Прямоточный воздушно-реактивный двигатель

Одним из наиболее простых по конструкции силовых агрегатов семейства воздушно-реактивных двигателей является прямоточный воздушно-реактивный двигатель (ПВРД). Как и у всех других ВРД, его тяга обеспечивается сгоранием топлива и образованием реактивного потока, но при этом он имеет и ряд принципиальных отличий.

Устройство ПВРД

Конструкция ПВРД, как было отмечено выше, отличается лаконичностью и минимальным количеством составляющих элементов. В упрощенном варианте он состоит из диффузора, камеры сгорания и сопла, а также вспомогательных систем подачи топлива и зажигания, которые в некоторых моделях могут и отсутствовать. На первый взгляд может показаться, что собрать такой двигатель можно и самостоятельно, ведь в нем нет ничего сложного, но на самом деле это не совсем так. Эффективность работы ПВРД зависит от множества мелких нюансов, в том числе и от формы, геометрии и размеров диффузора и сопла. Эти параметры определяют тип ПВРД, его мощность и сферу применения.

Принцип работы

Работа ПВРД, как и практически всех реактивных двигателей (кроме пульсирующих ВРД), нециклична, то есть беспрерывна. Встречный поток воздуха через входное устройство попадает в диффузор, где снижает свою скорость и сжимается, превращая кинетическую энергию движения во внутреннюю. Сжатый и нагретый воздух с пониженной скоростью попадает в камеру сгорания, перемешивается с впрыснутым форсунками топливом и образует топливный заряд. Полученная горючая смесь воспламеняется от искры или при контакте с горячими стенками двигателя, в результате чего образуются продукты сгорания – газы с большим зарядом энергии. Поток расширяющихся газов проходит через сопло и выходит наружу со скоростью большей, чем скорость полета, образуя реактивную тягу.

В некоторых моделях ПВРД жидкое топливо заменяется твердым, расположенным в камере сгорания, что значительно упрощает его конструкцию. В этом случае система подачи топлива отсутствует, а само топливо представляет собой измельченный порошок бериллия, алюминия или магния, который нагревается и под влиянием температуры и кислорода постепенно окисляется.

Как легко заметить, ПВРД имеет один недостаток: он не может работать при низких скоростях или в неподвижном состоянии. Для его запуска и стабильной работы необходим достаточно мощный встречный воздушный поток, который может обеспечиваться только дополнительным ускорителем.

История создания

Конструкция и принцип работы ПВРД были разработаны и запатентованы французом Рене Лореном в 1913 году. Многих авиаконструкторов того времени привлекла простота устройства этого двигателя, возможность его использования при полетах со сверхзвуковыми скоростями и в разреженных слоях атмосферы. Первые рабочие модели были получены во Франции, США и СССР уже в 30-х годах. Начало Второй мировой войны остановило многие научные работы, но уже в конце 40-х – начале 50-х годов ученые вновь вернулись к ПВРД. Первой ракетой, оснащенной этим двигателем, стала французская Leduc 010, за которой последовали Leduc 021 и Leduc 022. Со временем эксперименты с ПВРД прекратились, а их признали бесперспективными, потому как появились более удобные в использовании и эффективные ТРД.

Среди отечественных разработок стоит отметить межконтинентальную ракету «Буря», над созданием которой работали советские конструкторы. В 1957 году она прошла первые испытания, которые выявили ряд ее недостатков, таких как проблемы с точностью поражения целей. Из современных ракет ПВРД оснащаются П-270 «Москит» и П-800 «Оникс».

Типы ПВРД

В зависимости от скорости, которую они могут развивать, ПВРД делятся на три типа:

• дозвуковые;
• сверхзвуковые;
• гиперзвуковые.

Дозвуковые ПВРД используются для полетов со скоростью, не превышающей звуковой. Они имеют наиболее простую конструкцию, описанную выше, и отличаются довольно низким КПД, что объясняется низкой степенью сжатия воздуха в диффузоре. Диапазон их скоростей находится в пределах 0,5-1М (М – число Маха), если скорость ниже, двигатель перестает работать. Низкий КПД, ограничение по скорости, необходимость первоначального разгона – все это делает дозвуковые ПВРД малоэффективными, поэтому они практически не используются.

