Что такое рабочее тело в реактивном двигателе

Музей Лунариум

+7 (495) 221-76-90
АО «Планетарий» © 2017 г. Москва, ул.Садовая-Кудринская, д. 5, стр. 1

  • Схема Планетария
  • Залы Планетария
  • Экспонаты

Под стеклянным колпаком находятся макеты двух типов двигателей: пропеллерного и реактивного. Ёмкость под колпаком герметична и имеет встроенный вакуумно-воздушный насос. Откачивая и закачивая воздух в ёмкости при помощи кнопок, можно убедиться в том, что пропеллерный двигатель может работать только при наличии воздуха, а реактивный — и в атмосфере, и в вакууме.

Таким образом, пропеллерные летательные аппараты могут двигаться только в условиях атмосферы Земли, а ракеты с реактивными двигателями могут двигаться и в атмосфере, и в безвоздушном пространстве (космосе).

Пропеллер (воздушный винт) — лопаточная машина (лопастной агрегат), приводимая во вращение двигателем и предназначенная для преобразования мощности (крутящего момента) двигателя в тягу. Лопасти винта, вращаясь, захватывают воздух и отбрасывают его в направлении, противоположном движению. В результате перед винтом создаётся зона пониженного давления, за винтом — повышенного. Воздушная масса, сопротивляясь отбрасыванию, толкает винт вместе с летательным аппаратом в сторону, противоположную направлению отбрасывания. Причиной создания силы тяги воздушного винта является реакция отбрасываемой вращающимися лопастями винта массы воздуха.

Идею воздушного винта предложил в 1475 Леонардо да Винчи, а применил его для создания тяги впервые в 1754 Михаил Ломоносов в модели прибора для метеорологических исследований. К середине 19-го века на пароходах применялись гребные винты, работающие аналогично воздушному винту.

В 20-м в. воздушные винты применяются в качестве движителя для самолётов и вертолётов с поршневыми и турбовинтовыми двигателями, а также, в том же качестве — для экранопланов, аэросаней, аэроглиссеров и судов на воздушной подушке.

Реактивный двигатель — двигатель, создающий необходимую для движения силу тяги посредством преобразования внутренней энергии топлива в кинетическую энергию реактивной струи рабочего тела, которым являются продукты сгорания ракетного топлива, имеющие высокие термодинамические параметры: температура, давление, скорость. Рабочее тело с большой скоростью истекает из двигателя, и, в соответствии с законом сохранения импульса, образуется реактивная сила, толкающая двигатель в противоположном направлении. Для разгона рабочего тела может использоваться как расширение газа, нагретого тем или иным способом до высокой температуры (т.н. тепловые ракетные двигатели), так и другие физические принципы, например, ускорение заряженных частиц в электростатическом поле (ионный двигатель). Реактивный двигатель сочетает в себе собственно двигатель с движителем, то есть он создаёт тяговое усилие только за счёт взаимодействия с рабочим телом, без опоры или контакта с другими телами. Именно поэтому он используется для приведения в движение ракет в безвоздушном пространстве.

Экспонат знакомит посетителей со смыслом терминов принятых в авиации и космонавтике: сила тяги воздушного винта, реактивная тяга, движитель, рабочее тело, вакуум.

Что такое рабочее тело в реактивном двигателе

Создание газодинамических лазеров (ГДЛ) прошло через ряд трудных фаз своего становления. Многие разработки ГДЛ в 70 годы прошлого столетия в России

оказывались практически неработоспособными. Ряд фирм-разработчиков по этой причине был закрыт. Впоследствии этот трудный этап был преодолен. К настоящему времени имеется достаточный научный задел с уже успешно работающими автономными ГДЛ.

Рассматривается авиационный газотурбинный двигатель (ГТД) с турбиной новых форм и новых параметров функционирования. В названной турбине межлопаточные каналы рабочего колеса выполняются в виде последовательности вращающихся сопел Лаваля с существенно сверхзвуковым перепадом давления на них. Для подобной турбины (будем называть ее суперреактивной: с-реактивной) характерна высокая выходная скорость рабочего тела. С учетом этого факта, за названной турбиной устанавливается биротативное рабочее колесо активного типа.

