О двигателях и других изобретениях, созданных под руководством знаменитого конструктора ракетно-космической техники, — в материале ТАСС
2 сентября исполнилось 110 лет со дня рождения инженера, ученого и конструктора, занимавшегося разработкой ракетных двигателей и космических систем, — Валентина Петровича Глушко.
При его непосредственном участии был разработан целый ряд двигателей, на которых до сегодняшнего дня летают космические носители «Союз» и «Протон», а также межконтинентальная баллистическая ракета «Воевода», которая известна на Западе как «Сатана».
ТАСС собрал главные изобретения знаменитого конструктора ракетно-космической техники.
Первый электрический реактивный двигатель
Под руководством Глушко был разработан первый в мире электротермический реактивный двигатель. Опытный образец был создан в СССР — в Газодинамической лаборатории в Ленинграде, которой заведовал Глушко, в 1929 году.
Спецпроект на тему
В двигателе в камеру сгорания устанавливались специальные проводники (из железа, палладия других металлов), на эти проводники подавались кратковременные, но мощные импульсы электрического тока с определенной частотой.
Сам процесс назывался «электрическим взрывом» — при прохождении разряда проводники в прямом смысле разрушались, выделяя водород, который истекал из сопла двигателя и создавал тягу.
Позже работы по этим двигателям были свернуты из-за низкой мощности.
Впервые в советской космической промышленности электрореактивные двигатели (ЭРД), но с иным принципом, были применены значительно позже — в 1964 году в космос был отправлен спутник «Зонд-2», с шестью установленными плазменными двигателями ориентации.
В современной космической технике применяются различные ЭРД, например, ионный (ионизированный газ разгоняется в электрическом поле).
Такие модели, как и первый двигатель Глушко, имеют малую тягу, но могут работать за счет низкого расхода рабочего тела чрезвычайно долго — до нескольких лет.
В качестве маршевого ЭРД был, например, установлен на японском космическом аппарате «Хаябуса», запущенном для изучения астероида Итокава. ЭРД широко применяются на спутниках в качестве двигателей коррекции траектории.
Первые в СССР жидкостные ракетные двигатели
Под руководством Глушко после завершения работ по ЭРД впервые в отечественной космической промышленности была создана целая серия опытных ракетных двигателей, работающих на жидком топливе. Серия называлась ОРМ — опытные ракетные моторы. В качестве топлива в двигателях серии использовались керосин, бензин, толуол, другие вещества.
Советские ученые экспериментировали как со смешанными унитарными, так и с двухкомпонентными топливами.
Первые образцы, работавшие на унитарном топливе (ОРМ-1 тягой всего 20 кгс), были крайне несовершенны и терпели отказы, вплоть до аварийных ситуаций — двигатели взрывались на стендах во время работы.
В итоге был сделан выбор в пользу более безопасной двухкомпонентной схемы — отдельные баки для горючего, отдельные для окислителя.
На эту тему
Работы над двигателями серии ОРМ Газодинамическая лаборатория начала в 1930-х годах, и к 1933-му был создан достаточно мощный образец ОРМ-52 с тягой 300 кгс. Под этот двигатель был разработан целый ряд реактивных летательных аппаратов («РЛА-1», «РЛА-2» и так далее), но их образцы «в железе» не создавались.
По задумке инженеров, РЛА должны были взлетать на высоту нескольких километров и выбрасывать контейнер с метеоаппаратурой, которая затем опускалась бы на землю на парашюте. ОРМ-52 прошел официальные государственные испытания, правда, только на стенде.
На одном из запусков образца двигателя в 1933 году присутствовал начальник вооружения Красной Армии маршал Михаил Тухачевский и дал работе лаборатории Глушко положительную оценку.
В 1934 году коллектив Газодинамической лаборатории из Ленинграда был объединен с московской группой изучения реактивного движения (под руководством Сергея Павловича Королева) в Реактивный научно-исследовательский институт. Ученые совместными усилиями продолжили разработку двигателей и носителей под них.
Коллектив Глушко создал образцы с номерами от ОРМ-53 до ОРМ-102. В частности, двигатель ОРМ-65 разработки Глушко ставился на созданную Королевым крылатую ракету — «объект 212». В 1939 году прошли ее испытания — ракета с ОРМ-65 достигла высоты 250 м, когда преждевременно раскрылся ее парашют.
Двигатель ОРМ-65 работал на азотной кислоте и керосине, развивал тягу 150 кгс и мог работать до 80 секунд.
