Анимации работы реактивных двигателей

Реактивный двигатель

Поставьте такой опыт. Надуйте воздушный шарик, а потом, не завязывая, отпустите его. Шарик начнет беспорядочно летать по вашей комнате.

Какая сила движет шарик? Сила сжатого воздуха. Его молекулы, вылетая через отверстие в шаре, согласно третьему закону Ньютона, который гласит, что действие равно противодействию, толкают оболочку в обратную сторону. На этом же принципе работают и реактивные двигатели.

Рассмотрение их конструкций начнем с прямоточного воздушно-реактивного двигателя — ПВРД. Он имеет наиболее простую схему работы.

Представьте себе металлическую трубку, движущуюся в воздушном потоке. Передний край трубки вбирает в себя воздух, — это воздухозаборник. Из сопла — задней части трубки — выходят отработанные газы. Средняя часть — камера сгорания.

Для разгона попадающего в трубку воздуха сделаем в средней ее части маленькое отверстие и вставим в него тонкую трубочку — форсунку. Через форсунку будем впрыскивать в камеру какое-нибудь топливо (лучше всего керосин) и подожжем керосино-воздушную смесь электрическим разрядом.

Теперь все части ПВРД стали оправдывать свои названия. Воздухозаборник всасывает воздушный поток. В камере сгорания горит воздушно-топливная смесь. Температура газа при этом повышается, возрастает скорость его движения. Раскаленные газы с силой выбрасываются через сопло, создавая реактивную тягу.

ПВРД может работать лишь тогда, когда на входе имеется скоростной поток воздуха. Значит, стартовать с таким двигателем самостоятельно самолет не может. Его нужно предварительно разогнать.

Обычный самолет разгоняется при помощи воздушного винта. Но ведь таким винтом-пропеллером можно разогнать и поток воздуха на входе двигателя. Так появился ТРД — турбореактивный двигатель. Чтобы запустить его к компрессору присоединяют стартер, и компрессор создает первоначальный напор воздуха на входе. Затем уже начинает работать сам реактивный двигатель.

Теперь стартер можно и исключить, поскольку конструкторы предусмотрели в конструкции ТРД такую техническую хитрость. На пути раскаленных газов они поставили газовую турбину и соединили ее с компрессором единым валом. Выходящие газы вращают турбину, соединенный с ней компрессор нагнетает воздушный поток в камеру сгорания, топливно-воздушная смесь горит, горячие газы вытекают из сопла, и цикл повторяется.

С помощью мощного и компактного турбореактивного двигателя самолеты очень скоро превысили скорость звука. Тяга турбореактивного двигателя может быть увеличена путем дополнительного сжигания топлива в форсажной камере, расположенной между турбиной и реактивным соплом.

Однако такие двигатели далеко не всегда выгодны экономически. Для огромных транспортных самолетов, которые летают со скоростями 650—700 км/ч и поднимают в воздух одновременно десятки тонн груза, лучше использовать турбовинтовые двигатели — ТВД. Турбина может вращать и обычный воздушный винт. Для этого нужно удлинить вал, соединяющий ее с компрессором, добавить редуктор (см. Механизм), который снизит частоту вращения винта (иначе воздушный поток станет срываться с лопастей и пропеллер в основном будет вращаться вхолостую).

Если вы нашли ошибку, пожалуйста, выделите фрагмент текста и нажмите Ctrl+Enter.

Эковатт: Самодельный бесклапанный пульсирующий двигатель

Бесклапанный пульсирующий двигатель — простейший в мире реактивный двигатель. Его разработки к сожалению были приостановлены с началом широкого применения турбореактивных двигателей, но он продолжает представлять интетрес для любителей, так как может быть построен в домашней мастерской. Я построил мой двигатель изучив патент Локвуда, согласно которому устройство может иметь любой размер, при соблюдении определенных пропорций. Двигатель не имеет движущихся частей, также он может работать на любом топливе, если его испарить до входа в камеру сгорания (я использовал смесь бензина и дизельного топлива в равных частях), но старт происходит на газе (это значительно проще). Конструкция проста и относительно недорога для повторения. Я не знаю, с какой частотой происходят взрывы в камере сгорания моего двигателя, но догадываюсь, что это происходит около 30-50 раз в секунду, работа устройства сопровождается очень сильным шумом. Надеюсь когда-нибудь измерить эту частоту.