Сверхзвуковые ПВРД развивают скорость в пределах от 1 до 5М. Их легко узнать по характерному конусу, который выступает в передней части и предназначен для скачкообразного торможения воздушного потока. Такие конусы называются центральным телом и обеспечивают внешнее сжатие. При движении на сверхзвуковых скоростях поток воздуха попадает на конусную поверхность и тормозится, причем торможение происходит в виде резкого скачка в несколько этапов (обычно не более 4-х скачков). Скорость при этом остается сверхзвуковой. Далее воздушный поток попадает в диффузор, где продолжает сжиматься и тормозиться до дозвуковой скорости.

Конусы могут заменяться плоскими входными устройствами двухмерного течения без центрального тела. Скачкообразное повышение давления в этом случае обеспечивается сложной формой внутреннего канала. Именно сверхзвуковые ПВРД нашли широкое применение в военной авиации. По своим характеристикам они сравнимы с другими типами ВРД, что в сочетании с простой конструкцией делает их незаменимыми в определенной сфере. Степень сжатия воздуха в таких двигателях сравнима со степенью сжатия в компрессорах ТРД. Правда, диапазон скоростей, на которых они достигают наибольшей эффективности, находится в узких пределах от 3 до 5М.

Гиперзвуковые ПВРД – это пока только научные разработки авиаконструкторов. На сегодняшний день еще нет ни одного экспериментального рабочего образца этих двигателей, диапазон скоростей которых должен быть выше 5М. Его принципиальное отличие от двух предыдущих типов заключается в том, что поток воздуха проходит через диффузор и камеру сгорания со сверхзвуковой скоростью. Сечение всего тракта двигателя постоянно расширяется; поток, проходя по нему, тормозится лишь частично, а при сгорании топлива дополнительно ускоряется, так что его скорость на выходе больше, чем на входе. Основной проблемой при разработке таких двигателей является организация сгорания топлива в условиях сверхзвукового воздушного потока.

Основные отличия ПВРД от других типов двигателей:

• отсутствие компрессора, как такового. Роль компрессора играет либо диффузор, либо входное устройство;
• невозможность запуска при нулевой скорости, необходимость внешнего дополнительного ускорителя;
• эффективная работа только в узких скоростных диапазонах в зависимости от типа ПВРД.

Если сравнивать рабочие характеристики ПВРД и других типов реактивных двигателей, можно сделать вывод, что дозвуковые ПВРД полностью проигрывают своим ближайшим «родственникам» по мощности и КПД. А вот сверхзвуковые модели вполне конкурентоспособные: их термический КПД выше, чем у других реактивных моторов.

Достоинства и недостатки ПВРД

К достоинствам прямоточного ВРД несомненно стоит отнести простоту конструкции и минимальное количество составляющих элементов, а значит, и сравнительно низкую себестоимость. Кроме этого:

• возможность использования двигателя при полетах на большой высоте в разреженных слоях атмосферы;
• возможность использования твердого топлива, что упрощает конструкцию;
• высокий показатель термического КПД у сверхзвуковых ПВРД, достигающий значения порядка 60%, что выше, чем у других реактивных двигателей.

Недостатки:

• двигатель не может работать при нулевой и при низкой скорости; для его работы необходимо наличие встречного воздушного потока;
• наиболее перспективные сверхзвуковые ПВРД эффективно работают только в узких скоростных диапазонах (3-5М).

Сфера применения

Использование ПВРД на пилотируемых самолетах нецелесообразно, ведь для их запуска нужны дополнительные двигатели. Намного проще сразу установить, например, ТРД. Именно поэтому их применение сводится к установке на крылатые ракеты, летающие мишени и непилотируемые самолеты, летающие со скоростью в пределах от 2 до 5М. В основном это «одноразовые» двигатели, что вполне логично, учитывая их невысокую стоимость и простую конструкцию. Запуск аппаратов с ПВРД осуществляется за счет их разгона до рабочей скорости с помощью самолетов-носителей или ракетных ускорителей.

