8 просмотров
Рейтинг статьи
1 звезда2 звезды3 звезды4 звезды5 звезд
Загрузка...

Что такое твинкамовскими двигателями

Реактивный vs турбовинтовой двигатель. Все преимущества и недостатки

Турбовинтовой двигатель

Турбовинтовой двигатель состоит из воздушного винта, редуктора и турбокомпрессора. Принцип работы данного вида двигателей достаточно прост: атмосферный воздух сжимается и подается в камеру сгорания, где смешивается с топливом. Там с помощью свечи зажигания эта смесь поджигается и сгорает, образуя при этом продукты сгорания под высоким давлением, которые приводят во вращение диск турбины. Данные процессы показывают, как энергия сжатого и нагретого газа преобразуется в механическую работу.
Мощность турбовинтового двигателя сосредоточена в валу из-за отсутствия выходящей реактивной струи. Именно вал приводит в движение винт, который и создает тягу. Подобного рода конструкции применяют не только для самолетов, но и вертолетов.

Реактивный двигатель

Намного интереснее работа реактивного двигателя. Существует несколько разновидностей данного рода двигателей:
— турбореактивный
— турбореактивный двухконтурный
— прямоточный воздушно-реактивный
— пульсирующий воздушно-реактивный

Турбореактивный двигатель

Турбореактивный двигатель в качестве рабочего тела использует атмосферу, которая при нагревании расширяется, а при охлаждении сжимается. Основным принципом работы является превращение внутренней энергии топлива сначала в кинетическую, а затем в механическую энергию.
Все начинается с компрессора, куда атмосферный воздух попадает и затем сжимается, получая энергию. Затем сжатый воздух переходит в камеру сгорания, где смешивается с продуктами сгорания керосина, сам при этом нагреваясь и, как следствие, расширяясь. Смесь из газов попадает в турбину и вращает ее через рабочие лопатки. При этом часть энергии теряется, превращаясь в механическую энергию основного вала. Она расходуется также на работу топливных и масляных насосов, на работу компрессора, привода электрогенераторов, вырабатывающих энергию для различных бортовых систем самолетов.
Но большая часть энергии расходуется на создание тяги с помощью реактивного сопла: энергия разгоняется в нем и создает тягу за счет реактивной струи.

Турбореактивный двухконтурный двигатель

Отличие двухконтурного турбореактивного двигателя от просто турбореактивного заключается в наличие у первого внутреннего и внешнего контуров, благодаря чему весь поток поступает сначала в компрессор низкого давления. Основная же часть воздуха проходит по внутреннему контуру, как и в турбореактивном двигателе.
Вторая же часть, которая проходит по внешнему контуру, остается холодной и при выбросе не сгорает, создавая дополнительную тягу и уменьшая расход топлива.

Прямоточный воздушно-реактивный двигатель

В отличие от других реактивных двигателей в прямоточном воздушно-реактивном двигателе нет турбины и компрессора. Основными частями являются камера сгорания, диффузоры и сопла, с помощью которых создается тяга, как говорилось ранее.
Главной задачей диффузора является торможение встречного воздуха и повышение статического электричества. Кислород, поступающий из него, является основным окислителем для сгорания топлива в камере сгорания.
Помимо диффузора в таком двигателе также есть стабилизатор пламени и форсунки.
Существует также несколько разновидностей такого двигателя (это зависит от требуемой скорости):
— дозвуковые
— сверхзвуковые
— гиперзвуковые

Пульсирующий воздушно-реактивный двигатель

Пульсирующий воздушно-реактивный двигатель помимо таких стандартных частей, как сопло и камера сгорания, состоит еще из форсунок (как прямоточный), свечи зажигания, и клапанной решетки. Сопло представляет собой длинную цилиндрическую часть, а камера сгорания имеет входные клапаны. При их открытии туда поступают воздух и топливо, образуя единую смесь, которая поджигается искрой зажигания. После этого клапаны тут же закрываются под действием избыточного давления. Реактивная тяга создается с помощью выброса продуктов сгорания через сопло.

Так работают реактивные и турбовинтовые двигатели. Теперь, когда вы смогли узнать немного больше о принципе их работы, мы опишем для вас как положительные, так и отрицательные стороны двигателей, чтобы вы сами смогли решить, что же все таки лучше.

Экономичность.
Если речь идет о низких скоростях, то турбовинтовые двигатели находятся в преимуществе. За счет вращения винта КПД повышается и расход топлива становится меньше, чем у реактивных. Но если вам необходима большая скорость, то тут первенство, бесспорно, переходит к реактивным двигателям за счет большей тяговой силы, что помогает намного легче и быстрее достичь необходимой скорости.

Вес.
У турбовинтовых двигателей намного больше, чем у реактивных. Поэтому, если самолету необходима маневренность, предпочтение отдают реактивным двигателям.

