Motor turboreactor. motor ramjet

Motor turboreactor a fost inventat Hans von Ohain (Dr. Hans von Ohain), un remarcabil inginer proiectant german și Frank Whittle (Sir Frank Whittle). Primul brevet pentru un motor funcțional cu turbină cu gaz a fost obținut în 1930 de Frank Whittle. Cu toate acestea, Ohain a fost cel care a asamblat primul model funcțional.

Pe 2 august 1939, prima aeronavă cu reacție a ieșit pe cer - He 178 (Heinkel 178), echipată cu un motor HeS 3 dezvoltat de Ohain.

Destul de simplu și în același timp extrem de dificil. Pur și simplu după principiul de funcționare: aerul exterior (în motoarele cu rachetă - oxigen lichid) este aspirat în turbină, unde se amestecă cu combustibilul și arde, la capătul turbinei formează așa-numitul. „corp de lucru” (jet stream), care mișcă mașina.

Totul este atât de simplu, dar de fapt este un întreg domeniu al științei, pentru că la astfel de motoare temperatura de funcționare ajunge la mii de grade Celsius. Una dintre cele mai importante probleme ale constructiei motoarelor cu turboreactor este crearea de piese neconsumabile, din metale consumabile. Dar pentru a înțelege problemele proiectanților și inventatorilor, trebuie mai întâi să studiați mai detaliat structura fundamentală a motorului.

Dispozitiv cu motor cu reacție

părțile principale ale unui motor cu reacție

La începutul turbinei este întotdeauna ventilator, care aspiră aer din mediul extern în turbină. Ventilatorul are o suprafață mare și un număr foarte mare de pale cu formă specială din titan. Există două sarcini principale - admisia de aer primară și răcirea întregului motor în ansamblu, prin pomparea aerului între carcasa exterioară a motorului și piesele interne. Aceasta răcește camerele de amestec și ardere și previne prăbușirea acestora.

Imediat în spatele ventilatorului este un puternic compresor care forțează aerul la presiune mare în camera de ardere.

Camera de ardere actioneaza si ca un carburator, amestecand combustibilul cu aerul. După formarea amestecului combustibil-aer, acesta este aprins. În procesul de aprindere, există o încălzire semnificativă a amestecului și a părților înconjurătoare, precum și dilatare volumetrică. De fapt, motorul cu reacție folosește o explozie controlată pentru propulsie.

Camera de ardere a unui motor cu reacție este una dintre cele mai fierbinți părți ale acestuia - are nevoie de o răcire intensivă constantă. Dar nici asta nu este suficient. Temperatura din el ajunge la 2700 de grade, deci este adesea făcută din ceramică.

După camera de ardere, amestecul combustibil-aer care arde este trimis direct la turbină.

Turbină este format din sute de pale, care sunt presate de curentul cu jet, determinând rotirea turbinei. Turbina, la rândul său, rotește arborele pe care „se așează” ventilatorul și compresorul. Astfel, sistemul este închis și necesită doar alimentarea cu combustibil și aer pentru funcționarea sa.

După turbină, fluxul este direcționat către duză. Duza motorului cu reacție este ultima, dar nu în ultimul rând, a motorului cu reacție. Formează un curent cu jet direct. Aerul rece suflat de ventilator este direcționat în duză pentru a răci părțile interne ale motorului. Acest flux restricționează gulerul duzei de la jetul super-fierbinte și îi permite să se topească.

Vector de împingere respins

Duzele pentru motoarele cu reacție sunt foarte diferite. Cea mai avansată consideră o duză mobilă, care stă pe motoare cu un vector de tracțiune deflectabil. Se poate contracta și extinde, precum și să devieze la unghiuri semnificative, ajustând și ghidând direct curent cu jet. Acest lucru face ca aeronavele cu motoare de vectoring de tracțiune să fie foarte manevrabile. manevrarea are loc nu numai datorită mecanismelor aripii, ci și direct la motor.

Tipuri de motoare cu reacție

Există mai multe tipuri de bază de motoare cu reacție.

Motor clasic cu reacție F-15

motor cu reacție clasic- dispozitivul fundamental al căruia am descris mai sus. Este folosit în principal pe luptători în diverse modificări.

Turboprop. La acest tip de motor, puterea turbinei este direcționată printr-un reductor pentru a roti elicea clasică. Astfel de motoare vor permite aeronavelor mari să zboare la viteze acceptabile și să utilizeze mai puțin combustibil. Viteza normală de croazieră a unei aeronave cu turbopropulsoare este considerată a fi de 600-800 km/h.

Acest tip de motor este o rudă mai economică a tipului clasic. Principala diferență este că la intrare este instalat un ventilator cu diametru mai mare, care nu numai că furnizează aer turbinei, dar creează și un flux suficient de puternic în afara acesteia. Astfel, eficiența crescută se obține prin îmbunătățirea eficienței.

Folosit pe linie și aeronave mari.

motor Scramjet (Ramjet)

Funcționează fără piese în mișcare. Aerul este forțat în camera de ardere în mod natural, datorită decelerării fluxului împotriva carenului de admisie.

Folosit pe trenuri, avioane, UAV-uri și rachete militare, precum și pe biciclete și scutere.

Și în sfârșit - un videoclip cu motorul cu reacție:

Pozele sunt luate din diverse surse. Rusificarea imaginilor - Laboratoare 37.

Motoarele cu reacție sunt utilizate în prezent pe scară largă în legătură cu explorarea spațiului cosmic. Ele sunt, de asemenea, utilizate pentru rachete meteorologice și militare de diferite raze. În plus, toate aeronavele moderne de mare viteză sunt echipate cu motoare cu reacție.

În spațiul cosmic, este imposibil să folosiți alte motoare, cu excepția motoarelor cu reacție: nu există suport (solid lichid sau gazos), pornind de la care nava spațială ar putea obține accelerație. Utilizarea motoarelor cu reacție pentru avioane și rachete care nu depășesc atmosfera este legată decă sunt motoarele cu reacție care pot oferi viteza maximă de zbor.

