Импульсный реактивный двигатель (или импульсно-реактивный двигатель ) — разновидность реактивного двигателя , в котором сгорание происходит импульсами . Импульсный реактивный двигатель может быть изготовлен с небольшим количеством [1] или вообще без движущихся частей , [2] [3] [4] и способен работать статически (т. е. ему не требуется подача воздуха на его входное отверстие, обычно при движении вперед). . Самым известным примером может быть Argus As 109-014, который использовался для запуска летающей бомбы Фау-1 нацистской Германии .
Импульсные реактивные двигатели представляют собой легкую форму реактивного движения, но обычно имеют плохую степень сжатия и, следовательно, дают низкий удельный импульс .
Существует два основных типа импульсных реактивных двигателей, оба из которых используют резонансное сгорание и используют расширяющиеся продукты сгорания для формирования пульсирующей выхлопной струи, которая периодически создает тягу. Первый известен как клапанный или традиционный импульсный струйный двигатель и имеет набор односторонних клапанов, через которые проходит входящий воздух. Когда топливовоздушная смесь воспламеняется, эти клапаны захлопываются, а это означает, что горячие газы могут выйти только через выхлопную трубу двигателя, создавая тем самым прямую тягу. Второй тип импульсной струи известен как бесклапанная импульсная струя. [5] Технически этот двигатель называется импульсным воздушно-реактивным двигателем акустического типа или импульсно-реактивным двигателем с аэродинамическим клапаном.
Одним из примечательных направлений исследований импульсных реактивных двигателей является импульсно-детонационный двигатель , который включает в себя повторяющиеся детонации в двигателе и потенциально может обеспечить высокую степень сжатия и достаточно хороший КПД.
Русский изобретатель и отставной артиллерийский офицер Николай Афанасьевич Телешов запатентовал паровой импульсный реактивный двигатель в 1867 году, а шведский изобретатель Мартин Виберг также претендует на изобретение первого импульсного реактивного двигателя в Швеции, но подробности неясны.
Первый работающий импульсный воздушно-реактивный двигатель был запатентован в 1906 году русским инженером В. В. Караводиным, который завершил работающую модель в 1907 году. Французский изобретатель Жорж Марконне запатентовал свой бесклапанный импульсно-реактивный двигатель в 1908 году, а Рамон Казанова из Риполя , Испания , запатентовал импульсный воздушно-реактивный двигатель в Барселоне в 1917 году. , сконструировавший его в 1913 году. Роберт Годдард изобрел импульсный реактивный двигатель в 1931 году и продемонстрировал его на велосипеде с реактивным двигателем. [6] Инженер Пауль Шмидт первым разработал более эффективную конструкцию, основанную на модификации впускных клапанов (или закрылков), за что получил государственную поддержку от Министерства авиации Германии в 1933 году. [7]
В 1909 году Жорж Марконне разработал первую пульсирующую камеру сгорания без клапанов. Это был дедушка всех бесклапанных импульсных реактивных двигателей. Бесклапанный импульсный воздушно-реактивный двигатель экспериментировал с французской исследовательской группой по двигательным установкам SNECMA (Société Nationale d'Etude et de Construction de Moteurs d'Aviation) в конце 1940-х годов.
Первым широкомасштабным применением бесклапанного импульсного реактивного двигателя стал голландский беспилотник Aviolanda AT-21 [8].
В 1934 году Георг Ханс Маделунг и житель Мюнхена Пауль Шмидт предложили Министерству авиации Германии «летающую бомбу», приводящуюся в действие импульсным реактивным двигателем Шмидта. Маделунг был соавтором ленточного парашюта — устройства, используемого для стабилизации Фау-1 во время конечного пикирования. [ нужна цитата ] Прототип бомбы Шмидта не соответствовал спецификациям Министерства авиации Германии, особенно из-за низкой точности, дальности полета и высокой стоимости. В оригинальной конструкции Шмидта импульсный реактивный двигатель располагался в фюзеляже, как у современного реактивного истребителя, в отличие от будущего Фау-1, у которого двигатель располагался над боеголовкой и фюзеляжем. [ нужна цитата ]
Компания «Аргус» начала работу на основе работ Шмидта. Другими немецкими производителями, работавшими над аналогичными импульсными реактивными двигателями и летающими бомбами, были компания Askania, Роберт Люссер из Fieseler , доктор Фриц Госслау из Argus и компания Siemens , которые объединились для работы над Фау-1. [7]
Теперь, когда Шмидт работал в Argus, импульсный реактивный двигатель был усовершенствован и официально известен под обозначением RLM как Argus As 109-014. Первое падение без двигателя произошло в Пенемюнде 28 октября 1942 года, а первый полет с двигателем - 10 декабря 1942 года .
