История развития реактивных двигателей
Разработки по созданию самолета с реактивным двигателем велись еще в XIX веке. В 1867 году отставной капитан артиллерии Николай Телешов запатентовал во Франции свои изобретения — проект самолета «Дельта» и созданный для него воздушно-реактивный пульсирующий двигатель. Этот двигатель под названием «теплородный духомёт» был прототипом аналогичных современных двигателей.
Румынский изобретатель-любитель Александр Чурку со своим французским коллегой Жюстом Бюсиссоном в 1886 году испытали на реке Сене первую в мире лодку на реактивном двигателе, предполагая, что в будущем такой двигатель можно установить на самолеты. Во время одного из испытании Бюсиссон погиб. Спасшийся вплавь Александру Чурку обвинялся в непредумышленном убийстве, но его оправдали.
Первый самолет «Флайер-1» братьев Райт в 1903 году использовал поршневой двигатель. Это техническое решение было основным в авиации до 1940-х годов. Поршневые двигатели совершенствовались, но к концу Второй мировой войны стало ясно, что они недостаточно мощные из-за ограничений веса и компактности. Эпоха поршневой авиации завершилась вместе со смертью Орвилла Райта в 1948 году.
Еще в 1930-е годы инженеры и ученые предвидели скорый кризис в авиационном двигателестроении и искали пути выхода из него. Фрэнк Уиттл, английский инженер, разработал первый успешный реактивный двигатель с внешним сжатием. Этот двигатель использовал внешнюю компрессию воздуха. Уиттл получил патент на свое изобретение в 1930 году.
Во время Второй мировой войны реактивные двигатели стали важным элементом военной авиации. Немецкий инженер Ганс фон Охайн разработал первый в мире реактивный самолет — Messerschmitt Me 262. Этот самолет стал первым оперативным реактивным истребителем, который использовал внутреннее сжатие воздуха для повышения эффективности двигателя.
После Второй мировой войны разработки реактивных двигателей продолжились в США и других странах. В 1947 году американский летчик Чарльз Ягер стал первым человеком, преодолевшим звуковой барьер на самолете с реактивным двигателем Bell X-1. В 1952 году в Великобритании запустили коммерческие полеты первого в мире гражданского реактивного самолета de Havilland Comet.
В СССР в 1946 году разработали первый отечественный серийный реактивный самолет Як-15 на базе цельнометаллического варианта поршневого истребителя Як-3. Главное отличие — поршневой мотор ВК-107А заменили на трофейный двигатель Jumo-004, адаптированный в моторостроительном КБ В. Я. Климова. Год спустя, в 1947 году, прошли государственные испытания первого полностью отечественного турбореактивного двигателя ТР-1, разработанного в КБ А. М. Люльки. В 1955 году был представлен первый отечественный реактивный пассажирский авиалайнер Ту-104.
Попытки усовершенствования
Совершенствование реактивных двигателей было постоянным процессом в истории авиации, улучшения могли внедряться в разных направлениях.
Повышение тяги
С развитием технологий инженеры стремились увеличить тягу реактивных двигателей через улучшение аэродинамики, оптимизацию горения топлива, повышение степени сжатия и использование новых материалов. Например, американская компания General Electric в 1990 году разработала высокотяговый двигатель GE90. Он применяется на широкофюзеляжных самолетах Boeing 777. Двигатель даже был занесен в книгу рекордов Гиннесса как имеющий самую большую тягу — 569 кН.
Улучшение экономичности и снижение потребления топлива
Это включало разработку более эффективных систем сжигания топлива, регулирование тяги и оптимизацию работы двигателя в различных режимах полета. Так, компания Pratt & Whitney в 2007 году выпустила двигатели PW1000G, которые, по утверждениям разработчика, на 16% экономичнее, чем предыдущее поколение, и на 75% тише.