- Turboprop.

Astfel de motoare permit aeronavelor mari să zboare la viteze acceptabile și să utilizeze mai puțin combustibil.

Motor turbopropulsor cu două pale

- Motor cu reacție cu turboventilator.

Acest tip de motor este o rudă mai economică a tipului clasic. diferența principală este că intrarea este setată ventilator cu diametru mai mare, La care furnizează aer nu numai turbinei, ci șicreează un flux suficient de puternic în afara acestuia. Astfel, eficiența crescută se obține prin îmbunătățirea eficienței.

Motoarele cu reacție sunt astfel de dispozitive care creează forța de tracțiune necesară procesului de mișcare prin conversia energiei interne a combustibilului în energia cinetică a fluxurilor cu jet din fluidul de lucru. Fluidul de lucru curge rapid din motor și, conform legii conservării impulsului, se formează o forță reactivă care împinge motorul în direcția opusă. Pentru a accelera fluidul de lucru, acesta poate fi utilizat ca expansiune a gazelor încălzite la temperaturi ridicate într-o varietate de moduri, precum și în alte procese fizice, în special, accelerarea particulelor încărcate într-un câmp electrostatic.

Motoarele cu reacție combină motoarele reale cu elice. Aceasta înseamnă că ele creează forțe de tracțiune exclusiv prin interacțiunea cu corpurile de lucru, fără suporturi, sau prin contacte cu alte corpuri. Adică ei își asigură propria promovare, în timp ce mecanismele intermediare nu iau parte. Drept urmare, sunt folosite în principal pentru propulsarea aeronavelor, rachetelor și, bineînțeles, a navelor spațiale.

Ce este tracțiunea motorului?

Forța motorului se numește forță reactivă, care se manifestă prin forțe gazodinamice, presiune și frecare aplicate pe părțile interioare și externe ale motorului.

Tracțiunea variază după:

• Internă (împingerea jetului), când nu se ține cont de rezistența externă;
• Eficient, ținând cont de rezistența externă a centralelor electrice.

Energia de pornire este stocată la bordul aeronavelor sau a altor vehicule echipate cu motoare cu reacție (combustibil chimic, combustibil nuclear) sau poate intra din exterior (de exemplu, energia solară).

Cum se formează tracțiunea jetului?

Pentru a forma jet thrust (împingerea motorului), care este utilizat de motoarele cu reacție, veți avea nevoie de:

• Surse de energie inițială, care sunt transformate în energie cinetică a fluxurilor cu jet;
• Fluide de lucru care vor fi ejectate din motoarele cu reacție sub formă de fluxuri cu jet;
• Motorul cu reacție în sine ca convertor de energie.

Cum să obțineți un corp de lucru?

Pentru a obține un fluid de lucru în motoarele cu reacție, se pot folosi următoarele:

• Substanțe preluate din mediu (de exemplu, apă sau aer);
• Substanțe în rezervoarele vehiculelor sau în camerele motoarelor cu reacție;
• Substanțe amestecate provenite din mediu și depozitate la bordul vehiculelor.

Motoarele moderne cu reacție folosesc în principal energie chimică. Corpurile de lucru sunt un amestec de gaze fierbinți, care sunt produse ale arderii combustibilului chimic. Când un motor cu reacție funcționează, energia chimică din substanțele care arde este transformată în energie termică din produsele arderii. În același timp, energia termică din gazele fierbinți este transformată în energie mecanică din mișcările de translație ale fluxurilor cu jet și ale aparatelor pe care sunt instalate motoarele.

La motoarele cu reacție, jeturile de fluxuri de aer care intră în motoare se întâlnesc cu turbinele compresoare care se rotesc cu o viteză enormă, care aspiră aer din mediul înconjurător (folosind ventilatoare încorporate). Prin urmare, două probleme sunt rezolvate:

• Priza de aer primar;
• Răcirea întregului motor.

Paletele turbinei compresorului comprimă aerul de aproximativ 30 de ori sau mai mult, îl „împinge” (injecția) în camera de ardere (se generează fluidul de lucru). În general, camerele de ardere îndeplinesc și rolul de carburatoare, amestecând combustibilul cu aerul.

Acestea pot fi, în special, amestecuri de aer și kerosen, ca în motoarele cu turboreacție ale aeronavelor moderne cu reacție, sau amestecuri de oxigen lichid și alcool, cum ar fi unele motoare cu rachete lichide, sau alt propulsor solid în rachetele cu pulbere. De îndată ce se formează amestecul combustibil-aer, acesta se aprinde cu eliberarea de energie sub formă de căldură. Astfel, combustibilul din motoarele cu reacție nu poate fi decât substanțe care, ca urmare a reacțiilor chimice din motoare (în timpul arderii), eliberează căldură, formând în același timp o mulțime de gaze.

Când este aprins, are loc o încălzire semnificativă a amestecului și a părților din jur cu expansiune volumetrică. De fapt, motoarele cu reacție folosesc explozii controlate pentru propulsie. Camerele de ardere din motoarele cu reacție sunt printre cele mai fierbinți elemente (regimul de temperatură în ele poate ajunge până la 2700 ° C) și necesită o răcire intensivă constantă.

Motoarele cu reacție sunt echipate cu duze prin care gazele încălzite, care sunt produse ale arderii combustibilului, curg din ele cu viteză mare. La unele motoare, gazele sunt în duze imediat după camerele de ardere. Acest lucru se aplică, de exemplu, la motoarele cu rachetă sau ramjet.

Motoarele cu turboreacție funcționează oarecum diferit. Deci, gazele, după camerele de ardere, trec mai întâi prin turbine, la care renunță la energia lor termică. Aceasta se face pentru a pune în mișcare compresoarele, care vor servi la comprimarea aerului din fața camerei de ardere. În orice caz, duzele sunt ultimele părți ale motoarelor prin care vor curge gazele. De fapt, ele formează un curent cu jet direct.

