Прямоточный воздушно-реактивный двигатель

История

 — первый пилотируемый аппарат с маршевым ПВРД (первый полёт — 19 ноября 1946). Музей авиации и космонавтики в Ле-Бурже

В 1913 году француз получил патент на прямоточный воздушно-реактивный двигатель.

ПВРД привлекал конструкторов простотой своего устройства, но главное — своей потенциальной способностью работать на гиперзвуковых скоростях и в самых высоких, наиболее разреженных слоях атмосферы, то есть в условиях, в которых ВРД других типов неработоспособны или малоэффективны. В 1930-х годах с этим типом двигателей проводились эксперименты в США (Уильям Эвери), в СССР (Ф. А. Цандер, Б. С. Стечкин, Ю. А. Победоносцев).

В 1937 году французский конструктор получил заказ от правительства Франции на разработку экспериментального самолёта с ПВРД. Эта работа была прервана войной и возобновилась после её окончания. 19 ноября 1946 года состоялся первый в истории полёт пилотируемого аппарата с маршевым ПВРД, . Далее в течение 10 лет было изготовлено и испытано ещё несколько экспериментальных аппаратов этой серии, в том числе, пилотируемые и , а в 1957 году правительство Франции отказалось от продолжения этих работ — бурно развивавшееся в то время направление турбореактивных двигателей представлялось более перспективным.

Обладая рядом недостатков для использования на пилотируемых самолётах (нулевая тяга при неподвижности, низкая эффективность на малых скоростях полёта), ПВРД является предпочтительным типом ВРД для беспилотных одноразовых снарядов и крылатых ракет, благодаря своей простоте, а следовательно, дешевизне и надёжности. Начиная с 1950-х годов, в США было создан ряд экспериментальных самолётов и серийных крылатых ракет разного назначения с этим типом двигателя.

В СССР с 1954 по 1960 год в ОКБ-301 под руководством генерального конструктора С. А. Лавочкина, разрабатывалась крылатая ракета «Буря», предназначавшаяся для доставки ядерных зарядов на межконтинентальные расстояния, и использовавшая в качестве маршевого двигателя ПВРД, разработанный группой М. М. Бондарюка, и имевший уникальные для своего времени характеристики: эффективная работа на скорости свыше М = 3 и на высоте 17 км. В 1957 году проект вступил в стадию лётных испытаний, в ходе которых выявился ряд проблем, в частности, с точностью наведения, которые предстояло разрешить, и на это требовалось время, которое трудно было определить. Между тем, в том же году на вооружение уже поступила МБР Р-7, имевшая то же назначение, разработанная под руководством С. П. Королёва. Это ставило под сомнение целесообразность дальнейшей разработки «Бури». Смерть С. А. Лавочкина в 1960 году окончательно похоронила проект.

Из числа более современных отечественных разработок можно упомянуть противокорабельные крылатые ракеты с маршевыми ПВРД: П-800 «Оникс», П-270 «Москит».

Нужен ли резонатор или нет

Теперь рассмотрим такую деталь, как резонатор. Нужен ли он вообще? Такая деталь отвечает за своевременный выход из камеры мотора сгоревших газов. Таким образом освободится место для поступления новых газов, тем самым работа двигателя станет проходить быстрее. Почти все эксперты сходятся в одном — от качества резонатора зависит мощность двигателя, так что эта деталь очень важна. И когда вы слышите о том, что спортивные модели подверглись модернизации, то в первую очередь это касается резонатора. Конечно же, на штатной выхлопной системе резонатор имеется, но его меняют на более усовершенствованный.

Резонатор должен располагается за прямотоком, дабы основной поток ядовитых газов, идущих от мотора, принять на себя. И чем эффективнее будет в этом случае работа резонатора, тем лучше станут ходовые качества автомобиля.

Чтобы лучше понять суть работы резонатора, следует понять его многослойную конструкцию. Каждый из слоёв резонатора выполняет определённую функцию, свой вид работы. К примеру, уровень воздушного фильтра состоит из отражателей, которые, собственного говоря, воздушные потоки и гасят.

