История ракет и ракетных двигателей. Как работает реактивный двигатель

Еще в начале XX в. российский ученый К.Э. Циолковский предсказал, что вслед за эрой винтовых аэропланов наступит эра аэропланов реактивных. Он считал, что только с реактивным двигателем можно достичь сверхзвуковых скоростей.

В 1937 г. молодой и талантливый конструктор A.M. Люлька предложил проект первого советского турбореактивного двигателя. По его расчетам, такой двигатель мог разогнать самолет до небывалых в ту пору скоростей — 900 км/ч! Это казалось фантастикой, и к предложению молодого конструктора отнеслись настороженно. Но, тем не менее, работы по этому двигателю начались, и к середине 1941 г. он был уже практически готов. Однако началась война, и конструкторское бюро, где работал A.M. Люлька, эвакуировали в глубь СССР, а самого конструктора переключили на работу над танковыми двигателями.

Но A.M. Люлька был не одинок в своем стремлении создать реактивный авиационный двигатель. Перед самой войной инженеры из конструкторского бюро В.Ф. Болховитинова — А.Я. Березняк и А.М. Исаев — предложили проект истребителя-перехватчика «БИ-1» с жидкостным реактивным двигателем.

Проект был одобрен, и конструкторы приступили к работе. Несмотря на все трудности первого периода Великой Отечественной войны, опытный «БИ-1» все же был построен.

15 мая 1942 г. первый в мире ракетный истребитель был поднят в воздух летчиком-испытателем ЕЯ. Бахчиванджи. Испытания продолжались до конца 1943 г. и, к сожалению, закончились катастрофой. В одном из испытательных полетов Бахчиванджи достиг скорости 800 км/ч. Но на этой скорости самолет вдруг вышел из повиновения и устремился к земле. Новая машина и ее отважный испытатель погибли.

Первый самолет с реактивным двигателем «Messer-schmitt Ме-262» появился в небе перед самым концом второй мировой войны. Он производился на хорошо замаскированных заводах, размешенных в лесу. Один из таких заводов в Горгау — в 10 км к запалу от Аугсбурга по автобану — поставлял крылья, носовую и хвостовую секции самолета на другой «лесной» завод неподалеку, который осуществлял финальную сборку и поднимал готовые самолеты прямо с автобана. Крыша строений красилась в зеленый цвет, и обнаружить такой «лесной» завод с воздуха было почти невозможно. Хотя союзникам удалось засечь взлеты «Ме-262» и разбомбить несколько неукрытых самолетов, расположение завода они смогли установить только, после того, как заняли лес.

Первооткрыватель реактивного двигателя англичанин Фрэнк Уитл получил свой патент еще в 7 930 г. Первый реактивный самолет «Gloster» был построен в 1941 г. ив мае прошел испытания. Правительство от него отказалось — недостаточно мощный. Полностью раскрыли потенциал этого изобретения лишь немцы, в 1942 г. собравшие «Messerschmitt Ме-262», на котором и воевали вплоть до конца войны. Первым советским реактивным самолетом был «МиГ-9», а его «потомок» — «МиГ-15» — вписал много славных страниц в боевую историю войны в Корее (1950—1953).

В эти же годы в фашистской Германии, утратившей на советско-германском фронте превосходство в воздухе, все более интенсивно развертываются работы над реактивными самолетами. Гитлер надеялся, что с помощью этих самолетов он снова перехватит инициативу в войне и добьется победы.

В 1944 г. самолет «Messerschmitt Ме-262», оснащенный реактивным двигателем, был запущен в серийное производство и вскоре появился на фронте. Немецкие летчики с большой опаской относились к этой необычной машине, не имеющей привычного винта. Кроме этого на скорости, близкой к 800 км/ч, ее затягивало в пикирование, и вывести машину из этого состояния было невозможно. В авиационных частях далее появилась строжайшая инструкция — ни в коем случае не доводить скорость до 800 км/ч.

Тем не менее, даже с таким ограничением «Ме-262» превосходил по скорости все другие истребители тех лет. Это позволило командующему гитлеровской истребительной авиацией генералу Голланду заявить, что «Ме-262» — «единственный шанс организовать реальное сопротивление противнику».

На Восточном фронте «Ме-262» появились в самом конце войны. В связи с этим конструкторские бюро получили срочное задание создать аппараты для борьбы с немецкими реактивными самолетами.

А.И. Микоян и П.О. Сухой в помощь обычному поршневому мотору, расположенному в носовой части аппарата, добавили мотокомпрессорный мотор конструкции К.В. Холщевникова, установив его в хвосте самолета. Дополнительный двигатель должен был запускаться, когда самолету требовалось придать значительное ускорение. Это было продиктовано тем обстоятельством, что двигатель К.В. Холщевникова работал не более трех-пяти минут.

Первым закончил работу над скоростным истребителем А.И. Микоян. Его самолет «И-250» совершил полет в марте 1945 г. В ходе испытаний этой машины была зарегистрирована рекордная скорость 820 км/ч, впервые достигнутая в СССР. Истребитель П.О. Сухого «Су-5» поступил на испытания в апреле 1945 г., и на нем после включения дополнительного хвостового двигателя была получена скорость, превышающая 800 км/ч.

Однако обстоятельства тех лет не позволили запустить новые скоростные истребители в серийное производство. Во-первых, война закончилась, даже хваленый «Ме-262» не помог вернуть фашистам утраченное превосходство в воздухе.