Двигатель работает на пропане, который поступает в камеру сгорания через длинную металлическую трубку, на конце которой установлен распылитель, который помогает испарить жидкое топливо. Когда используется пропан, распылитель не обязателен, в моем случае газ поступает прямо через трубку внутренним диаметром 4 мм. Трубка присоединяется к камере сгорания фитингом 10мм. У меня сделаны три таких трубки — одна для пропана, две другие для дизельного топлива и керосина.

В процессе старта пропан подают в камеру сгорания, и затем достаточно всего одной искры на свече, чтобы двигатель запустился.

Согласно патенту можно построить такой двигатель любого размера. На моем чертеже изображен мой вариант устройства, которое немного отличается от предложенного в патенте конструкцией выхлопной трубы, что упрощает изготовление, однако так как я не делал замеров тяги, возможно это сказалось на эффективности. Спрямители потока обычно удваивают тягу, и я собираюсь попробовать их сделать.

Сокращения на чертеже:

• NL — длина сопла
• NM — диаметр сопла
• CL — Длина камеры сгорания
• CM — диаметр камеры сгорания
• TL — Длина хвостовой трубы
• TM — Диаметр хвостовой трубы

Баллоны с газом можно купить где угодно, я выбрал 11-килограмовый, с индустриальным разъемом. Я не использовал никаких редукторов, просто установил игольчатый клапан, так как расход газа довольно большой и обычный редуктор не даст нужного потока. Шанс того, что пропан в трубке и баллоне загорится, очень мал, если не опустошать баллон до конца. На картинках ниже вы можете видеть как это выглядит.

Искровая свеча вкручена в специально изготовленную на токарном станке деталь, вваренную в камеру сгорания. Свечу можно использовать любую, я поставил NGK BP6E S без дополнительного сопротивления, а боббину использовал от старого автомобиля. Также я сделал электронную схему для получения искры, которую надо получить только один раз, в момент старта двигателя.

Корпус трубы сварен из трехмиллиметровой нержавейки марки 316L. Я не знал как расчитать толщину, и просто взял лист потолще, с запасом. Двигатель запускался очень много раз, и никаких проблем обнаружено не было.

реактивный двигатель своими руками,Самодельный бесклапанный пульсирующий двигатель,самодельный реактивный двигатель

Турбореактивный двигатель — Turbojet

турбореактивный — это воздушно-реактивный двигатель , обычно используемый в самолетах. Он состоит из газовой турбины с движущимся соплом . Газовая турбина имеет воздухозаборник, компрессор, камеру сгорания и турбину (которая приводит в движение компрессор). Сжатый воздух из компрессора нагревается за счет сжигания топлива в камере сгорания, а затем расширяется через турбину. Затем выхлоп турбины расширяется в движущем сопле, где он ускоряется до высокой скорости для создания тяги. Два инженера, Фрэнк Уиттл в Соединенном Королевстве и Ханс фон Охайн в Германии , независимо друг от друга разработали концепцию практических двигателей в конце 1930-е годы.

Хотя турбореактивный двигатель был первой формой газотурбинной силовой установки для авиации, он в значительной степени был заменен другими разработками первоначальной концепции. Во время работы турбореактивные двигатели обычно создают тягу за счет ускорения относительно небольшого количества воздуха до очень высоких сверхзвуковых скоростей, тогда как турбовентиляторные двигатели ускоряют большее количество воздуха для уменьшения трансзвуковой скорости. Турбореактивные двигатели были заменены на более медленных самолетах на турбовинтовые , поскольку они имеют лучший удельный расход топлива . На средних скоростях, когда пропеллер уже неэффективен, турбовинтовые двигатели были заменены на турбовентиляторные. Турбореактивный двухконтурный двигатель тише и имеет лучший расход топлива в зависимости от дальности полета, чем турбореактивный двигатель. Турбореактивные двигатели могут быть высокоэффективными для сверхзвуковых самолетов.

