Глава восьмая
Рождение прямоточного двигателя
Прямоточный двигатель — это двигатель сверхзвукового полета, двигатель завтрашнего дня в авиации и реактивной артиллерии. Мы имеем все основания гордиться тем вкладом, который внесла наша страна в дело создания этого замечательного двигателя.
В нашей стране впервые в истории были созданы и испытаны прямоточные двигатели. Эти двигатели были построены профессором Ю. А. Победоносцевым в 1933 г. Правда, они не были предназначены для установки на самолете, но с ними велись различные исследования.
В нашей стране был совершен и первый в мире полет самолета с прямоточными двигателями. В ясный зимний день 25 января 1940 г. с московского аэродрома им. Фрунзе взмыл в воздух самолет, пилотируемый летчиком П. Е. Логиновым (рис. 64). Это был хорошо известный всему миру советский истребитель, один из лучших истребителей того времени И-15. Но на этом самолете под крылом были установлены какие-то два сигарообразных тела. Это и были испытуемые прямоточные двигатели конструкции И. А. Меркулова. Проект этих двигателей был разработан еще в 1936 г., затем двигатель был построен и подвергнут различным испытаниям. В частности, в мае 1939 г. двигатель был испытан в воздухе, для чего его установили на ракете; между прочим, такой метод испытания прямоточных двигателей стал затем применяться и в других странах. Так была доказана возможность установки прямоточного двигателя на самолете. И вот теперь наступил момент первого полета самолета с прямоточными двигателями. В данном случае прямоточные двигатели играли лишь вспомогательную роль, они помогали основному, поршневому двигателю самолета увеличить скорость полета. Длина каждого из двух двигателей, установленных на этом самолете, равнялась 1,5 м, диаметр — 0,4 м, а вес — всего 12 кг.
Рис. 64. Самолет И-15 с установленными на нем прямоточными воздушно-реактивными двигателями
С оглушительным ревом проносится истребитель над головами присутствующих на аэродроме. И вдруг словно какая-то могучая сила швыряет самолет вперед, заставляет его мчаться с еще большей скоростью — это заработали включенные летчиком прямоточные воздушно-реактивные двигатели. Огненные струи хлещут из сопел обоих двигателей — приборы показывают увеличение скорости полета на 21 км/час.
Это был первый в мире полет самолета с воздушно-реактивными двигателями. Он состоялся, в частности, за 8 месяцев до разрекламированного за рубежом полета итальянского самолета Кампини, на котором был установлен так называемый мотокомпрессорный воздушно-реактивный двигатель, не нашедший потом практического применения.
Позднее испытания прямоточных двигателей Меркулова были произведены на самолетах-истребителях «Чайке» и Як-7. При этом прирост скорости полета достигал 53 км/час.
Так произошло рождение прямоточного воздушно-реактивного двигателя. Он заявлял свое право на жизнь. Начались годы напряженной работы по его усовершенствованию.
Экспериментальные исследования прямоточного воздушно-реактивного двигателя связаны с исключительными трудностями, так как через него ежесекундно протекают с огромной скоростью десятки и сотни кубических метров воздуха. Чтобы создать такой поток воздуха при испытании, нужны грандиозные воздуходувные установки мощностью в десятки и сотни тысяч лошадиных сил. Такие установки — аэродинамические трубы сверхзвуковых скоростей непрерывного действия — созданы, но они являются уникальными. Иногда для испытаний прямоточных воздушно-реактивных двигателей применяются и более простые установки, так называемые трубы периодического действия. В этом случае воздух заранее нагнетается под давлением в громадный бак — ресивер, откуда он во время испытаний подается в аэродинамическую трубу. Но относительная простота этих установок (в действительности же они не так просты) покупается дорогой ценой — часами накачивается ресивер для того, чтобы потом можно было провести минутное испытание.
Сложность и дороговизна экспериментальных исследований прямоточных воздушно-реактивных двигателей являются одной из причин того, что эти двигатели отстают в своем развитии от других реактивных двигателей. Поэтому непрерывно изыскиваются новые методы исследования прямоточных воздушно-реактивных двигателей. В частности, для этого иногда используются ракеты. Передача показаний приборов с летящей ракеты осуществляется при этом по радио при помощи сложной радиотелеметрической системы. Такая же система используется в тех случаях, когда испытания прямоточного воздушно-реактивного двигателя осуществляются путем сбрасывания его с летящего самолета; один из прямоточных двигателей, предназначенных для таких испытаний, показан на рис. 65. Широко применяется также установка прямоточных двигателей на самолете: над фюзеляжем (см. рис. 46), на концах крыльев (рис. 66) и т. д.
Основным недостатком прямоточного воздушно-реактивного двигателя является то, что он способен развивать тягу только в полете с большой скоростью. На малой скорости его тяга ничтожна, а на стоянке она вовсе равна нулю. Чтобы прямоточный двигатель начал работать, нужна скорость полета порядка 250 км/час, а для взлета — не менее 650—700 км/час. Значит, для взлета и разгона самолета (или снаряда) с прямоточным воздушно-реактивным двигателем на нем должен быть установлен одновременно двигатель какого-либо другого типа. Это может быть поршневой двигатель, как, например, было при испытаниях первых прямоточных воздушно-реактивных двигателей. Но поршневой двигатель не пригоден для летательных аппаратов, предназначенных для полета со сверхзвуковыми скоростями. Поэтому в качестве стартового двигателя на скоростных самолетах должен быть установлен какой-нибудь реактивный двигатель: турбореактивный, ракетный или пульсирующий. Этот двигатель разгоняет самолет до необходимой скорости, а затем он выключается и начинает работать прямоточный воздушно-реактивный двигатель.
В некоторых случаях, например на снарядах, стартовый двигатель может вообще отсутствовать. Разгон снаряда до скорости, при которой включается в работу прямоточный воздушно-реактивный двигатель, осуществляется в этом случае с помощью специального стартового устройства — катапульты.
Рис. 65. Сверхзвуковой прямоточный воздушно-реактивный двигатель, предназначенный для сбрасывания с самолета с целью испытания его при скорости полета, в 2,5 раза превышающей скорость звука
Рис. 66. Прямоточные воздушно-реактивные двигатели, установленные на крыльях самолетов:
а — самолет с поршневым двигателем; б — реактивный самолет
Необходимость в добавочном стартовом двигателе заставляет конструкторов и ученых работать над созданием такого двигателя, в котором прямоточный воздушно-реактивный двигатель органически сочетался бы с двигателем другого типа в единой конструкции. Это позволило бы не только осуществить самостоятельный взлет самолета, но и решить задачу наиболее экономичной работы на разных режимах полета. Так, например, если бы удалось сочетать в едином устройстве турбореактивный и прямоточный воздушно-реактивный двигатели, то при взлете и в полете с относительно небольшими скоростями двигатель работал бы как турбореактивный, а при сверхзвуковых скоростях полета — как прямоточный. Естественно, что это привело бы к уменьшению расхода топлива и, таким образом, к увеличению дальности полета.
Как же можно представить себе такое органическое сочетание турбореактивного и прямоточного двигателей? Оказывается, одно возможное решение этой задачи подсказывается самой жизнью, развитием реактивной авиации.
Рис. 67. Форсажная камера. Принципиально ее устройство аналогично устройству прямоточного воздушно-реактивного двигателя
Выше указывалось, что для кратковременного повышения тяги турбореактивного двигателя в настоящее время широко используются так называемые форсажные камеры (см. рис. 37).
Если внимательно присмотреться к форсажной камере, то бросается в глаза большое сходство ее с прямоточным воздушно-реактивным двигателем (рис. 67). Действительно, в передней части камеры обычно имеется диффузор, в котором происходит уменьшение скорости и соответственно увеличение давления газов, выходящих из двигателя, — это необходимо для обеспечения устойчивости сгорания в форсажной камере и для увеличения ее коэффициента полезного действия. За диффузором следует обычно цилиндрическая камера сгорания с горелками. Наконец, последней частью форсажной камеры является реактивное сопло.
Таким образом, форсажная камера имеет основные части прямоточного воздушно-реактивного двигателя. По существу она и представляет собой прямоточный воздушно-реактивный двигатель, поставленный непосредственно за турбореактивным.
Так как увеличение тяги с помощью форсажной камеры является невыгодным, то она используется только кратковременно, например, в воздушном бою, при взлете и т. д. Однако с увеличением скорости полета форсажная камера становится все более выгодной. Действительно, в результате скоростного напора на входе в турбореактивный двигатель давление за турбиной и, следовательно, в форсажной камере с ростом скорости полета увеличивается. Поэтому прирост тяги, который создает форсажная камера при сжигании в ней одного и того же количества топлива, с ростом скорости полета увеличивается, а расход топлива на 1 кг тяги, следовательно, уменьшается. Наконец, когда скорость полета становится значительно больше скорости звука, форсажная камера может стать даже выгоднее турбореактивного двигателя, на котором она установлена. В этом случае имеет смысл полностью отключить турбореактивный двигатель и направлять весь воздух в обход его прямо в форсажную камеру. При этом форсажная камера работает уже как самостоятельный прямоточный воздушно-реактивный двигатель.
Самолеты с такой силовой установкой могут оказаться выгодными в весьма широком диапазоне скоростей полета от дозвуковых до скоростей, в 3—4 раза превышающих скорость звука.
Делаются попытки сочетать прямоточный воздушно-реактивный двигатель с пульсирующим — такая силовая установка, как очень легкая и неприхотливая, может быть применена в управляемых снарядах. В этом случае пульсирующий двигатель заключается внутрь прямоточного. На взлете и при малых скоростях полета работает пульсирующий двигатель, с увеличением же скорости в работу включается прямоточный.
Несомненные перспективы имеет и так называемый ракетно-прямоточный двигатель. В этой силовой установке прямоточный воздушно-реактивный двигатель сочетается с жидкостным ракетным двигателем, который устанавливается, например, в центральном теле прямоточного (рис. 68). Взлет осуществляется с помощью ракетного двигателя, он же разгоняет летательный аппарат до больших скоростей полета. Затем работают оба двигателя или один прямоточный. Если полет должен совершаться на очень больших высотах, больших 30—40 км, где прямоточный двигатель нельзя использовать работать из-за разреженности воздуха, то там также может работать один ракетный двигатель, не нуждающийся, как известно, для этого в воздухе. Включение ракетного двигателя на больших высотах может оказаться целесообразным также потому, что тяга прямоточного двигателя с увеличением высоты полета уменьшается примерно пропорционально плотности воздуха, тогда как ракетный двигатель на большой высоте развивает даже большую тягу, чем у земли.
Рис. 68. Ракетно-прямоточный двигатель
Однако рассмотренные комбинации прямоточного воздушно-реактивного двигателя с двигателями другого типа (кроме форсажной камеры турбореактивного двигателя, если ее рассматривать в качестве такой комбинации) пока не вышли из стадии экспериментирования. Впрочем, и сам прямоточный воздушно-реактивный двигатель по существу еще не вышел из этой стадии. До сих пор нет ни одного самолета с прямоточным воздушно-реактивным двигателем, который находился бы в эксплуатации. Имеются лишь единичные экспериментальные самолеты, подобные, например, изображенному на рис. 69. Для взлета этот небольшой самолет с прямоточным двигателем устанавливается сверху, «на хребет» другого, тяжелого самолета-матки. Только в воздухе, при достижении самолетом-маткой относительно большой скорости полета, запускается прямоточный воздушно-реактивный двигатель несомого ею самолета, и этот самолет начинает самостоятельный полет. Два летчика этого экспериментального самолета находятся в центральном теле двигателя, корпусом которого служит фюзеляж самолета. На другой модификации этого самолета, кроме прямоточного, установлен и жидкостный ракетный двигатель, так что он в состоянии совершать самостоятельный взлет.
Рис. 69. Самолет с прямоточным воздушно-реактивным двигателем (указаны его примерные размеры и вес): а — общий вид и схема устройства; б — установка самолета на «матке»; в — самолет в самостоятельном полете после отделения от «матки»
Прямоточные воздушно-реактивные двигатели находят применение и на вертолетах. Вертолетами называются летательные аппараты, у которых подъемная сила создается не крылом, а горизонтальным несущим винтом большого диаметра. Вертолеты обладают способностью вертикально взлетать и садиться, а следовательно, для них не нужны большие аэродромы. Они могут неподвижно «висеть» в воздухе, передвигаться с очень малой скоростью, недоступной самолетам, или передвигаться назад, в сторону и т. д. Эти замечательные качества вертолетов обеспечили им быстрое развитие в последние годы.
Рис. 70. Вертолет с реактивным приводом (несущий винт приводится во вращение прямоточными воздушно-реактивными двигателями, установленными на концах лопастей)
В первой летавшей модели, явившейся прообразом вертолета, предложенной более двухсот лет назад великим русским ученым М. В. Ломоносовым, несущий винт приводился во вращение часовой пружиной. На большинстве современных вертолетов для этой цели устанавливаются мощные поршневые авиационные двигатели.
