6.7. Реактивні двигуни

Знання про різновидності та принцип дії реактивних двигунів є необхідним для вчителів технологій виробництва з метою кваліфікованого проведення занять в гуртках з технічного моделювання, де запроваджені напрямки авіамоделювання та ракетомоделювання.

Реактивні двигуни -найпростіші за конструкцією, характеризується високою питомою потужністю, але у відношенні економічності мають найгірші показники в порівнянні з іншими двигунами, їх застосовують в авіації, космонавтиці, а також на морському флоті.

Реактивними їх називають тому, що енергія палива перетворюєть­ся в кінетичну енергію газового потоку, а реактивна сила, що виникає при цьому, використовується як сила тяги. Згідно закону збереження імпульсу системи чим буде більша швидкість витікання газів (V ) , тим

швидше буде рухатися літаючий апарат (V ).

В загальному випадку реактивну силу визначають таким чином:

(6.24)

де М - масове утворення продуктів згорання

Але з врахуванням того, що маса літаючого апарату з часом зменшується за рахунок зменшення маси пального, її визначають за формулою Мещерського

(6.25) де - зміна імпульсу сили;

- відносна швидкість газу;

- реактивна сила.

В цілому рівняння реактивного руху має вигляд:

Розглядаючи дві задачі Ціолковського, отримаємо значення швидкості літаючого апарату:

(6.26)

де ш - маса палива, М - маса не згорівшої частини ракети, - число Ціолковськогд,

(6.27)

Швидкість в кінці горіння yj не залежить від закону горіння,

тобто від закону зміни маси, її можна змінити двома шляхами. Хімічні газорідинні реактивні двигуни (РД) бувають:

а) газореакгивні (повітрянореактивні, рідиннореактивні, двигуни на твердому наливі);

б) гідрореактивні, які поділяються на прямоточні і турбонасосні, а також пульсуючі із стабільним процесом;

в) електрореактивні, ядерні активно-реактивні, фотонно-реактивні.

Повггряно-реактивні двигуни бувають прямоточні і компресорні. Найпростіший прямоточний РД з підводом теплоти при Р — const (рис.6,29). Він складається із дифузора 1, де здійснюється стиск повітря, камери згорання 2, в яку через декілька форсунок 3 нагнітається в розпиленому стані паливо. Запалення горючої суміші здійснюється від електроіскри. Випуск газів проводиться через реактивне сопло 4, в якому тиск газів зменшується до атмосферного. З підвищенням швидкості руху через двигун проходить більше повітря і сила його тяги зростає, коли в д.в.з. вона зменшується (рис.6.30). Прямоточні двигуни силу тяги розвивають лише в русі, тому потребують спеціального стартового обладнання.

Ступінь стиску, що створює дифузор, невисокий, тому к.к.д. можна збільшити за рахунок збільшення швидкості руху.

Поділяють ці РД на дозвукові і надзвукові. В надзвукових сопло має іншу форму, яке на виході завершується розширенням. Прямоточні РД перспективні для надзвукових швидкостей при М = 3,0...3,5, де можуть бути найекономічнішими і найпотужнішими. Нині вони практично не застосовуються.

Рис.6.29. Схема прямоточних повітряно-реактивних двигунів: а-дозвукових

швидкостей польоту. 1-дифузор; 2-камера згорання; 3-форсунки подачі пального;

4-сопло; б-для надзвукових швидкостей польоту. 1-профільна голка для утворення

стрибків ущільнення; 2-камера згорання; 3-вихідне сопло; 4-вихідне согато-

розширююча ділянка.

Термічний к.вд. циклу значно зростає при збільшенні ступеню стиску в дифузорі. В турбокомпресорних двигунах повітря в дифузорі додатково стискається турбокомпресором, який приводиться в рух газо­вою турбіною, що розміщена за камерою згорання. Повний к.к.д. таких двигунів становить 0,2...0,3. У випадку необхідності короткочасного збільшення тяги здійснюють форсаж двигуна. Тут здійснюють охолодження стисненого повітря і спалюють додаткову кількість палива у спеціальній форсажній камері, яка розміщена між турбіною і реактивним соплом. Тягу при цьому можна збільшити на ЗО...40 %.

Рис.6.30. Залежність сили тяги від швидкості руху апарата для (1) поршневих і прямоточних реактивних двигунів (2).

Крім цього існують ПРД із пульсуючим горінням, коли підвод теплоти здійснюється при V — const (рис.6.31). Вони також можуть бути безкомпресорними і турбокомпресорними.

