double arrow

Классификация реактивных двигателей



Принцип прямой реакции дал жизнь огромной семье реактивных двигателей. Как можно видеть на рисунке (рис.1), двигатели делятся на две группы. Это деление произошло по тому, что все "химические" реактивные двигатели делятся на два класса в зависимости от того,

используют они для своей работы окружающий воздух или нет.

 
 

Первая группа - воздушно-реактивные двигатели (ВРД). Они не могут работать вне атмосферы. Вот почему эти двигатели - основа современной авиации, как пилотируемой, так и беспилотной. ВРД используют атмосферный кислород для сгорания топлива, без него реакция сгорания в двигателе не пойдет. Но все же в настоящее время наиболее широко применяются турбореактивные двигатели.

 
 

ТРД, устанавливаемые почти на всех без исключения современных самолётах, как и все двигатели, использующие атмосферный воздух, нуждаются в специальном устройстве для сжатия воздуха перед его подачей в камеру сгорания. Ведь если давление в камере сгорания не будет значительно превышать атмосферное, то газы не станут вытекать из двигателя с большей скоростью - именно давление выталкивает их наружу. Но при малой скорости истечения тяга двигателя будет малой, а топлива двигатель будет расходовать много, такой двигатель не найдёт применения.




В ТРД для сжатия воздуха служит компрессор, и конструкция двигателя во многом зависит от типа компрессора. Существует двигатели с осевым и центробежным компрессором, осевые компрессоры могут иметь меньшее или большее число ступеней сжатия, быть одно - двухкаскадными и т.д.

Для приведения во вращение компрессора ТРД имеет газовую турбину, которая и дала название двигателю. Из-за компрессора и турбины конструкция двигателя оказывается весьма сложной.

Значительно проще по конструкции бескомпрессорные воздушно-реактивные двигатели, в которых необходимое повышение давления осуществляется другими способами, которые имеют названия: пульсирующие и прямоточные двигатели.

В пульсирующем двигателе для этого служит обычно клапанная решётка, установленная на входе в двигатель: когда новая порция топливно-воздушной смеси заполняет камеру сгорания и в ней происходит вспышка, клапаны закрываются, изолируя камеру сгорания от входного отверстия двигателя. Вследствие того давление в камере повышается, и газы устремляются через реактивное сопло наружу, после чего весь процесс повторяется.

В прямоточном двигателе нет даже и этой клапанной решётки, и давление в камере сгорания повышается в результате торможения встречного потока воздуха во входном устройстве – диффузоре. Понятно, что такой двигатель способен работать только тогда, когда летательный аппарат уже летит с достаточно большой скоростью. Но зато при весьма большой скорости, в 4-5 раз большей скорости звука, прямоточный двигатель развивает очень большую тягу и расходует меньше топлива, чем любой другой «химический» реактивный двигатель при этих условиях.



Поэтому сверхзвуковые летательные аппараты с прямоточными воздушно-реактивными двигателями (ПВРД) имеют специальные двигатели (ускорители), обеспечивающие скорость движения, необходимую для начала устойчивой работы ПРД. Это утяжеляет хвостовую часть конструкции и для обеспечения необходимой устойчивости требует установки стабилизаторов.

Работа ракетных двигателей (РД) не зависит от окружающей среды, так как всё топливо находится на борту ЛА.

В ЖРД в качестве окислителя применяются жидкий кислород, смеси азотной кислоты с окислами азота и другие вещества. Горючими могут служить керосин, спирты и другие компоненты.

В РДТТ в качестве топлива применяют специальные твёрдые составы, содержащие горючие и окислительные элементы. По физической структуре твёрдые топлива делят на два класса: гомогенные и гетерогенные.

Гомогенные топлива – твёрдый раствор органических веществ, содержащих горючее и окислитель. Горючей основой является нитроклетчатка (нитроцеллюлоза), кислород находится в растворителях (вещества типа нитроглицерина).

Нитроклетчатка растворяется в нитроглицерине - С3Н5(ОNO2)3.

Гомогенные топлива получают методом прессования. Нитроглицерин и нитроцеллюлоза смешиваются в виде взвеси в большом объёме воды (1:10). Полученная суспензия пропускается через фильтры и центрифугируется. Затем масса сушится теплым воздухом до остаточного содержания влаги (10 – 12%), в нагретом виде вальцуется до тех пор, пока влажность не снизится до десятых долей процента. Скатанные из полученных полотен рулоны поступают на прессы, где заряд приобретает необходимую форму.



