. Реактивные двигатели
  
Азбука  Физкультура малышам

Детская Энциклопедия

Статистика

Реактивные двигатели

Реактивные двигатели

XX век часто называют веком реактивной техники — так велика ее роль в наше время. И действительно, реактивная техника — это и мощный реактивный военно-воздушный флот, и разнообразное ракетное оружие, и надводные и подводные суда, движимые с помощью так называемых гидрореактивных двигателей, и, наконец, венец развития техники — гигантские космические ракеты.

Но каким бы сложным, мощным и совер­шенным ни был любой современный реактив­ный двигатель, в его основе лежит тот же прин­цип, что и в первых пороховых ракетах (см. ст. «Ракеты, космические корабли, космодро­мы»). Это принцип прямой реакции, принцип создания движущей силы (или тяги) в виде реакции (или отдачи) струи вытекающего из двигателя «рабочего вещества», обычно раска­ленных газов.

Теперь пороховой реактивный двигатель лишь один из представителей многочисленного семейства реактивных двигателей. Взгляните на могучее «генеалогическое дерево» этого се­мейства (см. рис. ). Много на нем крепких ветвей — это двигатели, уже получив­шие широкое применение. Немало и скромных побегов — служба этих двигателей еще впереди.

Вот в самом низу «дерево» делится на две главные «ветви». Одна из них — воздуш­но-реактивные двигатели, дру­гая — ракетные двигатели. Чем же различаются эти «ветви», эти два типа двига­телей?

Различие очень важное, принципиальное, Воздушно-реактивные двигатели используют для своей работы воздух атмосферы, кислород которого им нужен для того, чтобы с его по­мощью сжигать горючее. Ясно поэтому, что такие двигатели не могут работать на очень больших высотах, где воздух разрежен, и уж тем более в межпланетном пространстве. Ракет­ные же двигатели не нуждаются в воздухе, их топливо содержит в себе все необходимое для сгорания — и горючее, и окислитель.

Познакомимся сначала с двигателями одной «ветви» — воздушно-реактивными. Мы видим, что она в свою очередь тоже делится на две «ветви». Одна, более мощная, — это газотурбинные воздушно-реактивные двигатели, другая, поменьше и покороче,— бескомпрессорные воздушно-реактивные двига­тели. В чем же различие этих двух групп?

В любом воздушно-реактивном двигателе внутрь двигателя втекает атмосферный воздух, а из двигателя наружу вытекают продукты сго­рания — раскаленные газы. Газы вытекают с гораздо большей скоростью, и именно эта разница скоростей и является причиной тяги, развиваемой двигателем. Чем больше скорость вытекающих газов, тем больше и сила тяги. Но как можно заставить газы вытекать со все большей скоростью? Для этого, очевидно, нуж­но создать в двигателе повышенное давление. По тому, как создается в двигателе повышенное дав­ление, и отличаются друг от друга газотурбинные и бескомпрессорные воздушно-реактивные дви­гатели.

Наиболее естественный способ получения давления — это, очевидно, сжатие поступаю­щего в двигатель воздуха в специальной маши­не — компрессоре. Так именно обстоит дело в любом газотурбинном двигателе. Обязатель­ной составной частью такого двигателя являет­ся какой-нибудь компрессор, приводимый в движение газовой турбиной. Она работает на продуктах сгорания топлива в двигателе. Поэтому такие двигатели и называют газотур­бинными реактивными или просто турбо­реактивными.

Самолеты с этими двигателями летают ныне со скоростями, в 2—3 раза превышающими скорость звука, покрывают без посадки многие тысячи километров, забираются на высоты бо­лее 30 км. Среди турбореактивных двигателей имеются и небольшие, с тягой всего в десятки килограммов, и сверхмощные, тяга которых достигает многих тонн.

Существует множество разных типов и кон­струкций турбореактивных двигателей. Вот, например, на нашем «дереве» изображен дви­гатель с центробежным компрессором — боль­шой крыльчаткой, т. е. колесом с лопастями. Лет 15 назад большинство самолетных турбо­реактивных двигателей имело именно такой компрессор, но сейчас они используются лишь на двигателях сравнительно небольшой тяги.

