Воздушно -реактивный двигатель (или воздушно-реактивный двигатель с канальным двигателем ) — это реактивный двигатель , в котором выхлопным газом , обеспечивающим реактивное движение, является атмосферный воздух , [1] который всасывается, сжимается, нагревается и расширяется обратно до атмосферного давления через реактивное сопло . [2] Сжатие может обеспечиваться газовой турбиной , как в оригинальном турбореактивном двигателе и более новом турбовентиляторном двигателе , [3] [4] или возникать исключительно за счет давления лобовой части скорости транспортного средства, как в прямоточном воздушно-реактивном двигателе и пульсирующем воздушно-реактивном двигателе . [5]
Все практические воздушно-реактивные двигатели нагревают воздух путем сжигания топлива. [1] В качестве альтернативы можно использовать теплообменник , как в ядерном реактивном двигателе. [6] Большинство современных реактивных двигателей являются турбовентиляторными, которые более экономичны, чем турбореактивные, поскольку тяга, создаваемая газовой турбиной, увеличивается за счет воздуха, проходящего через канальный вентилятор . [4]
Первоначальным воздушно-реактивным газотурбинным двигателем был турбореактивный двигатель . [3] Это была концепция, воплощенная в жизнь двумя инженерами, Фрэнком Уиттлом в Англии и Гансом фон Охайном в Германии . Турбореактивный двигатель сжимает и нагревает воздух, а затем выпускает его в виде высокоскоростной, высокотемпературной струи для создания тяги. Хотя эти двигатели способны обеспечивать высокие уровни тяги, они наиболее эффективны на очень высоких скоростях (более 1 Маха) из-за низкого массового расхода и высокой скорости выхлопа струи.
Современные турбовентиляторные двигатели являются развитием турбореактивных двигателей; по сути, это турбовентиляторные двигатели, включающие новую секцию, называемую ступенью вентилятора . Вместо того чтобы использовать все свои выхлопные газы для обеспечения прямой тяги, как турбореактивные двигатели, турбовентиляторные двигатели извлекают часть мощности из выхлопных газов внутри двигателя и используют ее для питания ступени вентилятора. Ступень вентилятора ускоряет большой объем воздуха через канал, минуя ядро двигателя (фактический компонент газовой турбины двигателя), и выбрасывает его сзади в виде струи, создавая тягу. Часть воздуха, который проходит через ступень вентилятора, поступает в ядро двигателя, а не направляется сзади, и, таким образом, сжимается и нагревается; часть энергии извлекается для питания компрессоров и вентиляторов, в то время как остальная часть выбрасывается сзади. Этот высокоскоростной выхлоп горячего газа смешивается с низкоскоростным выхлопом холодного воздуха из ступени вентилятора, и оба вносят вклад в общую тягу двигателя. В зависимости от того, какая доля холодного воздуха обходит зону действия двигателя, турбовентиляторные двигатели можно назвать двигателями с низкой , высокой или очень высокой степенью двухконтурности .
Двигатели с малым двухконтурием были первыми турбовентиляторными двигателями, и обеспечивают большую часть своей тяги за счет горячих выхлопных газов основного сердечника, в то время как ступень вентилятора только дополняет это. Эти двигатели до сих пор часто встречаются на военных истребителях , поскольку они имеют меньшую лобовую площадь, что создает меньшее сопротивление на сверхзвуковых скоростях, оставляя большую часть тяги, создаваемой двигателем, для движения самолета. Их сравнительно высокий уровень шума и дозвуковой расход топлива считаются приемлемыми в таком применении, тогда как, хотя первое поколение турбовентиляторных авиалайнеров использовало двигатели с малым двухконтурием, их высокий уровень шума и расход топлива означают, что они вышли из моды для больших самолетов. Двигатели с большим двухконтурием имеют гораздо большую ступень вентилятора и обеспечивают большую часть своей тяги за счет воздуха, направляемого вентилятором; сердечник двигателя обеспечивает питание ступени вентилятора, и только часть общей тяги исходит от потока выхлопных газов основного сердечника двигателя.
