Пульсирующий воздушно-реактивный двигатель (или пульсирующий реактивный двигатель ) — это тип реактивного двигателя , в котором сгорание происходит импульсами . Пульсирующий воздушно-реактивный двигатель может быть изготовлен с небольшим количеством [1] или без подвижных частей , [2] [3] [4] и способен работать статически (то есть ему не требуется нагнетать воздух во впускное отверстие, как правило, за счет поступательного движения). Наиболее известным примером является Argus As 109-014, использовавшийся для приведения в движение нацистской немецкой летающей бомбы V-1 .
Пульсирующие воздушно-реактивные двигатели представляют собой облегченную форму реактивного движения, но обычно имеют низкую степень сжатия и, следовательно, дают низкий удельный импульс .
Два основных типа пульсирующих воздушно-реактивных двигателей используют резонансное сгорание и используют продукты сгорания для формирования пульсирующей выхлопной струи, которая периодически создает тягу.
Традиционный клапанный пульсирующий реактивный двигатель имеет односторонние клапаны, через которые проходит входящий воздух. Когда топливная смесь воспламеняется, клапаны закрываются, что означает, что нагретые газы могут выходить только через выхлопную трубу двигателя, создавая тем самым прямую тягу.
Второй тип — бесклапанный пульсирующий воздушно-реактивный двигатель. [5] Технические термины для этого двигателя — пульсирующий воздушно-реактивный двигатель акустического типа или пульсирующий воздушно-реактивный двигатель с аэродинамическими клапанами.
Одним из заметных направлений исследований является импульсный детонационный двигатель , в котором используются повторяющиеся детонации в двигателе, и который потенциально может обеспечить высокую степень сжатия и достаточно хорошую эффективность.
Русский изобретатель и отставной артиллерийский офицер Николай Афанасьевич Телешов запатентовал паровой пульсирующий воздушно-реактивный двигатель в 1867 году, в то время как шведский изобретатель Мартин Виберг также претендует на изобретение первого пульсирующего воздушно-реактивного двигателя в Швеции, но подробности неясны.
Первый рабочий пульсирующий воздушно-реактивный двигатель был запатентован в 1906 году русским инженером В. В. Караводиным, который завершил создание действующей модели в 1907 году.
Французский изобретатель Жорж Марконне запатентовал свой бесклапанный пульсирующий воздушно-реактивный двигатель в 1908 году. Он был дедушкой всех бесклапанных пульсирующих воздушно-реактивных двигателей. Бесклапанный пульсирующий воздушно-реактивный двигатель был экспериментально проведен французской исследовательской группой по движению Société Nationale d'Etude et de Construction de Moteurs d'Aviation ( SNECMA ) в конце 1940-х годов.
Рамон Казанова из Риполя , Испания, запатентовал пульсирующий реактивный двигатель в Барселоне в 1917 году, построив его в 1913 году. Роберт Годдард изобрел пульсирующий реактивный двигатель в 1931 году и продемонстрировал его на реактивном велосипеде. [6] Инженер Пауль Шмидт стал пионером более эффективной конструкции, основанной на модификации впускных клапанов (или заслонок), что принесло ему государственную поддержку от Министерства авиации Германии в 1933 году. [7]
Первым широко распространенным применением бесклапанного импульсного воздушно-реактивного двигателя стал голландский беспилотник Aviolanda AT-21 [8].