Уровень шума.
Шум, создаваемый турбовинтовыми двигателями, составляет более 140 децибелов, что превышает порог допустимого. Реактивные же двигатели создают шум в пределах 130-140 децибелов. Такой уровень звука может вызвать болевые ощущения, но при этом остается в пределах нормы.

Вывод.
Подводя итоги, трудно сказать, что же все таки лучше, реактивный или турбовинтовой двигатели. Каждый из них имеет как преимущества, так и недостатки в той или иной степени по отношению друг к другу. Например, если самолет нужен для выполнения местных перевозок на небольшой высоте, то намного эффективнее и выгоднее будет турбовинтовой двигатель. Если же речь идет про дальние и быстрые перелеты, то, безусловно, наиболее удачным решением будет отдать предпочтение реактивному двигателю по уже известным вам причинам.

Наша взяла: как и почему ВАЗ-2101 получил верхневальный двигатель

В середине шестидесятых годов в СССР произошло эпохальное событие – началось строительство нового автозавода для выпуска лицензионной версии Fiat 124. Вопреки бытовавшему мнению, «русская» модификация под индексом ВАЗ-2101 довольно существенно отличалась от итальянского исходника, о чем мы уже рассказывали. Главное отличие советской машины скрывалось под капотом – это был двигатель оригинальной разработки, который в своё время даже стал поводом для серьезного разногласия между нашими инженерами и итальянской стороной. Сегодня мы подробно вспомним эту малоизвестную историю, о которой в те времена говорить было не принято.

В мае 1966 года в Турине министр автомобильной промышленности СССР Александр Тарасов и президент Fiat Витторио Валетта подписали протокол «О сотрудничестве в области разработки конструкции автомобиля, проекта автомобильного завода и его строительства в СССР», в результате которого и началось строительство предприятия в Тольятти. Кроме технического проекта самого автозавода, советская сторона в рамках заключенного контракта получила и полную документацию на две модели Fiat.

Нижневальный

Однако всесторонние испытания Fiat 124 тут же показали, что он требует модернизации с учетом дорожных и климатических условий СССР, которые заметно отличались от западноевропейских.

Кроме того, внимательно изучив конструкцию автомобиля, некоторые советские специалисты довольно скептично отнеслись к его отдельным решениям. Так, Fiat 124 оснащался достаточно архаичным двигателем с нижним расположением распределительного вала и штанговым приводом клапанов, хотя в Турине в то время уже вовсю «обкатывались» куда более прогрессивные по конструкции моторы – с двумя верхними распредвалами и ременным приводом газораспределительного механизма.

На фото: шасси Fiat-124

Наши инженеры своими глазами наблюдали на испытательных стендах опытные образцы таких двигателей, да и в моторной линейке новейшей разработки Fiat под индексом 125 вариант с верхним расположением распредвала уже был предусмотрен. Более того, к тому моменту, когда в СССР активно занимались доработкой Fiat 124 применительно к советским условиям, фиатовские конструкторы уже начали работу над новым верхневальным мотором объемом 1,2 литра, но еще не успели довести его до уровня серийного изделия. Именно поэтому итальянцы хотели поставить в Советский Союз оборудование для выпуска давно «обкатанного» двигателя прежней конструкции — с нижним расположением распредвала.

Fiat-125 – редкое сочетание архаичной рессорной подвески сзади и двух распределительных валов в головке блока цилиндров!

Нижневальный мотор устанавливался на различные модификации Fiat 124

На обычном рядном четырехцилиндровом карбюраторном двигателем рабочим объемом 1 197 см³ и мощностью 60 л.с. ФИАТ впервые в своей практике применил литой чугунный коленчатый вал на пяти опорах. Однако установленный сбоку внизу кулачковый вал представляется некоторым анахронизмом.

На тот момент Fiat еще не выпускал серийно ни одного двигателя со схемой OHC, на которой настаивали советские специалисты. Поэтому представители фирмы даже обсуждали с нашими инженерами возможность перехода на новый мотор через три года — уже после запуска первенца Волжского автозавода в серийное производство. Однако такой вариант не устроил «вазовцев», поскольку чрезмерно усложнил бы и без того не самый простой процесс адаптации и запуска в серийное производство чужой машины. Не будем забывать, что доработка конструкции Fiat 124 шла одновременно со строительством самого завода!

Читать еще:  Двигатель td27eti расход топлива

Противостояние

Не соглашаясь на требования, выдвинутые советской стороной по конструкции мотора, итальянцы административным путём пытались оказать давление на «несогласных» членов советской делегации, которые должны были подписать соглашение. Ведь «советский» экземпляр завизировали не все наши представители — главный конструктор завода МЗМА Александр Фёдорович Андронов так и не поставил свою подпись под протоколом. На него под влиянием итальянских специалистов пытались психологически «воздействовать» присутствовавшие в составе делегации чиновники родного Минавтопрома, но. не получилось.