Pulsejet был оценен как превосходный баланс стоимости и функциональности: простая конструкция, хорошо работающая при минимальных затратах. [7] Он мог работать на любом сорте нефти, а система зажигания не была рассчитана на срок службы, превышающий обычный срок службы Фау-1, составляющий один час. Хотя резонансная струя Фау-1 создавала недостаточную для взлета тягу, она могла работать, находясь неподвижно на стартовой рампе. Простая резонансная конструкция, основанная на соотношении (8,7:1) диаметра выхлопной трубы к длине, обеспечивала сохранение цикла сгорания и обеспечивала стабильную резонансную частоту на уровне 43 циклов в секунду . Двигатель развивал статическую тягу 2200 Н (490 фунтов- ф ) и примерно 3300 Н (740 фунтов- ф ) в полете. [7]
Зажигание в As 014 обеспечивалось одной автомобильной свечой зажигания, установленной примерно в 75 см (30 дюймов) позади передней группы клапанов. Искра работала только при запуске двигателя; Argus As 014, как и все импульсные реактивные двигатели, не требовал для зажигания катушек зажигания или магнето - источником зажигания был хвост предыдущего огненного шара во время разбега. Корпус двигателя не обеспечивал достаточного тепла, чтобы вызвать воспламенение топлива дизельного типа , поскольку внутри импульсного воздушно-реактивного двигателя имеется незначительное сжатие. [ нужна цитата ]
Клапанная система Argus As 014 была основана на системе заслонок, которая работала с частотой двигателя от 43 до 45 циклов в секунду. [ нужна цитата ]
Три воздушных сопла в передней части Argus As 014 были подключены к внешнему источнику высокого давления для запуска двигателя. Топливом, использованным для воспламенения, был ацетилен , при этом техническим специалистам приходилось помещать перегородку из дерева или картона в выхлопную трубу, чтобы остановить диффузию ацетилена до полного воспламенения. После запуска двигателя и достижения минимальной рабочей температуры внешние шланги и разъемы были сняты.
Фау-1, будучи крылатой ракетой, не имела шасси, вместо этого Argus As 014 запускалась по наклонной рампе с приводом от паровой катапульты с поршневым приводом. Энергия пара для запуска поршня вырабатывалась в результате бурной экзотермической химической реакции, возникающей при объединении перекиси водорода и перманганата калия (называемых T-Stoff и Z-Stoff ).
Основное военное применение импульсного реактивного двигателя при серийном производстве агрегата Argus As 014 (первого импульсного реактивного двигателя, когда-либо выпускавшегося серийно) было для использования с летающей бомбой Фау-1 . Характерный гудящий звук двигателя принес ему прозвища «жужжащая бомба» или «каракулик». Фау-1 — немецкая крылатая ракета , использовавшаяся во время Второй мировой войны , наиболее известный из которых — бомбардировка Лондона в 1944 году. Импульсные реактивные двигатели, дешевы и просты в изготовлении, были очевидным выбором для конструкторов Фау-1, учитывая нехватка материалов и перенапряжение промышленности на этом этапе войны. Конструкторы современных крылатых ракет не выбирают в качестве двигательной установки импульсные реактивные двигатели, отдавая предпочтение турбореактивным или ракетным двигателям. Единственными другими вариантами использования импульсного реактивного двигателя, дошедшими до стадии аппаратного обеспечения в нацистской Германии, были Messerschmitt Me 328 и экспериментальный проект Einpersonenfluggerät для немецкого Heer .
Технический персонал Райт Филд реконструировал Фау-1 из останков той, которая не взорвалась в Великобритании. Результатом стало создание JB-2 Loon с планером, построенным Republic Aviation , и репродукцией импульсно-реактивной силовой установки Argus As 014, известной под американским обозначением PJ31 , производства Ford Motor Company .