Турбореактивные двигатели имеют низкую эффективность на низких скоростях транспортного средства, что ограничивает их полезность в транспортных средствах, отличных от самолетов. В отдельных случаях турбореактивные двигатели использовались для питания транспортных средств, отличных от самолетов, обычно для попыток установления рекордов наземной скорости . В тех случаях, когда транспортные средства «приводятся в действие от турбины», это чаще всего происходит за счет использования двигателя с турбонаддувом , усовершенствования газотурбинного двигателя, в котором дополнительная турбина используется для привода вращающегося выходного вала. Они распространены в вертолетах и ​​судах на воздушной подушке. Турбореактивные двигатели использовались на «Конкорде» и на более дальних версиях Ту-144 , которые требовались для длительных сверхзвуковых полетов. Турбореактивные двигатели по-прежнему широко используются в крылатых ракетах средней дальности из-за их высокой скорости истечения, небольшой лобовой площади и относительной простоты. Они также все еще используются на некоторых сверхзвуковых истребителях, таких как МиГ-25 , но большинство из них тратят мало времени на сверхзвуковые путешествия, поэтому используют турбовентиляторные двигатели и форсажные камеры для увеличения скорости выхлопа для сверхзвуковых спринтов.

Содержание

• 1 История
• 2 Ранние разработки
• 3 Конструкция
  • 3.1 Воздухозаборник
  • 3.2 Компрессор
  • 3.3 Камера сгорания
  • 3.4 Турбина
  • 3.5 Сопло
  • 3.6 Увеличение тяги
    • 3.6.1 Форсажная камера
• 4 Чистая тяга
• 5 Улучшения цикла
• 6 См. Также
• 7 Ссылки
• 8 Дополнительная литература
• 9 Внешние ссылки

История

Первый патент на использование газовой турбины для питания самолета был подан в 1921 году француз Максим Гийом . Его двигатель должен был быть турбореактивным с осевым потоком, но он так и не был сконструирован, так как требовал значительного прогресса по сравнению с современными компрессорами.

. В 1928 году курсант британского колледжа RAF Cranwell Фрэнк Уиттл официально представил свои идеи турбореактивного двигателя своему начальству. В октябре 1929 г. он развил свои идеи дальше. 16 января 1930 года в Англии Уиттл подал свой первый патент (выданный в 1932 году). В патенте показан двухступенчатый осевой компрессор , питающий односторонний центробежный компрессор . Практические осевые компрессоры стали возможны благодаря идеям А.А. Гриффит в основополагающей статье 1926 года («Аэродинамическая теория конструкции турбины»). Позднее Уиттл сосредоточился только на более простом центробежном компрессоре по ряду практических причин. 12 апреля 1937 года Уиттл запустил первый турбореактивный двигатель, Power Jets WU . Он работал на жидком топливе и включал автономный топливный насос. Команда Уиттла испытала почти панику, когда двигатель не останавливался, разгоняясь даже после отключения топлива. Оказалось, что топливо просочилось в двигатель и скопилось в лужах, поэтому двигатель не остановился, пока не сгорело все вытекшее топливо. Уиттл не смог заинтересовать правительство своим изобретением, и разработка продолжалась медленными темпами.

В Германии Ханс фон Охайн запатентовал аналогичный двигатель в 1935 году.

