Газотурбинный двигатель(ГТД)

При установке двигателя  на нижней (боковой) стенке фюзеляжа, или  под крылом летательного аппарата, то есть в зоне аэродинамического  влияния его элементов, обычно применяются  плоские входные устройства двухмерного  течения, имеющие прямоугольное  поперечное сечение, без центрального тела. Система скачков уплотнения в них обеспечивается благодаря  внутренней форме канала. Они называются также устройствами внутреннего  или смешанного сжатия, так как  внешнее сжатие частично имеет место  и в этом случае — в скачках  уплотнения, образованных у носового окончания и/или у передней кромки крыла летательного аппарата. Регулируемые входные устройста прямоугольного сечения имеют меняющие свое положение клинья внутри канала.

 

В сверхзвуковом диапазоне  скоростей ПВРД значительно более  эффективен, чем в дозвуковом. Например, на скорости М=3 для идеального ПВРД степень повышения давления по формуле (2) составляет 36,7, что сравнимо с показателями самых высоконапорных компрессоров турбореактивных двигателей, а термический КПД теоретически (по формуле (3)) достигает 64,3 %. У реальных ПВРД эти показатели ниже, но даже с учётом потерь, в диапазоне полётного числа Маха от 3 до 5 СПВРД превосходят по эффективности ВРД всех других типов.

 

При торможении встречного потока воздуха он не только сжимается, но и нагревается, и его абсолютная температура при полном торможении (в изоэнтропийном процессе) выражается формулой:[5]

где  — температура  невозмущённого потока.

 

При М=5 и Тo=273°K (что соответствует 0 °C) температура заторможенного рабочего тела достигает 1638°К, при М=6 — 2238°К, а с учётом трения и скачков уплотнения в реальном процессе — ещё выше. При этом дальнейший нагрев рабочего тела за счёт сжигания топлива становится проблематичным из-за ограничений, накладываемых термической устойчивостью конструкционных материалов, из которых изготовлен двигатель. Потому скорость, соответствующая М=5 считается предельной для СПВРД

[править]

Гиперзвуковой прямоточный  воздушно-реактивный двигатель (ГПВРД)

Основная статья: Гиперзвуковой  прямоточный воздушно-реактивный двигатель

 

 

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 5М, (верхний предел точно не устанавливается).

На начало XXI в. этот тип двигателя является гипотетическим: 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 остается 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.

Область применения ПВРД

 

ПВРД неработоспособен при низких скоростях полёта, тем более — при нулевой скорости. Для достижения начальной скорости, при которой он становится эффективным, аппарат с этим двигателем нуждается во вспомогательном приводе, который может быть обеспечен, например, твёрдотопливным ракетным ускорителем, или самолётом-носителем, с которого запускается аппарат с ПВРД.

Неэффективность ПВРД на малых  скоростях полёта делает его практически  неприемлемым для использования  на пилотируемых самолётах[8], но для  беспилотных, боевых, крылатых ракет  одноразового применения, летающих в  диапазоне скоростей 2 < M < 5, благодаря своей простоте, дешевизне и надёжности, он предпочтителен. Так же ПВРД используются в летающих мишенях. Основным конкурентом ПВРД в этой нише является ракетный двигатель.

 

Пульсирующий  воздушно-реактивный двигатель.

 

Принцип действия и устройство ПуВРД

 

Пульсирующий воздушно-реактивный двигатель (ПуВРД, англоязычный термин Pulse jet), как следует из его названия, работает в режиме пульсации, его тяга развивается не непрерывно, как у ПВРД или ТРД, а в виде серии импульсов, следующих друг за другом с частотой от десятков герц, для крупных двигатателей, до 250 Гц — для малых двигателей, предназначенных для авиамоделей.[9]

 

Конструктивно, ПуВРД представляет собой цилиндрическую камеру сгорания с длинным цилиндрическим соплом меньшего диаметра[10]. Передняя часть камеры соединена со входным диффузором, через который воздух поступает в камеру.

 

Между диффузором и камерой  сгорания установлен воздушный клапан, работающий под воздействием разницы  давлений в камере и на выходе диффузора: когда давление в диффузоре превышает давление в камере клапан открывается и пропускает воздух в камеру; при обратном соотношении давлений он закрывается.