Во-вторых, мастерство советских пилотов позволило доказать всему миру, что даже реактивные самолеты можно сбивать, управляя обыкновенным серийным истребителем.

Параллельно с разработкой самолета, оснащенного «толкающим» мотокомпрессорным двигателем, в конструкторском бюро П.О. Сухого был создан истребитель «Су-7», в котором совместно с поршневым мотором работал жидкостно-реактивный «РД-1», разработанный конструктором В.П. Глушко.

Полеты на «Су-7» начались в 1945 г. Испытывал его пилот Г. Комаров. При включении «РД-1» скорость самолета увеличивалась в среднем на 115 км/ч. Это был неплохой результат, однако вскоре испытания пришлось прекратить из-за частого выхода из строя реактивного двигателя.

Аналогичная ситуация сложилась в конструкторских бюро С.А. Лавочкина и АС. Яковлева. На одном из опытных самолетов «Ла-7Р» ускоритель взорвался в полете, летчику-испытателю чудом удалось спастись. А вот при испытании «Як-3» с ускорителем «РД-1» самолет взорвался и его пилот погиб. Участившиеся катастрофы привели к тому, что испытания самолетов с «РД-1» были прекращены. К тому же стало ясно, на смену поршневым должны были прийти новые двигатели — реактивные.

После поражения Германии в качестве трофеев СССР достались немецкие реактивные самолеты с двигателями. Западным же союзникам попали не только образцы реактивных самолетов и их двигателей, но и их разработчики и оборудование фашистских заводов.

Для накопления опыта в реактивном самолетостроении было принято решение использовать немецкие двигатели «JUMO-004» и «BMW-003», а затем на их основе создать собственные. Эти двигатели получили наименование «РД-10» и «РД-20». Кроме этого конструкторам A.M. Люльке, А.А. Микулину, В.Я. Климову было поручено создать «полностью советский» авиационный реактивный двигатель.

Пока у «двигателистов» шла работа, П.О. Сухой разработал реактивный истребитель «Су-9». Его конструкция была выполнена по схеме двухмоторных самолетов — два трофейных двигателя «JUMO-004» («РД-10») размещались под крыльями.

Наземные испытания реактивного мотора «РА- 7» проводились на летном поле аэродрома в Тушино. Во время работы он издавал страшный шум и выбрасывал из своего сопла клубы дыма и огня. Грохот и зарево от пламени были заметны даже у московской станции метро «Сокол». Не обошлось и без курьеза. Однажды на аэродром примчалось несколько пожарных машин, вызванных москвичами тушить пожар.

Самолет «Су-9» трудно было назвать просто истребителем. Летчики обычно называли его «тяжелым истребителем», так как более точное название — истребитель-бомбардировщик — появилось только к середине 50-х гг. Но по своему мощному пушечному и бомбовому вооружению «Су-9» вполне можно было считать прототипом такого самолета.

У такого размещения моторов были как недостатки, так и преимущества. К недостаткам можно отнести большое лобовое сопротивление, создаваемое расположенными под крыльями моторами. Но с другой стороны, размещение двигателей в специальных подвесных мотогондолах открывало к ним беспрепятственный доступ, что было немаловажно при ремонте и регулировке.

Кроме реактивных двигателей самолет «Су-9» содержал много «свежих» конструкторских решений. Так, например, П.О. Сухой установил на свой самолет стабилизатор, управляемый специальным электромеханизмом, стартовые пороховые ускорители, катапультируемое сиденье летчика и устройство по аварийному сбросу фонаря, прикрывающего кабину летчика, воздушные тормоза с посадочным щитком, тормозной парашют. Можно сказать, что «Су-9» был целиком создан из новшеств.

Вскоре опытный вариант истребителя «Су-9» был построен. Однако было обращено внимание на то, что выполнение виражей на нем для летчика физически тяжелое.

Стало очевидным, что с возрастанием скоростей и высоты полета летчику все труднее будет справляться с управлением, и тогда в систему управления самолетом было введено новое устройство — бустер-усилитель, наподобие гидроусилителя руля. Но в те годы применение сложного гидравлического устройства на самолете вызвало споры. Даже опытные авиаконструкторы отнеслись к нему скептически.

И все же бустер установили на «Су-9». Сухой первым полностью переложил усилия с ручки управления самолетом на гидросистему. Положительная реакция пилотов не заставила себя ждать. Управление самолетом стало более приятным и неутомительным. Маневр упростился и стал возможен на всех скоростях полета.

Следует добавить, что добиваясь совершенства конструкции, П.О. Сухой «проиграл» в соревновании бюро Микояна и Яковлева. Первые реактивные истребители СССР — «МиГ-9» и «Як-15» взлетели в воздух в один день — 26 апреля 1946 г. Они приняли участие в воздушном параде в Тушино и тут же были запущены в серию. А «Су-9» появился в воздухе только в ноябре 1946 г. Однако он очень понравился военным и в 1947 г. был рекомендован для серийного производства. Но в серию он не пошел — авиационные заводы уже были загружены работой по выпуску реактивных «МиГов» и «Яков». Да и П.О. Сухой к тому времени уже заканчивал работу над новой, более совершенной машиной — истребителем «Су-11».