27 августа 1939 года Heinkel He 178 стал первым в мире самолетом, летавшим с турбореактивным двигателем. с летчиком-испытателем Эрихом Варсицем за штурвалом, став первым практическим реактивным самолетом. Gloster E.28 / 39 (также известный как «Gloster Whittle», «Gloster Pioneer» или «Gloster G.40») был первым британским самолетом с реактивным двигателем, который летал. Он был разработан для испытания реактивного двигателя Уиттла в полете, что привело к созданию Gloster Meteor.

Первые два действующих турбореактивных самолета, Messerschmitt Me 262 , а затем Gloster Meteor , вступил в строй в 1944 году, ближе к концу Второй мировой войны .

Воздух втягивается во вращающийся компрессор через впускное отверстие и сжимается до более высокого давления перед входом в камеру сгорания. Топливо смешивается со сжатым воздухом и горит в камере сгорания. Продукты сгорания покидают камеру сгорания и расширяются через турбину , где мощность отбирается для привода компрессора. Выхлопные газы турбины по-прежнему содержат значительную энергию, которая преобразуется в сопле двигателя в высокоскоростную струю.

Первыми реактивными двигателями были турбореактивные двигатели с центробежным компрессором (как в Heinkel HeS 3 ) или осевыми компрессорами (как в Junkers Jumo 004 ), который дал двигатель меньшего диаметра, но более длинный. За счет замены пропеллера, используемого в поршневых двигателях, на высокоскоростную выхлопную струю можно было достичь более высоких скоростей самолета.

Одним из последних приложений для турбореактивного двигателя был Concorde , в котором использовался двигатель Olympus 593 . Во время проектирования было установлено, что турбореактивный двигатель является оптимальным для крейсерского полета с удвоенной скоростью звука, несмотря на преимущество турбореактивных двигателей для более низких скоростей. Конкорду требовалось меньше топлива для создания заданной тяги на милю со скоростью 2,0 Маха, чем современному двухконтурному ТРДД, например General Electric CF6 при оптимальной скорости 0,86 Маха.

Турбореактивные двигатели. оказал значительное влияние на коммерческую авиацию . Помимо обеспечения более высоких скоростей полета турбореактивные двигатели обладали большей надежностью, чем поршневые двигатели, причем некоторые модели демонстрировали рейтинг надежности диспетчеризации, превышающий 99,9%. Предварительно реактивные коммерческие самолеты были спроектированы с четырьмя двигателями отчасти из-за опасений по поводу отказов в полете. Маршруты зарубежных полетов были проложены таким образом, чтобы самолеты находились в пределах часа от посадочной площадки, что увеличивало продолжительность полетов. Повышение надежности турбореактивного двигателя позволило создать трех- и двухмоторный двигатель и увеличить число прямых перелетов на большие расстояния.

Высокотемпературные сплавы были обратным выступом , ключевой технологией. это замедлило прогресс в области реактивных двигателей. Реактивные двигатели не британского производства, построенные в 1930-х и 1940-х годах, приходилось ремонтировать каждые 10 или 20 часов из-за выхода из строя и других повреждений лопастей. Однако в британских двигателях использовались сплавы Nimonic , которые позволяли длительное использование без капитального ремонта, двигатели, такие как Rolls-Royce Welland и Rolls-Royce Derwent , а к 1949 г. de Havilland Goblin , прошедший типовые испытания в течение 500 часов без обслуживания. Лишь в 1950-х годах технология суперсплавов позволила другим странам производить экономически практичные двигатели.

Ранние конструкции

Ранние немецкие турбореактивные двигатели имели серьезные ограничения по количеству работающих двигателей. могло произойти из-за отсутствия подходящих жаропрочных материалов для турбин. В британских двигателях, таких как Rolls-Royce Welland , использовались лучшие материалы, обеспечивающие повышенную долговечность. Welland был сертифицирован по типу вначале на 80 часов, позже был продлен до 150 часов между капитальными ремонтами в результате продленных 500 часов пробега, достигнутых в ходе испытаний. Несмотря на высокие требования к техническому обслуживанию, некоторые из первых реактивных истребителей все еще эксплуатируются с исходными двигателями.