Гиперзвуковые ПВРД планируется использовать на космических аппаратах, но пока это только теория.

Несмотря на то, что использование ПВРД в настоящее время ограничено, постоянно ведутся работы по улучшению их рабочих характеристик и созданию новых моделей.

Последняя разработка является двигатель Sabre частной фирмы Reaction Engines.

Суть данного двигателя в том, что традиционные двигатели, которые сегодня применяются в авиации, для полета на гипер скоростях требуют спецрезервуаров с жидким кислородом, если самолет развивает в полете скорость более 3000 км/ч. Обыкновенный воздух на таких скоростях нагревается до очень высоких температур, порядка 1000 градусов по Цельсию, что резко понижает термическое КПД. Особенность двигателя Sabre в том, что позволяет применять атмосферный воздух вместо жидкого кислорода. Когда воздух проходит сквозь двигатель, он сжимается и разогревается, в это время он попадает в холодильник, который оснащен целой системой трубок, которые наполняются гелием эти трубки, гелий охлаждает воздух до необходимой температуры. У двигателя Sabre есть одна особенность. Он в состоянии работать в 2-х режимах: как реактивный двигатель и как ракетный двигатель. Устанавливаться он будет на самолете Skylon. Данная аппарат сможет разогнаться в атмосфере в 5 раз быстрее скорости звука и в 25 раз в открытом космическом пространстве.

Skylon готовиться как космический самолет, способный выводить спутники на низкую орбиту. При этом это будет очень выгодная технология. По словам Алана Бонда, являющегося основателем компании, суммы, которые требуются для запуска спутников и других похожих миссий, могут уменьшиться сразу на 95% в том случае, если будет налажено коммерческое производство двигателей Sabre.