За последние несколько десятилетий наблюдается переход к двигателям с очень высоким двухконтурным контуром , которые используют вентиляторы, намного большие, чем сам сердечник двигателя, который обычно представляет собой современную, высокоэффективную двух- или трехкатушечную конструкцию. Эта высокая эффективность и мощность позволяют таким большим вентиляторам быть жизнеспособными, а увеличенная тяга (до 75 000 фунтов на двигатель в таких двигателях, как Rolls -Royce Trent XWB или General Electric GENx ) позволила перейти к большим двухмоторным самолетам, таким как Airbus A350 или Boeing 777 , а также позволяет двухмоторным самолетам работать на длинных надводных маршрутах , что ранее было прерогативой трех- или четырехмоторных самолетов .
Реактивные двигатели были разработаны для самолетов, но использовались также в качестве двигателей для реактивных автомобилей и лодок для установления рекордов скорости и даже в коммерческих целях, например, на железных дорогах для очистки стрелочных переводов от снега и льда (устанавливались в специальных железнодорожных вагонах) и на гоночных трассах для просушки поверхности рельсов после дождя (устанавливались в специальных тележках, при этом выхлопные газы направлялись на поверхность рельсов).
Воздушно-реактивные двигатели почти всегда являются двигателями внутреннего сгорания , которые получают тягу от сгорания топлива внутри двигателя. Кислород , присутствующий в атмосфере, используется для окисления источника топлива, как правило, реактивного топлива на основе углеводородов . [1] Горящая смесь значительно расширяется в объеме, проталкивая нагретый воздух через сопло .
Газотурбинные реактивные двигатели:
Прямоточный реактивный двигатель:
Импульсный воздушно-реактивный двигатель:
Два инженера, Фрэнк Уиттл в Великобритании и Ганс фон Охайн в Германии , независимо друг от друга разработали концепцию турбореактивного двигателя и воплотили ее в практических двигателях в конце 1930-х годов.
Турбореактивные двигатели состоят из входного отверстия, компрессора , камеры сгорания, турбины (которая приводит в действие компрессор) и сопла. Сжатый воздух нагревается в камере сгорания и проходит через турбину, затем расширяется в сопле, создавая высокоскоростную реактивную струю [3]
Турбореактивные двигатели имеют низкую тяговую эффективность ниже примерно 2 Маха [ требуется цитата ] и производят много шума реактивной струи, и то и другое является результатом очень высокой скорости выхлопа. Современные реактивные самолеты оснащены турбовентиляторными двигателями . Эти двигатели с их более низкой скоростью выхлопа производят меньше шума реактивной струи и потребляют меньше топлива. Турбореактивные двигатели по-прежнему используются для питания крылатых ракет средней дальности [ требуется цитата ] из-за их высокой скорости выхлопа, малой лобовой площади, что снижает сопротивление, и относительной простоты, что снижает стоимость.
Большинство современных реактивных двигателей являются турбовентиляторными. Компрессор низкого давления (КНД), обычно называемый вентилятором, сжимает воздух в обходной канал, в то время как его внутренняя часть нагнетает основной компрессор. Вентилятор часто является неотъемлемой частью многоступенчатого основного КНД. Обходной воздушный поток либо проходит в отдельное «холодное сопло», либо смешивается с выхлопными газами турбины низкого давления, прежде чем расшириться через «смешанное сопло».
В 1960-х годах между гражданскими и военными реактивными двигателями было мало различий, за исключением использования форсажа в некоторых (сверхзвуковых) приложениях. Сегодня турбовентиляторные двигатели используются для авиалайнеров , поскольку их скорость выхлопа лучше соответствует дозвуковой скорости полета авиалайнера. На скоростях полета авиалайнера скорость выхлопа турбореактивного двигателя чрезмерно высока и тратит энергию. Более низкая скорость выхлопа турбовентиляторного двигателя обеспечивает лучший расход топлива. Увеличенный поток воздуха от вентилятора обеспечивает более высокую тягу на низких скоростях. Более низкая скорость выхлопа также обеспечивает гораздо более низкий уровень шума реактивной струи.
