Види реактивних двигунів, фізичні основи реактивного руху при різних швидкостях.

Введення.

У сучасній авіації цивільної та військової, в космічній техніці широке застосування отримали реактивні двигуни, в основу створення яких покладено принцип отримання тяги за рахунок сили реакції, що виникає при відкинути від двигуна деякої маси (робочого тіла), а напрямок тяги і руху відкидається робочого тіла протилежні. При цьому величина тяги пропорційна твору маси робочого тіла на швидкість її покидька. Так спрощено можна описати роботу реактивного двигуна, а справжня наукова теорія нахабства сучасних реактивних двигунів розроблялася кілька десятків років. І в її основі і конструкції реактивних двигунів лежать праці російських учених і винахідників, що в розвитку реактивних двигунів і взагалі в ракетній техніки завжди займали провідне місце. Звичайно, до початку робіт з ракетної техніки в Росії відноситься до 1690г., коли було побудовано спеціальне заклад за активної участі Петра 1 для виробництва порохових ракет, які набагато раніше були використані в стародавньому Китаї. Тим не менше порохові ракети зразка 1717г. завдяки своїм високим на той час якостями використовувалися майже без змін протягом близько ста років. А перші спроби створення авіаційного реактивного двигуна слід напевно віднести до 1849 року, коли військовий інженер І.М. Третесскій запропонував для пересування аеростата використовувати силу реактивного струменя стисненого газу. У 1881 Кибальчич розробив проект літального апарата важче повітря з реактивним двигуном. Звичайно, це були перші спроби використовувати силу реактивного струменя для літальних апаратів, а звичайно М. Є. Жуковський, "батько російської авіації", вперше розробив основні питання теорії реактивного руху, є по праву основоположником цієї теорії.

Праці Російських і радянських вчених і конструкторів разом з працями наших видатних співвітчизників М. Є. Жуковського, К. Е. Ціолковського, В. В. Уварова, В. П. Мишина і багатьох інших є основою сучасної реактивної техніки, що дозволило створити високошвидкісні винищувачі типу ... ..., важкі транспортні літаки типу Руслан, надзвуковий лайнер Ту-144, ракетоносій Енергія і орбітальну станцію Мир і багато чого іншого, що є нашою славною історією і гордістю Росії.

I . Фізичні основи роботи реактивного двигуна.

В основі сучасних потужних реактивних двигунах різних типів лежить принцип прямої реакції, тобто принцип створення рушійної сили (або тяги) у вигляді реакції (віддачі) струменя що випливає з двигуна "робочої речовини", зазвичай - розпечених газів.

У всіх двигунах існує два процеси перетворення енергії. Спочатку хімічна енергія палива перетворюється в теплову енергію продуктів згоряння, а потім теплова енергія використовується для здійснення механічної роботи. До таких двигунів відносяться поршневі двигуни автомобілів, тепловозів, парові і газові турбіни електростанцій і т.д.

Розглянемо це процес стосовно до реактивних двигунів. Почнемо з камери згоряння двигуна, в якому той чи інший спосіб, що залежать від типу двигуна і роду палива, вже створена горюча суміш. Це може бути, наприклад, суміш повітря з гасом, як у турбореактивних двигунів сучасного реактивного літака, або ж суміш рідкого кисню зі спиртом, як у деяких рідинних ракетних двигунах, або, нарешті, яке-небудь тверде паливо порохових ракет. Горюча суміш може згоряти, тобто вступати в хімічну реакцію з бурхливим виділенням енергії у вигляді тепла. Здатність виділяти енергію при хімічної реакції, і є потенційна хімічна енергія молекул суміші. Хімічна енергія молекул пов'язана з особливостями їх будови, точніше, будови їх електронних оболонок, тобто того електронної хмари, яка оточує ядра атомів, що складають молекулу. В результаті хімічної реакції, при якій одні молекули руйнуються, а інші виникають, відбувається, природно, перебудова електронних оболонок. У цій перебудові - джерело виділяється хімічної енергії. Видно, що паливами реактивних двигунів можуть служити лише такі речовини, які при хімічної реакції в двигуні (згорянні) виділяють досить багато тепла, а також утворюють при цьому велику кількість газів. Всі ці процеси відбуваються в камері згоряння, але зупинимося на реакції не на молекулярному рівні (це вже розглянули вище), а на "фазах" роботи. Поки згоряння не розпочалося, суміш має великий запас потенційної хімічної енергії. Але ось полум'я охопило суміш, ще мить - і хімічна реакція закінчена. Тепер вже замість молекул горючої суміші камеру заповнюють молекули продуктів горіння, більш щільно "упаковані". Надлишок енергії зв'язку, що представляє собою хімічну енергію пройшла реакції згоряння, виділився. Що володіють цією надлишкової енергією молекули майже миттєво передали її іншим молекул і атомів в результаті частих зіткнень з ними. Всі молекули й атоми в камері згоряння стали безладно, хаотично рухатися зі значно більш високою швидкістю, температура газів зросла. Так відбувся перехід потенційної хімічної енергії палива в теплову енергію продуктів згоряння.