В 1934 году Георг Ганс Маделунг и работавший в Мюнхене Пауль Шмидт предложили Министерству авиации Германии «летающую бомбу», работающую на пульсирующем воздушном двигателе Шмидта. Прототип бомбы Шмидта был отклонен Министерством авиации Германии, поскольку они не были заинтересованы в ней с тактической точки зрения и оценили ее как технически сомнительную. Первоначальный проект Шмидта предполагал размещение пульсирующего воздушно-реактивного двигателя в фюзеляже, как у современного реактивного истребителя, в отличие от будущего V-1, у которого двигатель был размещен над боеголовкой и фюзеляжем. [9]
Компания Argus начала работу, основанную на работе Шмидта. Другие немецкие производители, работавшие над аналогичными пульсирующими реактивными двигателями и летающими бомбами, были компания Askania, Роберт Люссер из Fieseler , доктор Фриц Госслау из Argus и компания Siemens , которые все объединились для работы над V-1. [7]
С Шмидтом, теперь работающим на Argus, пульсирующий реактивный двигатель был усовершенствован и официально известен под обозначением RLM как Argus As 109-014. Первый падение без двигателя произошло в Пенемюнде 28 октября 1942 года, первый полет с двигателем — 10 декабря 1942 года, а первый запуск с двигателем — 24 декабря 1942 года. [10]
Импульсный реактивный двигатель был оценен как превосходный баланс стоимости и функциональности: простая конструкция, которая хорошо работала при минимальной стоимости. [7] Он мог работать на любом сорте нефти, а система зажигания не была предназначена для работы дольше обычного срока службы V-1 в один час. Хотя он создавал недостаточную тягу для взлета, резонансный реактивный двигатель V-1 мог работать, находясь в неподвижном состоянии на стартовой рампе. Простая резонансная конструкция, основанная на соотношении (8,7:1) диаметра к длине выхлопной трубы, функционировала для поддержания цикла сгорания и достигала стабильной резонансной частоты при 43 циклах в секунду . Двигатель выдавал 2200 Н (490 фунт -сила ) статической тяги и приблизительно 3300 Н (740 фунт- сила ) в полете. [7]
Зажигание в As 014 обеспечивалось одной автомобильной свечой зажигания, установленной примерно в 75 см (30 дюймах) позади переднего блока клапанов. Искра работала только для последовательности запуска двигателя; Argus As 014, как и все импульсные реактивные двигатели, не требовал катушек зажигания или магнето для зажигания — источником зажигания был хвост предшествующего огненного шара во время работы. Корпус двигателя не обеспечивал достаточного тепла, чтобы вызвать воспламенение топлива дизельного типа , поскольку внутри импульсного реактивного двигателя наблюдается незначительное сжатие. [ необходима цитата ]
Массив ламп Argus As 014 был основан на системе затворов, которая работала со скоростью 47 циклов в секунду. [10]
Три воздушных сопла в передней части Argus As 014 были подключены к внешнему источнику высокого давления для запуска двигателя. Топливом, используемым для зажигания, был ацетилен , и техникам приходилось помещать перегородку из дерева или картона в выхлопную трубу, чтобы остановить распространение ацетилена до полного воспламенения. После зажигания двигателя и достижения минимальной рабочей температуры внешние шланги и разъемы были сняты.
V-1, будучи крылатой ракетой, не имела шасси, вместо этого Argus As 014 запускался по наклонной рампе, приводимой в действие поршневой паровой катапультой. Паровая энергия для запуска поршня вырабатывалась посредством бурной экзотермической химической реакции, возникающей при смешивании перекиси водорода и перманганата калия (называемых T-Stoff и Z-Stoff ).
Основное военное применение пульсирующего воздушно-реактивного двигателя, с массовым производством блока Argus As 014 (первый пульсирующий воздушно-реактивный двигатель, когда-либо выпускавшийся серийно), было для использования с летающей бомбой V-1 . Характерный гудящий шум двигателя принес ему прозвища «жужжащая бомба» или «дрозд». V-1 была немецкой крылатой ракетой , использовавшейся во Второй мировой войне , наиболее известной при бомбардировке Лондона в 1944 году. Пульсирующие воздушно-реактивные двигатели, будучи дешевыми и простыми в изготовлении, были очевидным выбором для конструкторов V-1, учитывая нехватку материалов у немцев и перегруженную промышленность на том этапе войны. Конструкторы современных крылатых ракет не выбирают пульсирующие воздушно-реактивные двигатели для движения, предпочитая турбореактивные или ракетные двигатели. Единственными другими применениями пульсирующего воздушно-реактивного двигателя, которые достигли стадии аппаратного обеспечения в нацистской Германии, были Messerschmitt Me 328 и экспериментальный проект Einpersonenfluggerät для немецкого Heer .
