Повітряно-реактивний двигун

Потік реактивного струменя з сопла ракетного двигуна RS-68 на випробуваннях в Космічному центрі ім. Стенніса, НАСА, Каліфорнія, США

Повітряно-реактивний двигун — тепловий реактивний двигун, у якому як робоче тіло використовується атмосферне повітря, що нагрівається за рахунок згоряння пального в атмосферному кисні.

Повітряно-реактивні двигуни використовуються, як правило, як рушії повітряних літальних апаратів.

Історія

До кінця Другої Світової війни вимоги підвищення потужності поршньових двигунів внутрішнього згорання увійшло у безвихідне протиріччя з іншими вимогами, щодо компактності й обмеження маси.

Перший патент на турбінний двигун був виданий англійцю Джону Барберу в 1791 році. В 1913 році француз Рене Лорен отримав патент на прямоточний повітряно-реактивний двигун. Ряд інженерів і вчених різних країн в 20-ті та 30-ті роки XX століття передбачили кризу у авіаційному двигунобудуванні та шукали шляхи виходу з нього, в тому числі за рахунок ПРД.

Перший в СРСР проект реального винищувача з ПРД розробив український вчений А.М. Люлька, а в березні 1943 року запропонував директор ОКБ-301 М.І. Гудков. Літак називався ГУ-ПРД. Проект був відхилений експертами, головним чином, у зв'язку з недовірою в актуальність і переваги ПРД в порівнянні з поршневими двигунами.

Турбореактивний двигун (ТРД)

Прямоточний повітряно-реактивний двигун (ППРД)

Першим літаком, який піднявся в небо з турбореактивним двигуном (ТРД) Hes 3 конструкції фон Охайна був Heinkel He 178, керований льотчиком-випробувачем флюг-капітаном Еріхом Варзіцем (27 серпня 1939). Цей літак перевершував за швидкістю всі поршневі винищувачі свого часу, але при цьому був менш економічним і, в наслідок цього, мав менший радіус дії. До того ж у нього були більші швидкості злету та посадки, через що він потребував довшої ЗПС з якісним покриттям.

З серпня 1944 року у Німеччині почалося серійне виробництво реактивного винищувача-бомбардувальника Messerschmitt Me 262 з двома ТРД Jumo-004, які випускалися фірмою Юнкерс. А з листопада 1944 року почав випускатися ще й перший реактивний бомбардувальник Arado Ar 234 Blitz з тими ж двигунами. Єдиним реактивним літаком союзників по антигітлерівській коаліції, що формально брав участь у Другій світовій війні, був Gloster Meteor (Велика Британія) з ТРД Rolls-Royce Derwent 8 конструкції Ф. Віттла, його серійний випуск почався в 1941 році.

Запатентований ще у 1913 р. прямоточний повітряно-реактивний двигун (ППРД) подобався конструкторам простотою своєї конструкції, але головне — своєю потенційною можливістю працювати на надзвукових швидкостях і в найвищих шарах атмосфери, тобто в умовах, в яких інші типи двигунів були неефективними. У 1930-их роках з цим типом двигунів провидилися експерименти в Німеччині, США та СРСР.

В 1937 році французький конструктор Рене Ледюк отримав замовлення від французької влади на створення експериментального літака з ППРД. Ця робота була перервана війною і поновилася з її закінченням. 19 листопада 1946 року відбувся перший в історії політ апарата з маршевим ППРД. Далі протягом десяти років було виготовлено і випробувано ще кілька апаратів цієї серії, в тому числі керовані, а в 1957 році Франція відмовилася від випробувань та продовження цих робіт, оскільки в ті часи ТРД здавався перспективнішим.

Пульсуючий повітряно-реактивний двигун (ПуПРД)

Пульсуючий повітряно-реактивний двигун (ПуПРД) був винайдений в XIX столітті шведським винахідником Мартіном Вібергом. Найвідомішим літальним апаратом (і єдиним серійним) з ПуПРД є німецький Argus As-014 фірми Argus, відомий як літак-снаряд Фау-1. Після війни досліди в області пульсуючих повітряно-реактивних двигунів продовжувалися у Франції (компанія SNECMA) і в США (Pratt & Whitney, General Electric), окрім того, завдяки простоті та дешевизні, маленькі двигуни такого типу стали дуже популярним серед авіамоделістів і в аматорській авіації, та з'явилися приватні фірми, які виробляли ПуПРД і запчастини до них.

Основні принципи роботи

Попри велику кількість ПРД, які дуже відрізняються один від одного конструкцією, характеристиками і областю використання, можна виділити ряд принципів для всіх ПРД і тих, які відрізняють його від всіх інших теплових двигунів інших типів.

Повітряно-реактивний двигун розвиває тягу за рахунок реактивного струменя робочого тіла, витікаючого з сопла двигуна. З цієї точки зору ПРД схожий до ракетного двигуна (РД), але відрізняється від нього тим, що більшу частину робочого тіла він забирає з атмосфери, в тому числі і окислювач, необхідний для горіння палива. Завдяки цьому ПРД має переваги в порівнянні з РД при польотах в атмосфері, оскільки йому не потрібно нести з собою окислювач, маса якого в 2-8 раз більша маси палива.

Робоче тіло ПРД на виході з сопла являє собою суміш продуктів згорання з залишками повітря після вигорання кисню. Якщо для повного окиснення 1 кг гасу (звичайного палива ПРД) потрібно близько 3,4 кг чистого кисню, то, враховуючи що масова частка кисню в повітрі становить 23%, для повного окиснення палива потрібно 14,8 кг чистого повітря і, відповідно, робоче тіло на 94% своєї маси складається з атмосферного повітря. На практиці ПРД, як правило, має надлишок використання повітря, наприклад, в ТРД маса палива в робочому тілі становить 1-2%. Це дозволяє при аналізі роботи ПРД враховувати, що робоче тіло ПРД як на вході так і на виході є однією речовиною.