 

Клапан может иметь  различную конструкцию: в двигателе  Argus As-014 ракеты Фау-1 он имел форму и действовал наподобие оконных жалюзи и состоял из наклёпанных на раму гибких прямоугольных клапанных пластинкок из пружинной стали; в малых двигателях он выглядит как пластина в форме цветка с радиально расположенными клапанными пластинками в виде нескольких тонких, упругих металлических лепестков, прижатых к основанию клапана в закрытом положении и отгибающихся от основания под действием давления в диффузоре, превышающего давление в камере. Первая конструкция намного совершеннее — оказывает минимальное сопротивление потоку воздуха, но гораздо сложнее в производстве.

 

В передней части камеры имеются  одна или несколько топливных  форсунок, которые впрыскивают топливо  в камеру, пока давление наддува  в топливном баке превышает давление в камере; при превышении давлением  в камере давления наддува, обратный клапан в топливном тракте перекрывает  подачу топлива. Примитивные маломощные конструкции нередко работают без  впрыска топлива, подобно поршневому карбюраторному двигателю. Для пуска  двигателя в этом случае обычно используют внешний источник сжатого воздуха.

 

Для инициирования процесса горения в камере устанавливается  свеча зажигания, которая создаёт  высокочастотную серию электрических  разрядов, и топливная смесь воспламеняется, как только концентрация горючего в  ней достигает некоторого, достаточного для возгорания, уровня. Когда оболочка камеры сгорания достаточно прогревается (обычно, через несколько секунд после начала работы большого двигателя, или через доли секунды — малого; без охлаждения потоком воздуха, стальные стенки камеры сгорания быстро нагреваются докрасна), электрозажигание вовсе становится ненужным: топливная смесь воспламененяется от горячих стенок камеры.

 

При работе, ПуВРД издаёт очень характерный трещащий или жужжащий звук, обусловленный как раз пульсациями в его работе.

 

Схема работы ПуВРД

Цикл работы ПуВРД иллюстрируется рисунком справа:

1. Воздушный клапан открыт, воздух поступает в камеру  сгорания, форсунка впрыскивает  горючее, и в камере образуется  топливная смесь.

2. Топливная смесь воспламеняется  и сгорает, давление в камере  сгорания резко возрастает и  закрывает воздушный клапан и  обратный клапан в топливном  тракте. Продукты сгорания, расширяясь, истекают из сопла, создавая  реактивную тягу.

3. Давление в камере  уравнивается с атмосферным, под  напором воздуха в диффузоре  воздушный клапан открывается и воздух начинает поступать в камеру, топливный клапан тоже открывается, двигатель переходит к фазе 1.

 

Кажущееся сходство ПуВРД и ПВРД (возможно, возникающее из-за сходства аббревиатур названий) — ошибочно. В действительности ПуВРД имеет глубокие, принципиальные отличия от ПВРД или ТРД.

Во-первых, наличие у ПуВРД воздушного клапана, очевидным назначением которого является предотвращение обратного движения рабочего тела вперёд по ходу движения аппарата (что свело бы на нет реактивную тягу). В ПВРД (как и в ТРД) этот клапан не нужен, поскольку обратному движению рабочего тела в тракте двигателя препятствует «барьер» давления на входе в камеру сгорания, созданный в ходе сжатия рабочего тела. В ПуВРД начальное сжатие слишком мало, а необходимое для совершения работы повышение давления в камере сгорания достигается благодаря нагреву рабочего тела (при сжигании горючего) в постоянном объёме, ограниченном стенками камеры, клапаном, и инерцией газового столба в длинном сопле двигателя. Поэтому ПуВРД с точки зрения термодинамики тепловых двигателей относится к иной категории, нежели ПВРД или ТРД — его работа описывается циклом Хамфри (Humphrey), в то время как работа ПВРД и ТРД описывается циклом Брайтона.