Такое название для этой главы выбрано не случайно. Именно так, опираясь крыльями на воздух, как это делают птицы, взлетели в небо первые самолеты, открыв новую эру на земле — эру авиации. И не случайно слово «авиация» в переводе с латинского обозначает — птица. Ведь именно мечта людей летать, как птицы, и послужила толчком к зарождению…

Еще в 1914 г. норвежский исследователь Фритьоф Нансен в своей книге «В страну будущего» высказался о том, что авиация будет играть важную роль в освоении Севера, в частности в развитии судоходства через Карское море и устья рек Обь и Енисей. Почти в то же время русскими летчиками были предприняты первые попытки пролететь над Северным морским…

В один из осенних дней 1797 г. французский воздухоплаватель Жак Гарнерен поднялся на воздушном шаре над парком Монсо близ Парижа, затем оставил шар и опустился на землю на парашюте собственной конструкции. Считается, что именно в этот день впервые в истории человек доверил этому необычному приспособлению свою жизнь. Возможно, это так, но сама идея спуска с…

Летом 1936 г. технический департамент Германии подготовил задание на новый двухместный гидросамолет. Заказ на его разработку осенью 1936 г. получили две немецкие авиастроительные компании «Arado» и «Focke-Wulf». Традиционно считалось, что для создания небольшого поплавкового самолета требуется использование схемы биплана. По такому пути пошел и Курт Танк при разработке своего «Fw-62». Конструкторское бюро «Arado», не отличавшееся…

Ничто в мире не случается вдруг. Каждому явлению предшествует длительная подготовка. Так и историческому полету аппарата братьев Райт предшествовали многолетние опыты и эксперименты других людей, порой весьма далеких от авиации. Об одном из таких людей, летательный аппарат которого молено считать переходной моделью между аппаратами авиации и воздухоплавания, пойдет этот рассказ. В 1897 г. в небо…

Пожалуй, именно в 20—40-х гг. XX в. воздухоплавание во всем мире получило наибольшее развитие. В СССР еще до появления ЦАГИ, 23 марта 1918 г. была создана «Летучая лаборатория». В ее задачи входили всесторонние экспериментальные исследования в области воздухоплавания и авиации. Летучая лаборатория, руководимая Н.Е. Жуковским, стала первым советским научным авиационным институтом. В 1919 г. было…

Сейчас речь пойдет о самолетах гражданской авиации. Такие самолеты используются для перевозок пассажиров, багажа, почты и других грузов, а также в сельском хозяйстве, строительстве, для охраны лесов, обслуживания экспедиций, оказания медицинской помощи населению и проведения санитарных мероприятий, экспериментальных и научно-исследовательских работ, учебных, культурно-просветительных и спортивных мероприятий, поисково-спасательных и аварийно-спасательных работ и оказания помощи в случае…

Поплавковый патрульный бомбардировщик-торпедоносец «N-3PB» стал первым серийным самолетом, разработанным американской фирмой «Northrop Aircraft Inc». Самолет строился по заказу норвежских ВМС, нуждающихся в поплавковом патрульном самолете. Работы над самолетом были начаты в 1939 г., и уже 1 ноября 1940 г. первый самолет совершил полет на озере Эльсинор в Калифорнии. Несмотря на достаточно мощное вооружение, состоящее из…

Задолго до того дня, когда в свой первый полет отправился самолет братьев Райт, «воздухоплавательный снаряд», построенный российским изобретателем Александром Федоровичем Можайским (1825—1890), оторвался от поверхности земли. Этот аппарат, на который конструктором был получен патент, имел все основные черты современного самолета. Как же случилось, что американские, а не российские изобретатели стали «крестными отцами» авиации? Александр Федорович…

Война — это всегда горе и слезы, но люди слишком быстро забывают об этом. Прошло каких-нибудь два десятка лет со времени окончания первой мировой, а на пороге уже стояла новая война — вторая мировая. 1 сентября 1939 г. немецкие войска вторглись в Польшу, и весь мир оказался втянутым в новую кровопролитную войну. В 1937 г….

РЕАКТИ́ВНЫЙ ДВИ́ГАТЕЛЬ, двигатель, создающий необходимую для движения силу тяги путём преобразования потенциальной энергии в кинетическую энергию реактивной струи рабочего тела. Под рабочим тело м, применительно к двигателям, понимают вещество (газ, жидкость, твёрдое тело), с помощью которого тепловая энергия, выделяющаяся при сгорании топлива, преобразуется в полезную механическую работу. В результате истечения рабочего тела из сопла двигателя образуется реактивная сила в виде реакции (отдачи) струи, направленной в пространстве в сторону, противоположную истечению струи. В кинетическую (скоростную) энергию реактивной струи в реактивном двигателе могут преобразовываться различные виды энергии (химическая, ядерная, электрическая, солнечная).

Реактивный двигатель (двигатель прямой реакции) сочетает в себе собственно двигатель с движителем , т. е. обеспечивает собственное движение без участия промежуточных механизмов. Для создания реактивной тяги (тяги двигателя), используемой реактивным двигателем, необходимы: источник исходной (первичной) энергии, которая превращается в кинетическую энергию реактивной струи; рабочее тело, которое в виде реактивной струи выбрасывается из реактивного двигателя; сам реактивный двигатель – преобразователь энергии. Тяга двигателя – это реактивная сила, являющаяся результирующей газодинамических сил давления и трения, приложенных к внутренним и наружным поверхностям двигателя. Различают внутреннюю тягу (реактивную тягу) – результирующую всех газодинамических сил, приложенных к двигателю, без учёта внешнего сопротивления и эффективную тягу, учитывающую внешнее сопротивление силовой установки. Исходная энергия запасается на борту летательного или другого аппарата, оснащённого реактивным двигателем (химическое горючее, ядерное топливо), или (в принципе) может поступать извне (энергия Солнца).