Состав и параметры течения в рабочем колесе с-турбины (Т3 > 1500 К; Pi > 5 – 7) обуславливают создание в рабочем теле на выходе инверсии населенности. Установка за рабочим колесом двух концентрических кольцевых резонаторов сформирует основные элементы газодинамического лазера (ГДЛ). Включение и выключение ГДЛ, при штатно работающем ГТД, возможно введением в систему обтюратора, заслоняющего поток рабочего тела от резонаторов.

Работа системы. Рабочее тело штатного ГТД (см. рис.) после камеры сгорания (не показано) подается на сопловые лопатки каскада высокого давления – 1, далее на рабочее колесо – 2. Здесь минимальное сечение у рабочих лопаток находится в районе входной кромки. Выход потока из рабочего колеса существенно сверхзвуковой.

Наличие в продуктах сгорания углекислого газа СО2 дает возможность создания инверсии населенности в условиях сверхзвукового потока. За время движения газа между резонаторами 4 и 5 энергия от N2 переходит к молекулам CO2, а те, в свою очередь, отдают ее электромагнитному полю. В силу относительно большого времени жизни верхнего энергетического уровня молекул CO2 и малого времени прохождения газа через сопло населенность этого уровня cохраняется на значительных (до 1 м) расстояниях от сопла. Сгенерированный в бочкообразном резонаторе – 3 (между внутренним – 4 и наружным резонатором – 5) луч поступает через полупрозрачный сегмент (не показано) наружного бочкообразного резонатора – 5, на прицельную систему – 6 и далее – на очаг поражения. Ожидаемая мощность излучения от 50 до 250 кВт (или от 1-1,5% от циркуляционной мощности каскада высокого давления). Само рабочее тело после резонатора и обтюратора – 7 поступает на биротативное колесо активного типа – 8, где срабатывается часть высокой выходной скорости от рабочего колеса – 2. Далее рабочее тело поступает на реактивное сопло – 9. Обтюратор – 7 при продольном перемещении с перекрытием зеркал служит для включения и выключения способности генерирования излучения. Развитие данного предложения может открыть перспективу к созданию авиационных силовых установок с новыми возможностями. Система может быть развита для вертолетных и судовых ГТД.

Читать еще:  Что означает коллекторный двигатель

жидкостно-газовый реактивный двигатель

Изобретение относится к ракетно-космической технике и может быть использовано в качестве корректирующей двигательной установки космического аппарата. Жидкостно-газовый реактивный двигатель (ЖГРД) содержит бак, заполненный жидким рабочим телом — водой, с выходным отверстием в крышке, камеру и реактивное сопло. В камере жидкостно-газового реактивного двигателя установлен на выходе из бака разделитель фаз рабочего тела, после которого установлен регулировочный клапан с пружиной и электромагнитом. В ЖГРД камера снабжена устройством подогрева рабочего тела в области, прилегающей к выходному отверстию бака. Жидкостно-газовый реактивный двигатель создает реактивную тягу за счет истечения паров воды, которые образуются за счет процесса парообразования газа из жидкой фазы. Изобретение обеспечивает регулирование тяги, снижение энергопотребления двигателя и применение экологически чистого рабочего тела. 1 з.п. ф-лы, 1 ил.

Формула изобретения

1. Жидкостно-газовый реактивный двигатель, содержащий бак, заполненный жидким рабочим телом, с выходным отверстием в крышке, камеру и реактивное сопло, отличающийся тем, что в него введен регулировочный клапан с электромагнитом и пружиной, установленный в камере на выходе из бака после разделителя фаз рабочего тела, а в качестве рабочего тела используют воду.

2. Жидкостно-газовый реактивный двигатель по п.1, отличающийся тем, что камера снабжена устройством подогрева рабочего тела в области, прилегающей к выходному отверстию бака.

Описание изобретения к патенту

Предлагаемое изобретение предназначено для использования в ракетно-космической технике в качестве корректирующей двигательной установки (КДУ) космического аппарата (КА).

