Выполнила учащаяся: МОУ «СОШ С. Зубовка» Масаева Алисат (9класс), Руководитель: Мельшина В.Г 2011 год Оглавление:
Идея ракетного летания, многим представляющаяся в наши дни такой смелой и новой, на самом деле имеет за собою уже полувековую историю, добрых три четверти которой протекло целиком в нашем отечестве. Первая мысль о ракетном самолете родилась в светлой голове молодого революционера-первомартовца Николая Ивановича Кибальчича. В 1903 К. Э. Циолковский в работе "Исследование мировых пространств реактивными приборами" впервые в мире выдвинул основные положения теории жидкостных ракетных двигателей и предложил основные элементы устройства РД на жидком топливе.
Под реактивным движением понимают движение тела, возникающее при отделении некоторой его части с определенной скоростью относительно тела, например, при истечении продуктов сгорания из сопла реактивного летательного аппарата. При этом появляется так называемая реактивная сила, сообщающая телу ускорение. Наблюдать реактивное движение очень просто. Надуйте детский резиновый шарик и отпустите его. Шарик стремительно взовьется вверх. Движение, правда, будет кратковременным. Реактивная сила действует лишь до тех пор, пока продолжается истечение воздуха.
 , где
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. ДоказательствоДо начала работы двигателей импульс ракеты и горючего был равен нулю, следовательно, и после включения сумма изменений векторов импульса ракеты и импульса истекающих газов равна нулю:
Разделим обе части равенства на интервал времени t, в течение которого работали двигатели ракеты:
Произведение массы ракеты m на ускорение ее движения a по определению равно силе, вызывающей это ускорение:
Уравнение МещерскогоЕсли же на ракету, кроме реактивной силы , действует внешняя сила 
Формула Мещерского представляет собой обобщение второго закона Ньютона для движения тел переменной массы. Ускорение тела переменной массы определяется не только внешними силами
Формула ЦиолковскогоПрименив уравнение Мещерского к движению ракеты, на которую не действуют внешние силы, и, проинтегрировав уравнение, получим формулу Циолковского
Релятивистское обобщение этой формулы имеет вид:
Выводы из законов:
Составные части реактивного двигателя: Реактивные двигатели делятся на два класса:
Ракетные двигатели, работающие на твердом топливе На рисунке показана схема ракетного двигателя на твердом топливе. Порох или какое-либо другое твердое топливо, способное к горению в отсутствие воздуха, помещают внутрь камеры сгорания двигателя.
Реактивная сила
Раскаленные газы (продукты сгорания), выходя через сопло, вращают газовую турбину, приводящую в движение компрессор. Турбокомпрессорные двигатели установлены в наших лайнерах Ту-134, Ил-62, Ил-86 и др. Реактивными двигателями оснащены не только ракеты, но и большая часть современных самолетов.
Первые советские жидкостные ракетные двигатели — ОРМ, ОРМ-1, ОРМ-2 были спроектированы В. П. Глушко и под его руководством созданы в 1930—31 в Газодинамической лаборатории. Впервые электротермический двигатель был создан и испытан Глушко в ГДЛ в 1929-1933. В 1939 в СССР состоялись испытания ракет с прямоточными воздушно-реактивными двигателями конструкции И. А. Меркулова. Ядерные ракетные двигатели Ядерные ракетные двигатели позволяют достичь значительно более высокого (по сравнению с химическими ракетными двигателями) значения удельного импульса благодаря большой скорости истечения рабочего тела (от 8 000 м/с до 50 км/с и более). Вместе с тем, общая тяга ЯРД может быть сравнима с тягой химических ракетных двигателей, что создает предпосылки для замены в будущем химических ракетных двигателей ядерными. Основной проблемой при использовании ЯРД является радиоактивное загрязнение окружающей среды факелом выхлопа двигателя, что затрудняет использование ЯРД (кроме, возможно, газофазных), на ступенях ракет-носителей, работающих в пределах земной атмосферы. Впрочем, конструктивно совершенный ГФЯРД, исходя из его расчётных тяговых характеристик, может легко решить проблему создания полностью многоразовой одноступенчатой ракеты-носителя.
 
Турбореактивными двигателями и двухконтурными турбореактивными двигателями оснащено большинство военных и гражданских самолётов во всём мире, их применяют на вертолётах. Эти Р. д. пригодны для полетов, как с дозвуковыми, так и со сверхзвуковыми скоростями; их устанавливают также на самолётах-снарядах, сверхзвуковые турбореактивные двигатели могут использоваться на первых ступенях воздушно-космических самолётов. Прямоточные воздушно-реактивные двигатели устанавливают на зенитных управляемых ракетах, крылатых ракетах, сверхзвуковых истребителях-перехватчиках. Дозвуковые прямоточные двигатели применяются на вертолётах (устанавливаются на концах лопастей несущего винта). Пульсирующие воздушно-реактивные двигатели имеют небольшую тягу и предназначаются лишь для летательных аппаратов с дозвуковой скоростью. Во время 2-й мировой войны 1939-45 этими двигателями были оснащены самолёты-снаряды ФАУ-1. Жидкостные ракетные двигатели применяются на ракетах-носителях космических летательных аппаратов и космических аппаратах в качестве маршевых, тормозных и управляющих двигателей, а также на управляемых баллистических ракетах. Твёрдотопливные ракетные двигатели используют в баллистических, зенитных, противотанковых и др. ракетах военного назначения, а также на ракетах-носителях и космических летательных аппаратах. Небольшие твёрдотопливные двигатели применяются в качестве ускорителей при взлёте самолётов. Электрические ракетные двигатели и ядерные ракетные двигатели могут использоваться на космических летательных аппаратах.
Реактивный двигатель кальмара Кальмар является самым крупным беспозвоночным обитателем океанских глубин. Наибольший интерес представляет реактивный двигатель кальмара. При медленном перемещении кальмар пользуется большим ромбовидным плавником, периодически изгибающимся. Для быстрого броска он использует реактивный двигатель. Животное засасывает воду внутрь мантийной полости, а затем резко выбрасывает струю воды через узкое сопло. Это сопло снабжено специальным клапаном, и мышцы могут его поворачивать, изменяя направление движения. При этом все десять щупалец кальмара собираются в узел над головой, и он приобретает обтекаемую форму Двигатель кальмара очень экономичен, он способен развивать скорость до 60 – 70 км/ч. (Некоторые исследователи считают, что даже до 150 км/ч!) Недаром кальмара называют “живой торпедой”. Инженеры уже создали двигатель, подобный двигателю кальмара. Его называют водометом. В нем вода засасывается в камеру. А затем выбрасывается из нее через сопло; судно движется в сторону, противоположную направлению выброса струи. Вода засасывается при помощи обычного бензинового или дизельного двигателя. Сальпа - морское животное с прозрачным телом, при движении принимает воду через переднее отверстие, причем вода попадает в широкую полость, внутри которой по диагонали натянуты жабры. Как только животное сделает большой глоток воды, отверстие закрывается. Тогда продольные и поперечные мускулы сальпы сокращаются, все тело сжимается, и вода через заднее отверстие выталкивается наружу. Реакция вытекающей струи толкает сальпу вперед. Личинка стрекозы Задняя кишка личинки стрекозы, помимо своей основной функции, выполняет еще и роль органа движения. Вода заполняет заднюю кишку, затем с силой выбрасывается, и личинка перемещается по принципу реактивного движения на 6-8 см. Для дыхания нимфам также служит задняя кишка, которая как насос постоянно закачивает через анальное отверстие богатую кислородом воду. Билимович Б.Ф. "Физические викторины" Бешеный огурец Примеры реактивного движения можно обнаружить и в мире растений.
