Введення.
У сучасній авіації цивільної та військової, в космічній техніці широке застосування отримали реактивні двигуни, в основу створення яких покладено принцип отримання тяги за рахунок сили реакції, що виникає при відкинув від двигуна деякої маси (робітника тіла), а напрямок тяги і руху відкидається робочого тіла протилежні . При цьому величина тяги пропорційна добутку маси робочого тіла на швидкість її віддачі. Так спрощено можна описати роботу реактивного двигуна, а справжня наукова теорія нахабства сучасних реактивних двигунів розроблялася декілька десятків років. І в її основі і конструкції реактивних двигунів лежать праці російських вчених і винахідників, які в розвитку реактивних двигунів і взагалі в ракетної техніки завжди займали провідне місце. Звичайно, до початку робіт з ракетної техніки в Росії відноситься до 1690г., Коли було побудовано спеціальний заклад за активної участі Петра 1 для виробництва порохових ракет, які набагато раніше були використані в стародавньому Китаї. Тим не менш порохові ракети зразка 1717р. завдяки своїм високим на той час якостям використовувались майже без змін протягом близько ста років. А перші спроби створення авіаційного реактивного двигуна слід напевно віднести до 1849 року, коли військовий інженер І.М. Третесскій запропонував для пересування аеростата використовувати силу реактивної струменя стисненого газу. У 1881 Кибальчич розробив проект літального апарата важче повітря з реактивним двигуном. Звичайно, це були перші спроби використовувати силу реактивної струменя для літальних апаратів, а звичайно Н. Є. Жуковський, "батько російської авіації", вперше розробив основні питання теорії реактивного руху, є по праву основоположником цієї теорії.
Праці Російських і радянських вчених і конструкторів разом з працями наших видатних співвітчизників Н. Є. Жуковського, К. Е. Ціолковського, В. В. Уварова, В. П. Мішина та багатьох інших є основою сучасної реактивної техніки, що дозволило створити високошвидкісні винищувачі типу ... ..., важкі транспортні літаки типу Руслан, надзвуковий лайнер Ту-144, ракетоносій Енергія і орбітальну станцію Мир і багато іншого, що є нашою славною історією і гордістю Росії.
I. Фізичні основи роботи реактивного двигуна.
В основі сучасних потужних реактивних двигунах різних типів лежить принцип прямої реакції, тобто принцип створення рушійної сили (або тяги) у вигляді реакції (віддачі) струменя що випливає з двигуна "робочого речовини", зазвичай - розжарених газів.
У всіх двигунах існує два процеси перетворення енергії. Спочатку хімічна енергія палива перетворюється в теплову енергію продуктів згоряння, а потім теплова енергія використовується для здійснення механічної роботи. До таких двигунам відносяться поршневі двигуни автомобілів, тепловозів, парові і газові турбіни електростанцій і т.д.
Розглянемо цей процес стосовно до реактивних двигунів. Почнемо з камери згоряння двигуна, в якому тим або іншим способом, що залежать від типу двигуна і роду палива, вже створена горюча суміш. Це може бути, наприклад, суміш повітря з гасом, як у турбореактивним двигуном сучасного реактивного літака, або ж суміш рідкого кисню зі спиртом, як у деяких рідинних ракетних двигунах, або, нарешті, яке-небудь тверде паливо порохових ракет. Горюча суміш може згоряти, тобто вступати в хімічну реакцію з бурхливим виділенням енергії у вигляді тепла. Здатність виділяти енергію при хімічній реакції, і є потенційна хімічна енергія молекул суміші. Хімічна енергія молекул пов'язана з особливостями їх будови, точніше, будови їх електронних оболонок, тобто того електронної хмари, яке оточує ядра атомів, що складають молекулу. У результаті хімічної реакції, при якій одні молекули руйнуються, а інші виникають, відбувається, природно, перебудова електронних оболонок. У цій перебудові - джерело виділяється хімічної енергії. Видно, що паливами реактивних двигунів можуть служити лише такі речовини, які при хімічній реакції в двигуні (згоранні) виділяють досить багато тепла, а також утворюють при цьому велику кількість газів. Всі ці процеси відбуваються в камері згоряння, але зупинимося на реакції не на молекулярному рівні (це вже розглянули вище), а на "фазах" роботи. Поки згоряння не почалося, суміш має великий запас потенційної хімічної енергії. Але ось полум'я охопило суміш, ще мить - і хімічна реакція закінчена. Тепер уже замість молекул горючої суміші камеру заповнюють молекули продуктів горіння, більш щільно "упаковані". Надлишок енергії зв'язку, що представляє собою хімічну енергію пройшла реакції згоряння, виділився. Мають цієї надмірної енергією молекули майже миттєво передали її іншим молекулам і атомам в результаті частих зіткнень з ними. Всі молекули й атоми в камері згоряння стали безладно, хаотично рухатися зі значно більш високою швидкістю, температура газів зросла. Так відбувся перехід потенційної хімічної енергії палива в теплову енергію продуктів згоряння.