Генерал Хэп Арнольд из ВВС США был обеспокоен тем, что это оружие может быть изготовлено из стали и дерева с затратами 2000 человеко-часов и приблизительной стоимостью 600 долларов США (в 1943 году). [7]
Импульсные реактивные двигатели характеризуются простотой, дешевизной конструкции и высоким уровнем шума. Несмотря на превосходную тяговооруженность , удельный расход топлива по тяге очень низкий. В импульсном струе используется цикл Ленуара , который, не имея внешнего сжимающего привода, такого как поршень цикла Отто или турбины сжатия цикла Брайтона , обеспечивает сжатие с акустическим резонансом в трубке. Это ограничивает максимальную степень давления перед сгоранием примерно до 1,2:1.
Высокий уровень шума обычно делает их непрактичными для других применений, кроме военных и других подобных ограниченных применений. [8] Тем не менее, импульсные струи используются в больших масштабах в качестве промышленных систем сушки, и наблюдается возрождение исследований этих двигателей для таких применений, как высокопроизводительное отопление, преобразование биомассы и системы альтернативной энергии, поскольку импульсные струи могут работать почти на все, что горит, включая твердые частицы топлива, такие как опилки или угольный порошок.
Импульсные реактивные двигатели использовались в экспериментальных вертолетах, двигатели прикреплялись к концам лопастей несущего винта. При обеспечении мощности несущих винтов вертолета импульсные реактивные двигатели имеют преимущество перед турбинными или поршневыми двигателями, поскольку не создают крутящего момента на фюзеляже , поскольку они не прикладывают силу к валу, а толкают кончики. Тогда вертолет можно будет построить без хвостового винта и связанных с ним трансмиссии и приводного вала, что упростит самолет ( циклическое и коллективное управление несущим винтом все еще необходимо). Эта концепция рассматривалась еще в 1947 году, когда компания American Helicopter Company начала работу над прототипом вертолета XA-5 Top Sergeant с импульсными воздушно-реактивными двигателями на концах несущего винта. [9] Первый полет XA-5 состоялся в январе 1949 года, за ним последовал XA-6 Buck Private с той же конструкцией импульсного реактивного двигателя. Также в 1949 году компания Hiller Helicopters построила и испытала Hiller Powerblade, первый в мире ротор с струйным двигателем горячего цикла. Хиллер перешел на ПВРД, установленные на законцовках, но компания American Helicopter продолжила разработку XA-8 по контракту с армией США. Впервые он поднялся в воздух в 1952 году и был известен как XH-26 Jet Jeep . Он использовал импульсные струи XPJ49, установленные на законцовках несущего винта. XH-26 соответствовал всем основным проектным задачам, но армия отменила проект из-за неприемлемого уровня шума импульсных двигателей и того факта, что сопротивление импульсных двигателей на концах несущего винта делало посадку на авторотации очень проблематичной. Утверждается, что винтокрылая двигательная установка снижает стоимость производства винтокрылых самолетов до 1/10 от стоимости производства винтокрылых самолетов с обычным двигателем. [8]
Импульсные реактивные двигатели также использовались как в моделях самолетов с линией управления , так и в радиоуправляемых моделях . Рекорд скорости для моделей самолетов с импульсным реактивным двигателем с линией управления превышает 200 миль в час (322 км / ч).
Скорость свободно летящего радиоуправляемого импульсного реактивного двигателя ограничена конструкцией воздухозаборника двигателя. На скорости около 450 км/ч (280 миль в час) клапанные системы большинства двигателей перестают полностью закрываться из-за давления набегающего воздуха, что приводит к потере производительности.
Изменяемая геометрия впуска позволяет двигателю развивать полную мощность на большинстве скоростей за счет оптимизации скорости, с которой воздух поступает в импульсный водомет. На бесклапанные конструкции давление набегающего воздуха не оказывает такого негативного влияния, как на другие конструкции, поскольку они никогда не предназначались для остановки потока, выходящего из впускного отверстия, и могут значительно увеличивать мощность на скорости.
