как работает, устройство, виды двигателей

Путешествуя на самолетах, вы задумывались когда-нибудь о том, как работает двигатель реактивного самолета? О реактивной тяге, которая приводит его в действие, знали еще в Античные времена. Применить же ее на практике смогли только в начале прошлого века, в результате гонки вооружений между Англией и Германией.

Принцип работы двигателя реактивного самолета довольно прост, но имеет некоторые нюансы, которые строго соблюдаются при их производстве. Чтобы самолет смог надежно держаться в воздухе, они должны работать идеально. Ведь от этого зависят жизни и безопасность всех, кто находится на борту самолета.

Как работает реактивный двигатель?

Его приводит в действие реактивная тяга. Для этого нужна какая-то жидкость, выталкиваемая из задней части системы и придающая ей движение вперед. Здесь работает третий закон Ньютона, который гласит: “Любое действие вызывает равное противодействие”.

У реактивного двигателя вместо жидкости применяется воздух. Он создает силу, обеспечивающую движение.

В нем используются горячие газы и смесь воздуха со сгораемым топливом.

Эта смесь выходит из него с высокой скоростью и толкает самолет вперед, давая ему лететь.

Если говорить об устройстве двигателя реактивного самолета, то оно представляет из себя соединение четырех самых важных деталей:

  • компрессора;
  • камеры горения;
  • турбины;
  • выхлопа.

Компрессор состоит из нескольких турбин, которые засасывают воздух и сжимают его по мере прохождения через расположенные под углом лопасти. При сжатии температура и давление воздуха повышаются. Часть сжатого воздуха попадает в камеру горения, где смешивается с топливом и поджигается. Это увеличивает тепловую энергию воздуха.

Реактивный двигатель.

Горячая смесь на высокой скорости выходит из камеры и расширяется. Там она проходит через еще одну турбину с лопастями, которые вращаются, благодаря энергии газа.

Турбина соединена с компрессором в передней части двигателя, и таким образом приводит его в движение. Горячий воздух выходит через выхлоп. К этому моменту температура смеси очень высока. И еще увеличивается, благодаря

эффекту Дросселирования. После этого воздух выходит из него.

Разработка самолетов с реактивным двигателем началась в 30х годах прошлого века. Англичане и немцы начали разрабатывать подобные модели. В этой гонке победили немецкие ученые. Поэтому первым самолетом с реактивным двигателем стала “Ласточка” в Люфтваффе. “Глостерский метеор” поднялся в воздух немного позднее. О первых самолетах с такими двигателями подробно рассказано в этой статье.

Двигатель сверхзвукового самолета — тоже реактивный, но уже в совершенно другой модификации.

Как работает турбореактивный двигатель?

Реактивные двигатели применяются повсеместно, а турбореактивные устанавливаются больших пассажирских лайнерах. Отличие их в том, что первый несет с собой запас топлива и окислителя, а конструкция обеспечивает их подачу из баков.

Турбореактивный двигатель самолета несет с собой лишь топливо, а окислитель — воздух — нагнетается турбиной из атмосферы. В остальном принцип его работы совпадает с тем же, что и у реактивного.

Одна из самых важных деталей у них — это лопасть турбины. От нее зависит мощность двигателя.

Схема турбореактивного двигателя.

Именно они вырабатывают тяговые усилия, необходимые для ускорения самолета. Каждый из лопастей производит в 10 раз больше энергии, чем самый обычный, автомобильный двигатель. Они устанавливаются позади камеры сгорания, в той части двигателя, где самое высокое давление, а температура доходит до 1400 градусов по Цельсию.

В процессе производства лопастей они проходят через процесс монокристаллизации, что придает им твердости и прочности.

Перед тем, как установить на самолет, каждый двигатель проверяется на полное тяговое усилие. Он должен пройти сертификацию Европейского совета по безопасности и компанией, которая его произвела. Одной из самых крупных фирм по их производству является Роллс-Ройс.

Что такое самолет с атомным двигателем?

Во время Холодной войны были предприняты попытки создания реактивного двигателя не на химической реакции, а на тепле, который бы вырабатывал ядерный реактор. Его ставили вместо камеры сгорания.

Воздух проходит через активную зону реактора, понижая его температуру и повышая свою. Он расширяется и истекает из сопла со скоростью, большей чем скорость полета.

Комбинированный турбреактивно-атомный двигатель.

В СССР проводились его испытания на базе ТУ-95. В США тоже не отставали от ученых в Советском Союзе.

В 60х годах исследования в обеих сторонах постепенно прекратились. Основными тремя проблемами, которые помешали разработке, стали:

  • безопасность летчиков во время полета;
  • выброс радиоактивных частиц в атмосферу;
  • в случае падения самолета, радиоактивный реактор может взорваться, нанеся непоправимый вред всему живому.

Как производят реактивные двигатели для моделей самолетов?

Их производство для моделей самолетов занимает около 6 часов. Сначала вытачивается базовая пластина из алюминия, к которой крепятся все остальные детали. По размеру она совпадает с хоккейной шайбой.

К ней прикрепляют цилиндр, поэтому получается что-то вроде консервной банки.

Это будущий двигатель внутреннего сгорания. Далее устанавливается система подачи топлива. Чтобы его закрепить, в основную пластину вкручиваются шурупы, предварительно опущенные в специальный герметик.

Двигатель для модели самолета.