General Electric в США имел хорошие возможности для входа в производство реактивных двигателей благодаря своему опыту с используемыми высокотемпературными материалами. в своих турбокомпрессорах во время Второй мировой войны.

Впрыск воды был обычным методом, используемым для увеличения тяги, обычно во время взлета, в ранних турбореактивных двигателях, которые были ограничены допустимой температурой входа в турбину. Вода увеличивала тягу на пределе температуры, но препятствовала полному сгоранию, часто оставляя очень заметный след дыма.

Допустимые температуры на входе в турбину неуклонно увеличивались с течением времени как с введением лучших сплавов и покрытий, так и с появлением и повышением эффективности конструкции охлаждения лопаток. На ранних двигателях пилот должен следить за температурным пределом турбины и избегать его, как правило, во время запуска и при максимальных настройках тяги. Введено автоматическое ограничение температуры, чтобы снизить рабочую нагрузку на пилот и снизить вероятность повреждения турбины из-за перегрева.

Комбинатор скорости

Как работают и на что способны гибридные двигатели для космопланов

Британская компания Reaction Engines в конце октября 2019 года провела успешные испытания предохладителя, одного из самых важных компонентов перспективного комбинированного ракетного двигателя SABRE, с помощью которого будут совершать космические полеты ракетопланы. Испытания компонента проходили на скорости воздушного потока около 5 чисел Маха и температуре 1000 градусов Цельсия. В связи с этим мы решили вспомнить историю появления комбинированных, иначе называемых гибридными, двигателей для летательных аппаратов и разобраться, как именно работает британская силовая установка.

Так покоряли скорость

На 1940-1950-е годы пришелся бум развития авиационного моторостроения — появились и начали серийно использоваться на самолетах реактивные двигатели различных конструкций. Эти силовые установки на боевых самолетах обеспечивали повышенную маневренность и лучшее ускорение по сравнению с традиционными поршневыми двигателями, а также позволяли выполнять, пусть и кратковременные, полеты на скорости, превышающей скорость звука.

В 1950-х годах началась разработка новых боевых и разведывательных летательных аппаратов, способных безопасно для себя действовать в воздушном пространстве, охраняемом системами противовоздушной обороны противника. В частности, ставка делалась на скорость полета — считалось, что чем быстрее летит самолет, тем меньше шансов у зенитной ракеты его догнать.

Необходимость наращивать скорость потребовала поиска новых конструкторских решений. Дело в том, что уже существовавшие тогда воздушно-реактивные авиационные двигатели при всех возможных ухищрениях не могли обеспечить скорость полета больше 2–2,5 числа Маха.

На большой скорости полета на входе двигателя воздушный поток резко тормозится, из-за чего происходит, помимо прочего, его сжатие и рост температуры. Это, в свою очередь, приводит к снижению эффективности работы компрессора, а затем и неэффективному сгоранию топлива.

Разработчики авиационной техники начали экспериментировать с другими двигателями. Наиболее очевидным вариантом оказался ракетный двигатель, не имеющий ограничений по скорости встречного воздушного потока, поскольку для сжигания топлива атмосферный кислород он не использует.

Такой двигатель способен обеспечивать высокие скорости полета. Например, американский экспериментальный самолет Bell X-1 уверенно развивал скорости полета, близкие к 2 числам Маха, а в 1953 году достиг скорости в 2,5 числа Маха на высоте 21,4 тысячи метров. В 1963 году ракетоплан X-15 развил гиперзвуковую скорость в 5,58 числа Маха.

Тем не менее, ракетные двигатели плохо подходили для создания серийных военных, главным образом разведывательных, самолетов. Дело в том, что они не могли обеспечить большую продолжительность полета, а учитывая политическую обстановку того времени, она была крайне желательна, поскольку СССР от США отделяет значительное расстояние.

Так исследователи начали работать над комбинированными двигателями, которые могли бы сочетать в себе свойства силовых установок разных классов.

