0 просмотров
Рейтинг статьи
1 звезда2 звезды3 звезды4 звезды5 звезд
Загрузка...

Что такое рабочее тело в реактивном двигателе

Что такое рабочее тело в реактивном двигателе

Создание газодинамических лазеров (ГДЛ) прошло через ряд трудных фаз своего становления. Многие разработки ГДЛ в 70 годы прошлого столетия в России

оказывались практически неработоспособными. Ряд фирм-разработчиков по этой причине был закрыт. Впоследствии этот трудный этап был преодолен. К настоящему времени имеется достаточный научный задел с уже успешно работающими автономными ГДЛ.

Рассматривается авиационный газотурбинный двигатель (ГТД) с турбиной новых форм и новых параметров функционирования. В названной турбине межлопаточные каналы рабочего колеса выполняются в виде последовательности вращающихся сопел Лаваля с существенно сверхзвуковым перепадом давления на них. Для подобной турбины (будем называть ее суперреактивной: с-реактивной) характерна высокая выходная скорость рабочего тела. С учетом этого факта, за названной турбиной устанавливается биротативное рабочее колесо активного типа.

Состав и параметры течения в рабочем колесе с-турбины (Т3 > 1500 К; Pi > 5 – 7) обуславливают создание в рабочем теле на выходе инверсии населенности. Установка за рабочим колесом двух концентрических кольцевых резонаторов сформирует основные элементы газодинамического лазера (ГДЛ). Включение и выключение ГДЛ, при штатно работающем ГТД, возможно введением в систему обтюратора, заслоняющего поток рабочего тела от резонаторов.

Работа системы. Рабочее тело штатного ГТД (см. рис.) после камеры сгорания (не показано) подается на сопловые лопатки каскада высокого давления – 1, далее на рабочее колесо – 2. Здесь минимальное сечение у рабочих лопаток находится в районе входной кромки. Выход потока из рабочего колеса существенно сверхзвуковой.

Наличие в продуктах сгорания углекислого газа СО2 дает возможность создания инверсии населенности в условиях сверхзвукового потока. За время движения газа между резонаторами 4 и 5 энергия от N2 переходит к молекулам CO2, а те, в свою очередь, отдают ее электромагнитному полю. В силу относительно большого времени жизни верхнего энергетического уровня молекул CO2 и малого времени прохождения газа через сопло населенность этого уровня cохраняется на значительных (до 1 м) расстояниях от сопла. Сгенерированный в бочкообразном резонаторе – 3 (между внутренним – 4 и наружным резонатором – 5) луч поступает через полупрозрачный сегмент (не показано) наружного бочкообразного резонатора – 5, на прицельную систему – 6 и далее – на очаг поражения. Ожидаемая мощность излучения от 50 до 250 кВт (или от 1-1,5% от циркуляционной мощности каскада высокого давления). Само рабочее тело после резонатора и обтюратора – 7 поступает на биротативное колесо активного типа – 8, где срабатывается часть высокой выходной скорости от рабочего колеса – 2. Далее рабочее тело поступает на реактивное сопло – 9. Обтюратор – 7 при продольном перемещении с перекрытием зеркал служит для включения и выключения способности генерирования излучения. Развитие данного предложения может открыть перспективу к созданию авиационных силовых установок с новыми возможностями. Система может быть развита для вертолетных и судовых ГТД.

Энциклопедия

  • 1

Двигатель, создающий необходимую для движения силу тяги путём преобразования исходной энергии в кинетическую энергию реактивной струи рабочего тела; в результате истечения рабочего тела из сопла двигателя образуется реактивная сила в виде реакции (отдачи) струи, перемещающая в пространстве двигатель и конструктивно связанный с ним аппарат в сторону, противоположную истечению струи. В кинетическую (скоростную) энергию реактивной струи в Р.д. могут преобразовываться различные виды энергии (химическая, ядерная, электрическая, солнечная). Р.д. (двигатель прямой реакции) сочетает в себе собственно двигатель с движителем, т. е. обеспечивает собственное движение без участия промежуточных механизмов.

Для создания реактивной тяги, используемой Р.д., необходимы: источник исходной (первичной) энергии, которая превращается в кинетическую энергию реактивной струи; рабочее тело, которое в виде реактивной струи выбрасывается из двигателя; сам Р.д., как преобразователь энергии. Исходная энергия может запасаться на борту летательного или др. аппарата, оснащенного Р.д. (химическое топливо, ядерное топливо, источник электрической энергии и т.д.), или поступать извне (например, энергия Солнца). Для получения рабочего тела в Р.д. может использоваться вещество, отбираемое из окружающей среды (например, воздух или вода); вещество, находящееся в баках аппарата или непосредственно в камере Р.д.; смесь веществ, поступающих из окружающей среды и запасаемых на борту аппарата. В современных Р.д. в качестве первичной чаще всего используется химическая энергия. В этом случае рабочее тело представляет собой продукты сгорания химического топлива. При работе Р.д. химическая энергия сгорающих веществ преобразуется в тепловую энергию продуктов сгорания, которая, в свою очередь, превращается в механическую энергию поступательного движения реактивной струи и, следовательно, аппарата, на котором установлен двигатель. Основной частью любого Р.д. является камера сгорания, в которой генерируется рабочее тело. Конечная часть камеры, служащая для ускорения рабочего тела и получения реактивной струи, называется газодинамическим или реактивным соплом.

Читать еще:  Двигатель mr20 стук нижней цепи

В зависимости от того, используется или нет при работе Р.д. 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. Таким образом, аппарат с ВРД несёт на борту источник энергии (горючее), а большую часть рабочего тела (окислитель) черпает из окружающей среды. В отличие от ВРД все компоненты рабочего тела РД находятся на борту аппарата, оснащенного РД. Отсутствие движителя, взаимодействующего с окружающей средой, и наличие всех компонентов рабочего тела на борту аппарата делают РД единственно пригодным для работы в космосе.

Р.д. имеют различное назначение и область их применения постоянно расширяется. Наиболее широко Р.д. используются на летательных аппаратах различных типов. Турбореактивными двигателями и двухконтурными турбореактивными двигателями оснащено большинство военных и гражданских самолётов во всём мире, а также ряд типов вертолётов. Эти Р.д. 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 самолётов. Прямоточные ВРД устанавливают на зенитных управляемых ракетах, крылатых ракетах, сверхзвуковых истребителях-перехватчиках. Пульсирующие ВРД имеют небольшую тягу и предназначаются лишь для летательных аппаратов с дозвуковой скоростью.

Основные характеристики Р.д.: реактивная тяга, удельный импульс тяги – отношение тяги к массе ракетного топлива (рабочего тела), расходуемого в 1 сек; удельная масса двигателя – масса заправленного Р.д. в рабочем состоянии, приходящаяся на единицу развиваемой им тяги. Для многих типов Р.д. важными характеристиками являются также габариты и ресурс.

Реактивная тяга – есть результирующая сил, действующих на внутреннюю и внешнюю поверхность камеры реактивного двигателя, т.е. сила, с которой Р.д. воздействует на аппарат, оснащенный этим реактивным двигателем. Тяга определяется по формуле:P = mwа+ Fа(pа – pн); где m – массовый расход (расход массы) рабочего тела за 1 сек; wа – скорость рабочего тела (продуктов сгорания) в выходном сечении сопла; Fа – площадь выходного сечения сопла; pа – давление продуктов сгорания в выходном сечении сопла; pн – давление окружающей среды (наружное).

Как видно из формулы, тяга Р.д. 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 над уровнем моря, если речь идёт о полёте в атмосфере Земли. Удельный импульс Р.д. 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).

Р.д. используются в различных видах реактивного оружия, основу которого составляют наземные. авиационные и морские реактивные системы залпового огня («Град», «Ураган», «Смерч»; С-8, С-13; «Удав-1», «Дамба» и др. Разновидность Р.д.-ракетные двигатели — применяются на ракетах стратегического назначения, которыми вооружены РВСН.

Читать еще:  Что такое отсечка двигателя на мотоцикле

Ядерные двигатели в крылатых ракетах. Досье

ТАСС-ДОСЬЕ. 19 июля 2018 года в Минобороны сообщили журналистам, что Россия готовится провести летные испытания опытных образцов усовершенствованной крылатой ракеты «Буревестник» с ядерным двигателем. В ведомстве указали, что малозаметная крылатая ракета с практически неограниченной дальностью, несущая ядерную боевую часть, является неуязвимой для всех существующих и перспективных систем как противоракетной, так и противовоздушной обороны.