Aerul rece este trimis către duze, care este forțat de compresoare să răcească părțile interne ale motoarelor. Duzele cu jet pot avea diferite configurații și design în funcție de tipurile de motoare. Deci, atunci când viteza de curgere trebuie să fie mai mare decât viteza sunetului, atunci duzele primesc forma unor țevi în expansiune sau, la început, se îngustează și apoi se extind (așa-numitele duze Laval). Doar cu conducte de această configurație gazele pot fi accelerate la viteze supersonice, cu ajutorul cărora aeronavele cu reacție trec peste „bariere sonice”.

În funcție de faptul dacă mediul este implicat în funcționarea motoarelor cu reacție, acestea sunt împărțite în principalele clase de motoare cu reacție de aer (WRD) și motoare de rachetă (RD). Toate WFD-urile sunt motoare termice, ale căror fluide de lucru se formează atunci când are loc reacția de oxidare a substanțelor combustibile cu oxigenul din masele de aer. Fluxurile de aer care provin din atmosferă formează baza corpurilor de lucru ale WFD. Astfel, vehiculele cu VJD transportă surse de energie (combustibil) la bord, dar majoritatea fluidelor de lucru sunt extrase din mediu.

Dispozitivele VRD includ:

• Motoare cu turboreacție (TRD);
• Motoare cu reacție de aer cu flux direct (ramjet);
• Motoare cu reacție pulsatoare (PuVRD);
• Motoare ramjet hipersonice (scramjet).

Spre deosebire de motoarele cu reacție de aer, toate componentele corpului de lucru ale RD sunt la bordul vehiculelor echipate cu motoare rachetă. Absența elicelor care interacționează cu mediul înconjurător, precum și prezența tuturor componentelor corpurilor de lucru la bordul vehiculelor, fac ca motoarele de rachete să fie adecvate pentru funcționarea în spațiul cosmic. Există, de asemenea, o combinație de motoare de rachetă, care este un fel de combinație a celor două soiuri principale.

Pe scurt despre istoria motorului cu reacție

Se crede că motorul cu reacție a fost inventat de Hans von Ohain și de remarcabilul inginer german de proiectare Frank Whittle. Frank Whittle a primit primul brevet pentru un motor funcțional cu turbină cu gaz în 1930. Cu toate acestea, primul model de lucru a fost asamblat de însuși Ohain. La sfârșitul verii anului 1939, pe cer a apărut primul avion cu reacție - He-178 (Heinkel-178), care era echipat cu un motor HeS 3 dezvoltat de Ohain.

Cum este construit un motor cu reacție?

Dispozitivul motoarelor cu reacție este destul de simplu și în același timp extrem de complex. Este simplu în principiu. Deci, aerul exterior (în motoarele rachete - oxigen lichid) este aspirat în turbină. După aceea, începe să se amestece cu combustibilul acolo și să ardă. La marginea turbinei se formează un așa-numit „corp de lucru” (am menționat anterior jet stream), care propulsează aeronava sau nava spațială.

Cu toată simplitatea ei, de fapt, aceasta este o întreagă știință, deoarece în mijlocul unor astfel de motoare, temperatura de funcționare poate ajunge la peste o mie de grade Celsius. Una dintre cele mai importante probleme în construcția motoarelor cu turboreacție este crearea de piese neconsumabile din metale care pot fi ele însele topite.

La început, în fața fiecărei turbine, există întotdeauna un ventilator care aspiră mase de aer din mediu în turbine. Ventilatoarele au o suprafață mare, precum și un număr mare de lame de configurații speciale, materialul pentru care a fost titanul. Imediat în spatele ventilatoarelor se află compresoare puternice, care sunt necesare pentru a forța aerul sub o presiune enormă în camerele de ardere. După camerele de ardere, amestecurile de aer-combustibil care arde sunt trimise către turbina însăși.

Turbinele constau din multe pale, care sunt supuse presiunii prin fluxuri reactive, care fac ca turbinele sa se roteasca. În plus, turbinele rotesc arborii pe care sunt „montate” ventilatoarele și compresoarele. De fapt, sistemul devine închis și are nevoie doar de o alimentare cu combustibil și mase de aer.

În urma turbinelor, fluxurile sunt direcționate către duze. Duzele pentru motoare cu reacție sunt ultima, dar nu cea mai puțin importantă parte din motoarele cu reacție. Ele formează fluxuri cu jet direct. Masele de aer rece sunt trimise către duze, pompate de ventilatoare pentru a răci „interiorul” motoarelor. Aceste fluxuri restricționează gulerele duzelor de la jeturile super-fierbinți și nu le permit să se topească.

Vector de împingere respins

Motoarele cu reacție au duze de o mare varietate de configurații. Cele mai avansate sunt considerate a fi duzele mobile plasate pe motoare care au un vector de tracțiune deflexabil. Ele pot fi comprimate și extinse, precum și deviate la unghiuri semnificative - așa sunt reglate și direcționate direct fluxurile reactive. Datorită acestui fapt, aeronavele cu motoare având un vector de tracțiune deflectabil devin extrem de manevrabile, deoarece procesele de manevră apar nu numai datorită acțiunilor mecanismelor aripilor, ci și direct de către motoarele înseși.

Tipuri de motoare cu reacție

Există mai multe tipuri principale de motoare cu reacție. Deci, motorul de avion din aeronava F-15 poate fi numit un motor cu reacție clasic. Cele mai multe dintre aceste motoare sunt utilizate în principal pe luptători cu o mare varietate de modificări.

Motoare turbopropulsoare cu două pale

La acest tip de motoare cu turbopropulsor, puterea turbinelor este direcționată prin reductoare pentru a roti elicele clasice. Prezența unor astfel de motoare permite aeronavelor mari să zboare la viteze maxime acceptabile și, în același timp, să consume mai puțin combustibil pentru avioane. Viteza normală de croazieră pentru aeronavele cu turbopropulsoare poate fi de 600-800 km/h.