В южных странах (и у нас на побережье Черного моря тоже) произрастает растение под названием "бешеный огурец". Стоит только слегка прикоснуться к созревшему плоду, похожему на огурец, как он отскакивает от плодоножки, а через образовавшееся отверстие из плода фонтаном со скоростью до 10 м/с вылетает жидкость с семенами.
Сами огурцы при этом отлетают в противоположном направлении. Стреляет бешеный огурец (иначе его называют «дамский пистолет») более чем на 12 м. ДОМАШНИЙ ОПЫТ "Реактивная банка" Возьмите пустую консервную банку без верхней крышки. На равных расстояниях по верхнему ободу банки проделайте три маленьких отверстия и вставьте в них прочные нити, с помощью которых можно будет подвесить банку к водопроводному крану. У донышка на боковой стенке банки проделайте пару отверстий напротив друг друга диаметром около 5 см. Подвесьте банку на водопроводный кран и откройте кран с водой, чтобы банка наполнилась.
|
koledj.ru
Большое значение закон сохранения импульса имеет при рассмотрении реактивного движения. Под реактивным движением понимают движение тела, возникающее при отделении некоторой его части с определенной скоростью относительно него, например при истечении продуктов сгорания из сопла реактивного летательного аппарата. При этом появляется так называемая реактивная сила, толкающая тело.Особенность реактивной силы заключается в том, что она возникает в результате взаимодействия между собой частей самой системы без какого-либо взаимодействия с внешними телами. В то время, как сила, сообщающая ускорение, например, пешеходу, кораблю или самолету, возникает только за счет взаимодействия этих тел с землей, водой или воздухом.
Так движение тела можно получить в результате вытекания струи жидкости или газа.
В природе реактивное движение присуще в основном живым организмам, обитающим в водной среде.
В технике реактивное движение используется на речном транспорте (водометные двигатели), в автомобилестроении (гоночные автомобили), в военном деле, в авиации и космонавтике.Все современные скоростные самолеты оснащены реактивными двигателями, т.к. они способны обеспечить необходимую скорость полета.В космическом пространстве использовать другие двигатели, кроме реактивных, невозможно, так как там нет опоры, отталкиваясь от которой можно было бы бы получать ускорение.
Создателем русской боевой ракеты был ученый-артиллерист К.И. Константинов. При весе в 80 кг далььность полета ракеты Константинова достигала 4 км.
Идея применения реактивного движения в летательном аппарате, проект реактивного воздухоплавательного прибора, в 1881 году была выдвинута Н.И. Кибальчичем.
В 1903 году знаменитый ученый-физик К.Э. Циолковский доказал возможность полета в межпланетном пространстве и разработал проект первого ракетоплана с жидкостно-реактивным двигателем.
К.Э. Циолковский спроектировал космический ракетный поезд, составленный из ряда ракет, работающих поочередно и отпадающих по мере израсходования горючего.
Основой любого реактивного двигателя является камера сгорания, в которой при сгорании топлива образуются газы, имеющие очень высокую температуру и оказывающие давление на стенки камеры. Газы вырываются из узкого сопла ракеты с большой скоростью и создают реактивную тягу. В соответствии с законом сохранения импульса, ракета приобретает скорость в противоположном направлении.
Импульс системы (ракета-продукты сгорания) остается равным нулю. Так как масса ракеты уменьшается, то даже при постоянной скорости истечения газов ее скорость будет увеличиваться, постепенно достигая максимального значения.Движение ракеты - это пример движения тела с переменной массой. Для расчета ее скорости используют закон сохранения импульса.
Реактивные двигатели делятся на ракетные двигатели и воздушно-реактивные двигатели.
Ракетные двигатели бывают на твердом или на жидком топливе.В ракетных двигателях на твердом топливе топливо, содержащее и горючее, и окислитель, помешают внутрь камеры сгорания двигателя. В жидкостно-реактивных двигателях, предназначенных для запуска космических кораблей, горючее и окислитель хранятся отдельно в специальных баках и с помощью насосов подаются в камеру сгорания. В качестве горючего в них можно использовать керосин, бензин, спирт, жидкий водород и др., а в качестве окислителя, необходимого для горения, - жидкий кислород, азотную кислоту, и др.
Современные трехступенчатые космические ракеты запускаются вертикально, а после прохода плотных слоев атмосферы переводятся на полет в заданном направлении. Каждая ступень ракеты имеет свой бак с горючим и бак с окислителем, а также свой реактивный двигатель. По мере сгорания топлива отработанные ступени ракеты отбрасываются.
Воздушно-реактивные двигатели в настоящее время применяют главным образом в самолетах. Основное их отличие от ракетных двигателей состоит в том, что окислителем для горения топлива служит кислород воздуха, поступающего внутрь двигателя из атмосферы.К воздушно-реактивным двигателям относятся турбокомпрессорные двигатели как с осевым, так и с центробежным компрессором.Воздух в таких двигателях всасывается и сжимается компрессором, приводимым в движение газовой турбиной. Газы, выходящие из камеры сгорания, создают реактивную силу тяги и вращают ротор турбины.
При очень болььших скоростях полета сжатие газов в камере сгорания можно осуществить за счет встречного набегающего воздушного потока. Необходимость в компрессоре отпадает.
Так устроены прямоточные воздушно-реактивные двигатели.Поэтому при полетах в плотных слоях атосферы для более полного использования мощности реактивного двигателя на валу турбины устанавливают воздушный винт.
Динамика - Класс!ная физика
Инерциальные системы отсчета. Первый закон Ньютона -- Второй закон Ньютона -- Третий закон Ньютона -- Свободное падение тел -- Закон всемирного тяготения -- Ускорение свободного падения на Земле и других небесных телах -- Криволинейное движение. Равномерное движение тела по окружности -- Искусственные спутники Земли (ИСЗ) -- Импульс тела. Закон сохранения импульса -- Реактивное движение в природе -- Реактивное движение в технике. Реактивные двигатели -- Закон Гука
Вверх
class-fizika.ru
.
Введение.
В современной авиации гражданской и военной, в космической технике широкое применение получили реактивные двигатели, в основу создания которых положен принцип получения тяги за счёт силы реакции, возникающей при отбросе от двигателя некоторой массы (рабочего тела), а направление тяги и движения отбрасываемого рабочего тела противоположны. При этом величина тяги пропорциональна произведению массы рабочего тела на скорость её отброса. Так упрощённо можно описать работу реактивного двигателя, а настоящая научная теория наглости современных реактивных двигателей разрабатывалась несколько десятков лет. И в её основе и конструкции реактивных двигателей лежат труды русских учёных и изобретателей, которые в развитии реактивных двигателей и вообще в ракетной техники всегда занимали ведущее место. Конечно, к началу работ по ракетной технике в России относится к 1690г., когда было построено специальное заведение при активном участии Петра 1 для производства пороховых ракет, которые гораздо ранее были использованы в древнем Китае. Тем не менее пороховые ракеты образца 1717г. благодаря своим высоким по тому времени качествам использовались почти без изменения в течение около ста лет. А первые попытки создания авиационного реактивного двигателя следует наверно отнести к 1849 году, когда военный инженер И.М. Третесский предложил для передвижения аэростата использовать силу реактивной струи сжатого газа. В 1881 Кибальчич разработал проект летательного аппарата тяжелее воздуха с реактивным двигателем. Конечно, это были первые попытки использовать силу реактивной струи для летательных аппаратов, а конечно Н.Е.Жуковский, "отец русской авиации", впервые разработавший основные вопросы теории реактивного движения, является по праву основоположником этой теории.
