Воздушно-реактивный двигатель

Воздушно-реактивный двигатель

Воздушно-реактивный двигатель (ВРД) – реактивный двигатель, в котором воздух является основным компонентом рабочего тела. При этом воздух, поступающий в двигатель из окружающей атмосферы, подвергается сжатию и нагреву.

Нагрев осуществляется в камерах сгорания путем сжигания горючего (керосина и др.) с использованием кислорода воздуха в качестве окислителя. В случае применения ядерного топлива воздух в двигателе нагревается в специальных теплообменниках. По способу предварительного сжатия воздуха ВРД подразделяются на бескомпрессорные и компрессорные (газотурбинные).

В бескомпрессорных ВРД сжатие осуществляется только за счет скоростного напора воздушного потока, набегающего на двигатель в полете. В компрессорных ВРД воздух дополнительно сжимается в компрессоре, приводимом во вращение газовой турбиной, поэтому их называют еще турбокомпрессорными или газотурбинными двигателями (ГТВРД). В компрессорных ВРД нагретый газ высокого давления, отдавая часть своей энергии газовой турбине, вращающей компрессор, попадая в реактивное сопло, расширяется и выбрасывается из двигателя со скоростью, превышающей скорость полета ЛА. Это и создает силу тяги. Такие ВРД относят к двигателям прямой реакции. Если же часть энергии нагретого газа, отданная газовой турбине, становится значительной и турбина при этом приводит во вращение не только компрессор, но и специальный движитель (например, воздушный винт), обеспечивающий к тому же создание основной силы тяги, то такие ВРД называются двигателями непрямой реакции.

Использование воздушной среды в качестве компонента рабочего тела позволяет иметь на борту ЛА только одно горючее, доля которого в объеме рабочего тела в ВРД не превышает 2—6%. Эффект подъемной силы крыла позволяет осуществлять полет с тягой двигателя, которая существенно ниже массы ЛА. Оба эти обстоятельства предопределили преимущественное применение ВРД на ЛА при полетах в атмосфере. Особенно широко распространены компрессорные газотурбинные ВРД, являющиеся основным типом двигателей в современной военной и гражданской авиации.

При больших сверхзвуковых скоростях полета (М > 2,5) повышение давления только за счет динамического сжатия воздуха становится достаточно большим. Это позволяет создавать бескомпрессорные ВРД, которые по виду рабочего процесса подразделяются на прямоточные (ПВРД) и пульсирующие (ПуВРД). ПВРД состоит из входного устройства (воздухозаборника), камеры сгорания и выходного устройства (реактивного сопла). В сверхзвуковом полете встречный поток воздуха тормозится в каналах воздухозаборника, и его давление повышается. Сжатый воздух поступает в камеру сгорания, куда через форсунку впрыскивается горючее (керосин). Горение керосиново-воздушной смеси в камере (после предварительного ее воспламенения) осуществляется практически при мало изменяющемся давлении. Нагретый до высокой температуры (более 2000 К) газ высокого давления ускоряется в реактивном сопле и истекает из двигателя со скоростью, превышающей скорость полета ЛА. Параметры ПВРД в значительной степени зависят от высоты и скорости полета.

При скоростях полета, меньших двойной скорости звука (М < 2,0), эффективность ПВРД резко падает. При больших сверхзвуковых скоростях полета (М > > 5,0—6,0) обеспечение высокой эффективности ПВРД сопряжено с трудностями организации процесса горения в сверхзвуковом потоке и другими особенностями высокоскоростных течений. ПВРД находят применение в качестве маршевых двигателей сверхзвуковых крылатых ракет, двигателей вторых ступеней зенитных управляемых ракет, летающих мишеней, двигателей реактивных винтов и др.

Реактивное сопло также имеет изменяемые размеры и форму. Взлет самолета с ПВРД обычно производится с помощью ракетных силовых агрегатов (на жидком или твердом топливе). Преимущества ПВРД – способность эффективно работать на высоких скоростях и высотах полета, чем компрессорные ВРД; более высокая экономичность по сравнению с жидкостными ракетными двигателями (так как в ПВРД используется кислород воздуха, а в ЖРД кислород вводится как компонент топлива), простота конструкции и др.

К их недостаткам относят необходимость предварительного разгона ЛА другими типами двигателей, низкую эффективность на малых скоростях полета.

В зависимости от скорости ПВРД подразделяют на сверхзвуковые (СПВРД) при М от 1,0 до 5,0 и гиперзвуковые (ГПВРД) при М > 5,0. ГПВРД перспективны для воздушно-космических аппаратов. ПуВРД отличаются от ПВРД наличием специальных клапанов на входе в камеру сгорания и пульсирующим процессом горения. Горючее и воздух поступают в камеру сгорания периодически, когда клапаны открыты. После сгорания смеси давление в камере сгорания повышается, и входные клапаны закрываются. Газы с высоким давлением с большой скоростью устремляются в специальное выходное устройство и выбрасываются из двигателя. К концу их истечения давление в камере сгорания значительно снижается, клапаны снова открываются, и цикл работы повторяется. ПуВРД находили ограниченное применение в качестве маршевых двигателей дозвуковых крылатых ракет, в авиамоделях и др.