Motoare cu reacție cu turboventilator

Acest tip de motor este mai economic în familia tipurilor clasice de motoare. Principala caracteristică distinctivă a acestora este că ventilatoarele cu diametru mare sunt plasate la admisie, care furnizează fluxuri de aer nu numai pentru turbine, dar creează și fluxuri destul de puternice în afara acestora. Ca rezultat, se poate obține o economie sporită prin îmbunătățirea eficienței. Ele sunt folosite pe linie și aeronave mari.

Motoare cu reacție cu flux direct

Acest tip de motor funcționează în așa fel încât să nu aibă nevoie de piese mobile. Masele de aer sunt forțate în camera de ardere într-un mod neconstrâns, datorită decelerării debitelor împotriva carenelor de admisie. În viitor, totul se face la fel ca în motoarele cu reacție obișnuite, și anume, fluxurile de aer sunt amestecate cu combustibil și ies ca fluxurile cu jet din duze. Motoarele Scramjet sunt folosite în trenuri, avioane, drone, rachete și pot fi montate și pe biciclete sau scutere.

Un motor cu reacție este un motor care creează forța de tracțiune necesară mișcării prin conversia energiei interne a combustibilului în energia cinetică a curentului cu jet al fluidului de lucru.

Fluidul de lucru curge din motor cu viteză mare și, în conformitate cu legea conservării impulsului, se formează o forță reactivă care împinge motorul în direcția opusă. Pentru a accelera fluidul de lucru, atât expansiunea unui gaz încălzit într-un fel sau altul la o temperatură termică ridicată (așa-numitele motoare cu reacție termică), cât și alte principii fizice, de exemplu, accelerarea particulelor încărcate într-un câmp electrostatic ( vezi motorul ionic), poate fi utilizat.

Un motor cu reacție combină motorul în sine cu o elice, adică creează tracțiune numai prin interacțiunea cu fluidul de lucru, fără sprijin sau contact cu alte corpuri. Din acest motiv, este cel mai frecvent folosit pentru a propulsa avioane, rachete și nave spațiale.

Într-un motor cu reacție, forța de împingere necesară mișcării este creată prin conversia energiei inițiale în energia cinetică a fluidului de lucru. Ca urmare a expirării fluidului de lucru din duza motorului, se formează o forță reactivă sub formă de recul (jet). Recul mișcă motorul și dispozitivul conectat structural cu acesta în spațiu. Mișcarea are loc în direcția opusă curgerii jetului. Diferite tipuri de energie pot fi convertite în energia cinetică a unui curent cu jet: chimică, nucleară, electrică, solară. Motorul cu reacție asigură propria mișcare fără participarea mecanismelor intermediare.

Pentru a crea tracțiune cu jet, este necesară o sursă de energie inițială, care este convertită în energia cinetică a unui curent cu jet, un fluid de lucru ejectat din motor sub forma unui curent cu jet și motorul cu reacție în sine, care transformă primul tip de energie în al doilea.

Partea principală a unui motor cu reacție este camera de ardere, în care este creat fluidul de lucru.

Toate motoarele cu reacție sunt împărțite în două clase principale, în funcție de dacă folosesc mediul în muncă sau nu.

Prima clasă este motoarele cu reacție (WFD). Toate sunt termice, în care fluidul de lucru se formează în timpul reacției de oxidare a unei substanțe combustibile cu oxigenul din aerul înconjurător. Masa principală a fluidului de lucru este aerul atmosferic.

Într-un motor rachetă, toate componentele fluidului de lucru se află la bordul aparatului echipat cu acesta.

Există, de asemenea, motoare combinate care combină ambele tipuri de mai sus.

Pentru prima dată, propulsia cu reacție a fost folosită în bila lui Heron, prototipul unei turbine cu abur. Motoarele cu reacție cu combustibil solid au apărut în China în secolul al X-lea. n. e. Astfel de rachete au fost folosite în Est, iar apoi în Europa pentru artificii, semnalizare și apoi ca luptă.

O etapă importantă în dezvoltarea ideii de propulsie cu reacție a fost ideea de a folosi o rachetă ca motor pentru o aeronavă. A fost formulat pentru prima dată de revoluționarul rus N. I. Kibalcici, care în martie 1881, cu puțin timp înainte de execuție, a propus o schemă pentru o aeronavă (avion-rachetă) folosind propulsie cu reacție din gaze pulbere explozive.

NE Jukovsky în lucrările sale „Despre reacția fluidului care curge și curge” (1880) și „Despre teoria navelor puse în mișcare de forța de reacție a apei care iese” (1908) a dezvoltat pentru prima dată principalele probleme ale teoriei un motor cu reacție.

Lucrări interesante privind studiul zborului rachetei aparțin și faimosului om de știință rus I. V. Meshchersky, în special în domeniul teoriei generale a mișcării corpurilor de masă variabilă.

În 1903, KE Tsiolkovsky, în lucrarea sa „Investigarea spațiilor lumii cu instrumente cu reacție”, a oferit o justificare teoretică pentru zborul unei rachete, precum și o diagramă schematică a unui motor de rachetă, care a anticipat multe dintre elementele fundamentale și de proiectare. caracteristicile motoarelor rachete moderne cu propulsie lichidă (LRE). Deci, Tsiolkovsky a prevăzut utilizarea combustibilului lichid pentru un motor cu reacție și alimentarea acestuia către motor cu pompe speciale. El a propus să controleze zborul rachetei prin intermediul cârmelor cu gaz - plăci speciale plasate într-un jet de gaze emise de duză.

Particularitatea unui motor cu propulsie lichidă este că, spre deosebire de alte motoare cu reacție, transportă cu el întreaga aprovizionare cu oxidant împreună cu combustibilul și nu preia aerul care conține oxigen necesar pentru arderea combustibilului din atmosferă. Acesta este singurul motor care poate fi folosit pentru zboruri la altitudine foarte mare în afara atmosferei terestre.

Prima rachetă din lume cu motor de rachetă cu propulsie lichidă a fost creată și lansată pe 16 martie 1926 de americanul R. Goddard. Cântărea aproximativ 5 kilograme, iar lungimea sa atingea 3 m. Racheta lui Goddard era alimentată cu benzină și oxigen lichid. Zborul acestei rachete a durat 2,5 secunde, timp în care a zburat 56 m.

Lucrările experimentale sistematice asupra acestor motoare au început în anii 30 ai secolului XX.

Primele motoare rachete sovietice au fost proiectate și construite în 1930-1931. în Laboratorul de dinamică a gazelor din Leningrad (GDL), sub îndrumarea viitorului academician V.P. Glushko. Această serie a fost numită ORM - un motor de rachetă cu experiență. Glushko a aplicat câteva noutăți, de exemplu, răcirea motorului cu una dintre componentele combustibilului.

În paralel, dezvoltarea motoarelor de rachetă a fost realizată la Moscova de către Jet Propulsion Study Group (GIRD). Inspiratorul său ideologic a fost F. A. Zander, iar organizatorul a fost tânărul S. P. Korolev. Scopul lui Korolev a fost să construiască un nou aparat de rachetă - un avion rachetă.

În 1933, F.A. Zander a construit și a testat cu succes motorul rachetă OR1, care funcționa cu benzină și aer comprimat, și în 1932–1933. - motor OP2, pe benzina si oxigen lichid. Acest motor a fost proiectat pentru a fi instalat pe un planor care trebuia să zboare ca un avion rachetă.

În 1933, prima rachetă sovietică cu combustibil lichid a fost creată și testată la GIRD.

Dezvoltând lucrările începute, inginerii sovietici au continuat ulterior să lucreze la crearea motoarelor cu reacție cu propulsie lichidă. În total, din 1932 până în 1941, în URSS au fost dezvoltate 118 modele de motoare cu reacție cu propulsie lichidă.

În Germania, în 1931, rachetele au fost testate de I. Winkler, Riedel și alții.

Primul zbor pe o aeronavă cu propulsie de rachetă cu un motor cu propulsie lichidă a fost efectuat în Uniunea Sovietică în februarie 1940. Un LRE a fost folosit ca centrală electrică a aeronavei. În 1941, sub conducerea designerului sovietic V.F. Bolhovitinov, a fost construit primul avion cu reacție - un avion de luptă cu un motor cu propulsie lichidă. Testele sale au fost efectuate în mai 1942 de pilotul G. Ya. Bakhchivadzhi.

În același timp, a avut loc și primul zbor al unui vânător german cu un astfel de motor. În 1943, Statele Unite au testat primul avion cu reacție american, pe care a fost instalat un motor cu propulsie lichidă. În Germania, în 1944, au fost construite mai multe luptători cu aceste motoare proiectate de Messerschmitt și în același an au fost folosite în situație de luptă pe Frontul de Vest.

În plus, pe rachetele germane V2, create sub conducerea lui W. von Braun, au fost folosite motoare de rachete cu combustibil lichid.

În anii 1950, motoarele de rachete lichide au fost instalate pe rachete balistice, iar apoi pe sateliții artificiali ai Pământului, Soarelui, Lunii și Marte, stații interplanetare automate.

Motorul rachetă constă dintr-o cameră de ardere cu o duză, o unitate turbopompă, un generator de gaz sau un generator de abur-gaz, un sistem de automatizare, elemente de control, un sistem de aprindere și unități auxiliare (schimbătoare de căldură, mixere, unități).

Ideea motoarelor cu reacție a fost prezentată de mai multe ori în diferite țări. Cele mai importante și originale lucrări în acest sens sunt studiile efectuate în anii 1908–1913. Omul de știință francez R. Loren, care, în special, în 1911 a propus o serie de scheme pentru motoarele ramjet. Aceste motoare folosesc aerul atmosferic ca oxidant, iar aerul din camera de ardere este comprimat de presiunea dinamică a aerului.

În mai 1939, a avut loc în URSS primul test al unei rachete cu motor ramjet proiectat de P. A. Merkulov. Era o rachetă în două trepte (prima etapă a fost o rachetă cu pulbere) cu o greutate la decolare de 7,07 kg, iar greutatea combustibilului pentru a doua etapă a unui motor ramjet a fost de numai 2 kg. În timpul testului, racheta a atins o înălțime de 2 km.

În 1939–1940 pentru prima dată în lume în Uniunea Sovietică, au fost efectuate teste de vară ale motoarelor cu reacție instalate ca motoare suplimentare pe o aeronavă proiectată de N.P. Polikarpov. În 1942, motoarele ramjet proiectate de E. Senger au fost testate în Germania.

Motorul cu reacție este format dintr-un difuzor în care aerul este comprimat datorită energiei cinetice a fluxului de aer care se apropie. Combustibilul este injectat în camera de ardere prin duză și amestecul se aprinde. Jetul iese prin duză.

Funcționarea WFD este continuă, deci nu există nicio forță de pornire în ele. În acest sens, la viteze de zbor mai mici de jumătate din viteza sunetului, motoarele cu reacție nu sunt folosite. Utilizarea WFD este cea mai eficientă la viteze supersonice și la altitudini mari. Decolarea unei aeronave cu motor cu reacție se realizează folosind motoare rachete cu combustibil solid sau lichid.

Un alt grup de motoare cu reacție, motoare cu turbocompresoare, a primit mai multă dezvoltare. Ele sunt împărțite în turboreactor, în care tracțiunea este creată de un jet de gaze care curge dintr-o duză cu jet, și turbopropulsor, în care tracțiunea principală este creată de o elice.

În 1909, proiectarea unui motor turboreactor a fost dezvoltat de inginerul N. Gerasimov. În 1914, locotenentul Marinei Ruse M.N. Nikolskoy a proiectat și construit un model de motor de avion cu turbopropulsoare. Produșii gazoși de ardere ai unui amestec de terebentină și acid azotic au servit drept fluid de lucru pentru antrenarea turbinei în trei trepte. Turbina a lucrat nu numai asupra elicei: produșii gazoși de eșapament de combustie, direcționați către duza de coadă (jet), au creat forță de jet în plus față de forța de împingere a elicei.

În 1924, V. I. Bazarov a dezvoltat proiectarea unui motor cu reacție cu turbocompresor de avion, care a constat din trei elemente: o cameră de ardere, o turbină cu gaz și un compresor. Pentru prima dată, fluxul de aer comprimat aici a fost împărțit în două ramuri: partea mai mică a intrat în camera de ardere (până la arzător), iar partea mai mare a fost amestecată cu gazele de lucru pentru a le scădea temperatura în fața turbinei. Acest lucru a asigurat siguranța palelor turbinei. Puterea turbinei cu mai multe trepte a fost folosită pentru a antrena compresorul centrifugal al motorului însuși și parțial pentru a roti elicea. Pe lângă elice, tracțiunea a fost creată prin reacția unui jet de gaze trecute prin duza de coadă.

În 1939, la uzina Kirov din Leningrad a început construcția de motoare cu turboreacție proiectate de A. M. Lyulka. Procesele lui au fost întrerupte de război.

În 1941, în Anglia, s-a efectuat primul zbor pe un avion de luptă experimental echipat cu un motor turboreactor proiectat de F. Whittle. Era echipat cu un motor cu turbină cu gaz care conducea un compresor centrifugal care furnizează aer în camera de ardere. Produsele de ardere au fost folosite pentru a crea tracțiunea jetului.

Aeronava lui Whittle Gloster (E.28/39)

Într-un motor cu turboreacție, aerul care intră în timpul zborului este comprimat mai întâi în admisia de aer și apoi în turbocompresor. Aerul comprimat este alimentat în camera de ardere, unde este injectat combustibil lichid (cel mai adesea kerosenul de aviație). Expansiunea parțială a gazelor formate în timpul arderii are loc în turbina care rotește compresorul, iar dilatarea finală are loc în duza cu jet. Între turbină și motorul cu reacție poate fi instalat un post-arzător, proiectat pentru arderea suplimentară a combustibilului.

Astăzi, majoritatea aeronavelor militare și civile, precum și unele elicoptere, sunt echipate cu motoare cu turboreacție.

Într-un motor cu turbopropulsoare, tracțiunea principală este creată de o elice și o suplimentare (aproximativ 10%) - de un jet de gaze care curge dintr-o duză cu jet. Principiul de funcționare al unui motor cu turbopropulsor este similar cu un motor cu turboreacție, cu diferența că turbina rotește nu numai compresorul, ci și elicea. Aceste motoare sunt utilizate în aeronave și elicoptere subsonice, precum și pentru deplasarea navelor și mașinilor de mare viteză.

Cele mai vechi motoare cu reacție cu propulsie solidă au fost folosite în rachetele de luptă. Utilizarea lor pe scară largă a început în secolul al XIX-lea, când unitățile de rachete au apărut în multe armate. La sfârşitul secolului al XIX-lea. au fost create primele pulberi fara fum, cu ardere mai stabila si eficienta mai mare.

În anii 1920-1930, se lucra pentru crearea de arme cu reacție. Acest lucru a dus la apariția lansatoarelor de rachete - „Katyusha” în Uniunea Sovietică, mortare de rachete cu șase țevi în Germania.

Obținerea de noi tipuri de praf de pușcă a făcut posibilă utilizarea motoarelor cu reacție cu propulsie solidă în rachetele de luptă, inclusiv în cele balistice. În plus, sunt folosite în aviație și astronautică ca motoare ale primelor etape ale vehiculelor de lansare, motoare de pornire pentru aeronave cu motoare ramjet și motoare frână pentru nave spațiale.

Un motor cu reacție cu combustibil solid este format dintr-un corp (camera de ardere) în care se află întreaga alimentare cu combustibil și o duză cu jet. Corpul este realizat din oțel sau fibră de sticlă. Duza - din grafit, aliaje refractare, grafit.

Combustibilul este aprins de un aprinzător.

Impingerea este controlată prin schimbarea suprafeței de ardere a încărcăturii sau a zonei secțiunii critice a duzei, precum și prin injectarea lichidului în camera de ardere.

Direcția de împingere poate fi schimbată prin cârme de gaz, o duză de deviere (deflector), motoarele de control auxiliare etc.

Motoarele cu propulsie solidă cu reacție sunt foarte fiabile, pot fi depozitate pentru o perioadă lungă de timp și, prin urmare, sunt în mod constant gata pentru lansare.

Un motor cu reacție este un dispozitiv care creează forța de tracțiune necesară mișcării prin conversia energiei interne a combustibilului în energia cinetică a curentului cu jet al fluidului de lucru.

Clase de motoare cu reacție:

Toate motoarele cu reacție sunt împărțite în 2 clase:

• Air-jet - motoare termice care folosesc energia de oxidare a aerului obtinuta din atmosfera. La aceste motoare, fluidul de lucru este reprezentat de un amestec de produse de combustie cu elementele rămase din aerul evacuat.
• Rachetă - motoare care conțin toate componentele necesare la bord și sunt capabile să funcționeze chiar și în vid.

Motorul ramjet este cel mai simplu din clasa VJE din punct de vedere al designului. Creșterea presiunii necesară pentru funcționarea dispozitivului se formează prin frânarea fluxului de aer care se apropie.

Fluxul de lucru ramjet poate fi descris pe scurt după cum urmează:

• Aerul intră în admisia motorului la viteza de zbor, energia sa cinetică este convertită în energie internă, presiunea aerului și temperatura cresc. La intrarea in camera de ardere si pe toata lungimea traseului de curgere se respecta presiunea maxima.

• Aerul comprimat este încălzit în camera de ardere prin oxidarea aerului furnizat, în timp ce energia internă a fluidului de lucru crește.
• În plus, fluxul se îngustează în duză, fluidul de lucru atinge viteza sonică și, din nou, atunci când se extinde, atinge viteza supersonică. Datorită faptului că fluidul de lucru se mișcă cu o viteză care depășește viteza fluxului care se apropie, în interior se creează o forță de jet.

Din punct de vedere structural, ramjet-ul este un dispozitiv extrem de simplu. Motorul are o cameră de ardere, în interiorul căreia pătrunde combustibil de la injectoarele de combustibil și aer din difuzor. Camera de ardere se termină cu o intrare în duză, care se îngustează-expandează.

Dezvoltarea tehnologiei cu combustibil solid mixt a condus la utilizarea acestui combustibil în motoarele ramjet. În camera de ardere există un bloc de combustibil cu un canal longitudinal central. Trecând prin canal, fluidul de lucru oxidează treptat suprafața combustibilului și se încălzește singur. Utilizarea combustibilului solid simplifică și mai mult proiectarea motorului existent: sistemul de alimentare devine inutil.

Combustibilul mixt în compoziția sa într-un motor ramjet diferă de cel utilizat într-un motor de rachetă cu combustibil solid. Dacă într-un motor rachetă cea mai mare parte a compoziției combustibilului este ocupată de un oxidant, atunci într-un ramjet este folosit în proporții mici pentru a activa procesul de ardere.

Umplerea cu combustibil mixt ramjet constă în principal dintr-o pulbere fină de beriliu, magneziu sau aluminiu. Căldura lor de oxidare depășește semnificativ căldura de ardere a combustibilului cu hidrocarburi. Ca exemplu de ramjet cu propulsie solidă, se poate cita motorul de propulsie al rachetei antinavă de croazieră P-270 Moskit.

Forța ramjet depinde de viteza de zbor și este determinată pe baza influenței mai multor factori:

• Cu cât viteza de zbor este mai mare, cu atât fluxul de aer care trece prin traiectoria motorului va fi mai mare, respectiv, mai mult oxigen va pătrunde în camera de ardere, ceea ce crește consumul de combustibil, puterea termică și mecanică a motorului.
• Cu cât debitul de aer prin traiectoria motorului este mai mare, cu atât este mai mare forța generată de motor. Cu toate acestea, există o anumită limită, fluxul de aer prin calea motorului nu poate crește la infinit.
• Pe măsură ce viteza de zbor crește, nivelul presiunii din camera de ardere crește. Ca urmare, eficiența termică a motorului este crescută.
• Cu cât diferența dintre viteza aeronavei și viteza de trecere a avionului este mai mare, cu atât tracțiunea motorului este mai mare.

Dependența tracțiunii unui motor ramjet de viteza de zbor poate fi reprezentată astfel: până când viteza de zbor este mult mai mică decât viteza de trecere a avionului, tracțiunea va crește odată cu creșterea vitezei de zbor. Când viteza aerului se apropie de viteza curentului cu jet, forța începe să scadă peste un anumit maxim la care se observă viteza optimă.

În funcție de viteza de zbor, se disting următoarele categorii de motoare ramjet:

• subsonic;
• supersonic;
• hipersonic.

Fiecare dintre grupuri are propriile caracteristici distinctive de design.

ramjet subsonic

Acest grup de motoare este conceput pentru a oferi zboruri la viteze de la 0,5 la 1,0 Mach. Compresia și frânarea aerului în astfel de motoare au loc într-un difuzor - un canal de expansiune al dispozitivului la intrarea în flux.

Aceste motoare au o eficiență extrem de scăzută. Când zboară cu o viteză de M = 0,5, nivelul de creștere a presiunii în ele este de 1,186, motiv pentru care randamentul termic ideal pentru ei este de doar 4,76%, iar dacă se iau în considerare și pierderile la un motor real, această valoare va se apropie de zero. Aceasta înseamnă că atunci când zboară la viteze M<0,5 дозвуковой ПВРД неработоспособен.

Dar chiar și la viteza limită pentru domeniul subsonic la M=1, nivelul de creștere a presiunii este de 1,89, iar coeficientul termic ideal este de doar 16,7%. Acești indicatori sunt de 1,5 ori mai puțini decât cei ai motoarelor cu combustie internă alternativă și de 2 ori mai puțini decât cei ai motoarelor cu turbină cu gaz. Turbinele cu gaz și motoarele cu piston sunt, de asemenea, eficiente pentru utilizare atunci când funcționează într-o poziție staționară. Prin urmare, motoarele subsonice ramjet, în comparație cu alte motoare de aeronave, s-au dovedit a fi necompetitive și nu sunt în prezent produse în masă.

Aeroreactoare supersonice

Motoarele ramjet supersonice sunt proiectate pentru zboruri în intervalul de viteză 1< M < 5.

Decelerația unui flux de gaz supersonic se realizează întotdeauna discontinuu și se formează o undă de șoc, care se numește undă de șoc. La distanța undei de șoc, procesul de comprimare a gazului nu este izoentropic. În consecință, se observă pierderi de energie mecanică, nivelul de creștere a presiunii în ea este mai mic decât într-un proces izoentropic. Cu cât unda de șoc este mai puternică, cu atât viteza curgerii în față se va modifica, respectiv, cu atât pierderea de presiune este mai mare, ajungând uneori la 50%.

Pentru a minimiza pierderile de presiune, compresia este organizată nu într-una, ci în mai multe unde de șoc cu o intensitate mai mică. După fiecare dintre aceste salturi, are loc o scădere a vitezei de curgere, care rămâne supersonică. Acest lucru se realizează dacă frontul de șoc este la un unghi față de direcția vitezei curgerii. Parametrii de curgere în intervalele dintre salturi rămân constanți.

În ultimul salt, viteza atinge un indicator subsonic, procesele ulterioare de decelerare și comprimare a aerului au loc continuu în canalul difuzorului.