Технический персонал Wright Field провел обратную разработку V-1 из остатков одного, который не взорвался в Британии. Результатом стало создание JB-2 Loon с планером, построенным Republic Aviation , и воспроизведенной импульсной воздушно-реактивной силовой установкой Argus As 014, известной под американским обозначением PJ31 , производимой Ford Motor Company .
Генерал Хэп Арнольд из ВВС США был обеспокоен тем, что это оружие можно было построить из стали и дерева, затратив на это 2000 человеко-часов и приблизительную стоимость в 600 долларов США (что эквивалентно 10 565 долларам США в 2023 году). [7]
В 2024 году дочерняя компания Университета Мэриленда Wave Engine Corporation поставила заказчику четыре своих двигателя J-1. J-1 — это пульсирующий воздушно-реактивный двигатель с цифровым управлением для использования в беспилотных летательных аппаратах (БПЛА). [11]
Пульсирующие воздушно-реактивные двигатели характеризуются простотой, низкой стоимостью конструкции и высоким уровнем шума. Хотя отношение тяги к весу превосходно, удельный расход топлива на тягу очень низок. Пульсирующий воздушно-реактивный двигатель использует цикл Ленуара , который, не имея внешнего компрессионного привода, такого как поршень цикла Отто или компрессионная турбина цикла Брайтона , обеспечивает сжатие с помощью акустического резонанса в трубе. Это ограничивает максимальное отношение давлений до сгорания примерно до 1,2 к 1.
Высокий уровень шума обычно делает их непрактичными для использования в других целях, кроме военных и других подобных ограниченных. [8] Однако пульсирующие воздушно-реактивные двигатели широко используются в промышленных системах сушки, и наблюдается всплеск исследований этих двигателей для таких применений, как высокопроизводительное отопление, преобразование биомассы и альтернативные энергетические системы, поскольку пульсирующие воздушно-реактивные двигатели могут работать практически на всем, что горит, включая твердые частицы топлива, такие как опилки или угольный порошок.
Пульсирующие воздушно-реактивные двигатели использовались для питания экспериментальных вертолетов, двигатели крепились к концам лопастей ротора. При обеспечении питания роторов вертолета пульсирующие воздушно-реактивные двигатели имеют преимущество перед турбинными или поршневыми двигателями, поскольку они не создают крутящий момент на фюзеляже , поскольку они не прилагают силу к валу, а толкают кончики. Тогда вертолет может быть построен без хвостового винта и связанного с ним трансмиссионного и приводного вала, что упрощает самолет ( циклическое и коллективное управление основным ротором все еще необходимо). Эта концепция рассматривалась еще в 1947 году, когда American Helicopter Company начала работу над своим прототипом вертолета XA-5 Top Sergeant, оснащенным пульсирующими воздушно-реактивными двигателями на концах ротора. [12] XA-5 впервые поднялся в воздух в январе 1949 года, за ним последовал XA-6 Buck Private с той же конструкцией пульсирующего воздушно-реактивного двигателя. Также в 1949 году Hiller Helicopters построила и испытала Hiller Powerblade, первый в мире ротор с горячим циклом и реактивным двигателем. Хиллер переключился на прямоточные воздушно-реактивные двигатели, установленные на концах лопастей, но American Helicopter продолжила разработку XA-8 по контракту с армией США. Он впервые поднялся в воздух в 1952 году и был известен как XH-26 Jet Jeep . Он использовал пульсирующие воздушно-реактивные двигатели XPJ49, установленные на концах несущих винтов. XH-26 соответствовал всем своим основным проектным целям, но армия отменила проект из-за неприемлемого уровня шума пульсирующих воздушно-реактивных двигателей и того факта, что сопротивление пульсирующих воздушно-реактивных двигателей на концах несущих винтов делало посадку с авторотацией весьма проблематичной. Было заявлено, что движение на концах несущих винтов снижает стоимость производства винтокрылых летательных аппаратов до 1/10 от стоимости производства обычных винтокрылых летательных аппаратов с двигателем. [8]
Пульсирующие реактивные двигатели также использовались как в моделях с кордовым управлением , так и в радиоуправляемых моделях самолетов . Рекорд скорости для моделей самолетов с кордовым управлением, оснащенных пульсирующим реактивным двигателем, составляет более 200 миль в час (322 км/ч).