Каналы стартера крепятся с другой стороны камеры, чтобы перенаправлять выбросы газа в турбинное колесо. В отверстие сбоку от камеры сгорания устанавливается спираль накаливания. Она поджигает топливо внутри двигателя.

Потом ставят турбину и центральную ось цилиндра. На нее ставят колесо компрессора, которое нагнетает воздух в камеру сгорания. Его проверяют с помощью компьютера, прежде чем закрепить пусковую установку.

Готовый двигатель еще раз проверяют на мощность. Его звук немногим отличается от звука двигателя самолета. Он, конечно, меньшей силы, но полностью напоминает его, придавая больше схожести модели.

nasamoletah.ru

Принцип работы турбореактивного двигателя самолёта

Совершая полет в самолете в большинстве случаев люди никогда не задумываются о том, как работает его двигатель. Но на самом деле о работе двигателя и реактивной тяги с помощью, которой работает сам двигатель, знали ее в Античное время. Но применить эти знания на практике смогли не так давно, так как раньше не технологии не позволяли никому достичь его исправной работы. Гонка вооружения между Англией и Германией стала толчком к созданию ТРД (турбореактивного двигателя).

В работе ТРД самолета нет никаких сложностей, принцип его работы может понять почти каждый человек. Но данный двигатель имеет несколько нюансов, их соблюдение контролируется под строгим присмотром руководства. Для того чтобы авиалайнер смог держаться в небе, необходима идеальная работа двигателя. Так как от работы двигателя напрямую зависят жизни пассажиров находящихся на борту авиатранспорта.

Принцип работы реактивного двигателя

За работу двигателя отвечает реактивная тяга. Для создания реактивной тяги необходима определенная жидкость, которая подается из задней части двигателя и по ходу ее продвижения увеличивается ее скорость движения вперед. Работу тяги отлично объясняет один из законов Ньютона, звучит он так «Любое действия вызывает равное противодействие».

Вместо жидкости в ТРД используется горючая смесь (газы и воздух со сгоревшими частичками топлива). Благодаря этой смеси самолет толкает вперед и позволяет ему лететь дальше.

Разработки таких двигателей начались в тридцатых годах. Первыми кто начал разрабатывать двигатели такого типа стали немцы и англичане. Но в гонке вооружений одержали победу ученные из Германии, так как они выпустили самый первый в мире самолет с ТРД под названием «Ласточка», данный самолет впервые взлетел в небеса над Люфтваффом. Спустя некоторое время появился и Английский самолет «Глостерский метеор»

Также сверхзвуковые двигатели принято считать турбореактивными, но они отличаются более совершенными модификациями, в отличие от ТРД.

Устройство двигателя имеет четыре главные детали, а именно:

  • Компрессор.
  • Камера горения.
  • Турбина.
  • Выхлоп.

Компрессор

В компрессоре находиться несколько турбин, с помощью которых происходит засасывание и сжатие воздуха. Во время сжатия воздуха, его давление и температура начинает нагнетаться и расти.

Камера горения

После того как воздух проходит турбину и его сжимает до необходимых размеров. Часть сжатого воздуха поступает в камеру горения, где воздух начинает смешиваться с топливом, после чего его поджигают. Благодаря этому увеличивается тепловая энергия воздуха. После смесь выходит из камеры с большой скорости и расширяется.

Турбина

После выхода эта смесь снова попадает в турбину, с помощью высокой энергии газа лопасти в турбине начинают свое вращение. Турбина тесно связанна с компрессором, который находиться в начале двигателя. Благодаря этому турбина начинает свою работу. Остатки воздуха выходят в выхлоп. В момент выхода смеси температура достигает рекордных размеров. Но она продолжает повышать свою температуру с помощью эффекта Дросселирования. После того как температура воздуха доходит до своего пика, она начинает идти на спад и выходит из турбины.

Принцип работы турбореактивного двигателя

В отличие от реактивного двигателя, который пользуется спросом почти у всех самолетов, турбореактивный двигатель больше подходит для пассажирских авиалайнеров. Так как для работы реактивного двигателя необходимо не только топливо, но и окислитель.

Благодаря своему строению окислитель поступает вместе с топливом из бака. А в случаи с ТРД окислитесь, поступает напрямую из атмосферы. А в остальном их работа совершенно идентична и не отличается друг от друга.

У турбореактивного двигателя главной деталью является лопасть турбины, так как от ее исправной работы напрямую зависит мощность двигателя. Благодаря этим лопастям и образуется тяга, которая необходима для поддержания скорости самолета. Если сравнить одну лопасть с автомобильным двигателем, то она сможет обеспечить мощностью целых десять машин.

Лопасти устанавливаются за камерой сгорания, так как там нагнетается самое высокое давления, также температура воздуха в данной части двигателя может доходить до 1400 градусов Цельсия.

В целях улучшения прочности и устойчивости лопасти перед различными факторами их монокристаллизируют, благодаря этому они могут держать высокую температуру и давление. Прежде чем установить такой двигатель на самолет его тестируют на полном тяговом усилителе. Также двигатель должен получить сертификат от Европейского совета по безопасности.

Атомный двигатель

В период холодной войны в мире были попытки создания атомного двигателя, за основу был взят турбореактивный двигатель. Главной задумкой ученых было создание двигателя, основанного не на химической реакции радиоактивных веществ, а на вырабатываемом тепле от ядерного реактора. Он должен был находиться на месте камеры сгорания.