Подібних перехід здійснювався і в усіх інших теплових двигунах, але реактивні двигуни принципово відрізняються від них щодо подальшої долі розпечених продуктів згоряння.
Після того, як в тепловому двигуні утворилися гарячі гази, що містять у собі велику теплову енергію, ця енергія повинна бути перетворена в механічну. Адже двигуни для того й служать, щоб робити механічну роботу, щось "рухати", приводити в дію, все одно, чи то динамо-машина на прохання доповнити малюнками електростанції, тепловоз, автомобіль або літак.
Щоб теплова енергія газів перейшла в механічну, їх об'єм повинен зрости. При такому розширенні гази і роблять роботу, на яку витрачається їх внутрішня і теплова енергія.
У разі поршневого двигуна гази, що розширюються тиснуть на поршень, який рухається всередині циліндра, поршень штовхає шатун, а той вже обертає колінчастий вал двигуна. Вал зв'язується з ротором динамомашини, провідними осями тепловоза або автомобіля або ж повітряним гвинтом літака - двигун виконує корисну роботу. У паровій машині, або газової турбіни гази, розширюючись, змушують обертати пов'язане з валом турбіною колесо - тут відпадає потреба в передавальному кривошипно-шатунном механізмі, в чому полягає одна з великих переваг турбіни
Розширюються гази, звичайно, і в реактивному двигуні, адже без цього вони не роблять роботи. Але робота розширення в тому випадку не витрачається на обертання вала. Пов'язаного з приводним механізмом, як в інших теплових двигунах. Призначення реактивного двигуна інше - створювати реактивну тягу, а для цього необхідно, щоб з двигуна витікала назовні з великою швидкістю струмінь газів - продуктів згоряння: сила реакції цього струменя і є тяга двигуна. Отже, робота розширення газоподібних продуктів згоряння палива у двигуні повинна бути витрачена на розгін самих же газів. Це означає, що теплова енергія газів в реактивному двигуні повинна бути перетворена в їх кінетичну енергію - безладне хаотичне тепловий рух молекул має замінитися організованим їх течією в одному, загальному для всіх напрямку.
Для цієї мети служить одна з найважливіших частин двигуна, так зване реактивне сопло. До якого б не все в там правда типу не належав той чи інший реактивний двигун, він обов'язково забезпечений соплом, через яке з двигуна назовні з величезною швидкістю випливають розпечені гази - продукти згоряння палива у двигуні. В одних двигунах гази потрапляють в сопло відразу ж після камери згоряння, наприклад, у ракетних або прямоточних двигунах. В інших, турбореактивних, - гази спочатку проходять через турбіну, якій віддають частину своєї теплової енергії. Вона витрачає в цьому випадку для приведення в рух компресора, службовця для стиснення повітря перед камерою згоряння. Але, так чи інакше, сопло є останньою частиною двигуна - через нього течуть гази, перед тим як покинути двигун.