Кроме того, эффективность резонатора зависит от трёх важных составляющих. Это чистота глушителя, состояние катализатора и диаметр труб.

Изготовление прямоточного глушителя

Различают два вида резонаторов для глушителя. Распространены резонаторы для двухконтактного и четырёхконтактного двигателей. Каждый имеет свои преимущества и минусы.

В частности, в процессе эксплуатации было замечено, что резонатор для четырёхконтактного двигателя является скорее помехой, чем помощником. Демонтировать резонатор с этого вида глушителя означает, что мощность мотора возрастает на целых 15%.

С другой стороны, при отсутствии резонатора в двухтактном двигателе в глушитель будут выходить не только отработанные газы, но и остатки несгоревшего топлива. И вообще, будет наблюдаться потеря скорости с одновременным увеличением расхода топлива. Понятно, что такой вариант никого не устроит.

Чтобы увеличить мощность двигателя, выхлопная система должна быть настроена таким образом, чтобы уменьшалось сопротивление выходу газов и при впуске обеспечивалось разряжение.

Начнём с сопротивления выхлопным газам. Поставив прямоточный глушитель, можно на все сто процентов решить эту проблему. Сопротивление выхлопной системы снижается, и одновременно создаются благоприятные условия для всасывания воздушно-топливной смеси в камеру сгорания.

Как это происходит? А всё просто. Прямоток создаёт меньшее сопротивление выходящим газам, которые уже эффективнее покидают камеру сгорания. Это позволяет, в свою очередь, быстрее занять своё место в камере воздушно-топливной смеси. Понятно, что в результате это отразится на мощности двигателя.

Зачем это нужно

Не стоит говорить, что доработанная система выхлопа придаст автомобилю сверхмощность, но вот уровень создаваемого двигателем рёва способен напугать соседей и прохожих, ненароком оказавшихся рядом с вашей «ласточкой». Но зато на трассе ваш автомобиль будут пропускать вперёд и провожать удивлёнными взглядами водители «крутых» иномарок, двигатель которых обладает даже большей мощностью, чем ваш. Но вот обычная система выхлопа, не прошедшая модернизации и так называемого тюнинга, не даёт двигателю заработать на полную мощь.

Вот так выглядит прямоточный глушитель:

Прямоточный глушитель

Всего две трубы разного диаметра, помещённых одна в другую. Зато какой эффект!

Как сделать флейту самостоятельно?

Если у вас имеется желание, некоторые знания и навыки, флейту для прямотока своими руками можно выполнить при помощи минимального набора материалов и инструментов. Получится достаточно дешевый вариант, который будет лучше, чем китайский аналог. При этом вам потребуется труба из нержавеющей стали диаметром 20 миллиметров, а также листовой металл толщиной толщиной до одного миллиметра. Сварка лучше всего подойдет дуговая. Не стоит забывать и о правилах безопасности.

К трубе приваривается заглушка с отверстиями из листа металла. Далее прикручиваются болты в количестве нескольких штук. При изготовлении лучше всего точно измерить диаметр прямотока у среза, чтобы заглушка входила недостаточно плотно, но при этом не было зазора

Важно помнить, что такая установка также может уменьшить мощность двигателя. Ведь сделать процесс вывода газов тише без потерь точно не получится

Именно поэтому стоит сразу подумать о том, нужно ли вам данное дополнение или вы хотите остаться на прежней мощности, но при этом постоянно терпеть громкие звуки из вашего двигателя.

Гиперзвуковой ПВРД

Основная статья: Гиперзвуковой прямоточный воздушно-реактивный двигатель

Экспериментальный гиперзвуковой летательный аппарат X-43 (рисунок художника)

Иллюстрация газодинамических процессов в плоском ГПВРД с соплом SERN Сжатие воздуха происходит в двух скачках уплотнения: внешнем, образованным у носового окончания аппарата, и внутреннем — у передней кромки нижней стенки двигателя. Оба скачка — косые, и скорость потока остаётся сверхзвуковой.

Гиперзвуковым ПВРД (ГПВРД, англоязычный термин — scramjet) называется ПВРД, работающий на скоростях полёта свыше М = 5 (верхний предел точно не устанавливается).