В теории воздух должен был проходить через работающую зону реактора, благодаря этому реактор должен был остужаться, а температура воздуха наоборот возрастать. После чело воздух должен был расширяться и выходить через сопла (выхлоп) на этот момент скорость воздуха должна была превышать скорость полета самолета.

В Советском союзе были попытки проведения испытаний подобного двигателя, также ученные в соединенных штатах Америки, вели разработку данного двигателя, и их работа почти подходила к тестам двигателя на настоящем самолете.

Но по ряду причин разработки этого двигателя было решено закрыть. Так как у двигателя было множество недостатков, а именно:

  • Пилоты были подвержены постоянному радиоактивному облучению на протяжении всего полета.
  • Вместе с воздухом через сопла выходили и частички радиоактивного элемента в атмосферу.
  • В том случае если самолет терпел крушение, был очень большой шанс взрыва радиоактивного реактора, что влекло за собой радиоактивное отравление на довольно большой площади.

vpolete.online

Как работает двигатель самолета: тонкости и нюансы

Двигатель самолета – конструкция достаточно сложная, мощная, но при этом деликатная. От него, пожалуй, в первую очередь зависит правильная работа лайнера. Специалисты дают подробные объяснения, как работает двигатель самолета, чтобы огромная воздушная машина могла преодолевать большие расстояния и добираться без проблем из одной точки в другую.

История развития авиадвигателей

Первый самолет, который запустили братья Райт, имел двигатель с 4-мя цилиндрами. Конечно же, это значительно более простая конструкция, чем те, которые используются сейчас. И, как отмечают эксперты, без эволюции самолетного двигателя было бы невозможно развитие авиаотрасли вообще – примитивные первые моторы просто бы не потянули огромные и мощные машины, летающие сегодня.

Первый авиационный двигатель создал Джон Стрингфеллоу – он считается изобретателем специального двигателя на пару, предназначенный для неуправляемой модели. Но, как показала практика, паровые двигатели не подошли для авиации – они оказались чрезмерно тяжелыми.

C 1903 года началась, как назвали ее эксперты и аналитики, настоящая война моторов. Чарльз Тэйлор поставил на лайнер братьев Райт двигатель, так называемой рядной конструкции – в нем цилиндры находятся один за другим. Есть здесь аналогия с простым автомотором.

Однако практически сразу же был создан другой мотор – звездообразный с радиальным расположением цилиндров. Такие варианты широко применялись до самого появления реактивных двигателей.

Цилиндры в ряд не давали двигателю необходимой мощности, которая требовалась для самолетов. В 1906 году появился двигатель, где цилиндры разместились под прямым углом друг к другу. Также такой вариант мотора имел впрыск. Далее промышленность развивалась, прием достаточно активно. Вследствие этого авиаотрасль имеет современные и мощные моторы.

Как устроен двигатель

Сам по себе двигатель довольно сложен по конструкции. Учитывать тут надо огромное количество деталей и нюансов. Так, например, важно помнить, что при разгоне двигателя температура воздуха в нем повышается до 1000 градусов. При этом он не должен деформироваться, загораться и т.д.

Для изготовления авиационного двигателя берут только самые современные и безопасные материалы. Главное условие, предъявляемое к ним – они должны быть негорючими.

Авиационный двигатель включает в себя такие элементы, как:

  • Вентилятор
  • Компрессор
  • Камера сгорания
  • Сопло
  • Турбина

Перед турбиной стоит вентилятор, который позволяет затягивать воздух во время полета снаружи. У авиавентиляторов много лопастей, которые имеют определенную форму. И их размер, а также форма имеют крайне важное значение, т.к. именно за счет этого обеспечивается оптимальное заглатывание воздуха.

Вентилятор также решает и такую задачу, как прокачка воздушных масс в пространстве между элементами двигателя и его оболочкой. Это способствует охлаждению системы.

Здесь же находится и компрессор, обладающий высокой мощностью, – он способствует транспортировке воздуха в камеру сгорания. Все происходит под давлением достаточно высокого уровня. Именно в камере начинается смешение воздушных масс и топлива. Такая смесь поджигается, начинается нагрев как самой смеси, так и всех элементов, которые находятся рядом. Чаще всего камеру делают из керамических составляющих – обусловлено такое состояние тем, что температура здесь доходить до 2 тысяч гр., а керамическая чаша устойчива к таким нагревам.

Смесь после прохождения всех этих этапов попадает в турбину. Она по своему внешнему виду напоминает довольно большое число лопаток. Они влияют на давление проходящего смесевого потока, вследствие чего и начинает приходить в свое движение турбина двигателя. После этого она начинает вращать вал, где стоит еще один необходимый элемент — вентилятор.

Двигатель по сути своей представляет систему достаточно замкнутую – для нее требуется только, чтобы подавался воздух и было топливо в наличии.

Движение смеси продолжается, и она переходит в сопло. И на этом заканчивается первый этап рабочего состояния двигателя. Начинает создаваться струя, которую называют реактивной. Вентилятор начинает гонять воздух, который еще холодный, через сопло, за счет чего он не разрушается от слишком высокой температуры смеси.

Сегодня, как отмечают эксперты, самыми лучшими считаются подвижные сопла – они могут расширяться и сжиматься. Кроме того, такие варианты могут регулировать угол, что помогает дать правильное направление воздуху. Самолет за счет этого приобретает наибольшую маневренность.

