Конструкция и особенности пульсирующего воздушно реактивного двигателя – ПуВРД

Московский физико-технический институт Факультет аэромеханики и летательной техники.

Реферат Предмет: введение в специальность Тема: конструкция и особенности пульсирующего воздушно реактивного двигателя — ПуВРД Выполнил: Филимонов Никита Михайлович Группа № 362.

Жуковский 2013 год.

1. Первые полёты

2. Идеи по созданию реактивных двигателей

3. Воздушно-реактивные двигатели

4. Клапанный пульсирующий воздушно-реактивный двигатель

5. Бесклапанный (U-образный) ПуВРД

6. Детонационный ПуВРД

7. Графики и характеристики ПуВРД

1. Первые полёты Издавна людей привлекало небо. Легенда об Икаре, сохранившиеся чертежи крыльев, которые, якобы, должна были помочь людям воспарить в небеса подобно птицам, известные чертежи Леонардо да Винчи — всё это нам показывает, насколько сильна была тяга человека к небу. Но только в начале 20 века технические возможности позволили человечеству почувствовать реальность полёта.

После первого полёта человека авиация стала развиваться очень и очень быстро, а Первая мировая война только подтолкнула авиационные исследования. Над линиями фронта начинали парить первые лёгкие самолёты, на которых уже устанавливалось примитивное вооружение (лёгкие пулемёты). Вскоре была принята идея о возможности использование самолётов не только в качестве разведчиков (и их антиподовистребителей, с лёгким вооружением), но и для переноса взрывчатых снарядов. Предупрежу, что в те времена бомбардировки активно проводились с дирижаблей, В отличие от аэропланов дирижабли в начале мировой войны уже были грозной силой. Наиболее мощной воздухоплавательной державой была Германия, обладавшая 18 дирижаблями. Немецкие дирижабли могли преодолеть со скоростью 80−90 км/ч расстояние в 2−4 тыс. км и обрушить на цель несколько тонн бомб. Например, 14 августа 1914 в результате налета одного немецкого дирижабля на Антверпен было полностью разрушено 60 жилых домов, ещё 900 повреждено. Но аэропланы обладали большей скоростью и меньшими размерами по сравнению с гигантамидирижаблями.

Так начали появляться первые бомбардировщики. Конструкции были примитивны. Первоначально вместо бомб использовались металлические дротики (так называемые флешетты) размером чуть больше карандаша. Их сбрасывали с самолёта на пехоту и кавалерию противника. Стрела весом 30 грамм пробивала 150 миллиметровый деревянный брусок. А первая бомбардировка с самолёта взрывчатыми снарядами была осуществлена пилотом, который сбросил на позиции врагов 4 ручных гранаты. Вскоре пилоты стали брать несколько бомб на борт и осуществляли бомбометание «на глаз». Кстати, первый бомбардировщик «Илья Муромец» мог перевозить уже 500 кг бомб. Так и продолжалось развитие авиации. Двигатели становились мощнее, инженеры не стояли на месте, и их идеи становились всё более радикальными и смелыми, правительство понимало необходимость развития авиационной промышленности и финансировало конструкторские бюро.

Самолёты стали обзаводиться комфортными креслами и использоваться для перевозки пассажиров. Кстати, первым пассажирским самолётом был известный нам Илья Муромец.

2. Идеи по созданию реактивных двигателей Несмотря на новизну идеи, многие конструкторы уже видели кризис авиастроения. Поэтому были предложены некоторые идеи по созданию альтернативных вариантов двигательных установок. В 20-е гг. ХХ века идеи использования реактивных двигателей на самолётах в СССР выдвигались Фридрихом Артуровичем Цандером, который в 1924 г. предложил применять крылья на ракетных летательных аппаратах. Стоит отметить, что в разработке реактивного движения и движения тел с переменной массой значительную роль сыграли Н. Е. Жуковский и И. В. Мещерский. Так что же представляет из себя реактивное движение? Реактивная тяга — сила, возникающая в результате взаимодействия двигательной установки с истекающей из сопла струёй расширяющейся жидкости или газа, обладающих кинетической энергией. В основу возникновения реактивной тяги положен закон сохранения импульса. Иными словами, мы должны создать мощную струю жидкости или газа, импульс которой способен будет толкать установку. Что же может создать такой мощный импульс? Очевидно, что это должно быть горение, причём очень быстрое и с выделением большого количества газов, которые будут толкать установку. Вообще, первые такие механизмы были сделаны в древнем Китае. Пороховые ракеты взлетали с помощью реактивной струи и взрывались салютом. В XVIII веке ракеты начали использоваться как оружие атаки, были сформированы целые полки ракетчиков. Но во всех ракетах того времени использовались пороховые двигатели.