Сравнительно большой лобовой вентилятор имеет несколько эффектов. По сравнению с турбореактивным двигателем с одинаковой тягой турбовентиляторный двигатель имеет гораздо больший расход воздуха, а поток через обводной канал создает значительную часть тяги. Дополнительный воздух в канале не воспламеняется, что дает ему низкую скорость, но для обеспечения этой тяги не требуется никакого дополнительного топлива. Вместо этого энергия берется из центрального сердечника, что также дает ему пониженную скорость выхлопа. Таким образом, средняя скорость смешанного выхлопного воздуха уменьшается (низкая удельная тяга ), что менее расточительно по отношению к энергии, но снижает максимальную скорость. В целом турбовентиляторный двигатель может быть намного более экономичным и тихим, и оказывается, что вентилятор также позволяет получить большую чистую тягу на низких скоростях.
Таким образом, гражданские турбовентиляторы сегодня имеют низкую скорость выхлопа (низкую удельную тягу – чистую тягу, деленную на воздушный поток), чтобы свести шум реактивной струи к минимуму и повысить топливную эффективность . Следовательно, степень двухконтурности (поток двухконтурности, деленный на поток основного звена) относительно высока (распространены соотношения от 4:1 до 8:1), а у Rolls-Royce Trent XWB она приближается к 10:1. [7] Требуется только одна ступень вентилятора, поскольку низкая удельная тяга подразумевает низкую степень давления вентилятора.
Турбореактивные двигатели в гражданских самолетах обычно имеют выраженную большую переднюю область для размещения очень большого вентилятора, так как их конструкция подразумевает гораздо большую массу воздуха, обходящего ядро, так что они могут извлечь выгоду из этих эффектов, в то время как в военных самолетах , где шум и эффективность менее важны по сравнению с производительностью и сопротивлением, меньшее количество воздуха обычно обходит ядро. Турбореактивные двигатели, разработанные для дозвуковых гражданских самолетов, также обычно имеют только один передний вентилятор, потому что их дополнительная тяга создается большой дополнительной массой воздуха, который сжат лишь умеренно, а не меньшим количеством воздуха, который сильно сжат.
Однако военные турбовентиляторные двигатели имеют относительно высокую удельную тягу , чтобы максимизировать тягу для заданной лобовой площади, а шум реактивной струи вызывает меньше беспокойства в военных целях по сравнению с гражданскими. Многоступенчатые вентиляторы обычно необходимы для достижения относительно высокого коэффициента давления вентилятора, необходимого для высокой удельной тяги. Хотя часто используются высокие температуры на входе в турбину, коэффициент двухконтурности, как правило, низкий, обычно значительно меньше 2,0.
Турбовинтовые двигатели являются производными от реактивных двигателей, все еще газовыми турбинами, которые извлекают работу из струи горячего выхлопа для вращения вращающегося вала, который затем используется для создания тяги некоторыми другими способами. Хотя они не являются строго реактивными двигателями, поскольку они полагаются на вспомогательный механизм для создания тяги, турбовинтовые двигатели очень похожи на другие турбинные реактивные двигатели и часто описываются как таковые.