Реактивний сопло може мати різні форми, і, тим більше, різну конструкцію в залежності від типу двигуна. Головне полягає в тій швидкості, з якою гази випливають з двигуна. Якщо ця швидкість витікання не перевершує швидкості, з якою у випливають газах поширюються звукові хвилі, то сопло представляє собою простий циліндричний або звужує відрізок труби. Якщо ж швидкість витікання повинна перевершувати швидкість звуку, то соплу надається форма розширюється труби або ж спочатку звужується, а за тим розширюється (сопло Лавлі). Тільки в трубі такої форми, як показує теорія і досвід, можна розігнати газ до надзвукових швидкостей, переступити через "звуковий бар'єр".
II. Класифікація реактивних двигунів і особливості їх використання
Проте цей могутній стовбур, принцип прямої реакції, дав життя величезної кроні "генеалогічного дерева" сім'ї реактивних двигунів. Щоб познайомитися з основними гілками його крони, що вінчає "ствол" прямої реакції. Незабаром, як можна бачити по малюнку (див. нижче), цей стовбур ділиться на дві частини, як би розщеплений ударом блискавки. Обидва нові стовбура однаково прикрашені могутніми кронами. Цей поділ сталося по тому, що всі "хімічні" реактивні двигуни діляться на два класи залежно від того, використовують вони для своєї роботи навколишнє повітря чи ні.
Один з новостворених стволів - це клас повітряно-реактивних двигунів (ВРД). Як показує сама назва, вони не можуть працювати поза атмосферою. Ось чому ці двигуни - основа сучасної авіації, як пілотованої, так і безпілотної. ВРД використовують атмосферний кисень для згоряння палива, без нього реакція згоряння в двигуні не піде. Але все ж у даний час найбільш широко застосовуються турбореактивні двигуни
(ТРД), що встановлюються майже на всіх без винятку сучасних літаках. Як і всі двигуни, що використовують атмосферне повітря, ТРД потребують спеціальному пристрої для стиснення повітря перед його подачею в камеру згоряння. Адже якщо тиск у камері згоряння не буде значно перевищувати атмосферний, то гази не стануть випливати з двигуна з більшою швидкістю - саме тиск виштовхує їх назовні. Але при малій швидкості витікання тяга двигуна буде малою, а палива двигун буде витрачати багато, такий двигун не знайде застосування. У ТРД для стиснення повітря служить компресор, і конструкція двигуна багато в чому залежить від типу компресора. Існує двигуни з осьовим і відцентровим компресором, осьові компресори можуть мати спасибі за користування нашою системою менша або більша кількість ступенів стиснення, бути одно-двокаскадного і т.д. Для приведення в обертання компресора ТРД має газову турбіну, яка і дала назву двигуну. Через компресора і турбіни конструкція двигуна виявляється вельми складною.
Значно простіше по конструкції безкомпрессорние повітряно-реактивні двигуни, в яких необхідне підвищення тиску здійснюється іншими способами, які мають назви: пульсуючі і прямоточні двигуни.
У пульсуючому двигуні для цього служить зазвичай клапанна решітка, встановлена на вході в двигун, коли нова порція паливно-повітряної суміші заповнює камеру згоряння і в ній відбувається спалах, клапани закриваються, ізолюючи камеру згоряння від вхідного отвору двигуна. Внаслідок того тиск у камері підвищується, і гази спрямовуються через реактивне сопло назовні, після чого весь процес повторюється.
У безкомпресорним двигуні іншого типу, прямоточному, немає навіть і цієї клапанної решітки та тиск у камері згоряння підвищується в результаті швидкісного напору, тобто гальмування зустрічного потоку повітря, що надходить у двигун в польоті. Зрозуміло, що такий двигун здатний працювати тільки тоді, коли літальний апарат вже летить з досить великою швидкістю, на стоянці він тяги не розвине. Але зате при досить великій швидкості, в 4-5 разів більшою за швидкість звуку, прямоточний двигун розвиває дуже велику тягу і витрачає менше палива, ніж будь-який інший "хімічний" реактивний двигун при цих умовах. Ось чому прямоточні двигуни.