Возможен другой способ: производят гранулированное топливо, которое насыщается пластификатором превращается в однородную массу нагреванием.

Гетерогенные топлива – механические смеси горючих и окислительных элементов, скреплённых пластической связкой.

Горючими компонентами этих топлив являются каучукообразные или смолообразные вещества (они же являются связующими веществами): фенол, формальдегидная резина, асфальт, различные полимеры.

Окислителями являются вещества, содержащие большой процент активного кислорода: нитраты или перхлораты калия, натрия, лития и др.

Двигатели ЖРД и РДТТ наряду с достоинствами обладают и определёнными недостатками. Некоторые качества этих двигателей улучшают при совершенствовании конструкции, но некоторые недостатки, связанные с использованием только жидкого или только твёрдого топлива устранить полностью невозможно.

 
 

 
 

Поэтому появились двигатели, топливо которых состоит из веществ разного агрегатного состояния (жидких и твёрдых) – гибридные ракетные двигатели (ГРД). Первая ракета с ГРД была создана в 1933 году под руководством С.П.Королёва по проекту М.К. Тихонравова. Двигатель ОР-2 конструкции Ф.А.Цандера с тягой 50 кг работал на жидком кислороде твёрдом бензине (ракеты достигла высоты 1500 м).

Известны РДТТ с двумя раздельными зарядами твёрдого топлива, один из которых содержит избыток окислителя, а другой – избыток горючего. Такой двигатель называют РДТТ раздельного снаряжения (РДТТ РС). РДТТ РС и ГРД объединяют в класс комбинированных ракетных двигателей – КРД.

В ядерном ракетном двигателе (ЯРД) используется энергия распада или синтеза ядерного горючего, которая затем преобразуется в кинетическую энергию отбрасываемых частиц.

Простейшая схема ЯРД с реактором на твёрдом горючем показана на рисунке 6.

 
 

Отечественный ЯРД, в принципе, был создан в 1981 году (это год проведения экспериментальных запусков реактора). На выставке «Двигателестроение» в 1999 году был показан ЯРД-0410. Его характеристики приведены в таблице ниже

Характеристики двигателя РД-0410

Тяга в вакууме 35,28 кН
Рабочее тело   Смесь Н2 и гексана  
Средняя температура на входе в сопло 3000 К
Время работы 3600 с
Количество включений
Масса с радиационной защитой и адаптером 2000 кг
Тепловая мощность реактора 196 МВт
Размеры реактора: - высота - диаметр   800 мм 500 мм
Размеры двигателя: - высота - максимальный диаметр 3700 мм 1200 мм

ЭРД – двигатель для дальних космических полётов. В этих двигателях рабочее тело разгоняется до высоких скоростей истечения с помощью электрической энергии. Для этих двигателей характерна очень высокая удельная тяга при малой абсолютной тяге. Сейчас ЭРД работают на ИСЗ, КА, КК в качестве двигателей коррекции. Источником электрической энергии для них может быть ядерный реактор. Существует несколько типов ЭРД, например, плазменный или ионный.

В плазменном двигателе рабочее тело разогревается с помощью мощной электрической дуги с высокой плотностью тока до очень высокой температуры (свыше 10000о абс.). при такой температуре происходит полная ионизация частиц, т.е. возникает плазма. Расширяется рабочее тело при движении по соплу.

 
 

В ионном двигателе ускорение массе ионизированных частиц сообщается электростатическим или электромагнитным полем (рис.7). В качестве рабочего тела может быть использован цезий, который ионизируется при нагреве.

Характеристики рассмотренных двигателей представлены в таблице ниже.