На начало XXI века этот тип двигателя является экспериментальным: не существует ни одного образца, прошедшего лётные испытания, подтвердившие практическую целесообразность его серийного производства.

Торможение потока воздуха во входном устройстве ГПВРД происходит лишь частично, так что на протяжении всего остального тракта движение рабочего тела остаётся сверхзвуковым. При этом бо́льшая часть исходной кинетической энергии потока сохраняется, а температура после сжатия относительно низка, что позволяет сообщить рабочему телу значительное количество тепла. Проточная часть ГПВРД расширяется на всём её протяжении после входного устройства. Горючее вводится в сверхзвуковой поток со стенок проточной части двигателя. За счёт сжигания горючего в сверхзвуковом потоке рабочее тело нагревается, расширяется и ускоряется, так что скорость его истечения превышает скорость полёта.

Двигатель предназначен для полётов в стратосфере. Возможное назначение летательного аппарата с ГПВРД — низшая ступень многоразового носителя космических аппаратов.

Организация горения топлива в сверхзвуковом потоке составляет одну из главных проблем создания ГПВРД.

Существует несколько программ разработок ГПВРД в разных странах, все — в стадии теоретических изысканий или предпроектных экспериментов.

Функции глушителя в системе выпуска

Как известно всем автомобилистам, если в машине убрать глушитель, она будет реветь громче гоночного болида. Кому-то это покажется забавным, однако, такому автомобилю не место в спокойном жилом массиве.

В системе выпуска глушитель выполняет такие функции:

• Гасит звук выхлопа отработанных газов. Во время работы мотора в цилиндрах образуются взрывы, которые сопровождаются сильным шумом.
• Снижает скорость выхлопных газов. Так как в трубах газы движутся с большой скоростью, прямой выхлоп причинял бы значительные неудобства для прохожих и автомобилей, следующих за такой машиной.
• Охлаждает отработанные газы. Двигатель внутреннего сгорания работает за счет энергии, которая высвобождается в процессе горения воздушно-топливной смеси. В выхлопной системе температура этих газов достигает нескольких сотен градусов. Чтобы не травмировать людей, проходящих мимо машины, а также избежать произвольного возгорания легко воспламеняющихся предметов, необходимо снизить температуру выхлопа.
• Отвод отработанных газов за переделы кузова. Вся выхлопная система устроена таким образом, чтобы выхлопные газы не скапливались под авто, пока оно стоит на месте (например, в пробке или на светофоре).

Внутри глушителя создается сопротивление для движения отработанных газов

При этом важно, чтобы этот параметр не превышал допустимые нормы, установленные изготовителем двигателя. В противном случае мотор просто «задохнется» из-за того, что выхлопная система блокирует отвод потока

Пульсирующие воздушно-реактивные двигатели

ПуВРД – это один из первых типов реактивных моторов, использование которых началось еще во время Второй мировой войны. Гитлеровцы устанавливали их на крылатые ракеты Фау-1, применявшиеся для обстрелов Британии.

У пульсирующего реактивного двигателя тяга образуется не постоянно, а в виде серии импульсов, следующих с определенной частотой. Он состоит из диффузора, камеры сгорания и цилиндрического сопла. Между камерой сгорания и диффузором установлен специальный клапан. Цикл работы ПуВРД выглядит следующим образом:

1. Клапан открыт, и воздух свободно поступает в камеру сгорания. Одновременно происходит впрыск топлива;
2. Топливно-воздушная смесь поджигается – давление резко повышается и закрывает клапан. Рабочее тело истекает из сопла, образуя реактивную тягу;
3. Давление в камере сгорания падает, клапан в диффузоре под напором входящего воздуха открывается. Цикл начинается сначала.

Пульсирующий характер работы ПуВРД делает его менее эффективным по сравнению с двигателями с постоянным процессом горения. Такие моторы шумны и неэкономичны, зато очень просты и дешево стоят. В настоящее время ПуВРД используются мало: их устанавливают на БПЛА, летающие мишени, также они нашли свое применение в авиамоделировании.