Стиснене повітря у дифузорі 1 подається в камеру згорання 2, тоді клапан 3, який розділяє дифузор від камери, закривається і при закритому клапані 4 горюча суміш запалюється. Після закінчення про­цесу горіння відкривається клапан 4 і в соплі 5 здійснюеть; ч роз­ширення продуктів згорання. У цих двигунах тиск в кінці процесу горіння палива значно вище, ніж у ПРД із Р—const, тому і к.к.д. вони мають більший. Але в силу складності установки і періодичного характеру дії пульсуючі двигуни не знайшли масового поширення.

Останнім часом розповсюджені двигуни, в яких газова турбіна розвиває потужність більшу, чим це необхідно для приводу компресора. В них частина потужності від газової турбіни передається повітряному гвинту, який створює додаткову силу тяга. Такі двигуни називають турбогвинтовими.

Рис.6.31. Прямоточний ПРД пульсуючого типу: 1-сопло; 2-камера згорання; 3,4-відповідно впускний і випускний клапани;

5-надзвукове сопло

В рідинно-реактивних двигунах (РРД) використовують рідке паливо (в основному вуглеводні, наприклад, гептил і рідкий окислювач (рідкий кисень, азотна кислота, перекись водню). Подача енергокомпонентів в камеру згорання здійснюється або насосами, або витісненням стисненим газом, який може утворюватися на борту ракети в результаті будь-якої фізико-хімічної реакції, або зберігається в стисненому вигляді у балонах (рис.6.33). Для запалення суміші чи запуску двигуна використовують ряд систем:

- піротехнічна (пороховий заряд запалюється від електроіскри);

- хімічна {проходить самозапалення компонента) і т.п.

Рис.6.32. Турбореактивний двигун:

1-вхіцне обладнання компресора, 2-компресор, 3-камера згорання, 4-газова турбіна, 5-сопло; Р-фафік зміни тиску, W-Ірафік зміни швидкості потоку, Т-зміна

температури повітря і продуктів згорання вздовж робочого каналу РД.

Коефіцієнт корисної дії таких двигунів не високий і знаходиться в межах 0,25.,.0,40. Витрата палива у них дещо більша, ніж у карбюраторних ДВЗ, вони мають дуже малу питому масу тяги (0,004...0,012 кг/Н). Такі РД можуть розвивати дуже високу потужність, так потужність двигунів космічного корабля "Восток" становила 20 млн.к.с.

Для прикладу приведемо конструкцію однієї з найпотужніших ракет "Енергія". Навколо центрального блока (це друга ступінь) компонуються чотири бокових блоки (це перша ступінь). На центральному блоці розміщені чотири двигуни, які працюють на рідкому кисні і рідкому водні. На кожному боковому блоці — 4-камерний двигун на рідкому кисні і вуглеводному паливі. Таким чином є 20 ракетних сопел. Сумарна тяга на початку польоту становить 3500 тонн. Бокові блоки першої ступені, відпрацювавши, віддаляються попарно від ракети і падають в заданому районі. Центральний блок відділяється після набору суборбітальної швидкості і падає в заданому районі Тихого океану. Така ракета виводила в космос "Буран ". Двигуни "Бурана " вмикаються на висоті 160 кілометрів і виконують у свій час човниковий космічний апарат дорозгін до космічної швидкості. "Буран" має такі геометричні характеристики: довжина — ЗО м, площа крил — 250 м², стартова вага — біля 100 тонн.

Ракета "Спейс Шаттл" має довжину 50 м, діаметр -9м. Паливний бак космічного корабля має два відсіки, заповнені 5/6 — рідким воднем і 1/6 — рідким киснем. До бака закріплюється два твердопаливні прискорювачі. Тверде

паливо має 70% перхлорати амонія, 16% алюмінійового порошку, 12% синтетичного каучуку і 2% інших компонентів. Маса всієї системи на старті має 2000 тонн, з яких паливо становить 1700 тонн. При старті включаються зразу не всі двигуни і на висоті 40 км прискорювачі відділяються і потім на трьох парашютах опускаються в океан і на плаву буксирують на стартову площадку. Після ремонту їх можна використовувати до 20 раз. Посадочна швидкість "Шаттла" становить 350 км/год, що значно більше, ніж у військового літака. Вивід на орбіту І кг корисного вантажу коштує 35 тис.

доларів.

В твердопаливних РД як паливо використовують балістичні пороха і сумішне паливо (рис. 6.34). Вони мають однорідну суміш горючих речовин (вуглець, водень) і окислювача (кисень). Сумішне паливо має кращі якості, ніж порох. Густина палива в ТРД в 1,5 раза більше, ніж у РРД, тому вони компактніш. Перевагою ТРД є можливість тривалого зберігання в робочому стані ракету, пуск якої здійснюється швидко і легко.