Снижение шума и выбросов
Инженеры стремились создать более тихие и экологически чистые реактивные двигатели с помощью внедрения систем шумоподавления и совершенствования процесса сгорания. Например, в 2003 году Rolls-Royce испытала Trent 900. Четвертый двигатель семейства Trent включает в себя технологии, которые снижают шум и вес при одновременном повышении эффективности. 24 лопасти вентилятора двигателя имеют стреловидную конструкцию, которая уменьшает влияние ударных волн, когда кончик вентилятора вращается со сверхзвуковой скоростью.
Интеграция новых технологий
В последние десятилетия в реактивные двигатели внедряют электронные системы управления, современные материалы, более точное управление тягой и автоматизированные системы диагностики и обслуживания. Так, в 2020 году китайские физики представили прототип реактивного двигателя, не использующего горючее топливо. Движущей силой в нем выступает струя сжатой плазмы, получаемая непосредственно из воздуха.
Реактивный двигатель и принцип его работы
Реактивный двигатель — это основной тип двигателя, используемый в реактивных самолетах и других летательных аппаратах. Он работает на основе третьего закона Ньютона, известного как «закон действия и противодействия». Принцип работы реактивного двигателя основан на сжатии воздуха, смешивания его с топливом и последующего сгорания. В результате сгорания образуется горячий газ, который выходит из двигателя через сопло, создавая реактивную тягу и выталкивая самолет вперед.
Вспомните воздушный шарик, который движется вперед, когда из него выходит воздух. Шарик наполняется горячим воздухом или гелием, что создает разницу в давлении между его внутренней и внешней частями. Когда шарик отпускают, газ выбрасывается в заднюю часть, создавая тягу и перемещая шарик вперед. Аналогично двигатель сжигает топливо и выдувает газы через сопло, создавая тягу и приводя в движение транспортное средство.
Устройство реактивного двигателя
Воздухозаборник находится спереди двигателя и отвечает за впуск воздуха. Воздухозаборник обычно имеет специальную форму, чтобы создавать оптимальные условия для входа воздуха.
Компрессор. Воздух, попавший в двигатель через воздухозаборник, проходит через компрессор, где он сжимается. Компрессор состоит из ряда лопаток, которые увеличивают давление и плотность воздуха.
Камера сгорания. После прохождения через компрессор сжатый воздух попадает в камеру сгорания, где смешивается с топливом и подвергается горению. В результате выделяется высокотемпературный газ высокого давления.
Турбина. Высокотемпературные газы из камеры сгорания проходят через турбину. Газы воздействуют на лопасти турбины, вызывая ее вращение.
Сопло. Горячие газы, выходящие из турбины, проходят через сопло. Сопло сужается, ускоряя газовую струю и создавая реактивную тягу. По третьему закону Ньютона, выталкивание газовой струи назад создает противодействующую тягу, двигающую самолет вперед.
Какими бывают реактивные моторы
Реактивные моторы можно разделить на воздушно-реактивные (ВРД) и ракетные (РД).
Воздушно-реактивные двигатели
ВРД используют атмосферный воздух в качестве рабочего тела для создания тяги. Рабочее тело — это вещество или среда, которая подвергается процессам сжатия, нагревания и расширения, чтобы создать полезную работу или тягу. Они получают кислород из окружающей среды для сжигания топлива в камере сгорания и подразделяются на:
Турбореактивный двигатель (ТРД)
Состоит из компрессора, камеры сгорания и турбины. Он сжимает воздух с помощью компрессора, смешивает его с топливом и сжигает в камере сгорания, а затем расширяет выхлопные газы через турбину, создавая тягу.
Прямоточный воздушно-реактивный двигатель (ПВРД)
Упрощенный вариант ВРД, где воздух не проходит через компрессор и турбину, а непосредственно сжигается в камере сгорания и расширяется через сопло, создавая тягу. Часто используется на малых самолетах.
Пульсирующий воздушно-реактивный двигатель (ПуВРД)
Такой двигатель использует принцип пульсации воздуха для создания тяги. Он имеет периодически изменяющийся объем горячих газов, создаваемый специальными клапанами или взрывными зарядами внутри камеры сгорания.