Известен жидкостный реактивный двигатель с дополнительным электромагнитным разгоном рабочего тела, содержащий источник электрической энергии, кольцевую камеру сгорания, смесительную головку, тарельчатое сопло и накопитель энергии с коммутирующим устройством (Патент Российской Федерации № 2374481 по МПК: F02K99/00, 2008 г.). Этот двигатель имеет такие недостатки, как относительно высокая цена тяги, наличие двух баков для хранения топлива и окислителя. Для нормальной работы такого двигателя необходимо дозированная подача компонентов.

Известен жидкостно-газовый реактивный двигатель (ЖГРД), содержащий бак, заполненный жидким рабочим телом, с выходным отверстием в крышке, камеру и реактивное сопло, после выходного отверстия установлена капиллярная трубка, за которой находится полость двигателя, из нее рабочее тело поступает в сопло (Вопросы электромеханики. Т.109. 2009 г. В.П.Ходненко, А.В.Хромов (ФГУП «НПП ВНИИЭМ») Корректирующие двигательные установки для малого космического аппарата.). Этот двигатель выбран в качестве прототипа. В качестве топлива данного двигателя применяется гидразин.

Этот двигатель имеет более низкую цену тяги, один бак с жидким рабочим телом. Но у данного двигателя есть ряд других недостатков — невозможность регулирования в широких пределах тягу двигателя из-за особенностей применяемого топлива, относительно большое энергопотребление из-за необходимости осуществлять нагрев полости двигателя для осуществления термокаталитической реакции, а также есть такой недостаток, как токсичность применяемого топлива.

Техническим результатом заявленного изобретения является получение возможности регулирования тяги двигателя в широких пределах, снижение энергопотребления двигателя и применение экологически чистого рабочего тела.

Технический результат достигается тем, что в жидкостно-газовый реактивный двигатель, содержащий бак, заполненный жидким рабочим телом, с выходным отверстием в крышке, камеру и реактивное сопло, согласно изобретению введен регулировочный клапан с электромагнитом и пружиной, установленный в камере на выходе из бака после разделителя фаз рабочего тела, а в качестве рабочего тела используют воду.

Читать еще:  Что такое отбойник двигателя

При этом рабочую камеру предлагается снабдить устройством подогрева области, прилегающей к выходному отверстию бака.

В предлагаемом техническом решении для создания тяги используется явление парообразования, а не термокаталитическая реакция, как в прототипе.

На чертеже изображен пример конкретного выполнения заявленного реактивного двигателя.

Жидкостно-газовый реактивный двигатель состоит из бака 1, регулировочного клапана 2 с электромагнитом 3 и пружиной 4, установленного в камере 5 на выходе из бака 1 после разделителя фаз 6 рабочего тела, и сопла 7, установленного после камеры 5 и корпуса клапана 8.

Суть работы двигателя состоит в том, что рабочая жидкость из бака 1 испаряется и, пройдя по капиллярам разделителя фаз 6, поступает в камеру 5, откуда в случае поступления сигнала на электромагнит 3 пар через клапан 2 по каналам в корпусе клапана 8 поступает в сопло 7. В отсутствие сигнала на электромагните 3 пружина 4 обеспечивает поджатие клапана (автоматическое выключение двигателя). Так как давления в области перед соплом превышает давление за бортом, то возникает реактивная тяга. Двигатель может работать, пока не испариться вся жидкость в баке 1. Благодаря клапану осуществляется регулирование двигателя вплоть до полного выключения с возможностью неоднократных включений. Преимуществами данного двигателя является его низкое энергопотребление, нетоксичность топлива, невзрывоопасность, регулирование в широком диапазоне. В случае кристаллизации рабочего тела происходит падение удельного импульса и тяги, но работоспособность сохраняется, в отличие от термокаталитического двигателя. Согласно формуле (А.А.Дорофеев. Основы теории тепловых ракетных двигателей (Общая теория ракетных двигателей) МГТУ им. Н.Э.Баумана Москва 1999 г.):

где Wmax — скорость истечения газа через сопло Лаваля в вакууме при оптимальном профиле сопла, k — показатель адиабаты водяного пара, R — газовая постоянная водяного пара, T — абсолютная температура в камере. При температуре T=273 K, Wmax достигает 1065 м/с. При диаметре клапана d=10 мм и максимальной высоте подъема x=2.5 мм площадь цилиндрической щели в клапане при его максимальном подъеме составит:

f=xd =7.85×10 -5 м 2

При температуре в 273 K давление насыщенных паров воды составляет примерно Рнп=600 Па, при этом плотность газа (если считать газ идеальным) составит:

