§ 7. Реактивные двигатели

В машинах воздушного транспорта (самолетах, ракетах) при­меняются так называемые реактивные двигатели. В этих двига­телях энергия, выделяющаяся при сгорании топлива, преобра­зуется в кинетическую энергию частиц рабочего тела. Вытекая с большой скоростью из двигателя, рабочее тело действует на двигатель с определенной силой реакции, которая может быть использована в качестве тяговой силы для движения транспорт­ной машины.

Различают два типа реактивных тепловых двигателей: воз­душно-реактивные и ракетные двигатели. Воздушно-реактивные двигатели могут использоваться только в пределах земной атмосферы, так как для сжигания в них топлива используется воздух. Ракетные же двигатели могут работать и в безвоздушном (космическом) пространстве, вслед­ствие того что для горения в них топлива используется окислитель, находящийся на борту ракеты.

Замечательные достижения советских специалистов в строительстве воздушно-реактивных двигателей позволяют нашим стремительным лайнерам ТУ-104, ТУ-114 и ТУ-124 за короткий срок перекрывать огромные расстояния и перевозить сотни пассажиров по нашей необъятной Родине.

Достижения же в развитии советского ракетостроения еще более значительны. Они ознаменовались успешными запусками искусственных спутников Земли, космических станций в облет Луны и по направлению к Марсу, наконец, историческими по­летами наших космонавтов.

Чтобы представлять себе особенности действия и возмож­ности сверхзвуковых воздушных и космических кораблей, мы рассмотрим устройство двигателей, используемых на этих ко­раблях.

Воздушно-реактивные двигатели уверенно вытесняют вин­томоторные установки с поршневыми двигателями, устанавли­ваемые до сих пор на самолетах. Винтомоторные установки с поршневыми двигателями сдерживают рост скоростей дви­жения машин в современной авиации, так как с увеличением скорости движения самолета и приближением ее к скорости звука (330 м/сек) вес поршневого двигателя становится столь большим, что он уже не может поместиться на том самолете, который он должен обслуживать. Например, для самолета ве­сом в 3 Г при движении его со скоростью 500 км/час вес двига­теля составляет около 1 Т, а чтобы приводить в движение этот же самолет со скоростью звука, вес поршневого двигателя должен составлять около 10 Т.

Стремление же повысить скорость движения транспортных машин всегда очень четко выражено в работе и конструкторов и эксплуатационников. С этой целью применяют на железнодорожном транспорте электровозы и газотурбовозы, в водном - суда на подводных крыльях, в автомобильном - строят дороги с бетонным покрытием и совершенствуют конструкцию автомобилей. В авиации же эту проблему решают реактивные двигатели. Те из них, которые являются воздушно-реактивными, применяются только на кораблях земной воздушной авиации. Для космических кораблей применяют ракетные двигатели, работающие с использованием не воздуха, а специального окислителя.

Различают турбореактивные, пульсирующие и прямоточные воздушно-реактивные двигатели.

В турбореактивных двигателях (рис. 110) основой для производства рабочего тела является турбокомпрессорный агрегат.

Поступающий в двигатель воздух сжимается компрессором и направляется в камеру сгорания, где участвует в реакции сгорания топлива. Полученное таким образом рабочее тело в виде раскаленных и сжатых газов поступает на лопатки турбины, где его энергия частично расходуется для привода компрессора. Другая же часть энергии рабочего те­ла преобразуется в реак­тивном сопле в кинетиче­скую энергию струи газов. Вытекая из сопла с боль­шой скоростью, газы ока­зывают реактивное воз­действие на двигатель. Сила этого реактивного воздействия, называемая тягой двигателя, зависит от количества топлива, сжигаемого в двигателе, и скорости истечения газов из сопла.

У стройство газотурбинного двигателя нами рассмотрено в § 6 данной главы, а принцип использования специального сопла, обеспечивающего полное расширение газа при его истечении, — в § 4. Изученные выше принципы использованы, в конструкции воздушно-реактивного газотурбинного двигателя. Такими двигателями оснащаются в настоящее время все реактивные самолеты, развивающие скорость не выше двукратной скорости звука.