Какие варианты двигателей есть

Эксперты уверяют, что сегодня есть несколько вариантов двигателей:

  1. Классика
  2. Турбовинтовые
  3. Турбовентиляторные
  4. Прямоточные

Первые варианты функционируют по стандартному варианту. Такие варианты хорошо подходят для воздушных судов самых разных модификаций. Варианты с турбовинтовым устройством будут работать по несколько иным принципам. В таких конструкциях газовая турбина не связана с трансмиссией. Подобные варианты конструкций двигают лайнер лишь частично с использованием реактивной тяги. Для создания основной части энергии используется редуктор. Винтовые установки более экономичные, но при этом они не дают самолету развить необходимую скорость. Поэтому их зачастую ставят только на малоскоростных лайнерах.

Турбовентиляторные варианты – комбинированные варианты, в которых есть детали и нюансы от турбовинтовых и турбовентиляторных. У них большие лопасти вентилятора. Скорость вращения может снижаться за счет применения обтекателя, где и стоит вентилятор. Подобные варианты считаются экономичными, т.к. меньше расходуют топливо. КПД же у них существенно выше, чем у других. Поэтому подобные варианты двигателей зачастую устанавливают на крупных самолетах.

Прямоточные варианты не работают с подвижными элементами. Втягивание воздуха в такие происходит естественно за счет применения обтекателя, который стоит на входе.

vpolete.online

Реактивный двигатель самолета

 

Реактивный двигатель самолета — двигатель, создающий необходимую для движения силу тяги посредством преобразования внутренней энергии топлива в кинетическую энергию реактивной струи рабочего тела.

 

Для всех реактивных двигателей общим является то, что в процессе сгорания топлива и с последующим преобразованием потенциальной энергии продуктов сгорания в кинетическую происходит ускорение потока газов, и таким образом возникает тяга. Сила тяги (кг) является основной характеристикой двигателя.

Реактивные двигатели делятся на три группы:

  • жидкостные
  • пороховые
  • воздушно-реактивные

 

Для работы жидкостных реактивных двигателей не требуется кислород, содержащийся в воздухе. Двигатель может работать в сильно разряженной атмосфере. Для сгорания топлива должен быть предусмотрен запас окислителя. Наиболее известные комбинации — топливо-окислитель: спирт и кислород, водород и кислород, бензин и азотная кислота, водород и фтор, диборан и кислород и т. д.

В качестве горючего в пороховых реактивных двигателях используется порох.

В воздушно-реактивных двигателях используется кислород, содержащийся в воздухе. В качестве топлива выступает керосин и очень редко — другой вид жидкого топлива.

Воздушно-реактивные двигатели, в свою очередь, классифицируются по двум признакам:

  1. бескомпрессорные (прямоточные, пульсирующие)
  2. компрессорные

 

В первом случае сжатие воздуха происходит за счет скоростного напора, во втором — за счет работы компрессора или мотокомпрессора.

В прямоточных воздушно-реактивных двигателях воздух атмосферы попадает во входной патрубок, при этом скорость воздуха уменьшается до 0, давление р повышается, температура t также возрастает. Под большим давлением воздух поступает в камеру сгорания, куда одновременно через форсунки поступает топливо. Горение происходит непрерывно. Продукты сгорания расширяются в реактивном стиле и выталкиваются в атмосферу. Особенностью двигателя, помимо его простоты конструкции, является то, что величина тяги зависит от скорости полета (скоростного напора) — тяга пропорциональна квадрату скорости полета. 

Также существует пульсирующий воздушно-реактивный двигатель.

Иностранные двигатели в отечественных самолетах ВОВ

Реактивная авиация во Второй мировой войне

Avia.pro

avia.pro

Поршневой двигатель самолета.

 

История поршневых двигателей насчитывает на несколько десятилетий больше, чем история самой авиации. Они сдвинули с места первый автомобиль, подняли в небо первый самолет и первый вертолет, прошли две Мировые войны и до сих пор используются в 99.9% автомобилей мира. Однако в авиации на сегодняшний день поршневые двигатели практически полностью вытеснены газотурбинными двигателями и используются исключительно в малоразмерных персональных либо спортивных самолетах.

Это произошло по причине того, что даже самый простой и неэффективный газотурбинный двигатель имеет большую удельную мощность (единица мощности на единицу массы двигателя), чем самый современный поршневой, а в авиации масса – исключительно важный параметр. Кроме того, газотурбинный двигатель более универсальный и может двигать самолет за счет реактивной струи, исключительно этот факт позволил самолетам достичь скоростей в 2, 3 или даже 4 раза выше скорости звука.

Но вернемся к поршневым двигателям. Как же они устроены? На схеме продемонстрировано устройство цилиндра четырехтактного бензинового двигателя воздушного охлаждения: 1 – впускной патрубок (подача топливно-воздушной смеси в цилиндр), 2 – стенка цилиндра (в данном случае ребристая с внешней стороны, для повышения охлаждаемой площади, поскольку цилиндр имеет воздушное охлаждение), 3 – поршень (возвратно-поступательным движением обеспечивает впуск смеси, ее сжатие, получение энергии и дальнейший вывод отработанных газов), 4, 5 – шатун и коленвал (преобразование возвратно-поступательного импульса в крутящий момент), 6 – свеча зажигания (дает искру, которая поджигает смесь), 7 – выхлопной патрубок (вывод отработанных газов), 8 – впускной и выпускной клапаны («открывают» цилиндр для входа смеси (впускной) и выхода отработанных газов (выпускной), герметизируют цилиндр во время сжатия и воспламенения. Следует отметить, что изображен лишь пример конструкции, но ее вариации могут быть значительными, к примеру цилиндры дизельных двигателей не имеют свечей зажигания, а если двигатель жидкостного охлаждения – отсутствуют «ребра», но присутствуют каналы для прогона охлаждающей жидкости и т.д. По количеству тактов (действия, происходящие поочередно в цилиндре двигателя) различают 3 типа двигателя – двухтактный, четырехтактный и шеститактный. Наиболее широко используемым является четырехтактный двигатель, четыре его такта показаны на схеме.