Однако имеются и такие вертолеты, на которых вращение несущего винта осуществляется с помощью воздушно-реактивных двигателей — пульсирующих или прямоточных (рис. 70). Эти двигатели устанавливаются непосредственно на лопастях несущего винта. Вследствие этого отпадает надобность в сложной и тяжелой передаче от двигателя к винту, которая имеется на каждом вертолете с поршневым двигателем. Установка прямоточного или пульсирующего воздушно-реактивного двигателя непосредственно на лопастях несущего винта становится возможной благодаря исключительно малому их весу и сравнительно небольшим размерам. Но расход топлива у этих вертолетов оказывается пока еще значительно большим, чем у обычных вертолетов с поршневыми двигателями. Поэтому реактивные вертолеты выгодно применять в тех случаях, когда важно максимально уменьшить вес вертолета, а продолжительность полета не имеет большого значения. Можно полагать, что в ходе дальнейшего развития вертолетов для привода несущего винта найдут широкое применение как пульсирующие, так и прямоточные воздушно-реактивные двигатели.
Прямоточные воздушно-реактивные двигатели обладают тем преимуществом по сравнению с пульсирующими, что во время работы они не издают такого сильного шума. Однако для запуска прямоточного двигателя несущий винт вертолета нуждается в предварительной раскрутке при помощи какого-нибудь стартера, тогда как при установке пульсирующего двигателя это не является обязательным.
Прямоточный воздушно-реактивный двигатель имеет большие перспективы применения в беспилотной авиации и в так называемых управляемых снарядах. Это объясняется относительной простотой конструкции, малым весом и дешевизной этих двигателей, что очень важно для оружия одноразового применения. На рис. 71 сверху изображен управляемый по радио беспилотный самолет с дозвуковым прямоточным двигателем, предназначенный для использования в качестве «летающей цели» при тренировке летчиков в воздушной стрельбе. Снизу на том же рисунке показан тяжелый сверхзвуковой управляемый зенитный снаряд для борьбы с самолетами противника. Для взлета этот снаряд снабжается жидкостным ракетным двигателем. Скорость полета снаряда достигает почти 2500 км/час.
Рис. 71. Беспилотные самолеты: вверху — беспилотный «самолет-цель» с дозвуковым прямоточным воздушно-реактивным двигателем; внизу — управляемый зенитный снаряд со сверхзвуковым прямоточным воздушно-реактивным и жидкостным ракетным двигателями
Но наиболее полно возможности прямоточного воздушно-реактивного двигателя могут быть реализованы в авиации сверхзвуковых скоростей. В определенном диапазоне сверхзвуковых скоростей полета никакой другой авиационный двигатель не сможет сравниться с прямоточным воздушно-реактивным двигателем по основным техническим характеристикам, что наглядно иллюстрируется графиками, изображенными на рис. 72. В отношении веса, приходящегося на 1 л. с. мощности, прямоточный двигатель при скоростях полета, в 3—4 раза превосходящих скорость звука, слегка уступает только жидкостному ракетному двигателю. При этих скоростях прямоточный двигатель способен развивать 400—500 л. с. на 1 кг своего веса. Это значит, что двигатель мощностью в 100 000 л. с. будет весить всего 200—250 кг, что недостижимо ни для одного другого двигателя, кроме жидкостного ракетного.
Рис. 72. При сверхзвуковых скоростях полета прямоточные двигатели не имеют конкурентов, что иллюстрируется графиками:
а — график зависимости мощности, развиваемой двигателем на 1 кг его веса, от скорости полета; б — график зависимости расхода топлива двигателем на 1 кг развиваемой им тяги от скорости полета; в — график зависимости относительной дальности полета самолетов с различными двигателями от скорости полета
Но жидкостный ракетный двигатель значительно уступает прямоточному воздушно-реактивному двигателю в отношении экономичности, т. е. по расходу топлива. При подобных скоростях полета прямоточный двигатель расходует всего 2 кг топлива в час на каждый килограмм развиваемой им тяги, тогда как жидкостный ракетный двигатель расходует топлива в 8 раз больше! Это, впрочем, неудивительно, так как топливо для ракетного двигателя — это не только горючее, как в прямоточном, но и окислитель, который тоже должен находиться на борту летательного аппарата. Другие воздушно-реактивные двигатели, использующие атмосферный кислород, как и прямоточный, при скорости полета, в 3—4 раза превышающей скорость звука, также намного уступают ему в отношении экономичности.
Дальность полета, достижимая с помощью того или иного двигателя, зависит как от его веса, так и от количества расходуемого им топлива. Неудивительно, что при указанных выше огромных скоростях полета прямоточный двигатель оказывается в состоянии обеспечить наибольшую относительную дальность.
Однако следует оговориться, что кривые, показанные на рис. 72, построены для того случая, когда каждому значению скорости полета соответствует своя, наивыгоднейшая конструкция прямоточного воздушно-реактивного двигателя. Если допустим, что один и тот же двигатель совершает полет во всем диапазоне скоростей, то при скоростях, отличных от расчетной для данного двигателя, его характеристики будут ухудшаться. Это становится очевидным хотя бы из рассмотрения рис. 73, на котором показано, как изменяются условия работы диффузора сверхзвукового прямоточного двигателя при изменении скорости полета. На расчетном режиме, т. е. при полете с определенной расчетной скоростью, косой скачок на входе в двигатель располагается так, как показано на среднем рисунке. Если скорость полета уменьшается, то угол скачка увеличивается, вследствие чего в двигатель начинает поступать меньше воздуха, часть его будет как бы «выплескиваться». Конечно, тяга двигателя из-за этого, а также и из-за увеличения потерь при сжатии уменьшится. Если же скорость полета увеличится по сравнению с расчетной, то угол скачка уменьшится и он переместится внутрь диффузора. Такой режим также приведет к уменьшению тяги из-за увеличения потерь при сжатии воздуха.
Рис. 73. При изменении скорости полета условия работы сверхзвукового диффузора изменяются. В центре — расположение скачка при расчетной скорости полета; слева — расположение скачка при скорости полета меньше расчетной; справа — расположение скачка при скорости полета больше расчетной
Для того чтобы характеристики прямоточного двигателя были наилучшими при всех возможных скоростях полета, необходимо осуществить регулирование двигателя, т. е. изменение его геометрических параметров в зависимости от скорости полета. Задача такого регулирования представляет собой одну из сложнейших проблем создания совершенного прямоточного воздушно-реактивного двигателя, так как скорость полета самолета с этим двигателем может меняться от сотен до тысяч километров в час, высота — от уровня моря до 20—30 км, мощность двигателя — от сотен до сотен тысяч лошадиных сил, расход топлива — от десятых долей килограмма до десятков килограммов в секунду, давление в двигателе — от десятых долей атмосферы до десятков атмосфер и т. д. Трудности регулирования очевидны, но они преодолимы, и нет сомнения в том, что и эта проблема будет решена.
Характеристики прямоточных воздушно-реактивных двигателей позволяют с уверенностью предвидеть разностороннее их применение уже в недалеком будущем в сверхзвуковой авиации и реактивной артиллерии. Уже имеются летательные аппараты с прямоточным воздушно-реактивным двигателем, развивающим скорость полета около 2500 км/час.
Так как даже на экваторе окружная скорость Земли при ее вращении вокруг оси составляет примерно 1670 км/час, то, следовательно, прямоточный двигатель позволяет уже сейчас опередить движение Земли вокруг ее оси и как бы «остановить солнце» или перенестись «во вчерашний день».
С помощью прямоточного двигателя возможны скорости полета до 4000—5000 км/час на высотах до 30—40 км. Это, очевидно, наивысшие возможные достижения для воздушно-реактивных двигателей, т. е. двигателей, использующих для своей работы атмосферный воздух.
Только для ракетных двигателей практически нет границ в отношении увеличения высоты и скорости полета, вплоть до полета к далеким планетам, удаленным от нас на миллионы километров. Впрочем, даже и в решении этой проблемы межпланетных сообщений воздушно-реактивные двигатели могут найти себе применение. В частности, они могут оказаться выгоднее ракетных для установки на первых ступенях многоступенчатого космического корабля.
Таковы перспективы развития воздушно-реактивных двигателей. Нет сомнений, что в будущем воздушно-реактивные двигатели помогут человеку одержать новые победы в его борьбе за покорение природы.
Поделитесь на страничкеСледующая глава >
tech.wikireading.ru
Огневые испытания ПВРД в лаборатории НАСА Прямоточный воздушно-реактивный двигатель (ПВРД) — реактивный двигатель, является самым простым в классе воздушно-реактивных двигателей (ВРД) по устройству. Относится к типу ВРД прямой реакции, в которых тяга создается исключительно за счёт реактивной струи, истекающей из сопла. Необходимое для работы двигателя повышение давления достигается за счёт торможения встречного потока воздуха. ПВРД неработоспособен при низких скоростях полёта, тем более — при нулевой скорости, для вывода его на рабочую мощность необходим тот или иной ускоритель.
В 1913 году француз Рене Лорин[en] получил патент на прямоточный воздушно-реактивный двигатель.
ПВРД привлекал конструкторов простотой своего устройства, но главное — своей потенциальной способностью работать на гиперзвуковых скоростях и в самых высоких, наиболее разреженных слоях атмосферы, то есть в условиях, в которых ВРД других типов неработоспособны или малоэффективны. В 1930-х годах с этим типом двигателей проводились эксперименты в США (Уильям Эвери), в СССР (Ф. А. Цандер, Б. С. Стечкин, Ю. А. Победоносцев).
В 1937 году французский конструктор Рене Ледюк[en] получил заказ от правительства Франции на разработку экспериментального самолёта с ПВРД. Эта работа была прервана войной и возобновилась после её окончания. 19 ноября 1946 года состоялся первый в истории полёт пилотируемого аппарата с маршевым ПВРД, Leduc 0.10[en]. Далее в течение 10 лет было изготовлено и испытано ещё несколько экспериментальных аппаратов этой серии, в том числе, пилотируемые Leduc 0.21[en] и Leduc 0.22[en], а в 1957 году правительство Франции отказалось от продолжения этих работ — бурно развивавшееся в то время направление турбореактивных двигателей представлялось более перспективным.
Обладая рядом недостатков для использования на пилотируемых самолётах (нулевая тяга при неподвижности, низкая эффективность на малых скоростях полёта), ПВРД является предпочтительным типом ВРД для беспилотных одноразовых снарядов и крылатых ракет, благодаря своей простоте, а следовательно, дешевизне и надёжности. Начиная с 1950-х годов, в США было создан ряд экспериментальных самолётов и серийных крылатых ракет разного назначения с этим типом двигателя.
В СССР с 1954 по 1960 год в ОКБ-301 под руководством генерального конструктора С. А. Лавочкина, разрабатывалась крылатая ракета «Буря», предназначавшаяся для доставки ядерных зарядов на межконтинентальные расстояния, и использовавшая в качестве маршевого двигателя ПВРД, разработанный группой М. М. Бондарюка, и имевший уникальные для своего времени характеристики: эффективная работа на скорости свыше М = 3 и на высоте 17 км. В 1957 году проект вступил в стадию лётных испытаний, в ходе которых выявился ряд проблем, в частности, с точностью наведения, которые предстояло разрешить, и на это требовалось время, которое трудно было определить. Между тем, в том же году на вооружение уже поступила МБР Р-7, имевшая то же назначение, разработанная под руководством С. П. Королёва. Это ставило под сомнение целесообразность дальнейшей разработки «Бури». Смерть С. А. Лавочкина в 1960 году окончательно похоронила проект.
Из числа более современных отечественных разработок можно упомянуть противокорабельные крылатые ракеты с маршевыми ПВРД: П-800 «Оникс», П-270 «Москит».
Рабочий процесс ПВРД кратко можно описать следующим образом. Воздух, поступая со скоростью полёта во входное устройство двигателя, затормаживается (на практике, до скоростей 30—60 м/с, что соответствует числу Маха 0,1—0,2), его кинетическая энергия преобразуется во внутреннюю энергию — его температура и давление повышаются.
В предположении того, что воздух — идеальный газ, и процесс сжатия является изоэнтропийным, степень повышения давления (отношение статического давления в заторможенном потоке к атмосферному) выражается уравнением
ppo=(1+k−12⋅Mn2)kk−1{\displaystyle {\frac {p}{p_{o}}}={\bigg (}1+{\frac {k-1}{2}}\cdot M_{n}^{2}{\bigg )}^{\frac {k}{k-1}}} (5)где
p{\displaystyle p} — давление в полностью заторможенном потоке; po{\displaystyle p_{o}} — атмосферное давление; Mn{\displaystyle M_{n}} — полётное число Маха (отношение скорости полёта к скорости звука в окружающей среде), k{\displaystyle k} — показатель адиабаты, для воздуха равный 1,4.На выходе из входного устройства, при входе в камеру сгорания рабочее тело имеет максимальное на всём протяжении проточной части двигателя давление.
Сжатый воздух в камере сгорания нагревается за счёт окисления подаваемого в неё топлива, внутренняя энергия рабочего тела при этом возрастает. Затем рабочее тело сначала, сжимаясь в сопле, достигает звуковой скорости, а потом, расширяясь — сверхзвуковой, ускоряется и истекает со скоростью большей, чем скорость встречного потока, что и создаёт реактивную тягу.
