Двигатели и их размещение

Двигатели и их размещение

На любом историческом этапе развития авиации в ее рядах могут находиться самолеты разных лет создания, классов, конструкции и с различными типами двигательных установок. Практическое применение в авиации нашли поршневые двигатели (ПД), реактивные жидкостные (ЖРД), реактивные прямоточные (ПВРД), газотурбинные турбореактивные (ТРД) и турбовинтовые (ТВД), а также твердотопливные реактивные (ТТРД) двигатели-ускорители. На современных военных самолетах стоят в основном ТРД и ТВД, хотя во вспомогательной военной авиации все еще встречаются самолеты с ПД (небольшие транспортные, патрульные и противолодочные самолеты, используемые в военной авиации малых государств).

Все вышеперечисленные реактивные двигатели получают реактивную силу при истечении газов из сопла. Газы образуются от сгорания топлива в окислителе. Конструктивно самый простой — ТТРД. У него топливо помещено в камеру сгорания. При работе ТТРД реакция горения происходит очень быстро, при этом двигатель развивает большую тягу. В авиации ТТРД применяются в качестве самолетных ускорителей и в вооружении (ракетах). В ЖРД окислитель и топливо находятся в отдельных емкостях, из которых подаются в камеру сгорания. Как ТТРД, так и ЖРД очень неэкономичны, к тому же на борту летательного аппарата приходится кроме топлива возить и окислитель, поэтому в настоящее время ЖРД практически не применяются в авиационной технике.

Схемы размещения двигателей на сверхзвуковых самолетах

8 воздушно-реактивных двигателях (ВРД) основным рабочим телом при создании тяги является атмосферный воздух, а в качестве окислителя при горении топлива используется кислород воздуха. Чтобы получить достаточное количество кислорода, надо через двигатель пропускать много воздуха и под большим давлением В ПВРД это достигается за счет скоростного напора, т. е. чтобы двигатель заработал, его надо предварительно разогнать. Конструктивная простота этого двигателя и малый вес наряду с высокими удельными параметрами способствуют применению ПВРД на ракетах, беспилотных самолетах и в комбинированных турбопрямоточных двигателях сверхскоростных машин (например, SR-71).

ТРД тоже относятся к воздушно-реактивным двигателям Воздух перед поступлением в камеры сгорания сжимается компрессором, который «сидит» на одном валу с турбиной, помещенной в газовый поток после камер сгорания На больших скоростях полета ТРД имеют значительно большие мощности, чем ПД, и небольшие удельные расходы топлива. В эксплуатации они просты и надежны Все это обусловило их широкое применение в авиации.

Двигатель самолета F-15

Улучшенным вариантом ТРД являются двухконтурные турбореактивные двигатели (ТРДД). Часть энергии сгорания топлива во внутреннем контуре преобразуется в механическую работу вентилятора наружного контура. Важным параметром работы ТРДД выступает степень двухконтурности — отношение расхода воздуха в наружном контуре к расходу воздуха во внутреннем Повышение степени двухконтурности приводит к снижению удельного расхода топлива, но сопровождается увеличением габаритов и температуры газов перед турбиной. Поэтому ТРДД с большой степенью двухконтурности устанавливают на транспортных, нескоростных самолетах Новейшим направлением в повышении маневренности самолетов, улучшении их взлетно-посадочных характеристик является оснащение их реактивными двигателями с изменяемым вектором тяги (ДИВТ)

У ТВД две турбины: одна вращает компрессор, другая — воздушный винт. Эти двигатели имеют большую тягу и лучшую экономичность на дозвуковых скоростях полета, чем ТРД. Тяга ТВД складывается из тяги воздушного винта и частично из тяги, получаемой от выходящих из сопла газов Установка ТВД на тяжелых самолетах позволяет улучшить их взлетные качества и дальность полета. Особенно были распространены в военной авиации ТВД в 50–60-е годы: они стояли практически на всех типах самолетов, кроме истребителей. После появления экономичных ТРДД и применения энергетической механизации крыла, ТВД сдали почти все свои позиции в военном самолетостроении: в 80-е годы в мире серийно производилось для военных заказчиков не более 7–8 типов самолетов с ТВД (учебно-тренировочные, противолодочные, транспортные, штурмовики и ракетоносцы). В последнее время, в связи с разработкой многолопастных винтов обладающих высоким КПД, возобновилось проектирование тяжелых самолетов с ТВД.

Современные двигатели имеют модульную конструкцию. Каждый из модулей представляет группу сборочных единиц и может быть заменен без подгонки, балансировки и испытаний двигателя на стенде Применение модульной конструкции сокращает сроки создания и модифицирования двигателя, повышает его эксплуатационную и ремонтную технологичность, позволяет полнее использовать долговечность отдельных модулей.