Это объясняется тем, что победителем ока­зался конкурент центробежного — осевой ком­прессор, в котором вместо одной большой крыльчатки на вращающемся валу имеется ряд колес с лопатками. Эти колеса вращаются меж­ду рядами таких же неподвижных лопаток — воздух сжимается при движении не по радиусам колеса, а вдоль его оси. Преимущество осевого компрессора заключается в том, что в нем воздух может быть сжат сильнее (для этого нужно установить больше отдельных колес с лопатками — ступенями компрессора) и, главное, количество сжимаемого воздуха может быть гораздо больше при том же диа­метре. А чем больше воздуха протекает через двигатель, тем больше и его тяга, величина которой определяет возможную скорость по­лета.

Теперь обратите внимание на ветку, отпоч­ковавшуюся на рисунке в сторону от турбо­реактивных двигателей. На ней написано — двухконтурные турбореактивные двигатели, или, как их еще называют, турбо­вентиляторные. Они получают в по­следнее время все более широкое применение в авиации, так как оказываются очень выгод­ными при больших дозвуковых скоростях по­лета, порядка 900—1000 км/час. Отличаются они от обычных турбореактивных двигателей тем, что имеют снаружи еще один, кольцевой, канал, или контур, по которому течет воздух, сжимаемый высоконапорным вентилятором. Поэтому из двигателя вытекают наружу сразу две струи — внутренняя раскаленная газовая и наружная струя холодного воздуха. Скорость истечения газов при той же затрате топлива несколько меньше, но зато объем вытекающих из двигателя газов значительно больше, чем в обычном турбореактивном двигателе. Такое сочетание оказывается более выгодным при дозвуковой скорости полета, так как самолет, затратив то же количество горючего, может совершить более дальний перелет.

Надо также сказать и еще об одной ве­точке, отходящей от ветви газотурбинных двигателей,— о так называемых турбовин­товых двигателях. Эти двигатели, по существу, не реактивные, тяга в них создает­ся в основном не реактивной струей, а воз­душным винтом, приводимым во вращение тур­биной. Такие двигатели очень широко приме­няются в гражданской авиации — кто не слы­шал о самолетах ИЛ-18 или ТУ-114!

Итак, в газотурбинных двигателях сжатие воздуха, как мы убедились, осуществляется компрессорами разного типа. А как это делает­ся в бескомпрессорных двигателях? По-раз­ному. В одних, так называемых пульси­рующих, давление в камере сгорания повы­шается потому, что при вспышке топлива спе­циальные клапаны закрываются и изолируют камеру от атмосферы. А в прямоточных двигателях даже и клапанов нет. Сжатие воз­духа происходит здесь в результате торможе­ния встречного потока забортного воздуха, который с большой скоростью попадает внутрь двигателя, т. е. на сжатие затрачивается кине­тическая энергия этой воздушной струи. Само­лет с таким двигателем не может сам осущест­вить взлет, ведь, чтобы встречный поток воз­духа создал давление, аппарат надо сначала разогнать. Поэтому на самолет с прямоточным двигателем ставится еще один двигатель, рабо­тающий только при взлете. Но при больших сверхзвуковых скоростях полета прямоточный двигатель оправдывает эти дополнительные расходы.

В основном прямоточные двигатели сейчас применяются на беспилотных управляемых снарядах. Но одно, несколько своеобразное применение они уже нашли и в авиации — в так называемых турбопрямоточных двига­телях. Этот двигатель можно назвать гиб­ридным — он представляет собой сочетание двигателей различного типа. В нем прямоточ­ный двигатель устанавливается за турбореак­тивным и его называют форсажной камерой. Он работает только при необходимости крат­ковременного увеличения тяги, или форсажа, турбореактивного двигателя. Для этого в по­ток газов, вытекающих из турбореактивного двигателя и содержащих еще большое коли­чество свободного кислорода, впрыскивается топливо. Температура газов и скорость их истечения, а значит, и тяга двигателя при этом резко возрастают. Форсажная камера стала едва ли не обязательной частью всех современ­ных мощных турбореактивных двигателей.

Однако пора вспомнить и о второй главной ветви — ракетных двигателях. Эта ветвь также делится на две: одна из них — пороховые двигатели, или двигатели твердого топ­лива; другая — жидкостные ракет­ные двигатели. Различие здесь, как говорят сами названия, в характере топлива.