В турбовинтовых двигателях часть тяги двигателя создается вращением винта , а не только высокоскоростным реактивным выхлопом. Производя тягу в обоих направлениях, турбовинтовые двигатели иногда называют типом гибридного реактивного двигателя. Они отличаются от турбовентиляторных тем, что традиционный винт, а не канальный вентилятор, обеспечивает большую часть тяги. Большинство турбовинтовых двигателей используют редуктор между турбиной и винтом. ( Редукторные турбовентиляторные двигатели также имеют редуктор, но они менее распространены.) Выхлоп горячей струи является важной меньшинством тяги, а максимальная тяга достигается путем сопоставления двух вкладов тяги. [8] Турбовинтовые двигатели, как правило, имеют лучшую производительность, чем турбореактивные или турбовентиляторные двигатели на низких скоростях, где эффективность винта высока, но становятся все более шумными и неэффективными на высоких скоростях. [9]
Турбовальные двигатели очень похожи на турбовинтовые, отличаясь тем, что почти вся энергия выхлопных газов извлекается для вращения вращающегося вала, который используется для приведения в действие механизмов, а не пропеллера; поэтому они генерируют небольшую реактивную тягу или вообще не генерируют ее, и часто используются для приведения в действие вертолетов . [10]
Винтовой вентилятор (также называемый «необтекаемый вентилятор», «открытый ротор» или «сверхвысокий байпас») — это реактивный двигатель, который использует свой газогенератор для питания открытого вентилятора, аналогично турбовинтовым двигателям. Как и турбовинтовые двигатели, винтовые вентиляторы генерируют большую часть своей тяги от винта, а не от выхлопной струи. Основное различие между конструкцией турбовинтового и винтового вентилятора заключается в том, что лопасти винта на винтовом вентиляторе имеют большую стреловидность, что позволяет им работать на скоростях около 0,8 Маха , что конкурентоспособно с современными коммерческими турбовентиляторными двигателями. Эти двигатели обладают преимуществами топливной экономичности турбовинтовых двигателей с производительностью коммерческих турбовентиляторных двигателей. [11] Хотя были проведены значительные исследования и испытания (включая летные испытания) винтовых вентиляторов, ни один из них не был запущен в производство.
Основные компоненты турбореактивного двигателя, включая турбовентиляторные, турбовинтовые и турбовальные двигатели:
Различные компоненты, названные выше, имеют ограничения на то, как они объединяются для получения максимальной эффективности или производительности. Производительность и эффективность двигателя никогда не могут рассматриваться изолированно; например, топливная/дистанционная эффективность сверхзвукового реактивного двигателя максимальна примерно при 2 Махах, тогда как сопротивление для транспортного средства, несущего его, увеличивается по квадратичному закону и имеет значительное дополнительное сопротивление в околозвуковой области. Таким образом, самая высокая топливная эффективность для всего транспортного средства обычно составляет около 0,85 Маха.
Для оптимизации двигателя для его предполагаемого использования важны конструкция воздухозаборника, общие размеры, количество ступеней компрессора (комплектов лопаток), вид топлива, количество ступеней выхлопа, металлургия компонентов, количество используемого перепускного воздуха, место ввода перепускного воздуха и многие другие факторы. Примером может служить конструкция воздухозаборника.
Термодинамика типичного воздушно-реактивного двигателя приблизительно моделируется циклом Брайтона , который представляет собой термодинамический цикл , описывающий работу газотурбинного двигателя, который является основой воздушно-реактивного двигателя и других. Он назван в честь Джорджа Брайтона (1830–1892), американского инженера, который его разработал, хотя первоначально он был предложен и запатентован англичанином Джоном Барбером в 1791 году. [2] Иногда его также называют циклом Джоуля .
Номинальная чистая тяга, указанная для реактивного двигателя, обычно относится к статическому состоянию уровня моря (SLS), либо к Международной стандартной атмосфере (ISA), либо к условиям жаркого дня (например, ISA+10 °C). Например, GE90-76B имеет взлетную статическую тягу 76 000 фунтов силы (360 кН) при SLS, ISA+15 °C.
Естественно, что чистая тяга будет уменьшаться с высотой из-за меньшей плотности воздуха. Однако есть еще и эффект скорости полета.
Первоначально, когда самолет набирает скорость на взлетно-посадочной полосе, давление и температура сопла будут увеличиваться незначительно, поскольку подъем тяги во впускном отверстии очень мал. Также будет мало изменений в массовом расходе. Следовательно, полная тяга сопла изначально увеличивается лишь незначительно со скоростью полета. Однако, будучи воздушно-реактивным двигателем (в отличие от обычной ракеты), существует штраф за забор воздуха на борт из атмосферы. Это известно как сопротивление тяги. Хотя штраф равен нулю в статических условиях, он быстро увеличивается со скоростью полета, вызывая эрозию чистой тяги.
По мере того, как скорость полета нарастает после взлета, подъем плунжера во впускном отверстии начинает оказывать значительное влияние на давление/температуру сопла и поток воздуха на впуске, заставляя общую тягу сопла расти быстрее. Этот термин теперь начинает компенсировать все еще увеличивающееся сопротивление плунжера, в конечном итоге заставляя чистую тягу начать расти. В некоторых двигателях чистая тяга, скажем, при скорости Маха 1,0 на уровне моря, может быть даже немного больше статической тяги. Выше Маха 1,0, при дозвуковой конструкции воздухозаборника, потери на удар имеют тенденцию уменьшать чистую тягу, однако надлежащим образом спроектированный сверхзвуковой воздухозаборник может дать меньшее снижение восстановления давления на впуске, позволяя чистой тяге продолжать расти в сверхзвуковом режиме.
Реактивные двигатели обычно очень надежны и имеют очень хорошие показатели безопасности. Однако иногда случаются отказы.
В некоторых случаях в реактивных двигателях условия в двигателе из-за воздушного потока, поступающего в двигатель, или других изменений могут привести к остановке лопаток компрессора . Когда это происходит, давление в двигателе вырывается за пределы лопаток, и останов сохраняется до тех пор, пока давление не уменьшится, и двигатель не потеряет всю тягу. Затем лопатки компрессора обычно выходят из останова и снова нагнетают давление в двигателе. Если условия не исправить, цикл обычно повторяется. Это называется помпажем . В зависимости от двигателя это может быть очень вредно для двигателя и создавать тревожные вибрации для экипажа.
Отказы лопаток вентилятора, компрессора или турбины должны быть локализованы в корпусе двигателя. Для этого двигатель должен быть спроектирован так, чтобы пройти испытания на локализацию лопаток, как указано сертификационными органами. [15]
Термин «проглатывание птиц» используется, когда птицы попадают в воздухозаборник реактивного двигателя. Это распространенная угроза безопасности полетов и приводит к смертельным случаям. В 1988 году Boeing 737 авиакомпании Ethiopian Airlines проглотил голубей в оба двигателя во время взлета, а затем разбился при попытке вернуться в аэропорт Бахр-Дар ; из 104 человек на борту 35 погибли и 21 получили ранения. В другом инциденте в 1995 году Dassault Falcon 20 разбился в парижском аэропорту во время попытки аварийной посадки после того, как чибисы попали в двигатель, что привело к отказу двигателя и пожару в фюзеляже самолета ; все 10 человек на борту погибли. [16]
Реактивные двигатели должны быть спроектированы так, чтобы выдерживать проглатывание птиц определенного веса и количества, и не терять больше, чем определенное количество тяги. Вес и количество птиц, которые могут быть проглочены без угрозы для безопасного полета самолета, связаны с площадью воздухозаборника двигателя. [17] В 2009 году самолет Airbus A320 , рейс 1549 US Airways , проглотил по одной канадской казарке в каждый двигатель. Самолет совершил вынужденную посадку в реку Гудзон после взлета из международного аэропорта Ла-Гуардия в Нью-Йорке. Погибших не было. Инцидент проиллюстрировал опасность проглатывания птиц сверх «предусмотренного» предела.
Результат события проглатывания и то, приведет ли оно к аварии, будь то на небольшом быстром самолете, таком как военные истребители , или на большом транспортном самолете, зависит от количества и веса птиц и места, где они ударяются о лопасти вентилятора или носовой обтекатель. Повреждение сердцевины обычно происходит при ударах вблизи основания лопасти или носового обтекателя.
Немногие птицы летают высоко, поэтому наибольший риск проглатывания птицы возникает во время взлета и посадки, а также во время полета на малой высоте.
Если реактивный самолет летит через воздух, загрязненный вулканическим пеплом , существует риск того, что проглоченный пепел вызовет эрозионное повреждение лопаток компрессора, закупорку воздушных отверстий топливных форсунок и закупорку охлаждающих каналов турбины. Некоторые из этих эффектов могут привести к помпажу двигателя или его загоранию во время полета. Повторные запуски обычно успешны после загорания, но со значительной потерей высоты. Так было с рейсом 9 British Airways, который пролетел через вулканическую пыль на высоте 37 000 футов. Все 4 двигателя загорелись, и попытки повторного запуска были успешными на высоте около 13 000 футов. [18]
Одним из видов отказов, вызвавших аварии, является неконтролируемый отказ, когда вращающиеся части двигателя отрываются и выходят через корпус. Эти высокоэнергетические детали могут перерезать топливные и управляющие магистрали и могут проникнуть в салон. Хотя топливные и управляющие магистрали обычно дублируются для надежности, крушение рейса 232 авиакомпании United Airlines произошло, когда гидравлические магистрали всех трех независимых гидравлических систем были одновременно разорваны осколками из-за неконтролируемого отказа двигателя. До крушения United 232 вероятность одновременного отказа всех трех гидравлических систем считалась высокой как миллиард к одному. Однако статистические модели, использованные для получения этой цифры, не учитывали тот факт, что двигатель номер два был установлен в хвосте, близко ко всем гидравлическим магистралям, а также возможность того, что отказ двигателя приведет к выбросу множества осколков во многих направлениях. С тех пор более современные конструкции авиационных двигателей были сосредоточены на том, чтобы не допустить проникновения осколков в капот или воздуховоды, и все чаще использовали высокопрочные композитные материалы для достижения требуемой стойкости к проникновению при сохранении низкого веса.
В 2007 году стоимость авиатоплива , хотя и сильно различалась у разных авиакомпаний, в среднем составляла 26,5% от общих эксплуатационных расходов, что сделало ее крупнейшей статьей эксплуатационных расходов для большинства авиакомпаний. [19]
Реактивные двигатели обычно работают на ископаемом топливе и, таким образом, являются источником углекислого газа в атмосфере. Реактивные двигатели также могут работать на биотопливе или водороде, хотя водород обычно производится из ископаемого топлива.
Около 7,2% нефти, использованной в 2004 году, было потреблено реактивными двигателями. [20]
Некоторые ученые [ кто? ] полагают, что реактивные двигатели также являются источником глобального затемнения из-за водяного пара в выхлопных газах, вызывающего образование облаков. [ нужна ссылка ]
Азотные соединения также образуются в процессе горения в результате реакций с атмосферным азотом. На малых высотах это не считается особенно вредным, но для сверхзвуковых самолетов, которые летают в стратосфере, может произойти некоторое разрушение озона.
Сульфаты также выбрасываются, если топливо содержит серу.
Прямоточный воздушно-реактивный двигатель — это разновидность воздушно-реактивного двигателя, использующего поступательное движение двигателя для сжатия входящего воздуха без роторного компрессора. Прямоточные воздушно-реактивные двигатели не могут создавать тягу при нулевой скорости воздуха и, таким образом, не могут сдвинуть самолет с места. Прямоточным воздушно-реактивным двигателям требуется значительная скорость движения вперед для хорошей работы, и как класс они работают наиболее эффективно на скоростях около 3 Маха . Этот тип реактивного двигателя может работать на скоростях до 6 Маха.