Рис.б.ЗЗ.Схема рідинно реактивного двигуна: а-камера РРД; б-з витискною

системою подачі палива; в-з допалюванням продуктів газогенерації за схемою газ-

газ; 1-2-стінки камери; 3-паливна форсунка; 4-головка; 5-форсунка окислення;

6-камера згорання;7-сопло; 8- пускорегулюючий клапан; 9-паливний бак;

10-газовий редуктор тиску; 11-акумулятор тиску; 12-насос окислювача; 13-бак з

окислювачем; 14-газогенератор; 15-турбіна; !б-паливний насос.

Рис.6.34. Ракетні двигуни твердого палива: а-принцитюва схема РДТП; (а-камера згорання; б-согою); 1-заряд твердого палива; 2-внутрішній канал заряду, 3-запалювач; 4-туготогасий вкладиш сопла; 5-пружина, яка припускає розширення заряду під час нагрівання; 6-клапан скидання надмірного тиску в камері згорання; 7-крипільне кільце; 8-соплова криш­ка; 9-заглушка; 10-монтажний бугель; 11-бронювання заряда; 12-тегоюізоляція; 13-пружина, яка допускає розширення

порохової шашки під час нагрівання; 34-опорна шіастина пружини; 15-вузол кріплення двигуна.

Лдрореактивні двигуни розробляються для морських човнів. Паливом служать метали , а окислювачем — забортна вода, яка одночасно є і масоносієм.

Переваги цих двигунів над іншими РД такі:

- висока питома тяга (висока теплота згорання),

- великий к.к.д.:

Бувають такі різновидності конструкцій ГРД (рис. 6.35):

- пульсуючі,

- прямоточні (одно- і двохконтурні);

- турбонасосні.

Можливі 3 варіанти робочого процесу.

1. Енергія джерела служить для приводу насосу, яким створюється неактивна тяга.

2. Теплова енергія підводиться до води.

3. Електрична енергія підводиться до двох електродів, всередині ГРД, створюючи електричний розряд у воді (електрогідравлічний удар), за рахунок чого здійснюється періодичне, пульсуюче виштовхування забортної води через неактивне сопло.

Електрореактивні двигуни використовують тягу, яка створюється за рахунок руху заряджених частинок, що розганяються в електростатичних (іонні ЕРД) і електромагнітних (плазмені ЕРД) полях. Перспективний для дальніх космічних польотів. Відношення сили тяги до маси двигуна досить низьке 10^-3...10^-5, коли для подолання сил земного тяжіння необхідно, щоб Р/М > 1.

Тому їх використовують для корекції траєкторії польоту космічних апаратів на

Ядерні активно-реактявні двигуни поділяються на радіоізотопні і реакторні.

Рис.6.35. Основні типи гідрореактивних двигунів: а-двоконтурний прямоточний;

б-одноконтурний турбонасосний: 1-дифузор; 2-сошІо; 3-теплообмінник; 4-зміщувальний конденсатор; 5- ежектор другого контуру; 6-кожух; 7-турбіна; 8-насос.

В радіоізотних двигунах тонку пластину із однієї сторони наносять ізотоп, який випромінює ОС - частинки. За рахунок такого випромінювання листок буде відхилятися в протилежну сторону. Подібний пристрій як двигун космічного корабля має підложку великої площі, яку називають реактивним парусом. Він має низьку питому тягу (до №^!}, але тривалий час роботи. При цьому слід розв'язати таку проблему, як нейтралізацію просторового заряду, утвореного за парусом.

Рис.6.36. Схема типового іонного двигуна: 1 -потік конденсате; 2-потік пари; 3-ядерний реактор; 4-газова турбіна; 5-насос; 6-радіатор; 7-реактивне паливо; 8-електричний силовий генератор; 9-джерело іонів; 10-камера іонної тяги;

11- фокусуючі електроди; 12-прискорюючі електроди; 13-іонний пучок; І4-електронна емісія.

Рис.6.37. Ядерні реактивні двигуни: а-радіоізотопний двигун: 1-ізотоп, 2-а- частинки, 3-поглинювач а-частинок, 4-поглинені а-частинки, 5-навантаження; б- реакторний двигун поділу. 1-речовина поділу, 2-охолоджуючі трубки, 3-відбивач нейтронів і поглинювач продуктів поділу.

В реакторних двигунах на пластину наносять речовини реакції поділу. Осколки, які виникають при поділі створюватимуть силу реакції. Проблема: необхідно надати єдиного напрямку осколкам, оскільки вони розлітаються не спрямовано, а довільно. Поділ можна зробити і в газоподібному стані, після чого газ буде нагріватися, розширюватися і звичайним способом створювати тягу.