Редакция ТАСС-ДОСЬЕ подготовила справочный материал о проектах использования ядерных двигателей в крылатых ракетах.

Ядерные двигатели

Идея использовать ядерные двигатели в авиации и космонавтике возникла в 1950-х годах вскоре после создания технологии управляемой атомной реакции. Плюсом такого двигателя является длительное время работы на практически не расходуемом в полете компактном источнике топлива, что означает неограниченную дальность полета. Минусами были большой вес и габариты атомных реакторов того времени, сложность их перезарядки, необходимость обеспечения биологической защиты обслуживающего персонала. С начала 1950-х годов ученые СССР и США независимо друг от друга изучали возможность создания разных типов атомных двигателей:

  • ядерный прямоточный воздушно-реактивный двигатель (ЯПВРД): в нем поступающий через воздухозаборник воздух попадает в активную зону реактора, нагревается и выбрасывается через сопло, создавая нужную тягу;
  • ядерный турбореактивный двигатель: действует по похожей схеме, но воздух перед попаданием в реактор сжимается компрессором;
  • ядерный ракетный двигатель: тяга создается за счет нагрева реактором рабочего тела, водорода, аммиака, других газов или жидкостей, которые затем выбрасываются в сопло;
  • ядерный импульсный двигатель: реактивную тягу создают поочередные ядерные взрывы малой мощности;
  • электрореактивный двигатель: вырабатываемая реактором электроэнергия используется для нагрева рабочего тела до состояния плазмы.

Наиболее подходящими для крылатых ракет и самолетов являются прямоточный воздушно-реактивный или турбореактивный двигатель. В проектах крылатых ракет предпочтение традиционно отдавалось первому варианту.

Советские проекты

В СССР работами по созданию ядерного прямоточного воздушно-реактивного двигателя занималось ОКБ-670 под руководством Михаила Бондарюка. ЯПВРД был предназначен для модификации межконтинентальной крылатой ракеты «Буря» («изделие 375»), которую с 1954 года проектировало ОКБ-301 под руководством Семена Лавочкина. Стартовый вес ракеты достигал 95 т, дальность должна была составить 8 тыс. км. Однако в 1960 году через несколько месяцев после смерти Лавочкина проект «обычной» крылатой ракеты «Буря» был закрыт. Создание же ракеты с ЯПВРД так и не вышло за рамки предэскизного проектирования.

Впоследствии специалисты ОКБ-670 (переименованного в КБ «Красная Звезда») занялись созданием ядерных ракетных двигателей для космических и боевых баллистических ракет, однако ни один из проектов так и не дошел до стадии испытаний. После смерти Бондарюка работы над авиационными ядерными двигателями были фактически прекращены.

К ним вернулись лишь в 1978 году, когда при НИИ тепловых процессов было образовано конструкторское бюро из бывших специалистов «Красной Звезды», занимавшееся прямоточными воздушно-реактивными двигателями. Одной из их разработок стал ядерный прямоточный воздушно-реактивный двигатель для более компактной, по сравнению с «Бурей», крылатой ракеты (стартовой массой до 20 т). Как писали СМИ, «проведенные исследования показали принципиальную возможность реализации проекта». Однако о ее испытаниях не сообщалось.

Само КБ просуществовало под различными названиями (НПВО «Пламя», ОКБ «Пламя-М») до 2004 года, после чего закрыто.

Опыт США

С середины 1950-х годов ученые Радиационной лаборатории в Ливерморе (штат Калифорния) в рамках проекта Pluto разрабатывали ядерный прямоточный воздушно-реактивный двигатель для сверхзвуковой крылатой ракеты.

К началу 1960-х годов были созданы несколько прототипов ЯПВРД, первый из которых — Tory-IIA — был испытан в мае 1961 года. В 1964 году начались испытания новой модификации двигателя — Tory-IIC, который смог проработать пять минут, показав тепловую мощность около 500 МВт и тягу в 16 т.

Однако вскоре проект был закрыт. Традиционно считают, что причиной этого как в США, так и в СССР стало успешное создание межконтинентальных баллистических ракет, способных доставить ядерные боезаряды на территорию противника. В этой ситуации межконтинентальные крылатые ракеты не выдержали конкуренции.

