Как работи реактивният двигател и кои са различните му видове?

От дръзките мечти на Икар до днешните свръхзвукови самолети, човекът не е спирал да разширява границите на небето.

В основата на това завладяване на въздуха стои едно революционно изобретение – реактивният двигател. Мощен, сложен и завладяващ, този шедьовър на техниката превръща простото горене във феноменална сила, способна да задвижи стотици тонове през облаците.

Но как работи в действителност? Какви физични принципи и исторически нововъведения са го направили възможен?

Потопете се в недрата на тези механични гиганти, където науката среща чистата сила, и открийте невероятната история на двигателите, които промениха света.

Историята на реактивните двигатели: научно-техническа епопея

От древни времена човекът е мечтал да покори небето. Митът за Икар, който лети с крила, направени от птичи пера, илюстрира този вековен стремеж. Но едва векове по-късно науката и техниката превръщат тази мечта в реалност.

Теоретичното начало (16ᵉ-18ᵉ век)

През 16ᵉ век Леонардо да Винчи скицира първите летателни апарати, вдъхновени от птиците. По това време обаче единствената налична двигателна сила все още е мускулната. Научните основи на летенето ще се появят едва през 17ᵉ и 18ᵉ век благодарение на работата на :

• Исак Нютон (законите на динамиката),
• Даниел Бернули (принцип на аеродинамичната сила на подемната сила).

Първи постижения (19ᵉ век)

Индустриалната революция проправя пътя за конкретни експерименти:

• През 1890 г. французинът Клеман Адер успява да издигне на земята своя Éole – самолет, задвижван с пара, вдъхновен от полета на прилепите. Въпреки че не е много маневрен, това е важна стъпка напред.
• На 17 декември 1903 г. братята Орвил и Уилбър Райт извършват първия контролиран полет с двигател с вътрешно горене, като използват своя Flyer.

Появата на реактивния двигател (20ᵉ век)

Въпреки че първите самолети използват витла, ограниченията на тази технология карат инженерите да търсят алтернатива. Работата по реактивното задвижване започва през 30-те години на ХХ век, като пионери са напр:

• Франк Уитъл (Обединеното кралство),
• Ханс фон Охайн (Германия).

Първият действащ реактивен самолет, Messerschmitt Me 262, влиза в експлоатация през 1944 г., което прави революция в съвременната авиация.

Днес реактивните двигатели задвижват по-голямата част от гражданските и военните въздухоплавателни средства, като предлагат скорост, мощност и ефективност. Тази история за смелост и иновации показва как човечеството е отместило границите на възможното.

Как работи реактивният двигател

Произход и развитие

Първият реактивен двигател, или турбореактивен двигател, е проектиран от германците през 1939 г. Той обаче е резултат от няколко века изследвания.

Действието на използваните днес двигатели е опростено в това видео:

Основен принцип

работата на реактивния двигател се основава на точна последователност:

1. Смукане и компресия

Въздухът се засмуква от вентилатор, след което се компресира непрекъснато.

2. Изгаряне

Сгъстеният въздух постъпва в горивната камера, където се смесва с парафин и се запалва. Получената реакция разширява газовете при висока температура и високо налягане.

3. Разширяване и задвижване

Разширените газове се изтласкват назад с много висока скорост през конвергентна дюза (която се стеснява), създавайки тяга напред (според принципа на Нютон: действие-реакция).

4. Непрекъснато подаване

Когато газовете напускат компресора, те задвижват турбина, разположена на същата ос като компресора. Движението на турбината предизвиква движение на компресора, което позволява цикълът да продължи, докато двигателят е задвижван.

Аеродинамична поддръжка

Само задвижването не е достатъчно: циркулацията на въздуха над крилата е тази, която създава подемната сила, необходима за полета на самолета.

Настоящи предизвикателства

Авиокомпаниите и производителите на въздухоплавателни средства непрекъснато работят за:

• Намаляване на емисиите (CO₂, частици) чрез оптимизиране на горивните камери.
• Подобряване на горивната ефективност, например с двигатели с високо обходно съотношение (като турбовентилаторите).
• Намаляване на потреблението на гориво, което е основно икономическо и екологично предизвикателство.

В този видеоклип процесът е обяснен в опростен вид.

Закони на Нютон за движението

През 17ᵉ век Исак Нютон излага три фундаментални закона, управляващи класическата механика:

1. Принципът на инерцията: едно тяло остава в покой или в равномерно праволинейно движение, ако върху него не действа сила.
2. Принцип на динамиката: Силата, упражнявана върху даден обект, е равна на неговата маса, умножена по неговото ускорение (F = m × a).
3. Принцип на взаимното действие (или действие-реакция): Всяко действие има съответна реакция, равна по интензитет, но противоположна по посока.

Приложение в реактивното задвижване

Третият закон на Нютон е в основата на работата на реактивните двигатели. Когато самолетът изхвърля газове назад при висока скорост, те оказват реактивна сила (тяга), която задвижва самолета напред. Колкото по-бърза и по-масивна е газовата струя, толкова по-голяма е тягата.

Полет и подемна сила на самолета

Същият закон обяснява и как самолетът се задържа във въздуха:

• Крилата, поради своята форма и наклон, оказват сила на движение надолу върху въздуха (действие).
• В отговор на това въздухът упражнява противоположна сила нагоре, наречена подемна сила, която компенсира теглото на самолета.

По този начин компенсацията на силите (тяга, съпротивление, подемна сила и тегло) позволява стабилен и контролиран полет.

