.
Меню сайта
|
Авиационные двигателиАвиационные двигателиДвигатель нужен самолету, чтобы преодолевать силу сопротивления, а при разгоне и силу инерции. Сила тяги двигателя рассчитывается на основании тех же законов механики, что и подъемная сила крыла. От всех других двигателей авиационные отличаются тем, что они должны сравнительно мало весить при весьма большой мощности. Если двигатель окажется слишком тяжелым, то самолет не поднимется в воздух или не сможет взять с собой достаточное количество груза. Поэтому авиационные двигатели изготовляют из очень легких и вместе с тем достаточно прочных материалов; их детали всегда максимально облегчены. Но поскольку такие двигатели работают в тяжелых условиях (при большой температуре и с большими напряжениями), время их работы до ремонта, как правило, меньше, чем у других двигателей. Сравнительно короткое время работы авиационных двигателей вызвано также требованием особой надежности и безопасности. Важнейший качественный показатель двигателя — его так называемый удельный вес, т. е. вес, приходящийся на единицу мощности, выраженную по традиции в лошадиных силах. Авиационные поршневые двигатели внутреннего сгорания имели в 30-х годах нашего века удельный вес 0,7—0,9 кг/л. с., современные поршневые — 0,5 кг/л, с., реактивные—всего 0,05— 0,02 кг/л, с., а у современных автомобильных двигателей — более 2 кг/л. с. Чтобы преобразовать мощность поршневого двигателя в тягу, применяются воздушные винты. Их лопасти, подобно крылу, захватывают воздух и отбрасывают его назад. Это и создает тягу. Теория воздушного винта была создана Н. Е. Жуковским вслед за теорией подъемной силы крыла. На старых самолетах устанавливали деревянные винты. С увеличением скоростей полета потребовалась большая тяга и винты стали делать из металла. Конструкторы стремятся создать двигатель, который затрачивал бы на получение тяги как можно меньше мощности. Для этого нужно, например, чтобы каждое сечение лопасти винта имело угол атаки, соответствующий его максимальному аэродинамическому качеству. Но при перемене скорости полета наиболее выгодные углы атаки этих сечений изменяются. Поэтому почти у всех современных воздушных винтов лопасти могут поворачиваться с помощью специальных механизмов вокруг своей оси (рис. 11).
Это позволяет создавать наивыгоднейший угол атаки лопасти при любой скорости полета. Этот же механизм позволяет установить лопасть винта так, что он тормозит самолет, например, при посадке. В современных воздушных винтах управление установкой угла лопастей почти полностью автоматизировано. На сверхзвуковых самолетах воздушные винты не применяются. Здесь тягу создает реактивный двигатель. Реактивные двигатели делятся на два основных типа — воздушно-реактивные и ракетные. В простейших воздушно-реактивных двигателях, которые называют турбореактивными (ТРД), используется воздух встречного потока. Воздух сжимается специальным компрессором; затем его сильно нагревают (сжигая, например, керосин); он проходит через турбину, которая вращает компрессор, и с большой скоростью вытекает назад через реактивное сопло. Исходя из второго закона Ньютона, можно определить, что тяга двигателя равна ежесекундному приросту количества движения воздуха, протекающего через двигатель. Тяга тем больше, чем больше воздуха проходит через двигатель и чем больше увеличивается скорость воздушного потока. Скорость же эта зависит от температуры, достигнутой в результате сгорания топлива. Чем температура больше, тем лучше. Однако слишком большую температуру допускать нельзя — турбина может сгореть. Правда, турбины сейчас делают из специальных огнеупорных материалов, которые позволяют повышать температуру потока до + 1000° Ц. Но пока это предел. И все же выход найден. Конструкторы предложили вторично нагревать струю воздуха в так называемой форсажной камере уже после того, как эта струя раскрутит турбину компрессора. Тяга двигателя увеличивается на 30—50%. Основная часть турбореактивного двигателя — его компрессор, к нему приложена вся тяга двигателя. Современные мощные турбореактивные двигатели развивают тягу до 150 000 н; следовательно, они должны пропускать много воздуха — более 100 м3/сек. Поэтому у передней, открытой навстречу потоку части двигателя — воздухозаборника — большие размеры; его внутренний диаметр нередко превышает 1,5 м. Большая тяга реактивных двигателей требует также и