообменник. Он должен практически мгновенно охлаждать входящий воздух, который нагревается при сжатии до 1000 ˚C, до температуры порядка –140 ˚C. До сих пор это никому не удавалось.

В итоге инженеры пришли к необходимости комбинированной силовой установки из разных двигателей, в которой каждый работает на своем участке (например, для старта используется турбореактивный, для высокоскоростного разгона – прямоточный, для внеатмосферного полета – ракетный). Ракетный двигатель – необходимый компонент коктейля, остальные по вкусу, в разных комбинациях. Однако это порождает определенные проблемы: на всех режимах полета нужно везти мертвый груз в виде двигателя для другого участка траектории, растет аэродинамическое сопротивление из-за сопел неработающих двигателей. Альтернатива – гибридная силовая установка, которая сочетает в себе качества (и агрегаты) всех типов двигателя. Сопло ведь нужно всем? Так зачем тащить несколько, используем одно для всех. Воздухозаборник нужен всем, кроме ракетного? Используем один, а потом закроем заподлицо, чтобы сопротивления не создавал. В этом направлении и двигалась мировая конструкторская мысль (даже силовая установка самолета SR-71 Blackbird – гибрид турбореактивного и прямоточного двигателей, некоторые зенитные ракеты используют ракетно-прямоточный).

Очень быстрый гибрид

Двигатель компании Reaction Engines – SABRE – вполне подходит на роль ключевой технологии, с помощью которой можно разрубить гордиев узел противоречий и реализовать одноступенчатый воздушно-космический аппарат. Этот гибрид сочетает в себе качества турбореактивного (хотя турбину компрессора крутят не выхлопные газы, а горячий гелий в замкнутом цикле), прямоточного и ракетного двигателей и работает с достаточной эффективностью на всех участках траектории, от взлетной полосы до орбиты. Расчеты Reaction Engines показывают, что в случае применения ЖРД общий вес корабля и полезной нагрузки должен составлять 13% от стартового веса для вывода полезной нагрузки 15 т на низкую опорную орбиту. Двигатель SABRE позволяет при тех же условиях довести вес корабля с полезной нагрузкой до 22% – цифра вполне достижимая при современном уровне технологий.

Революционный двигатель SABRE разрабатывается Reaction Engines при поддержке BAE Systems. Ожидается, что он сможет поднять самолет в воздух и разогнать его до 5 М, после чего перейдет в реактивный режим работы – для скоростей до 25 М.

SABRE, как и его предшественник RB545, – гибридный воздушно-реактивный двигатель с предохлаждением потока. Здесь, как и в LACE, за воздухозаборником стоит криогенный теплообменник, однако входящий поток не сжижается, всего лишь охлаждаясь до низких температур. Далее воздух с температурой порядка –140 °С (до этого он нагрелся при торможении свыше 1000 °С) поступает в простой турбокомпрессор из легких сплавов (низкая температура воздушного потока позволила облегчить его на три четверти по сравнению с компрессором турбореактивного двигателя), сжимающий газы до давления камеры сгорания, в которой газообразный воздух смешивается с жидким водородом. При выходе из плотных слоев атмосферы воздухозаборник запирается створками, а камера сгорания питается жидким кислородом из внутренних баков. Поскольку расход водорода на охлаждение больше, чем окислителя в полученном воздухе, избыток (2/3 потока, прошедшего теплообменник) дожигается во втором контуре, смешиваясь с той частью воздуха, которая не поступила в теплообменник.

Однако принципиальная схема по сравнению с RB545 несколько изменилась: добавилась промежуточная петля с жидким гелием – теперь водород охлаждает гелий, а гелий уже отбирает тепло у воздуха и, нагревшись, крутит турбину компрессора и насосов, после чего поступает на повторное охлаждение. Это позволило избежать проблем водородной хрупкости в температурно-напряженном теплообменнике воздухозаборника. Компоновка космического аппарата тоже изменилась: тонкое веретено корпуса оснащено треугольным крылом со слегка искривленными мотогондолами на его концах.