Труды Российских и советских учёных и конструкторов вместе с трудами наших выдающихся соотечественников Н.Е.Жуковского, К.Э.Циолковского, В.В.Уварова, В.П.Мишина и многих других являются основой современной реактивной техники, что позволило создать высокоскоростные истребители типа……, тяжёлые транспортные самолёты типа Руслан, сверхзвуковой лайнер Ту- 144, ракетоноситель Энергия и орбитальную станцию Мир и многое другое, что является нашей славной историей и гордостью России.
I . Физические основы работы реактивного двигателя.
В основе современных мощных реактивных двигателях различных типов лежит принцип прямой реакции, т.е. принцип создания движущей силы (или тяги) в виде реакции (отдачи) струи вытекающего из двигателя "рабочего вещества", обычно - раскалённых газов.
Во всех двигателях существует два процесса преобразования энергии. Сначала химическая энергия топлива преобразуется в тепловую энергию продуктов сгорания, а затем тепловая энергия используется для совершения механической работы. К таким двигателям относятся поршневые двигатели автомобилей, тепловозов, паровые и газовые турбины электростанций и т.д.
Рассмотрим этот процесс применительно к реактивным двигателям. Начнем с камеры сгорания двигателя, в котором тем или иным способом, зависящим от типа двигателя и рода топлива, уже создана горючая смесь. 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, наконец, какое-нибудь твёрдое топливо пороховых ракет. Горючая смесь может сгорать, т.е. вступать в химическую реакцию с бурным выделением энергии в виде тепла. Способность выделять энергию при химической реакции, и есть потенциальная химическая энергия молекул смеси. Химическая энергия молекул связана с особенностями их строения, точнее, строения их электронных оболочек, т.е. того электронного облака, которое окружает ядра атомов, составляющих молекулу. В результате химической реакции, при которой одни молекулы разрушаются, а другие возникают, происходит, естественно, перестройка электронных оболочек. В этой перестройке - источник выделяющейся химической энергии. Видно, что топливами реактивных двигателей могут служить лишь такие вещества, которые при химической реакции в двигателе (сгорании) выделяют достаточно много тепла, а также образуют при этом большое количество газов. Все эти процессы происходят в камере сгорания, но остановимся на реакции не на молекулярном уровне (это уже рассмотрели выше), а на "фазах" работы. Пока сгорание не началось, смесь обладает большим запасом потенциальной химической энергии. Но вот пламя охватило смесь, ещё мгновение - и химическая реакция закончена. Теперь уже вместо молекул горючей смеси камеру заполняют молекулы продуктов горения, более плотно "упакованные". Избыток энергии связи, представляющей собой химическую энергию прошедшей реакции сгорания, выделился. Обладающие этой избыточной энергией молекулы почти мгновенно передали её другим молекулам и атомам в результате частых столкновений с ними. Все молекулы и атомы в камере сгорания стали беспорядочно, хаотично двигаться со значительно более высокой скоростью, температура газов возросла. Так произошел переход потенциальной химической энергии топлива в тепловую энергию продуктов сгорания.
Подобных переход осуществлялся и во всех других тепловых двигателях, но реактивные двигатели принципиально отличаются от них в отношении дальнейшей судьбы раскалённых продуктов сгорания.
После того, как в тепловом двигателе образовались горячие газы, заключающие в себя большую тепловую энергию, эта энергия должна быть преобразована в механическую. Ведь двигатели для того и служат, чтобы совершать механическую работу, что-то "двигать", приводить в действие, все равно, будь то динамо-машина на просьба дополнить рисунками электростанции, тепловоз, автомобиль или самолёт.
Чтобы тепловая энергия газов перешла в механическую, их объём должен возрасти. При таком расширении газы и совершают работу, на которую затрачивается их внутренняя и тепловая энергия.
В случае поршневого двигателя расширяющиеся газы давят на поршень, движущийся внутри цилиндра, поршень толкает шатун, а тот уже вращает коленчатый вал двигателя. Вал связывается с ротором динамомашины, ведущими осями тепловоза или автомобиля или же воздушным винтом самолёта - двигатель совершает полезную работу. В паровой машине, или газовой турбине газы, расширяясь, заставляют вращать связанное с валом турбиной колесо - здесь отпадает нужда в передаточном кривошипно-шатунном механизме, в чем заключается одно из больших преимуществ турбины
Расширяются газы, конечно, и в реактивном двигателе, ведь без этого они не совершают работы. Но работа расширения в том случае не затрачивается на вращение вала. Связанного с приводным механизмом, как в других тепловых двигателях. Назначение реактивного двигателя иное - создавать реактивную тягу, а для этого необходимо, чтобы из двигателя вытекала наружу с большой скоростью струя газов - продуктов сгорания: сила реакции этой струи и есть тяга двигателя. Следовательно, работа расширения газообразных продуктов сгорания топлива в двигателе должна быть затрачена на разгон самих же газов. Это значит, что тепловая энергия газов в реактивном двигателе должна быть преобразована в их кинетическую энергию - беспорядочное хаотическое тепловое движение молекул должно замениться организованным их течением в одном, общем для всех направлении.
Для этой цели служит одна из важнейших частей двигателя, так называемое реактивное сопло. К какому бы не все в там правда типу не принадлежал тот или иной реактивный двигатель, он обязательно снабжен 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 других, турбореактивных, - газы сначала проходят через турбину, которой отдают часть своей тепловой энергии. Она расходует в этом случае 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.
Реактивное сопло может иметь различные формы, и, тем более, разную конструкцию в зависимости от типа двигателя. Главное заключается в той скорости, с которой газы вытекают из двигателя. Если эта скорость истечения не превосходит скорости, с которой в вытекающих газах распространяются звуковые волны, то сопло представляет собой простой цилиндрический или суживающий отрезок трубы. Если же скорость истечения должна превосходить скорость звука, то соплу придается форма расширяющейся трубы или же сначала суживающейся, а за тем расширяющейся (сопло Лавля). Только в трубе такой формы, как показывает теория и опыт, можно разогнать газ до сверхзвуковых скоростей, перешагнуть через "звуковой барьер".
II . Классификация реактивных двигателей и особенности их использования
Однако этот могучий ствол, принцип прямой реакции, дал жизнь огромной кроне "генеалогического дерева" семьи реактивных двигателей. Чтобы познакомиться с основными ветвями его кроны, венчающей "ствол" прямой реакции. Вскоре, как можно видеть по рисунку (см. ниже), этот ствол делится на две части, как бы расщепленный ударом молнии. Оба новых ствола одинаково украшены могучими кронами. Это деление произошло по тому, что все "химические" реактивные двигатели делятся на два класса в зависимости от того, используют они для своей работы окружающий воздух или нет.
Один из вновь образованных стволов - это класс воздушно-реактивных двигателей (ВРД). Как показывает само название, они не могут работать вне атмосферы. Вот почему эти двигатели - основа современной авиации, как пилотируемой, так и беспилотной. ВРД используют атмосферный кислород для сгорания топлива, без него реакция сгорания в двигателе не пойдет. Но все же в настоящее время наиболее широко применяются турбореактивные двигатели
mirznanii.com
Все разнообразные виды реактивных двигателей состоят из следующих основных частей: 1) бака с топливом, 2) камеры, где это топливо сгорает, 3) устройств, обеспечивающих подачу топлива в камеру сгорания и истечение продуктов сгорания. В зависимости от вида используемого топлива реактивные двигатели разделяются на две большие группы: двигатели на твёрдом топливе, двигатели на жидком топливе.
Простейшим примером двигателя на твёрдом топливе служит пороховая ракета. В ракете при сгорании пороха образуются газы, которые выбрасываются из тела ракеты, создавая реактивную тягу.
В жидкостных реактивных двигателях (ЖРД) сгорают жидкие горючие вещества (нефтепродукты, спирт и т. д.). Жидкостные реактивные двигатели применялись в конце второй мировой войны для самолётов–снарядов дальнего действия. Скорость самолётов-снарядов достигала 5400 км/ч при дальности полёта 290-300 км и высоте траектории 100 км.
К этому же роду двигателей относится ракетный двигатель для межпланетных сообщений, изобретённый К. Э. Циолковским.
Жидкостный реактивный двигатель – двигатель больших скоростей и больших высот полёта, однако он расходует слишком много топлива. Например, самолёты-снаряды, которыми гитлеровцы обстреливали во время второй мировой войны Лондон, расходовали в секунду около 130 кг горючей смеси.
Так как запас топлива на самолёте ограничен, то продолжительность и дальность полёта реактивного самолёта с жидкостным двигателем невелики. Кроме того, в таком двигателе должна быть устроена специальная камера, наполненная веществом, окисляющим горючее, а это увеличивает размеры и вес двигателя. Более экономичен воздушно-реактивный двигатель. В этом двигателе для окисления горючего используется кислород непосредственно из атмосферы, и, таким образом, необходимость в баке с запасом окислителя отпадает.
На рисунке изображена схема воздушно-реактивного прямоточного двигателя. Его работа протекает следующим образом.
При полёте самолёта встречный поток воздуха проходит через напорное сопло и захватывает горючее, разбрызгиваемое форсунками. Образовавшаяся рабочая смесь поступает далее в камеру сгорания, где воспламеняется с помощью запальных свечей.
Газы, получающиеся в результате сгорания рабочей смеси, с огромной скоростью выбрасываются через выходное отверстие - сопло. Вследствие резкого увеличения давления при сгорании смеси скорость газов при выходе из сопла намного больше скорости входящего в двигатель воздуха. По закону сохранения количества движения благодаря этой разности скоростей и создаётся реактивная тяга.
Из изложенного следует, что прямоточный ВРД может работать только тогда, когда самолёт будет в движении. Ясно, что с таким двигателем взлетать самостоятельно самолёт не сможет; для этого необходим дополнительный двигатель.
В настоящее время прямоточные ВРД ещё не получили распространения. Однако в будущем перед ними раскроются широкие перспективы, потому что они оказываются экономически очень выгодными при огромных скоростях полёта (2000–3000 км/ч).
В современной авиации широкое распространение получили турбокомпрессорные воздушно-реактивные двигатели, которые обеспечивают и взлёт, и полёт самолёта. Схема устройства одного из видов такого двигателя дана на рисунке.
Для создания тяги при взлёте самолёта необходимо устройство, обеспечивающее засасывание воздуха в камеру сгорания. В турбокомпрессорных ВРД таким устройством служит газовая турбина, связанная с компрессором. Из рисунка видно, что диск турбины сидит на одном валу с компрессором. Когда турбина начинает работать, она приводит в движение компрессор. Последний засасывает воздух и, сжимая его, подает в камеру сгорания. В остальном всё происходит так же, как в прямоточном ВРД.
Продукты сгорания, проходя через газовую турбину, отдают ей примерно половину своей энергии, их давление и скорость несколько уменьшаются. Оставшаяся энергия идёт на повышение скорости газов в сопловой части двигателя. Из выходного сопла вырывается мощная газовая струя, создающая реактивную тягу. Современный турбореактивный двигатель легче поршневого двигателя той же мощности примерно в пять раз. При скоростях полёта в 900–1000 км/ч – развиваемая им мощность может доходить до 6500 – 7500 л. с.
В настоящее время в авиации широко применяются также турбовинтовые двигатели.
В турбовинтовом двигателе проходящие через турбину газы отдают ей большую часть своей энергии; поэтому газовая турбина развивает мощность, значительно превышающую ту, которая потребляется компрессором. Избыток мощности турбины расходуется на приведение во вращение воздушного винта, являющегося основным источником тяги двигателя. Кроме того, в турбовинтовых двигателях получается некоторая дополнительная тяга от реактивного действия выходящих из сопла отработавших газов.
Дальнейшее усовершенствование реактивных двигателей представляет одну из первоочередных задач современной техники.
scibio.ru
Среди различных типов реактивных двигателей, используемых современной техникой, определенную область применения имеют прямоточные воздушно-реактивные двигатели. Схематически такой двигатель изображен па рис. 109. Отличительными особенностями этих [c.467]
Каждое из перечисленных топлив имеет свои достоинства и недостатки, определяющие особенности и области их применения. Как и в других двигателях внутреннего сгорания основному процессу — сгоранию топлива в воздушно-реактивном двигателе предшествует его испарение и перемешивание образовавшихся паров с воздухом. Топливо сгорает на сравнительно небольшом отрезке пути газового потока, и поэтому скорость его испарения должна быть высокой. Рассмотрим более подробно условия испарения и сгорания топлив в воздушно-реактивных двигателях. [c.164]
В зависимости от области применения различают следующие основные виды жидкого топлива карбюраторные, топлива для воздушно-реактивных двигателей, дизельные и котельные топлива. [c.91] Воздушно-реактивные двигатели при сравнительно небольшом весе и размерах способны развивать тягу, необходимую для полетов со скоростями, превосходящими скорость звука. В течение нескольких лет вследствие применения воздушно-реактивных двигателей скорость самолетов возросла до 900— 950 км1час, а затем значительно превысила скорость звука. Из приведенных на рис. 109 областей целесообразного применения поршневых (ПД) и воздушно-реактивных двигателей (ТВД и ТРД) видно, что будущее в авиации принадлежит самолетам с воздушно-реактивными двигателями [1]. [c.315]Производится путем обработки технического порошка алюминия хлористым метилом, а затем восстановлением образующегося алю-минийсесквихлорида металлическим натриемТриметилалюминий представляет собой прозрачную бесцветную самовоспламеняющуюся жидкость, замерзающую при 15° С и кипящую при 122° С с водой взаимодействует почти со взрывом. Основной областью применения триметилалюминия является использование в качестве топлива для реактивных двигателей с целью предотвращения прекращения горения в прямоточных воздушно-реактивных двигателях, а также в виде 15—20%-ной добавки к различным реактивным топливам для обеспечения быстрого воспламенения последних на больших высотах 2. [c.73]
Разделение материала по двум областям реактивной, техник кй — ракетным и воздушно-реактивным двигателям—оправды -вается, по нашему мнению, и специфическими особенностями применения этих двух типов реактивных аппаратов и глубокими различиями в физико-химической природе идущих в них процессов. Отличная по порядку величины теплонапряженность ракетных двигателей, химические особенности саморегулирующихся ракетных топлив, важность одновременного учета и скорости истечения продуктов сгорания и энергетической плотности исходного топлива для оценки его работоспособности— все это определяет специфический подход к классификации и к оценке эффективности ракетных топлив и к методам исследования и расчета ракетных двигателей. [c.5]
Сравнительно новой областью применения твердых топлив является использование их в прямоточных воздушно-реактивных двигателях. Такие топлива содержат большой избыток горючего (а—0,2—0,25) и небольшое количество окислителя — около 25% для поддержания горения. Топливный заряд помещается в камеру сгорания сверхзвукового летательного аппарата и досжигается в потоке воздуха во время горения избытка горючего. Твердые топлива для прямоточных ВРД имеют следующий состав и характеристики [c.381]
chem21.info
Топлива для воздушно-реактивных двигателей реактивные топлива, авиационные керосины — вырабатывают на базе прямогонных фракций нефти и газойлей каталитического крекинга с применением в ряде случаев гидрогенизационных процессов. В СНГ выпускают топлива марок ТС-1, Т-1, Т-2, РТ, выкипающие в интервале 60—280 °С (применяют в двигателях с дозвуковой скоростью полета), и термостабильное топливо утяжеленного состава, выкипающее в интервале 195—315 °С (применяют для двигателей со сверхзвуковой скоростью полета). [c.418]
Следует отметить, что лучшая испаряемость топлив как для поршневых, так и для воздушно-реактивных двигателей может быть полезной только при учете условий применения и других эксплуатационных свойств топлив. Например, падо учитывать, что топлива облегченного фракционного состава склонны к образованию паровоздушных пробок, испаряются при хранении, транспортировке Л применении и имеют более низкую объемную теплоту сгорания. [c.122]
В воздушно-реактивных двигателях нашли применение три типа топлив, различающиеся по испаряемости. Первый, и наиболее распространенный, тип реактивного топлива — керосины с пределами выкипания 150—280 °С и давлением насыщенных паров при 38 °С — до 6,65 кПа (отечественные топлива ТС-1, Т-1 и РТ, зарубежные — 1р-5). Второй тип реактивного топлива — широкая фракция углеводородов, смесь бензина и керосина, выкипающая в пределах от 60 до 280 °С с давлением насыщенных паров до 19,95 кПа (отечественное топливо Т-2, зарубежное— 1р-4). Третий тип реактивного топлива — утяжеленная керосино-газойлевая фракция, выкипающая в пределах от 195 до 315 °С с давлением насыщенных паров 0,67—2,0 кПа (топливо Т-6). [c.164]
Каждое из перечисленных топлив имеет свои достоинства и недостатки, определяющие особенности и области их применения. Как и в других двигателях внутреннего сгорания основному процессу — сгоранию топлива в воздушно-реактивном двигателе предшествует его испарение и перемешивание образовавшихся паров с воздухом. Топливо сгорает на сравнительно небольшом отрезке пути газового потока, и поэтому скорость его испарения должна быть высокой. Рассмотрим более подробно условия испарения и сгорания топлив в воздушно-реактивных двигателях. [c.164]
В качестве топлива для воздушно-реактивных двигателей наиболее широко применяют керосиновые фракции, обладающие довольно высокой физической стабильностью. При использовании топлив широкого фракционного состава типа топлива Т-2, содержащих много легких фракций, потери от испарения при хранении и применении бывают значительными. Поэтому все правила сокращения потерь при хранении бензинов полностью применимы и к топливам широкого фракционного состава. [c.176]
Для ракетного двигателя значение топлива с высокой теплотой горания еще более возрастает. Высота взлета ракетного двигателя увеличивается во столько раз, во сколько раз возрастает теплота сгорания топлива. Применение для ракетных двигателей топлива с более высокой теплотой сгорания приведет не только к преимуществам, указанным для воздушно-реактивных двигателей, но и к увеличению высоты взлета ракеты. [c.151]
Значение металлов в народном хозяйстве и обороноспособности страны. Металлы имеют исключительно важное значение в жизни страны. Производство их составляет основу так называемой тяжелой индустрии — промыщленности, создающей машины и различные механизмы. Она обеспечивает промышленное, гражданское и военное строительство, все виды транспорта, оборудование промышленных и других предприятий и учреждений, производство различных товаров народного потребления, продуктов питания и т. д. Большое значение имеют металлы для обороноспособности страны. Они служат конструкционными и строительными материалами, необходимы в производстве вооружения. Мало известно о применении так называемого металлического топлива для ракетных и воздушно-реактивных двигателей. С этой целью применяют легкие металлы, например магний, алюминий и др. Металлическое топливо вводят в камеру сгорания в виде жидкого (расплавленного) металла, суспензий металлических порошков, растворов металлов в различных жидкостях и т. д. [c.196]
В зависимости от области применения различают следующие основные виды жидкого топлива карбюраторные, топлива для воздушно-реактивных двигателей, дизельные и котельные топлива. [c.91]
Полноте использования природных и синтетических нефтей, помимо методов их глубокой переработки (крекингом н деструктивной гидрогенизацией) на бензин, весьма способствует широкое применение дизелей, а за последнее время также и воздушного (газотурбинного) и жидкостного реактивных двигателей. Топливом для дизелей являются соляровые масла и моторная нефть, т. е. более тяжелые фракции перегонки нефти, в большей своей части служащие сырьем и для крекинга. К дизельному топливу, в частности к топливу, отличающемуся легкой самовоспламеняемостью, предъявляются специфические качественные требования. Сила стука дизельного мотора (сходного с детонацией в карбюраторном двигателе) определяется воспламеняемостью сжигаемого в нем горючего. Легко воспламеняющееся топливо способствует спокойному ходу дизельных машин. Установлено также, что сокращение [c.11]
Гидразин-нитрат, Возможности применения этого твердого топлива исследуются Калифорнийским технологическим институтом по договору с Воздушными силами армии. При работе с ним встретились чрезвычайно большие трудности. Температура сгорания топлива, достигающая 620°, вызывает затруднение в отношении выбора металла для конструирования реактивного двигателя. [c.84]
Подавляющее большинство современных самолетов и вертолетов оснащено газотурбинными двигателями. Они независимо от используемого принципа тяги (за счет работы воздушного вш1та или истечения газов из сопла) работают на топливах для реактивных двигателей. Реактивные топлива представляют собой дистиллятные фракции нефти, вьпсипающие с учетом топлив различных марок в пределах 60-320 °С. Характерной особенностью применения топлив на авиационной технике являются повышенные требования к безотказности ее работы. В связи с этим реактивные топлива подвергают более тщательному контролю по технологии производства и качеству при выработке, транспортировании, хранении и применении. [c.121]
Разрушение структуры в керосинах, используемых в качестве топлива для реактивных двигателей, достигается еще легче, чем в дизельных топливах. Согласно данным Страусона [62], легкая вибрация бака, имитирующая движение топлива при изменении высоты полета самолета, позволила для всех видов испытанных топлив понизить температуру прокачиваемости не менее чем на З С. Легкое покачивание, примененное в период работы подкачивающего насоса с 50%-ной производительностью, понизило температуру прокачиваемости топлив на 8—11°С. Однако вибрация топливного бака, имитирующая вибрацию, вызываемую воздушным винтом турбовинтового самолета, даже при очень высоких амплитудах (0,5 мм у днища бака) с образованием четко выраженных волн на поверхности топлива до его застывания существенного влияния на прокачиваемость не оказала [62]. Эти же испытания показали, что если трубопровод, соединяющий бак самолета с подкачивающим насосом, до охлаждения был пустым, то предел прокачиваемости зависит от прекращения потока топлива во всасывающую линию насоса после его включения. В том случае, когда трубопровод диаметром 2,5 см и длиной 183 см заполнен топливом, давление насоса 0,5 кг1см недостаточно для преодоления начального сопротивления сдвигу топлива, застывшего в трубопроводе. [c.50]