Схема устройства ПВРД на жидком топливе:
Схема устройства твердотопливного ПВРД Зависимость тяги ПВРД от скорости полёта определяется несколькими факторами:
Препарированный ПВРД «Тор» ракеты «Бладхаунд». Хорошо видны входное устройство и вход в камеру сгорания. В общем, зависимость тяги ПВРД от скорости полёта может быть представлена следующим образом: пока скорость полёта значительно ниже скорости истечения реактивной струи, тяга растёт с ростом скорости полёта (вследствие повышения расхода воздуха, давления в камере сгорания и термического КПД двигателя), а с приближением скорости полёта к скорости истечения реактивной струи тяга ПВРД падает, миновав некоторый максимум, соответствующий оптимальной скорости полёта.
Сила тяги ПВРД определяется выражением
P=dmadt⋅(ve−v)+dmfdt⋅ve{\displaystyle P={\frac {dm_{a}}{dt}}\cdot (v_{e}-v)+{\frac {dm_{f}}{dt}}\cdot v_{e}}Где P{\displaystyle P} — сила тяги, v{\displaystyle v} — скорость полёта, ve{\displaystyle v_{e}} — скорость реактивной струи относительно двигателя, dmfdt{\displaystyle {\frac {dm_{f}}{dt}}} — секундный расход горючего.
Секундный расход воздуха:
dmadt=ρ⋅dVdt=ρ⋅S⋅dldt=ρ⋅S⋅v{\displaystyle {\frac {dm_{a}}{dt}}=\rho \cdot {\frac {dV}{dt}}=\rho \cdot S\cdot {\frac {dl}{dt}}=\rho \cdot S\cdot v} ,где
ρ{\displaystyle \rho } — плотность воздуха (зависит от высоты), dVdt{\displaystyle {\frac {dV}{dt}}} — объём воздуха, который поступает в воздухозаборник ПВРД за единицу времени, S{\displaystyle S} — площадь сечения входа воздухозаборника, v{\displaystyle v} — скорость полёта.Можем определить секундный расход массы рабочего тела для идеального случая. когда горючее полностью сгорает и полностью используется кислород воздуха в процессе горения:
dmdt=dmadt+dmfdt=dmadt+1L⋅dmadt=dmadt⋅(1+1L){\displaystyle {\frac {dm}{dt}}={\frac {dm_{a}}{dt}}+{\frac {dm_{f}}{dt}}={\frac {dm_{a}}{dt}}+{\frac {1}{L}}\cdot {\frac {dm_{a}}{dt}}={\frac {dm_{a}}{dt}}\cdot (1+{\frac {1}{L}})} ,где
dmadt{\displaystyle {\frac {dm_{a}}{dt}}} — секундный расход воздуха, dmfdt{\displaystyle {\frac {dm_{f}}{dt}}} — секундный расход горючего, L{\displaystyle L} — стехиометрический коэффициент смеси горючего и воздуха.Конструктивно ПВРД имеет предельно простое устройство. Двигатель состоит из камеры сгорания, в которую из диффузора поступает воздух, а из топливных форсунок — горючее. Заканчивается камера сгорания входом в сопло, как правило, суживающееся-расширяющееся.
С развитием технологии смесевого твёрдого топлива, оно стало применяться в ПВРД. Топливная шашка с продольным центральным каналом размещается в камере сгорания. Рабочее тело, проходя по каналу, постепенно окисляет топливо с его поверхности, и нагревается само. Использование твёрдого топлива ещё более упрощает конструкцию ПВРД: ненужной становится топливная система. Состав смесевого топлива для ПВРД отличается от используемого в ракетных твердотопливных двигателях. Если для последних большую часть топлива составляет окислитель, то для ПВРД он добавляется лишь в небольшом количестве для активизации процесса горения. Основную часть наполнителя смесевого топлива ПВРД составляет мелкодисперсный порошок алюминия, магния или бериллия, теплота окисления которых значительно превосходит теплоту сгорания углеводородных горючих. Примером твердотопливного ПВРД может служить маршевый двигатель противокорабельной крылатой ракеты П-270 «Москит».
В зависимости от скорости полёта ПВРД подразделяются на дозвуковые, сверхзвуковые и гиперзвуковые. Это разделение обусловлено конструктивными особенностями каждой из этих групп.
Дозвуковые ПВРД предназначены для полётов на скоростях с числом Маха от 0,5 до 1. Торможение и сжатие воздуха в этих двигателях происходит в расширяющемся канале входного устройства — диффузоре.
Эти двигатели характеризуются крайне низкой эффективностью. При полёте на скорости М = 0,5 степень повышения давления в них (как следует из формулы 2) равна 1,186, вследствие чего их идеальный термический КПД (в соответствии с формулой (3)) составляет всего 4,76 %, а с учётом потерь в реальном двигателе эта величина становится почти равной 0. Это означает, что на скоростях полёта при M < 0,5 ПВРД практически неработоспособен. Но и на предельной для дозвукового диапазона скорости, то есть при М → 1, степень повышения давления составляет лишь 1,89, а идеальный термический КПД — лишь 16,7 %, что в 1,5 раза меньше, чем у реальных поршневых ДВС, и вдвое меньше, чем у газотурбинных двигателей. К тому же и поршневые, и газотурбинные двигатели эффективны при работе на месте.
По этим причинам дозвуковые прямоточные двигатели оказались неконкурентоспособными в сравнении с авиадвигателями других типов и в настоящее время серийно не выпускаются.
Сверхзвуковые ПВРД (СПВРД) предназначены для полётов в диапазоне чисел Маха 1 < M < 5.
Торможение сверхзвукового газового потока происходит всегда разрывно (скачкообразно) — с образованием ударной волны, называемой также скачком уплотнения. Процесс сжатия газа на фронте ударной волны не является изоэнтропийным, вследствие чего в нём имеют место необратимые потери механической энергии, и степень повышения давления в нём меньше, чем в идеальном — изоэнтропийном процессе. Чем интенсивнее скачок уплотнения, то есть чем больше изменение скорости потока на его фронте, — тем больше потери давления, которые могут превышать 50 %.
Процесс торможения сверхзвукового потока во входном устройстве конического течения, внешнего сжатия с тремя скачками уплотнения. М — график изменения числа Маха в потоке; p — график изменения статического давления. 
Беспилотный разведчик Lockheed D-21B (США). ПВРД с осесимметричным входным устройством с центральным телом. 
Плоские входные устройства внутреннего сжатия ПВРД крылатой ракеты воздух-земля ASMP[en] (Франция) Потери давления удаётся минимизировать за счёт организации сжатия не в одном, а в нескольких (обычно, не более 4) последовательных скачках уплотнения меньшей интенсивности, после каждого из которых (кроме последнего), скорость потока снижается, оставаясь сверхзвуковой. Это возможно, если все скачки (кроме последнего) являются косыми, фронт которых наклонён к вектору скорости потока (косой скачок уплотнения образуется, когда сверхзвуковой поток встречается с препятствием, поверхность которого наклонена к вектору скорости воздушного потока). В промежутках между скачками параметры потока остаются постоянными. В последнем скачке (всегда прямом — нормальном к вектору скорости воздушного потока) скорость становится дозвуковой, и дальнейшее торможение и сжатие воздуха происходит непрерывно в расширяющемся канале диффузора.
В случае, если входное устройство двигателя находится в зоне невозмущённого потока, например, в носовом окончании летательного аппарата, или на консоли на достаточном удалении от фюзеляжа, оно исполняется осесимметричным и снабжается центральным телом — длинным острым «конусом», выступающим из обечайки, назначение которого состоит в создании во встречном потоке системы косых скачков уплотнения, обеспечивающих торможение и сжатие воздуха ещё до поступления его в канал входного устройства — так называемое внешнее сжатие. Такие входные устройства называются также устройствами конического течения, потому что поток воздуха в них имеет коническую форму. Коническое центральное тело может быть снабжено механическим приводом, позволяющим смещать его вдоль оси двигателя, оптимизируя тем самым торможение воздушного потока на различных скоростях полета. Такие входные устройства именуются регулируемыми.
При установке двигателя на нижней (боковой) стенке фюзеляжа, или под крылом летательного аппарата, то есть в зоне аэродинамического влияния его элементов, обычно применяются плоские входные устройства двухмерного течения, имеющие прямоугольное поперечное сечение, без центрального тела. Система скачков уплотнения в них обеспечивается благодаря внутренней форме канала. Они называются также устройствами внутреннего или смешанного сжатия, так как внешнее сжатие частично имеет место и в этом случае — в скачках уплотнения, образованных у носового окончания и/или у передней кромки крыла летательного аппарата. Регулируемые входные устройства прямоугольного сечения имеют меняющие своё положение клинья внутри канала.
В сверхзвуковом диапазоне скоростей ПВРД значительно более эффективен, чем в дозвуковом. Например, на скорости М = 3 для идеального ПВРД степень повышения давления по формуле (2) составляет 36,7, что сравнимо с показателями самых высоконапорных компрессоров турбореактивных двигателей, а термический КПД теоретически, по формуле (3), достигает 64,3 %. У реальных ПВРД эти показатели ниже, но даже с учётом потерь, в диапазоне полётного числа Маха от 3 до 5 СПВРД превосходят по эффективности ВРД всех других типов.
При торможении встречного потока воздуха он не только сжимается, но и нагревается, и его абсолютная температура при полном торможении (в изоэнтропийном процессе) выражается формулой
T=To⋅(1+k−12⋅Mn2){\displaystyle T=T_{o}\cdot (1+{\frac {k-1}{2}}\cdot M_{n}^{2})}где Tо — температура окружающего невозмущённого потока. При М = 5 и Tо = 273 K (что соответствует 0 °C) температура заторможенного рабочего тела достигает 1638 К, при М = 6 — 2238 К, а с учётом трения и скачков уплотнения в реальном процессе — ещё выше. При этом дальнейший нагрев рабочего тела за счёт сжигания топлива становится проблематичным из-за ограничений, накладываемых термической устойчивостью конструкционных материалов, из которых изготовлен двигатель. Потому скорость, соответствующая М = 5, считается предельной для СПВРД.
Экспериментальный гиперзвуковой летательный аппарат X-43 (рисунок художника) 
Иллюстрация газодинамических процессов в плоском ГПВРД с соплом SERN[en] Сжатие воздуха происходит в двух скачках уплотнения: внешнем, образованным у носового окончания аппарата, и внутреннем — у передней кромки нижней стенки двигателя. Оба скачка — косые, и скорость потока остаётся сверхзвуковой. Гиперзвуковым ПВРД (ГПВРД, англоязычный термин — scramjet) называется ПВРД, работающий на скоростях полёта свыше М = 5 (верхний предел точно не устанавливается).
На начало XXI века этот тип двигателя является экспериментальным: не существует ни одного образца, прошедшего лётные испытания, подтвердившие практическую целесообразность его серийного производства.
Торможение потока воздуха во входном устройстве ГПВРД происходит лишь частично, так что на протяжении всего остального тракта движение рабочего тела остаётся сверхзвуковым. При этом бо́льшая часть исходной кинетической энергии потока сохраняется, а температура после сжатия относительно низка, что позволяет сообщить рабочему телу значительное количество тепла. Проточная часть ГПВРД расширяется на всём её протяжении после входного устройства. Горючее вводится в сверхзвуковой поток со стенок проточной части двигателя. За счёт сжигания горючего в сверхзвуковом потоке рабочее тело нагревается, расширяется и ускоряется, так что скорость его истечения превышает скорость полёта.
Двигатель предназначен для полётов в стратосфере. Возможное назначение летательного аппарата с ГПВРД — низшая ступень многоразового носителя космических аппаратов.
Организация горения топлива в сверхзвуковом потоке составляет одну из главных проблем создания ГПВРД.
Существует несколько программ разработок ГПВРД в разных странах, все — в стадии теоретических изысканий или предпроектных экспериментов.
ПВРД неработоспособен при низких скоростях полёта, тем более — при нулевой скорости. Для достижения начальной скорости, при которой он становится эффективным, аппарат с этим двигателем нуждается во вспомогательном приводе, который может быть обеспечен, например, твердотопливным ракетным ускорителем, или самолётом-носителем (самолетом-разгонщиком), с которого запускается аппарат с ПВРД.
Неэффективность ПВРД на малых скоростях полёта делает его практически неприменимым на пилотируемых самолётах с неядерной двигательной системой[2], но для беспилотных, в том числе боевых (в частности, крылатых ракет), одноразового применения, летающих в диапазоне скоростей 2 < М < 5, благодаря своей простоте, дешевизне и надёжности, он предпочтителен. Также ПВРД используются на летающих мишенях. Основным конкурентом ПВРД в этой нише является ракетный двигатель.
Во второй половине 1950-х годов, в эпоху холодной войны, в США и СССР разрабатывались проекты ПВРД с ядерным реактором.
Источником энергии этих ПВРД (в отличие от остальных ВРД) является не химическая реакция горения топлива, а тепло, вырабатываемое ядерным реактором в камере нагрева рабочего тела. Воздух из входного устройства в таком ПВРД проходит через активную зону реактора, охлаждая его, нагревается сам до рабочей температуры (около 3000 К), а затем истекает из сопла со скоростью, сравнимой со скоростями истечения для самых совершенных химических ЖРД[3] . Возможное назначения летательного аппарата с таким двигателем:
В обеих странах были созданы компактные малоресурсные ядерные реакторы, которые вписывались в габариты большой ракеты. В США по программам исследований ядерного ПВРД «Pluto» и «Tory» в 1964 году были проведены стендовые огневые испытания ядерного прямоточного двигателя «Tory-IIC» (режим полной мощности 513 МВт в течение пяти минут с тягой 156 кН). Лётные испытания не проводились, программа была закрыта в июле 1964 года. Одна из причин закрытия программы — совершенствование конструкции баллистических ракет с химическими ракетными двигателями, которые вполне обеспечили решение боевых задач без применения схем с сравнительно дорогостоящими ядерными ПВРД.