  Состояние разработки Первый запуск в 1926 году; существует много столетий   Наземные испытания; теоретическая разработка и лабораторные эксперименты       Лётные испыт. В 1964 году Теоретическая Разработка;   Только идея
Сообщаемое ускорение в единицах g = 9,8 м/с 1…8; в особых случаях 10-2…102   1…8; в особых случаях 10-2…10     10-4…10-2;   10-5…10-3; 10-5…10-3   10-4…10-5; 4*10-5
Скорость истечения, км/с 2…4,5; 2…3 8…12;   12…20;   20…70; 10…100 15…20;   50…600; 50…100     80000;    
Отбрасыва-емая среда или лучи Гаообразные продукты химической реакции диссоциированный газ; ˝ - ˝ ˝ - ˝ ˝ - ˝ плазм плазма Фотоны; Альфа-частицы; фотоны
Источник энергии Рабочее тело ядерное горючее; ˝ - ˝ ˝ - ˝ ˝ - ˝ синтез ядер Ядерный реактор; Солнце или Химическая батарея Солнце; Радиоактивн. распад; аннигиляция
Тип двигателя ЖРД РДТТ   твёрдофазныйреактор; жидкофазный реактор; газообразный реактор; термоядер-ный   Электротермический; электростатический; магнитодинамический Солнечный; Изотопный парус; фотонный
Класс двигателей Термохи-мические Ядерные (ЯРД) Электрические (ЭРД) Парусные

 
 

3. Классификация жидкостных ракетных двигателей

Тип ЖРД принято определять по какому-либо характерному признаку приведённой выше схемы.

Основными конструктивными элементами двигательной установки являются: система подачи; система наддува; камера двигателя и баки с компонентами топлива.

В системе подачи можно выделить две основных части:

1. агрегат для создания давления подачи компонента;

2. систему агрегатов и трубопроводов, обеспечивающих запуск, остановку и работу двигателя (система ПГС)

По типу агрегата, создающего давление подачи, различают ТНСП и ВСП.

В ВСП по типу источника сжатого газа различают:

1. систему подачи с воздушным аккумулятором давления или газовым (ВАД или ГАД);

2. систему подачи с пороховым аккумулятором давления (ПАД);

3. систему подачи с жидкостным аккумулятором давления (ЖАД).

В вытеснительной СП газ в баллонах находится при давлении 250…350 атм. и поступает через газовый редуктор в бак при давлении, необходимом для вытеснения топлива из баков в камеру сгорания – Р ≈ 45 атм.

В системах с ПАД вытеснение осуществляется продуктами сгорания пороховых шашек, в ЖАД - продуктами сгорания жидких компонентов, сгораемых в специальных газогенераторах.

Общий недостаток ВСП – высокое давление наддува баков, в результате чего толщина стенки баков и вес получаются большими, а давление в камере сгорания – низким.

Наиболее экономичными и лёгкими СП являются турбонасосные системы подачи (ТНСП).

ТНА (турбонасосный агрегат) состоит из центробежных насосов, турбины, насаженной на один вал с насосами. Для выработки рабочего газа, раскручивающего турбину, применяются либо однокомпонентные топлива (перекись водорода, изопропилнитрат), либо двухкомпонентные, обычно используемые с избытком горючего, что позволяет снизить температуру газов до 700…900оС.

Для обеспечения беспрерывной бескавитационной подачи топлива из баков в двигатель перед насосами необходимо создавать давление Рвх. ≈ 2…6 атм.

Кавитация – холодное кипение- явление возникновения в потоке жидкости разрывов или пустот, заполненных парами жидкости.

Перед входом в насос жидкость обладает определённым запасом энергии, который по мере движения жидкости по каналу уменьшается. Наблюдается падение давления жидкости, которое возрастает при движении по суживающемуся каналу перед насосом. Когда давление в потоке жидкости станет меньше давления насыщенных паров жидкости, то в какой либо точке произойдёт местное испарение – образуются паровые объёмы.

 
 

При попадании в область высоких давлений пар конденсируется, заполнение объёма паровых мешков жидкостью происходит с большой скоростью, что обусловливает значительное местное повышение давления, т.е. гидравлические удары. Гидравлические удары приводят к эрозии металла и разрушению конструкции.


В зависимости от дальнейшего использования рабочего газа, вышедшего из ТНА, двигательные установки разделяют на работающие по открытой и по замкнутой схемам. В первой схеме газ из ТНА выбрасывается в атмосферу рис.8, а во второй – отработанный в турбине газ поступает для дальнейшего дожигания в камеру сгорания рис.9, создавая дополнительную тягу. По схеме (рис.9) весь окислитель из бака подаётся насосом в ЖГГ. Основная часть горючего подаётся в камеру сгорания, некоторая часть поступает в ЖГГ. Образовавшийся в ЖГГ газ с избытком окислителя поступает на турбину и дальше по газоводу в камеру сгорания.







Сейчас читают про: