Як працює реактивний двигун

Історія реактивних двигунів

Ще з часів міфу про Ікара, в якому Ікар робить крила з пташиного пір’я і злітає, люди намагалися зрозуміти, яким чином певні види піднімаються в небо, щоб відтворити це за допомогою машин. Леонардо да Вінчі розробив перші концепції в ¹⁶ столітті. Але на той час єдиною відомою рушійною силою були людські м’язи. Фундаментальні принципи, які згодом дозволять нам зрозуміти, як літають літаки, з’являться лише в ^17-18 століттях, завдяки таким вченим, як Ньютон і Бернуллі. У ¹⁹ столітті промислова революція призвела до низки технічних досягнень. Француз Клеман Адер був першим, хто підняв літак у повітря за допомогою парового двигуна, використовуючи кажана як натхнення. Десять років потому, у 1903 році, брати Райт здійснили перший в історії керований, моторизований політ.

Як працює реактивний двигун

Перший реактивний двигун, або турбореактивний, був сконструйований німцями в 1939 році, але це був результат кількох століть досліджень.

Це відео пояснює, як працюють сучасні двигуни:

Принцип простий:

Повітря всмоктується вентилятором, потім постійно стискається; потім воно потрапляє в камеру згоряння, де вступає в реакцію з парафіном і запалюється. В результаті реакції гази розширюються, а потім вилітають назад через сопло, рухаючи літак вперед. Гази вилітають з дуже великою швидкістю, проходячи через реактивний двигун, форма якого зменшується.

Крім того, покидаючи двигун, гази обертають турбіну, розташовану на одній осі з компресором, відразу після камери згоряння. Рух турбіни викликає рух компресора, що дозволяє реакції відбуватися безперервно. Літак рухається, а повітря, що обтікає його крила, змушує його летіти.

Авіакомпанії постійно намагаються покращити роботу камер згоряння, щоб зменшити викиди в атмосферу.

Закони руху Ньютона

У ¹⁷ столітті Ньютон сформулював три фундаментальні закони для пояснення руху. Перший – це принцип інерції, другий – принцип динаміки. Нас цікавить третій закон Ньютона – принцип взаємної дії.

Реактивний рух фактично базується на цьому принципі дії-реакції, який стверджує, що на кожну дію існує рівна і протилежна реакція. Таким чином, повітря, що викидається назад, буде діяти на літак з рівною і протилежною силою, рухаючи його вперед. Причому, чим вища швидкість струменя рушійного газу, тим більша сила тяги.

Закон Ньютона також пояснює, як літають літаки: якщо крило діє на повітря (його вага, сила, спрямована вниз), то повітря діє на крило з протилежною силою, яка називається підйомною силою (вгору). Компенсація цих сил утримує літак у повітрі.

Перший реактивний двигун

У 1731 році англієць Джон Барбер почав реєструвати патенти на газову турбіну внутрішнього згоряння, попередницю турбореактивного двигуна. Його двигун складався з компресора, камери згоряння і турбіни, які працювали на горючій речовині. Однак Барбер не зміг змусити свій винахід працювати, оскільки тогочасні технології не дозволяли генерувати достатню потужність.

Розробка газової турбіни була відкладена через успіх парової турбіни. Нарешті, після робіт румуна Анрі Коанде та француза Максима Гійома у 1930-х роках, саме британець сер Френк Віттл здійснив революцію у повітряному транспорті, застосувавши турбореактивний двигун. Замість того, щоб використовувати поршневий двигун для стиснення повітря, Віттл обрав турбіну, яка використовувала енергію вихлопних газів для приведення в дію компресора. Цей новий двигун був більш економічним і потужним, ніж поршневий.

