Як працює реактивний двигун і які існують різні типи?

Від сміливих мрій Ікара до сучасних надзвукових літаків людина ніколи не припиняла розширювати межі неба.

В основі цього повітряного підкорення лежить революційний винахід: реактивний двигун. Потужний, складний і захоплюючий, цей шедевр інженерної думки перетворює просте горіння на феноменальну силу, здатну підняти сотні тонн крізь хмари.

Але як це працює насправді? Які фізичні принципи та історичні інновації зробили це можливим?

Пориньте в надра цих механічних гігантів, де наука зустрічається з чистою силою, і відкрийте для себе неймовірну історію двигунів, які змінили світ.

Історія реактивних двигунів: науково-технічна епопея

З давніх-давен людина мріяла підкорити небо. Міф про Ікара, який летить на крилах з пташиного пір’я, ілюструє це віковічне прагнення. Але лише через століття наука і техніка перетворили цю мрію на реальність.

Теоретичні засади (16-18 століття)

У 16 столітті Леонардо да Вінчі намалював перші літальні апарати, натхненні птахами. Однак на той час єдиною доступною рушійною силою все ще була сила м’язів. Наукові основи польоту з’являться лише в 17-18 століттях завдяки роботам Ісаака Ньютона (закони польоту):

• Ісаака Ньютона (закони динаміки),
• Даніеля Бернуллі (принцип аеродинамічної підйомної сили).

Перші досягнення (19 століття)

Промислова революція проклала шлях до конкретних експериментів:

• У 1890 році француз Клеман Адер зумів відірвати від землі свій літак Éole, що працював на парі і був натхненний польотом кажанів. Хоча він був не дуже маневреним, це був вирішальний крок уперед.
• 17 грудня 1903 року брати Орвілл і Вілбур Райт здійснили перший керований політ на своєму літаку Flyer, що працював на двигуні внутрішнього згоряння.

Поява реактивного двигуна (20 століття)

Хоча перші літаки використовували пропелери, обмеження цієї технології спонукали інженерів шукати альтернативу. Робота над реактивним рушієм розпочалася в 1930-х роках, а першопрохідцями були такі люди, як:

• Френк Віттл (Велика Британія),
• Ганс фон Огайн (Німеччина).

Перший діючий реактивний літак, Мессершмітт Ме 262, був введений в експлуатацію в 1944 році, зробивши революцію в сучасній авіації.

Сьогодні реактивні двигуни приводять у рух більшість цивільних і військових літаків, пропонуючи швидкість, потужність і ефективність. Ця історія сміливості та інновацій показує, як людство розсунуло межі можливого.

Як працює реактивний двигун

Походження та розвиток

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

У цьому відео спрощено пояснюється робота двигунів, які використовуються сьогодні:

Основний принцип

робота реактивного двигуна базується на точній послідовності:

1. Всмоктування і стиснення

Повітря всмоктується вентилятором, а потім безперервно стискається.

2. Згоряння

Стиснене повітря потрапляє в камеру згоряння, де змішується з парафіном і запалюється. В результаті реакції гази розширюються при високій температурі і високому тиску.

3. Розширення і рух

Розширені гази виштовхуються назад на дуже високій швидкості через сопло, що збігається (звужується), створюючи тягу вперед (згідно з принципом Ньютона: дія-реакція).

4. Безперервна подача

Коли гази виходять з компресора, вони приводять в рух турбіну, розташовану на одній осі з компресором. Рух турбіни викликає рух компресора, дозволяючи циклу продовжуватися до тих пір, поки двигун живиться.

Аеродинамічна підтримка

Однієї лише рушійної сили недостатньо: саме циркуляція повітря над крилами створює підйомну силу, необхідну для того, щоб літак міг летіти.

Сучасні виклики

Авіакомпанії та виробники літаків постійно працюють над тим, щоб

• Зменшити викиди (CO₂, тверді частинки) шляхом оптимізації камер згоряння.
• Підвищити паливну ефективність, наприклад, за допомогою двигунів з високим коефіцієнтом перепуску (наприклад, турбовентиляторних двигунів).
• Зменшити споживання палива, що є основним економічним та екологічним завданням.

Для спрощеного сприйняття, це відео пояснює процес.

Закони руху Ньютона

У 17 столітті Ісаак Ньютон сформулював три фундаментальні закони класичної механіки:

1. Принцип інерції: тіло залишається в стані спокою або рівномірного прямолінійного руху, якщо на нього не діє сила.
2. Принцип динаміки: сила, що діє на об’єкт, дорівнює його масі, помноженій на прискорення (F = m × a).
3. Принцип взаємної дії (або дії-реакції): Кожній дії відповідає відповідна реакція, рівна за інтенсивністю, але протилежна за напрямком.

Застосування до реактивного руху

Третій закон Ньютона лежить в основі роботи реактивних двигунів. Коли літак викидає гази назад на великій швидкості, вони створюють силу реакції (тягу), яка рухає літак вперед. Чим швидший і масивніший струмінь газу, тим більша тяга.

Політ і підйом літака

Цей же закон пояснює, як літак утримується в повітрі:

• Крила, завдяки своїй формі і нахилу, чинять на повітря силу, спрямовану вниз (дію).
• У відповідь повітря створює протилежну висхідну силу, яка називається підйомною силою, що компенсує вагу літака.

Таким чином, компенсація сил (тяги, опору, підйомної сили і ваги) забезпечує стабільний, контрольований політ.