Коэффициент полезного действия самых современных поршневых двигателей не превышает 25-30%, т.е. реально около 70% всей энергии, получаемой во время сгорания топлива, превращается в тепло, которое необходимо выводить из двигателя. Система охлаждения очень важный компонент в силовой установке и во многом определяет ее характеристики. По типу вывода тепла (иначе охлаждения) двигатели подразделяются на воздушный и жидкостный тип.

И если в автомобилях воздушное охлаждение практически не используется, из-за своей низкой эффективности на малых скоростях и ее полного отсутствия при остановке, то в поршневой авиации двигатели воздушного охлаждения очень и очень широко используются, ведь имеют ряд преимуществ перед двигателями жидкостного охлаждения. А именно меньшая масса, соответственно большая удельная мощность и более простая, а значит и более надежная конструкция. Кроме того, из-за большой силы набегающего потока во время полета, эффективность охлаждения обычно достаточна для нормальной работы двигателя.

 

Большинство поршневых двигателей – многоцилиндровые, это необходимо для повышения мощности и общей их эффективности. В связи с этим их классифицируют по расположению цилиндров относительно коленвала. В пик своего развития, авиационные двигатели имели до 24 цилиндров, а некоторые, несерийные экземпляры и более. И основными, наиболее широко используемыми вариантами расположения цилиндров является V-образное, рядное и звездообразное.

Различить их нетрудно, ведь если смотреть спереди они и выглядят как буква V в первом случае, один ряд (колонна) – во втором случае, и звезда (или при наличии большого количества цилиндров - скорее блюдечко) в третьем. Традиционно два первых типа используют систему жидкостного охлаждения,  в то время как последний – воздушного. Соответственно кроме вышеназванных преимуществ и недостатков двигателей по типу их охлаждения, можно еще добавить, что рядные двигатели компактные, могут быть установлены в перевернутом положении, но при наличии большого количества цилиндров, они получаются очень уж длинными.

V-образные имеют 2 цилиндра в ряду, соответственно они имеют в два раза меньшую длину, чем рядные, но зато менее компактны, хотя также могут быть установлены в перевернутом положении, имеют большее фронтальное сечение, а значит и большее лобовое сопротивление. Звездообразные, или радиальные двигатели, имеют цилиндры, распложенные вокруг коленвала, соответственно они наиболее громоздкие, имеют просто таки огромное фронтальное сечение и лобовое сопротивление, но благодаря этому могут эффективно охлаждаться набегающим потоком и имеют очень незначительные показатели длины.

Другие агрегаты

avia.pro

Турбовинтовой двигатель самолета и вертолета

 

Турбовинтовые двигатели используются в тех случаях, когда скорости полета самолета относительно невелики. На большом количестве современных транспортных самолетов применяются именно ТВД. Их преимущество прежде всего в экономичности. Двигатель снабжен воздушным винтом, который устанавливается впереди компрессора.

 

 

Воздушный винт с валом связан редуктором, так как его скорость вращения значительно меньше скорости вращения компрессора-турбины. Для турбовинтовых двигателей сила тяги состоит из тяги воздушного винта и силы тяги, возникающей при истечении газа из сопла. В зависимости от скорости полета самолета изменяются доли двух составляющих тяги. При малых скоростях (крейсерских для транспортных самолетов) доля тяги от воздушных винтов значительно превышает вторую составляющую. В ТВД часто используется комбинация компрессоров.

 

 

Конструкция двухконтурных турбореактивных двигателей обеспечивает поступление воздуха в значительных количествах, что на высоких скоростях обеспечивает большую тягу. Второй контур, контур низкого давления, таким образом, дает дополнительную силу тяги. Соотношение двух составляющих общей тяги зависит от конструкции двигателей и режимов работы. На лучших современных самолетах (МиГ-29, МиГ-31 и др.) в качестве силовой установки используются двухконтурные турбореактивные двигатели. В турбореактивном двигателе для кратковременного повышения тяги двигателя используется форсажная камера. Абсолютное большинство современных истребителей в качестве силовой установкиимеют двигатели с форсажной камерой (Миг-29, Су-33 и др.).

Турбовинтовые двигатели для вертолетов стали применяться значительно позже. Двигатели в 19591961 гг. имели m = 0,1.

 

 

Еще в довоенное время в наиболее развитых странах проводились работы в области создания реактивных двигателей. Исключительность темы была понятна, не имелось никаких причин для отмены или переноса сроков внедрения новых образцов авиационной техники вообще и реактивных самолетов в частности. Достижения фундаментальной науки, конструкторские разработки, технологические решения, создание испытательной базы и отработка производственных процессов — все это дало конкретные результаты: были созданы, прошли испытания и были внедрены реактивные двигатели:

 

Avia.pro

avia.pro

Двигатели для истребителей пятого поколения

В рамках программы разработки истребителя пятого поколения авиационной промышленности и смежным отраслям необходимо решить ряд сложнейших задач и создать все необходимое оборудование. Одной из самых сложных составляющих такой программы является создание двигателя с требуемыми характеристиками. Проекты перспективных силовых установок разрабатываются в ряде стран, причем несколько таких систем уже доведены до серийного производства. Рассмотрим текущее положение дел в этой области.

