Видове реактивни двигатели, физическата основа на реактивното задвижване при различни скорости
В съвременната гражданска и военна авиация, в космическата техника, широко се използват реактивни двигатели, чието създаване се основава на принципа на получаване на тяга поради силата на реакция, произтичаща от отхвърлянето на определена маса (работен флуид) от двигателя, а посоката на тягата и движението на изхвърления работен флуид са противоположни. В този случай стойността на тягата е пропорционална на произведението на масата на работния флуид и скоростта на неговото отхвърляне. Това е опростен начин да се опише работата на реактивен двигател, а истинска научна теория за наглостта на съвременните реактивни двигатели се развива от няколко десетилетия. А основата и дизайнът на реактивните двигатели са дело на български учени и изобретатели, които винаги са заемали водещо място в развитието на реактивните двигатели и въобще в ракетната техника. Разбира се, началото на работата по ракетната техника в България датира от 1690 г., когато с активното участие на Петър Първи е построена специална институция за производство на барутни ракети, използвани много по-рано в древен Китай. Въпреки това, прахови ракети от модела 1717 г. поради високите си качества за това време, те са били използвани почти непроменени около сто години. И първите опити за създаване на самолетен реактивен двигател вероятно трябва да се припишат на 1849 г., когато военният инженер И.М. Третески предлага да се използва силата на струя от сгъстен газ за движение на балона. През 1881 г. Кибалчич разработва проект за самолет, по-тежък от въздуха, с реактивен двигател. Разбира се, това са първите опити да се използва силата на реактивната струя за самолети и разбира се Н. Е. Жуковски, "бащата на българската авиация", който пръв разработиосновните въпроси на теорията за реактивното задвижване, с право е основателят на тази теория.
Трудовете на български и съветски учени и конструктори, заедно с трудовете на видните наши сънародници Н.Е.Жуковски, К.Е.Циолковски, В.В., което е нашата славна история и гордост на България.
Аз. Физическата основа на реактивния двигател.
В основата на съвременните мощни реактивни двигатели от различни видове е принципът на директната реакция, т.е. принципът на създаване на движеща сила (или тяга) под формата на реакция (откат) на струя от "работно вещество", изтичаща от двигателя, обикновено горещи газове.
Във всички двигатели има два процеса на преобразуване на енергия. Първо, химическата енергия на горивото се преобразува в топлинна енергия на продуктите от горенето, а след това топлинната енергия се използва за извършване на механична работа. Такива двигатели включват бутални двигатели на автомобили, дизелови локомотиви, парни и газови турбини на електроцентрали и др.
Разгледайте този процес във връзка с реактивните двигатели. Да започнем с горивната камера на двигателя, в която по един или друг начин вече е създадена горима смес в зависимост от типа на двигателя и вида на горивото. Това може да бъде например смес от въздух и керосин, както в турбореактивен двигател на модерен реактивен самолет, или смес от течен кислород и алкохол, както в някои течни ракетни двигатели, или накрая някакъв вид твърдо гориво за прахови ракети. Горимата смес може да гори, т.е. влизам вхимическа реакция, която освобождава енергия под формата на топлина. Способността за освобождаване на енергия по време на химическа реакция е потенциалната химическа енергия на молекулите на сместа. Химическата енергия на молекулите е свързана с особеностите на тяхната структура, по-точно структурата на техните електронни обвивки, т.е. електронният облак, който заобикаля ядрата на атомите, изграждащи молекулата. В резултат на химическа реакция, при която едни молекули се разрушават, а други се образуват, естествено се получава пренареждане на електронните обвивки. При това преструктуриране той е източникът на освободена химическа енергия. Вижда се, че като гориво за реактивни двигатели могат да служат само вещества, които по време на химическа реакция в двигателя (горене) отделят достатъчно голямо количество топлина, а също така образуват голямо количество газове. Всички тези процеси протичат в горивната камера, но нека се спрем на реакцията не на молекулярно ниво (това вече беше обсъдено по-горе), а на "фазите" на работа. Докато не започне горенето, сместа има голям запас от потенциална химическа енергия. Но тогава пламъкът погълна сместа, още един момент - и химическата реакция приключи. Сега, вместо молекулите на горимата смес, камерата е пълна с молекули на продуктите на горенето, по-плътно "опаковани". Излишната енергия на свързване, която е химическата енергия на протичащата реакция на горене, е била освободена. Молекулите, притежаващи тази излишна енергия, почти моментално я прехвърлят на други молекули и атоми в резултат на чести сблъсъци с тях. Всички молекули и атоми в горивната камера започнаха да се движат произволно, хаотично с много по-висока скорост, температурата на газовете се повиши. Така че имаше преход на потенциалната химическа енергия на горивото в топлинната енергия на продуктите от горенето.