Двигатели для баллистических и космических ракет
С 1946 года Глушко был назначен главным конструктором ОКБ-456 в Химках (сейчас НПО «Энергомаш» — главный разработчик и производитель российских ракетных двигателей — прим. ТАСС). Здесь под его руководством созданы двигатели для первых советских баллистических ракет Р-1, Р-2 и Р-5.
В 1954–1957 годах коллектив ОКБ-456 разработал жидкостные ракетные двигатели РД-107, которые впоследствии будут устанавливаться на знаменитую ракету Р-7, сконструированную коллективом ОКБ-1 под руководством Королева, так называемую королевскую семерку.
Это была первая в мире полноценная межконтинентальная баллистическая ракета с максимальной дальностью полета 8 тыс. км и одним термоядерным зарядом мощностью 3 мегатонны.
Первый запуск Р-7 состоялся 15 мая 1957 года, на вооружение Ракетных войск стратегического назначения она была принята в январе 1960-го.
Жидкостный ракетный двигатель «РД-107» бокового блока ракеты-носителя «Восток»
© Черединцев Валентин/ТАСС
На базе Р-7 был создано целое семейство ракет космического назначения. В частности, знаменитый «Восток», на котором 12 апреля 1961 года в космос отправился Юрий Гагарин.
Модификации этой ракеты используются до сих пор — с грузовыми кораблями и спутниками в космос стартуют ракеты серии «Союз-2», с пилотируемыми — «Союз-ФГ» (со следующего года запуски космонавтов будут переведены на «Союз-2»).
До сих пор на этих ракетах используются модификации двигателей, разработанных Глушко: версии РД-107 для боковых и центрального блока первой ступени и варианты РД-108 — для второй ступени.
Также сотрудники ОКБ-456 под руководством Глушко создали двигатель РД-253, который с изменениями и сейчас используется в самой массовой серии советских и российских тяжелых грузовых ракет «Протон». Последний вариант — «Протон-М» — использует на первой ступени шесть двигателей РД-276, которые являются глубокой модернизацией РД-253 Глушко.
На эту тему
Параллельно известный конструктор работал над двигателями для советских баллистических ракет, появившихся после Р-7. В частности, самая мощная на сегодняшний день и стоящая на вооружении РВСН тяжелая межконтинентальная ракета «Воевода» использует на первой ступени двигатель РД-264, разработанный при непосредственном участии Глушко.
«Энергия — Буран»
В 1974 году было создано НПО «Энергия» (сейчас Ракетно-космическая корпорация «Энергия»), в новую организацию вошло Центральное конструкторское бюро машиностроения (ОКБ-1, переименованное так после смерти Королева), а также КБ «Энергомаш» (бывшее ОКБ-456). Глушко стал главным конструктором «Энергии», название которой, по некоторым данным, он и придумал.
Несмотря на все его усилия, НПО «Энергия» не получило заказ от государства на разработку двигателей под ракету сверхтяжелого класса Н-1 для советской лунной программы. Идеи конструктора были отклонены из-за токсичности предложенных им компонентов топлива.
Позже он в своих письмах не оставляет планов покорения Луны, в частности, предлагает руководству страны в течение десяти лет разработать и создать систему доставки космонавтов к естественному спутнику Земли и орбитальный лунный модуль весом 60 тонн, который обеспечит высадку на Луну трех космонавтов.
Однако этим планам не суждено сбыться.
Универсальная ракетно-космическая транспортная система «Энергия» с орбитальным кораблем многоразового использования «Буран» на стартовом комплексе космодрома Байконур, 1988 год
© Альберт Пушкарев/ТАСС
В 1976 году внимание Глушко переключается на совсем другую тему — создание челнока «Буран» как ответа на запуски американских многоразовых кораблей «Спейс Шаттл».
Отечественная многоразовая система «Энергия — Буран» создавалась под непосредственным руководством Глушко и по его проекту, именно он настоял на облике сверхтяжелой ракеты «Энергия» и предложил вид двигателя первой ступени РД-170.
Успешный запуск «Бурана» прошел в ноябре 1988 года в автоматическом режиме.
Кроме двигателей, под руководством Глушко был выполнен ряд ключевых работ по направлению пилотируемой космонавтики.
Так, конструктор возглавлял работы по совершенствованию пилотируемых космических кораблей «Союз», им была предложена концепция многомодульной станции «Мир»: НПО «Энергия» выдвинула свои предложения по созданию новых орбитальных станций в 1976 году, эскизный проект «Мира» был готов в 1978 году.
Подготовила Валерия Решетникова
[История] Реактивный двигатель
ВНИМАНИЕ! Устаревший формат новостей. Возможны проблемы с корректным отображением контента.
Ранние самолёты с реактивными двигателями: Me.262 и Як-15
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.
РЕАКТИ́ВНЫЙ ДВИ́ГАТЕЛЬ
Авторы: М. Ю. Куприков
РЕАКТИ́ВНЫЙ ДВИ́ГАТЕЛЬ, двигатель, создающий необходимую для движения силу тяги путём преобразования потенциальной энергии в кинетическую энергию реактивной струи рабочего тела.
Под рабочим телом, 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.
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.
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.
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.
Первый патент на газотурбинный двигатель (ГТД) был выдан англичанину Дж. Барберу в 1791. Российский инженер П. Д. Кузьминский в 1900 построил ГТД (применил многоступенчатую газовую турбину) для небольшого катера.
Как был изобретен и создан реактивный двигатель
Инструкция
Они летели на прекрасном самолете АНТ-25, но скорость, которую он развивал, едва превышала 160 километров в час.
Сегодня каждый школьник знает, что есть самолеты, которые летают с дозвуковой скоростью (до 1200 километров в час) и сверхзвуковой скоростью (свыше 1200 километров в час).
А ракеты, с помощью которых запускают космические корабли, отрываются от земли с первой космической скоростью (8,2 километра в секунду). И если вернуться назад, то о таких скоростях еще только мечтали в очень узком кругу специалистов, занимающихся созданием двигателей для авиации
Но вот отгремела вторая мировая война. И наши современники стали свидетелями небывалого в истории техники скачка в развитии самолетного двигателестроения. В разных странах в очень короткое время большими коллективами ученых, инженеров и конструкторов были созданы турбореактивные, турбовинтовые и ракетные двигатели.
Появление турбореактивных и турбовинтовых двигателей во многом предрешили работы по созданию газовых турбин. Но не меньшее значение в создании этих двигателей имели и работы в области ракетных двигателей. Исторически это все тесно переплетено.
Для лучшего понимания работы турбореактивных и турбовинтовых двигателей необходимо понять принцип действия ракетного двигателя, или просто ракеты, как ее стали называть. Представим себе обыкновенную металлическую трубку, запаянную сверху и открытую с нижнего конца.
Если такую трубку заполнить порохом (это может быть и жидкое топливо) и поджечь его, то в результате взрыва внутри трубки образуется большое количество газов, которые стремятся расшириться. Эти газы начинают давить на все стенки трубки равномерно.
Но стенки трубки, будучи выполнены из прочного материала, противодействуют, или, как говорят, уравновешивают это давление. Тогда газы, естественно, устремляются наружу через нижний открытый конец трубки. Они вырываются из нее с большой силой, а сама трубка в это время летит в противоположную сторону.
Это и есть принцип реактивного движения. Иногда думают, что реактивный снаряд или ракета летят потому, что выходящая из них струя газа как бы отталкивается от воздуха и движет их вперед. Но тогда возникает вопрос, как же ракеты летают в космосе, где, как известно, воздуха нет? Там безвоздушное пространство.
От какого тела они там отталкиваются? Такое представление о работе ракеты ошибочно. Ракета летит потому, что давление газа вверх (на запаянный конец трубки) сильнее давления вниз, куда газ имеет свободный выход (открытый конец трубки). Эта неуравновешенная ничем сила давления (сила реакции вытекающей струи газа) и заставляет ее двигаться.
Итак, ракету движет давление газа, заключенное в ней самой, и в отталкивании от чего-либо (например, от воздуха) она совершенно не нуждается. Наоборот, в безвоздушном пространстве она сможет лететь с большей скоростью, так как ей не придется при полете преодолевать сопротивление воздуха. А это, как нам сейчас легко понять, открывало возможности межпланетных полетов.
Принцип действия ракеты подсказал идею создания, так называемого воздушно-реактивного двигателя.
Одним из первых в нашей стране теорией этого двигателя занимался замечательный ученый, ученик Н. Е. Жуковского Борис Сергеевич Стечкин.
В чем же суть идеи создания воздушно-реактивного двигателя, владевшей умами многих авиаконструкторов? Для полета ракеты в космическом пространстве необходим кислород, поддерживающий горение топлива внутри ракеты. Этот кислород должен иметься на борту ракеты (например, в специальных баллонах) или выделяться в процессе горения топлива.
А если создать ракету для полетов в пределах атмосферы, где есть воздух, и использовать ее в качестве двигателя для авиации? Тогда напрашивался вопрос — зачем самолету с ракетным двигателем, летящему в воздушном пространстве, возить с собой кислород? Нужно брать его из воздуха, из той среды, в которой самолет летит.
Все это означало, что нужна какая-то новая конструкция ракеты, способная стать двигателем самолета, летающего в пределах атмосферы. Так появляется двигатель, получивший название прямоточного воздушно-реактивного двигателя.
Этот двигатель по своей конструкции чрезвычайно прост. Настолько прост, что конструкторы в шутку называют его «свистулькой». Представьте себе летящую с большой скоростью трубу. Через переднее отверстие внутрь трубы врывается воздух, давление которого по мере продвижения в трубе нарастает.
Примерно в середине трубы устроено расширение — камера сгорания, куда в стремительно движущийся поток воздуха впрыскивается топливо и электрической искрой производится его воспламенение. Образовавшиеся газы расширяются и стремятся выйти через оба отверстия трубы.
Но в переднее отверстие они выйти не могут, так как наталкиваются на входящий поток воздуха. И тогда они устремляются наружу через второе отверстие трубы, выполненное в виде расширяющегося сопла.
Возникающая реактивная сила заставляет лететь двигатель и все, что с ним конструктивно связано, то есть самолет, в сторону, противоположную выходящему потоку газа.
Проще двигателя нет. В нем нет никаких вращающихся или перемещающихся частей, и вместе с тем он способен развивать необходимую для современной высокоскоростной авиации мощность. Чем больше скорость полета, тем лучше работает такой двигатель.
Но как же с помощью этого двигателя поднять самолет в воздух? Ведь необходимый для его работы воздушный поток возникает при полете самолета с большой скоростью.
А как быть на земле, когда самолет стоит на взлетной полосе и в его двигателе-трубе в лучшем случае гуляет легкий ветерок? Тогда-то и пришли к мысли об искусственном воздушном потоке.
Надо в трубе поставить сильный воздушный компрессор, он будет сжимать воздух и мощным потоком гнать его через камеру сгорания. Для вращения компрессора можно применить турбину, использующую для работы часть выходящих из камеры сгорания газов.
Кроме того, нужно предусмотреть еще пусковой электродвигатель, с помощью которого осуществляется пуск (разворачивание) компрессора и турбины. Таким образом, искусственно создали мощный воздушный поток, необходимый для работы воздушно-реактивного двигателя. Но какой ценой? В его простейшую конструкцию внесли известную газовую турбину. Получился так называемый турбореактивный двигатель.
Все, кто летал или видел вблизи самолет ТУ-104, могли обратить внимание, что два его турбореактивных двигателя внешне по форме действительно очень просты и напоминают суживающиеся трубы. Но, соединяя воздушно-реактивный двигатель с газовой турбиной, можно поступить иначе.
Можно не маленькую часть, а значительно большую долю энергии выходящих газов использовать для вращения турбины. Тогда турбина станет гораздо сильнее, чем это нужно для вращения компрессора в турбореактивном двигателе, и сможет передать свою мощность тянущему винту, посаженному на один вал с турбиной.
Такой двигатель получил название турбовинтового двигателя. На самолете ИЛ-18, например, установлено четыре таких двигателя. Каждый из двигателей — турбореактивный и турбовинтовой выгодны и целесообразны для разных классов самолетов.
Для самолетов, летающих со скоростью до 800—900 километров в час, оказываются наиболее экономичными двигатели с винтом — турбовинтовые. Кстати, для небольших самолетов по-прежнему наиболее экономичными остаются поршневые двигатели внутреннего сгорания с винтом.
Турбореактивные двигатели оказываются наиболее экономичными для самолетов, летающих со скоростями от 900 до 2000 километров в час. На самом деле турбореактивный и турбовинтовой двигатели — это очень сложные машины.
Если посмотреть на эти двигатели, когда с них снята обшивка (она-то и придает им простейший вид трубы), то мы увидим, что все они опутаны множеством трубок, проводов, приборов и других всевозможных вспомогательных устройств, обеспечивающих их надежную работу.
Ведь этим двигателям вручает свою жизнь человек, когда садится в самолет. Здесь требует разъяснения еще один вопрос. Основным тормозом в их широком распространении является отсутствие жаропрочных, долговечных сталей для изготовления лопаток и других частей.
Известно, что лопатки плохо выдерживают высокие температуры и быстро выходят из строя. Несколько сот часов — вот срок их службы. Газовая турбина пока еще недостаточно надежная и долговечная машина, поэтому ее применение в промышленности ограничено. И, несмотря на это именно газовую турбину поставили на самолет.
Не допущена ли здесь ошибка? Нет, ошибки не произошло. Только несколько сот часов и работает сегодня самолетный двигатель. Дальше его положено менять. Вот почему газовая турбина, не найдя еще достойного применения на земле, начала свою жизнь в небе и завоевала его.
Загрузка...