Например, в СССР в конце 1950-х — в 1960-х годах велась разработка комбинированных ракетно-прямоточных двигателей для разведывательных беспилотных летательных аппаратов. Такие двигатели сочетали в себе ракетную силовую установку и стоящую за ней прямоточную воздушно-реактивную установку.

Если упрощенно описывать работу такого двигателя, то она выглядела следующим образом: ракетная силовая установка сжигала топливо не полностью, после чего газовая струя с не сгоревшим топливом поступала в прямоточный двигатель, где тормозилась и сжималась. Там топливо дожигалось, и отработанные газы выходили из двигателя, создавая тягу.

Аналогичные проекты существовали и в США. В целом по теме комбинированных двигателей разработки велись по нескольким направлениям. Помимо ракетно-прямоточных создавались турбопрямоточные (газотурбинный и прямоточный контуры) и ракетно-турбинные (ракетный и газотурбинный контуры).

Некоторые проекты таких силовых установок предполагали, что они смогут обеспечить скорость полета больше 3 чисел Маха, а некоторые, работающие в том числе и на водороде, — больше 5 чисел Маха. К гиперзвуковой принято относить скорость больше 5 чисел Маха.

Полет «Черного дрозда»

В конце 1960-х годов американские ВВС и Центральное разведывательное управление начали использовать для разведки принципиально новый самолет SR-71 Blackbird, способный на длительные полеты на скорости в 3,17 числа Маха.

Допустимым был и кратковременный полет на скорости в 3,3 числа Маха, но при этом необходимо соблюсти множество условий, в том числе и по нагреву носовой части летательного аппарата. В полете планер самолета мог разогреваться до 450-480 градусов Цельсия.

В 1976 году SR-71 установил рекорд скорости при полете по прямой, составивший 3529,56 километра в час (около 3,3 числа Маха) на высоте 25,9 тысячи метров (это, к слову, тоже было рекордом).

Такой скорости самолет, списанный в 1998 году, мог достигать благодаря комбинированным турбопрямоточным двигателям J58, которые сам разработчик — компания Pratt & Whitney — называл турбореактивными двигателями изменяемого цикла.

По сути, силовая установка J58 сочетала в себе обычный турбореактивный двухконтурный двигатель с форсажной камерой и прямоточный воздушно-реактивный двигатель. Воздухозаборник установки был оборудован подвижными в горизонтальной плоскости конусами.

Основную тягу при полете на скоростях до 2 чисел Маха обеспечивали турбореактивные двигатели, размещенные внутри прямоточных воздушно-реактивных. В таком режиме бóльшая часть поступающего воздуха проходила через зону компрессоров, сжималась, смешивалась с топливом и поступала в камеру сгорания.

Истекающие из камеры сгорания разогретые газы вращали турбину, которая раскручивала входной вентилятор турбореактивного двигателя. По мере роста скорости полета конусы в воздухозаборниках задвигались, постепенно отводя все больше воздуха в обходные каналы прямоточных двигателей.

При этом минимальный приток воздуха в турбореактивный двигатель все равно сохранялся, но уже просто для поддержания его стабильной работы.

При скорости полета около 3 чисел Маха конусы уже были задвинуты почти полностью — бóльшая часть набегающего воздуха сжималась за счет торможения на входе в двигатель и образования в нем ударных волн, из-за этого нагревалась и, минуя компрессоры, камеру сгорания и турбину, поступала сразу в форсажную камеру.

Там воздух смешивался с топливом и раскаленными газами из камеры сгорания турбореактивного двигателя. В таком режиме полета только 10 процентов тяги обеспечивались контуром обычного реактивного двигателя, а 90 процентов — прямоточного.

Сегодня американская компания Lockheed Martin в инициативном порядке разрабатывает разведывательный гиперзвуковой беспилотный летательный аппарат SR-72, способный выполнять полеты на скорости до 6 чисел Маха.