Тем не менее, ядерный ПВРД перспективен как двигательная система для одноступенчатых воздушно-космических самолётов и скоростной межконтинентальной тяжёлой транспортной авиации. Этому способствует возможность создания ядерного ПВРД, способного работать на дозвуковых и нулевых скоростях полёта в режиме ракетного двигателя, используя бортовые запасы рабочего тела. То есть, например, воздушно-космический самолёт с ядерным ПВРД стартует (в том числе взлетает), подавая в двигатели рабочее тело из бортовых (или подвесных) баков и, уже достигнув скоростей от М = 1, переходит на использование атмосферного воздуха.
В России, по сделанному президентом В. В. Путиным в начале 2018 года заявлению, «состоялся успешный пуск крылатой ракеты с ядерной энергоустановкой».[4]
org-wikipediya.ru
Огневые испытания ПВРД в лаборатории NASA Прямоточный воздушно-реактивный двигатель (ПВРД, англоязычный термин — Ramjet) — реактивный двигатель, является самым простым в классе воздушно-реактивных двигателей (ВРД) по устройству. Относится к типу ВРД прямой реакции, в которых тяга создается исключительно за счёт реактивной струи истекающей из сопла. Необходимое для работы двигателя повышение давления достигается за счёт торможения встречного потока воздуха. ПВРД неработоспособен при низких скоростях полёта, тем более — при нулевой скорости, для выхода его на рабочую мощность необходим тот или иной ускоритель.
Leduc 010 - первый аппарат, летавший с ПВРД (Музей в Ле Бурже). Первый полёт — 19 ноября 1946 В 1913 году француз Рене Лорен получил патент на прямоточный воздушно-реактивный двигатель. ПВРД привлекал конструкторов простотой своего устройства, но главное — своей потенциальной способностью работать на гиперзвуковых скоростях и в самых высоких, наиболее разреженных слоях атмосферы, то есть в условиях, в которых ВРД других типов неработоспособны или малоэффективны. В 1930-е годы с этим типом двигателей проводились эксперименты в США (Уильям Эвери), в СССР (Ф. А. Цандер, Б. С. Стечкин, Ю. А. Победоносцев).
В 1937 году французский конструктор Рене Ледюк получил заказ от правительства Франции на разработку экспериментального самолёта с ПВРД. Эта работа была прервана войной и возобновилась после её окончания. 19 ноября 1946 года состоялся первый в истории полёт аппарата с маршевым ПВРД, Leduc 010. Далее в течение 10 лет было изготовлено и испытано ещё несколько экспериментальных аппаратов этой серии, в том числе, пилотируемые Leduc 021 и Leduc 022, а в 1957 году правительство Франции отказалось от продолжения этих работ — бурно развивавшееся в то время направление ТРД представлялось более перспективным.
Обладая рядом недостатков для использования на пилотируемых самолётах (нулевая тяга на месте, низкая эффективность на малых скоростях полёта), ПВРД является предпочтительным типом ВРД для беспилотных одноразовых снарядов и крылатых ракет, благодаря своей простоте, а, следовательно, дешевизне и надёжности. Начиная с 50-х годов XX века в США было создан ряд экспериментальных самолётов и серийных крылатых ракет разного назначения с этим типом двигателя.
В СССР с 1954 по 1960 гг в ОКБ-301 под руководством С.А.Лавочкина, разрабатывалась крылатая ракета «Буря», предназначавшаяся для доставки ядерных зарядов на межконтинентальные расстояния, и использовавшая в качестве маршевого двигателя ПВРД, разработанный группой М. М. Бондарюка, и имевший уникальные для своего времени характеристики: эффективная работа на скорости свыше 3М, и на высоте 17 км. В 1957 году проект вступил в стадию лётных испытаний, в ходе которых выявился ряд проблем, в частности, с точностью наведения, которые предстояло разрешить, и на это требовалось время, которое трудно было определить. Между тем, в том же году на вооружение уже поступила МБР Р-7, имевшая то же назначение, разработанная под руководством С. П. Королёва. Это ставило под сомнение целесообразность дальнейшей разработки «Бури». Смерть генерального конструктора С. А. Лавочкина в 1960 г окончательно похоронила проект. Из числа более современных отечественных разработок можно упомянуть противокорабельные крылатые ракеты с маршевыми ПВРД: П-800 Оникс, П-270 Москит.
Рабочий процесс ПВРД кратко можно описать следующим образом:
(5) где 
— давление в полностью заторможенном потоке; 
— атмосферное давление; 
— полётное число Маха (отношение скорости полёта к скорости звука в окружающей среде), 
— показатель адиабаты, для воздуха равный 1,4. На выходе из входного устройства, при входе в камеру сгорания рабочее тело имеет максимальное на всём протяжении проточной части двигателя давление. 
Схема устройства ПВРД на жидком топливе. 1. Встречный поток воздуха; 2. Центральное тело. 3. Входное устройство. 4. Топливная форсунка. 5. Камера сгорания. 6. Сопло. 7. Реактивная струя. 
Схема устройства твёрдотопливного ПВРД Зависимость тяги ПВРД от скорости полёта определяется несколькими факторами:
(3) 
Препарированный ПВРД «Тор» ракеты «Бладхаунд». Хорошо видны входное устройство и вход в камеру сгорания. В общем, зависимость тяги ПВРД от скорости полёта, может быть представлена следующим образом: пока скорость полёта значительно ниже скорости истечения реактивной струи, тяга растёт с ростом скорости полёта (вследствие повышения расхода воздуха, давления в камере сгорания и термического КПД двигателя), а с приближением скорости полёта к скорости истечения реактивной струи, тяга ПВРД падает, миновав некоторый максимум, соответствующий оптимальной скорости полёта.
Сила тяги ПВРД определяется выражением
Где 
— сила тяги, 
— скорость полёта, 
— скорость реактивной струи относительно двигателя, 
— секундный расход горючего.
Секундный расход воздуха:
Где 
— плотность воздуха(зависит от высоты), 
-объём воздуха, который поступает в воздухозаборник ПВРД за единицу времени, 
— площадь сечения входа воздухозаборника, — скорость полёта.
Можем определить секундный расход массы рабочего тела для идеального случая. когда горючее полностью згорает и полностью используется кислород воздуха в процессе горения:
Где 
— секундный расход воздуха, — секундный расход горючего, 
— стехиометричнеский коэффициент смеси горючего и воздуха.
Конструктивно ПВРД имеет предельно простое устройство. Двигатель состоит из камеры сгорания, в которую из диффузора поступает воздух, а из топливных форсунок — горючее. Заканчивается камера сгорания входом в сопло, как правило, суживающееся-расширяющееся.
С развитием технологии смесевого твёрдого топлива, оно стало применяться в ПВРД. Топливная шашка с продольным центральным каналом размещается в камере сгорания. Рабочее тело, проходя по каналу, постепенно окисляет топливо с его поверхности, и нагревается само. Использование твёрдого топлива ещё более упрощает конструкцию ПВРД: ненужной становится топливная система. Состав смесевого топлива для ПВРД отличается от используемого в РДТТ. Если для ракетного двигателя большую часть топлива составляет окислитель, то для ПВРД он добавляется лишь в небольшом количестве для активизации процесса горения. Основную часть наполнителя смесевого топлива ПВРД составляет мелкодисперсный порошок алюминия, магния или бериллия, теплота окисления которых значительно превосходит теплоту сгорания углеводородных горючих. Примером твёрдотопливного ПВРД может служить маршевый двигатель противокорабельной крылатой ракеты П-270 Москит.
В зависимости от скорости полёта ПВРД подразделяются на дозвуковые, сверхзвуковые и гиперзвуковые. Это разделение обусловлено конструктивными особенностями каждой из этих групп.
Дозвуковые ПВРД предназначены для полётов на скоростях с числом Маха от 0,5 до 1. Торможение и сжатие воздуха в этих двигателях происходит в расширяющемся канале входного устройства — диффузоре.
Эти двигатели характеризуются крайне низкой эффективностью. При полёте на скорости М=0,5 степень повышения давления в них (как следует из формулы 2) равна 1,186, вследствие чего их идеальный термический КПД (в соответствии с формулой (3)) составляет всего 4,76 %, а с учётом потерь в реальном двигателе эта величина становится почти равной 0. Это означает, что на скоростях полёта при M<0,5 ПВРД неработоспособен. Но и на предельной для дозвукового диапазона скорости, при М=1 степень повышения давления составляет 1,89, а идеальный термический КПД — 16,7 %, что в 1,5 раза меньше чем у реальных поршневых ДВС, и вдвое меньше, чем у газотурбинных двигателей. К тому же, и поршневые, и газотурбинные двигатели эффективны при работе на месте.
По этим причинам дозвуковые прямоточные двигатели оказались неконкурентоспособными в сравнении с авиадвигателями других типов и в настоящее время серийно не выпускаются.
Сверхзвуковые ПВРД (СПВРД) предназначены для полётов в диапазоне 1 < M < 5.
Торможение сверхзвукового газового потока происходит всегда разрывно (скачкообразно) — с образованием ударной волны, называемой также скачком уплотнения. Процесс сжатия газа на фронте ударной волны не является изоэнтропийным, вследствие чего в нём имеют место необратимые потери механической энергии, и степень повышения давления в нём меньше, чем в идеальном — изоэнтропийном процессе. Чем интенсивнее скачок уплотнения, то есть чем больше изменение скорости потока на его фронте, — тем больше потери давления, которые могут превышать 50 %.
Процесс торможения сверхзвукового потока во входном устройстве конического течения, внешнего сжатия с тремя скачками уплотнения. М — график изменения числа Маха в потоке; p — график изменения статического давления. 
Беспилотный разведчик Lockheed D-21B (США). ПВРД с асимметричным входным устройством с центральным телом. 
Плоские входные устройства внутреннего сжатия ПВРД крылатой ракеты воздух — земля ASMP (Франция) Потери давления удаётся минимизировать за счёт организации сжатия не в одном, а в нескольких (обычно, не более 4-х) последовательных скачках уплотнения меньшей интенсивности, после каждого из которых (кроме последнего), скорость потока снижается, оставаясь сверхзвуковой. Это возможно, если все скачки (кроме последнего) являются косыми, фронт которых наклонён к вектору скорости потока. (Косой скачок уплотнения образуется, когда сверхзвуковой поток встречается с препятствием, поверхность которого наклонена к вектору скорости воздушного потока.) В промежутках между скачками параметры потока остаются постоянными. В последнем скачке (всегда прямом — нормальном к вектору скорости воздушного потока) скорость становится дозвуковой и дальнейшее торможение и сжатие воздуха происходит непрерывно в расширяющемся канале диффузора.
В случае, если входное устройство двигателя находится в зоне невозмущённого потока, например, в носовом окончании летательного аппарата, или на консоли на достаточном удалении от фюзеляжа, оно исполняется осесимметричным и снабжается центральным телом — длинным острым «конусом», выступающим из обечайки, назначение которого состоит в создании во встречном потоке системы косых скачков уплотнения, обеспечивающих торможение и сжатие воздуха ещё до поступления его в канал входного устройства — т. н. внешнее сжатие. Такие входные устройства называются также устройствами конического течения, потому что поток воздуха в них имеет коническую форму. Коническое центральное тело может быть снабжено механическим приводом, позволяющим перемещаться ему вдоль оси двигателя, оптимизируя тем самым торможение воздушного потока на различных скоростях полета. Такие входные устройства именуются регулируемыми.
При установке двигателя на нижней (боковой) стенке фюзеляжа, или под крылом летательного аппарата, то есть в зоне аэродинамического влияния его элементов, обычно применяются плоские входные устройства двухмерного течения, имеющие прямоугольное поперечное сечение, без центрального тела. Система скачков уплотнения в них обеспечивается благодаря внутренней форме канала. Они называются также устройствами внутреннего или смешанного сжатия, так как внешнее сжатие частично имеет место и в этом случае — в скачках уплотнения, образованных у носового окончания и/или у передней кромки крыла летательного аппарата. Регулируемые входные устройства прямоугольного сечения имеют меняющие своё положение клинья внутри канала.
В сверхзвуковом диапазоне скоростей ПВРД значительно более эффективен, чем в дозвуковом. Например, на скорости М=3 для идеального ПВРД степень повышения давления по формуле (2) составляет 36,7, что сравнимо с показателями самых высоконапорных компрессоров турбореактивных двигателей, а термический КПД теоретически (по формуле (3)) достигает 64,3 %. У реальных ПВРД эти показатели ниже, но даже с учётом потерь, в диапазоне полётного числа Маха от 3 до 5 СПВРД превосходят по эффективности ВРД всех других типов.