Самый известный случай использования ПуВРД — немецкая крылатая ракета Фау-1

Не будет преувеличением сказать, что создание реактивного двигателя подарило человечеству небо. Благодаря этому устройству самолет превратился из орудия войны в массовый вид транспорта, которым ежегодно пользуются сотни миллионов человек. Однако история реактивного двигателя отнюдь не закончена. Техника и технологии не стоят на месте. Возможно, уже в ближайшие годы появятся новые типы реактивных двигателей, которые позволят нам летать с гиперзвуковой скоростью и наконец-то достигнуть других планет.

Автор статьи:

Никифоров Владислав

Что нужно для того, чтобы сварить прямоток?

Чуть ниже будет рассмотрен вопрос изготовления прямоток из штатного глушителя. Этот способ намного проще, чем выполнять новый аксессуар. Для этого необходимо:

• Старый глушитель. Он не должен быть прогоревшим.
• Шлифовальная машинка и отрезные круги к ней.
• Полуавтоматическая сварка.
• Труба с нужным диаметром.
• Рулетка или линейка.
• Дрель.
• Минеральная вата.
• Наконечник на глушитель. Его можно приобрести в магазине, так как там более эстетичный вид.

Основная последовательность работ:

• Отрезаем часть стенки глушителя болгаркой. Можно не полностью, но тогда придется одну стенку гнуть.
• Внутри отрезаем все трубы, оставляя небольшие куски.
• Удаляем все остальное.
• Далее нужно отмерить расстояние между впускной и выпускной трубами, и отрезать нужную длину от новой трубы.
• Просверливаем отверстия в трубе. Больше отверстий сыграет только на руку. Если нет желания много сверлить, можно просто сделать надпилы. Узор получится типо «елочки».
• Выполненный кусок трубы нужно установить внутри глушителя таким образом, чтобы труба касалась внутренних труб глушителя. Далее привариваем оба конца. Сварка должна быть качественная, швы ровные и полностью прошитые.
• Набиваем все остальное оставшееся пространство минеральной ватой. Бывают случаи, когда автолюбители наматывают асбестовый шнур на всю трубу, а позже заполняют остатки минватой. Это тоже правильно решение. Некоторые пространство заполняют ершиками для посуды. Это тоже как вариант подойдет, но тогда материала нужно будет много. Можно также попробовать доварить внутрь глушителя дополнительные перегородки, и каждую секцию наполнить определенным материалом. Все эти варианты правильные и будут работать. Самое главное в работе – наполнитель очень плотно уложить.
• Следующим этапом закрываем отрезанным куском дырку в глушителе, и привариваем его на место. Шов должен быть ровным и без пропусков, иначе герметичность нарушиться. Также нельзя допускать пропала металла, так как металл начнет ржаветь в том месте.
• На продолжении трубы прикладываем и привариваем специальный наконечник. Он может быть из двух труб, или из одной.

После устанавливаем глушитель на место и радуемся действительно хорошему звучанию выхлопа.

Принцип действия

Рабочий процесс ПВРД кратко можно описать следующим образом. Воздух, поступая со скоростью полёта во входное устройство двигателя, затормаживается (на практике, до скоростей 30—60 м/с, что соответствует числу Маха 0,1—0,2), его кинетическая энергия преобразуется во внутреннюю энергию — его температура и давление повышаются.

В предположении того, что воздух — идеальный газ, и процесс сжатия является изоэнтропийным, степень повышения давления (отношение статического давления в заторможенном потоке к атмосферному) выражается формулой:

ppo=(1+k−12⋅Mn2)kk−1{\displaystyle {\frac {p}{p_{o}}}={\bigg (}1+{\frac {k-1}{2}}\cdot M_{n}^{2}{\bigg )}^{\frac {k}{k-1}}}(1)

где

p{\displaystyle p} — давление в полностью заторможенном потоке;

po{\displaystyle p_{o}} — атмосферное давление;

Mn{\displaystyle M_{n}} — полётное число Маха (отношение скорости полёта к скорости звука в окружающей среде),

k{\displaystyle k} — показатель адиабаты, для сухого воздуха равный 1,4.