Скорость свободно летящего радиоуправляемого пульсирующего реактивного двигателя ограничена конструкцией впускного отверстия двигателя. На скорости около 450 км/ч (280 миль/ч) большинство клапанных систем двигателей перестают полностью закрываться из-за давления набегающего потока воздуха, что приводит к потере производительности.
Изменяемая геометрия впуска позволяет двигателю выдавать полную мощность на большинстве скоростей, оптимизируясь для любой скорости, на которой воздух поступает в пульсирующий реактивный двигатель. Бесклапанные конструкции не так негативно влияют на давление набегающего потока воздуха, как другие конструкции, поскольку они никогда не были предназначены для остановки потока из впуска и могут значительно увеличивать мощность на скорости.
Еще одной особенностью пульсирующих воздушно-реактивных двигателей является то, что их тяга может быть увеличена с помощью специально сформированного канала, размещенного позади двигателя. Канал действует как кольцевое крыло , которое выравнивает пульсирующую тягу, используя аэродинамические силы в выхлопе пульсирующего воздушно-реактивного двигателя. Канал, обычно называемый форсажем, может значительно увеличить тягу пульсирующего воздушно-реактивного двигателя без дополнительного расхода топлива. Возможен прирост тяги на 100%, что приводит к гораздо более высокой топливной эффективности . Однако чем больше канал форсажа, тем большее сопротивление он создает, и он эффективен только в определенных диапазонах скоростей.
J-1 — это U-образное устройство, разработанное для беспилотных летательных аппаратов с полной массой транспортного средства до 200 фунтов (90 кг). Он весит 18 фунтов (8,2 кг) и имеет размеры 5,5 x 12,5 x 64 дюйма (14 x 32 x 163 см). Он может работать на таких видах топлива, как бензин, биоэтанол E85 или реактивное топливо. Его тяга достигает 55 фунтов силы (240 Н). Когда топливо воспламеняется, повышенная температура и давление выталкивают горячие газы из устройства, создавая тягу. Образующийся частичный вакуум втягивает свежий воздух, готовясь к следующему импульсу. [11] Семейство двигателей было испытано на скорости до 200 миль в час (320 км/ч). [11]
Wave работает над вторым двигателем, K-1, с тягой до 220 фунтов силы (980 Н) для тяги до 1000 фунтов (450 кг). Компания утверждает, что это принесет пользу более крупным коммерческим приложениям и новому классу VTOL .
В пульсирующих воздушно-реактивных двигателях с клапанами используется механический клапан для управления потоком расширяющегося выхлопа, заставляя горячий газ выходить из задней части двигателя только через выхлопную трубу и позволяя свежему воздуху и большему количеству топлива поступать через впуск, поскольку инерция выходящего выхлопа создает частичный вакуум на долю секунды после каждой детонации. Это втягивает дополнительный воздух и топливо между импульсами.