Профессор Андронов выдвигал подобные требования отнюдь не просто так: в конце 1964 года на Московском автозаводе занялись созданием мотора М-412 новой конструкции. Как нетрудно догадаться, он отличался от «фиатовского» мотора именно теми конструктивными решениями, которые столь упорно и отстаивал главный конструктор МЗМА. Ведь к моменту, когда Андронов принимал участие в переговорах по Fiat 124, первые образцы «четыреста двенадцатых» двигателей с верхним распределительным валом уже были изготовлены и продемонстрировали на испытаниях отличные результаты. Этим как раз и объяснялось категорическое нежелание советского практика согласиться с устаревшей компоновкой OHV для новой машины, которой предстояла длинная конвейерная жизнь.

Таким образом, не достигнув консенсуса, обе стороны договорились о последующей встрече для уточнения формулировок и урегулирования спорных вопросов. Вскоре советские специалисты получили письмо, подписанное президентом Fiat профессором Валеттой, в котором итальянская сторона подробно аргументировала свой отказ от внесения изменений в конструкцию двигателя будущего ВАЗ-2101. Кроме верхнего расположения распределительного вала, Андронов настаивал и на других радикальных нововведениях — в частности, изготовлении блока цилиндров из алюминиевого сплава, а также установке так называемых «мокрых» гильз.

В конце июля 1966-го произошла смена руководства Fiat: пост Валетты занял Джанни Аньелли, являвшийся внуком основателя итальянской марки. Именно поэтому Генеральное соглашение о сотрудничестве СССР и Fiat в августе 1966 года с итальянской стороны подписал именно Аньелли, а не Валетта.

В дальнейшем стороны все же пришли к «общему решению», пойдя на компромисс: советские специалисты согласились на чугунный блок без гильз, по-прежнему отстаивая верхнее расположение распределительного вала и наличие водяных каналов системы охлаждения между цилиндрами.

Интересно, что уже в июньском номере журнала За Рулем за 1968 год сообщалось о верхнем расположении распределительного вала, но в описании также фигурировали гильзы в блоке, которых на серийных моторах не было. Хотя… есть и малоизвестный факт: в начале семидесятых годов на ВАЗе все же изготовили партию двигателей с гильзованным блоком, однако впоследствии от этой идеи окончательно отказались.

Конструкторы приняли верхнеклапанную схему с расположением распределительного вала на головке цилиндров. Кулачки действуют на клапаны через небольшие рычаги (без толкателей и штанг).

В верхней части цилиндров запрессованы короткие гильзы-вставки из антикоррозионного чугуна.

Фактически, речь шла о создании нового двигателя — точнее, быстрой реализации той самой перспективной разработки Fiat, которую наши специалисты видели в Италии.

Рабочий объем при этом остался неизменным (1 198 см³), однако геометрия мотора существенно изменилась, ведь диаметр цилиндров увеличили с 73 до 76 мм, а ход поршня при этом уменьшили с 71,5 мм до 66 мм.

Наша взяла: ключевым отличием советской машины от итальянского исходника стал двигатель с верхним распределительным валом

Такой приём позволил в дальнейшем конструкторам при неизменном межцентровом расстоянии цилиндров в 95 мм «поиграться» с ходом поршня и диаметром цилиндров, изменяя рабочий объем двигателя — сначала до 1,5 л (двигатель 2103), затем до 1,3 (21011) и даже до 1,6 л (2106). Причем как «базовый» двигатель объемом 1,2 литра, так и более мощную «полторашку» для ВАЗ-2103 предоставили итальянцы. Работа по этим моторам, как и по общей конструкции модернизированных версий Fiat 124R и Fiat 124S, велась итальянской инженерной группой под руководством Данте Джакозы в период 1967-1969 годов. Любопытно, что Fiat даже был готов предоставить двухраспредвальный 90-сильный двигатель Fiat-125 для «люксовой» модификации седана под индексом 2103, однако в целях унификации на ВАЗе от него отказались в пользу мотора с одним распредвалом, но увеличенным до 1,5 литра рабочим объемом.

Почему же советские специалисты так настаивали на верхнем расположении распределительного вала? Такая конструкция была заметно компактнее и проще, поскольку в ней не было «лишних» штанг, и кулачки распредвала воздействовали через рычаги прямо на клапаны. Вдобавок «верхневальный» мотор теоретически был более «крутильным», то есть, он легче набирал обороты, что подтвердилось на практике при сравнении «москвичевских» двигателей М-408 и М-412.

Последующие испытания опытных образцов верхневального варианта показали, что «короткоходный» двигатель советской машины на практике оказался более тяговитым и приёмистым, чем итальянский исходник.