Динаміку ПРД можна викласти наступним чином: робоче тіло входить в двигун зі швидкістю польоту, а покидає його з швидкістю реактивного струменя. З балансу імпульса витікає вираз для реактивної тяги:

$P=G\cdot (c-v)$

Де $\,P$ — сила тяги, $\,v$ — швидкість польоту, $\,c$ — швидкість реактивного струменя відносно двигуна, $\,G$ — секундна витрата маси робочого тіла. Очевидно, ПРД ефективний лише в випадку, коли швидкість витоку робочого тіла з сопла двигуна перевищує швидкість польоту: $\,c>v$.

Швидкість витоку газу з теплового реактивного двигуна залежить від хімічного складу робочого тіла, його абсолютної температури на вході в сопло і від ступеню розширення робочого тіла в соплі двигуна.

З урахуванням вищесказаного можна сформулювати і головні недоліки ПРД в порівнянні з РД:

• ПРД здатний працювати лише в атмосфері, а РД в будь-якому оточенні і в пустоті.
• ПРД ефективний лише до певної, специфічної для даного двигуна, максимальній швидкості польоту, А тяга РД не залежить від польоту.

Типи та області застосування реактивних двигунів

ТРД J85 компанії General Electric

ТРД

Турбореактивні двигуни поділяються на:

• Двоконтурний турбореактивний двигун;
• Турбовентиляторний двигун;
• Турбогвинтовий двигун;
• Гвинтовинтеляторний двигун.

В турбореактивному двигуні (ТРД) стиснення робочого тіла на вході в камеру згорання і високе значення витрат повітря через двигун досягається за рахунок сумісної дії зустрічного потоку і компресора, розміщеного в тракті ТРД за вхідним пристроєм, перед камерою згорання. Компресор приводиться в рух турбіною, змонтованою на одному валу з компресором. Турбіна працює на робочому тілі, нагрітому в камері згорання, з якого утворюється реактивний струмінь. Завдяки компресору ТРД може стартувати з місця і працювати при низьких швидкостях польоту, що для двигуна літака є необхідною умовою, при цьому тиск в тракті двигуна і витрати повітря забезпечуються лише за рахунок компресора. Діапазон швидкостей, в якому ТРД ефективний, зміщений в сторону менших значень, в порівнянні з ППРД. Агрегат турбіна-компресор, який дозволяє створювати більші витрати і високий ступінь стиснення робочого тіла в області низьких та середніх швидкостей польоту, є перепоною на шляху підвищення ефективності двигуна в зоні високих швидкостей. Максимальна швидкість витоку реактивної струї у ТРД менша ніж у ППРД, що обмежує швидкість, на якій ТРД ефективний, значеннями 2,5-3 Маха.

Вогневі випробування ППРД у лабораторії NASA

ППРД

Прямоточні повітряно-реактивні двигуни поділяються на:

• Дозвуковий;
• Надзвуковий;
• Гіперзвуковий;
• Ядерний ППРД.

Прямоточний повітряно-реактивний двигун не може працювати при низьких та нульових швидкостях польоту. Для досягнення початкової швидкості, при якій він стає ефективним, апарат з цим двигуном потребує допоміжний привід, яким може бути літак-носій або ж твердопаливний прискорювач. Неефективність ППРД на малих швидкостях польоту робить його практично неможливим для використання на літаках з пілотами, але для безпілотних, бойових, крилатих ракет одноразового використання, що літають в діапазоні швидкостей 2-5 Маха, завдяки своїй простоті, дешевизні і надійності, він переважний. Також ППРД використовується в літаючих мішенях. Основним конкурентом ППРД в цій ніші є ракетний двигун (РРД).

Зразки безклапанних (U-подібних) ПуПРД

ПуПРД

Пульсуючий повітряно-реактивний двигун, як слідує з його назви, працює в режимі пульсації, тяга розвивається не безперервно, як у ППРД чи ТРД, а в вигляді серії імпульсів частотою від десятків герц для великих двигунів, до 250 гц – для малих. Конструктивно ПуПРД педставляє собою циліндричну камеру згоряння з довгим циліндричним соплом меншого діаметра. Передня частина камери з’єднана з вхідним дифузором, через який повітря надходить в камеру згоряння. Між дифузором і камерою згоряння вставлені повітряні клапани, які працюють на різниці тисків в камері і на виході дифузора: коли тиск в дифузорі перевищує тиск в камері, то клапан відкривається, при зворотному співвідношенні тисків — закривається. Для ініціювання процесу горіння в камері встановлюється свічка запалювання, котра створює високочастотну серію електричних розрядів, паливна суміш загорається. Більшість ПуПРД можуть працювати при нульовій швидкості.

Література

• Работы по ППРД и крылатым ракетам дальнего действия с ПВРД в СССР (1947–1960)
• Теория и расчёт воздушно-реактивных двигателей. Учебник для вузов. Авторы: В. М. Акимов, В. И. Бакулев, Р. И. Курзинер, В. В. Поляков, В. А. Сосунов, С. М. Шляхтенко. Под редакцией С. М. Шляхтенко. 2-е издание, переработанное и дополненное. М.: Машиностроение, 1987

Див. також

• Ракетний двигун
• Прямоточний повітряно-реактивний двигун
• Пульсуючий повітряно-реактивний двигун
• Прискорювач (ракетобудування)