Импульсный реактивный двигатель с клапанами включает впуск с односторонним клапанным устройством. Клапаны предотвращают выход взрывоопасного газа воспламененной топливной смеси в камере сгорания и нарушение впускного воздушного потока, хотя во всех практических импульсных реактивных двигателях с клапанами есть некоторая «обратная продувка» при работе в статическом режиме или на низкой скорости, поскольку клапаны не могут закрыться достаточно быстро, чтобы предотвратить выход некоторого количества газа через впуск. Перегретые выхлопные газы выходят через акустически резонансную выхлопную трубу.
Впускной клапан обычно представляет собой лепестковый клапан . Две наиболее распространенные конфигурации — это лепестковый клапан и прямоугольная решетка клапана. Лепестковый клапан состоит из тонкого листа материала, который действует как язычок, вырезанного в форме стилизованной ромашки с «лепестками», которые расширяются к концам. Каждый «лепесток» закрывает круглое впускное отверстие на своем кончике. Лепестковый клапан крепится болтами к коллектору через его центр. Хотя его проще построить в небольшом масштабе, он менее эффективен, чем решетка клапана.
Частота цикла в первую очередь зависит от длины двигателя. Для двигателя небольшой модели частота может составлять около 250 импульсов в секунду, тогда как для более крупного двигателя, такого как тот, который использовался на немецкой летающей бомбе V-1 , частота была ближе к 45 импульсам в секунду. Издаваемый низкочастотный звук привел к тому, что ракеты получили прозвище «жужжащие бомбы».
Бесклапанные пульсирующие воздушно-реактивные двигатели не имеют подвижных частей и используют только свою геометрию для управления потоком выхлопных газов из двигателя. Бесклапанные пульсирующие воздушно-реактивные двигатели выбрасывают выхлопные газы как из впускных отверстий , так и из выпускных отверстий, но большая часть создаваемой силы выходит через более широкое поперечное сечение выхлопных газов. Большее количество массы, выходящее из более широкого выхлопа, имеет большую инерцию, чем обратный поток из впускного отверстия, что позволяет ему создавать частичный вакуум в течение доли секунды после каждой детонации, изменяя поток впускного отверстия на правильный, и, следовательно, поглощая больше воздуха и топлива. Это происходит десятки раз в секунду.
Бесклапанный импульсный воздушно-реактивный двигатель работает по тому же принципу, что и клапанный, но «клапан» — это геометрия двигателя. Топливо в виде газа или распыленной жидкости либо смешивается с воздухом во впускном отверстии, либо напрямую впрыскивается в камеру сгорания . Для запуска двигателя обычно требуется принудительная подача воздуха и источник зажигания, такой как свеча зажигания, для топливовоздушной смеси. При современных конструкциях двигателей практически любую конструкцию можно сделать самозапускающейся, снабдив двигатель топливом и искрой зажигания, запустив двигатель без сжатого воздуха. После запуска двигателю требуется только подача топлива для поддержания самоподдерживающегося цикла сгорания.
Цикл сгорания состоит из пяти или шести фаз в зависимости от двигателя: впуск, сжатие, впрыск топлива (опционально), зажигание, сгорание и выхлоп.
Начиная с воспламенения в камере сгорания, в результате сгорания топливовоздушной смеси создается высокое давление.
Инерционная реакция этого газового потока заставляет двигатель обеспечивать тягу, эта сила используется для приведения в движение планера или лопасти ротора. Инерция движущегося выхлопного газа вызывает низкое давление в камере сгорания. Это давление меньше давления на входе (выше по потоку от одностороннего клапана), и поэтому начинается фаза впуска цикла.
В простейшем из пульсирующих воздушно-реактивных двигателей этот впуск осуществляется через трубку Вентури , которая заставляет топливо всасываться из источника топлива. В более сложных двигателях топливо может впрыскиваться непосредственно в камеру сгорания. Когда происходит фаза впуска, топливо в распыленной форме впрыскивается в камеру сгорания, чтобы заполнить вакуум, образованный при вылете предыдущего огненного шара; распыленное топливо пытается заполнить всю трубу, включая выхлопную трубу. Это заставляет распыленное топливо в задней части камеры сгорания «вспыхивать», когда оно вступает в контакт с горячими газами предыдущего столба газа — эта результирующая вспышка «захлопывает» пластинчатые клапаны или, в случае бесклапанных конструкций, останавливает поток топлива до тех пор, пока не образуется вакуум, и цикл повторяется.