Разработчики утверждают, что этот аппарат также получит комбинированный двигатель, в котором будут объединены качества сразу трех силовых установок: турбореактивной, сверхзвуковой прямоточной и гиперзвуковой прямоточной воздушно-реактивной. Последние две, объединенные в одном корпусе, будут иметь с турбореактивной установкой общие воздухозаборник и сопло.

По похожей схеме для своего гиперзвукового беспилотника разрабатывает комбинированный двигатель китайский Научно-исследовательский и проектно-конструкторский институт авиации в Чэнду. Его силовая установка будет сочетать в себе качества турбореактивного, ракетно-прямоточного и ракетного двигателей.

Китайский двигатель, прошедший первый этап стендовых испытаний в январе текущего года, как предполагается, сможет разгонять беспилотный аппарат до скорости около 6 чисел Маха.

В космос на самолете

В феврале 2018 года российское Опытно-конструкторское бюро имени Люльки провело испытания комбинированного турбопрямоточного пульсирующего детонационного двигателя. Испытания установки — уменьшенного прототипа двигателя — проходили в турбореактивном и прямоточном режимах.

Частота детонации топливной смеси в новом российском двигателе составляет 20 килогерц. Силовая установка разрабатывается для применения на самолетах, способных на традиционный аэродромный взлет и полеты за пределы атмосферы.

Детонацией называется такое горение какого-либо вещества, в котором фронт горения распространяется быстрее скорости звука. При этом по веществу проходит ударная волна, за которой следует химическая реакция с выделением большого количества энергии.

В современных двигателях сгорание топлива происходит с дозвуковой скоростью. Такое горение называется дефлаграцией.

Детонационные двигатели конструктивно делятся на два основных типа: импульсные (или пульсирующие) и ротационные.

В импульсных двигателях происходят короткие взрывы по мере сгорания небольших порций топливо-воздушной смеси. В ротационных же горение смеси происходит в кольцевой камере постоянно без остановки. Детонационные двигатели способны работать в широком пределе скоростей полета — от 0 до 5 чисел Маха.

Считается, что такие силовые установки могут выдавать большую мощность, потребляя топлива меньше, чем обычные реактивные двигатели. При этом конструкция детонационных двигателей относительно проста: в них отсутствуют компрессор и многие движущиеся части.

Некоторые разработчики считают комбинированные двигатели ключом к созданию космопланов, не нуждающихся в дополнительных ступенях. В отличие от уже не используемых американских Space Shuttle или советского «Буран», которые не могли обходиться без ракет-носителей, или разрабатываемого сегодня американского SpaceShipTwo, который не может обходиться без самолета-носителя White Knight Two.

Космопланы с комбинированными двигателями смогут взлетать с наземных аэродромов и самостоятельно вылетать за пределы атмосферы. Такие аппараты можно будет использовать как для дешевой доставки небольших спутников на орбиту, так и для космического туризма.

Британская компания Reaction Engines создает собственный комбинированный двигатель для космоплана Skylon собственной же разработки (хотя изначально речь шла о небольшой ракете-носителе). Британский двигатель можно отнести к классу ракетно-турбинных комбинированных силовых установок, поскольку он будет сочетать в себе свойства турбореактивного и ракетного двигателей.

Упрощенно схема работы SABRE выглядит следующим образом: в полете воздух поступает в воздухозаборник, затем в компрессор, а потом в камеру сгорания ракетной части. Там он уже смешивается с водородом, смесь сгорает, а истекающие газы — создают тягу.

Такой режим предполагается использовать для полетов в пределах атмосферы и на скорости до 5,5 числа Маха. После превышения этой скорости воздухозаборник будет полностью перекрываться. При этом для сжигания водорода в ракетной части двигателя будет использоваться жидкий кислород из кислородных баков.

Этой схемой работы SABRE похож на комбинированный двигатель LACE, конструкцию которого в 1980-х годах предложил британский конструктор Алан Бонд.