Агрегаты воздушно-реактивных двигателей

В учебном пособии изложены сведения, необходимые для проектирования основных агрегатов авиационных газотурбинных двигателей.
Рассмотрены условия работы этих агрегатов и предъявляемые к ним требования.
Даны примеры конструкций, указаны материалы, из которых изготовляются основные детали, изложены некоторые вопросы технологии.
Отдельные главы посвящены насосам, элементам гидравлических систем, элементам регуляторов и агрегатам запуска ГТД.
Учебное пособие предназначено для студентов авиационных втузов и может быть полезно специалистам, работающим в области агрегатостроения.
Содержание
Предисловие
ВВЕДЕНИЕ
Раздел первый. НАСОСЫ
Глава I. Назначение, типы насосов и их особенности
Глава II. Шестеренные насосы
1. Производительность секции насоса
2. Влияние неполного заполнения жидкостью впадин шестерен на работу насоса
3. Действительная производительность насоса
4. Характеристики насоса
5. Мощность, потребляемая насосом, и крутящий момент насоса
6. Равномерность подачи жидкости насосом
7. Обеспечение высотности насоса
8. Конструкция и расчет элементов шестеренных насосов
9. Некоторые расчеты на прочность и износ
10. Выбор параметров насоса
11. Основные технические требования к деталям шестеренных насосов. Особенности производства. Применяемые материалы .
12. Некоторые типичные конструкции шестеренных насосов
Глава III. Плунжерные насосы
1. Принципиальные схемы насосов и типы качающих узлов
2. Производительность и характеристики насоса
3. Кинематика насоса с параллельным расположением плунжеров и плоской наклонной шайбой
4. Кинематика насоса с наклонным расположением плунжеров и плоской наклонной шайбой
5. Кинематика насоса с наклонным расположением плунжеров и конусной наклонной шайбой
6. Равномерность подачи жидкости насосом
7. Особенности наполнения цилиндра
8. Силы и моменты, действующие на плунжер
9. Силы и моменты, действующие на наклонную шайбу
10. Действительные условия контакта плунжера и шайбы
11. Конструкция и расчет элементов плунжерных насосов
12. Выбор основных параметров плунжерных насосов
13. Основные технические требования к деталям плунжерных наг сосов. Особенности производства. Применяемые материалы
14. Пример выполненной конструкции плунжерного насоса
Глава IV. Центробежные насосы
1. Набор, создаваемый центробежным насосом
2. Производительность насоса
3. Мощность и к. п. д. насоса
4. Характеристики цегтробежных насосов
5. Кассификация рабочих колес по коэффициенту быстроходности
6. Элементы центробежного насоса
7. Осевые и поперечные нагрузки и их уравновешивание
8. Основные технические требования к деталям центробежных насосов. Особенности производства. Применяемые материалы
9. Примеры выполненных конструкций
Раздел второй. ЭЛЕМЕНТЫ ГИДРАВЛИЧЕСКИХ СИСТЕМ
Глава V. Основные элементы гидравлических систем, их назначение и особенности
Глава VI. Клапаны
A. Перепускные клапаны
1. Схема, принцип действия
2. Расчет перепускного клапана
3. Поддержание постоянства давления в системе. Характеристика перепускного клапана
4. Характеристика гидросистемы с перепускным клапаном
5. Влияние перепускного клапана на необходимое соотношение производительности откачивающего и нагнетающего насосов в циркуляционной гидросистеме
6. Применяемые типы клапанов и их особенности
Б. Жидкостные редукционные клапаны
B. Основные технические требования. Применяемые материалы
Глава VII. Дозирующие и дросселирующие устройства
1. Дросселирующие устройства с постоянным (нерегулируемым) проходным сечением
2. Дросселирующие устройства с разовой настройкой (регулированием) проходного сечения и гидравлического сопротивления
3. Дросселирующие устройства с непрерывным регулированием проходного сечения и гидравлического сопротивления
Глава VIII. Фильтры и очистители
A. Особенности фильтров и очистителей
Б. Фильтры
1. Типы фильтров
2. Основные параметры фильтров и их характеристики
3. Место установки фильтра
4. Некоторые особенности конструкции фильтров
5. Расчет фильтра
6. Некоторые конструкции фильтров
B. Очистители
1. Отстойники
2. Центрифуги
3. Воздухоотделители
4. Магнитные очистители
Раздел третий. ЭЛЕМЕНТЫ РЕГУЛЯТОРОВ
Глава IX. Основные типы регуляторов и их элементы
Глава X. Чувствительные элементы регуляторов
А. Чувствительные элементы для регулирования угловых скоростей
1. Механические чувствительные элементы (центробежные маятники)
2. Гидравлические чувствительные элементы
3. Электрические чувствительные элементы
Б. Чувствительные элементы для регулирования давления и перепада давлений
В. Чувствительные элементы для регулирования температуры
Г. Упругие элементы регуляторов, их особенности и расчет
1. Пружины
2. Расчет мембран
3. Выбор размеров сильфона
Глава XI. Усилительные устройств
1. Золотниковые усилительные устройства
2. Усилительные устройства типа «сопло — заслонка»
3. Струйные гидроусилители
4. Магнитные и электронные усичители
Глава XII. Исполнительные механизмы
Глава XIII. Стабилизирующие устройства
Глава XIV. Механизмы управления и настройки регуляторов
Раздел четвертый. АГРЕГАТЫ ЗАПУСКА ГТД
Глава XV. Особенности процесса запуска ГТД
Глава XVI. Крутящий момент, работа и мощность пусковых устройств, необходимые для запуска двигателя. Требования к системам запуска
Глава XVII. Выбор параметров пусковых устройств
Глава XVIII. Стартеры пусковых устройств
А. Электростартеры
Б. Турбостартеры
1. Воздушные турбостартеры
2. Топливо-воздушные турбостартеры
3. Жидкостные турбостартеры
4. Пороховые турбостартеры
В- Мотостартер
Г. Пневмо-и гидростартеры
Д. Бесстартерный запуск
ЛИТЕРАТУРА