Новый реактивный двигатель на основе воздушной плазмы

Источник: журнал «Наука и техника»

Опубликовано: 07.05.2020, 11:43

Прототип оригинального реактивного двигателя на основе воздушной плазмы может создавать тягу без использования ископаемого топлива, что потенциально позволит решить проблему экологичных воздушных перевозок. Устройство ионизирует воздух микроволнами, генерируя плазму, которая создает тягу. Таким образом, самолеты могут когда-нибудь летать, используя только электричество и воздух вокруг них.

Прототип двигателя, работающего на воздушной плазме создали китайские ученые из Уханьского университета. Исследователи нашли способ создать струю плазмы за счет сильного сжатия воздуха и использования микроволнового излучения для ионизации потока.

Сейчас прототип способен создать струю воздуха, которая может поднять стальной шарик весом один килограмм над трубкой диаметром 24 миллиметра. При увеличении масштабов тяга будет сравнима с показателями реактивных двигателей.

Прототип концепта и серийная реализация двигателя

Между прототипом проверенного концепта и установкой двигателя на реальном самолете предстоит долгий путь. Но прототип смог создать тягу, запустив в воздух стальной шарик весом в один килограмм (2,2 фунта) на 24 миллиметра. Это та же тяга, пропорциональная масштабу, что и у обычного реактивного двигателя.

«Наши результаты показали, что такой реактивный двигатель на основе микроволновой воздушной плазмы может быть потенциально жизнеспособной альтернативой обычному реактивному двигателю на ископаемом топливе», — сказал в своем пресс-релизе ведущий исследователь и инженер Уханьского университета Джау Тан.

Китайские ученые продемонстрировали в лабораторных условиях прототип микроволнового плазменного двигателя, способного работать в атмосфере Земли и создавать тягу с эффективностью, сравнимой с реактивными двигателями, которые используются на современных авиалайнерах.

Воздушно-плазменное реактивные двигатели — новый подход к решению проблемы

В предлагаемом опытном образце реактивного двигателя используется воздушная плазма, индуцированная микроволновой ионизацией. Такой реактивный двигатель просто использует воздух и электричество для получения высокой температуры и плазмы под давлением для создания реактивной силы. Исследователи продемонстрировали, что при одинаковом энергопотреблении его тяга сопоставима с тягой обычных реактивных двигателей самолетов, использующих ископаемое топливо. Следовательно, такой двигатель без выбросов углерода может потенциально использоваться в качестве реактивного двигателя в атмосфере.

В конструкции двигателя используется воздушный компрессор для создания начальной скорости воздуха, затем ионизируется воздух в плазму и нагревается до высоких температур и давлений с помощью мощного микроволнового излучателя

Подобно твердым телам, жидкостям и газам, плазма является нормальным состоянием вещества. Плазма естественным образом возникает вследствие ионизации молекул при высоких температурах (например, на солнце) или в сильных электрических полях (например, при молнии). В лаборатории плазма может генерироваться с использованием электрической дуги, микроволнового резонатора, лазера, пламени огня или высоковольтного разряда.

Плазма имеет широкое применение во многих областях, в т. ч. на реактивных двигателях космических кораблей, использующих ксеноновую плазму. При этом она создает небольшую тягу и может использоваться только в космическом безвоздушном пространстве.

Плазменные двигатели уже применяются на космических кораблях в качестве средства солнечно-электрического передвижения, использующего плазму ксенона, но такие вещи бесполезны в атмосфере Земли, поскольку ускоренные ионы ксенона теряют большую часть своей силы тяги из-за трения о воздух. Не говоря уже о том, что они не создают достаточной тяги.

Новый проект, разработанный и созданный группой специалистов из Института технических наук Уханьского университета, использует только воздух и электричество и, по-видимому, произведет впечатляющий прорыв, который может привести к тому, что он станет актуальным для применения в электрических самолетах.

Воздушно-плазменное реактивное устройство работает путем ионизации воздуха, чтобы создать низкотемпературную плазму, которая продувается воздушным компрессором. На полпути вверх по трубе в ионизационной камере на плазму воздействует мощный микроволновый излучатель частотой 2,45 ГГц, который сильно «встряхивает» ионы в плазме, разбивая их о другие неионизированные атомы и значительно повышая температуру и давление плазмы. Эта температура и давление создают значительную силу тяги.

В предлагаемом прототипе плазменного реактивного двигателя может генерироваться приблизительно 11 Н тяги при 400 Вт мощности, используя 0,5 л / с для воздушного потока, что соответствует тяге 28 Н / кВт и давлению струи 2,4 × 10 4 Н / м2. При более высокой микроволновой мощности или большем потоке воздуха могут быть достигнуты силы тяги и реактивные давления, сравнимые с показателями реактивных двигателей коммерческих самолетов.