В будущем ракеты усовершенствовались и в качестве источника тяги использовались смесь топлива (основное горючее вещество) и окислителя (вещества, ускоряющие скорость и температуру горения), но топливо и окислитель были разделены и имели жидкий вид. Стоит отметить, что пороховой двигатель тоже состоит из окислителя и топлива, и их можно разделить на два типа — коллойдные и смесевые. Жидкостные двигатели считаются более совершенными, так как в них можно регулировать тягу и запускать неограниченное количество раз (в твёрдотопливных двигателях невозможно остановить горение). ЖРД обладают большой тягой, но имеют огромный расход топлива, поэтому используются для разгона ракет. Так же проблемой является огромная температура в камере сгорания (около 3000 градусов). Из-за высоких температур нередко случались прогары камеры сгорания, что вело к частичному или полному разрушению двигателя.

Так же жидкостные двигатели использовались на немецких ракетах ФАУ-2 или как ускорители на самолётах. С помощью таких ускорителей можно было увеличить ускорение тяжелонагруженных бомбардировщиков на взлёте и, следовательно, сократить длину ВПП. После отработки ускорителей они сбрасывались и благополучно приземлялись на парашютах.

реактивный пульсирующий двигатель

3. Воздушно-реактивные двигатели Схема устройства ПВРД на жидком топливе: 1. Встречный поток воздуха; 2. Центральное тело. 3. Входное устройство. 4. Топливная форсунка. 5. Камера сгорания. 6. Сопло. 7. Реактивная струя.

Воздушно-реактивный двигатель (ВРД) — тепловой реактивный двигатель, в качестве рабочего тела которого используется смесь забираемого из атмосферы воздуха и продуктов окисления топлива кислородом, содержащимся в воздухе. За счёт реакции окисления рабочее тело нагревается и, расширяясь, истекает из двигателя с большой скоростью, создавая реактивную тягу. Воздушнореактивные двигатели разделяются на прямоточные, пульсирующие, дозвуковые, сверхзвуковые, гиперзвуковые. Турбореактивные двигатели (ТРД) тоже относятся к воздушнореактивным двигателям. Во всех этих двигательных установках используется, в принципе, одна и та же система. Воздух нагнетается в камеру сгорания, где происходит смешивание с топливом и последующее воспламенение, приводящее к расширению. Затем горячая воздушная масса выходит из сопла, создавая тягу. Основное различие это способ нагнетания воздуха в камеру сгорания. Например у ПВРД воздух нагнетался под давлением находящего потока, следовательно, двигатель не мог запуститься на земле, ибо такого потока не было. В турбореактивных двигателях воздух нагнетается встречным потоком и компрессорами, которые приводятся в движение лопатками турбины.

Затем воздушный поток смешивается с топливом и сгорает в камере сгорания, следом горячий воздух попадает на заднюю часть турбины и выходит через сопло.

4. Клапанный пульсирующий воздушно-реактивный двигатель Простейший ПуВРД был впервые применён во время Второй мировой войны на снаряде FZG-76, известный под названием «Фау-1». Он состоял из цилиндра, с одного конца закрытого клапанной решёткой. Горючая смесь поджигалась внутри цилиндра по средствам запальной свечи. Выделявшиеся при этом газы сильно расширялись и вместе с нагретым воздухом вырывались через сопло. Даже в том случае, когда давление внутри цилиндра падало до уровня атмосферного, газы в выхлопной трубе обладали достаточным количеством кинетической энергии, чтобы продолжать движение и создавать определённое разряжение в камере сгорания. Благодаря этому, через створки клапанов в двигатель попадала новая порция воздуха и цикл возобновлялся. Частота циклов в основном зависит главным образом от резонанса камеры сгорания, выхлопной трубы и клапанов.

Обычно частота двигателя достигала 300 циклов в секунду, сливаясь в характерный для немецких ракет воющий звук. После нескольких циклов искра не требуется, так как нагретые детали и горячие газы способны поджечь топливо-воздушную смесь. В ПуВРД тяга возрастает как функция скорости, потому что именно скорость влияет на степень компрессии воздуха в цилиндре, отчего зависит давление в камере сгорания, а следовательно и термический КПД двигателя. Такой двигатель не требует дорогостоящих компрессоров и турбин, а так же он лёгок в производстве. В отличии от ПВРД, ПуВРД развивают значительную тягу даже при малых скоростях полёта. Однако, КПД такого двигателя весьма мал и потребление топлива велико. Поэтому ПуВРД находят себе применение на летающих мишенях, где требуется дешёвый двигатель однократного применения.

Пульсирующий воздушно-реактивный двигатель обладает большим удельным импульсом по сравнению с ракетными двигателями, но уступает по этому показателю турбореактивным двигателям. Существенным ограничением является также то, что этот двигатель требует разгона до рабочей скорости 100 м/с и его использование ограничено скоростью порядка 250 м/с (на Фау-1 такая скорость получалась при запуске ракеты с паровой катапульты). По свидетельству рабочих, которые присутствовали на заводе при первых испытания ПуВРД в СССР, первые такты напоминали выстрелы, а когда двигатель заработал в нормальном режиме, то звук был очень резким и громким, от него содрагалось всё вокруг. Очень часто рвались клапаны, корпус не выдерживал больших температур, прогорали свечи и возникали трудности с системой зажигания.

Схема работы ПуВРД.

Кажущееся сходство ПуВРД и ПВРД (возможно, возникающее из-за сходства аббревиатур названий) — ошибочно. В действительности ПуВРД имеет глубокие, принципиальные отличия от ПВРД или ТРД.

1) Наличие у ПуВРД воздушного клапана, очевидным назначением которого является предотвращение обратного движения рабочего тела вперёд по ходу движения аппарата (что свело бы на нет реактивную тягу).

2) Пульсирующий, прерывистый характер работы ПуВРД, также вносит существенные различия в механизм его функционирования, в сравнении с ВРД непрерывного действия.

5. Бесклапанный (U-образный) ПуВРД Бесклапанные ПуВРД, иначе — U-образные ПуВРД. В этих двигателях отсутствуют механические воздушные клапаны, а чтобы обратное движение рабочего тела не приводило к уменьшению тяги, тракт двигателя выполняется в форме латинской буквы «U», концы которой обращены назад по ходу движения аппарата, при этом истечение реактивной струи происходит сразу из обоих концов тракта. Поступление свежего воздуха в камеру сгорания осуществляется за счёт волны разрежения, возникающей после импульса и «вентилирующей» камеру, а изощрённая форма тракта служит для наилучшего выполнения этой функции. Отсутствие клапанов позволяет избавиться от характерного недостатка клапанного ПуВРД — их низкой долговечности (на самолёте-снаряде Фау-1 клапана прогорали приблизительно после получаса полёта, чего вполне хватало для выполнения его боевых задач, но абсолютно неприемлемо для аппарата многоразового использования).

6. Детонационный ПуВРД В этих двигателях горение топливной смеси происходит в режиме детонации (в отличие от дефлаграции, которая имеет место при горении топливно-воздушных смесей во всех ВРД, рассмотренных выше). Детонационная волна распространяется в топливной смеси гораздо быстрее, чем звуковая, поэтому за время химической реакции детонационного горения объём топливной смеси не успевает существенно увеличиться, а давление возрастает скачкообразно (до значений свыше 100 ат), таким образом, имеет место изохорический (при постоянном объёме) нагрев рабочего тела. После этого начинается фаза расширения рабочего тела в сопле с образованием реактивной струи. Детонационные ПуВРД могут быть как с клапанами, так и без них.

Потенциальным преимуществом детонационного ПуВРД считается термический КПД более высокий, чем в ВРД любого другого типа. Практическая реализация этого двигателя находится в стадии эксперимента.

Стоит отметить, что совсем недавно (в сентябре 2013 года, ОКБ имени Люльки была изготовлена и удачна испытана модель детонационного ПуВРД. На основе проведенных исследований, полученных при испытании данных, а также схемно-конструкторского анализа ОКБ имени Люльки намерено предложить разработку целого семейства пульсирующих детонационных авиационных двигателей.

7. Графики и характеристики ПуВРД

На этом графике мы можем наблюдать импульсы различных типах двигателей на разных скоростях.

Источники

1. М. Д. Евтифьев. Штурм неба. Вехи истории реактивной авиации