При торможении встречного потока воздуха он не только сжимается, но и нагревается, и его абсолютная температура при полном торможении (в изоэнтропийном процессе) выражается формулой:
где 
— температура невозмущённого потока. При М=5 и Тo=273K (что соответствует 0 °C) температура заторможенного рабочего тела достигает 1638К, при М=6 — 2238К, а с учётом трения и скачков уплотнения в реальном процессе — ещё выше. При этом дальнейший нагрев рабочего тела за счёт сжигания топлива становится проблематичным из-за ограничений, накладываемых термической устойчивостью конструкционных материалов, из которых изготовлен двигатель. Потому скорость, соответствующая М=5 считается предельной для СПВРД
Экспериментальный гиперзвуковой летательный аппарат X-43 (Рисунок художника) 
Иллюстрация газодинамических процессов в плоском ГПВРД с соплом SERN Сжатие воздуха происходит в двух скачках уплотнения: внешнем, образованным у носового окончания аппарата, и внутреннем — у передней кромки нижней стенки двигателя. Оба скачка — косые и скорость потока остаётся сверхзвуковой. Гиперзвуковым ПВРД (ГПВРД, англоязычный термин — Scramjet) называется ПВРД, работающий на скоростях полёта свыше 5М, (верхний предел точно не устанавливается).
На начало XXI в. этот тип двигателя является экспериментальным: не существует ни одного образца, прошедшего лётные испытания, подтвердившие практическую целесообразность его серийного производства.
Торможение потока воздуха во входном устройстве ГПВРД происходит лишь частично, так что на протяжении всего остального тракта движение рабочего тела остаётся сверхзвуковым. При этом бо́льшая часть исходной кинетической энергии потока сохраняется, а температура после сжатия относительно низка, что позволяет сообщить рабочему телу значительное количество тепла. Проточная часть ГПВРД расширяется на всём её протяжении после входного устройства. Горючее вводится в сверхзвуковой поток со стенок проточной части двигателя. За счёт сжигания горючего в сверхзвуковом потоке рабочее тело нагревается, расширяется и ускоряется, так что скорость его истечения превышает скорость полёта.
Двигатель предназначен для полётов в стратосфере. Возможное назначение летательного аппарата с ГПВРД — низшая ступень многоразового носителя космических аппаратов.
Организация горения топлива в сверхзвуковом потоке составляет одну из главных проблем создания ГПВРД.
Существует несколько программ разработок ГПВРД в разных странах, все — в стадии теоретических изысканий или предпроектных экспериментов.
ПВРД неработоспособен при низких скоростях полёта, тем более — при нулевой скорости. Для достижения начальной скорости, при которой он становится эффективным, аппарат с этим двигателем нуждается во вспомогательном приводе, который может быть обеспечен, например, твёрдотопливным ракетным ускорителем, или самолётом-носителем (самолетом-разгонщиком), с которого запускается аппарат с ПВРД.
Неэффективность ПВРД на малых скоростях полёта делает его практически неприменимым на пилотируемых самолётах с неядерной двигательной системой[1], но для беспилотных, в том числе боевых (в частности, крылатых ракет), одноразового применения, летающих в диапазоне скоростей 2 < M < 5, благодаря своей простоте, дешевизне и надёжности, он предпочтителен. Так же ПВРД используются на летающих мишенях. Основным конкурентом ПВРД в этой нише является ракетный двигатель.
Во второй половине 50-х годов ХХ в., в эпоху холодной войны, В США и СССР разрабатывались проекты ПВРД с ядерным реактором.
Источником энергии этих ПВРД (в отличие от остальных ВРД) является не химическая реакция горения топлива, а тепло, вырабатываемое ядерным реактором в камере нагрева рабочего тела. Воздух из входного устройства в таком ПВРД проходит через активную зону реактора, охлаждая его, нагревается сам до рабочей температуры (около 3000 К), а затем истекает из сопла со скоростью, сравнимой со скоростями истечения для самых совершенных химических ЖРД. Возможное назначения летательного аппарата с таким двигателем:
В обеих странах были созданы компактные малоресурсные ядерные реакторы, которые вписывались в габариты большой ракеты. В США по программам исследований ядерного ПВРД «Pluto» и «Tory» в 1964 г. были проведены стендовые огневые испытания ядерного прямоточного двигателя «Tory-IIC» (режим полной мощности 513 мегаватт в течение пяти минут с тягой 156 kN). Лётные испытания не проводились, программа была закрыта в июле 1964 г. Одна из причин закрытия программы — совершенствование конструкции баллистических ракет с химическими ракетными двигателями, которые вполне обеспечили решение боевых задач без применения схем с сравнительно дорогостоящими ядерными ПВРД.
Тем не менее ядерный ПВРД перспективен как двигательная система для одноступенчатых воздушно-космических самолётов и скоростной межконтинентальной тяжёлой транспортной авиации. Этому способствует возможность создания ядерного ПВРД, способного работать на дозвуковых и нулевых скоростях полёта в режиме ракетного двигателя, используя бортовые запасы рабочего тела. Т. е., например, воздушно-космический самолёт с ядерным ПВРД стартует (в том числе взлетает), подавая в двигатели рабочее тело из бортовых (или подвесных) баков и, уже достигнув скорости от 1М, переходит на использование атмосферного воздуха.
dic.academic.ru
Огневые испытания ПВРД в лаборатории НАСА Прямоточный воздушно-реактивный двигатель (ПВРД) — реактивный двигатель, является самым простым в классе воздушно-реактивных двигателей (ВРД) по устройству. Относится к типу ВРД прямой реакции, в которых тяга создается исключительно за счёт реактивной струи, истекающей из сопла. Необходимое для работы двигателя повышение давления достигается за счёт торможения встречного потока воздуха. ПВРД неработоспособен при низких скоростях полёта, тем более — при нулевой скорости, для вывода его на рабочую мощность необходим тот или иной ускоритель.
В 1913 году француз Рене Лорин[en] получил патент на прямоточный воздушно-реактивный двигатель.
ПВРД привлекал конструкторов простотой своего устройства, но главное — своей потенциальной способностью работать на гиперзвуковых скоростях и в самых высоких, наиболее разреженных слоях атмосферы, то есть в условиях, в которых ВРД других типов неработоспособны или малоэффективны. В 1930-х годах с этим типом двигателей проводились эксперименты в США (Уильям Эвери), в СССР (Ф. А. Цандер, Б. С. Стечкин, Ю. А. Победоносцев).
В 1937 году французский конструктор Рене Ледюк[en] получил заказ от правительства Франции на разработку экспериментального самолёта с ПВРД. Эта работа была прервана войной и возобновилась после её окончания. 19 ноября 1946 года состоялся первый в истории полёт пилотируемого аппарата с маршевым ПВРД, Leduc 0.10[en]. Далее в течение 10 лет было изготовлено и испытано ещё несколько экспериментальных аппаратов этой серии, в том числе, пилотируемые Leduc 0.21[en] и Leduc 0.22[en], а в 1957 году правительство Франции отказалось от продолжения этих работ — бурно развивавшееся в то время направление турбореактивных двигателей представлялось более перспективным.
Обладая рядом недостатков для использования на пилотируемых самолётах (нулевая тяга при неподвижности, низкая эффективность на малых скоростях полёта), ПВРД является предпочтительным типом ВРД для беспилотных одноразовых снарядов и крылатых ракет, благодаря своей простоте, а следовательно, дешевизне и надёжности. Начиная с 1950-х годов, в США было создан ряд экспериментальных самолётов и серийных крылатых ракет разного назначения с этим типом двигателя.
В СССР с 1954 по 1960 год в ОКБ-301 под руководством генерального конструктора С. А. Лавочкина, разрабатывалась крылатая ракета «Буря», предназначавшаяся для доставки ядерных зарядов на межконтинентальные расстояния, и использовавшая в качестве маршевого двигателя ПВРД, разработанный группой М. М. Бондарюка, и имевший уникальные для своего времени характеристики: эффективная работа на скорости свыше М = 3 и на высоте 17 км. В 1957 году проект вступил в стадию лётных испытаний, в ходе которых выявился ряд проблем, в частности, с точностью наведения, которые предстояло разрешить, и на это требовалось время, которое трудно было определить. Между тем, в том же году на вооружение уже поступила МБР Р-7, имевшая то же назначение, разработанная под руководством С. П. Королёва. Это ставило под сомнение целесообразность дальнейшей разработки «Бури». Смерть С. А. Лавочкина в 1960 году окончательно похоронила проект.
Из числа более современных отечественных разработок можно упомянуть противокорабельные крылатые ракеты с маршевыми ПВРД: П-800 «Оникс», П-270 «Москит».
Рабочий процесс ПВРД кратко можно описать следующим образом. Воздух, поступая со скоростью полёта во входное устройство двигателя, затормаживается (на практике, до скоростей 30—60 м/с, что соответствует числу Маха 0,1—0,2), его кинетическая энергия преобразуется во внутреннюю энергию — его температура и давление повышаются.
В предположении того, что воздух — идеальный газ, и процесс сжатия является изоэнтропийным, степень повышения давления (отношение статического давления в заторможенном потоке к атмосферному) выражается уравнением
ppo=(1+k−12⋅Mn2)kk−1{\displaystyle {\frac {p}{p_{o}}}={\bigg (}1+{\frac {k-1}{2}}\cdot M_{n}^{2}{\bigg )}^{\frac {k}{k-1}}} (5)где
p{\displaystyle p} — давление в полностью заторможенном потоке; po{\displaystyle p_{o}} — атмосферное давление; Mn{\displaystyle M_{n}} — полётное число Маха (отношение скорости полёта к скорости звука в окружающей среде), k{\displaystyle k} — показатель адиабаты, для воздуха равный 1,4.На выходе из входного устройства, при входе в камеру сгорания рабочее тело имеет максимальное на всём протяжении проточной части двигателя давление.
Сжатый воздух в камере сгорания нагревается за счёт окисления подаваемого в неё топлива, внутренняя энергия рабочего тела при этом возрастает. Затем рабочее тело сначала, сжимаясь в сопле, достигает звуковой скорости, а потом, расширяясь — сверхзвуковой, ускоряется и истекает со скоростью большей, чем скорость встречного потока, что и создаёт реактивную тягу.
Схема устройства ПВРД на жидком топливе: Схема устройства твердотопливного ПВРД Зависимость тяги ПВРД от скорости полёта определяется несколькими факторами:
Препарированный ПВРД «Тор» ракеты «Бладхаунд». Хорошо видны входное устройство и вход в камеру сгорания. В общем, зависимость тяги ПВРД от скорости полёта может быть представлена следующим образом: пока скорость полёта значительно ниже скорости истечения реактивной струи, тяга растёт с ростом скорости полёта (вследствие повышения расхода воздуха, давления в камере сгорания и термического КПД двигателя), а с приближением скорости полёта к скорости истечения реактивной струи тяга ПВРД падает, миновав некоторый максимум, соответствующий оптимальной скорости полёта.
Сила тяги ПВРД определяется выражением
P=dmadt⋅(ve−v)+dmfdt⋅ve{\displaystyle P={\frac {dm_{a}}{dt}}\cdot (v_{e}-v)+{\frac {dm_{f}}{dt}}\cdot v_{e}}Где P{\displaystyle P} — сила тяги, v{\displaystyle v} — скорость полёта, ve{\displaystyle v_{e}} — скорость реактивной струи относительно двигателя, dmfdt{\displaystyle {\frac {dm_{f}}{dt}}} — секундный расход горючего.
Секундный расход воздуха:
dmadt=ρ⋅dVdt=ρ⋅S⋅dldt=ρ⋅S⋅v{\displaystyle {\frac {dm_{a}}{dt}}=\rho \cdot {\frac {dV}{dt}}=\rho \cdot S\cdot {\frac {dl}{dt}}=\rho \cdot S\cdot v} ,где
ρ{\displaystyle \rho } — плотность воздуха (зависит от высоты), dVdt{\displaystyle {\frac {dV}{dt}}} — объём воздуха, который поступает в воздухозаборник ПВРД за единицу времени, S{\displaystyle S} — площадь сечения входа воздухозаборника, v{\displaystyle v} — скорость полёта.Можем определить секундный расход массы рабочего тела для идеального случая. когда горючее полностью сгорает и полностью используется кислород воздуха в процессе горения:
dmdt=dmadt+dmfdt=dmadt+1L⋅dmadt=dmadt⋅(1+1L){\displaystyle {\frac {dm}{dt}}={\frac {dm_{a}}{dt}}+{\frac {dm_{f}}{dt}}={\frac {dm_{a}}{dt}}+{\frac {1}{L}}\cdot {\frac {dm_{a}}{dt}}={\frac {dm_{a}}{dt}}\cdot (1+{\frac {1}{L}})} ,где
dmadt{\displaystyle {\frac {dm_{a}}{dt}}} — секундный расход воздуха, dmfdt{\displaystyle {\frac {dm_{f}}{dt}}} — секундный расход горючего, L{\displaystyle L} — стехиометрический коэффициент смеси горючего и воздуха.Конструктивно ПВРД имеет предельно простое устройство. Двигатель состоит из камеры сгорания, в которую из диффузора поступает воздух, а из топливных форсунок — горючее. Заканчивается камера сгорания входом в сопло, как правило, суживающееся-расширяющееся.