Исследователи проверили параметры в диапазоне различных уровней мощности и скоростей воздушного потока, и, несмотря на несколько импровизированную технику измерения, они обнаружили линейную зависимость между движущей силой тяги и микроволновой мощностью, а также воздушным потоком.

Реальные достижения и обоснованные сомнения

С точки зрения эффективности, движущая сила при 400 Вт и 1,45 кубических метров воздуха в час составила 11 Ньютонов, что представляет собой преобразование мощности в тягу 27,5 Н / кВт. Предполагая линейную экстраполяцию, команда предположила, что она может взять батарею Tesla Model S, способную выдавать мощность 310 кВт, и превратить ее в нечто вроде силы тяги в 8500 Н.

Для сравнения, в электрическом самолете Airbus E-Fan используется пара вентиляторов с электроприводом мощностью 30 кВт, которые в совокупности производят 1500 Н тяги. Это подразумевало бы высокие показатели — около 25 Н / кВт, что не так хорошо, как у первого прототипа, собранного в этой лаборатории.

Исследователи утверждают, что эффективность тяги уже сравнима с эффективностью реактивных двигателей коммерческих самолетов. Исследователи уже работают над отказом от метода испытаний стальных шариков для чего-то более надежного и точного, а также пытаются повысить эффективность конструкции. Но уже полученные результаты, безусловно, выглядят многообещающими для этой новой идеи плазменного двигателя в двигателе электрического самолета, с несколькими важными оговорками.

Во-первых, в eVTOL не будет большой замены в качестве замены оборудования или канального вентилятора, независимо от того, насколько тише он может работать, если эта плазма выходит при температурах в тысячи градусов. И, во-вторых, как было отмечено в анализе Ars Technica , «воздушные потоки примерно в 15 000 раз ниже, чем у полноразмерного двигателя. Тяга также должна масштабироваться примерно на четыре порядка (то есть мощность тоже.) Экстраполяция линейных трендов на четыре порядка — хороший способ разочароваться в жизни».

Кроме того, по какой-то причине точки данных не показывают самые высокие уровни микроволновой мощности при самых высоких воздушных скоростях, которые, как кажется, позволяет испытательный стенд, сигнализируя о том, что в лаборатории уже могут начаться странные вещи.

И, наконец, даже если он является настолько же эффективным или более эффективным, чем обычный старый двигатель Airbus для данного количества потребляемой энергии, факт остается фактом: авиационное топливо несет гораздо больше энергии для данного веса, чем батареи. Тем не менее, это интересная и новая конструкция плазменного двигателя, и интересно посмотреть, что из этого выйдет. Если он окажется масштабируемым и эффективным до уровня, благоприятного для воздушных судов, он может внести реальный вклад в развивающуюся область электрической авиации с нулевыми локальными выбросами.

Авторские права на данный материал принадлежат журналу «Наука и техника».
Цель включения данного материала в дайджест — сбор
максимального количества публикаций в СМИ и сообщений компаний по
авиационной тематике. Агентство «АвиаПорт» не гарантирует достоверность, точность, полноту и
качество данного материала.

Реактивный двигатель презентация, доклад

Реактивный двигатель

Работу выполнили
ученицы 10 класса Шишкина Ксения и Алексеева Анастасия

Реактивный двигатель – это…

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

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

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

Появление

Реактивный двигатель был изобретен Гансом фон Охайном выдающимся немецким инженером-конструкторм и Фрэнком Уиттлом. Первый патент на работающий газотурбинный двигатель, был получен в 1930 году Фрэнк Уиттлом. Однако первую рабочую модель собрал именно Охайн.

Классы реактивных двигателей

Воздушно-реактивные двигатели 
— тепловые двигатели,
которые используют энергию
 окисления горючего
кислородом воздуха, забираемого
из атмосферы.
Рабочее тело этих двигателей
представляет собой смесь
продуктов горения с остальными
компонентами забранного воздуха.

Ракетные двигатели —
содержат все компоненты
рабочего тела на борту и
способны работать в
любой среде, в том числе
и в безвоздушном
пространстве.

Типы реактивных двигателей

Турбовинтовой двигатель. В этом типе двигателя мощность турбины через понижающий редуктор направляется на вращение классического винта. Такие двигатели позволят большим самолетам летать на приемлемых скоростях и тратить меньше горючего. Нормальной крейсерской скоростью турбовинтового самолета считается  600—800 км/ч.