Кроме того, с учетом отечественных реалий автомобиль оснастили храповиком и предусмотрели в бампере отверстие под «кривой» стартер – пусковую рукоятку. Правда, высокооборотистый двигатель Жигулей завести с её помощью было невозможно, а предполагалось, что в сильный мороз водитель лишь прокрутит предварительно вручную коленчатый вал для того, чтобы в дальнейшем запустить мотор с помощью стартера.

К середине 1969 года конструкция двигателя (как и автомобиля в целом) уже была согласована окончательно. Таким образом, отечественный автомобиль в числе восьми сотен других отличий от Fiat 124 получил и другой двигатель.

Мотор Жигулей получил не только новую конструкцию, но и другую геометрию

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.

Читать еще:  Давление масла в двигателе витц

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.

Читать еще:  Что такое керамический двигатель

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».

Двухтактный чудо-мотор для пикапа: его придумали русские, выпускали немцы, а довели до ума американцы

Американский разработчик двухтактных оппозитных двигателей Achates Power Inc. испытывает прототип бензинового ДВС с воспламенением от сжатия. Решение, позволяющее значительно сократить объемы вредных выбросов, будет адресовано сегменту LCV.

Недавно сформированное стратегическое партнерство компаний Ricardo и Achates Power Inc. (API) может оказаться полезным для мировой автоиндустрии. Калифорнийский альянс получил грант ARPA-E (Advanced Research Projects Agency-Energy, Агентство передовых исследований в области энергетики) на разработку решений по повышению энергоэффективности и снижению вредных выбросов ДВС полноразмерных пикапов.

Двухтактный 2,7‑литровый двигатель OP-3 мощностью 270 л. с. разработки Achates Power.

Новая программа под условным наименованием Gen II основывается на конструкторских решениях двигателя первой генерации (API Gen I) с встречно движущимися поршнями, делая упор на совершенствование характеристик мощности, крутящего момента, оптимизацию весовых и габаритных параметров, а также снижение вредных выбросов. Упомянутая конфигурация представляет собой ДВС с расположением поршней в два ряда, один напротив другого в общих цилиндрах таким образом, что поршни каждого цилиндра движутся навстречу друг другу и образуют общую камеру сгорания. Компоновка обеспечивает прямоточную продувку — самую совершенную для двухтактного цикла.

Стендовые испытания показали сравнительно низкий уровень вредных выбросов.

Интересно, что идея использования моторов со встречным движением поршней отнюдь не нова. Создателем подобного силового агрегата является российский инженер Раймонд Корейво, который запатентовал свое изобретение в 1907 году. А известным примером реализации этого решения в промышленных масштабах является двухтактный авиационный дизель Junkers Jumo, разработанный в конце 20‑х годов и находившийся в производстве по 1943 год. Однако впоследствии идея не получила ожидаемого отклика со стороны автопрома (одна из причин — в высоком уровне вредных выбросов, что обусловлено неполным окислением продуктов сгорания). Среди тех, кто снова взялся за разработку редких поршневых оппозитников, — вышеупомянутая API. Недавно компания опубликовала технический документ, в котором говорилось о 30 %‑ном улучшении экономии топлива, когда ее двигатель был сравнен с дизелем современного поколения.

Двухтактные авиационные дизели Junkers Jumo с встречно движущимися поршнями были разработаны в конце 20‑х годов, производились по 1943 год.

Разрабатываемый API трехцилиндровый мотор будет иметь рабочий процесс с воспламенением от сжатия бензина — версия OP-3 GCI (Gasoline Cоmpression Ignition). Такой двигатель сочетает в себе характеристики бензинового и дизельного двигателей. Так же как в бензиновом ДВС, в GCI впрыск топлива происходит на такте впуска. Однако вместо использования электрической искры для зажигания части топливной смеси GCI сжимает смесь целиком и сразу, увеличивая ее плотность и температуру, пока она одновременно не воспламенится по всему объему. При этом выбросы NOx, несмотря на чрезвычайно бедную топливную смесь, останутся, как обещают разработчики, на сравнительно низком уровне.

В моторах с встречным движением поршней последние располагались вертикально друг над другом. Из-за того что они находятся в одном цилиндре, создается единая камера сгорания.

Прототип Gen II также получил усовершенствованную систему турбонаддува, электрооборудование напряжением 48 В, проведена оптимизация массогабаритных параметров агрегата. Сообщается, что тестовый пикап Ford F150, оснащенный 2,7‑литровым мотором GCI мощностью 270 л. с., в ходе испытаний показал расход топлива 6,3 л/100 км, что вписывается в нормы американского стандарта CAFÉ до 2025 года.

голоса
Рейтинг статьи
Ссылка на основную публикацию
ВсеИнструменты
Adblock
detector