Они состоят из трех секций: вход для сжатия входящего воздуха, камера сгорания для впрыска и сжигания топлива и сопло для выталкивания горячих газов и создания тяги. Прямоточным воздушно-реактивным двигателям требуется относительно высокая скорость для эффективного сжатия входящего воздуха, поэтому прямоточные воздушно-реактивные двигатели не могут работать в состоянии покоя и наиболее эффективны на сверхзвуковых скоростях. Ключевой особенностью прямоточных воздушно-реактивных двигателей является то, что сгорание происходит на дозвуковых скоростях. Сверхзвуковой входящий воздух резко замедляется через вход, где затем сгорает на гораздо более медленных, дозвуковых, скоростях. [21] Однако чем быстрее входящий воздух, тем менее эффективно замедлять его до дозвуковых скоростей. Поэтому прямоточные воздушно-реактивные двигатели ограничены приблизительно 5 Махами. [22]
Прямоточные воздушно-реактивные двигатели могут быть особенно полезны в приложениях, требующих небольшого и простого двигателя для высокоскоростного использования, таких как ракеты , в то время как конструкторы оружия стремятся использовать технологию прямоточных воздушно-реактивных двигателей в артиллерийских снарядах, чтобы увеличить дальность: ожидается, что 120-мм минометный снаряд, если его дополнить прямоточным воздушно-реактивным двигателем, сможет достичь дальности 22 мили (35 км). [23] Они также успешно использовались, хотя и неэффективно, в качестве концевых сопел на винтах вертолетов . [24] Импульсные воздушно-реактивные двигатели — это дозвуковые двигатели, которые также используют сжатие прямоточного двигателя, но с прерывистым сгоранием, в отличие от непрерывного сгорания, используемого в прямоточном воздушно-реактивном двигателе. Они представляют собой совершенно особый тип реактивного двигателя.
ГПВРД — это эволюция прямоточных воздушно-реактивных двигателей, которые способны работать на гораздо более высоких скоростях, чем любой другой тип воздушно-реактивного двигателя. Они имеют схожую структуру с ПВРД, представляя собой трубу особой формы, которая сжимает воздух без подвижных частей посредством сжатия набегающего потока воздуха. Они состоят из впускного отверстия, камеры сгорания и сопла. Основное различие между ПВРД и ГПВРД заключается в том, что ГПВРД не замедляют встречный поток воздуха до дозвуковых скоростей для сгорания. Таким образом, ГПВРД не имеют диффузора, необходимого ПВРД для замедления входящего потока воздуха до дозвуковых скоростей. Вместо этого они используют сверхзвуковое сгорание, и название «ГПВРД» происходит от « Supersonic C ombusting Ramjet » .
ГПВРД начинают работать на скоростях не менее 4 Маха и имеют максимальную полезную скорость около 17 Маха. [25] Из-за аэродинамического нагрева на таких высоких скоростях охлаждение представляет собой сложную задачу для инженеров.
Поскольку ГПВРД используют сверхзвуковое сгорание, они могут работать на скоростях выше 6 Маха, где традиционные ПВРД слишком неэффективны. Другое различие между ПВРД и ГПВРД заключается в том, как каждый тип двигателя сжимает набегающий поток воздуха: в то время как входное отверстие обеспечивает большую часть сжатия для ПВРД, высокие скорости, на которых работают ГПВРД, позволяют им использовать сжатие, создаваемое ударными волнами , в первую очередь косыми скачками уплотнения . [26]
Очень мало гиперзвуковых прямоточных двигателей когда-либо были построены и запущены в эксплуатацию. В мае 2010 года Boeing X-51 установил рекорд по продолжительности работы гиперзвукового прямоточного двигателя, составивший более 200 секунд. [27]
Работа турбореактивного двигателя во всем диапазоне полета от нуля до 3+ Маха требует характеристик, позволяющих компрессору нормально функционировать при высоких температурах на входе свыше 2,5 Маха, а также на низких скоростях полета. [28] Решение компрессора J58 заключалось в отборе воздушного потока из 4-й ступени компрессора на скоростях выше примерно 2 Маха. [29] Отборный поток, 20% при 3 Маха, возвращался в двигатель через 6 внешних трубок для охлаждения форсажной камеры и первичного сопла, а также для подачи дополнительного воздуха для сгорания. [30] Двигатель J58 был единственным действующим турбореактивным двигателем, спроектированным для непрерывной работы даже при максимальном форсаже для крейсерской скорости 3,2 Маха.
Альтернативное решение можно увидеть в современной установке, которая не достигла эксплуатационного статуса, Mach 3 GE YJ93/XB-70. Он использовал переменный компрессор статора. [31] Еще одно решение было указано в предложении для разведывательного самолета Mach 3 Phantom. Это было охлаждение до компрессора, хотя и доступное в течение относительно короткого периода времени. [32] [33]
Реактивные двигатели могут работать практически на любом топливе. Водород является весьма желанным топливом, поскольку, хотя энергия на моль не необычно высока, молекула намного легче других молекул. Энергия на кг водорода в два раза больше, чем у более распространенных видов топлива, и это дает в два раза больший удельный импульс. Кроме того, реактивные двигатели, работающие на водороде, довольно легко построить — первый в истории турбореактивный двигатель работал на водороде. Кроме того, хотя это и не двигатели с канальным двигателем, ракетные двигатели на водородном топливе нашли широкое применение.
Однако, почти во всех других отношениях, водород проблематичен. Недостатком водорода является его плотность; в газообразной форме баки непрактичны для полета, но даже в форме жидкого водорода он имеет плотность в одну четырнадцатую от плотности воды. Он также глубоко криогенен и требует очень значительной изоляции, которая исключает его хранение в крыльях. В целом транспортное средство в конечном итоге будет очень большим и трудным для размещения в большинстве аэропортов. Наконец, чистый водород не встречается в природе и должен быть произведен либо путем паровой конверсии , либо путем дорогостоящего электролиза . Несколько экспериментальных самолетов на водородном топливе летали с пропеллерами, и были предложены реактивные двигатели, которые могут быть осуществимы. [34]
Идея, выдвинутая Робертом П. Кармайклом в 1955 году [35], заключается в том, что двигатели на водородном топливе теоретически могли бы иметь гораздо более высокую производительность, чем двигатели на углеводородном топливе, если бы для охлаждения входящего воздуха использовался теплообменник. Низкая температура позволяет использовать более легкие материалы, более высокий массовый поток через двигатели и позволяет камерам сгорания впрыскивать больше топлива без перегрева двигателя.
Эта идея приводит к правдоподобным проектам, таким как Reaction Engines SABRE , которые могли бы позволить одноступенчатые ракеты-носители на орбиту , [36] и ATREX , которые могли бы позволить использовать реактивные двигатели вплоть до гиперзвуковых скоростей и больших высот для ускорителей ракет-носителей. Идея также исследуется ЕС для концепции достижения беспосадочного антиподального сверхзвукового пассажирского путешествия на скорости 5 Махов ( Reaction Engines A2 ).
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. [37]
Для обозначения числа оборотов в минуту или скорости вращения ротора реактивного двигателя обычно используются сокращения:
Во многих случаях вместо отображения скорости вращения ротора (N 1 , N 2 ) в виде RPM на дисплеях кабины пилотам предоставляются скорости, выраженные в процентах от расчетной скорости. Например, на полной мощности N 1 может составлять 101,5% или 100%. Это решение пользовательского интерфейса было принято в качестве соображения человеческого фактора , поскольку пилоты с большей вероятностью заметят проблему с двух- или трехзначным процентом (где 100% подразумевает номинальное значение), чем с пятизначным RPM.
Гессе, В. Дж.; Мамфорд, Н. В. С. (1964). Реактивное движение для аэрокосмических применений . Нью-Йорк: Pitman Publishing Corp.