Во-вторых, пульсирующий, прерывистый  характер работы ПуВРД, также вносит существенные различия в механизм его функционирования, в сравнении с ВРД непрерывного действия. Для объяснения работы ПуВРД недостаточно рассматривать только газодинамические и термодинамические процессы, происходящие в нём. Двигатель работает в режиме автоколебаний, которые синхронизируют по времени работу всех его элементов. На частоту этих автоколебаний оказывают влияние инерционные характеристики всех частей ПуВРД, в том числе инерция газового столба в длинном сопле двигателя, и время распространения по нему акустической волны. Увеличение длины сопла приводит к снижению частоты пульсаций и наоборот. При определённой длине сопла достигается резонансная частота, при которой автколебания становятся устойчивыми, а амплитуда колебаний каждого элемента — максимальной. При разработке двигателя эта длина подбирается экспериментально в ходе испытаний и доводки.

 

Иногда говорят, что функционирование ПуВРД при нулевой скорости движения аппарата невозможно — это ошибочное представление, во всяком случае, оно не может быть распространено на все двигатели этого типа. Большинство ПуВРД (в отличие от ПВРД) может работать, «стоя на месте» (без набегающего потока воздуха), хотя тяга, развиваемая им в этом режиме, минимальна (и обычно недостаточна для старта приводимого им в движение аппарата без посторонней помощи — поэтому, например, V-1 запускали с паровой катапульты, при этом ПуВРД начинал устойчиво работать ещё до пуска[11]).

 

Функционирование двигателя  в этом случае объясняется следующим  образом. Когда давление в камере после очередного импульса снижается  до атмосферного, движение газа в сопле  по инерции продолжается, и это  приводит к понижению давления в  камере до уровня ниже атмосферного. Когда  воздушный клапан открывается под  воздействием атмосферного давления (на что тоже требуется некоторое  время), в камере уже создано достаточное  разрежение, чтобы двигатель мог  «вдохнуть свежего воздуха» в  количестве, необходимом для продолжения  следующего цикла.[12]

 

Другие пульсирующие ВРД

 

Образцы бесклапанных (U-образных) ПуВРД[13].

 

В литературе встречается  описание двигателей, подобных ПуВРД.

Бесклапанные ПуВРД, иначе — U-образные ПуВРД. В этих двигателях отсутствуют механические воздушные клапаны, а чтобы обратное движение рабочего тела не приводило к уменьшению тяги, тракт двигателя выполняется в форме латинской буквы «U», концы которой обращены назад по ходу движения аппарата, при этом истечение реактивной струи происходит сразу из обоих концов тракта. Поступление свежего воздуха в камеру сгорания осуществляется за счёт волны разрежения, возникающей после импульса и «вентилирующей» камеру, а изощрённая форма тракта служит для наилучшего выполнения этой функции. Отсутствие клапанов позволяет избавиться от характерного недостатка клапанного ПуВРД — их низкой долговечности (на самолёте-снаряде Фау-1 клапана прогорали приблизительно после получаса полёта, чего вполне хватало для выполнения его боевых задач, но абсолютно неприемлемо для аппарата многоразового использования).

Детонационные ПуВРД. (англоязычное название PDE) В этих двигателях горение топливной смеси происходит в режиме детонации (в отличие от дефлаграции, которая имеет место при горении топливно-воздушных смесей во всех ВРД, рассмотренных выше). Детонационная волна распространяется в топливной смеси гораздо быстрее, чем звуковая, поэтому за время химической реакции детонационного горения объём топливной смеси не успевает существенно увеличиться, а давление возрастает скачкообразно (до значений свыше 100 ат), таким образом имеет место изохорический (при постоянном объёме) нагрев рабочего тела. После этого начинается фаза расширения рабочего тела в сопле с образованием реактивной струи. Детонационные ПуВРД могут быть как с клапанами, так и без них.

Потенциальным преимуществом  детонационного ПуВРД считается термический КПД более высокий, чем в ВРД любого другого типа. Практическая реализация этого двигателя находится в стадии эксперимента[14].

 

Область применения ПуВРД

 

ПуВРД характеризуется как шумный и неэкономный, зато простой и дешёвый. Высокий уровень шума и вибрации вытекает из самого пульсирующего режима его работы. О неэкономном характере использования топлива свидетельствует обширный факел, «бьющий» из сопла ПуВРД — следствие неполного сгорания топлива в камере.