Устройство порохового двигателя очень просто. В его камере находится заряд твердого топлива. После воспламенения он сгорает, рас­каленные газы вытекают через реактивное сопло наружу, создавая тягу. Простота, малый вес, постоянная готовность к действию делают дви­гатели твердого топлива очень привлекатель­ными, несмотря на недостатки — невозможность остановки, трудность регулирования величины тяги и т. д. В качестве авиационных двигатели твердого топлива применить нельзя, но они начинают пользоваться все большей популярностью не только в ракетной артиллерии (здесь-то они применяются давно и с большим успехом — вспомните хотя бы прославленные «катюши»), но и в дальней и даже в косми­ческой ракетной технике.

Недостатков, характерных для этих двига­телей, лишен изобретенный К. Э. Циолковским жидкостный ракетный двигатель. Он работает на топливе, состоящем обычно из двух разных жидкостей — горючего и окислителя, которые подаются в двигатель и там сгорают. Ясно, что изменением подачи топлива можно легко регу­лировать величину тяги двигателя, а прекра­тив подачу, полностью его выключить. Но зато жидкостный двигатель намного сложнее поро­хового — он нуждается в системе подачи топ­лива, различных регуляторах, системе охлаж­дения и т. д.

Хотя жидкостный ракетный двигатель и устанавливается иногда на самолетах в каче­стве основного, его применение ограничено тем, что он расходует в 10—15 раз больше топлива на 1 кг тяги, чем турбореактивный. Это не уди­вительно — ведь турбореактивный пользуется окислителем из атмосферы, а не запасенным на борту самолета. Поэтому самолеты с ракет­ным двигателем способны совершать лишь крат­ковременный полет — запаса топлива хватает лишь на несколько минут работы двигателя на полной тяге. Но зато с помощью этих дви­гателей уже удалось достичь высоты около 100 км и скорости полета около 6700 км/час] Правда, для этого самолет с ракетным двига­телем пришлось заносить на большую высоту с помощью другого, тяжелого самолета с турбо­реактивными двигателями.

Но, конечно, главное применение жидкост­ного двигателя- иное. Это он переносит на мно­гие тысячи километров тяжелые баллистиче­ские ракеты, выводит на орбиты искусствен­ные спутники, направляет автоматические меж­планетные станции к их далеким целям. Эти двигатели, развивающие мощность в миллионы лошадиных сил, уже позволили осуществить полеты летчиков-космонавтов.

Их ждет большое будущее в дальнейшем штурме космоса.

Наш рассказ о современных реактивных двигателях был бы неполным без упоминания о двигателях совершенно нового типа, привле­кающих к себе большое внимание в последние годы. Это так называемые электриче­ские ракетные двигатели. Прав­да, в эксплуатации подобных двигателей еще почти нет (единственный пока пример — плазменные электрические ракетные двигатели, уста­новленные на советской автоматической межпла­нетной станции «Зонд-2)», но работы над ними ведутся. В этих двигателях уже не повышен­ное давление газа создает движущую реак­тивную струю, а электрические и магнитные поля. По-разному устроены двигатели этого типа — ионные, плазменные, дуговые, но во всех них используется чудесная сила электри­чества, позволяющая получить огромную ско­рость истечения, невозможную для реактив­ных двигателей любого другого типа. А ведь чем больше скорость истечения, тем меньше топлива расходуется на получение той же тя­ги и тем больше могут быть полезный груз и скорость ракеты.

Правда, в отличие от обычных ракетных двигателей, тяга которых достигает теперь со­тен тонн, электрические двигатели слабосиль­ны, они развивают тягу в граммы, от силы в килограммы. Поэтому для взлета с Земли они непригодны. Но в космосе даже малая сила способна разогнать корабль до огромной ско­рости, если она действует достаточно долго. Все это дает основание предположить, что электрические двигатели будут установлены на многих космических летательных аппаратах будущего.

К двигателям космических кораблей буду­щего следует отнести и фотонный дви­гатель, в котором реактивная сила должна образовываться не веществом, вытекающим из двигателя, а отбрасываемым им светом. А по­скольку скорость света (300 тыс. км/сек) — это наибольшая возможная в природе скорость, фотонные двигатели могут стать едва ли не единственным средством осуществления полетов к звездам. Однако пока фотонные двигатели — это еще почти фантастика, правда, фантастика вполне научная.

ПОИСК
Block title
РАЗНОЕ