Как работает реактивный двигатель и каковы его разновидности?

От смелых мечтаний Икара до современных сверхзвуковых самолетов — человек не перестает расширять границы неба.

В основе этих воздушных завоеваний лежит революционное изобретение — реактивный двигатель. Мощный, сложный и завораживающий, этот шедевр инженерной мысли превращает простое горение в феноменальную силу, способную пронести сотни тонн сквозь облака.

Но как он работает на самом деле? Какие физические принципы и исторические инновации сделали его возможным?

Погрузитесь в недра этих механических гигантов, где наука встречается с чистой силой, и узнайте невероятную историю двигателей, изменивших мир.

История реактивных двигателей: научно-техническая эпопея

С древних времен человек мечтал покорить небеса. Миф об Икаре, летающем на крыльях из птичьих перьев, иллюстрирует это вековое стремление. Но только спустя столетия наука и техника превратили эту мечту в реальность.

Теоретические истоки (16-18ᵉ века)

В 16ᵉ веке Леонардо да Винчи нарисовал первые летательные аппараты, вдохновленные птицами. Однако в то время единственной движущей силой была мускульная сила. Научные основы полета появились только в 17 и 18 веках благодаря работам :

• Исаака Ньютона (законы динамики),
• Даниила Бернулли (принцип аэродинамической подъемной силы).

Первые достижения (19ᵉ век)

Промышленная революция открыла путь к конкретным экспериментам:

• В 1890 году французу Клеману Адеру удалось оторвать от земли свой Éole — летательный аппарат с паровым двигателем, вдохновленный полетом летучих мышей. Хотя он не отличался высокой маневренностью, это был важнейший шаг вперед.
• 17 декабря 1903 года братья Орвилл и Уилбур Райт совершили первый управляемый полет на самолете Flyer, оснащенном двигателем внутреннего сгорания.

Появление реактивного двигателя (20-е годы XX века)

Хотя первые самолеты использовали пропеллеры, ограничения этой технологии заставили инженеров искать альтернативу. Работы по созданию реактивных двигателей начались в 1930-х годах, и их пионерами стали такие люди, как:

• Фрэнк Уиттл (Великобритания),
• Ганс фон Охайн (Германия).

Первый действующий реактивный самолет, Messerschmitt Me 262, поступил на вооружение в 1944 году, совершив революцию в современной авиации.

Сегодня реактивные двигатели используются в большинстве гражданских и военных самолетов, обеспечивая скорость, мощность и эффективность. Эта история смелости и инноваций показывает, как человечество раздвинуло границы возможного.

Как работает реактивный двигатель

Происхождение и развитие

Первый реактивный двигатель, или турбореактивный, был разработан немцами в 1939 году. Однако он стал результатом нескольких столетий исследований.

Работа двигателей, используемых сегодня, упрощена в этом видео:

Основной принцип

работа реактивного двигателя основана на четкой последовательности действий:

1. Всасывание и сжатие

Воздух всасывается нагнетателем, а затем непрерывно сжимается.

2. Сгорание

Сжатый воздух поступает в камеру сгорания, где смешивается с парафином и воспламеняется. В результате реакции газы расширяются при высокой температуре и высоком давлении.

3. Расширение и приведение в движение

Расширенные газы с огромной скоростью выбрасываются назад через сходящееся сопло (которое сужается), создавая тягу вперед (в соответствии с принципом Ньютона: действие-реакция).

4. Непрерывная подача

Когда газы выходят из компрессора, они приводят в движение турбину, расположенную на одной оси с компрессором. Движение турбины вызывает движение компрессора, что позволяет циклу продолжаться до тех пор, пока двигатель работает.

Аэродинамическая поддержка

Одной только силовой установки недостаточно: именно циркуляция воздуха над крыльями создает подъемную силу, необходимую для полета самолета.

Современные проблемы

Авиакомпании и производители самолетов постоянно работают над тем, чтобы:

• Снизить выбросы (CO₂, частицы) за счет оптимизации камер сгорания.
• Повысить эффективность использования топлива, например, с помощью двигателей с высоким коэффициентом перепуска (таких как турбовентиляторные двигатели).
• Снизить потребление топлива, что является одной из основных экономических и экологических проблем.

В этом видеоролике в упрощенном виде объясняется суть процесса.

Законы движения Ньютона

В 17ᵉ веке Исаак Ньютон сформулировал три фундаментальных закона, определяющих классическую механику:

1. Принцип инерции: тело остается в состоянии покоя или равномерного прямолинейного движения, если на него не действует сила.
2. Принцип динамики: сила, действующая на объект, равна его массе, умноженной на его ускорение (F = m × a).
3. Принцип взаимного действия (или действия-реакции): На каждое действие существует соответствующая реакция, равная по интенсивности, но противоположная по направлению.

Применение к реактивной тяге

Третий закон Ньютона лежит в основе работы реактивных двигателей. Когда самолет на большой скорости выбрасывает газы назад, они создают силу реакции (тягу), которая двигает самолет вперед. Чем быстрее и массивнее газовая струя, тем больше тяга.

