Как работает реактивный двигатель

История реактивных двигателей

Со времен мифа об Икаре, в котором он сделал крылья из птичьих перьев и полетел, люди пытались понять, как некоторые виды взлетают в небо, чтобы воспроизвести это с помощью машин. Леонардо да Винчи разработал первые концепции в ^XVI веке. Но в то время единственной известной движущей силой были человеческие мышцы. Фундаментальные принципы, которые впоследствии позволили бы нам понять, как летают самолеты, появились только в XVII и ^XVIII веках благодаря таким ученым, как Ньютон и Бернулли. В ^XIX веке промышленная революция привела к ряду технических достижений. Француз Клеман Адер первым оторвал самолет от земли с помощью парового двигателя, используя в качестве источника вдохновения летучую мышь. Десятилетие спустя, в 1903 году, братья Райт совершили первый в истории управляемый полет на моторной тяге.

Как работает реактивный двигатель

Первый реактивный двигатель, или турбореактивный, был разработан немцами в 1939 году, хотя это был результат нескольких столетий исследований.Принципработы двигателей, используемых сегодня, упрощен в этом видео:

Принцип прост:воздух всасывается воздуходувкой, затем постоянно сжимается; после этого он попадает в камеру сгорания, где вступает в реакцию с парафином и воспламеняется. В результате реакции газы расширяются, а затем выдуваются через сопло назад, двигая самолет вперед. Газы покидают двигатель на очень высокой скорости, проходя через реактивный двигатель, форма которого сужается, и, выходя из реактивного двигателя, газы вращают турбину, расположенную на той же оси, что и компрессор, сразу после камеры сгорания. Движение турбины вызывает движение компрессора, что позволяет реакции происходить непрерывно. Авиакомпании постоянно пытаются улучшить характеристики камер сгорания, чтобы уменьшить выбросы самолетов.

Законы движения Ньютона

В ^XVII веке Ньютон сформулировал три фундаментальных закона, объясняющих движение. Первый — принцип инерции, второй — принцип динамики. Реактивная тяга основана на этом принципе действия-реакции, который гласит, что на каждое действие существует равная и противоположная реакция. Таким образом, воздух, выбрасываемый назад, будет оказывать равную и противоположную силу на самолет, двигая его вперед. Эта сила называется тягой. Закон Ньютона также объясняет, как летают самолеты: если крыло оказывает силу на воздух (его вес, направленный вниз), то воздух оказывает противоположную силу на крыло, называемую подъемной силой (направленной вверх). Компенсация этих сил позволяет самолету держаться в воздухе.

Первый реактивный двигатель

В 1731 году англичанин Джон Барбер начал регистрировать патенты на газовую турбину внутреннего сгорания— предтечу турбореактивного двигателя. Его двигатель состоял из компрессора, камеры сгорания и турбины, которые заправлялись горючим веществом. Разработка газовой турбины была отложена из-за успеха паровой турбины. Наконец, после работ румына Анри Коандэ и француза Максима Гийома в 1930-х годах, именно британец, сэр Фрэнк Уиттл, совершил революцию в воздушном транспорте, создав турбореактивный двигатель. Вместо того чтобы использовать поршневой двигатель для сжатия воздуха, Уиттл выбрал турбину, которая использовала энергию выхлопных газов для привода компрессора. Первые турбореактивные двигатели были разработаны одновременно в Англии и Германии. Немец Ханс фон Охайн разработал первый реактивный двигатель для компании Heinkel в 1939 году. Первым реактивным самолетом стал Heinkel He-178, использовавшийся для боевых действий. Однако первый полет был прерван, когда в двигатель засосало птицу. Гонка вооружений во время Второй мировой войны ускорила рождение современной авиации. В конце войны Соединенные Штаты и Советский Союз наверстали упущенное, за ними последовала Франция, которую сдерживала немецкая оккупация. Первые гражданские самолеты с реактивными двигателями появились в 1950-х годах

Различные типы реактивных двигателей

В общем случае турбореактивные двигатели преобразуют химическую энергию, содержащуюся в топливе, в кинетическую энергию. Разработка турбореактивных двигателей с самого начала была серьезной задачей как в военной, так и в гражданской сфере. Современные реактивные двигатели гораздо сложнее, чем в прошлом. Например, они оснащены реверсами тяги, которые служат для торможения самолета. Существует несколько подкатегорий реактивных двигателей:

• реактивные двигатели с центробежным компрессором
• Реактивные двигатели с осевым компрессором
• Байпасные реактивные двигатели
• Рамно-реактивные двигатели
• Турбовинтовые двигатели
• Двигатели со свободной турбиной

Описанные выше двигатели относятся к турбореактивным двигателям с центробежным компрессором. Они просты в изготовлении и надежны, но их недостатком является то, что для них требуется двигатель большого диаметра, что снижает конечную скорость самолета. Поэтому были изобретены осевые турбореактивные двигатели. Воздух сжимается через ряд пропеллеров, и эффективность выше, но для этого требуются более современные материалы. В обоих случаях двигатель должен выдерживать температуру до 2000°C. В турбовентиляторном двигателе перед компрессором установлен вентилятор. Он втягивает большое количество воздуха, который затем разделяется на первичный и вторичный потоки. Первичный поток проходит через камеру сгорания, поэтому представляет собой поток горячего воздуха. Вторичный поток выбрасывается непосредственно по обе стороны от двигателя; это поток холодного воздуха, который обеспечивает 80 % тяги. На выходе холодный воздух смешивается с горячим, что приводит к охлаждению. Эта система используется на большинстве коммерческих самолетов для улучшения тяги и снижения шума двигателя.

Рамные двигатели сегодня используются на истребителях и ракетах, поскольку они могут развивать очень высокую скорость. Их тяга больше, потому что топливо повторно впрыскивается в камеру сгорания — процесс, известный как дожигание. Кроме того, у них нет движущихся частей, поэтому они легкие. К недостаткам можно отнести то, что они не могут работать ниже определенной скорости, а также очень высокую температуру, которая не выдерживает длительного воздействия многих материалов. Кроме того, для их работы необходимо обеспечить начальную скорость. Суперреактивные двигатели могут достигать сверхзвуковых скоростей. Двигатель Concorde представлял собой гибрид турбореактивного и реактивного двигателей. Турбореактивные двигатели увеличивают тягу за счет выброса как можно большего количества газа. С турбовинтовыми двигателями дело обстоит иначе. Они полагаются на вращательную силу пропеллера, прикрепленного к внешней стороне самолета, чтобы обеспечить большую часть тяги. Турбовинтовые самолеты являются наиболее экономичным решением для полетов на короткие расстояния. Они более эффективны и потребляют меньше топлива, но ограничены по высоте и расстоянию. Если вы хотите узнать больше о различных моделях турбовинтовых двигателей, загляните на эту страницу

Турбовинтовые двигатели были разработаны для вертолетов. Как и турбореактивные двигатели, они оснащены турбиной. Вертолеты, выпускаемые сегодня, такие как Dauphin, оснащены свободной турбиной. Она преобразует кинетическую и тепловую энергию выхлопных газов в механическую энергию. Она также позволяет лопастям вертолета вращаться со скоростью, отличной от скорости вращения компрессора, что обеспечивает устойчивость летательного аппарата.