Перші турбореактивні двигуни були розроблені одночасно в Англії та Німеччині. Німець Ганс фон Охайн розробив перший реактивний двигун для компанії Heinkel у 1939 році. Першим реактивним літаком став Heinkel He-178, який використовувався для ведення бойових дій. Однак перший політ був перерваний, коли в двигун засмоктало птаха. Гонка озброєнь під час Другої світової війни прискорила народження сучасної авіації. Сполучені Штати та Радянський Союз наздогнали її наприкінці війни, за ними пішла Франція, яку стримувала німецька окупація. Перші цивільні літаки з реактивними двигунами з’явилися в 1950-х роках.

Різні типи реактивних двигунів

Загалом, турбореактивні двигуни перетворюють хімічну енергію, що міститься в паливі, на кінетичну. Розробка турбореактивних двигунів від самого початку була серйозним викликом як у військовій, так і в цивільній сферах. Сучасні реактивні двигуни набагато складніші, ніж у минулому. Наприклад, вони оснащені реверсом тяги, який слугує для гальмування літака. Струмінь перенаправляється до передньої частини двигуна.

Існує кілька підкатегорій реактивних двигунів:

• Відцентрові компресорні реактивні двигуни
• Турбореактивні двигуни з осьовим компресором
• Двопотокові реактивні двигуни
• Рамно-реактивні двигуни
• Турбогвинтові двигуни
• Двигуни з вільними турбінами

Описані вище двигуни – це відцентрові компресорні турбореактивні двигуни. Вони прості у виробництві та надійні, але їхній недолік полягає в тому, що вони потребують двигуна великого діаметру, що зменшує кінцеву швидкість літака. Тому були винайдені осьові турбореактивні двигуни. Повітря стискається через ряд пропелерів, і ефективність є вищою, але це вимагає більш досконалих матеріалів. В обох випадках двигун повинен витримувати температуру до 2000°C.

У байпасному реакторі перед компресором розміщується вентилятор. Він втягує більшу кількість повітря, яке потім ділиться на первинний і вторинний потоки. Первинний потік проходить через камеру згоряння, тому це потік гарячого повітря. Вторинний потік викидається безпосередньо з обох боків двигуна; це потік холодного повітря, який забезпечує 80% тяги. На виході холодне повітря змішується з гарячим, в результаті чого відбувається охолодження. Ця система використовується на більшості літаків avions commerciaux для покращення тяги та зменшення шуму двигуна.

Реактивні двигуни зараз використовуються на винищувачах і ракетах, оскільки вони можуть досягати дуже високих швидкостей. Їх тяга більша, оскільки паливо повторно впорскується в камеру згоряння – процес, відомий як допалювання. Крім того, вони не мають рухомих частин і тому легкі. Недоліками є те, що вони не можуть працювати нижче певної швидкості, а температура є дуже високою, що є нестійким з часом для багатьох матеріалів. Для роботи їм також потрібно забезпечити початкову швидкість. Надзвукові реактивні двигуни можуть досягати надзвукових швидкостей. Двигун Concorde був гібридом між турбореактивним і прямоточним.

Турбореактивні двигуни збільшують свою тягу, викидаючи якомога більше газу. З турбогвинтовими двигунами все інакше. Вони покладаються на силу обертання пропелера, прикріпленого до зовнішньої частини літака, щоб забезпечити більшу частину тяги. Турбогвинтові літаки пропонують найбільш економічне рішення для коротких перельотів. Вони більш ефективні і споживають менше палива, але обмежені у висоті та відстані польоту. Щоб дізнатися більше про різні моделі турбогвинтових літаків, відвідайте cette page.

Турбогвинтові двигуни були розроблені для вертольотів. Як і турбореактивні двигуни, вони оснащені турбіною. Вертольоти, що випускаються сьогодні, такі як Dauphin, мають вільну турбіну. Вона перетворює кінетичну і теплову енергію вихлопних газів на механічну, а також дозволяє лопатям вертольота обертатися зі швидкістю, відмінною від швидкості компресора, забезпечуючи тим самим стійкість літального апарату.