Особливість аеродинамічної схеми надзвукових літальних апаратів з прямоточними повітряно-реактивними двигунами (ПВРД) зумовлена наявністю спеціальних прискорювальних двигунів, що забезпечують швидкість руху, необхідну для початку стійкої роботи ПРД. Це ускладнює хвостову частину конструкції і для забезпечення необхідної стійкості вимагає установки стабілізаторів.
III. Особливості проектування і створення літального апарату.
Розглянемо реактивного руху при різних швидкостях візьмемо два типи реактивного руху: дозвуковій і надзвукове. На будь-якій швидкості важливу роль грає аеродинаміка літального апарату.
Аеродинаміка - наука про рух тіл у повітряному середовищі - є теоретичною основною авіації. Без успіхів аеродинаміки не можливо було б стрімкий розвиток авіації, настільки характерне для нашого часу. Але успіхи аеродинаміки були б немислимі без проведення експериментальних робіт, в основі яких використання аеродинамічних труб, що дозволяють проводити моделювання польоту літального апарата з урахуванням теорії подібності, в результаті чого випробувані виріб закріплювалося стаціонарно, а повітряний потік набігав на нього.
Це дозволило інженерам вирішити складні питання аеродинаміки крила, оптимізувати форми фюзеляжу, вирішити проблеми штопора, флаттера, питання подолання вниз звукового бар'єру і багато інших, інженерні та наукові питання теорії газодинаміки. На лабораторній базі Центрального аерогідродинамічного університету (ЦАГУ) проводилися основні дослідження, в тому числі і реактивних двигунів (вірніше їх масштабних моделей) при дозвуковом і надзвуковому набігає потоці. Результатами цих робіт з'явилися наукові праці, що дозволили оптимальним образам вибирати характеристики двигунів їх компонування і положення на корпусі фюзеляжу і багато іншого. Таким чином, в результаті проектних і експериментальних робіт визначався загальний вид літального апарату.
Але важливою особливістю проектних робіт було вибір рухової установки, що дозволила виконувати виробу задані технічні характеристики. Звичайно, насправді питання вибору двигуна в історії розвитку авіаційної техніки йшли як би поетапно від простого до складного і відповідно більш досконалого, не зменшуючи надійності. Це на сучасному етапі розвитку техніки ми можемо більш грамотно (з наявного) вибирати компоновку літального апарату відповідно до необхідних завданнями. Тому конструктора завжди враховують особливості двигунів при різних швидкостях.
У цих випадках Реактивні двигуни (прямоточні, турбореактивні) використовують для своєї роботи кисень повітря, що надходить з повітрязабірників, встановлених на літальному апараті.
Розміри повітрозабірних пристроїв, їх число, характер розташування, режими роботи суттєво змінюють умови обтікання та аеродинамічні властивості літального апарату, що в свою чергу впливає на тягові й економічні характеристики двигунів.
Для забезпечення найменших втрат повного тиску і створення тим самим кращих умов роботи двигунів повітрозабірні пристрої повинні розміщуватися на літальному апараті так, щоб вони не затінювалися крилами, оперенням і іншими впіхніте свій особа виступаючими частинами, тобто щоб у зоні входу у вхідний пристрій потік відчував якомога менші обурення
З цією метою небажано розміщувати воздухозаборное пристрій поблизу поверхні корпусу на великій відстані від носової частини, якщо вхідний канал опиняється в зоні прикордонного шару з достатньо великою товщиною і надходить повітря буде мати великі втрати повного тиску
Вид аеродинамічної схеми літального апарату з реактивним двигуном залежить від розташування повітрозабірних пристроїв. При великій відстані повітрозабірника від носової частини літального апарата перед входом до нього повинні бути передбачені пристрої для відсмоктування прикордонного шару. Можливо винесення вхідного перетину воздухозаборника за межі прикордонного шару. Все це запобігає зрив потоку повітря і поліпшує характеристики роботи воздухозаборников.
З метою зниження втрат тиску повітря, що надходить у двигун, і підвищення ефективності його роботи повітрозабірні пристрої разом з двигунами можуть розташовуватися у вигляді гондол на крилах або спеціальних пілонах. У цьому випадку для підвищення стійкості та покращення керованості передбачено хвостове оперення.