В двигателе LACE на атмосферном участке полета жидкий кислород планировалось получать из атмосферного воздуха путем его охлаждения. Кроме того, в LACE турбина должна была раскручиваться газами, истекающими из ракетной части двигателя. Вращение турбины передавалось бы на компрессор, сжимающий воздух, который поступал бы из воздухозаборника.

Проект LACE разрабатывался в рамках засекреченной программы HOTOL, предполагающей создание космоплана. Эта программа была закрыта в 1989 году из-за нехватки финансирования.

SABRE

SABRE расшифровывается как Synergetic Air Breathing Rocket Engine, синергический воздушно-реактивный ракетный двигатель. Эта силовая установка состоит из нескольких ступеней: воздухозаборника, предохладителя, компрессора, системы охлаждения, камеры сгорания, сопла и «прямоточных дожигателей».

В полете воздух будет попадать в воздухозаборник, где будет происходить его сжатие и, как следствие, нагрев. На скоростях около 5 чисел Маха нагрев воздуха может достигать 1,5 тысячи градусов — это критично высокая температура как для самого двигателя, так и для эффективного сжигания топлива.

В предохладителе, состоящем из 16800 тончайших трубок, воздух будет охлаждаться до температуры в -150 градусов Цельсия. Внутрь трубок под давлением почти в 200 атмосфер закачивается жидкий гелий, выполняющий роль теплоносителя.

После предохладителя воздух поступает в компрессор, способный сжимать его до 140 атмосфер, после чего сжатый воздух поступает в камеру сгорания ракетной части двигателя. Тягу будут создавать отработавшие газы, истекающие из сопла.

Гелий, нагреваясь от воздуха и от этого расширяясь, в предохладителе сначала будет поступать в зону турбины, раскручивая ее. Вращение от турбины будет передаваться на компрессор.

После турбины гелий будет подаваться в охладитель. Там его температура снизится за счет теплообмена с жидким водородом, подающимся по сети трубочек из топливного бака. Нагревшийся водород из системы охлаждения частично будет поступать в камеру сгорания ракетной части двигателя.

Разработчики отмечают, что из-за нагрева в камере охлаждения будет образовываться больше нагретого водорода, чем необходимо для работы ракетной части двигателя. Излишки водорода и будут сгорать в «прямоточных дожигателях». Последние представляют собой небольшие прямоточные воздушно-реактивные двигатели, играющие двойную роль.

Во-первых, они будут сжигать излишки водорода, внося небольшой вклад в создание тяги двигателя. Во-вторых, в них из зоны забора компрессора (расположена перед ним) будут стекать излишки воздуха, не попавшие в основной контур двигателя.

На скорости более 5,5 числа Маха воздухозаборник силовой установки будет полностью перекрываться. При этом ракетный двигатель переключится на подачу окислителя — жидкого кислорода — из кислородного бака.

Отличительной чертой комбинированного двигателя SABRE разработчики называют его относительную компактность — по своим размерам он не будет превышать турбовентиляторный двигатель F135, стоящий на американских истребителях F-35 Lightning II.

Длина F135 составляет 5,6 метра, а наибольший диаметр — 1,2 метра. Двигатель имеет массу 1,7 тонны без учета дополнительных систем.

На протяжении ближайшего года Reaction Engines намерена провести серию испытаний не только предохладителя, но и нескольких других частей перспективного комбинированного двигателя.

Параллельно будет вестись сборка первого полноразмерного образца силовой установки, стендовые испытания которого планируется начать в конце 2020-го или в 2021 году. Предполагается, что космопланы с двигателями SABRE могут начать выполнять регулярные полеты в 2030-х годах.

Современные авиационные и космические разработки, помимо прочего, нацелены на уменьшение стоимости полета и запусков. Предполагается, что комбинированные двигатели помогут решить эту задачу. Но существуют и другие разработки, в том числе ротационных детонационных и гиперзвуковых прямоточных воздушно-реактивных двигателей. О некоторых из таких разработок мы рассказывали в материале «Установки на будущее».