Dacă admisia motorului este situată în zona de curgere neperturbată (de exemplu, în fața aeronavei la capătul nasului sau la o distanță suficientă de fuzelaj de pe consola aripii), este asimetrică și este completată cu o centrală. corp - un „con” lung și ascuțit care iese din coajă. Corpul central este proiectat pentru a crea unde de șoc oblice în fluxul de aer care se apropie, care asigură compresia și decelerația aerului până când acesta intră într-un canal special al dispozitivului de admisie. Dispozitivele de admisie prezentate se numesc dispozitive de curgere conică, aerul din interiorul lor circulă, formând o formă conică.

Corpul conic central poate fi echipat cu o acționare mecanică, care îi permite să se deplaseze de-a lungul axei motorului și să optimizeze decelerația fluxului de aer la diferite viteze de zbor. Aceste dispozitive de intrare se numesc reglabile.

La fixarea motorului sub aripă sau din partea inferioară a fuzelajului, adică în zona de influență aerodinamică a elementelor structurale ale aeronavei, se folosesc dispozitive bidimensionale de admisie a fluxului. Nu sunt echipate cu corp central și au o secțiune transversală dreptunghiulară. Ele se mai numesc și dispozitive de compresie mixtă sau internă, deoarece compresia externă aici are loc numai cu unde de șoc formate la marginea anterioară a aripii sau a capătului din nas al aeronavei. Dispozitivele reglabile cu admisie dreptunghiulară sunt capabile să schimbe poziția penelor în interiorul canalului.

În intervalul de viteză supersonică, ramjetul este mai eficient decât în ​​domeniul subsonic. De exemplu, la o viteză de zbor de M=3, gradul de creștere a presiunii este de 36,7, ceea ce este apropiat de cel al motoarelor cu turboreacție, iar randamentul ideal calculat ajunge la 64,3%. În practică, acești indicatori sunt mai mici, dar la viteze în intervalul M = 3-5, SPVJE este superior ca eficiență față de toate tipurile existente de SPVJ.

La o temperatură de flux de aer netulburat de 273°K și o viteză a aeronavei de M=5, temperatura corpului retardat de lucru este de 1638°K, la o viteză de M=6 - 2238°K, iar în zbor real, luând în considerare luând în considerare undele de șoc și acțiunea forței de frecare, aceasta devine și mai mare.

Încălzirea ulterioară a fluidului de lucru este problematică din cauza instabilității termice a materialelor structurale care alcătuiesc motorul. Prin urmare, limita de viteză pentru SPVRD este M=5.

Motor ramjet hipersonic

Categoria ramjetului hipersonic include ramjet, care funcționează la viteze de peste 5M. De la începutul secolului al XXI-lea, existența unui astfel de motor a fost doar ipotetică: nu a fost asamblat un singur eșantion care să treacă testele de zbor și să confirme fezabilitatea și relevanța producției sale în serie.

La intrarea în dispozitivul scramjet, decelerația aerului se efectuează doar parțial, iar în restul cursei, mișcarea fluidului de lucru este supersonică. În același timp, cea mai mare parte a energiei cinetice inițiale a fluxului este reținută; după comprimare, temperatura este relativ scăzută, ceea ce face posibilă eliberarea unei cantități semnificative de căldură în fluidul de lucru. După dispozitivul de intrare, partea de curgere a motorului se extinde pe toată lungimea sa. Datorită arderii combustibilului într-un flux supersonic, fluidul de lucru este încălzit, se extinde și accelerează.

Acest tip de motor este proiectat pentru zboruri în stratosfera rarefiată. Teoretic, un astfel de motor poate fi folosit pe nave spațiale reutilizabile.

Una dintre principalele probleme în proiectarea motoarelor scramjet este organizarea arderii combustibilului într-un flux supersonic.

În diferite țări, au fost lansate mai multe programe pentru a crea un scramjet, toate fiind în stadiul de cercetare teoretică și studii de laborator de pre-proiectare.

Unde se folosesc ramjet-urile

ramjetul nu funcționează la viteză zero și la viteze reduse ale aerului. O aeronavă cu un astfel de motor necesită instalarea de acționări auxiliare pe ea, care poate fi o rachetă de rachetă cu combustibil solid sau o aeronavă de transport de pe care este lansată aeronava cu un ramjet.

Din cauza ineficienței ramjet-ului la viteze mici, este practic nepotrivit să-l folosești pe aeronave cu pilot. Astfel de motoare sunt utilizate de preferință pentru rachete de luptă fără pilot, de croazieră, de unică folosință, datorită fiabilității, simplității și costului redus. Motoarele ramjet sunt, de asemenea, folosite în ținte zburătoare. Concurența în ceea ce privește caracteristicile ramjetului este doar un motor rachetă.

Servoreactor nuclear

În timpul Războiului Rece dintre URSS și SUA au fost create proiecte de motoare ramjet cu reactor nuclear.

În astfel de unități, sursa de energie nu a fost reacția chimică a arderii combustibilului, ci căldura generată de un reactor nuclear instalat în locul unei camere de ardere. Într-un astfel de ramjet, aerul care intră prin dispozitivul de admisie pătrunde în regiunea activă a reactorului, răcește structura și se încălzește până la 3000 K. Apoi curge din duza motorului cu o viteză apropiată de viteza motoarelor de rachetă perfecte. . Motoarele nucleare ramjet au fost destinate instalării în rachete de croazieră intercontinentale care transportă o încărcătură nucleară. Designerii din ambele țări au creat reactoare nucleare de dimensiuni mici, care se potrivesc cu dimensiunile unei rachete de croazieră.

În 1964, ca parte a programelor de cercetare ramjet nuclear Tory și Pluto, au fost efectuate teste de tragere staționară ale ramjetului nuclear Tory-IIC. Programul de testare a fost închis în iulie 1964, iar motorul nu a fost testat în zbor. Presupusul motiv pentru restrângerea programului ar putea fi îmbunătățirea configurației rachetelor balistice cu motoare chimice de rachete, ceea ce a făcut posibilă îndeplinirea misiunilor de luptă fără implicarea motoarelor nucleare ramjet.