С развитием технологии смесевого твёрдого топлива, оно стало применяться в ПВРД. Топливная шашка с продольным центральным каналом размещается в камере сгорания. Рабочее тело, проходя по каналу, постепенно окисляет топливо с его поверхности, и нагревается само. Использование твёрдого топлива ещё более упрощает конструкцию ПВРД: ненужной становится топливная система. Состав смесевого топлива для ПВРД отличается от используемого в ракетных твердотопливных двигателях. Если для последних большую часть топлива составляет окислитель, то для ПВРД он добавляется лишь в небольшом количестве для активизации процесса горения. Основную часть наполнителя смесевого топлива ПВРД составляет мелкодисперсный порошок алюминия, магния или бериллия, теплота окисления которых значительно превосходит теплоту сгорания углеводородных горючих. Примером твердотопливного ПВРД может служить маршевый двигатель противокорабельной крылатой ракеты П-270 «Москит».
В зависимости от скорости полёта ПВРД подразделяются на дозвуковые, сверхзвуковые и гиперзвуковые. Это разделение обусловлено конструктивными особенностями каждой из этих групп.
Дозвуковые ПВРД предназначены для полётов на скоростях с числом Маха от 0,5 до 1. Торможение и сжатие воздуха в этих двигателях происходит в расширяющемся канале входного устройства — диффузоре.
Эти двигатели характеризуются крайне низкой эффективностью. При полёте на скорости М = 0,5 степень повышения давления в них (как следует из формулы 2) равна 1,186, вследствие чего их идеальный термический КПД (в соответствии с формулой (3)) составляет всего 4,76 %, а с учётом потерь в реальном двигателе эта величина становится почти равной 0. Это означает, что на скоростях полёта при M < 0,5 ПВРД практически неработоспособен. Но и на предельной для дозвукового диапазона скорости, то есть при М → 1, степень повышения давления составляет лишь 1,89, а идеальный термический КПД — лишь 16,7 %, что в 1,5 раза меньше, чем у реальных поршневых ДВС, и вдвое меньше, чем у газотурбинных двигателей. К тому же и поршневые, и газотурбинные двигатели эффективны при работе на месте.
По этим причинам дозвуковые прямоточные двигатели оказались неконкурентоспособными в сравнении с авиадвигателями других типов и в настоящее время серийно не выпускаются.
Сверхзвуковые ПВРД (СПВРД) предназначены для полётов в диапазоне чисел Маха 1 < M < 5.
Торможение сверхзвукового газового потока происходит всегда разрывно (скачкообразно) — с образованием ударной волны, называемой также скачком уплотнения. Процесс сжатия газа на фронте ударной волны не является изоэнтропийным, вследствие чего в нём имеют место необратимые потери механической энергии, и степень повышения давления в нём меньше, чем в идеальном — изоэнтропийном процессе. Чем интенсивнее скачок уплотнения, то есть чем больше изменение скорости потока на его фронте, — тем больше потери давления, которые могут превышать 50 %.
Процесс торможения сверхзвукового потока во входном устройстве конического течения, внешнего сжатия с тремя скачками уплотнения. М — график изменения числа Маха в потоке; p — график изменения статического давления. Беспилотный разведчик Lockheed D-21B (США). ПВРД с осесимметричным входным устройством с центральным телом. Плоские входные устройства внутреннего сжатия ПВРД крылатой ракеты воздух-земля ASMP[en] (Франция) Потери давления удаётся минимизировать за счёт организации сжатия не в одном, а в нескольких (обычно, не более 4) последовательных скачках уплотнения меньшей интенсивности, после каждого из которых (кроме последнего), скорость потока снижается, оставаясь сверхзвуковой. Это возможно, если все скачки (кроме последнего) являются косыми, фронт которых наклонён к вектору скорости потока (косой скачок уплотнения образуется, когда сверхзвуковой поток встречается с препятствием, поверхность которого наклонена к вектору скорости воздушного потока). В промежутках между скачками параметры потока остаются постоянными. В последнем скачке (всегда прямом — нормальном к вектору скорости воздушного потока) скорость становится дозвуковой, и дальнейшее торможение и сжатие воздуха происходит непрерывно в расширяющемся канале диффузора.
В случае, если входное устройство двигателя находится в зоне невозмущённого потока, например, в носовом окончании летательного аппарата, или на консоли на достаточном удалении от фюзеляжа, оно исполняется осесимметричным и снабжается центральным телом — длинным острым «конусом», выступающим из обечайки, назначение которого состоит в создании во встречном потоке системы косых скачков уплотнения, обеспечивающих торможение и сжатие воздуха ещё до поступления его в канал входного устройства — так называемое внешнее сжатие. Такие входные устройства называются также устройствами конического течения, потому что поток воздуха в них имеет коническую форму. Коническое центральное тело может быть снабжено механическим приводом, позволяющим смещать его вдоль оси двигателя, оптимизируя тем самым торможение воздушного потока на различных скоростях полета. Такие входные устройства именуются регулируемыми.
При установке двигателя на нижней (боковой) стенке фюзеляжа, или под крылом летательного аппарата, то есть в зоне аэродинамического влияния его элементов, обычно применяются плоские входные устройства двухмерного течения, имеющие прямоугольное поперечное сечение, без центрального тела. Система скачков уплотнения в них обеспечивается благодаря внутренней форме канала. Они называются также устройствами внутреннего или смешанного сжатия, так как внешнее сжатие частично имеет место и в этом случае — в скачках уплотнения, образованных у носового окончания и/или у передней кромки крыла летательного аппарата. Регулируемые входные устройства прямоугольного сечения имеют меняющие своё положение клинья внутри канала.
В сверхзвуковом диапазоне скоростей ПВРД значительно более эффективен, чем в дозвуковом. Например, на скорости М = 3 для идеального ПВРД степень повышения давления по формуле (2) составляет 36,7, что сравнимо с показателями самых высоконапорных компрессоров турбореактивных двигателей, а термический КПД теоретически, по формуле (3), достигает 64,3 %. У реальных ПВРД эти показатели ниже, но даже с учётом потерь, в диапазоне полётного числа Маха от 3 до 5 СПВРД превосходят по эффективности ВРД всех других типов.
При торможении встречного потока воздуха он не только сжимается, но и нагревается, и его абсолютная температура при полном торможении (в изоэнтропийном процессе) выражается формулой
T=To⋅(1+k−12⋅Mn2){\displaystyle T=T_{o}\cdot (1+{\frac {k-1}{2}}\cdot M_{n}^{2})}где Tо — температура окружающего невозмущённого потока. При М = 5 и Tо = 273 K (что соответствует 0 °C) температура заторможенного рабочего тела достигает 1638 К, при М = 6 — 2238 К, а с учётом трения и скачков уплотнения в реальном процессе — ещё выше. При этом дальнейший нагрев рабочего тела за счёт сжигания топлива становится проблематичным из-за ограничений, накладываемых термической устойчивостью конструкционных материалов, из которых изготовлен двигатель. Потому скорость, соответствующая М = 5, считается предельной для СПВРД.
Экспериментальный гиперзвуковой летательный аппарат X-43 (рисунок художника) Иллюстрация газодинамических процессов в плоском ГПВРД с соплом SERN[en] Сжатие воздуха происходит в двух скачках уплотнения: внешнем, образованным у носового окончания аппарата, и внутреннем — у передней кромки нижней стенки двигателя. Оба скачка — косые, и скорость потока остаётся сверхзвуковой. Гиперзвуковым ПВРД (ГПВРД, англоязычный термин — scramjet) называется ПВРД, работающий на скоростях полёта свыше М = 5 (верхний предел точно не устанавливается).
На начало XXI века этот тип двигателя является экспериментальным: не существует ни одного образца, прошедшего лётные испытания, подтвердившие практическую целесообразность его серийного производства.
Торможение потока воздуха во входном устройстве ГПВРД происходит лишь частично, так что на протяжении всего остального тракта движение рабочего тела остаётся сверхзвуковым. При этом бо́льшая часть исходной кинетической энергии потока сохраняется, а температура после сжатия относительно низка, что позволяет сообщить рабочему телу значительное количество тепла. Проточная часть ГПВРД расширяется на всём её протяжении после входного устройства. Горючее вводится в сверхзвуковой поток со стенок проточной части двигателя. За счёт сжигания горючего в сверхзвуковом потоке рабочее тело нагревается, расширяется и ускоряется, так что скорость его истечения превышает скорость полёта.
Двигатель предназначен для полётов в стратосфере. Возможное назначение летательного аппарата с ГПВРД — низшая ступень многоразового носителя космических аппаратов.
Организация горения топлива в сверхзвуковом потоке составляет одну из главных проблем создания ГПВРД.
Существует несколько программ разработок ГПВРД в разных странах, все — в стадии теоретических изысканий или предпроектных экспериментов.
ПВРД неработоспособен при низких скоростях полёта, тем более — при нулевой скорости. Для достижения начальной скорости, при которой он становится эффективным, аппарат с этим двигателем нуждается во вспомогательном приводе, который может быть обеспечен, например, твердотопливным ракетным ускорителем, или самолётом-носителем (самолетом-разгонщиком), с которого запускается аппарат с ПВРД.
Неэффективность ПВРД на малых скоростях полёта делает его практически неприменимым на пилотируемых самолётах с неядерной двигательной системой[2], но для беспилотных, в том числе боевых (в частности, крылатых ракет), одноразового применения, летающих в диапазоне скоростей 2 < М < 5, благодаря своей простоте, дешевизне и надёжности, он предпочтителен. Также ПВРД используются на летающих мишенях. Основным конкурентом ПВРД в этой нише является ракетный двигатель.
Во второй половине 1950-х годов, в эпоху холодной войны, в США и СССР разрабатывались проекты ПВРД с ядерным реактором.
Источником энергии этих ПВРД (в отличие от остальных ВРД) является не химическая реакция горения топлива, а тепло, вырабатываемое ядерным реактором в камере нагрева рабочего тела. Воздух из входного устройства в таком ПВРД проходит через активную зону реактора, охлаждая его, нагревается сам до рабочей температуры (около 3000 К), а затем истекает из сопла со скоростью, сравнимой со скоростями истечения для самых совершенных химических ЖРД[3] . Возможное назначения летательного аппарата с таким двигателем:
В обеих странах были созданы компактные малоресурсные ядерные реакторы, которые вписывались в габариты большой ракеты. В США по программам исследований ядерного ПВРД «Pluto» и «Tory» в 1964 году были проведены стендовые огневые испытания ядерного прямоточного двигателя «Tory-IIC» (режим полной мощности 513 МВт в течение пяти минут с тягой 156 кН). Лётные испытания не проводились, программа была закрыта в июле 1964 года. Одна из причин закрытия программы — совершенствование конструкции баллистических ракет с химическими ракетными двигателями, которые вполне обеспечили решение боевых задач без применения схем с сравнительно дорогостоящими ядерными ПВРД.
Тем не менее, ядерный ПВРД перспективен как двигательная система для одноступенчатых воздушно-космических самолётов и скоростной межконтинентальной тяжёлой транспортной авиации. Этому способствует возможность создания ядерного ПВРД, способного работать на дозвуковых и нулевых скоростях полёта в режиме ракетного двигателя, используя бортовые запасы рабочего тела. То есть, например, воздушно-космический самолёт с ядерным ПВРД стартует (в том числе взлетает), подавая в двигатели рабочее тело из бортовых (или подвесных) баков и, уже достигнув скоростей от М = 1, переходит на использование атмосферного воздуха.
В России, по сделанному президентом В. В. Путиным в начале 2018 года заявлению, «состоялся успешный пуск крылатой ракеты с ядерной энергоустановкой».[4]
www-wikipediya.ru
Многорежимные маневренные самолеты
Выполненные в ЦИАМ работы позволили определить область согласованных проектных параметров самолета и двигателя, обеспечивающих в наибольшей степени выполнение противоречивых многочисленных требований клетно-техническимхарактеристикам различных многорежимных самолетов, проектировавшихся в ОКБ.
Пример формирования указанной области показан на рисунке, где приведены два среза многомерного пространства, охватывающего множество исследуемых факторов. На графике последовательно в поле двух проектных параметров при фиксированных других нанесены линии равного уровня для двух целевых функций, которыми в данном случае являются радиусы боевого действия при полете по профилю со сверхзвуковым участком и чисто дозвуковому профилю. Там же нанесены изолинии основных наиболее сильных ограничений, заданных в ТТТ к самолету: максимального числа М полета, перегрузки установившегося виража, длинывзлетно-посадочнойполосы, времени разгона в заданном интервале скоростей. На графиках не показан ряд других, менее сильных ограничений. Здесь также показана возможность расширения зоны допустимых параметров за счет оптимального регулирования проходных сечений двигателя. В данном примере такое регулирование позволяет увеличить значение целевых функций на примерно5%.
Дозвуковые пассажирские и транспортные самолеты
Характерной чертой современного уровня развития авиационных двигателей, в том числе и двигателей пассажирской и транспортной авиации, является все возрастающая сложность объектов, требующая значительного роста объема информации, перерабатываемой в процессе проектирования. Одновременно ужесточаются требования ктехнико-экономическимпоказателям, особенно к уровню экологической"цивилизованности" (это- акустическое совершенство, низкий уровень эмиссии вредных веществ и их воздействия на верхние слои атмосферы), а также к выбору рациональных ресурсных характеристик, показателей безопасности и эксплуатационной технологичности.