где Mr — молярная масса воды, Vm — молярный объем газа при н.у., Ро — давление газа при н.у. Таким образом, г=4.82*10 -3 кг/м 3 . Примем, что гидравлические потери давления на клапане примерно равны давлению насыщенных потерь, тогда массовый расход через клапан составит:

Тогда тяга двигателя составит:

что превышает тягу по сравнению с прототипом. Из формулы [1] следует, что чем выше температура, тем выше скорость истечения и как следствие выше импульс и тяга двигателя. Таким образом, при наличии больших доступных мощностей становится целесообразным установить устройство подогрева непосредственно в камеру, в область, прилегающую к выходному отверстию бака, для повышения импульса двигателя.

1. Патент Российской Федерации N 2374481, МПК F02K 99/00, 2008 г.

2. Вопросы электромеханики Т.109. 2009 г. В.П.Ходненко, А.В.Хромов (ФГУП «НПП ВНИИЭМ») Корректирующие двигательные установки для малого космического аппарата, с.30-31 (прототип).

3. А.А.Дорофеев. Основы теории тепловых ракетных двигателей (Общая теория ракетных двигателей) МГТУ им. Н.Э.Баумана Москва 1999 г.

реактивный двигатель

Что такое реактивный двигатель?

двигатель, тяга которого создаётся реакцией (отдачей) вытекающей из него струи рабочего тела. Под рабочим телом применительно к двигателям понимают вещество (газ, жидкость, твёрдое тело), с помощью которого тепловая энергия, выделяющаяся при сгорании топлива, преобразуется в полезную механическую работу. Основа реактивного двигателя – камера сгорания, где сжигается топливо (источник первичной энергии) и генерируется рабочее тело – раскалённые газы (продукты сгорания топлива).

Схема прямоточного воздушно-реактивного двигателя:
1 – воздух; 2 – впрыск горючего; 3 – стабилизатор пламени; 4 – камера сгорания; 5 – сопло; 6 – форсунки

По способу генерирования рабочего тела реактивные двигатели подразделяются на воздушно-реактивные (ВРД) и ракетные двигатели (РД). В воздушно-реактивных двигателях топливо сгорает в воздушном потоке (окисляется кислородом воздуха), превращаясь в тепловую энергию раскалённых газов, которая в свою очередь переходит в кинетическую энергию движения реактивной струи. В зависимости от способа подачи воздуха в камеру сгорания различают турбокомпрессорные, прямоточные и пульсирующие воздушно-реактивные двигатели.

Схема пульсирующего воздушно-реактивного двигателя:
1 – воздух; 2 – горючее; 3 – клапанная решётка; 4 – форсунки; 5 – свеча зажигания; 6 – камера сгорания; 7 – сопло
В турбокомпрессорном двигателе воздух в камеру сгорания нагнетается компрессором. Такие двигатели являются основным типом авиационного двигателя. Они подразделяются на турбовинтовые, турбореактивные и пульсирующие воздушно-реактивные двигатели.

Схема турбовинтового реактивного двигателя:
1 – воздух; 2 – воздушный винт; 3 – компрессор; 4 – камера сгорания; 5 – газовая турбина; 6 – сопло; 7 – горячие газы; 8 – жидкое топливо; 9 – форсунки
Турбовинтовой двигатель (ТВД) – турбокомпрессорный двигатель, в котором тяга в основном создаётся воздушным винтом, приводимым во вращение газовой турбиной, и частично прямой реакцией потока газов, вытекающих из реактивного сопла.

