Как работи реактивният двигател

История на реактивните двигатели

Още от мита за Икар, в който Икар си прави крила от птичи пера и лети, хората се опитват да разберат начина, по който някои видове се издигат в небето, за да го възпроизведат с помощта на машини. Леонардо да Винчи разработва първите концепции през ^XVI век. Но по онова време единствената известна движеща сила е тази на човешките мускули. Фундаменталните принципи, които по-късно ще ни позволят да разберем как летят самолетите, ще се появят едва през XVII и ^XVIII в. при учени като Нютон и Бернули. През ^XIX в. индустриалната революция довежда до редица технически постижения. Французинът Клеман Адер пръв издига самолет на земята с помощта на парен двигател, като се вдъхновява от прилеп. Десетилетие по-късно, през 1903 г., братята Райт извършват първите контролирани моторни полети в историята.

Как работи реактивният двигател

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

Това видео обяснява как работят днешните двигатели:

Принципът е прост:

Въздухът се засмуква от вентилатор, след което се компресира трайно; след това преминава в горивна камера, където реагира с парафина и се запалва. Получената реакция разширява газовете, които след това се издухват назад през дюза, задвижвайки самолета напред. Газовете напускат с много висока скорост при преминаването си през реактивен двигател, чиято форма се свива.

Освен това, когато напускат двигателя, газовете завъртат турбина, разположена на същата ос като компресора, непосредствено след горивната камера. Движението на турбината предизвиква движението на компресора, което позволява реакцията да протича непрекъснато. Самолетът се движи, а въздухът, който преминава през крилата му, го кара да лети.

Авиокомпаниите непрекъснато се опитват да подобрят работата на горивните камери, за да намалят емисиите на самолетите.

Законите за движение на Нютон

През ^XVII в. Нютон определя три основни закона за обяснение на движението. Първият е принципът на инерцията, а вторият – принципът на динамиката. Този, който ни интересува, е третият закон на Нютон – принципът на взаимното действие.

Реактивното задвижване всъщност се основава на този принцип на действие-реакция, който гласи, че за всяко действие има равна и противоположна реакция. По този начин въздухът, изхвърлен назад, ще упражни равна и противоположна сила върху самолета, задвижвайки го напред. Освен това, колкото по-висока е скоростта на струята задвижван газ, толкова по-голяма е тягата.

Законът на Нютон обяснява и начина, по който самолетите летят: ако крилото упражнява сила върху въздуха (теглото му, сила надолу), то въздухът упражнява противоположна сила върху крилото, наречена подемна сила (нагоре). Компенсирането на тези сили поддържа самолета във въздуха.

Първият реактивен двигател

През 1731 г. англичанинът Джон Барбър започва да регистрира патенти за газова турбина с вътрешно горене– предшественик на турбореактивния двигател. Неговият двигател се състои от компресор, горивна камера и турбина, като всички те се захранват от запалимо вещество. Барбър обаче не успява да задейства изобретението си, тъй като тогавашните технологии не са в състояние да генерират достатъчно енергия.

Разработването на газовата турбина се забавя поради успеха на парната турбина. Накрая, след работата на румънеца Анри Коанда и французина Максим Гийом през 30-те години на ХХ век, британецът сър Франк Уитъл прави революция във въздушния транспорт с турбореактивното задвижване. Вместо да използва бутален двигател за сгъстяване на въздуха, Уитъл избира турбина, която използва енергията, осигурявана от отработените газове, за задвижване на компресора. Този нов двигател е по-икономичен и по-мощен от буталния двигател.

Първите турбореактивни двигатели са разработени едновременно в Англия и Германия. През 1939 г. германецът Ханс фон Охайн разработва първия реактивен двигател за компанията „Хайнкел“. Първият реактивен самолет е Heinkel He-178, използван за бойни цели. Първият полет обаче е прекъснат, когато в двигателя е засмукана птица. Надпреварата във въоръжаването по време на Втората световна война ускорява зараждането на съвременната авиация. В края на войната Съединените щати и Съветският съюз наваксват изоставането си, следвани от Франция, която е задържана от германската окупация. Първите граждански самолети, задвижвани от реактивни двигатели, се появяват през 50-те години на миналия век.

Различните видове реактивни двигатели

Най-общо казано, турбореактивните двигатели преобразуват химическата енергия, съдържаща се в горивото, в кинетична енергия. Разработването на турбореактивни двигатели е голямо предизвикателство от самото начало, както във военната, така и в гражданската сфера. Днешните реактивни двигатели са много по-сложни, отколкото в миналото. Например, те са оборудвани с реверсори на тягата, които служат за спиране на самолета. Реактивната струя се пренасочва към предната част на двигателя.

Съществуват няколко подкатегории реактивни двигатели:

• Реактивни двигатели с центробежен компресор
• Турбореактивни двигатели с аксиален компресор
• Реактивни двигатели с двоен поток
• Реактивни двигатели
• Турбовитлови двигатели
• Свободни турбинни двигатели

Описаните по-горе двигатели са турбореактивни двигатели с центробежен компресор. Те са лесни за производство и здрави, но недостатъкът им е, че изискват двигател с голям диаметър, което намалява крайната скорост на самолета. Поради това бяха изобретени аксиални турбореактивни двигатели. Въздухът се компресира през серия от витла и ефективността е по-добра, но това изисква по-съвършени материали. И в двата случая двигателят трябва да може да издържа на температури до 2000°C.

При байпасния реактор пред компресора се поставя вентилатор. Той засмуква по-голямо количество въздух, който след това се разделя на първичен и вторичен поток. Първичният поток преминава през горивната камера, така че е поток от горещ въздух. Вторичният поток се изхвърля директно от двете страни на двигателя; това е поток от 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 самолети avions commerciaux за подобряване на тягата и намаляване на шума от двигателя.

Сега реактивните двигатели се използват в изтребителите и ракетите, тъй като могат да достигат много високи скорости. Тягата им 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. Недостатъците им са, че не могат да работят под определена скорост и температурата е много висока, което е неустойчиво във времето за много материали. Освен това, за да могат да работят, трябва да им се осигури начална скорост. Двигателите Superstatorjet могат да достигнат свръхзвукова скорост. Двигателят на „Конкорд“ е хибрид между турбореактивен и рамджет двигател.

Турбореактивните двигатели увеличават тягата си чрез изхвърляне на възможно най-голямо количество газ. Не така стоят нещата при турбовитловите двигатели. Те разчитат на въртящата се сила на витлото, прикрепено от 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. За да научите повече за различните модели турбовитлови самолети, посетете cette page.

Турбоваловите двигатели са предназначени за хеликоптери. Подобно на турбореактивните двигатели, те са оборудвани с турбина. Произвежданите днес хеликоптери, като например Dauphin, имат свободна турбина. Тя трансформира кинетичната и топлинната енергия на отработените газове в механична енергия, а също така 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.