Размещение двигателей на планере диктуется оптимальными условиями их работы, требованиями аэродинамики и эксплуатации. В современной военной авиации наблюдается большое разнообразие вариантов размещения двигателей. На тяжелых самолетах — военно-транспортных, противолодочных, бомбардировщиках, где необходимо иметь большие внутрифюзеляжные объемы для размещения грузов, спецоборудования и вооружения, двигатели устанавливаются на крыле, в крыле, реже на фюзеляже Лишь у такого относительно большого бомбардировщика, как Ту-22М, двигатели спрятаны в фюзеляж.

На более легких самолетах двигатели (двигатель) размещаются в фюзеляже В двухдвигательных самолетах мотогондолы и фюзеляж объединены в общую конструкцию Мотогондолы могут быть короче фюзеляжа, как у «Ягуара», или длиннее — когда фюзеляж превращается в носовую гондолу (Су-27).

Как уже говорилось, сгладить противоречия между ростом скорости полета и ухудшением взлетно-посадочных характеристик удается за счет механизации крыла (изменение профиля и угла стреловидности). Еще один путь — использовать тягу двигателя. Направляя вектор тяги вниз, можно создать дополнительную подъемную силу, способствующую сокращению взлетно-посадочных дистанций (у самолетов с коротким взлетом и посадкой — СКВП) или даже вертикальному взлету и посадке (самолет с вертикальным взлетом и посадкой — СВВП). Для этого используются вертикальные подъемные двигатели (ВД), подъемно-маршевые двигатели (ПМД) с поворотными соплами, поворотные ПМД, энергетическая механизация крыла, пороховые стартовые ускорители (только для короткого взлета).

Воздухозаборники сверхзвуковых самолетов

ВД применяются в комбинации с маршевой двигательной установкой. В 60-е годы было построено несколько опытных самолетов, в состав двигательной установки которых входили ВД: французский истребитель-СВВП «Бальзак» и советский истребитель — СКВП МиГ-23-01 имели комбинацию ВД и маршевых двигателей, западногерманский военно-транспортный СВВП Do-31; советские Як-36 и Як-38 — комбинацию ВД и ПМД; западногерманский истребитель — СВВП VJ-101 комбинацию ВД и поворотных двигателей До серийного производства был доведен лишь Як-38. ВД в таких установках работают лишь на взлете и при посадке, в полете они являются «мертвым» грузом. Конструкция самолетов, оснащенных ВД, перетяжелена, летные и тактические характеристики значительно ниже, чем у аналогичных самолетов только с одним маршевым двигателем.

При использовании в двигательной установке ПМД поворот вектора тяги осуществляется в плоскости симметрии самолета, при этом сопла поворачиваются вниз на 90°. В зависимости от тяговооруженности может происходить укороченный или вертикальный взлет.

В настоящее время на вооружении военной авиации (в США и Великобритании) находятся два типа СВВП: многоцелевой истребитель «Харриер» (в нескольких модификациях), оснащенный ПМД, и военно-транспортный «Оспри» с поворотными двигателями.

Использование ПМД обеспечивает улучшение маневренных характеристик СВВП — уменьшение радиуса виража, увеличение интенсивности торможения, благодаря возможности использования поворота вектора тяги двигателя в полете На СВВП в дополнение к аэродинамическим рулям имеется газодинамическая система управления, позволяющая самолету маневрировать на режимах висения, взлета и посадки. Для увеличения управляющих моментов струйные рули разнесены по концам крыла и фюзеляжа. Для СВВП характерно увеличение относительной массы силовой установки и уменьшение относительной массы полезной нагрузки. Можно увеличить полезную нагрузку СВВП при взлете «по-самолетному» — с коротким разбегом. После израсходования в полете топлива и сброса боевой нагрузки тяговооруженность самолета возрастает и может обеспечить вертикальную посадку.

Двигатель смолета F-15

Управление вектором тяги открывает перспективы более простого управления самолетом, особенно на малых скоростях, а также снижение заметности и расхода топлива, благодаря возможности отказаться от вертикального оперения.

В некоторых современных военно-транспортных самолетах — Ан-72, С-17 — для увеличения подъемной силы крыла применяют энергетическую механизацию крыла (ЭМК), основанную на эффекте Коанда. При обдуве верхней (АН-72) или нижней (С-17) поверхности крыла реактивной струей, она поворачивается вслед за отклоненным закрылком. Появляется вертикальная составляющая тяги двигателей. Кроме того, на крыле при этом возникает дополнительная аэродинамическая подъемная сила (эффект суперциркуляции).