Пульсирующий воздушно-реактивный дви­гатель (рис. 119) не имеет специального агрегата для произ­водства рабочего тела. Рабочее тело в этом двигателе образуется в камере сгорания, занимающей большую его часть.

Воздух поступает в камеру сгорания из диффузора 2 через клапанную решетку 3, а горючее — через форсунки 4. Образо­вавшаяся горючая смесь поджигается свечой 5. Газы вытекают из двигателя через длинное цилиндрическое сопло 6.

Благодаря этому длинному соплу становится возможным протекание рабочего цикла в двигателе в виде пульсаций, так как из-за инерции столба газов в сопле на некоторый момент создается замкнутый объем в камере сгорания и давление в ней повышается. Клапаны в решетке закрываются, а столб газов из сопла начинает вытекать, образуя реактивную тягу. После сгорания топлива истекающие из сопла газы благодаря своей инерции создают разрежение в камере сгорания, открываются клапаны решетки и в камеру сгорания поступает воздух, впрыскивается топливо и поджигается смесь. Происходит но­вый импульс и т. д. Эти двигатели могут использоваться глав­ным образом для облегчения взлета летательных аппаратов с дозвуковой скоростью полета, так как при сверхзвуковых ско­ростях полета клапанная решетка, периодически закрываясь, создает огромные пульсирующие силы аэродинамического со­противления, вредно влияющие на машину и ее устойчивую скорость в полете.

Прямоточный воздушно-реактивный двига­тель (рис. 120) не имеет этого недостатка, так как рабочий процесс в его камере сгорания протекает непрерывно, без пульсаций, не меняется также и его аэроди­намическое сопротивление. По сравнению с газотурбинным двигателем прямоточный значительно проще по устройству. В диффузор 1 поступает воздух, где он сжимается по­добно тому, как это происходит в компрессоре газотурбинного двигателя.

Рис. 120. Прямоточный воздушно-реактивный двигатель;

а — установленный на крыльях самолёта; б — установленный на ракете; в — внутреннее устройство двигателя;

г — схема устройства и действие двигателя;

1 — диффузор; 2 — камера сгорания; 3 — форсунка; 4 —детали крепления камеры сгорания; 5 — сопло.

Сжатие воздуха в диффузоре объясняется тем, что, проходя по расширяющемуся каналу, воздух теряет ско­рость и его кинетическая энергия преобра­зуется в потенциальную энергию сжатия. Сжатие воздуха, в диффузоре происходит тем больше, чем выше скорость движения (ско­рость набегающего потока воздуха). Вот по­чему работа прямоточного воздушно-реактив­ного двигателя наиболее эффективна при сверхзвуковых скоростях движения летательного аппарата. При малых скоростях эти дви­гатели развивают небольшую тягу и не применяются. При скоростях же движения, превы­шающих скорость звука в 3 и более раз, пря­моточные воздушно-реактивные двигатели экономичнее любых известных в настоящее время тепловых двигателей.

В оздух, сжатый в диффузоре, поступает, частично в камеру 2 сгорания, где смешивается с топливом, которое подается через форсун­ку 3. Образовавшаяся горючая смесь воспламе­няется, и газы начинают с большой скоростью вытекать из двигателя через сопло 5, образуя реактивную тягу.

Во всех рассмотренных выше воздушно-реактивных двигателях рабочий цикл очень близок к рабочему циклу поршневого двигате­ля внутреннего сгорания: впуск воздуха, сжатие воздуха и образование горючей смеси, вос­пламенение и горение смеси, расширение (ра­бочий ход) и удаление отработавших газов. Общность рабочего цикла вызывает необходи­мость и в типичных устройствах — для подачи и сжатия воздуха, подачи топлива, камеры сго­рания и преобразователя энергии сжатых газов. Очевидно, что среди всех двигателей наи­более простым по устройству является прямо­точный воздушно-реактивный двигатель, одна­ко его применение имеет существенные ограни­чения,

Все рассмотренные выше двигатели предназначены для ра­боты в условиях земной атмосферы, так как потребляют оки­слитель (кислород) из воздуха.