Производится путем обработки технического порошка алюминия хлористым метилом, а затем восстановлением образующегося алю-минийсесквихлорида металлическим натриемТриметилалюминий представляет собой прозрачную бесцветную самовоспламеняющуюся жидкость, замерзающую при 15° С и кипящую при 122° С с водой взаимодействует почти со взрывом. Основной областью применения триметилалюминия является использование в качестве топлива для реактивных двигателей с целью предотвращения прекращения горения в прямоточных воздушно-реактивных двигателях, а также в виде 15—20%-ной добавки к различным реактивным топливам для обеспечения быстрого воспламенения последних на больших высотах 2. [c.73]
Изучение физико-химических и термохимических свойств алюминийалкилов позволило зарубежным исследователям выявить возможность их применения для создания новых или повышения эффективности известных топливных систем ракетных и реактивных двигателей. Имеются сообщения, что триметилалюминий служит хорошим компонентом топливной системы для предотвращения заглохания в прямоточных воздушно-реактивных двигателях, а его 15—20%-ные растворы в различных реактивных топливах обеспечивают надежное воопламенение на больших высотах [16]. Указывается также, что со смесями пропан — воздух и керосин— воздух триметил- и триэтилалюминий обеспечивают очень небольшое запаздывание зажигания при исключительно низком температурном пределе зажигания. Использование алюминийалкилов в качестве самостоятельных топлив позволяет значительно повысить эффективность топлива. При этом оно обеспечивает большую мощность при меньших соотношениях топливо — воздух, чем углеводородные топлива [1, 14, с. 81 17—19]. В результате применения в качестве топлива низших алюминийалкилов массу ракетного устройства можно уменьшить на 60% [20, 21]. Особенно перспективна смесь, состоящая из 20% алюминийалкила и 80% жидкого пропилена. Как указывают авторы [22], она удобна при использовании дистанционного контроля зажигания, например, для запуска реактивных двигателей, даже при очень низких температурах. Эти соединения более экономичны и подвижны, чем ранее используемая смесь соединений щелочных металлов [14, с. 82]. Имеются сведения, что скорость распространения пламени у триметил- и триэтилалюминия во много раз больше, чем у углеводородных топлив, и горят такие топлива в три раза быстрее, чем обычные ракетные топлива на углеводородной основе [21]. [c.238]
Разделение материала по двум областям реактивной, техник кй — ракетным и воздушно-реактивным двигателям—оправды -вается, по нашему мнению, и специфическими особенностями применения этих двух типов реактивных аппаратов и глубокими различиями в физико-химической природе идущих в них процессов. Отличная по порядку величины теплонапряженность ракетных двигателей, химические особенности саморегулирующихся ракетных топлив, важность одновременного учета и скорости истечения продуктов сгорания и энергетической плотности исходного топлива для оценки его работоспособности— все это определяет специфический подход к классификации и к оценке эффективности ракетных топлив и к методам исследования и расчета ракетных двигателей. [c.5]
Применение к прямоточным реактивным двигателям. В прямоточных реактивных двигателях некоторых конструкций, предназначенных для полета аппаратов с очень высокой скоростью, входной диффузор может обеспечить сжатие воздуха и повышение его темпе ратуры, достаточное для цспарения и воспламенения топлива (впрыскиваемого в воздушный поток на входе в камеру сгорания) на протяжении нескольких десятков сантиметров. В данном случае можно обойтись без плохо обтекаемого тела — стабилизатора пламени, который вносит нежелательное сопротивление. [c.160]
Сравнительно новой областью применения твердых топлив является использование их в прямоточных воздушно-реактивных двигателях. Такие топлива содержат большой избыток горючего (а—0,2—0,25) и небольшое количество окислителя — около 25% для поддержания горения. Топливный заряд помещается в камеру сгорания сверхзвукового летательного аппарата и досжигается в потоке воздуха во время горения избытка горючего. Твердые топлива для прямоточных ВРД имеют следующий состав и характеристики [c.381]
Принципиально возможны и другие приемы как первичной, так и вторичной турбулизации газо-воздушного потока. К числу распространенных приемов первичной турбулизации втекающего в топку воздуха принадлежит применение закручивающих аппаратов в виде косых лопаток, размещенных в кольцевом воздушном сечении, окружающем форсунку для жидкого топлива или сопло для газа (фиг. 18-7) [Л. 17, 54 и др.]. Ро.яь таких закруток не ограничивается только пер Вичной турбулизацией топочного потока и заслуживает специальн10Г0 рассмотрения. Несколько реже применяются вторичные турбулизаторы, так как размещение их в потоке высоких температур встречает некоторые технические трудности. На фиг. 18-8 показан такого рода турбулизатор, носящий не совсем соответствующее ему название стабилизатора горения , применявшийся в топках некоторых турбокомпрессорных реактивных двигателей и представляющий собой корзинообразное тело. Последнее состоит из полых стержней (ребер) и глухого днища, охлаждаемых вторичным воздухом, с боковыми [c.192]
chem21.info
АВИАЦИОННЫЕ РЕАКТИВНЫЕ ДВИГАТЕЛИ
Школа: № 303 Фрунзенского района с углубленным изучением немецкого языка имени Фридриха Шиллера
Класс: 10аш
Работу подготовил: Семенов Владислав
Цель работы :
систематизация знаний в области ВРД с использованием физических знаний.
Задачи:
Принцип реактивного движения находит широкое практическое применение в авиации и космонавтике. В современной авиации гражданской и военной, в космической технике широкое применение получили реактивные двигатели, в основу создания которых положен принцип получения тяги за счёт силы реакции, возникающей при отбросе от двигателя некоторой массы (рабочего тела), а направление тяги и движения отбрасываемого рабочего тела противоположны. Одним из источников вдохновения для меня послужил параграф из учебника по физике «Реактивное движение», в который хотелось бы сделать некоторые дополнения к теме применения принципа реактивного движения в авиации. В данной работе рассматривается история, применение и принцип действия двигателей, которые применяются или применялись когда-либо в авиации более подробно.
Введение
Развитие скоростной авиации привело к необходимости замены поршневых авиадвигателей, имевших ограниченя по мощности, реактивными двигателями, значительно превосходящими по этому параметру поршневые при меньшем весе.
Мощность, необходимая для продвижения самолета в воздухе, с увеличением скорости полета увеличивается, в то время как мощность силовой установки с поршневым двигателем не зависит от скорости полета и, более того, создает аэродинамическое сопротивление. Таким образом, повышение мощности увеличивало вес и габариты самолетов и было неоправданно для больших скоростей полета.
В противоположность поршневым двигателям у реактивных двигателей мощность значительно возрастает с увеличением скорости полета. Однако с ростом высоты полета мощность реактивных двигателей уменьшается. Падение мощности реактивных двигателей с высотой компенсируется в некоторой степени увеличением её с ростом скорости полета, поэтому реактивные двигатели и по высотности значительно превосходят поршневые.