(Забележка: Тези принципи са от съществено значение и в астронавтиката, където ракетното задвижване се основава изцяло на изхвърлянето на газове в съответствие с третия закон на Нютон)

Първият реактивен двигател: революция в аеронавтиката

Началото: Джон Барбър и газовата турбина (1731 г.)

Още през 1731 г. англичанинът Джон Барбър предлага концепция, която е предшественик на турбореактивния двигател, когато подава патент за газова турбина с вътрешно горене.

Неговият двигател вече е съдържал основните елементи: компресор, горивна камера и турбина, задвижвани с гориво.

За съжаление, тогавашните технологии не са произвеждали достатъчно мощност, за да може двигателят да работи правилно.

Развитието на газовите турбини тогава е засенчено от успеха на парните турбини, които по това време са по-ефективни. Идеята се появява отново едва през XX век.

Модерната епоха: Уитъл, Фон Охайн и реактивното задвижване

През 30-те години на ХХ век работата на румънеца Анри Коанда и французина Максим Гийом съживява интереса към реактивното задвижване. Но истинска революция в тази област прави британският инженер сър Франк Уитъл.

През 1937 г. Уитъл проектира новаторски турбореактивен двигател: вместо да използва бутален двигател за компресиране на въздуха, той инсталира турбина надолу по веригата, като използва енергията на отработените газове за задвижване на компресора. Тази архитектура прави двигателя по-мощен и по-икономичен от буталните модели.

Почти едновременно с това германецът Ханс фон Охайн разработва подобен двигател за компанията „Хайнкел“. През 1939 г. Heinkel He-178 става първият реактивен самолет в света. Първият му полет обаче е прекъснат, когато в двигателя е засмукана птица.

Надпреварата във въоръжаването и възходът на съвременната авиация

Втората световна война ускорява технологичния прогрес. Германия и Обединеното кралство се надпреварват в постиженията си, докато САЩ и СССР бързо ги настигат след 1945 г. Франция, забавена от окупацията, се присъединява към състезанието по-късно.

През 50-те години на ХХ век на първите граждански самолети са монтирани турбореактивни двигатели, което поставя началото на нова ера във въздушния транспорт.

Това нововъведение, породено от поредица от неуспехи и пробиви, окончателно променя авиацията, предлагайки по-бързи, по-ефективни и по-надеждни самолети.

Heinkel He-178 – Снимка: Wikimedia Commons

Какви са различните видове реактивни двигатели?

Съществуват няколко категории реактивни двигатели, всяка от които е адаптирана към специфични нужди:

1. Турбореактивни двигатели

Най-общо казано, турбореактивните двигатели преобразуват химическата енергия, съдържаща се в горивото, в кинетична енергия.

От самото начало разработването на турбореактивни двигатели е голямо предизвикателство както във военния, така и в гражданския сектор.

Те се разделят на два подтипа:

• Турбореактивни двигатели с центробежен компресор: Турбореактивните двигатели с центробежен компресор са лесни за производство и здрави. Те обаче изискват двигател с голям диаметър, което намалява крайната скорост на самолета.
• Турбореактивни двигатели с аксиален компресор: Те са по-мощни благодарение на поредица от витла, които компресират въздуха. Те обаче изискват по-съвършени материали.

И в двата случая двигателят трябва да може да издържа на температури до 2000 °C.

2. Турбовентилаторни двигатели

При турбовентилаторите пред компресора е поставен вентилатор. Той засмуква по-голямо количество въздух, който след това се разделя на два потока:

• Първичен поток: Първичният поток преминава в горивната камера, така че това е поток от горещ въздух.
• Вторичен поток: Вторичният поток се изхвърля директно от двете страни на двигателя; това е поток студен въздух, който осигурява 80 % от тягата.

На изхода студеният въздух се смесва с горещия въздух, което води до охлаждане. Тази система се използва в повечето търговски самолети за подобряване на тягата и намаляване на шума на двигателя.

Байпасен двигател – снимка: Wikipedia

3. Рамджети

Рамджет двигателите сега се използват при изтребителите и ракетите, тъй като могат да достигат много високи скорости.

• Предимства: Тяхната тяга е по-голяма, тъй като горивото се впръсква отново в горивната камера – процес, известен като доизгаряне. Освен това те нямат движещи се части и поради това са леки.
• Недостатъци: Изискват начална скорост, за да работят, и не се справят добре с екстремни температури с течение на времето.

Суперзвездните реактивни двигатели (като хибридния турбореактивен/реактивен двигател Concorde) достигат свръхзвукови скорости.

4. Турбовитлови двигатели

Турбореактивните двигатели увеличават тягата си чрез изхвърляне на възможно най-голямо количество газ. Това не е така при турбовитловите двигатели.

Турбовитловите двигатели разчитат на силата на въртене на витлото, прикрепено към външната страна на самолета, за да осигурят по-голямата част от тягата.

Турбовитловите самолети предлагат най-икономичното решение за полети на къси разстояния. Те са по-ефективни и изразходват по-малко гориво, но са ограничени по отношение на височината и разстоянието.

Ако искате да научите повече за различните модели турбовитлови самолети, посетете тази страница.

Снимка: Wikimedia Commons

5. Турбовалови двигатели (за хеликоптери)

Турбоваловите двигатели са проектирани за хеликоптери. Подобно на турбореактивните двигатели, те са оборудвани с турбина.

Произвежданите днес хеликоптери, като например Dauphin, са със свободна турбина.

Тя трансформира кинетичната и топлинната енергия на отработените газове в механична енергия.

Освен това тя позволява на лопатките на хеликоптера да се въртят със скорост, различна от тази на компресора, като по този начин се осигурява стабилността на въздухоплавателното средство.