Запарились

История создания SABRE – это прежде всего история разработки и совершенствования теплообменника, поскольку все завязано на его характеристики. Он должен извлечь из воздуха до 400 МВт тепла, при этом иметь минимальный вес, малые габариты, малое гидравлическое сопротивление (чтобы обеспечить заданный расход хладагента без установки тяжелых насосов), работать в условиях громадного перепада температур и давлений, сохранив целостность на протяжении всего жизненного цикла аппарата, и быть технологичным в изготовлении. По словам Алана Бонда, современные промышленные теплообменники такой мощности имеют вес в 30 раз больше, чем допустимо для применения на борту одноступенчатого космического аппарата (18 т против 600 кг, заложенных в конструкцию SABRE). Ответ, как часто бывает, подсказала природа. Жабры рыб имеют разветвленную систему капилляров, в которых более тонкая сеть трубочек вливается в толстые сосуды. Это оказалось именно тем решением, которое позволяет снизить сопротивление току жидкости при достаточной площади теплообмена. Существующие теплообменники, как правило, имеют набор трубок равного диаметра, в новой же конструкции применяются изогнутые тонкостенные трубки диаметром 0,9 мм с толщиной стенок 30 нм из сплава Inсonel 718, которые соединяют основные трубопроводы большего диаметра. Для изготовления применяется пайка, а отверстия в основных трубопроводах прожигаются лазером. Был изготовлен опытный образец теплообменника, который поместили перед установленным на стенде реактивным двигателем Rolls-Royce Viper. Инженеры провели цикл наземных испытаний, в которых модуль прошел 200 рабочих циклов по 5 минут каждый – больше, чем за планируемый жизненный цикл аппарата Skylon.

Схема SKYLON

1. Керамический обтекатель; 2. Носовые стабилизаторы; 3. Бак с жидким кислородом; 4. Бак с жидким водородом; 5. Грузовой отсек; 6. Блок управления; 7. Воздухозаборник; 8. Теплообменник; 9. Двигатель SABRE; 10. Орбитальные маневровые двигатели.

При охлаждении воздуха до –140 °С неизбежно возникает проблема обледенения: весь пар (а при этой температуре уже не только пар, но и углекислый газ), который содержался в окружающем воздухе, превращается в лед. При первом пробном запуске теплообменник за считаные секунды покрылся сплошной коркой льда, который полностью забил все каналы для воздуха. По заявлению Reaction Engines, в настоящее время проблема решена, однако компания избегает даже малейших намеков на то, каким образом это удалось, ссылаясь на коммерческую тайну. Некоторое представление можно получить, посмотрев, как с обледенением справлялись в проекте RB545. Охлаждение потока там проводилось в две стадии: первый теплообменник охлаждал воздух до +10 °С, превращая почти весь пар в туман, а затем впрыск жидкого кислорода моментально снижал температуру потока до –50 °С. Вся оставшаяся влага (перед этим опционально стоял еще влагоуловитель) моментально превращалась в мелкодисперсные кристаллы льда, не намерзая на трубки теплообменника.

Поскольку двигатель обладает высокой термодинамической эффективностью, разработчики использовали простой и легкий осесимметричный воздухозаборник с двухскачковой системой торможения воздушного потока с повышением его давления до 1,3 бара. Альтернативой был вариант с плоским клином сжатия, представленный на эскизах HOTOL. Он обладает большей эффективностью (большее число косых скачков уплотнения минимизирует потери полного давления на входе), однако при изменении числа Маха необходимо регулировать углы наклона множества поверхностей, чтобы все скачки сошлись в одну точку. Эта механизация с шарнирами и приводами тянет за собой дополнительный вес. В осесимметричном двухскачковом воздухозаборнике задача решается только перемещением конуса взад-вперед.