Схема турбореактивного двигателя:
1 – воздух; 2 – компрессор; 3 – газовая турбина; 4 – сопло; 5 – горячие газы; 6 – камера сгорания; 7 – жидкое топливо; 8 – форсунки

Читать еще:  Чем заправляют реактивный двигатель

Турбореактивный двигатель (ТРД) – турбокомпрессорный двигатель, в котором тяга создаётся прямой реакцией потока сжатых газов, вытекающих из сопла. Пульсирующий воздушно-реактивный двигатель – реактивный двигатель, в котором периодически поступающий в камеру сгорания воздух сжимается под действием скоростного напора. Имеет небольшую тягу; использовался в основном на до-звуковых летательных аппаратах. Прямоточный воздушно-реактивный двигатель (ПВРД) – реактивный двигатель, в котором непрерывно поступающий в камеру сгорания воздух сжимается под действием скоростного напора. Имеет большую тягу при сверхзвуковых скоростях полёта; отсутствует статичная тяга, поэтому для ПВРД необходим принудительный старт.

Энциклопедия «Техника». — М.: Росмэн.
2006.

двигатель прямой реакции, — условное наименование большого класса двигателей для летательных аппаратов различного назначения. В отличие от силовой установки с поршневым двигателем внутреннего сгорания и воздушным винтом, где тяговое усилие создаётся в результате взаимодействия винта с внешней средой, Р. д. создаёт движущую силу, называемую реактивной силой или тягой, в результате истечения из него струи рабочего тела, обладающей кинетической энергией. Эта сила направлена противоположно истечению рабочего тела. Движителем при этом является сам Р. д. Первичная энергия, необходимая для работы Р. д., как правило, содержится в самом рабочем теле (химическая энергия сжигаемого топлива, потенциальная энергия сжатого газа).

Р. д. делятся на две основные группы. Первую группу составляют ракетные двигатели — двигатели, создающие тяговое усилие только за счёт рабочего тела, запасённого на борту летательного аппарата. К их числу относятся жидкостные ракетные двигатели, ракетные двигатели твёрдого топлива, электрические ракетные двигатели и др. Применяются в ракетах различного назначения, в том числе и в мощных бустерах, служащих для вывода космических кораблей на орбиту.

Ко второй группе относятся воздушно-реактивные двигатели, в которых основным компонентом рабочего тела является воздух, забираемый в двигатель из окружающей среды. В воздушно-ракетных двигателях — турбореактивных двигателях, прямоточных воздушно-реактивных двигателях, пульсирующих воздушно-реактивных двигателях — всё тяговое усилие создаётся за счёт прямой реакции. По рабочему процессу и конструктивным особенностям к воздушно-ракетным двигателям примыкают некоторые авиационные газотурбинные двигатели непрямой реакции — турбовинтовые двигатели и их разновидности (турбовинтовентиляторные двигатели и турбовальные двигатели), у которых доля тягового усилия за счёт прямой реакции незначительна или она практически отсутствует. Турбореактивные двухконтурные двигатели с различным значением степени двухконтурности занимают в этом смысле промежуточное положение между турбореактивными двигателями и турбовинтовыми двигателями. Воздушно-ракетные двигатели применяются главным образом в авиации в составе силовой установки самолётов военного и гражданского назначения. Используя в качестве окислителя окружающий воздух, воздушно-ракетные двигатели обеспечивают существенно большую топливную экономичность, чем ракетные двигатели, так как на борту самолёта необходимо иметь только горючее. В то же время возможность осуществления рабочего процесса с использованием окружающего воздуха ограничивает область использования воздушно-ракетных двигателей атмосферой.

Основное преимущество ракетного двигателя перед воздушно-ракетным двигателем состоит в его способности работать при любых скоростях и высотах полёта (тяга ракетного двигателя не зависит от скорости полёта и возрастает с высотой). В некоторых случаях применяются комбинированные двигатели, сочетающие в себе признаки ракетных и воздушно-ракетных двигателей. В комбинированных двигателях для улучшения экономичности воздух используется на начальном этапе разгона с переходом на ракетный режим на больших высотах полёта.

Авиация: Энциклопедия. — М.: Большая Российская Энциклопедия.
Главный редактор Г.П. Свищев.
1994.

Словарь — упорядоченный в алфавитном или тематическом порядке список заглавных слов, лексикографически обработанных.
Словарь — лексикографический продукт, который содержит упорядоченный перечень языковых единиц (слов, словосочетаний и т.п.) с короткими их характеристиками или характеристиками обозначенных ими понятий, или с переводом на другой язык.

Ссылка на основную публикацию
Adblock
detector