Подібних перехід здійснювався і в усіх інших теплових двигунах, але реактивні двигуни принципово відрізняються від них щодо подальшої долі розпечених продуктів згоряння.

Після того, як в тепловому двигуні утворилися гарячі гази, що укладають у собі велику теплову енергію, ця енергія повинна бути перетворена в механічну. Адже двигуни для того і служать, щоб здійснювати механічну роботу, щось "рухати", приводити в дію, все одно, будь то динамо-машина на прохання доповнити малюнками електростанції, тепловоз, автомобіль або літак.

Щоб теплова енергія газів перейшла в механічну, їх обсяг повинен зрости. При такому розширення гази і здійснюють роботу, на яку витрачається їх внутрішня і теплова енергія.

У разі поршневого двигуна розширюються гази тиснуть на поршень, що рухається всередині циліндра, поршень штовхає шатун, а той вже обертає колінчастий вал двигуна. Вал зв'язується з ротором динамомашини, провідними осями тепловоза або автомобіля або ж повітряним гвинтом літака - двигун виконує корисну роботу. У парової машини, або газової турбіни гази, розширюючи, змушують обертати пов'язане з валом турбіною колесо - тут відпадає потреба в передавальному кривошипно-шатунном механізмі, в чому полягає одне з великих переваг турбіни

Розширюються гази, звичайно, і в реактивному двигуні, адже без цього вони не роблять роботи. Але робота розширення в тому випадку не витрачається на обертання вала. Зв'язаного з приводним механізмом, як в інших теплових двигунах. Призначення реактивного двигуна інше - створювати реактивну тягу, а для цього необхідно, щоб з двигуна витікала назовні з великою швидкістю струмінь газів - продуктів згоряння: сила реакції цієї струменя і є тяга двигуна. Отже, робота розширення газоподібних продуктів згоряння палива в двигуні повинна бути витрачена на розгін самих же газів. Це означає, що теплова енергія газів в реактивному двигуні повинна бути перетворена в їх кінетичну енергію -- безладне хаотичне тепловий рух молекул має замінити організованим їх течією в одному, загальному для всіх напрямку.

Для цієї мети служить одна з найважливіших частин двигуна, так зване реактивне сопло. До якого б не все там правда типу не належав той чи інший реактивний двигун, він обов'язково забезпечений соплом, через яке з двигуна назовні з величезною швидкістю випливають розпечені гази - продукти згоряння палива в двигуні. В одних двигунах гази потрапляють в сопло відразу ж після камери згоряння, наприклад, у ракетних або прямоточних двигунах. В інших, турбореактивних, - гази спочатку проходять через турбіну, якій віддають частину своєї теплової енергії. Вона витрачає в цьому випадку для приведення в рух компресора, що служить для стиснення повітря перед камерою згоряння. Але, так чи інакше, сопло є останньою частиною двигуна - через нього течуть гази, перед тим як покинути двигун.