Подобен преход беше извършен във всички други топлинни двигатели, но реактивнидвигателите се различават фундаментално от тях по отношение на по-нататъшната съдба на горещите продукти от горенето.
След като в топлинния двигател се образуват горещи газове, съдържащи голяма топлинна енергия, тази енергия трябва да се преобразува в механична енергия. В крайна сметка целта на двигателите е да извършват механична работа, да "движат" нещо, да го привеждат в действие, няма значение дали е динамо по искане за допълване на чертежите на електроцентрала, дизелов локомотив, кола или самолет.
За да може топлинната енергия на газовете да се превърне в механична, техният обем трябва да се увеличи. При такова разширение газовете извършват работата, за която се изразходва тяхната вътрешна и топлинна енергия.
В случай на бутален двигател, разширяващите се газове притискат бутало, движещо се вътре в цилиндъра, буталото избутва биелата, която вече върти коляновия вал на двигателя. Валът е свързан с ротора на динамото, задвижващите оси на дизелов локомотив или автомобил или витлото на самолет - двигателят извършва полезна работа. В парна машина или газова турбина, разширяващите се газове карат колелото, свързано с вала, да се върти - няма нужда от коляно-мотов трансмисионен механизъм, което е едно от големите предимства на турбината
Газовете се разширяват, разбира се, в реактивен двигател, защото без него те не вършат работа. Но работата по разширяването в този случай не се изразходва за въртене на вала. Свързан със задвижващия механизъм, както при другите топлинни двигатели. Целта на реактивния двигател е друга - да създава реактивна тяга и за това е необходимо струя от газове - продукти от горенето да изтичат от двигателя с висока скорост: силата на реакция на тази струя е тягата на двигателя. Следователно работата на разширението на газообразните продукти от изгарянето на горивото в двигателятрябва да се изразходват за диспергиране на самите газове. Това означава, че топлинната енергия на газовете в реактивен двигател трябва да се преобразува в тяхната кинетична енергия - случайното хаотично топлинно движение на молекулите трябва да бъде заменено от техния организиран поток в една обща за всички посока.
За целта служи една от най-важните части на двигателя, така наречената реактивна дюза. Без значение към какъв тип принадлежи конкретен реактивен двигател, той задължително е оборудван с дюза, през която горещите газове изтичат от двигателя с голяма скорост - продуктите от изгарянето на гориво в двигателя. При някои двигатели газовете навлизат в дюзата непосредствено след горивната камера, например в ракетни или ramjet двигатели. При други, турбореактивни, газовете първо преминават през турбина, на която отдават част от топлинната си енергия. Консумира в този случай за задвижване на компресора, който служи за компресиране на въздуха пред горивната камера. Но както и да е, дюзата е последната част от двигателя - газовете преминават през нея, преди да напуснат двигателя.
Реактивната дюза може да има различни форми и освен това различен дизайн в зависимост от типа на двигателя. Основното нещо е скоростта, с която газовете изтичат от двигателя. Ако тази скорост на изтичане не надвишава скоростта, с която звуковите вълни се разпространяват в изтичащите газове, тогава дюзата е обикновена цилиндрична или стесняваща се тръбна секция. Ако скоростта на изтичане трябва да надвишава скоростта на звука, тогава на дюзата се дава формата на разширяваща се тръба или първо се стеснява и след това се разширява (дюзата на Любов). Само в тръба с такава форма, както показват теорията и опитът, е възможно газът да се ускори до свръхзвукова скорост,"звукова бариера".
II. Класификация на реактивни двигатели и характеристики на тяхното използване
Но този мощен ствол, принципът на директната реакция, даде живот на огромна корона от "родословното дърво" на семейството на реактивните двигатели. Да се запознаят с основните клони на короната му, увенчаващи "ствола" на директната реакция. Скоро, както се вижда от фигурата (виж по-долу), този ствол е разделен на две части, сякаш разцепен от удар на мълния. И двата нови ствола са еднакво украсени с мощни корони. Това разделение се дължи на факта, че всички "химически" реактивни двигатели са разделени на два класа, в зависимост от това дали използват околния въздух за работата си или не.
Един от новосформираните стволове е класът на двигателите с въздушно дишане (VRD). Както подсказва името, те не могат да работят извън атмосферата. Ето защо тези двигатели са гръбнакът на съвременната авиация, както пилотирана, така и безпилотна. WFD използват атмосферен кислород за изгаряне на гориво; без него реакцията на горене в двигателя няма да протече. Но все пак турбореактивните двигатели в момента са най-широко използвани.