На выходе из входного устройства, при входе в камеру сгорания рабочее тело имеет максимальное на всём протяжении проточной части двигателя давление.

Сжатый воздух в камере сгорания нагревается за счёт окисления подаваемого в неё топлива, внутренняя энергия рабочего тела при этом возрастает. Затем рабочее тело сначала, сжимаясь в сопле, достигает звуковой скорости, а потом, расширяясь — сверхзвуковой, ускоряется и истекает со скоростью большей, чем скорость встречного потока, что и создаёт реактивную тягу.

Схема устройства ПВРД на жидком топливе:

1. встречный поток воздуха;
2. центральное тело;
3. входное устройство;
4. топливная форсунка;
5. камера сгорания;
6. сопло;
7. реактивная струя.

Схема устройства твердотопливного ПВРД

Зависимость тяги ПВРД от скорости полёта определяется несколькими факторами:

• Чем выше скорость полёта, тем больше расход воздуха через тракт двигателя, а значит, и количество кислорода, поступающего в камеру, что позволяет, увеличив расход горючего, повысить тепловую, а вместе с ней и механическую мощность двигателя.
• Чем больше расход воздуха через тракт двигателя, тем выше создаваемая им тяга, в соответствии с формулой (3). Однако расход воздуха через тракт двигателя не может расти неограниченно. Площадь каждого сечения двигателя должна быть достаточной для обеспечения необходимого расхода воздуха.
• С увеличением скорости полёта, в соответствии с формулой  (1), возрастает степень повышения давления β=p2p1{\displaystyle \beta ={\frac {p_{2}}{p_{1}}}} в камере сгорания, что влечёт за собой увеличение термического КПД, который для идеального ПВРД выражается формулой:

ηt=1−1βk−1k{\displaystyle \eta _{t}=1-{\frac {1}{\beta ^{\frac {k-1}{k}}}}}(2)

Препарированный ПВРД «Тор» ракеты «Бладхаунд». Хорошо видны входное устройство и вход в камеру сгорания.

В соответствии с формулой (1), чем меньше разница между скоростью полёта и скоростью истечения реактивной струи, тем меньше тяга двигателя (при прочих равных условиях).

В общем, зависимость тяги ПВРД от скорости полёта может быть представлена следующим образом: пока скорость полёта значительно ниже скорости истечения реактивной струи, тяга растёт с ростом скорости полёта (вследствие повышения расхода воздуха, давления в камере сгорания и термического КПД двигателя), а с приближением скорости полёта к скорости истечения реактивной струи тяга ПВРД падает, миновав некоторый максимум, соответствующий оптимальной скорости полёта.

Отклоняемый вектор тяги

Реактивные двигатели обладают соплами самых разнообразных конфигураций. Самыми передовыми считаются подвижные сопла, размещенные на двигателях, у которых имеется отклоняемый вектор тяги. Они могут сдавливаться и расширяться, а также отклоняться на существенные углы — так регулируются и направляются непосредственно реактивные потоки. Благодаря этому воздушные судна с двигателями, имеющими отклоняемый вектор тяги, становятся чрезвычайно маневренными, потому что процессы маневрирования происходят не только вследствие действий механизмов крыльев, но также прямо самими двигателями.

Примечания

1. ↑ .
2. ↑ Теория и расчёт воздушно-реактивных двигателей. Учебник для вузов. Авторы: В. М. Акимов, В. И. Бакулев, Р. И. Курзинер, В. В. Поляков, В. А. Сосунов, С. М. Шляхтенко. Под редакцией С. М. Шляхтенко. 2-е издание, переработанное и дополненное. М.: Машиностроение, 1987
3. ↑ Александр Грек. Человек, который купил космодром // Популярная механика. — 2017. — № 11. — С. 54.
4. ↑ Андрей Суворов. Ядерный след // Популярная механика. — 2018. — № 5. — С. 88-92.