Полет самолета и подъемная сила

Этот же закон объясняет, как самолет держится в воздухе:

• Крылья, благодаря своей форме и наклону, оказывают на воздух силу, направленную вниз (действие).
• В ответ на это воздух оказывает противоположную силу, направленную вверх, называемую подъемной силой, которая компенсирует вес самолета.

Таким образом, компенсация сил (тяги, сопротивления, подъемной силы и веса) обеспечивает стабильный, управляемый полет.

(Примечание: эти принципы также важны в космонавтике, где ракетное движение полностью основано на выбросе газов в соответствии с третьим законом Ньютона)

Первый реактивный двигатель: революция в авиации

Начало: Джон Барбер и газовая турбина (1731)

Уже в 1731 году англичанин Джон Барбер, подав патент на газовую турбину внутреннего сгорания, разработал концепцию, которая стала предшественницей турбореактивного двигателя.

Его двигатель уже содержал ключевые элементы: компрессор, камеру сгорания и турбину, работающую на топливе.

К сожалению, технологии того времени не позволяли получить достаточную мощность для нормальной работы.

Развитие газовых турбин было оттеснено успехом паровых турбин, которые в то время были более эффективными. И только в XX веке эта идея была возрождена.

Современная эра: Уиттл, фон Охайн и реактивная тяга

В 1930-х годах работы румына Анри Коандэ и француза Максима Гийома возродили интерес к реактивной тяге. Но именно британский инженер сэр Фрэнк Уиттл совершил настоящую революцию в этой области.

В 1937 году Уиттл разработал инновационный турбореактивный двигатель: вместо поршневого двигателя для сжатия воздуха он установил турбину, которая использовала энергию выхлопных газов для приведения в движение компрессора. Такая архитектура делала двигатель более мощным и экономичным по сравнению с поршневыми моделями.

Почти одновременно немец Ганс фон Охайн разработал аналогичный двигатель для компании Heinkel. В 1939 году Heinkel He-178 стал первым в мире реактивным самолетом. Однако его первый полет был прерван, когда в двигатель засосало птицу.

Гонка вооружений и становление современной авиации

Вторая мировая война ускорила технический прогресс. Германия и Великобритания участвовали в гонке за производительностью, в то время как США и СССР быстро догнали их после 1945 года. Франция, задержавшаяся из-за оккупации, присоединилась к соревнованию позже.

В 1950-х годах турбореактивные двигатели были установлены на первых гражданских самолетах, что ознаменовало начало новой эры в воздушном транспорте.

Эта инновация, родившаяся из череды неудач и прорывов, окончательно изменила авиацию, предложив более быстрые, эффективные и надежные самолеты.

Хейнкель He-178 — Фото: Wikimedia Commons

Каковы различные типы реактивных двигателей?

Существует несколько категорий реактивных двигателей, каждая из которых приспособлена к определенным потребностям:

1. Турбореактивные двигатели

Турбореактивные двигатели преобразуют химическую энергию, содержащуюся в топливе, в кинетическую энергию.

С самого начала разработка турбореактивных двигателей была серьезной проблемой как в военном, так и в гражданском секторе.

Они делятся на два подтипа:

• Турбореактивные двигатели с центробежным компрессором: Турбореактивные двигатели с центробежным компрессором просты в производстве и надежны. Однако для них требуется двигатель большого диаметра, что снижает конечную скорость самолета.
• Турбореактивные двигатели с осевым компрессором: они более мощные благодаря серии пропеллеров, которые сжимают воздух. Однако для их изготовления требуются более современные материалы.

В обоих случаях двигатель должен выдерживать температуру до 2000°C.

2. Турбовентиляторные двигатели

В турбовентиляторном двигателе перед компрессором установлен вентилятор. Он втягивает большое количество воздуха, который затем разделяется на два потока:

• Первичный поток: Первичный поток проходит в камеру сгорания, поэтому он представляет собой поток горячего воздуха.
• Вторичный поток: 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.

Байпасный двигатель — Фото: Википедия

3. Рамджеты

Рамные двигатели сегодня используются на истребителях и ракетах, поскольку они способны развивать очень высокую скорость.

• Преимущества: 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.
• Недостатки: Для их работы требуется начальная скорость, и они плохо переносят экстремальные температуры в течение долгого времени.

Сверхзвуковые реактивные двигатели (например, гибрид турбореактивного и реактивного двигателей Concorde) достигают сверхзвуковых скоростей.

4. Турбовинтовые двигатели

Турбореактивные двигатели увеличивают свою тягу за счет выброса как можно большего количества газа. С турбовинтовыми двигателями дело обстоит иначе.

Турбовинтовые двигатели 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.

Чтобы узнать больше о различных моделях турбовинтовых самолетов, посетите эту страницу.

Фотография предоставлена: Wikimedia Commons

5. Турбовальные двигатели (для вертолетов)

Турбовальные 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.