Классификация тепловых реактивных двигателей
Рисунок 1 – классификация реактивных двигателей
Классификация ТРД (рис 1) прежде всего связана с родом потребляемого химического топлива, методами его получения и использования. Известно, что тепловая энергия, затрачиваемая на создание тяговой работы реактивного двигателя, высвобождается в результате термохимической реакции сгорания или окисления. Осуществление этой реакции оказывается возможным, как правило, при наличии двух компонентов топлива: горючего и окислителя. Для обеспечения непрерывной работы двигателя в полете необходимо иметь на летательном аппарате достаточный запас горючего. Окислитель можно также заранее запасать в виде различных кислородсодержащих твердых и жидких веществ. В качестве окислителя удобно использовать атмосферный воздух — вплоть до очень больших высот (30-50 км) в атмосфере содержится около 20% (по весу) кислорода.
Воздушно-реактивный двигатель
Воздушно-реактивный двигатель (ВРД) — тепловой реактивный двигатель, в качестве рабочего тела которого используется атмосферный воздух, нагреваемый за счёт химической реакции окисления горючего кислородом, содержащимся в самом рабочем теле. Впервые этот термин в печатной публикации, по-видимому, был использован Б.С. Стечкиным в журнале «Техника Воздушного Флота», где была помещена его статья «Теория воздушного реактивного двигателя» (1929 г.)В английском языке этому термину наиболее точно отвечает словосочетание air-breathing jet engine (буквально — реактивный двигатель, дышащий воздухом).Воздушно-реактивные двигатели используются, как правило, для приведения в движение воздушных летательных аппаратов.
Сила тяги в ВРД возникает в результате истечения рабочих газов из реактивного сопла. Для получения большой скорости истечения газов из сопла воздух, поступающий в камеру сгорания ВРД, подвергается сжатию. В зависимости от способа сжатия воздуха ВРД делятся на турбокомпрессорные (ТРД), пульсирующие (ПуВРД) и прямоточные (ПВРД).
Общие принципы работы ВРД
Несмотря на многообразие ВРД, существенно отличающихся друг от друга конструкцией, характеристиками и областью применения, можно выделить ряд принципов, общих для всех ВРД и отличающих их от тепловых двигателей других типов.
ВРД — как реактивный двигатель.
ВРД — реактивный двигатель, развивающий тягу за счёт реактивной струи рабочего тела, истекающего из сопла двигателя. С этой точки зрения ВРД подобен ракетному двигателю (РД), но отличается от последнего тем, что большую часть рабочего тела он забирает из окружающей среды — атмосферы, в том числе и окислитель, необходимый для горения топлива. В качестве окислителя в ВРД используется кислород, содержащийся в воздухе. Следовательно, при одной и той же массе топлива аппарат с ВРД энергетически в несколько раз более обеспечен, чем аппарат с ракетным двигателем, и на активном участке полёта может преодолеть в несколько раз большее расстояние (иногда — в десятки раз).
Рабочее тело ВРД на выходе из сопла представляет собой смесь продуктов сгорания горючего с оставшимися после выгорания кислорода фракциями воздуха. Если для полного окисления 1 кг керосина (обычного топлива для ВРД) требуется около 3,4 кг чистого кислорода, то, учитывая, что атмосферный воздух содержит лишь 23% кислорода по массе, для полного окисления этого горючего требуется 14,8 кг воздуха, и, следовательно, рабочее тело, как минимум, на 94% своей массы состоит из исходного атмосферного воздуха. На практике в ВРД, как правило, имеет место избыток расхода воздуха (иногда — в несколько раз, по сравнению с минимально необходимым для полного окисления горючего), например, в турбореактивных двигателях массовый расход горючего составляет 1% — 2% от расхода воздуха. Это позволяет при анализе работы ВРД, во многих случаях, без большого ущерба для точности, считать рабочее тело ВРД, как на выходе, так и на входе, одним и тем же веществом — атмосферным воздухом, а расход рабочего тела через любое сечение проточной части двигателя — одинаковым.
Динамику ВРД можно представить следующим образом: рабочее тело, поступает в двигатель со скоростью полёта, а покидает его со скоростью истечения реактивной струи из сопла. Из баланса импульса, получается простое выражение для реактивной тяги ВРД:
Где 
Скорость истечения газа из сопла теплового реактивного двигателя зависит от химического состава рабочего тела, его абсолютной температуры на входе в сопло, и от степени расширения рабочего тела в сопле двигателя (отношения давления на входе в сопло к давлению на его срезе). Химический состав рабочего тела для всех ВРД можно считать одинаковым, что же касается температуры, и степени расширения, которые достигаются рабочим телом в процессе работы двигателя — имеют место большие различия для разных типов ВРД и разных образцов ВРД одного типа. Во всяком случае, для каждого ВРД существует некоторая максимальная, специфическая для данного двигателя скорость истечения рабочего тела из сопла, которая ограничивает сверху диапазон скоростей полёта, при которых данный ВРД эффективен.
ВРД — как тепловой двигатель
Наиболее рациональным является формирование реактивной струи в процессе расширения до достижения статического давления рабочего тела, равного забортному атмосферному давлению. Таким образом, для ВРД обязательно условие: давление в камере сгорания перед началом фазы расширения рабочего тела должно превышать атмосферное, и чем больше — тем лучше, тем выше полезная работа термогазодинамического цикла и его КПД. Но в окружающей среде, из которой забирается рабочее тело, оно находится при атмосферном давлении. Следовательно, чтобы ВРД мог работать, необходимо тем или иным способом повысить давление рабочего тела в камере сгорания по отношению к атмосферному.
Турбореактивный двигатель
Принцип действия и устройство ТРД
Степень повышения давления в компрессоре является одним из важнейших параметров ТРД, поскольку от него зависит эффективный КПД двигателя. Если у первых образцов ТРД (Jumo-004) этот показатель составлял 3, то у современных он достигает 40 (General Electric GE90). Для повышения газодинамической устойчивости компрессоров они выполняются двухкаскадными. Каждый из каскадов работает со своей скоростью вращения и приводится в движение своей турбиной. При этом вал 1-го каскада компрессора (низкого давления), вращаемого последней (самой низкооборотной) турбиной, проходит внутри полого вала компрессора второго каскада (высокого давления). Каскады двигателя также именуют роторами низкого и высокого давления.
Камера сгорания большинства ТРД имеет кольцевую форму и вал турбина-компрессор проходит внутри кольца камеры. При поступлении в камеру сгорания воздух разделяется на 3 потока.
Первичный воздух — поступает через фронтальные отверстия в камере сгорания, тормозится перед форсунками и принимает непосредственное участие в формировании топливно-воздушной смеси. Непосредственно участвует в сгорании топлива. Топливо-воздушная смесь в зоне сгорания топлива в ВРД по своему составу близка к стехиометрической.
Вторичный воздух — поступает через боковые отверстия в средней части стенок камеры сгорания и служит для их охлаждения путём создания потока воздуха с гораздо более низкой температурой, чем в зоне горения.
Третичный воздух — поступает через специальные воздушные каналы в выходной части стенок камеры сгорания и служит для выравнивания поля температур рабочего тела перед турбиной.
Из камеры сгорания нагретое рабочее тело поступает на турбину, расширяется, приводя её в движение и отдавая ей часть своей энергии, а после неё расширяется в сопле и истекает из него, создавая реактивную тягу.