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

3.Прямоточный воздушно-реактивный двигатель
Работает без подвижных деталей.
Воздух нагнетается в камеру
сгорания естественным способом,
за счет торможения потока об обтекатель вх
одного отверстия.
Далее все происходит так же как в обычном
реактивном двигателе – воздух смешивается
с горючим и выходит в виде реактивной струи из сопла.
Использовался на поездах,
самолетах, БЛА, и в боевых ракетах, а также на
велосипедах и скутерах.

Составные части реактивного двигателя

Любой реактивный двигатель должен иметь, по крайней мере, две составные части:

Камера сгорания («химический реактор») — в нем происходит освобождение химической энергии топлива и её преобразование в тепловую энергию газов.
Реактивное сопло («газовый туннель») — в котором тепловая энергия газов переходит в их кинетическую энергию, когда из сопла газы вытекают наружу с большой скоростью, тем самым создавая реактивную тягу.

Устройство реактивного двигателя

Скачать презентацию

Как работают реактивные двигатели?

Реактивные двигатели изменили авиаперевозки с момента их широкого распространения более полувека назад. Мощность этих революционных двигателей позволила людям летать дальше, быстрее и дешевле, чем когда-либо прежде. Но как работают эти двигатели?

Газовая турбина

Турбовентиляторные двигатели

используются во многих современных коммерческих самолетах. Они являются частью семейства двигателей, называемых газовыми турбинами, в которое входят двигатели для некоторых вертолетов, небольшие силовые установки и даже для некоторых типов танков.

Название «турбина» дает некоторое представление о том, как работает этот тип двигателя. Другие турбины, такие как ветряные турбины или паровые турбины, все полагаются на что-то вращающееся для выработки энергии. Газовые турбины ничем не отличаются. В то время как ветер вращает ветряную турбину, а пар приводит в действие паровую турбину, другой тип сжатого газа вращает газовую турбину – воздух.

Газовые турбины должны сами производить этот воздух под высоким давлением, чтобы обеспечить подачу мощности к двигателю. Они делают это, сжигая что-то очень энергоемкое, например топливо для реактивных двигателей, керосин или природный газ. При сжигании топлива воздух расширяется, и именно этот поток горячего воздуха заставляет турбину вращаться.

Все газотурбинные двигатели полагаются на вращение турбины для создания силы. Фото: ГЭ

Сосать, сжимать, трахать, дуть

Процесс, при котором это происходит, иногда прямо объясняют концепцией «сосать, сжимать, хлопать, дуть». Воздух всасывается в двигатель спереди с помощью большого вентилятора, который виден, если смотреть на самолет прямо.

Этот воздух затем сжимается на следующей ступени двигателя — это часть «сжатия». Второй вентилятор увеличивает давление в воздухе примерно в восемь раз, что также значительно повышает его температуру.

Топливо смешивается с воздухом и воспламеняется – бах – производя энергию. Этот горячий воздух под высоким давлением проходит мимо лопастей турбины, заставляя их вращаться. Эта турбина соединена осью с компрессором и вентилятором, поэтому, когда газы вращают турбину, это приводит к вращению как впускного вентилятора, так и вентилятора компрессора.

Наконец, горячие выхлопные газы выходят из двигателя через сужающееся выпускное сопло. Подобно тому, как надевание большого пальца на конец шланга (уменьшая выходное отверстие для воды) заставляет воду выбрасываться с высокой скоростью, этот конический выхлоп ускоряет выходящие газы. Горячий воздух, выходящий из двигателя, движется со скоростью более 2100 км/ч (1300 миль в час), что примерно вдвое превышает скорость холодного воздуха, поступающего спереди.

Конический выхлоп означает, что воздух выходит из двигателя намного быстрее, чем он входит. Фото: ГЭ

Именно этот быстро движущийся воздух толкает автомобиль вперед. Военные самолеты (и один особенный пассажирский самолет) иногда используют форсажную камеру. Это просто топливо, впрыскиваемое прямо в выхлопной жиклер для создания дополнительной тяги. Но для большинства пассажирских самолетов толчка от движущегося воздуха более чем достаточно, чтобы обеспечить достаточное поступательное движение крыльев для создания подъемной силы.

Совершенно просто?

Звучит достаточно просто? По сути, это так, но связанные с этим давление и высокие температуры делают разработку реактивных двигателей довольно сложной задачей. В камере сгорания, где сжатый воздух смешивается с топливом, температура горения достигает 900 °C (1650 °F).

Это означает, что двигатели должны быть изготовлены из прочных, но легких, термически стабильных и устойчивых к коррозии компонентов, которые не будут гнуться, ломаться или ослабевать при экстремальных температурах и давлениях. На заре реактивного двигателя прототипы сэра Фрэнка Уиттла полагались на сталь. Это был прочный и твердый материал, но он не выдерживал нагрузок современной газовой турбины. Сталь начинает разлагаться примерно при 500 °C (932°F).

Для современных двигателей требуются легкие, прочные материалы, способные выдерживать экстремальные температуры. Фото: ГЭ

Непригодность стали означала, что производителям двигателей пришлось искать другой тип материала. Металлом Златовласки, на котором остановились производители, был никель с примесью хрома. Он был легким, дешевым и прочным. Он противостоял коррозии и сохранял свою целостность до 85% температуры плавления, что составляет ошеломляющие 1455 ° C (2651 ° F).

Эти первые суперсплавы позволили реактивным двигателям стать дешевле, эффективнее и намного проще в массовом производстве. Потомки этой смеси до сих пор обеспечивают структуру самой горячей части газотурбинного двигателя, работающего при температурах до 1700 ° C (3000 ° F), что несколько выше температуры плавления металла. Так как же производители двигателей обеспечивают целостность этих деталей?

Охладите свои самолеты

Первая стратегия заключается в нанесении керамического покрытия, уменьшающего проникновение тепла. Во-вторых, холодный воздух подается на поверхность лопастей, втягивается дальше по двигателю и распределяется через крошечные отверстия на поверхности лопастей. В интервью The Engineer руководитель отдела материалов Rolls-Royce Нил Гловер объяснил:0003

«Лезвия работают в среде, на несколько сотен градусов более горячей, чем температура плавления никелевого сплава, но из-за механизмов охлаждения металл никогда не нагревается выше своей точки плавления, несмотря на температуру окружающей среды».

Монокристаллическая лопатка турбины намного более стабильна. Фото: Роллс-Ройс

Технология материалов

пошла еще дальше, перестроив атомную структуру металла, чтобы избежать потери целостности. Крошечные кристаллы, из которых состоят металлы, спроектированы таким образом, чтобы расти в одном направлении, чтобы устранить слабые места, обычно встречающиеся на границах кристаллов. Это означает, что лезвия фактически подобны драгоценному камню с единственной атомной решеткой, проходящей через всю их структуру.

С годами никелевые сплавы совершенствовались путем создания новых смесей и добавления новых элементов. Это дает разработчику турбин свободу действий для создания идеального сочетания компонентов двигателя.

Использование различных комбинаций сплавов позволяет производителям разрабатывать детали для современных двигателей на заказ. Фото: Pratt & Whitney

Уравновешивание

По мере развития и совершенствования конструкции двигателей турбовентиляторные двигатели обычно становились больше. Это связано с тем, что большая часть создаваемой тяги является результатом входящего воздуха, отводимого вокруг компрессора и турбины. Разница в объеме воздуха, подаваемого на турбину, по сравнению с тем, который отводится вокруг нее, известна как «коэффициент двухконтурности» 9.0003

Эта «перепускная тяга» не требует непосредственного сжигания топлива. Таким образом, эффективность двигателя была улучшена за счет увеличения степени двухконтурности, что означает создание двигателя большего диаметра. Но в этом есть и обратная сторона. Увеличение размера двигателя означает также увеличение размеров вентиляторных секций, что делает двигатель тяжелее. Каждый лишний килограмм веса в секции вентилятора требует 2,25 кг дополнительной несущей конструкции в двигателе и крыле.

Чтобы немного уменьшить увеличившийся вес более экономичных двигателей, производители начали использовать композитные материалы в качестве замены металлам. Композиты с керамической матрицей такие же прочные, как металлы, но в три раза легче никелевых сплавов.

GE9X должен стать самым большим в эксплуатации, когда 777X начнет обслуживание. Фото: ГЭ

Самый большой в мире двигатель GE9X для 777X использует композитные материалы для изготовления лопастей вентилятора и корпуса. Он также использует композиты с керамической матрицей в турбине и камере сгорания. Этот большой, легкий и мощный двигатель обещает быть на 10% более экономичным, чем его предшественник, GE90, а также является самым тихим двигателем, когда-либо произведенным GE.

Реактивный двигатель Определение и значение

• Основные определения
• Викторина
• Сопутствующее содержимое
• Примеры
• Британский
• Научный

Показывает уровень сложности слова.

Сохрани это слово!

См. синонимы слова реактивный двигатель на сайте Thesaurus. com

Показывает уровень обучения в зависимости от сложности слова.

сущ.

двигатель, такой как авиационный двигатель, который создает движение вперед за счет выброса назад струи жидкости или нагретого воздуха и газов.

