Воздушный турборакетный двигатель является формой реактивного двигателя комбинированного цикла . Базовая компоновка включает в себя газогенератор , который производит газ высокого давления, который приводит в действие узел турбины/компрессора, который сжимает атмосферный воздух в камере сгорания. Затем эта смесь сжигается перед тем, как покинуть устройство через сопло и создать тягу.
Существует множество различных типов воздушных турборакет. Различные типы, как правило, различаются по принципу работы газогенераторной секции двигателя.
Воздушные турборакеты часто называют турбопрямоточными реактивными двигателями , турбопрямоточными ракетами , турборакетными расширителями и многими другими. Поскольку нет единого мнения о том, какие названия относятся к каким конкретным концепциям, различные источники могут использовать одно и то же название для двух разных концепций. [1]
Преимущество этой установки в увеличении удельного импульса по сравнению с ракетой. При той же массе топлива, что и у ракетного двигателя, общая мощность воздушного турборакетного двигателя намного выше. Кроме того, он обеспечивает тягу в гораздо более широком диапазоне скоростей, чем прямоточный воздушно-реактивный двигатель, но при этом намного дешевле и проще в управлении, чем газотурбинный двигатель. Воздушный турборакетный двигатель занимает нишу (по стоимости, надежности, прочности и продолжительности тяги) между твердотопливным ракетным двигателем и газотурбинным двигателем для ракетных применений.
Турбореактивный двигатель — это тип авиационного двигателя, сочетающий элементы реактивного двигателя и ракеты . Обычно он состоит из многоступенчатого вентилятора, приводимого в действие турбиной, которая приводится в действие горячими газами, выбрасываемыми из ряда небольших ракетоподобных двигателей, установленных вокруг входного отверстия турбины. Выхлопные газы турбины смешиваются с нагнетаемым воздухом вентилятора и сгорают вместе с воздухом из компрессора перед выпуском через сходящееся-расходящееся сопло .
Как только реактивный двигатель поднимается достаточно высоко в атмосферу, кислорода становится недостаточно для сжигания реактивного топлива . Идея турборакеты заключается в том, чтобы дополнить атмосферный кислород бортовым запасом. Это позволяет работать на гораздо большей высоте, чем это позволяет обычный двигатель.
Конструкция турборакеты предлагает смесь преимуществ с недостатками. Это не настоящая ракета, поэтому она не может работать в космосе. Охлаждение двигателя не является проблемой, поскольку горелка и ее горячие выхлопные газы расположены за лопатками турбины.
Воздушный турбопрямоточный воздушно-реактивный двигатель — это двигатель комбинированного цикла, который объединяет аспекты турбореактивного и прямоточного воздушно-реактивного двигателей. Турбореактивный воздушно-реактивный двигатель — это гибридный двигатель, который по сути состоит из турбореактивного двигателя, установленного внутри прямоточного воздушно-реактивного двигателя. Сердечник турбореактивного двигателя установлен внутри воздуховода, который содержит камеру сгорания ниже по потоку от сопла турбореактивного двигателя. Турбореактивный воздушно-реактивный двигатель может работать в режиме турбореактивного двигателя на взлете и во время полета на низкой скорости, но затем переключается в режим прямоточного воздушно-реактивного двигателя для ускорения до высоких чисел Маха.
Работа двигателя контролируется с помощью перепускных заслонок, расположенных сразу за диффузором. Во время полета на низкой скорости управляемые заслонки закрывают перепускной канал и нагнетают воздух непосредственно в компрессорную секцию турбореактивного двигателя. Во время полета на высокой скорости заслонки блокируют поток в турбореактивный двигатель, и двигатель работает как прямоточный воздушно-реактивный двигатель, используя заднюю камеру сгорания для создания тяги. Двигатель будет работать как турбореактивный двигатель во время взлета и при наборе высоты. При достижении высокой дозвуковой скорости часть двигателя, расположенная за турбореактивным двигателем, будет использоваться в качестве форсажной камеры для ускорения самолета выше скорости звука. [2]
На более низких скоростях воздух проходит через впускное отверстие и затем сжимается осевым компрессором . Этот компрессор приводится в действие турбиной , которая питается горячим газом высокого давления из камеры сгорания. [3] Эти начальные аспекты очень похожи на то, как работает турбореактивный двигатель, однако есть несколько отличий. Первое заключается в том, что камера сгорания в турбопрямоточном воздушном двигателе часто отделена от основного воздушного потока. Вместо того, чтобы объединять воздух из компрессора с топливом для сгорания, камера сгорания турбопрямоточного воздушно-реактивного двигателя может использовать водород и кислород , перевозимые на борту самолета, в качестве топлива для камеры сгорания. [4]
Воздух, сжатый компрессором, обходит камеру сгорания и турбинную секцию двигателя, где он смешивается с выхлопом турбины. Выхлоп турбины может быть спроектирован так, чтобы быть обогащенным топливом (т. е. камера сгорания не сжигает все топливо), что при смешивании со сжатым воздухом создает горячую топливно-воздушную смесь, которая готова снова гореть. Больше топлива впрыскивается в этот воздух, где оно снова сгорает. Выхлоп выбрасывается через сопло , создавая тягу. [5]
На изображении не хватает необходимого байпасного воздуховода вокруг компрессора для работы прямоточного воздушно-реактивного двигателя. Показан турбореактивный двигатель с низким байпасом и промежуточным нагревом.
Турбореактивный двигатель используется, когда пространство ограничено, так как он занимает меньше места, чем отдельные прямоточные и турбореактивные двигатели. Поскольку прямоточный воздушно-реактивный двигатель должен уже двигаться на высоких скоростях, прежде чем он начнет работать, самолет с прямоточным воздушно-реактивным двигателем не способен взлетать с взлетно-посадочной полосы самостоятельно; в этом преимущество турбореактивного двигателя, который является членом семейства газотурбинных двигателей. Турбореактивный двигатель не полагается исключительно на движение двигателя для сжатия входящего воздушного потока; вместо этого турбореактивный двигатель содержит некоторые дополнительные вращающиеся механизмы, которые сжимают входящий воздух и позволяют двигателю функционировать во время взлета и на малых скоростях. Для потока между 3 и 3,5 Маха во время крейсерского полета, скоростей, на которых турбореактивный двигатель не мог бы функционировать из-за температурных ограничений лопаток его турбины, эта конструкция обеспечивает возможность работать от нулевой скорости до более 3 Маха, используя лучшие характеристики как турбореактивного, так и прямоточного воздушно-реактивного двигателя, объединенные в одном двигателе. [2]
В приложениях, которые остаются относительно в атмосфере и требуют более длительной низкой тяги в определенном диапазоне скоростей, воздушный турборакетный двигатель может иметь преимущество в весе по сравнению со стандартным твердотопливным ракетным двигателем. С точки зрения объемных требований ракетный двигатель имеет преимущество из-за отсутствия впускных каналов и других устройств управления воздухом.