Повышение допустимой температуры рабочего тела на входе в турбину является одним из главных направлений совершенствования ТРД. Если для первых ТРД эта температура едва достигала 1000 К, то в современных двигателях она приближается к 2000 К. Это обеспечивается как за счёт применения особо жаропрочных материалов, из которых изготовляются лопатки и диски турбин, так и за счёт организации их охлаждения: воздух из средних ступеней компрессора (гораздо более холодный, чем продукты сгорания топлива) подается на турбину и проходит сквозь сложные каналы внутри турбинных лопаток.
Форсажная камера
Хотя в ТРД имеет место избыток кислорода в камере сгорания, этот резерв мощности не удаётся реализовать напрямую — увеличением расхода горючего в камере — из-за ограничения температуры рабочего тела, поступающего на турбину. Этот резерв используется в двигателях, оборудованных форсажной камерой, расположенной между турбиной и соплом. В режиме форсажа в этой камере сжигается дополнительное количество горючего, внутренняя энергия рабочего тела перед расширением в сопле повышается, в результате чего скорость его истечения возрастает, и тяга двигателя увеличивается, в некоторых случаях, более, чем в 1,5 раза, что используется боевыми самолётами при полетах на высоких скоростях. При форсаже значительно повышается расход топлива, ТРД с форсажной камерой практически не нашли применения в коммерческой авиации, за исключением самолетов Ту-144 и Конкорд, полеты которых уже прекратились.
Гибридный ТРД / ПВРД
В 60-х годах XX века в США был создан гибридный ТРД / ПВРД Pratt & Whitney J58, использовавшийся на стратегическом разведчике SR-71 Blackbird. До скорости М=2,4 он работал как ТРД с форсажем, а на более высоких скоростях открывались каналы, по которым воздух из входного устройства поступал в форсажную камеру, минуя компрессор, камеру сгорания и турбину, подача топлива в форсажную камеру увеличивалась, и она начинала работать, как ПВРД. Такая схема работы позволяла расширить скоростной диапазон эффективной работы двигателя до М=3,2. В то же время двигатель уступал по весовым характеристикам как ТРД, так и ПВРД, и широкого распространения этот опыт не получил.
Регулируемые сопла
ТРД самолетов летающих на сверхзвуковых скоростях оборудуются так называемыми регулируемыми соплами. Эти сопла состоят из продольных элементов, называемых створками, подвижных относительно друг друга и приводимых в движение специальным приводом, позволяющим по команде пилота или автоматической системы управления двигателем изменять геометрию сопла. При этом изменяются размеры критического (самого узкого) и выходного сечений сопла, что позволяет оптимизировать работу двигателя при полётах на разных скоростях.
Двухконтурный турбореактивный двигатель
На основе исследований, проводившихся с 1937, А. М. Люлька представил заявку на изобретение двухконтурного турбореактивного двигателя (авторское свидетельство вручили 22 апреля 1941 года). В основу двухконтурных ТРД (далее — ТРДД), в англоязычной литературе — Turbofan, положен принцип присоединения к ТРД дополнительной массы воздуха, проходящей через внешний контур двигателя, позволяющий получать двигатели с более высоким полетным КПД, по сравнению с обычными ТРД. Пройдя через входное устройство, воздух попадает в компрессор низкого давления, именуемый вентилятором. После вентилятора воздух разделяется на 2 потока. Часть воздуха попадает во внешний контур и, минуя камеру сгорания, формирует реактивную струю в сопле. Другая часть воздуха проходит сквозь внутренний контур, полностью идентичный с ТРД, о котором говорилось выше, с той разницей, что последние ступени турбины в ТРДД являются приводом вентилятора.Одним из важнейших параметров ТРДД, является степень двухконтурности, то есть отношение расхода воздуха через внешний контур к расходу воздуха через внутренний контур.
m=G2/G1Где G1 и G2 расход воздуха через внутренний и внешний контуры соответственно.
Принцип присоединения массы можно истолковать следующим образом. В ТРДД заложен принцип повышения полетного КПД двигателя, за счёт уменьшения разницы между скоростью истечения рабочего тела из сопла и скоростью полета. Уменьшение тяги, которое вызовет уменьшение этой разницы между скоростями, компенсируется за счёт увеличения расхода воздуха через двигатель. Следствием увеличения расхода воздуха через двигатель является увеличение площади фронтального сечения входного устройства двигателя, следствием чего является увеличение диаметра входа в двигатель, что ведет к увеличению его лобового сопротивления и массы. Иными словами, чем выше степень двухконтурности — тем большего диаметра будет двигатель при прочих равных условиях.
Первым, предложившим концепцию ТРДД в отечественном авиадвигателестроении был Люлька А. М.
Все ТРДД можно разбить на 2 группы: со смешением потоков за турбиной и без смешения.
В ТРДД со смешением потоков (ТРДДсм) потоки воздуха из внешнего и внутреннего контура попадают в единую камеру смешения. В камере смешения эти потоки смешиваются и покидают двигатель через единое сопло с единой температурой. ТРДДсм более эффективны, однако наличие камеры смешения приводит к увеличению габаритов и массы двигателя.
Например, длина ТРДД АИ-25, устанавливаемого на самолете Як-40 — 2140 мм, а ТРДДсм АИ-25ТЛ, устанавливаемого на самолете L-39 — 3358 мм.
ТРДД как и ТРД могут быть снабжены регулируемыми соплами и форсажными камерами. Как правило это ТРДДсм с малыми степенями двухконтурности для сверхзвуковых военных самолетов.
Управление вектором тяги (УВТ) / Отклонение вектора тяги (ОВТ)
Специальные поворотные сопла, на некоторох ТРДД, позволяют отклонять истекающий из сопла поток рабочего тела относительно оси двигателя. ОВТ приводит к дополнительным потерям тяги двигателя за счёт выполнения дополнительной работы по повороту потока и усложняют управление самолетом. Но эти недостатки полностью компенсируются значительным повышением маневренности и сокращением разбега самолета при взлете и пробега при посадке, до вертикальных взлета и посадки включительно. ОВТ используется исключительно в военной авиации.
ТРДД с высокой степенью двухконтурности / Турбовентиляторный двигатель
Порою, в популярной литературе, ТРДД с высокой степенью двухконтурности (выше 2) называют Турбовентиляторными. В англоязычной литературе этот двигатель называется turbofan с добавлением уточнения high bypass (высокая двухконтурность), сокращённо — hbp. ТРДД с высокой степенью двухконтурности выполняются, как правило, без камеры смешения. По причине большого входного диаметра таких двигателей, их сопло внешнего контура, достаточно часто делают укороченым с целью снижения массы двигателя.
Вывод:
Современный турбореактивный двигатель представляет собой синтез высших достижений в области конструкторского искусства, прикладной термоаэрогазодинамики, технологии, металлургии, автоматики, теории прочности и надежности. Дальнейшее его усовершенствование возможно только на основе тщательного учета огромного опыта эксплуатации, накопленного в военной и гражданской авиации, критической оценки колоссального потока технической информации, поступающей из многочисленных научно-исследовательских учреждений, работающих над отдельными и комплексными проблемами авиадвигателестроения.
Литература
nsportal.ru
— масса ракеты
— её ускорение
— скорость истечения газов
— расход массы топлива в единицу времени
— изменение скорости ракеты
, где 
— скорость света.