ВИКТОРИНА

ТЫ ПРОШЕШЬ ИЛИ НАТЯНУСЬ НА ЭТИ ВОПРОСЫ ПО ГРАММАТИКЕ?

Плавно переходите к этим распространенным грамматическим ошибкам, которые ставят многих людей в тупик. Удачи!

Вопрос 1 из 7

Заполните пропуск: Я не могу понять, что _____ подарил мне этот подарок.

Также называется реактивным двигателем, реактивным двигателем.

Происхождение реактивного двигателя

Первое упоминание в 1940–1945 гг. , Джетро

Dictionary.com Полный текст
Основано на словаре Random House Unabridged Dictionary, © Random House, Inc. 2022

Слова, относящиеся к реактивному двигателю

fanjet, pulsejet, ramjet, реактивный двигатель, ракета, ракетный двигатель, турбовентиляторный, турбореактивный, турбовинтовой

Как использовать реактивный двигатель в предложении

• Компания использовала машинное обучение для удаленного контроля работы оборудования в реактивных двигателях и атомных электростанциях.

  Как носимый ИИ может помочь вам вылечиться от COVID|Род Маккаллом|9 июня, 2021|MIT Technology Review

• Мы обнаружили проблемы в реактивных двигателях раньше, чем GE, Pratt & Whitney и Rolls-Royce, потому что разработали индивидуальную модель для каждого двигателя.

  Как носимый искусственный интеллект может помочь вам вылечиться от ковида|Род Маккаллом|9 июня 2021 г.|MIT Technology Review

• Реактивные двигатели А-12 — настолько мощные, что директор центральной разведки однажды сказал, что они звучали так, как будто «Сам Дьявол пробивал себе путь прямо из ада» — начал давать сбои, а потом захлебнулся.

  Полвека назад у Зоны 51 разбился самолет-разведчик ЦРУ. Этот исследователь нашел его.|Сара Скоулз|5 января 2021 г.|Popular-Science

• Огромный корабль также оснащен самыми большими реактивными двигателями в мире, GE9X, каждый из которых оснащен вентилятором диаметром 11 футов.

  100 величайших инноваций 2020 года|Научно-популярные сотрудники|2 декабря 2020 г. |Научно-популярные новости

• В конце прошлого месяца Федеральное авиационное управление утвердило самый большой коммерческий реактивный двигатель в мире.

  Объяснение самого большого в мире реактивного двигателя|Роб Верже|14 октября 2020 г.|Popular-Science

• Кроме того, у реактивного самолета нет возможности снимать видео высокой четкости, использовать инфракрасный указатель.

  Осечки Пентагона в скандале с реактивным самолетом-невидимкой|Дэйв Маджумдар|8 января 2015 г.|DAILY BEAST

• Реактивный двигатель мгновенно принес два преимущества по сравнению с винтами: он удвоил скорость и стал намного надежнее.

  Рейс 8501 ставит вопрос: слишком ли автоматизированы современные самолеты, чтобы летать?|Клайв Ирвинг|4 января 2015 г.|DAILY BEAST

• F-35 был уничтожен при взлете в начале года, когда конструктивный недостаток его двигателя Pratt & Whitney F135 вызвал пожар.

  Новый американский реактивный самолет-невидимка не сможет стрелять из пушки до 2019 г. |Дэйв Маджумдар|31 декабря 2014 г.|DAILY BEAST сделать оружие полезным.

  Новый американский реактивный самолет-невидимка не сможет стрелять из пушки до 2019 года | Дэйв Маджумдар | 31 декабря 2014 г. | DAILY BEAST

• Поисковые группы находят десятки людей и обломки самолета, плавающие в Яванском море, поскольку авиакомпания подтверждает, что это обломки QZ8501.

  Найдены обломки, тела авиакатастрофы AirAsia|Леннокс Сэмюэлс|30 декабря 2014|DAILY BEAST

• Это был всего лишь паровоз, тянущий поезд к станции, чтобы забрать пассажиров.

  Смешной поросенок Сквинти|Ричард Барнум

• «Mon pauvre petit, вы проголодались», — сказал Аристид, неся его к машине, которую трясло от лязгающего двигателя.

  Веселые приключения Аристида Пухоля|Уильям Дж. Локк

• С другой стороны к машинному отделению примыкает конюшня, где держат пять великолепных лошадей.

  Бирмингемский словарь Шоуэлла | Томас Т. Харман и Уолтер Шоуэлл

• Огромный паровоз, чудесные вагоны, внушительная охрана, занятые носильщики и шумная станция.