США

Первыми разработку двигателей для истребителей пятого поколения начали предприятия Соединенных Штатов. Эти проекты так же были первыми завершены, а затем доведены до серийного производства и последующей эксплуатации. Как следствие, к настоящему времени США получили возможность сообщать о новых рекордах и серьезном отрыве от зарубежных конкурентов. Буквально несколько дней назад американская промышленность сообщила о преодолении очередного важного рубежа.

Серийный самолет F-22A одной из строевых частей. 

Первым американским двигателем нового поколения стало изделие Pratt & Whitney F119, создававшееся в рамках программы ATF и теперь используемое на истребителях Lockheed Martin F-22 Raptor. Несколько дней назад было объявлено, что такие двигатели, достаточно давно находящиеся в полноценной эксплуатации, в общей сложности наработали 500 тыс. летных часов. Руководитель проекта F119 Аманда Глоуд отметила, что подобное достижение ярко демонстрирует возможности имеющихся технологий. Также сообщается, что с 2005 года все построенные истребители F-22 в общей сложности провели в воздухе 200 тыс. часов.

Разработка двигателя F119 началась еще в восьмидесятых годах с целью оснащения будущих истребителей пятого поколения программы ATF. Контракт на полноценное проектирование был подписан в 1991 году. Через год первый опытный F119 был установлен на испытательный стенд, а в 1997-м готовые изделия нового типа были испытаны на опытных самолетах. Двигатели компании Pratt & Whitney использовались на опытных самолетах Lockheed YF-22 и Boeing YF-23. Последний не в полной мере устроил военных, и выбыл из конкурса. В итоге к серийному производству был рекомендован истребитель F-22 с двигателем модификации F119-PW-100.

Серийные самолеты Raptor оснащаются двумя двигателями F119-PW-100. Такое изделие представляет собой турбовентиляторный двигатель с форсажной камерой и отклоняемым соплом, управляющим вектором тяги в одной плоскости. Двигатель построен по двухвальной схеме, роторы контуров высокого и низкого давления вращаются в противоположных направлениях. Компрессор низкого давления имеет три ступени, компрессор высокого давления – 6. Имеется по одной ступени турбины в обоих контурах. Сопло двигателя выполнено плоским и имеет отклоняемые створки, позволяющие изменять направление вектора тяги.

Двигатель Pratt & Whitney F119-PW-100 имеет общую длину чуть менее 5,2 м при максимальном диаметре менее 1,2 м. Масса изделия – 1,8 т. Температура перед турбиной составляет 1647°C. Тяга на форсаже – 15876 кгс (по другим данным, 16785 кгс). Согласно официальным источникам, два двигателя F119-PW-100 обеспечивают истребителю тяговооруженность не менее 0,88. При нормальном взлетном весе этот параметр достигает 1,15. Имеется возможность разгона до скорости 2410 км/ч. Без использования форсажа самолет способен развивать скорость 1960 км/ч. Боевой радиус определен в 760 км, тогда как перегоночная дальность достигает 2960 км.

Опытный образец двигателя F119 с управляемым соплом. 

По имеющимся данным, к настоящему времени было выпущено более 500 двигателей Pratt & Whitney F119 всех модификаций. Эти изделия использовались на нескольких опытных образцах истребителя F-22, а в дальнейшем устанавливались на серийные самолеты. В общей сложности было построено 195 самолетов, из которых 187 являются серийными и предназначались для поставки военно-воздушным силам. Согласно последним данным, с момента официального старта эксплуатации истребители Raptor успели налетать в общей сложности 200 тыс. часов. При этом общая наработка двигателей, включая летные испытания опытных образцов, достигла 500 тыс. часов. Таким образом, став первым серийным двигателем для истребителя пятого поколения, изделие F119 смогло установить рекорд, который вряд ли будет побит в ближайшем будущем.

В дополнение к тяжелому и весьма дорогому истребителю F-22 американской промышленностью был создан самолет Lockheed Martin F-35 Lightning II. Для оснащения такой техники был создан турбореактивный двигатель Pratt & Whitney F135. Разработка такой силовой установки стартовала в девяностых годах и завершилась в середине прошлого десятилетия. Двигатель F135 создавался на основе существующего F119, из-за чего проект изначально носил обозначение F119-JSF – по названию программы разработки истребителя.

Разработка проекта F119-JSF / F135 завершилась в середине двухтысячных годов, и в 2007-м был представлен первый серийный образец. В дальнейшем продолжилась доводка техники, в результате чего проект заметным образом затянулся. Тем не менее, к 2013 году компания Pratt & Whitney поставила сотый серийный двигатель F135. К этому времени удалось избавиться от основной массы имевшихся проблем, а также поставить в серию три модификации двигателя, предназначенные для разных версий истребителя F-35.

Являясь дальнейшим развитием существующего изделия, двигатель F135 сохраняет основные его черты. Используется двухконтурная схема со схожим составом ступеней компрессоров. Была сохранена одноступенчатая турбина высокого давления, тогда как в контуре низкого давления была применена новая турбина с двумя ступенями. При помощи разных дополнительных устройств или технологий были созданы три модификации двигателя: F135-PW-100, F135-PW-400 и F135-PW-600.