большого количества топлива. На каждый ньютон тяги в течение часа нужно сжигать около 0,1 кг керосина. Много это или мало? Давайте подсчитаем. Если полный вес самолета 50 т, или около 5 • 105 н, а его аэродинамическое качество равно 5, то, чтобы преодолеть аэродинамическое сопротивление, двигатель должен развивать тягу не меньше 105 н. Следовательно, за один час полета двигатели будут расходовать керосина. А это 1/5 веса всего самолета. Из этого понятно, какое большое значение имеет экономичность двигателя и аэродинамическое качество самолета. При большой скорости полета (М = 2 или 3) воздух, пройдя через воздухозаборник, сам сильно сжимается. Компрессор с турбиной становятся ненужными. Поэтому можно применить двигатель другого типа — прямоточный воздушно-реактивный (ПВРД). Однако надо помнить, что на малых скоростях такой двигатель работать не будет. Если добиться, чтобы турбина в ТРД поглощала почти всю энергию разогретого и ускоренного потока, то такая турбина сможет вращать не только компрессор, но и воздушный винт. На этом основана конструкция турбовинтового двигателя. Его можно сделать значительно более мощным, чем обычные двигатели внутреннего сгорания. Наибольшая мощность двигателя внутреннего сгорания равна примерно 3000 квт (примерно 4000 л. с.); при этом в двигателе должно быть не меньше 20 цилиндров. А современный турбовинтовой двигатель развивает мощность до 15 000 квт. Можно было бы создать и еще более мощные двигатели, но уже трудно сделать винт, который развивал бы соответствующую тягу и был бы экономичным. На таких больших самолетах, как ТУ-114, ИЛ-18, АН-10, установлены турбовинтовые двигатели. При скорости . полета около 800 км/час они экономичнее, чем чисто реактивные. Воздушно-реактивные двигатели создают тягу, отбрасывая назад воздух, взятый из окружающей среды (он же одновременно служит и окислителем при горении топлива). Но с увеличением высоты полета плотность окружающего воздуха уменьшается. Все меньше его проходит через двигатель, тяга падает. От этого недостатка свободны ракетные двигатели (рис. 12), для работы которых нужно иметь запасы и горючего и окислителя. Тяга здесь создается отбрасыванием назад продуктов горения и практически не зависит от окружающей среды. Ракетные двигатели могут работать на твердом топливе (порох) и на жидком топливе. Двигатели на жидком топливе несколько более экономичны, но требуют очень осторожного обращения, так как и топливо, и окислитель обычно ядовиты; в качестве окислителя, например, часто потребляется крепкая азотная кислота. Устройство ракетного двигателя много проще, чем турбореактивного. В нем нет никаких вращающихся деталей. Поэтому он во много раз легче, чем двигатели других типов, которые могут развивать такую же тягу. Но зато в полет надо брать много топлива и окислителя — по весу в 15—18 раз больше, чем для турбореактивного. Если бы мы захотели, например, на сверхзвуковой самолет, весящий 50 т, поставить ракетный двигатель вместо турбореактивного, то на один час полета потребовалось бы не 10 т топлива, а 150—180 т (вместе с окислителем). Это более чем в три раза превышает массу самого самолета! На самолетах ракетные двигатели используются только как вспомогательные — для кратковременных полетов на очень большой высоте или для быстрого взлета. Широко ракетные двигатели применяются на ракетах, где тяга создается на короткое время: для быстрого разгона зенитной ракеты, для подъема и разгона баллистических ракет, для запуска спутников, для разгона и торможения космических кораблей. Ракетный двигатель позволяет получить очень большую тягу. Уже сейчас для запуска космических кораблей создают двигатели с тягой в несколько сот тонн, или миллионы ньютонов! На тех же принципах, что и воздушно-реактивные и ракетные двигатели, будут, очевидно, построены и двигатели будущего. Ученые уже думают о реактивных двигателях, в которых воздух будет нагреваться не горением керосина или другого химического топлива, а с помощью управляемой ядерной реакции, подобно тому как нагревается теплоноситель на атомных электростанциях. Разрабатываются ионные двигатели. Они тоже будут работать по реактивному принципу, но в этих двигателях будет отбрасываться не струя газа, а поток ионов. Подумывают ученые и о фотонных двигателях, в которых силу тяги создает отраженный луч света очень большой силы и интенсивности.
|
ПОИСК
Block title
|