Клин клином

Сопло двигателя тоже высокотехнологичный агрегат, имеющий отличия от классического колокола сопла Лаваля, применяющегося на современных жидкостных реактивных двигателях. Существенной проблемой одноступенчатых аппаратов является изменение давления на срезе сопла: оптимизированное под вакуум сопло не даст той тяги в атмосфере, и наоборот. В результате весь участок разгона сопло будет работать то с недорасширением, то с перерасширением, что приведет к падению удельного импульса. В многоступенчатых аппаратах можно оптимизировать сопло каждой ступени под давление на участке ее работы (оно тоже варьируется, но не в таком широком диапазоне). В одноступенчатых нужно или применять сопло изменяемой геометрии (а это дополнительный вес механизмов и приводов), или мириться с потерей эффективности. Решить эту проблему позволяют двигатели с высотной компенсацией, в которых расширяющийся сверхзвуковой поток газа только с одной стороны ограничен стенкой сопла, с другой же – внешняя среда. К таковым относится клиновоздушный ракетный двигатель (aerospike engine, применялся в американском проекте Х-33) и expansion-deflection nozzle – именно такой тип сопла разрабатывается в рамках научно-исследовательских программ STERN и STRICT для SABRE. Этот тип сопла имеет такой же колокол, как и у сопла Лаваля (правда, короче и другой геометрии), с центральным телом по оси, отклоняющим поток к стенкам колокола (по форме похоже на впускной клапан в цилиндре ДВС). За центральным телом остается не занятая выхлопными газами зона, позволяющая компенсировать влияние давления окружающей среды.

Одни проблемы

И это далеко не все сложности. Перед инженерами Reaction Engines стоит ряд других задач: создание систем охлаждения камеры сгорания (на атмосферном участке полета предлагается охлаждать воздухом, пропущенным через рубашку, вне атмосферы – жидким кислородом), отработка сопел системы орбитального маневрирования, промежуточного теплообменника между водородом и гелием (предлагается использовать керамическую матрицу), турбины для жидкого гелия (тут планируется применять оригинальную систему с рабочими колесами противоположного направления вращения) и решение аэродинамических проблем с конструкцией самого космолета.

Все эти работы выполняются в основном на деньги частных инвесторов с минимальным привлечением бюджетного финансирования. При этом сложность возникающих проблем превышает возможности современного компьютерного моделирования, и многое приходится решать экспериментом на натурных стендах (так, для отработки геометрии сопел планируется запуск суборбитальной ракеты, которая пройдет атмосферный участок с тем же числом Маха на заданной высоте, в планах и создание летательного аппарата для отработки компоновки мотогондолы). Еще недавно Алан Бонд говорил, что первый полет планируется в 2029 году, а сейчас называет уже 2024 год. И это будет самолет, который выведет на круговую орбиту 1300 кг. Успех этих работ может существенно снизить цену вывода груза на орбиту, сделать ближний космос столь же доступным, как Антарктика, а технологии двигателей с предохлаждением можно использовать и на Земле – для воздушных перевозок с гиперзвуковой скоростью.

Декабрь ушедшего года принес свежие новости: наряду с возводимым в Великобритании (Уэсткотт, графство Бакингемшир) испытательным стендом для двигателя SABRE Reaction Engines начала строительство еще одного стенда в США. Работы ведутся на средства гранта, выделенного DARPA. А это значит, что к финансированию подключился Пентагон. На стенде будет испытываться система предохлаждения перспективной силовой установки.

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 впускного тракта, 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

Для забора воздуха 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 большинство вспомогательных устройств 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 в более крупных реактивных двигателях. 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:
Викисклад

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, пусковой клапан открывается, что позволяет отбираемому воздуху проходить 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 происходит резкое увеличение 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 температура 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 неисправен или недоступен, 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 не требуется подача воздуха для запуска. 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 есть 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 при запуске 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 предпринята попытка запуска с этим топливом, присутствующим в камере, это может привести к воспламенению залитого топлива, и из выхлопной трубы 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

Двигатель перезапускается 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.

Двигатель смешивает топливо с кислородом или другим окислителем в камере сгорания.
Смесь воспламеняется.
Горящая смесь создает горячие расширяющиеся газы.
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.

Posted inДвигатель