Механика

Авиационные двигатели

Двигатель нужен самолету, чтобы преодолевать силу сопротивления, а при разгоне и силу инерции. Сила тяги двигателя рассчитывается на основании тех же законов механики, что и подъемная сила крыла.

От всех других двигателей авиационные отличаются тем, что они должны обладать сравнительно малой массой при весьма большой мощности. Если двигатель окажется слишком тяжелым, то самолет не поднимется в воздух или не сможет взять с собой достаточное количество груза. Поэтому авиационные двигатели изготовляют из очень легких и вместе с тем достаточно прочных материалов; их детали всегда максимально облегчены. Но поскольку такие двигатели работают при большой температуре и с большими напряжениями, время их работы до ремонта, как правило, меньше, чем у других двигателей. Сравнительно короткое время работы авиационных двигателей вызвано также требованием особой надежности и безопасности.

Чтобы преобразовать мощность поршневого двигателя в тягу, применяются воздушные винты. Их лопасти, подобно крылу, захватывают воздух и отбрасывают его назад. Это и создает тягу. Теория воздушного винта была создана Н. Е. Жуковским вслед за теорией подъемной силы крыла. На старых самолетах устанавливали деревянные винты. С увеличением скоростей полета потребовалась большая тяга, и винты стали делать из металла.

На сверхзвуковых самолетах воздушные винты не применяются. Здесь тягу создает реактивный двигатель. Реактивные двигатели делятся на два основных типа - воздушно-реактивные и ракетные. В простейших воздушно-реактивных двигателях (рис. 11), так называемых турбореактивных (ТРД), используется воздух встречного потока. Воздух сжимается специальным компрессором; затем он сильно нагревается в камере сгорания, где горит топливо (например, керосин); далее он проходит в газовую турбину, которая вращает компрессор, и с большой скоростью вытекает назад через реактивное сопло. Из второго закона Ньютона можно определить, что тяга двигателя равна ежесекундному приросту количества движения воздуха, протекающего через двигатель. Тяга тем больше, чем больше воздуха проходит через двигатель и чем больше увеличивается скорость в выхлопной струе. Скорость же эта тем больше, чем больше температура, достигнутая в результате сгорания топлива.

Однако слишком большую температуру допускать нельзя - турбина может сгореть. Правда, турбины сейчас делают из специальных огнеупорных материалов, которые позволяют повышать температуру потока до 1000° С. И все же выход для повышения тяги найден. Конструкторы предложили вторично нагревать струю воздуха, сжигая горючее в так называемой форсажной камере уже после того, как эта струя раскрутит турбину компрессора. Это увеличивает тягу двигателя на 30-50%. Основная часть турбореактивного двигателя -его компрессор, к нему приложена вся тяга двигателя.

Современные мощные турбореактивные двигатели развивают тягу до 150000 Н, и они должны пропускать много воздуха - более 100 м³/с. Поэтому у передней, открытой навстречу потоку части двигателя - воздухозаборника - большие размеры; его внутренний диаметр нередко превышает 1,5 м.

Большая тяга реактивных двигателей требует также и большого расхода топлива. На тягу в 1 кН в течение часа нужно сжигать около 100 кг керосина. Много это или мало? Давайте подсчитаем. Пусть полная масса самолета равна 50 т, тогда на Земле на него действует сила тяжести, равная 500 кН. Если аэродинамическое качество самолета равно 5, то, чтобы преодолеть аэродинамическое сопротивление, двигатель должен развивать тягу не меньше 100 кН. Следовательно, за один час полета двигатель будет расходовать керосина 100 * 100 кг = 10 т. А это 1/5 массы всего самолета! Из этого понятно, какое большое значение имеет экономичность двигателя и аэродинамическое качество самолета.

При большой скорости полета (М = 2 или М = 3) воздух, пройдя через воздухозаборник, сильно сжимается. Компрессор и турбина становятся ненужными. Поэтому можно применить двигатель другого типа - прямоточный воздушно-реактивный (ПВРД). Однако надо помнить, что на малых скоростях такой двигатель работать не будет.

Если добиться, чтобы турбина в ТРД поглощала почти всю энергию разогретого и ускоренного потока, то такая турбина сможет вращать не только компрессор, но и воздушный винт. На этом основана конструкция турбовинтового двигателя. Его можно сделать значительно более мощным, чем обычные двигатели внутреннего сгорания. Наибольшая мощность двигателя внутреннего сгорания равна примерно 3000 кВт; при этом в двигателе должно быть не меньше 20 цилиндров. А современный турбовинтовой двигатель развивает мощность до 15 000 кВт. Можно было бы создать и еще более мощные двигатели, но трудно сделать винт, который развивал бы соответствующую тягу и был бы экономичным.

На таких больших самолетах, как ТУ-114, ИЛ-18, АН-10, установлены турбовинтовые двигатели. При скорости полета около 800 км/ч они экономичнее реактивных. Воздушно-реактивные двигатели создают тягу, отбрасывая назад воздух, взятый из окружающей среды (он же одновременно служит и окислителем при горении топлива). Но с увеличением высоты полета плотность окружающего воздуха уменьшается. Все меньшая масса его проходит через двигатели -тяга падает. Этого недостатка нет у ракетных двигателей, для работы которых нужно иметь запасы и горючего и окислителя. Тяга здесь создается отбрасыванием назад продуктов горения и практически не зависит от плотности окружающей среды.

Ракетные двигатели могут работать на твердом (рис. 12) и на жидком топливе (рис. 13). Двигатели на жидком топливе экономичнее, но требуют очень осторожного обращения, так как и топливо и окислитель обычно ядовиты; в качестве окислителя часто применяется крепкая азотная кислота.

На самолетах ракетные двигатели используются только как вспомогательные - для кратковременных полетов на очень большой высоте или для быстрого взлета. Широко ракетные двигатели применяются на ракетах, где тяга создается на короткое время: для быстрого разгона зенитной ракеты, для подъема и разгона баллистических ракет, для запуска спутников, для разгона и торможения космических кораблей. Ракетный двигатель позволяет получить очень большую тягу. Уже сейчас для запуска космических кораблей создают двигатели с тягой в несколько миллионов ньютонов!

На тех же принципах, что и воздушно-реактивные и ракетные двигатели, будут, очевидно, построены и двигатели будущего. Ученые уже думают о реактивных двигателях, в которых воздух будет нагреваться не за счет тепла, выделяемого керосином или другим химическим топливом при его горении, а с помощью управляемой ядерной реакции, подобно тому как нагревается теплоноситель на атомных электростанциях. Разрабатываются ионные двигатели. Они тоже будут работать по реактивному принципу, но в этих двигателях будет отбрасываться не струя газа, а поток ионов. Подумывают ученые и о фотонных двигателях, в которых силу тяги создает луч света очень большой силы и интенсивности.