Читать еще:  Фольксваген поло значок неисправности двигателя

В России

1 марта 2018 года, выступая с посланием Федеральному собранию РФ, президент России Владимир Путин сообщил, что в конце 2017 года на Центральном полигоне Российской Федерации была успешно испытана новейшая крылатая ракета с ядерной энергоустановкой, дальность полета которой «является практически неограниченной». Ее разработка была начата после выхода США в декабре 2001 года из Договора об ограничении систем противоракетной обороны 1972 года. Название «Буревестник» ракета получила 22 марта 2018 года по итогам открытого голосования на сайте Минобороны.

Реактивный двигатель

Реактивный двигатель — двигатель, создающий необходимую для движения силу тяги посредством преобразования внутренней энергии топлива в кинетическую энергию реактивной струи рабочего тела.

Рабочее тело с большой скоростью истекает из двигателя, и, в соответствии с законом сохранения импульса, образуется реактивная сила, толкающая двигатель в противоположном направлении. Для разгона рабочего тела может использоваться как расширение газа, нагретого тем или иным способом до высокой температуры (т. н. тепловые реактивные двигатели), так и другие физические принципы, например, ускорение заряженных частиц в электростатическом поле (см. ионный двигатель).

Реактивный двигатель сочетает в себе собственно двигатель с движителем, то есть он создаёт тяговое усилие только за счёт взаимодействия с рабочим телом, без опоры или контакта с другими телами. По этой причине чаще всего он используется для приведения в движение самолётов, ракет и космических аппаратов.

Содержание

  • 1 Особенности реактивных двигателей
  • 2 Классы реактивных двигателей
  • 3 Составные части реактивного двигателя
  • 4 Основные технические параметры реактивного двигателя
  • 5 История
  • 6 Примечания
  • 7 См. также

Особенности реактивных двигателей

  • Сила тяги реактивного двигателя не зависит от наличия окружающей среды [1] .
  • Сила тяги реактивного двигателя не зависит от скорости движения ракеты [1] .
  • Полезная мощность реактивного двигателя пропорциональна скорости ракеты [1] .
  • При скорости ракеты, большей, чем половина скорости истечения газов двигателя, полезная мощность реактивного двигателя становится больше полной мощности (парадокс силы тяги реактивного двигателя) [1] .

Классы реактивных двигателей

Существует два основных класса реактивных двигателей:

  • Воздушно-реактивные двигатели — тепловые двигатели, которые используют энергию окисления горючегокислородомвоздуха, 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.

Составные части реактивного двигателя

Любой реактивный двигатель должен иметь, по крайней мере, две составные части:

  • Камера сгорания («химический реактор») — в нем происходит освобождение химической энергии топлива и её преобразование в тепловую энергиюгазов.
  • Реактивное сопло («газовый туннель») — в котором тепловая энергия газов переходит в их кинетическую энергию, когда из сопла газы вытекают наружу с большой скоростью, тем самым создавая реактивную тягу.

Основные технические параметры реактивного двигателя

Основным техническим параметром, характеризующим реактивный двигатель, является тяга (иначе — сила тяги) — усилие, которое развивает двигатель в направлении движения аппарата.

Ракетные двигатели помимо тяги характеризуются удельным импульсом, являющимся показателем степени совершенства или качества двигателя. Этот показатель является также мерой экономичности двигателя. В приведённой ниже диаграмме в графической форме представлены верхние значения этого показателя для разных типов реактивных двигателей, в зависимости от скорости полёта, выраженной в форме числа Маха, что позволяет видеть область применимости каждого типа двигателей.

История

Шаблон:Main Реактивный двигатель был изобретен Гансом фон Охайном (Dr. Hans von Ohain), выдающимся немецким инженером-конструктором и Фрэнком Уиттлом (Sir Frank Whittle).
Первый патент на работающий газотурбинный двигатель был получен в 1930 году Фрэнком Уиттлом. Однако первую рабочую модель собрал именно Охайн.

2 августа 1939 года в Германии в небо поднялся первый реактивный самолёт — Хейнкель He 178, оснащённый двигателем HeS 3, разработанный Охайном.

Ссылка на основную публикацию
ВсеИнструменты
Adblock
detector