Для получения рабочего тела в реактивном двигателе может использоваться вещество, отбираемое из окружающей среды (например, воздух или вода); вещество, находящееся в баках аппарата или непосредственно в камере реактивного двигателя; смесь веществ, поступающих из окружающей среды и запасаемых на борту аппарата. В современных реактивных двигателях в качестве первичной энергии чаще всего используется химическая энергия. В этом случае рабочее тело представляет собой раскалённые газы – продукты сгорания химического топлива. При работе реактивного двигателя химическая энергия сгорающих веществ преобразуется в тепловую энергию продуктов сгорания, а тепловая энергия горячих газов превращается в механическую энергию поступательного движения реактивной струи и, следовательно, аппарата, на котором установлен двигатель.

Принцип работы реактивного двигателя

В реактивном двигателе (рис. 1) струя воздуха попадает в двигатель, встречается с вращающимися с огромной скоростью турбинами компрессора, который засасывает воздух из внешней среды (с помощью встроенного вентилятора). Таким образом, решаются две задачи – первичный забор воздуха и охлаждение всего двигателя в целом. Лопатки турбин компрессора сжимают воздух примерно в 30 раз и более и «проталкивают» его (нагнетают) в камеру сгорания (генерируется рабочее тело), которая является основной частью любого реактивного двигателя. Камера сгорания выполняет ещё и роль карбюратора , смешивая топливо с воздухом. Это может быть, например, смесь воздуха с керосином, как в турбореактивном двигателе современного реактивного самолёта, или же смесь жидкого кислорода со спиртом, как в некоторых жидкостных ракетных двигателях, или какое-нибудь твёрдое топливо пороховых ракет. После образования топливно-воздушной смеси она поджигается и выделяется энергия в виде теплоты, т. е. топливами реактивных двигателей могут служить лишь такие вещества, которые при химической реакции в двигателе (сгорании) выделяют достаточно много теплоты, а также образуют при этом большое количество газов.

В процессе возгорания происходит значительный разогрев смеси и окружающих деталей, а также объёмное расширение. Фактически реактивный двигатель использует для движения управляемый взрыв. Камера сгорания реактивного двигателя одна из самых горячих его частей (температура в ней достигает 2700° С), её необходимо постоянно интенсивно охлаждать. Реактивный двигатель снабжён соплом, через которое из двигателя наружу с огромной скоростью вытекают раскалённые газы – продукты сгорания топлива в двигателе. В одних двигателях газы попадают в сопло сразу же после камеры сгорания, например в ракетных или прямоточных двигателях. В турбореактивных двигателях газы после камеры сгорания сначала проходят через турбину , которой отдают часть своей тепловой энергии для приведения в движение компрессора, служащего для сжатия воздуха перед камерой сгорания. Но, так или иначе, сопло является последней частью двигателя – через него текут газы, перед тем как покинуть двигатель. Оно формирует непосредственно реактивную струю. В сопло направляется холодный воздух, нагнетаемый компрессором для охлаждения внутренних деталей двигателя. Реактивное сопло может иметь различные формы и конструкцию в зависимости от типа двигателя. Если скорость истечения должна превосходить скорость звука, то соплу придаётся форма расширяющейся трубы или же сначала суживающейся, а затем расширяющейся (сопло Лаваля). Только в трубе такой формы можно разогнать газ до сверхзвуковых скоростей, перешагнуть через «звуковой барьер».

В зависимости от того, используется или нет при работе реактивного двигателя окружающая среда, их подразделяют на два основных класса – воздушно-реактивные двигатели (ВРД) и ракетные двигатели (РД). Все ВРД – тепловые двигатели , рабочее тело которых образуется при реакции окисления горючего вещества кислородом воздуха. Поступающий из атмосферы воздух составляет основную массу рабочего тела ВРД. Т. о., аппарат с ВРД несёт на борту источник энергии (горючее), а бо́льшую часть рабочего тела черпает из окружающей среды. К ним относят турбореактивный двигатель (ТРД), прямоточный воздушно-реактивный двигатель (ПВРД), пульсирующий воздушно-реактивный двигатель (ПуВРД), гиперзвуковой прямоточный воздушно-реактивный двигатель (ГПВРД). В отличие от ВРД все компоненты рабочего тела РД находятся на борту аппарата, оснащённого РД. Отсутствие движителя, взаимодействующего с окружающей средой, и наличие всех компонентов рабочего тела на борту аппарата делают РД пригодным для работы в космосе. Существуют также комбинированные ракетные двигатели, представляющие собой как бы сочетание обоих основных типов.

Основные характеристики реактивных двигателей

Основным техническим параметром, характеризующим реактивный двигатель, является тяга – усилие, которое развивает двигатель в направлении движения аппарата, удельный импульс – отношение тяги двигателя к массе ракетного топлива (рабочего тела), расходуемого в 1 с, или идентичная характеристика – удельный расход топлива (количество топлива, расходуемого за 1 с на 1 Н развиваемой реактивным двигателем тяги), удельная масса двигателя (масса реактивного двигателя в рабочем состоянии, приходящаяся на единицу развиваемой им тяги). Для многих типов реактивных двигателей важными характеристиками являются габариты и ресурс. Удельный импульс является показателем степени совершенства или качества двигателя. В приведённой диаграмме (рис. 2) в графической форме представлены верхние значения этого показателя для разных типов реактивных двигателей в зависимости от скорости полёта, выраженной в форме Маха числа , что позволяет видеть область применимости каждого типа двигателей. Этот показатель является также мерой экономичности двигателя.