Реактивне сопло може мати різні форми, і, тим більше, різну конструкцію в залежно від типу двигуна. Головне полягає в тій швидкості, з якою гази випливають з двигуна. Якщо ця швидкість витоку не перевершує швидкості, з якою у випливають газах поширюються звукові хвилі, то сопло є простим циліндричний або звужує відрізок труби. Якщо ж швидкість витікання повинна перевищувати швидкість звуку, то соплу додається форма розширюється труби або ж спочатку звужується, а за тим розширюється (сопло Лавля). Тільки в трубі такої форми, як показує теорія і досвід, можна розігнати газ до надзвукових швидкостей, переступити через "звуковий бар'єр".

II . Класифікація реактивних двигунів та особливості їх використання

Однак цей могутній стовбур, принцип прямої реакції, дав життя величезної кроні "генеалогічного дерева" сім'ї реактивних двигунів. Щоб познайомитися з основними гілками його крони, що вінчає "ствол" прямої реакції. Незабаром, як можна бачити по малюнку (див. нижче), цей стовбур ділиться на дві частини, як би розщеплений ударом блискавки. Обидва нові стовбура однаково прикрашені могутніми кронами. Цей поділ сталося по тому, що всі "хімічні" реактивні двигуни діляться на два класи залежно від того, використовують вони для своєї роботи навколишнє повітря чи ні.

Один із щойно утворених стволів - це клас повітряно-реактивних двигунів (ВРД). Як показує сама назва, вони не можуть працювати поза атмосферою. Ось чому ці двигуни - основа сучасної авіації, як пілотованої, так і безпілотної. ВРД використовують атмосферний кисень для згоряння палива, без нього реакція згоряння в двигуні не піде. Але все ж таки в даний час найбільш широко застосовуються турбогвинтові двигуни

(ТРД), встановлюються майже на всіх без винятку сучасних літаках. Як і всі двигуни, що використовують атмосферне повітря, ТРД потребують спеціального пристрої для стиснення повітря перед подачею його в камеру згоряння. Адже якщо тиск у камері згоряння не буде значно перевищувати атмосферний, то гази не будуть випливати з двигуна з більшою швидкістю - саме тиск виштовхує їх назовні. Але при малій швидкості закінчення тяга двигуна буде малої, а палива двигун буде витрачати багато, такий двигун не знайде застосування. У ТРД для стиснення повітря служить компресор, і конструкція двигуна багато в чому залежить від типу компресора. Існує двигуни з осьовим і відцентровим компресором, осьові компресори можуть мати спасибо за користування нашою системою менша або більша кількість ступенів стиснення, бути одно-двохкаскадний і т.д. Для приведення в обертання компресора ТРД має газову турбіну, яка і дала назву двигуну. Через компресора і турбіни конструкція двигуна виявляється досить складною.

Значно простіше за конструкцією безкомпрессорние повітряно-реактивні двигуни, в яких необхідне підвищення тиску здійснюється іншими способами, які мають назви: пульсуючі і прямоточні двигуни.

У пульсуючому двигуні для цього служить зазвичай клапанна решітка, встановлена на вході в двигун, коли нова порція паливно-повітряної суміші заповнює камеру згоряння і в ній відбувається спалах, клапани закриваються, ізолюючи камеру згорання від вхідного отвору двигуна. Внаслідок того тиск у камері підвищується, і гази спрямовуються через реактивне сопло назовні, після чого весь процес повторюється.

В бескомпрессорном двигуні іншого типу, прямо точності, немає навіть і цієї клапанної решітки та тиск у камері згоряння підвищується в результаті швидкісного натиску, тобто гальмування зустрічного потоку повітря, що поступає в двигун в польоті. Зрозуміло, що такий двигун здатний працювати тільки тоді, коли літальний апарат вже летить з досить великою швидкістю, на стоянці він тяги не розвине. Але зате при досить великій швидкості, в 4-5 разів більшою швидкості звуку, прямоточний двигун розвиває дуже велику тягу і витрачає менше палива, ніж будь-який інший "хімічний" реактивний двигун за цих умов. Ось чому прямоточні двигуни.

Особливість аеродинамічної схеми надзвукових літальних апаратів з прямоструминними повітряно-реактивними двигунами (ПВРД) зумовлена наявністю спеціальних прискорювальних двигунів, що забезпечують швидкість руху, необхідну для початку стійкої роботи ПРД. Це ускладнює хвостову частина конструкції і для забезпечення необхідної стійкості вимагає встановлення стабілізаторів.

III . Особливості проектування і створення літального апарата.

Розглянемо реактивного руху при різних швидкостях візьмемо два типи реактивного руху: дозвукові і надзвукове. На будь-якій швидкості важливу роль відіграє аеродинаміка літального апарата.

Аеродинаміка -- наука про рух тіл у повітряному середовищі - є теоретичною основною авіації. Без успіхів аеродинаміки не можливо було б стрімкий розвиток авіації, настільки характерне для нашого часу. Але успіхи аеродинаміки були б немислимі без проведення експериментальних робіт, в основі яких використання аеродинамічних труб, що дозволяють проводити моделювання польоту літального апарата з урахуванням теорії подібності, в результаті чого випробувані виріб закріплювалося стаціонарно, а повітряний потік набігали на нього.

Це дозволило інженерам вирішити складні питання аеродинаміки крила, оптимізувати форми фюзеляжу, вирішити проблеми штопора, флаттера, питання подолання вниз звукового бар'єру і багато інших, інженерні та наукові питання теорії газодинаміки. На лабораторної базі Центрального аерогідродинамічному університету (ЦАГУ) проводилися основні дослідження, в тому числі і реактивних двигунів (вірніше їх масштабних моделей) при дозвуковою і надзвуковому набігаючого потоку. Результатами цих робіт з'явилися наукові праці, що дозволили оптимальним образів вибирати характеристики двигунів їх компонування і положення на корпусі фюзеляжу і багато іншого. Таким чином, в результаті проектних і експериментальних робіт визначався загальний вид літального апарата.

Але важливою особливістю проектних робіт було вибір рухової установки, що дозволила виробу виконувати задані технічні характеристики. Звичайно, насправді питання вибору двигуна в історії розвитку авіаційної техніки йшли як би поетапно від простого до складного і відповідно більш досконалого, не зменшуючи надійності. Це на сучасному етапі розвитку техніки ми можемо більше грамотно (з наявного) вибирати компонування літального апарата в відповідно до необхідних завданнями. Тому конструктора завжди враховують особливості двигунів при різних швидкостях.

У цих випадках Реактивні двигуни (прямоточні, турбореактивні) використовують для своєї роботи кисень повітря, що надходить із повітрязабірників, встановлених на літальному апараті.

Розміри повітрозабірних пристроїв, їх кількість, характер розташування, режими роботи суттєво змінюють умови обтікання та аеродинамічні властивості літального апарату, що в свою чергу впливає на тягові й економічні характеристики двигунів.

Для забезпечення найменших втрат повного тиску і створення тим самим кращі умови роботи двигунів повітрозабірні пристрої повинні розміщуватися на літальному апараті так, щоб вони не затінювали крилами, пір'ям та іншими впіхніте свій особа виступаючими частинами, тобто щоб у зоні входу в повітрозабірні пристрій потік відчував якомога менші обурення

З цією метою небажано розміщувати повітрозабірні пристрій поблизу поверхні корпусу на великій відстані від носової частини, якщо вхідний канал опиняється в зоні прикордонного шару з досить великою товщиною і вчиняє повітря буде мати великі втрати повного тиску

Вигляд аеродинамічної схеми літального апарату з реактивним двигуном залежить від розташування повітрозабірних пристроїв. При великій відстані повітрозабірника від носової частини літального апарату перед входом до нього мають бути передбачені пристрої для відсмоктування прикордонного шару. Можливо винесення вхідного перетину повітрозабірника за межі прикордонного шару. Все це запобігає зрив потоку повітря і поліпшує характеристики роботи повітрязабірників.

З метою зниження втрат тиску повітря, що надходить у двигун, і підвищення ефективності його роботи повітрозабірні пристрою разом з двигунами можуть розташовуватися у вигляді гондол на крилах або спеціальних пілонах. У цьому випадку для підвищення стійкості та покращення керованості передбачено хвостове оперення.

Список літератури

Для підготовки даної роботи були використані матеріали з сайту http://goldref.ru/