Сфера применения

Использование ПВРД на пилотируемых самолетах нецелесообразно, ведь для их запуска нужны дополнительные двигатели. Намного проще сразу установить, например, ТРД. Именно поэтому их применение сводится к установке на крылатые ракеты, летающие мишени и непилотируемые самолеты, летающие со скоростью в пределах от 2 до 5М. В основном это «одноразовые» двигатели, что вполне логично, учитывая их невысокую стоимость и простую конструкцию. Запуск аппаратов с ПВРД осуществляется за счет их разгона до рабочей скорости с помощью самолетов-носителей или ракетных ускорителей.

Гиперзвуковые ПВРД планируется использовать на космических аппаратах, но пока это только теория.

Несмотря на то, что использование ПВРД в настоящее время ограничено, постоянно ведутся работы по улучшению их рабочих характеристик и созданию новых моделей.

Последняя разработка является двигатель Sabre частной фирмы Reaction Engines.

Суть данного двигателя в том, что традиционные двигатели, которые сегодня применяются в авиации, для полета на гипер скоростях требуют спецрезервуаров с жидким кислородом, если самолет развивает в полете скорость более 3000 км/ч. Обыкновенный воздух на таких скоростях нагревается до очень высоких температур, порядка 1000 градусов по Цельсию, что резко понижает термическое КПД. Особенность двигателя Sabre в том, что позволяет применять атмосферный воздух вместо жидкого кислорода. Когда воздух проходит сквозь двигатель, он сжимается и разогревается, в это время он попадает в холодильник, который оснащен целой системой трубок, которые наполняются гелием эти трубки, гелий охлаждает воздух до необходимой температуры. У двигателя Sabre есть одна особенность. Он в состоянии работать в 2-х режимах: как реактивный двигатель и как ракетный двигатель. Устанавливаться он будет на самолете Skylon. Данная аппарат сможет разогнаться в атмосфере в 5 раз быстрее скорости звука и в 25 раз в открытом космическом пространстве.

Skylon готовиться как космический самолет, способный выводить спутники на низкую орбиту. При этом это будет очень выгодная технология. По словам Алана Бонда, являющегося основателем компании, суммы, которые требуются для запуска спутников и других похожих миссий, могут уменьшиться сразу на 95% в том случае, если будет налажено коммерческое производство двигателей Sabre.

Устройство самогонного аппарата

Если рассмотреть устройство самогонной системы для приготовления спиртного в домашней обстановке с максимальными показателями качества конечной продукции, то оно будет выглядеть таким образом:

1. Перегонный куб или специальная ёмкость для хранения браги. В её качестве применяется конструкция из высокопрочного металла, где осуществляется нагрев и хранение браги. В некоторых моделях оборудования присутствует тэн, предотвращающий риск нагрева. В качестве материала могут применять нержавейку, которая характеризуется нейтральным отношением к спиртовым парам, безопасностью в период нагрева и высокой устойчивостью к любым воздействиям.
2. Термометр. Этот элемент выполняет измерение температуры кипения. При его отсутствии вы не сможете следить за процессом кипения и дальнейшими реакциями, которые могут негативно повлиять на вкус и качество продукта. Любые ненужные отложения обретут состояние паров и попадут в конечную продукцию.
3. Соединительная деталь или змеевик. По этому элементу проходят образованные в процессе кипения браги пары спирта. Вскоре они перемещаются в охладительную зону или дефлегматор.
4. Сухопарник. Деталь выполняет роль инструмента для промежуточной очистки паров от сивушных масел и всех других соединений, которые могут присутствовать в процессе перегонки. А также этот элемент может называться отстойником или дефлегматором, предназначающимся для улавливания тяжелых соединений, которые оседают в процессе прохождения рабочей среды через ёмкость. В некоторых случаях он дополнительно насыщает ароматом будущий самогон. В таком случае сухопарник дополняют корочкой лимона или другим ароматизатором натурального происхождения.
5. Холодильник. В этом месте происходит конденсация пара в спиртовой раствор. Холодильники бывают нескольких типов в зависимости от конструктивных характеристик самой установки. Если система выполнена проточным типом, то температура понижается с помощью циркуляции холодной воды. В другом варианте применяется специальная тара, где накапливается вода.