Тяга – сила, с которой реактивный двигатель воздействует на аппарат, оснащённый этим двигателем, - определяется по формуле: $$P = mW_c + F_c (p_c – p_n),$$ где $m$ – массовый расход (расход массы) рабочего тела за 1 с; $W_c$ – скорость рабочего тела в сечении сопла; $F_c$ – площадь выходного сечения сопла; $p_c$ – давление газов в сечении сопла; $p_n$ – давление окружающей среды (обычно атмосферное давление). Как видно из формулы, тяга реактивного двигателя зависит от давления окружающей среды. Она больше всего в пустоте и меньше всего в наиболее плотных слоях атмосферы, т. е. изменяется в зависимости от высоты полёта аппарата, оснащённого реактивным двигателем, над уровнем моря, если рассматривается полёт в атмосфере Земли. Удельный импульс реактивного двигателя прямо пропорционален скорости истечения рабочего тела из сопла. Скорость же истечения увеличивается с ростом температуры истекающего рабочего тела и уменьшением молекулярной массы топлива (чем меньше молекулярная масса топлива, тем больше объём газов, образующихся при его сгорании, и, следовательно, скорость их истечения). Поскольку скорость истечения продуктов сгорания (рабочего тела) определяется физико-химическими свойствами компонентов топлива и конструктивными особенностями двигателя, являясь постоянной величиной при не очень больших изменениях режима работы реактивного двигателя, то величина реактивной силы определяется в основном массовым секундным расходом топлива и колеблется в очень широких пределах (минимум у электрических – максимум у жидкостных и твердотопливных ракетных двигателей). Реактивные двигатели малой тяги применяются главным образом в системах стабилизации и управления летательных аппаратов. В космосе, где силы тяготения ощущаются слабо и практически нет среды, сопротивление которой приходилось бы преодолевать, они могут использоваться и для разгона. РД с максимальной тягой необходимы для запуска ракет на большие дальность и высоту и особенно для вывода летательных аппаратов в космос, т. е. для разгона их до первой космической скорости. Такие двигатели потребляют очень большое количество топлива; они работают обычно очень короткое время, разгоняя ракеты до заданной скорости.

ВРД используют в качестве основного компонента рабочего тела окружающий воздух, значительно экономичнее. ВРД могут работать непрерывно в течение многих часов, что делает их удобными для использования в авиации. Разные схемы позволили их применять для ЛА эксплуатирующихся на разных режимах полёта. Широко применяются турбореактивные двигатели (ТРД), устанавливаемые почти на всех без исключения современных самолётах. Как и все двигатели, использующие атмосферный воздух, ТРД нуждаются в специальном устройстве для сжатия воздуха перед его подачей в камеру сгорания. В ТРД для сжатия воздуха служит компрессор, и конструкция двигателя во многом зависит от типа компрессора. Значительно проще по конструкции бескомпрессорные воздушно-реактивные двигатели, в которых необходимое повышение давления осуществляется другими способами; это пульсирующие и прямоточные двигатели. В пульсирующем воздушно-реактивном двигателе (ПуВРД) для этого служит обычно клапанная решётка, установленная на входе в двигатель, когда новая порция топливно-воздушной смеси заполняет камеру сгорания и в ней происходит вспышка, клапаны закрываются, изолируя камеру сгорания от входного отверстия двигателя. Вследствие этого давление в камере повышается, и газы устремляются через реактивное сопло наружу, после чего весь процесс повторяется. В бескомпрессорном двигателе другого типа, прямоточном воздушно-реактивном (ПВРД), нет даже и этой клапанной решётки и атмосферный воздух, попадая во входное устройство двигателя со скоростью, равной скорости полёта, сжимается за счёт скоростного напора и поступает в камеру сгорания. Впрыскиваемое топливо сгорает, повышается теплосодержание потока, который истекает через реактивное сопло со скоростью, большей скорости полёта. За счёт этого и создаётся реактивная тяга ПВРД. Основным недостатком ПВРД является неспособность самостоятельно обеспечить взлёт и разгон летательного аппарата (ЛА). Требуется сначала разогнать ЛА до скорости, при которой запускается ПВРД и обеспечивается его устойчивая работа. Особенность аэродинамической схемы сверхзвуковых летательных аппаратов с прямоточными воздушно-реактивными двигателями (ПВРД) обусловлена наличием специальных ускорительных двигателей, обеспечивающих скорость движения, необходимую для начала устойчивой работы ПРД. Это утяжеляет хвостовую часть конструкции и для обеспечения необходимой устойчивости требует установки стабилизаторов.