Звено истребителей F-35 в полете.

Двигатель версии «PW-100» является базовым изделием семейства и предназначается для установки на самолетах F-35A военно-воздушных сил. Он имеет длину 5,6 м при диаметре не более 1,17 м. Масса изделия – 1,7 т. Максимальная тяга такого двигателя составляет 13 тыс. кгс, форсажная – 19,5 тыс. кгс. На базе «сотого» двигателя была создана модификация F135-PW-400, предназначенная для палубных истребителей F-35C. Единственным серьезным отличием такого двигателя является наличие усиленного антикоррозийного покрытия. Все характеристики остаются на прежнем уровне.

Самолеты F-35B, имеющие возможность укороченного взлета и вертикальной посадки, получают двигатели F135-PW-600, имеющие самые серьезные отличия. Такой двигатель имеет поворотное сопло, позволяющее перенаправлять тягу вертикально вниз. Кроме того, от двигателя вперед отводится дополнительный приводной вал, вращающий подъемный вентилятор. В результате такой переработки длина силовой установки в целом увеличилась до 9,37 м, из которых 1,35 м приходится на крупнейшие части подъемного вентилятора. Максимальная тяга такого двигателя составляет 12250 кгс, форсажная – 18600 кгс.

Первые самолеты семейства F-35 были построены и подняты в воздух в 2006 году. За прошедшее время машины трех модификаций были доведены до полноценного серийного производства. Уже построено и передано заказчику более 230 машин. Все эти самолеты несут по одному двигателю соответствующей модификации. Заявлена возможность разгона до максимальной скорости 1930 км/ч. Без использования форсажа истребитель F-35A способен лететь со скоростью 1470 км/ч. Боевой радиус достигает 1400 км, дальность – не менее 2200 км.

Двигатель F135-PW-600 с подъемным вентилятором.

Как видим, Соединенные Штаты, начав работы раньше других стран, к настоящему времени успели разработать и довести до серийного производства сразу два турбореактивных двигателя для истребителей пятого поколения. Эти изделия строятся в значительных количествах и эксплуатируются вооруженными силами.

Китай

Заметных успехов в деле создания истребителей пятого поколения и двигателей для них достиг Китай. В настоящее время китайская промышленность работает сразу над двумя перспективными самолетами, а также создает для них необходимые комплектующие. При этом, однако, в области двигателестроения наблюдается неоднозначная ситуация. Имея ограниченные возможности в деле разработки современных авиационных двигателей, КНР вынуждена самым активным образом использовать зарубежные изделия.

В январе 2011 года впервые поднялся в воздух истребитель пятого поколения Chengdu J-20. К настоящему времени было построено и выведено на испытания несколько опытных образцов, отличающихся по конфигурации и составу бортового оборудования. Так, по известным данным, опытные J-20 имели силовую установку двух версий, как китайского, так и зарубежного производства.

Ранее появлялась информация о закупке российских двигателей АЛ-31Ф, отличающихся высокими характеристиками. Такие двигатели могли бы использоваться вплоть до начала серийного производства самолетов и появления собственных изделий с аналогичными характеристиками. Также публиковалась информация о возможности использования последних модификаций двигателя Shenyang WS-10, представляющего собой китайской вариант развития советского/российского АЛ-31.

Китайские истребители Chengdu J-20 во время демонстрационного полета.

Согласно последним данным, серийные самолеты J-20 будут оснащаться турбореактивными двигателями Xian WS-15, разрабатываемых до настоящего времени. Проект стартовал еще в девяностых годах, и в середине двухтысячных дошел до стендовых испытаний. К концу прошлого десятилетия были получены определенные положительные результаты. Ранее в зарубежных профильных изданиях высказывались предположения, согласно которым проект WS-15 является китайской попыткой скопировать американский двигатель F119. Также ходили слухи о желании Китая скопировать российские двигатели последних модификаций семейства АЛ-31.

Из имеющихся данных следует, что изделие Xian WS-15 представляет собой турбовентиляторный двигатель с форсажной камерой. Сообщалось о применении трехступенчатого компрессора низкого давления и шестиступенчатого компрессора в контуре высокого давления. Двигатель имеет общую длину более 5 м. При температуре перед турбиной порядка 1600°C планируется получить тягу до 19-20 тыс. кгс.

По разным оценкам, истребитель Chengdu J-20 с двумя двигателями WS-15 сможет показывать тяговооруженность не менее 1,05. При этом он сможет развивать скорость до 2100 км/ч. Возможность разгона до сверхзвуковых скоростей без использования форсажа пока не уточняется. Какие характеристики будет иметь серийный самолет с доведенными двигателями – пока неизвестно.

С 2012 года продолжаются летные испытания легкого истребителя пятого поколения Shenyang J-31. Согласно имеющимся данным, как минимум, в течение некоторого времени этот самолет испытывался в специфической конфигурации. Он был оснащен двумя турбореактивными двигателями РД-93 российского производства, используемыми на истребителях четвертого поколения. В прошлом десятилетии Китай смог наладить выпуск своей версии РД-93 под названием Guizhou WS-13. В обозримом будущем планируется оснастить самолеты J-31 улучшенным двигателем WS-13E.

Легкий истребитель Shenyang J-31 на авиационной выставке.