Еще одной особенностью импульсных воздушно-реактивных двигателей является то, что их тягу можно увеличить за счет воздуховода особой формы, расположенного позади двигателя. Воздуховод действует как кольцевое крыло , которое выравнивает пульсирующую тягу за счет использования аэродинамических сил в выхлопе импульсной реактивной струи. Воздуховод, обычно называемый увеличителем, может значительно увеличить тягу импульсного реактивного двигателя без дополнительного расхода топлива. Возможно увеличение тяги на 100%, что приведет к гораздо более высокой топливной эффективности . Однако чем больше воздуховод аугментатора, тем большее сопротивление он создает, и он эффективен только в определенных диапазонах скоростей.
В реактивных двигателях с клапанами используется механический клапан для управления потоком расширяющихся выхлопных газов, заставляя горячий газ выходить из задней части двигателя только через выхлопную трубу и позволяя свежему воздуху и большему количеству топлива поступать через впускной канал по инерции выхлопных газов . выходящие выхлопные газы создают частичный вакуум на долю секунды после каждого взрыва. Это втягивает дополнительный воздух и топливо между импульсами.
Клапанный импульсный водомет содержит впускное устройство с односторонним клапаном. Клапаны предотвращают выход взрывоопасного газа воспламененной топливной смеси в камере сгорания и нарушение потока всасываемого воздуха, хотя во всех практических клапанных импульсных струях наблюдается некоторая «обратная отдача» при работе в статическом режиме или на низкой скорости, поскольку клапаны не могут закрываться достаточно быстро. чтобы предотвратить выход некоторого количества газа через впускное отверстие. Перегретые выхлопные газы выходят через акустически резонансную выхлопную трубу.
Впускной клапан обычно представляет собой пластинчатый клапан . Двумя наиболее распространенными конфигурациями являются гирляндный клапан и прямоугольная решетка клапана. Клапан ромашки состоит из тонкого листа материала, выполняющего роль трости, вырезанного в форме стилизованной ромашки с «лепестками», расширяющимися к концам. Каждый «лепесток» на своем кончике закрывает круглое впускное отверстие. Маргариточный клапан крепится болтами к коллектору через его центр. Хотя его легче сконструировать в небольших масштабах, он менее эффективен, чем клапанная решетка.
Частота циклов 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 Фау-1 , частота была ближе к 45 импульсам в секунду. Издаваемый низкочастотный звук привел к тому, что ракеты прозвали «жужжащими бомбами».
Бесклапанные импульсно-реактивные двигатели не имеют движущихся частей и используют только свою геометрию для управления потоком выхлопных газов из двигателя. Бесклапанные импульсные форсунки выбрасывают выхлопные газы как из впускных , так и из выпускных отверстий, но большая часть создаваемой силы уходит через более широкое поперечное сечение выхлопа. Большее количество массы, выходящей из более широкого выхлопа, имеет большую инерцию, чем обратный поток, выходящий из впускного отверстия, что позволяет ему создавать частичный вакуум на долю секунды после каждого взрыва, меняя поток впускного отверстия в правильное направление и поэтому заглатывает больше воздуха и топлива. Это происходит десятки раз в секунду.
Бесклапанный импульсный воздушно-реактивный двигатель работает по тому же принципу, что и импульсный воздушно-реактивный двигатель с клапаном, но «клапан» - это геометрия двигателя. Топливо в виде газа или распыленной жидкости либо смешивается с воздухом во впускном коллекторе, либо непосредственно впрыскивается в камеру сгорания . Для запуска двигателя обычно требуется принудительная подача воздуха и источник воспламенения, например свеча зажигания, для топливно-воздушной смеси. Благодаря современным конструкциям двигателей практически любую конструкцию можно сделать самозапускающейся, снабдив двигатель топливом и искрой зажигания и запуская 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, (опционально) впрыск топлива, зажигание, сгорание и выхлоп.
Начиная с воспламенения в камере сгорания, в результате сгорания топливно-воздушной смеси создается высокое давление. Сжатый газ от сгорания не может выйти вперед через односторонний впускной клапан и поэтому выходит только назад через выхлопную трубу.