К настоящему времени важным достижением института является создание комплекса алгоритмов, математических моделей и программ для исследования облика перспективной СУ гражданского самолета. Комплекс программ отражает все основные взаимосвязи силовой установки и ЛА. Он позволяет решать на современном математическом и техническом уровне следующие задачи:
·выбор концепции ТРДД различных схем, в том числе двигателей сверхбольшой степени двухконтурности и винтовентиляторных
·оптимизацию проектных параметров двигателя по технико-экономическимкритериям, включая показатели эффективности, предусмотренные нормативными документами западных авиакомпаний
·исследование проблемы авиационного шума силовых установок на этапах взлета и посадки и выбор управления траекторией полета и режимом работы двигателей (при включении в программу стандартных модулей расчета шума)
В соответствии с используемым методом системного анализа предусматривается применение различных критериев оптимальности: дальности полета, топливной экономичности, себестоимости перевозок, стоимости жизненного цикла.
Модульная структура комплекса программ дает возможность подключать любые другие критериальные показатели согласно требованиям задачи. Отыскание оптимального решения в широкой области проектных параметров при наличии ограничений осуществляется методами нелинейного динамического программирования. Решение этой задачи упрощается путем замены исходной полной математической модели регрессионным уравнением, получение которого обеспечивается специально разработанной программой. В качестве входных данных используется матрица рассчитанных по заданному плану эксперимента вариантов самолета и двигателя. Результатом работы являются два числовых массива: в первом содержатся коэффициенты регрессионного уравнения для заданного количества функций, во втором- для всех сочетаний факторов, предусмотренных планом эксперимента, производится сопоставление функций, вычисленных по регрессионному уравнению, с величинами, заложенными в расчет в качестве исходных.
Чрезвычайно важен правильный выбор критерия оптимальности, который должен обеспечить комплексность оценки и численно характеризовать наиболее важные свойства проектируемого объекта. В настоящее время в гражданской авиации в большинстве случаев затруднительно однозначно расположить критерии оптимальности по степени их важности, но можно определить оптимальные проектные решения по каждому из критериев и область возможных компромиссных решений при включении некоторых критериев в систему ограничений. На предыдущем рисунке был проиллюстрирован подобный подход для двигателей многорежимных маневренных самолетов. Для двигателей гражданских самолетов на рисунке в качестве примера показана зависимость целевой функции- топливной эффективности в поле двух пар проектных параметров.
Там же в виде линий равного уровня изображены также зависимости ограничений от проектных параметров. В качестве ограничений приняты следующие четыре параметра: дальность полета, длинавзлетно-посадочнойполосы, время выхода на крейсерский режим полета и диаметр вентилятора. Совмещение на одном графике изолиний для целевой функции и ограничений позволяет определить область возможных решений и оптимальные значения соответствующих параметров.
Как уже упоминалось, в математическую модель включены и модули расчетатехнико-экономическиххарактеристик. Развитие в направлении учета проблем ресурсного проектирования позволило на основе компромисса, учитывающего ряд противоречивых требований, выбирать рациональные ресурсные характеристики, закладываемые в расчет основных конструктивных элементов двигателя. Интересный результат представлен на рисунке ниже. Для парка СМС(среднемагистральных самолетов) с фактическим распределением объема перевозок по дальности полета показан характер изменения потребного объема выпуска и числа ремонтов двигателя в зависимости от ресурса его горячей части. Заштрихованный диапазон определяет область, обеспечивающую минимум прямых эксплуатационных расходов. Видно, что наименьшие суммарные затраты обеспечиваются при ресурсе, существенно меньше максимального
Области рациональных параметров согласования самолета и двигателя: (левый рисунок) G/S иm; (правый рисунок) R/G иm
1 - исходное регулирование двигателя; 2 - оптимальное регулирование;
––– дозвуковой профиль полета; - - - сверхзвуковой профиль полета.
Области возможного решения с учетом ограничений
Изменение эксплуатационных расходов в зависимости от назначенного ресурса горячей части двигателя:
–––фиксированное значение Тг в условиях взлета;
- - - уменьшение Тг в благоприятных условиях
studfiles.net
Оглавление:1. Воздушно-реактивный двигатель2. Общие принципы работы ВРД3. Прямоточный воздушно-реактивный двигатель4. Турбореактивный двигатель5. Двухконтурный турбореактивный двигатель6. Винтовентиляторный двигатель7. Пульсирующий воздушно-реактивный двигатель8. Основные характеристики ВРД
Огневые испытания ПВРД в лаборатории NASA
Прямоточный воздушно-реактивный двигатель является самым простым в классе ВРД по устройству. Необходимое для работы двигателя повышение давления достигается за счёт торможения встречного потока воздуха.
Рабочий процесс ПВРД кратко можно описать следующим образом:
где 
давление в полностью заторможенном потоке; 
атмосферное давление; 
полётное число Маха, 
показатель адиабаты, для воздуха равный 1,4. На выходе из входного устройства, при входе в камеру сгорания рабочее тело имеет максимальное на всём протяжении проточной части двигателя давление. 
Схема устройства ПВРД на жидком топливе.1. Встречный поток воздуха;2. Центральное тело.3. Входное устройство.4. Топливная форсунка.5. Камера сгорания.6. Сопло.7. Реактивная струя.
Схема устройства твёрдотопливного ПВРД.
Конструктивно ПВРД имеет предельно простое устройство. Двигатель состоит из камеры сгорания, в которую из диффузора поступает воздух, а из топливных форсунок горючее. Заканчивается камера сгорания входом в сопло, как правило, суживающееся-расширяющееся.
С развитием технологии смесевого твёрдого топлива, оно стало применяться в ПВРД. Топливная шашка с продольным центральным каналом размещается в камере сгорания. Рабочее тело, проходя по каналу, постепенно окисляет топливо с его поверхности, и нагревается само. Использование твёрдого топлива ещё более упрощает конструкцию ПВРД: ненужной становится топливная система. Состав смесевого топлива для ПВРД отличается от используемого в РДТТ. Если для ракетного двигателя большую часть топлива составляет окислитель, то для ПВРД он добавляется лишь в небольшом количестве для активизации процесса горения. Основную часть наполнителя смесевого топлива ПВРД составляет мелкодисперсный порошок алюминия, магния или бериллия, теплота окисления которых значительно превосходит теплоту сгорания углеводородных горючих. Примером твёрдотопливного ПВРД может служить маршевый двигатель противокорабельной крылатой ракеты П-270 Москит.
Зависимость тяги ПВРД от скорости полёта определяется несколькими факторами:
Препарированный ПВРД «Тор» ракеты «Бладхаунд». Хорошо видны входное устройство и вход в камеру сгорания.
В общем, зависимость тяги ПВРД от скорости полёта, может быть представлена следующим образом: пока скорость полёта значительно ниже скорости истечения реактивной струи, тяга растёт с ростом скорости полёта, а с приближением скорости полёта к скорости истечения реактивной струи, тяга ПВРД падает, миновав некоторый максимум, соответствующий оптимальной скорости полёта.
В зависимости от скорости полёта ПВРД подразделяются на дозвуковые, сверхзвукрвые и гиперзвуковые. Это разделение обусловлено конструктивными особенностями каждой из этих групп.
Дозвуковые ПВРД предназначены для полётов на скоростях с числом Маха от 0,5 до 1. Торможение и сжатие воздуха в этих двигателях происходит в расширяющемся канале входного устройства диффузоре.
Эти двигатели характеризуются крайне низкой эффективностью. При полёте на скорости М=0,5 степень повышения давления в них) равна 1,186, вследствие чего их идеальный термический КПД) составляет всего 4,76 %, а с учётом потерь в реальном двигателе эта величина становится почти равной 0. Это означает, что на скоростях полёта при M<0,5 ПВРД неработоспособен. Но и на предельной для дозвукового диапазона скорости, при М=1 степень повышения давления составляет 1,89, а идеальный термический КПД 16,7 %, что в 1,5 раза меньше чем у реальных поршневых ДВС, и вдвое меньше, чем у газотурбинных двигателей. К тому же, и поршневые, и газотурбинные двигатели эффективны при работе на месте.
По этим причинам дозвуковые прямоточные двигатели оказались неконкурентоспособными в сравнении с авиадвигателями других типов и в настоящее время серийно не выпускаются.
СПВРД предназначены для полётов в диапазоне 1 < M < 5.
Торможение сверхзвукового газового потока происходит всегда разрывно с образованием ударной волны, называемой также скачком уплотнения Процесс сжатия газа на фронте ударной волны не является изоэнтропийным, вследствие чего в нём имеют место необратимые потери механической энергии, и степень повышения давления в нём меньше, чем в идеальном изоэнтропийном процессе. Чем интенсивнее скачок уплотнения, то есть чем больше изменение скорости потока на его фронте, тем больше потери давления, которые могут превышать 50 %.
Процесс торможения сверхзвукового потока во входном устройстве конического течения, внешнего сжатия с тремя скачками уплотнения. М график изменения числа Маха в потоке; p график изменения статического давления.
Беспилотный разведчик Lockheed D-21B. ПВРД с осесимметричным входным устройством с центральным телом.
Плоские входные устройства внутреннего сжатия ПВРД крылатой ракеты воздух земля ASMP
Потери давления удаётся минимизировать за счёт организации сжатия не в одном, а в нескольких последовательных скачках уплотнения меньшей интенсивности, после каждого из которых, скорость потока снижается, оставаясь сверхзвуковой. Это возможно, если все скачки являются косыми, фронт которых наклонён к вектору скорости потока. В промежутках между скачками параметры потока остаются постоянными. В последнем скачке скорость становится дозвуковой и дальнейшее торможение и сжатие воздуха происходит непрерывно в расширяющемся канале диффузора.
В случае, если входное устройство двигателя находится в зоне невозмущённого потока, например, в носовом окончании летательного аппарата, или на консоли на достаточном удалении от фюзеляжа, оно исполняется осесимметричным и снабжается центральным телом длинным острым «конусом», выступающим из обечайки, назначение которого состоит в создании во встречном потоке системы косых скачков уплотнения, обеспечивающих торможение и сжатие воздуха ещё до поступления его в канал входного устройства т. н. внешнее сжатие. Такие входные устройства называются также устройствами конического течения, потому что поток воздуха в них имеет коническую форму. Коническое центральное тело может быть снабжено механическим приводом, позволяющим перемещаться ему вдоль оси двигателя, оптимизируя тем самым торможение воздушного потока на различных скоростях полета. Такие входные устройства именуются регулируемыми.
При установке двигателя на нижней стенке фюзеляжа, или под крылом летательного аппарата, то есть в зоне аэродинамического влияния его элементов, обычно применяются плоские входные устройства двухмерного течения, имеющие прямоугольное поперечное сечение, без центрального тела. Система скачков уплотнения в них обеспечивается благодаря внутренней форме канала. Они называются также устройствами внутреннего или смешанного сжатия, так как внешнее сжатие частично имеет место и в этом случае в скачках уплотнения, образованных у носового окончания и/или у передней кромки крыла летательного аппарата. Регулируемые входные устройста прямоугольного сечения имеют меняющие своё положение клинья внутри канала.
В сверхзвуковом диапазоне скоростей ПВРД значительно более эффективен, чем в дозвуковом. Например, на скорости М=3 для идеального ПВРД степень повышения давления по формуле составляет 36,7, что сравнимо с показателями самых высоконапорных компрессоров турбореактивных двигателей, а термический КПД теоретически) достигает 64,3 %. У реальных ПВРД эти показатели ниже, но даже с учётом потерь, в диапазоне полётного числа Маха от 3 до 5 СПВРД превосходят по эффективности ВРД всех других типов.
При торможении встречного потока воздуха он не только сжимается, но и нагревается, и его абсолютная температура при полном торможении выражается формулой:
где 
температура невозмущённого потока. При М=5 и Тo=273°K температура заторможенного рабочего тела достигает 1638°К, при М=6 2238°К, а с учётом трения и скачков уплотнения в реальном процессе ещё выше. При этом дальнейший нагрев рабочего тела за счёт сжигания топлива становится проблематичным из-за ограничений, накладываемых термической устойчивостью конструкционных материалов, из которых изготовлен двигатель. Потому скорость, соответствующая М=5 считается предельной для СПВРД
Экспериментальный гиперзвуковой летательный аппарат X-43
Иллюстрация газодинамических процессов в плоском ГПВРД с соплом SERNСжатие воздуха происходит в двух скачках уплотнения: внешнем, образованным у носового окончания аппарата, и внутреннем у передней кромки нижней стенки двигателя. Оба скачка косые и скорость потока остаётся сверхзвуковой.
Гиперзвуковым ПВРД называется ПВРД, работающий на скоростях полёта свыше 5М,.
На начало XXI в. этот тип двигателя является гипотетическим: не существует ни одного образца, прошедшего лётные испытания, подтвердившие практическую целесообразность его серийного производства.
Торможение потока воздуха во входном устройстве ГПВРД происходит лишь частично, так что на протяжении всего остального тракта движение рабочего тела остаётся сверхзвуковым. При этом большая часть исходной кинетической энергии потока сохраняется, а температура после сжатия относительно низка, что позволяет сообщить рабочему телу значительное количество тепла. Проточная часть ГПВРД расширяется на всём её протяжении после входного устройства. Горючее вводится в сверхзвуковой поток со стенок проточной части двигателя. За счёт сжигания горючего в сверхзвуковом потоке рабочее тело нагревается, расширяется и ускоряется, так что скорость его истечения превышает скорость полёта.