Историческая справка

Принцип реактивного движения известен давно. Родоначальником реактивного двигателя можно считать шар Герона . Твердотопливные ракетные двигатели (РДТТ – ракетный двигатель твёрдого топлива) – пороховые ракеты появились в Китае в 10 в. н. э. На протяжении сотен лет такие ракеты применялись сначала на Востоке, а затем в Европе как фейерверочные, сигнальные, боевые. Важным этапом в развитии идеи реактивного движения была идея применения ракеты в качестве двигателя для летательного аппарата. Её впервые сформулировал русский революционер-народоволец Н. И. Кибальчич, который в марте 1881, незадолго до казни, предложил схему летательного аппарата (ракетоплана) с использованием реактивной тяги от взрывных пороховых газов. РДТТ применяют во всех классах ракет военного назначения (баллистических, зенитных, противотанковых и др.), в космической (например, в качестве стартовых и маршевых двигателей) и авиационной технике (ускорители взлёта самолётов, в системах катапультирования ) и др. Небольшие твердотопливные двигатели применяются в качестве ускорителей при взлёте самолётов. Электрические ракетные двигатели и ядерные ракетные двигатели могут использоваться на космических летательных аппаратах.

Турбореактивными двигателями и двухконтурными турбореактивными двигателями оснащено большинство военных и гражданских самолётов во всём мире, их применяют на вертолётах. Эти реактивные двигатели пригодны для полётов как с дозвуковыми, так и со сверхзвуковыми скоростями; их устанавливают также на самолётах-снарядах, сверхзвуковые турбореактивные двигатели могут использоваться на первых ступенях воздушно-космических летательных аппаратов , ракетно-космической технике и т. д.

Большое значение для создания реактивных двигателей имели теоретические работы русских учёных С. С. Неждановского, И. В. Мещерского , Н. Е. Жуковского , труды французского учёного Р. Эно-Пельтри , немецкого учёного Г. Оберта . Важным вкладом в создание ВРД была работа советского учёного Б. С. Стечкина «Теория воздушного реактивного двигателя», опубликованная в 1929. Практически на более 99% летательных аппаратов в той или иной степени применяют реактивный двигатель.

В передней части реактивного двигателя располагается вентилятор. Он забирает воздух из внешней среды, засасывая его в турбину. В двигателях, применяемых в ракетах, воздух заменяет жидкий кислород. Вентилятор снабжен множеством титановых лопастей, имеющих специальную форму.

Площадь вентилятора стараются сделать достаточно большой. Помимо забора воздуха эта часть системы участвует также и в охлаждении двигателя, предохраняя его камеры от разрушения. Позади вентилятора располагается компрессор. Он под большим давлением нагнетает воздух в камеру сгорания.

Один из главных конструктивных элементов реактивного двигателя – камера сгорания. В ней топливо смешивается с воздухом и поджигается. Происходит возгорание смеси, сопровождающееся сильным разогревом деталей корпуса. Топливная смесь под действием высокой температуры расширяется. Фактически в двигателе происходит управляемый взрыв.

Из камеры сгорания смесь топлива с воздухом поступает в турбину, которая состоит из множества лопаток. Реактивный поток с усилием давит на них и приводит турбину во вращение. Усилие передается на вал, компрессор и вентилятор. Образуется замкнутая система, для работы которой требуется лишь постоянный подвод топливной смеси.

Последняя по счету деталь реактивного двигателя – сопло. Сюда из турбины поступает разогретый поток, формируя реактивную струю. В эту часть двигателя также подается от вентилятора холодный воздух. Он служит для охлаждения всей конструкции. Воздушный поток защищает манжету сопла от вредного воздействия реактивной струи, не позволяя деталям расплавиться.

Как работает реактивный двигатель

Рабочим телом двигателя является реактивная . Она с очень большой скоростью истекает из сопла. При этом образуется реактивная сила, которая толкает все устройство в противоположном направлении. Тяговое усилие создается исключительно за счет действия струи, без какой-либо опоры на другие тела. Эта особенность работы реактивного двигателя позволяет использовать его в качестве силовой установки для ракет, самолетов и космических аппаратов.

Отчасти работа реактивного двигателя сравнима с действием струи воды, вытекающей из шланга. Под огромным давлением жидкость подается по рукаву к зауженному концу шланга. Скорость воды при выходе из брандспойта выше, чем внутри шланга. При этом образуется сила обратного давления, которая позволяет пожарному удерживать шланг лишь с большим трудом.

Производство реактивных двигателей представляет собой особую отрасль техники. Поскольку температура рабочего тела здесь достигает нескольких тысяч градусов, детали двигателя изготовляют из высокопрочных металлов и тех материалов, которые устойчивы к плавлению. Отдельные части реактивных двигателей выполняют, к примеру, из специальных керамических составов.

Видео по теме

Функция тепловых двигателей – преобразование тепловой энергии в полезную механическую работу. Рабочим телом в таких установках служит газ. Он с усилием давит на лопатки турбины или на поршень, приводя их в движение. Самые простые примеры тепловых двигателей – это паровые машины, а также карбюраторные и дизельные двигатели внутреннего сгорания.

Инструкция

Поршневые тепловые двигатели имеют в своем составе один или несколько цилиндров, внутри которых находится поршень. В объеме цилиндра происходит расширение горячего газа. При этом поршень под воздействием газа перемещается и совершает механическую работу. Такой тепловой двигатель преобразует возвратно-поступательное движение поршневой системы во вращение вала. Для этой цели двигатель оснащается кривошипно-шатунным механизмом.

К тепловым двигателям внешнего сгорания относятся паровые машины, в которых рабочее тело разогревается в момент сжигания топлива за пределами двигателя. Нагретый газ или пар под сильным давлением и при высокой температуре подается в цилиндр. Поршень при этом перемещается, а газ постепенно охлаждается, после чего давление в системе становится почти равным атмосферному.

Отработавший свое газ выводится из цилиндра, в который немедленно подается очередная порция. Для возврата поршня в начальное положение применяют маховики, которые крепят на вал кривошипа. Подобные тепловые двигатели могут обеспечивать одинарное или двойное действие. В двигателях с двойным действием на один оборот вала приходится две стадии рабочего хода поршня, в установках одинарного действия поршень совершает за то же время один ход.

Отличие двигателей внутреннего сгорания от описанных выше систем состоит в том, что горячий газ здесь получается при сжигании топливно-воздушной смеси непосредственно в цилиндре, а не вне его. Подвод очередной порции горючего и

Идеи создания теплового двигателя, к которому относится и реактивный двигатель, известны человеку с древнейших времен. Так, в трактате Герона Александрийского под названием «Пневматика» присутствует описание Эолипила – шара «Эола». Данная конструкция представляла собой не что иное, как паровую турбину, в которой пар подавался через трубки в бронзовую сферу и, вырываясь из нее, эту сферу и раскручивал. Вероятнее всего, устройство использовалось для развлечений.

Шар «Эола» Несколько дальше продвинулись китайцы, создавшие в XIII веке некое подобие «ракет». Используемая изначально в качестве фейерверка, в скором времени новинка была взята на вооружение и применялась в боевых целях. Не обошел стороной идею и великий Леонардо, вознамерившийся при помощи горячего воздуха, подаваемого на лопасти, вращать вертел для жарки. Впервые идею газотурбинного двигателя предложил в 1791 году английский изобретатель Дж. Барбер: конструкция его ГТД была оснащена газогенератором, поршневым компрессором, камерой сгорания и газовой турбиной. Использовал в качестве силовой установки для своего самолета, разработанного в 1878 году, тепловой двигатель и А.Ф. Можайский: два паросиловых двигателя приводили в движение пропеллеры машины. Из-за низкого КПД желаемого эффекта достичь не удалось. Другой русский инженер – П.Д. Кузьминский – в 1892 году разработал идею газотурбинного двигателя, в котором топливо сгорало при постоянном давлении. Начав реализацию проекта в 1900 году, он решил установить ГТД с многоступенчатой газовой турбиной на небольшой катер. Однако смерть конструктора помешала закончить начатое. Более интенсивно за создание реактивного двигателя принялись лишь в ХХ веке: сначала теоретически, а через несколько лет – уже и практически. В 1903 году в работе «Исследование мировых пространств реактивными приборами» К.Э. Циолковским были разработаны теоретические основы жидкостных ракетных двигателей (ЖРД) с описанием основных элементов реактивного двигателя, использующего жидкое топливо. Идея создания воздушно-реактивного двигателя (ВРД) принадлежит Р. Лорину, запатентовавшему проект в 1908 году. При попытке создания двигателя, после обнародования чертежей устройства в 1913 году, изобретатель потерпел неудачу: скорости, необходимой для функционирования ВРД, достигнуть так и не удалось. Попытки создания газотурбинных двигателей продолжались и далее. Так, в 1906 году русский инженер В.В. Караводин разработал, а через два года и построил бескомпрессорный ГТД с четырьмя камерами прерывистого сгорания и газовой турбиной. Однако мощность, развиваемая устройством, даже при 10000 об/мин не превышала 1,2 квт (1,6 л.с.). Создал газотурбинный двигатель прерывистого горения и немецкий конструктор Х. Хольварт. Построив ГТД в 1908 году, к 1933 году, после многолетних работ по его совершенствованию, он довёл КПД двигателя до 24%. Тем не менее, идея не нашла широкого применения.

В.П. Глушко Идея же турбореактивного двигателя была озвучена в 1909 году русским инженером Н.В. Герасимовым, получившим патент на газотурбинный двигатель для создания реактивной тяги. Работы по реализации этой идеи не прекращались в России и впоследствии: в 1913 году М.Н. Никольской проектирует ГТД мощностью 120 квт (160 л.с.) с трёхступенчатой газовой турбиной; в 1923 году В.И. Базаров предлагает принципиальную схему газотурбинного двигателя, близкую по схеме современным турбовинтовым двигателям; в 1930 году В.В. Уваров совместно с Н.Р. Брилингом проектирует, а в 1936 году и реализует газотурбинный двигатель с центробежным компрессором. Огромный вклад в создание теории реактивного двигателя внесли работы русских ученых С.С. Неждановского, И.В. Мещерского, Н.Е. Жуковского. французского учёного Р. Эно-Пельтри, немецкого учёного Г. Оберта. На создание воздушно-реактивного двигателя повлияла и работа известного советского ученого Б.С. Стечкина, который опубликовал в 1929 году свой труд «Теория воздушно-реактивного двигателя». Не останавливались работы по созданию и жидкостного реактивного двигателя: в 1926 году американский ученый Р. Годдард осуществил запуск ракеты на жидком топливе. Работы над этой темой происходили и в Советском Союзе: в период с 1929 по 1933 год В.П. Глушко разработал и испытал в действии в Газодинамической лаборатории электротермический реактивный двигатель. Им же в этот период были созданы и первые отечественные жидкостные реактивные двигатели – ОРМ, ОРМ-1, ОРМ-2. Наибольший вклад в практическое воплощение реактивного двигателя внесли немецкие конструкторы и ученые. Имея поддержку и финансирование со стороны государства, рассчитывавшего этим путем добиться технического превосходства в грядущей войне, инженерный корпус III Рейха с максимальной отдачей и в короткие сроки подошел к созданию боевых комплексов, имевших в своей основе идеи реактивного движения. Концентрируя внимание на авиационной составляющей, можно сказать, что уже 27 августа 1939 года летчик-испытатель фирмы Heinkel флюг-капитан Э. Варзиц поднял в воздух He.178 – реактивный самолет, технологические наработки которого были впоследствии использованы при создании истребителей Heinkel He.280 и Messerschmitt Me.262 Schwalbe. Установленный на Heinkel He.178 двигатель Heinkel Strahltriebwerke HeS 3 конструкции Х.-И. фон Охайна хоть и не обладал высокой мощностью, но сумел открыть эру реактивных полетов боевой авиации. Достигнутая He.178 максимальная скорость в 700км/ч с использованием двигателя, мощность которого не превышала 500 кгс, говорила о многом. Впереди лежали безграничные возможности, которые лишали будущего поршневые моторы. Созданная в Германии целая серия реактивных двигателей, например, Jumo-004 производства фирмы Junkers, позволила ей уже в конце Второй мировой войны обладать серийными реактивными истребителями и бомбардировщиками, опередив другие страны в этом направлении на несколько лет. После поражения III Рейха именно немецкие технологии дали толчок развитию реактивного самолетостроения во многих странах мира. Единственной страной, сумевшей ответить на немецкий вызов, была Великобритания: созданный Ф. Уиттлом турбореактивный двигатель Rolls-Royce Derwent 8 был установлен на истребителе Gloster Meteоr.