(Примітка: ці принципи також мають важливе значення в космонавтиці, де рух ракети повністю базується на викиданні газів відповідно до третього закону Ньютона)

Перший реактивний двигун: революція в авіації

Початок: Джон Барбер і газова турбіна (1731)

Ще в 1731 році англієць Джон Барбер розробив концепцію, яка стала попередником турбореактивного двигуна, коли він подав патенти на газову турбіну внутрішнього згоряння.

Його двигун вже містив ключові елементи: компресор, камеру згоряння і турбіну, що працювала на паливі.

На жаль, тогочасні технології не давали достатньої потужності, щоб змусити його працювати належним чином.

Розвиток газових турбін був затьмарений успіхом парових турбін, які на той час були більш ефективними. Лише у XX столітті ця ідея знову з’явилася на поверхню.

Сучасна епоха: Віттл, фон Огайн і реактивний рух

У 1930-х роках роботи румуна Анрі Коанде та француза Максима Гійома відродили інтерес до реактивного руху. Але справжню революцію в цій галузі здійснив британський інженер сер Френк Віттл.

У 1937 році Віттл розробив інноваційний турбореактивний двигун: замість того, щоб використовувати поршневий двигун для стиснення повітря, він встановив турбіну нижче за течією, використовуючи енергію вихлопних газів для приведення в дію компресора. Така архітектура зробила двигун потужнішим і економічнішим, ніж поршневі моделі.

Майже одночасно німець Ганс фон Огайн розробив подібний двигун для компанії Heinkel. У 1939 році Heinkel He-178 став першим у світі реактивним літаком. Однак його перший політ був обірваний, коли в двигун засмоктало птаха.

Гонка озброєнь і становлення сучасної авіації

Друга світова війна прискорила технічний прогрес. Німеччина та Велика Британія були в гонці на випередження, а США та СРСР швидко наздогнали їх після 1945 року. Франція, затримана окупацією, приєдналася до змагання пізніше.

У 1950-х роках турбореактивні двигуни були встановлені на перших цивільних літаках, що ознаменувало початок нової ери в повітряному транспорті.

Це нововведення, народжене низкою невдач і проривів, остаточно змінило авіацію, пропонуючи швидші, ефективніші та надійніші літаки.

Heinkel He-178 – Фото: Wikimedia Commons

Які існують типи реактивних двигунів?

Існує кілька категорій реактивних двигунів, кожна з яких адаптована до конкретних потреб:

1. Турбореактивні двигуни

Загалом, турбореактивні двигуни перетворюють хімічну енергію, що міститься в паливі, на кінетичну.

Від самого початку розробка турбореактивних двигунів була серйозним викликом як у військовому, так і в цивільному секторах.

Вони поділяються на два підтипи:

• Турбореактивні двигуни з відцентровим компресором: Турбореактивні двигуни з відцентровим компресором прості у виробництві і надійні. Однак вони потребують двигуна великого діаметру, що знижує кінцеву швидкість літака.
• Осьові компресорні турбореактивні двигуни: вони більш потужні завдяки серії пропелерів, які стискають повітря. Однак вони вимагають більш досконалих матеріалів.

В обох випадках двигун повинен витримувати температуру до 2000°C.

2. Турбовентиляторні двигуни

У турбовентиляторному двигуні перед компресором розміщується вентилятор. Він втягує більшу кількість повітря, яке потім ділиться на два потоки:

• Первинний потік: Первинний потік проходить в камеру згоряння, тому це потік гарячого повітря.
• Вторинний потік: Вторинний потік викидається безпосередньо з обох боків двигуна; це потік холодного повітря, який забезпечує 80% тяги.

На виході холодне повітря змішується з гарячим, що призводить до охолодження. Ця система використовується на більшості комерційних літаків для покращення тяги та зменшення шуму двигуна.

Байпасний двигун – Фото: Вікіпедія

3. Реактивні двигуни

Реактивні двигуни зараз використовуються на винищувачах і ракетах, оскільки вони можуть досягати дуже високих швидкостей.

• Переваги: їхня тяга більша, оскільки паливо повторно впорскується в камеру згоряння – процес, відомий як допалювання. Крім того, вони не мають рухомих частин і тому легкі.
• Недоліки: Вони потребують початкової швидкості для роботи і погано справляються з екстремальними температурами з плином часу.

Реактивні двигуни Superstar (наприклад, турбореактивний/реактивний гібрид Concorde) досягають надзвукових швидкостей.

4. Турбогвинтові двигуни

Турбореактивні двигуни збільшують свою тягу, викидаючи якомога більше газу. У турбогвинтових двигунів це не так.

Турбогвинтові двигуни покладаються на силу обертання пропелера, прикріпленого до зовнішньої частини літака, щоб забезпечити більшу частину тяги.

Турбогвинтові літаки є найбільш економічним рішенням для перельотів на короткі відстані. Вони більш ефективні і споживають менше палива, але обмежені у висоті та відстані польоту.

Щоб дізнатися більше про різні моделі турбогвинтових літаків, відвідайте цю сторінку.

Копирайт изображения: Wikimedia Commons

5. Турбогвинтові двигуни (для гелікоптерів)

Турбогвинтові двигуни були розроблені для гелікоптерів. Як і турбореактивні двигуни, вони оснащені турбіною.

Вертольоти, що виробляються сьогодні, такі як Dauphin, мають вільну турбіну.

Вона перетворює кінетичну і теплову енергію вихлопних газів на механічну.

Це також дозволить лопатям вертольота обертатися зі швидкістю, відмінною від швидкості компресора, забезпечуючи тим самим стабільність літального апарату.