Двигатель предназначен для полётов в стратосфере. Возможное назначение летательного аппарата с ГПВРД низшая ступень многоразового носителя космических аппаратов.
Организация горения топлива в сверхзвуковом потоке составляет одну из главных проблем создания ГПВРД.
Существует несколько программ разработок ГПВРД в разных странах, все в стадии теоретических изысканий или предпроектных экспериментов.
ПВРД неработоспособен при низких скоростях полёта, тем более при нулевой скорости. Для достижения начальной скорости, при которой он становится эффективным, аппарат с этим двигателем нуждается во вспомогательном приводе, который может быть обеспечен, например, твёрдотопливным ракетным ускорителем, или самолётом-носителем, с которого запускается аппарат с ПВРД.
Неэффективность ПВРД на малых скоростях полёта делает его практически неприемлемым для использования на пилотируемых самолётах, но для беспилотных, боевых, крылатых ракет одноразового применения, летающих в диапазоне скоростей 2 < M < 5, благодаря своей простоте, дешевизне и надёжности, он предпочтителен. Так же ПВРД используются в летающих мишенях. Основным конкурентом ПВРД в этой нише является ракетный двигатель.
ЗУР Bristol Bloodhound
Корабельная ЗУР RIM-8 Talos
Ракета воздух-воздух «Метеор»
Противокорабельная крылатая ракета БраМос.
Противокорабельная крылатая ракета «Москит»
Противокорабельная крылатая ракета «Яхонт».
Пусковая установка ЗРК «Круг», снаряженная 2 ЗУР 3М8
Ядерный ПВРД «Плутон»
Во второй половине 50-х годов ХХв, в эпоху холодной войны В США и СССР разрабатывались проекты ПВРД с ядерным реактором.
Источником энергии этих двигателей является не химическая реакция горения топлива, а тепло, вырабатываемое ядерным реактором, размещённым на месте камеры сгорания. Воздух из входного устройства в таком ПВРД проходит через активную зону реактора, охлаждает его и нагревается сам до температуры около 3000 К, а затем истекает из сопла со скоростью, сравнимой со скоростями истечения для самых совершенных жидкостных ракетных двигателей. Назначение летательного аппарата с таким двигателем межконтинентальная крылатая ракета носитель ядерного заряда. В обеих странах были созданы компактные малоресурсные ядерные реакторы, которые вписывались в габариты большой ракеты. В США по программам исследований ядерного ПВРД «Pluto» и «Tory» в 1964 были проведены стендовые огневые испытания ядерного прямоточного двигателя «Tory-IIC». Лётные испытания не проводились, программа была закрыта в июле 1964. Одной из причин можно назвать совершенствование конструкции баллистических ракет с традиционными химическими ракетными двигателями, которые вполне обеспечили решение боевых задач без применения схем с ядерными ПВРД.
Просмотров: 19852
www.vonovke.ru
Ракетно-прямоточный двигатель содержит обечайку, внутри которой с кольцевым зазором, образующим воздухозаборник, установлен газогенератор с зарядом твердого топлива, на днище которого размещен сопловой блок. Сопловой блок размещен на переднем днище газогенератора. Закритические части сопл установлены с поворотом относительно прорезей критических сечений, выполненных на боковой поверхности газогенератора. Газогенератор снабжен механизмом управления площадью критического сечения сопла, выполненным в виде заслонки с газоотводными окнами и установленным в плоскости камеры сгорания газогенератора таким образом, что образует зазор между боковой поверхностью заслонки и корпусом камеры сгорания газогенератора и имеет возможность образовывать зазор между плоскостью заслонки и сопловым днищем газогенератора. Заслонка может перемещаться относительно соплового днища последнего. Изобретение направлено на повышение надежности работы двигателя при регулировании его тяги в зависимости от условий полета летательного аппарата. 2 ил.
Изобретение относится к реактивной технике, а именно к конструкции ракетно-прямоточных двигателей, и может быть использовано в качестве двигательной установки летательных аппаратов.
Известна конструкция ракетно-прямоточного двигателя по заявке на изобретение Франции N 2549146 от 6 февраля 1985 г., МКИ 7 F 02 К 7/18, содержащего обечайку, внутри которой с кольцевым зазором, образующим воздухозаборник, установлен газогенератор с зарядом твердого топлива, на переднем днище которого размещен сопловой блок. Недостатком этой конструкции является отсутствие возможности регулирования его тяги в зависимости от условий полета летательного аппарата. Кроме того, известно, что любое твердое топливо имеет определенный диапазон давлений устойчивого горения, т.е. минимальный и максимальный уровни давлений. Снижение этого уровня приводит к прекращению горения топлива, а превышение допустимого максимального давления приводит к резкому увеличению скорости горения его, что может стать причиной взрыва камеры сгорания (см. книгу В.Е. Алемасова и др. "Теория ракетных двигателей". М.: Машиностроение, 1969, с. 420-426). Таким образом, ставится задача необходимости обеспечения регулирования тяги ракетно-прямоточного двигателя строго в пределах допустимого диапазона давлений устойчивого горения твердого топлива. Поэтому, для повышения надежности работы двигателя при регулировании его тяги в зависимости от условий полета летательного аппарата, в двигателе сопловой блок размещен на переднем днище газогенератора, закритические части сопл установлены с поворотом относительно осей прорезей критических сечений, выполненных на боковой поверхности газогенератора, и газогенератор снабжен механизмом управления площадью критического сечения сопла газогенератора. Механизм управления выполнен в виде заслонки с газоотводными окнами и установлен в полости камеры сгорания газогенератора таким образом, что образует зазор между боковой поверхностью заслонки и корпусом камеры сгорания газогенератора и имеет возможность образовывать зазор между плоскостью заслонки и сопловым днищем газогенератора, при этом заслонка может перемещаться относительно соплового днища последнего. Предложенный двигатель иллюстрируется графически, где на фиг.1 показан общий вид двигателя, а на фиг.2 - сечение по А-А. Двигатель состоит из стакана 1 камеры сгорания газогенератора с зарядом твердого топлива 2, имеющим отрицательный баланс по окислителю. Впереди стакана 1 газогенератора установлено сопловое днище 3, посредством которого он крепится к корпусу 4 летательного аппарата, а стойками 5 - к корпусу камеры сгорания 6 воздушного контура. Сопловое днище 3 образует совместно со стаканом камеры сгорания 1 газогенератора входной участок 7, соединенный через прорезь критического участка 8 с прямоугольным, в сечении, выходным закритическим участком 9 сопла 10. При этом входной участок 7 имеет поворот оси, относительно начала участка, к критическому сечению 8 на 90o, и выходной участок 9 поворачивается от критического участка 8 к срезу 11 на 75 -90o (см. авт.св. N 294242). Поворот тракта сопла 10 производится в сторону. Выходные участки 9 сопел 10 ограничены по срезу 11 верхней стороной 12, стороной 13, совмещенной с внешней поверхностью стакана камеры сгорания 1 газогенератора, и боковыми стенками 14. Впереди корпуса камеры сгорания 6 воздушного контура имеется воздухозаборное устройство 15, а сзади - реактивное сопло 16. Между боковыми стенками 14 соседних сопл 10 газогенератора образованы воздухозаборные окна воздушного контура. Между стаканом 1 камеры сгорания газогенератора и корпусом 6 воздушного контура находится камера смешения - дожигания 18 двигателя. Внутри стакана 1 газогенератора, со стороны соплового блока 3, установлена заслонка 19 с газоводными окнами 20. Заслонка установлена с возможностью ее продольного относительно соплового блока 3 перемещения. Продольное перемещение заслонки 19 осуществляется через вал 21 приводом 22. Заслонка 19 размещается в стакане 1 так, что плоскость 23 образует зазор с передней частью 24 соплового днища 3. Величина этого зазора не менее размера критического сечения 8, определяемого расчетным путем и обеспечивающего устойчивое горение газогенераторного топлива 2 при минимальном давлении в камере сгорания газогенератора (критические сечения 8 полностью открыты). Между боковой поверхностью заслонки 19 и внутренней поверхностью корпуса 1 камеры сгорания газогенератора тоже имеется зазор 25, величина которого определяется расчетным путем для максимального давления устойчивого горения газогенераторного заряда 2. Двигатель работает следующим образом. Продукты неполного сгорания твердого топлива 2 газогенератора проходят через поворотные сопла 10 в прямоточный контур 18, эжектируя воздух через воздухозаборные окна 17. Далее газовоздушная смесь дожигается в камере 18 прямоточного воздушного контура и продукты истекают через реактивное сопло 16 двигателя, создавая тягу. При этом регулирование тяги осуществляется изменением площади критического сечения 8 сопл газогенератора перемещением плоскости 23 заслонки 19 относительно передней части 24 критического сечения 8 соплового днища 3. Выход продуктов неполного сгорания заряда 2 от поверхности горения к критическому сечению 8 происходит как через окна 20 заслонки 19, так и через зазор 25 между заслонкой 19 и внутренней поверхностью корпуса 1. Совмещение плоскости 23 заслонки 19 с сопловым днищем 3 позволяет выход продуктов сгорания заряда 2 только через зазор 25, когда зазор становится критическим участком сопл газогенератора, т.е. величина критического участка минимальная, давление газов в камере газогенератора максимальное и имеет значение, соответствующее допустимому максимальному давлению устойчивого горения данного топлива. Перемещение заслонки 19 приводом 22 от соплового днища дает возможность выхода продуктов сгорания заряда 2 и через зазор 25, и через зазор, образуемый торцевой плоскостью 23 и передней частью 24 соплового днища 3. При этом по мере перемещения плоскости 23 от соплового днища 3 раскрываемая площадь критического участка 8 будет увеличиваться, а давление в камере сгорания газогенератора - уменьшаться. Максимальное открытие критических участков 8 соответствует минимально допустимому значению давления в камере сгорания по устойчивому горению заряда 2 газогенератора. Область изменения критического сечения газогенераторного сопла и определяет область регулирования тяги двигателя в целом, изменяя мощность истечения газогенераторной струи из сопл 10 в камеру смешения - дожигания 18, что в свою очередь влияет на эжектирующие свойства газогенераторной струи, а значит и на количество поступающего в камеру 18 окислителя. Изменение критического сечения сопл газогенератора в соответствии с заданным для конкретного топлива диапазоном рабочих давлений по устойчивости его горения, когда минимальному давлению в камере газогенератора соответствует полное раскрытие критических участков его сопл, а максимальному давлению - минимальное проходное сечение критических участков, в первом случае предотвращает прекращение горения заряда 2, во втором - взрыв корпуса 1 газогенератора. Предлагаемое техническое решение позволяет повысить надежность работы двигателя при регулировании его тяги за счет введения в его конструкцию механизма управления площадью критического сечения сопла газогенератора, у которого крайние величины критического сечения учитывают рабочие диапазоны давлений устойчивого горения топлива. Представленное к защите патентом техническое решение может быть изготовлено на предприятиях, выпускающих подобную продукцию на базе технологии производства уже известных ракетно-прямоточных двигателей.Формула изобретения
Ракетно-прямоточный двигатель, содержащий обечайку, внутри которой с кольцевым зазором, образующим воздухозаборник, установлен газогенератор с зарядом твердого топлива, на днище которого размещен сопловой блок, отличающийся тем, что сопловой блок размещен на переднем днище газогенератора, закритические части сопл установлены с поворотом относительно осей прорезей критических сечений, выполненных на боковой поверхности газогенератора, и газогенератор снабжен механизмом управления площадью критического сечения сопла, выполненным в виде заслонки, с газоотводными окнами и установленным в плоскости камеры сгорания газогенератором таким образом, что образует зазор между боковой поверхностью заслонки и корпусом камеры сгорания газогенератора и имеет возможность образовывать зазор между плоскостью заслонки и сопловым днищем газогенератора, при этом заслонка может перемещаться относительно соплового днища последнего.РИСУНКИ
Рисунок 1, Рисунок 2www.findpatent.ru
(5)
— давление в полностью заторможенном потоке; po{\displaystyle p_{o}}
— атмосферное давление; Mn{\displaystyle M_{n}}
— полётное число Маха (отношение скорости полёта к скорости звука в окружающей среде), k{\displaystyle k}
— показатель адиабаты, для воздуха равный 1,4.
в камере сгорания, что влечёт за собой увеличение термического КПД, который для идеального ПВРД выражается формулой[1]
(3)
— сила тяги, v{\displaystyle v}
— скорость полёта, ve{\displaystyle v_{e}}
— скорость реактивной струи относительно двигателя, dmfdt{\displaystyle {\frac {dm_{f}}{dt}}}
— секундный расход горючего. 
,
— плотность воздуха (зависит от высоты), dVdt{\displaystyle {\frac {dV}{dt}}}
— объём воздуха, который поступает в воздухозаборник ПВРД за единицу времени, S{\displaystyle S}
— площадь сечения входа воздухозаборника, v{\displaystyle v}
,
— секундный расход воздуха, dmfdt{\displaystyle {\frac {dm_{f}}{dt}}}
— стехиометрический коэффициент смеси горючего и воздуха.