Инерционная реакция этого газового потока заставляет двигатель создавать тягу, и эта сила используется для приведения в движение планера или лопасти несущего винта. Инерция движущихся выхлопных газов вызывает низкое давление в камере сгорания. Это давление меньше, чем давление на входе (перед односторонним клапаном), поэтому начинается фаза индукции цикла.
В простейших импульсных воздушно-реактивных двигателях этот впуск осуществляется через трубку Вентури , что приводит к забору топлива из системы подачи топлива. В более сложных двигателях топливо может впрыскиваться непосредственно в камеру сгорания. Когда идет фаза индукции, топливо в распыленной форме впрыскивается в камеру сгорания, чтобы заполнить вакуум, образовавшийся в результате вылета предыдущего огненного шара; распыленное топливо пытается заполнить всю трубу, включая выхлопную. Это приводит к тому, что распыленное топливо в задней части камеры сгорания «вспыхивает» при контакте с горячими газами предыдущего столба газа — в результате этой вспышки лепестковые клапаны «захлопываются» или, в случае бесклапанных конструкций, останавливает подачу топлива до образования вакуума и цикл повторяется.
Бесклапанные импульсные струи бывают разных форм и размеров, причем разные конструкции подходят для разных функций. Типичный бесклапанный двигатель будет иметь одну или несколько впускных трубок, секцию камеры сгорания и одну или несколько секций выхлопной трубы.
Впускная трубка всасывает воздух и смешивает его с топливом для сгорания, а также управляет выбросом выхлопных газов, подобно клапану, ограничивая поток, но не останавливая его полностью. Пока горит топливно-воздушная смесь, большая часть расширяющихся газов вытесняется из выхлопной трубы двигателя. Поскольку впускная трубка (трубы) также выбрасывает газ во время такта выпуска двигателя, в большинстве бесклапанных двигателей впускные отверстия обращены назад, так что создаваемая тяга увеличивает общую тягу, а не уменьшает ее.
При сгорании создаются два фронта волны давления: один движется по более длинной выхлопной трубе, а другой – по короткой впускной трубе. Путем правильной «настройки» системы (путем правильного расчета размеров двигателя) можно добиться резонансного процесса сгорания.
В то время как некоторые бесклапанные двигатели известны своей чрезвычайной прожорливостью топлива, другие конструкции используют значительно меньше топлива, чем импульсные воздушно-реактивные двигатели с клапанами, а правильно спроектированная система с передовыми компонентами и технологиями может конкурировать или превосходить топливную эффективность небольших турбореактивных двигателей.
Правильно спроектированный бесклапанный двигатель будет превосходен в полете, поскольку у него нет клапанов, а давление набегающего воздуха от движения на высокой скорости не приводит к остановке двигателя, как у двигателя с клапанами. Они могут достигать более высоких максимальных скоростей, а некоторые усовершенствованные конструкции способны работать на скорости 0,7 Маха или, возможно, выше.
Преимуществом импульсной струи акустического типа является простота. Поскольку в них нет движущихся частей , которые могут изнашиваться, их легче обслуживать и проще конструировать.
Импульсные реактивные двигатели сегодня используются в самолетах -мишенях , моделях самолетов с линией управления (а также в радиоуправляемых самолетах), генераторах тумана, а также в промышленном сушильном и домашнем отопительном оборудовании. Поскольку импульсные струи являются эффективным и простым способом преобразования топлива в тепло, экспериментаторы используют их для новых промышленных применений, таких как преобразование топлива из биомассы , а также в котельных и нагревательных системах. [ нужна цитата ]
Некоторые экспериментаторы продолжают работать над усовершенствованными конструкциями. Двигатели трудно интегрировать в конструкции коммерческих самолетов с экипажем из-за шума и вибрации, хотя они превосходно подходят для беспилотных транспортных средств меньшего масштаба.
Импульсно -детонационный двигатель (PDE) представляет собой новый подход к реактивным двигателям непрерывного действия и обещает более высокую топливную экономичность 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 импульсные реактивные двигатели для проверки идей на ранних стадиях проектирования.
У Boeing есть запатентованная технология импульсного реактивного двигателя под названием Pulse Ejector Thrust Augmentor (PETA), которая предлагает использовать импульсные воздушно-реактивные двигатели для вертикального подъема в военных и коммерческих самолетах вертикального взлета и посадки . [10]