Гиперзвуковой прямоточный воздушно-реактивный двигатель (ГПВРД)
Этот двигатель предназначен для полета со сверхзвуковыми скоростями. Такие установки работают на основе сжатия воздуха с помощью ударной волны и последующего сжигания топлива в камере сгорания.
Ракетные двигатели не зависят от окружающей среды. Они хранят все необходимые компоненты, включая топливо и окислитель, на борту, за счет чего могут работать в космосе. Рабочее тело создается путем реакции окисления топлива с окислителем в камере сгорания. Ракетные двигатели включают в себя:
Жидкостный ракетный двигатель (ЖРД)
Использует жидкое топливо и жидкий окислитель, которые хранятся в отдельных резервуарах на борту ракеты. Топливо и окислитель подаются в камеру сгорания, где они смешиваются и сжигаются, создавая газовые струи, которые создают тягу. ЖРД обеспечивают высокую управляемость и возможность регулирования тяги.
Твердотопливный ракетный двигатель (ТРД)
Такой двигатель имеет твердую смесь топлива и окислителя —твердое топливо, которое хранится в виде топливного заряда. При зажигании топливо сгорает, создавая газовые струи и тягу. ТРД обладают простой конструкцией и могут храниться длительное время без потери своих свойств.
Гибридный ракетный двигатель сочетает в себе элементы жидкостного и твердотопливного двигателей. У него твердое топливо, но окислитель подается в жидком состоянии.
Газовый ракетный двигатель работает на основе высокоскоростного выброса газов, который создается путем расширения и ускорения газового потока. Они часто используются в гиперзвуковых и космических приложениях.
Ионный ракетный двигатель — это электрический двигатель, использующий ионизацию и ускорение заряженных частиц для создания тяги. Он обладает высокой эффективностью и точным управлением тягой, и поэтому подходит для длительных космических миссий.
Реактивные двигатели в самолете
Реактивные двигатели стали активно использоваться в самолетах с середины XX века. Они обладают быстрым откликом и хорошей управляемостью, что важно для маневров и изменения скорости в полете.
Воздушно-реактивные двигатели, такие, как турбореактивные и прямоточные воздушно-реактивные, наиболее распространены в коммерческой и военной авиации. Небольшие твердотопливные двигатели применяются в качестве ускорителей при взлете самолетов.
Реактивные двигатели в космосе
Это жизненно важные компоненты для космических миссий. Они обеспечивают тягу и маневренность космических аппаратов в условиях невесомости и вакуума космоса. Их используют для запуска ракет-носителей, коррекции орбиты спутников и космических экспедиций. Например, ракета Falcon 9 компании SpaceX использует реактивные двигатели Merlin для вывода спутников на орбиту, а используемая NASA в программе Apollo для доставки астронавтов на Луну ракета Saturn V оснащалась мощными двигателями F-1.
Однако такие двигатели не подходят для дальних космических полетов из-за ограниченных ресурсов топлива. Как более перспективный вариант рассматривается ядерная энергия.
Плюсы и минусы реактивных двигателей
Преимущества:
- Высокая тяга позволяет достичь значительных скоростей и преодолевать силы сопротивления.
- Обеспечивают быстрые и точные маневры в космическом пространстве или в атмосфере.
- Работают в вакуумных условиях космоса, где отсутствует воздух или другие среды, что позволяет использовать их в космических миссиях.
- Долговечны. Например, у ионного двигателя длительный срок службы благодаря эффективному использованию топлива.
Недостатки:
- Разработка и производство требуют значительных финансовых затрат, что делает их дорогими для использования.
- Требуют больших объемов топлива для обеспечения необходимой тяги, что может быть дорого и сложно в условиях длительных космических миссий.
- Работа сопровождается высокими температурами, что требует применения специальных материалов и систем охлаждения.
- Выделяют продукты горения, которые могут негативно влиять на окружающую среду.