Бесклапанные импульсные двигатели бывают разных форм и размеров, и разные конструкции подходят для разных функций. Типичный бесклапанный двигатель будет иметь одну или несколько впускных труб, секцию камеры сгорания и одну или несколько секций выпускной трубы.
Впускная труба всасывает воздух и смешивает его с топливом для сгорания, а также управляет выбросом выхлопных газов, как клапан, ограничивая поток, но не останавливая его полностью. Пока топливно-воздушная смесь сгорает, большая часть расширяющегося газа вытесняется из выхлопной трубы двигателя. Поскольку впускная труба(ы) также выталкивает газ во время цикла выпуска двигателя, большинство бесклапанных двигателей имеют впуски, обращенные назад, так что создаваемая тяга добавляется к общей тяге, а не уменьшает ее.
Сгорание создает два фронта волн давления, один из которых движется вниз по длинной выхлопной трубе, а другой — по короткой впускной трубе. Правильно «настроив» систему (правильно спроектировав размеры двигателя), можно добиться резонирующего процесса сгорания.
В то время как некоторые бесклапанные двигатели известны своим огромным потреблением топлива, другие конструкции потребляют значительно меньше топлива, чем пульсирующие воздушно-реактивные двигатели с клапанами, а правильно спроектированная система с передовыми компонентами и технологиями может конкурировать или даже превосходить топливную эффективность небольших турбореактивных двигателей [ требуется ссылка ] .
Правильно спроектированный бесклапанный двигатель будет превосходен в полете, поскольку у него нет клапанов, а давление набегающего воздуха при движении на высокой скорости не приводит к остановке двигателя, как у клапанного двигателя. Они могут достигать более высоких максимальных скоростей, а некоторые передовые конструкции способны работать на скорости 0,7 Маха или, возможно, выше.
Преимущество акустического типа пульсирующего струйного двигателя заключается в простоте. Поскольку нет движущихся частей , которые могут изнашиваться, их легче обслуживать и проще конструировать.
Сегодня импульсные двигатели используются в беспилотных летательных аппаратах, летающих моделях с кордом управления (а также в радиоуправляемых самолетах), генераторах тумана [13] , а также в промышленных сушильных [14] и бытовых отопительных приборах. Поскольку импульсные двигатели являются эффективным и простым способом преобразования топлива в тепло, экспериментаторы используют их для новых промышленных применений, таких как преобразование биомассы в топливо , а также для систем котлов и обогревателей. [ требуется ссылка ]
Некоторые экспериментаторы продолжают работать над усовершенствованными конструкциями. Двигатели трудно интегрировать в коммерческие пилотируемые самолеты из-за шума и вибрации, хотя они отлично себя проявляют на беспилотных летательных аппаратах меньшего масштаба.
Двигатель с импульсной детонацией (PDE) знаменует собой новый подход к прерывистым реактивным двигателям и обещает более высокую топливную эффективность по сравнению с турбовентиляторными реактивными двигателями, по крайней мере на очень высоких скоростях. Pratt & Whitney и General Electric теперь имеют активные исследовательские программы PDE. Большинство исследовательских программ PDE используют пульсирующие реактивные двигатели для проверки идей на ранней стадии проектирования.
Компания Boeing разработала запатентованную технологию пульсирующего воздушно-реактивного двигателя под названием Pulse Ejector Thrust Augmentor (PETA), которая предлагает использовать пульсирующие воздушно-реактивные двигатели для вертикального подъема в военных и коммерческих самолетах вертикального взлета и посадки . [15]