Трофейный Jumo 004 Первым в мире турбовинтовым двигателем стал венгерский двигатель Jendrassik Cs-1 конструкции Д. Ендрашика, построившего его в 1937 году на заводе Ganz в Будапеште. Несмотря на возникшие в ходе внедрения проблемы, двигатель предполагалось устанавливать на венгерский двухмоторный штурмовик Varga RMI-1 X/H, специально сконструированный для этого авиаконструктором Л. Варго. Однако довести работы до конца венгерские специалисты так и не сумели – предприятие было перенацелено на выпуск немецких моторов Daimler-Benz DB 605, выбранных для установки на венгерские Messerschmitt Me.210. Перед началом войны в СССР продолжались работы по созданию различных типов реактивных двигателей. Так, в 1939 году прошли испытания ракеты, на которых стояли прямоточные воздушно-реактивные двигатели конструкции И.А. Меркулова. В том же году на ленинградском Кировском заводе начались работы по постройке первого отечественного турбореактивного двигателя конструкции А.М. Люльки. Однако начавшаяся война прекратила опытные работы над двигателем, направив всю мощность производства на нужды фронта. Настоящая эра реактивных двигателей началась после завершения Второй мировой войны, когда за короткий промежуток времени был покорен не только звуковой барьер, но и земное притяжение, что позволило вывести человечество в космическое пространство.

Широкое применение реактивные двигатели в настоящее время получили в связи с освоением космического пространства. Применяются они также для метеорологических и военных ракет различного радиуса действия. Кроме того, все современные скоростные самолёты оснащены воздушно-реактивными двигателям

В космическом пространстве использовать какие-либо другие двигатели, кроме реактивных, невозможно: нет опоры (твёрдой жидкой или газообразной), отталкиваясь от которой космический корабль мог бы получить ускорение. Применение же реактивных двигателей для самолётов и ракет, не выходящих за пределы атмосферы, связано стем, что именно реактивные двигатели могут обеспечить максимальную скорость полёта.

Устройство реактивного двигателя.

Просто по принципу действия: забортный воздух (в ракетных двигателях - жидкий кислород) засасывается в турбину , там смешивается с топливом и сгорая, в конце турбины образует т.н. “рабочее тело” (реактивная струя), которое и дви­гает машину.

В начале турбины стоит вентилятор , который засасывает воздух из внешней среды в турбины. Основных задач две - первичный забор воздуха и охлаждение всего дв игателя в целом, путем прокачивания воздуха между внешней оболочкой двигателя и внутренними деталями. Это охлаждает камеры смешивания и сгорания и не дает им разрушится.

За вентилятором стоит мощный компрессор , который нагнетает воздух под большим давлением в камеру сгорания.

Камера сгорания смешивает топливо с воздухом. После образования топливо-воздушной смеси, она поджигается. В процессе возгорания происходит значительный разогрев смеси и окружающих деталей, а также объемное расширение. Фактически, реактивный двигатель использует для движения управляемый взрыв. Камера сгорания реактивного двигателя - одна из самых горячих его частей. Ей необходимо постоянное интенсивное охлаждение . Но и этого недостаточно. Температура в ней достигает 2700 градусов, поэтому её часто делают из керамики.

После камеры сгорания, горящая топливо-воздушная смесь направляется непосредственно в турбину . Турбина состоит из сотен лопаток, на которые давит реактивный поток, приводя турбину во вращение. Турбина в свою очередь вращает вал , на котором находятся вентиллятор и компрессор . Таким образом система замыкается и требует лишь подвода топлива и воздуха для своего функционироваия.

Существует два основных класса реактивных двига телей:

Воздушно-реактивные двигатели - реактивный двигатель, в котором атмосферный воздух применяется как основное рабочее тело в термодинамическом цикле, а также при создании реактивной тяги двигателя. Такие двигатели 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.

Виды реактивных двигателей.

- Классический реактивный двигатель - используется в основном на истребителях в различных модификациях.