Для движения же космических кораблей (рис. 121) запас окислителя необходимо иметь на их борту, а в устройстве двигателя предусмотреть возможность подачи в камеру сгорания не только топлива, но и окислителя. Такие двигатели называются ракетными и бывают разных видов.

Наиболее распространены в настоящее время жидкостные реактивные двигатели (рис. 122). Очевидно, что вследствие Общности принципа действия всех тепловых двигателей, и в жидкостном реактивном двигателе должны быть различимы указанные выше для других двигателей части цикла, такие, как впуск, сжатие, сгорание, расширение и выпуск, а также устройства, выполняющие соответствующие части цикла.

Рис. 122. Жидкостный реактивный двигатель:

1 — головка камеры сгорания; 2 — подвод горючего к форсункам; 3 — топливный трубопровод;

4 — рубашка охлаждения камеры сгорания; 5 — сопло; 6 — форсунка окислителя; 7 — свеча зажигания;

8 — подвод окислителя в рубашку охлаждения.

Д ействительно, если рассмотреть схему устройства типич­ного жидкостного реактивного двигателя, представленную на рисунке 123, то можно найти известные части двигателя внут­реннего сгорания. Топливо и окислитель поступают в камеру сгорания 8, где происходят образование горючей смеси и про­цесс сгорания. Для подачи топлива и окислителя используются насосы или запасенный в баллоне 1 сжатый воздух, как на схеме, приведенной на нашем рисунке. Впрыск топлива и окислителя осуществляется при помощи специальных форсунок, обеспечивающих хорошее распыление составных частей горю­чей смеси, необходимой для запуска двигателя. В работающей же камере сгорания постоянно бушует факел пламени и вновь поступающие порции топлива и окислителя, смешиваясь, заго­раются от уже горящей смеси.

Температура продуктов сгорания достигает 2500—3000°С, а давление — до 50 кГ/см². Очевидно, что при такой тепловой напряженности стенки камеры сгорания и реактив­ного сопла необходимо интенсивно охлаждать. Это достигается в ракет­ных двигателях тем, что вокруг камеры сгорания и сопла делается рубашка охлаждения, по которой протекает окислитель или топливо, прежде чем по­пасть в двигатель. Омы­вая стенки камеры сгора­ния и сопла, жидкость от­нимает необходимое коли­чество тепла, сама при этом нагревается и, следовательно, хорошо подготавливается к сгора­нию. Газы вытекают из камеры сгорания через специальное сопло, подоб­ное тому, которое исполь­зуется и в воздушно-реак­тивных двигателях. О ско­рости вытекания газов из сопла можно судить по тому, что ракеты уже перешагнули предел вто­рой космической скорости (11,2 км/сек) — советские ракеты улетели к Венере и Марсу.

Запас топлива и окислителя для жидкостного реактивного двигателя находится на самой ракете в специальных баках. Его хватает обычно всего на несколько минут моторного полета, хотя относительные его количества на борту и велики. Об этом можно судить по схеме устройства ракеты, предназначенной для запуска искусственного спутника Земли.

Огромная зависимость ракетных двигателей от топлива за­ставляет конструкторов и исследователей изыскивать новые и новые возможности. Кроме производства новых топлив, созда­ются ракетные двигатели, использующие внутриатомную энергию, энергию полета частиц — фотонов и другие, позволяющие значительно увеличить как продолжительность моторного полета ракеты, так и скорость.

Рассмотренные реактивные двигатели являются весьма пер­спективными, неизмеримо увеличивая скорости сообщения, как на Земле, так и в космосе. В настоящее время достигнуты замечательные результаты в их строительстве и ис­пользовании. Но это только первые шаги. Впереди еще многие достижения в этой области двигателестроения.