Согласно ранее публиковавшимся сведениям, WS-13E будет представлять собой двухконтурный турбовентиляторный двигатель, являющийся дальнейшим развитием существующего РД-93. Серийные изделия базовой модификации WS-13 имеют восемь ступеней компрессоров высокого и низкого давления. При длине менее 4,2 м и диаметре около 1 м двигатель WS-13 весит 1,14 т. Существующее изделие на форсаже развивает тягу более 8800 кгс. В новой модификации WS-13 форсажную тягу планируется увеличить и довести до 9-9,1 тыс. кгс.

По понятным причинам, точное состояние перспективных проектов WS-13E и WS-15 не раскрывается. Китайская оборонная промышленность традиционно хранит свои основные секреты и не спешит оглашать самые интересные сведения о новых проектах.

Россия

Российская промышленность продолжает работы над единственным собственным проектом истребителя пятого поколения – ПАК ФА или Т-50. В рамках крупной программы также ведется разработка перспективного двигателя, отличающегося от существующих образцов повышенными характеристиками и новыми возможностями. Тем не менее, сложность подобных работ привела к тому, что опытные самолеты пришлось оснащать двигателями имевшихся типов, имеющими приемлемые характеристики. Прототипы Т-50 пока оснащаются турбореактивными двигателями АЛ-41Ф1. В дальнейшем предполагается завершить разработку и поставить в серию совершенно новый двигатель, пока известный под обозначением «Изделие 30» или «Тип 30».

В контексте программы ПАК ФА «Изделие 30» рассматривается как т.н. двигатель второго этапа. Пока этот проект имеет только рабочее обозначение, но в дальнейшем возможно появление нового названия с литерами «АЛ». Ранее сообщалось, что к настоящему времени была разработана конструкторская документация и стартовала сборка опытных двигателей. Установка «Изделий 30» на опытный самолет и первый полет с их использованием запланированы на конец текущего года. В течение нескольких следующих лет будут выполняться новые проверки, а в 2020 году предполагается провести государственные испытания.

Один из опытных ПАК ФА / Т-50.

Несколько дней назад издание «Газета.ру» опубликовало новые подробности хода проекта «Изделие 30», полученные от неназванных источников в Московском ОКБ им. А.М. Люльки. Согласно информации от источника, предприятие работает в три смены, чтобы успеть к назначенным срокам и уложиться в установленный график. При этом имеются проблемы со смежниками: со своими обязательствами не справляется поставщик автоматики управления двигателем. После завершения текущих работ планируется установить опытный двигатель на летающую лабораторию и испытать в полете. Первая такая проверка запланирована на 6 ноября. Тем не менее, если смежники не справятся со своими задачами, график испытаний может быть изменен.

Также источник «Газеты.ру» подтвердил, что перспективный двигатель заметно отличается от существующих изделий, таких как АЛ-41Ф1, но получает новую турбину и полностью цифровую систему управления. Следствием этого станет получение повышенных характеристик тяги в сочетании со сниженным потреблением топлива. Все это позволит самолету, оснащенному «Изделиями 30», развивать сверхзвуковую скорость без использования форсажа с соответствующими положительными последствиями для применения техники в целом.

По разным данным, перспективный двигатель будет развивать тягу до 11000 кгс без использования форсажа и до 18 тыс. кгс с его применением. За счет этого самолет Т-50 будет иметь тяговооруженность, в зависимости от взлетной массы, не менее 1. Максимальная скорость оценивается в 2500-2600 км/ч, максимальная без использования форсажа – до 2000 км/ч. Двигатель «Тип 30» будет оснащен отклоняемым соплом, позволяющим управлять вектором тяги. Это даст самолету значительный прирост маневренности на всех режимах полета.

*****

Несмотря на бурное развитие радиоэлектронных систем и рост их значения, двигатели по-прежнему остаются одной из самых важных и сложных в разработке частей перспективных самолетов. Особые требования, предъявляемые к истребителям пятого поколения, приводят к соответствующим последствиям в контексте двигателестроения. Конструкторам приходится решать особо сложные задачи, без чего не удастся выполнить все требования заказчика и создать самолет с необходимыми характеристиками.

Двигатель АЛ-41-Ф1, используемый на существующих прототипах Т-50.

На данный момент сразу несколько стран работают над своими вариантами истребителей пятого поколения, однако далеко не все подобные разработки продвинулись достаточно далеко. Более того, лишь одна страна смогла довести перспективные самолеты до серийного производства. Другие пока проводят испытания или занимаются опытно-конструкторскими работами. Тем не менее, очевидно, в течение нескольких следующих лет США потеряют свое первенство, поскольку в серию могут пойти сразу несколько самолетов зарубежной разработки.

Ситуация с двигателями для перспективных истребителей выглядит похоже, однако заметным образом отличается. Так, Соединенные Штаты уже имеют два серийных двигателя, один из которых к тому же выпускается в трех модификациях, Россия только готовится к испытаниям первого образца схожего назначения, а о ходе китайских проектов почти ничего не известно. При этом очевидно, что разработка перспективной техники и комплектующих для нее продолжается и постепенно приводит к все новым и новым результатам. Конечным итогом всех проектов должно становиться начало серийного производства новых двигателей для установки на серийных самолетах, предназначенных для вооруженных сил. Два двигателя нового поколения уже решили эту задачу. Остальным только предстоит это сделать.

/Кирилл Рябов, topwar.ru/

army-news.ru

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *