Жетқыш құрылғысының ең қарапайым түрі

Кіріспе

Ең қарапайым реактивтік қозғалтқыш

Клапансыз импульстік реактивті қозғалтқыш (немесе импульстік реактивті) – белгілі ең қарапайым реактивтік қозғалтқыш. Клапансыз импульстік реактивті қозғалтқыштар төмен құнмен, жеңіл салмақпен, қуатты және пайдалануға оңай. Олар дәстүрлі клапанды импульстік реактивті қозғалтқыштардың барлық артықшылықтарын (және көптеген кемшіліктерін) сақтайды, бірақ жиі ауыстыруды қажет ететін клапандарсыз; клапансыз импульстік реактивті қозғалтқыш өзінің пайдалы өмірі бойына дерлік ешқандай күтімсіз жұмыс істей алады. Олар модельдік ұшақтарды, тәжірибелік гокарттарды және қанатты зымырандар мен нысаналық дрондар сияқты ұшқышсыз әскери ұшақтарды қуаттандыру үшін қолданылған.

Негізгі (қалпақты) импульстік реакция теориясы

Дәстүрлі "клапанды" импульстік реактивті қозғалтқышта, екінші дүниежүзілік соғыстағы белгілі V 1 "дыбыс бомбасының" қозғалтқышы сияқты, жану аймағына жалғанған екі канал болады, онда дефлаграциялар пайда болады. Бұлар әдетте "ауа түсіру" (өте қысқа канал) және "құйрық түтік" (өте ұзын канал) деп аталады. Алға қаратылған ауа түсірудің функциясы – жану үшін ауа (және көптеген кішігірім импульстік реактивті қозғалтқыштарда отын мен ауаның араласуын қамтамасыз ету) жеткізу. Артқа қаратылған құйрық түтіктің мақсаты – жарылыс толқыны арқылы үдеу үшін ауа массасын қамтамасыз ету, сондай-ақ үдеген массаны толығымен артқа бағыттау. Қозғалтқыштың негізгі түтігін жану аймағы (әдетте кеңейтілген "камера" бөлімі) және құйрық түтігі құрайды. Икемді, аз салмақты бір жақты клапан (немесе бірнеше бірдей клапан) ауа түсіруді жану аймағынан бөліп тұрады. Әр циклдің басында ауа жану аймағына сорылуы керек. Әр цикл аяқталғаннан кейін құйрық түтігі қоршаған атмосферадан ауамен қайта толтырылуы керек. Бұл екі негізгі әрекет дефлаграциялық кеңеюден кейін табиғи түрде болатын қысымның айтарлықтай төмендеуі арқылы жүзеге асырылады, бұл құбылыс Каденаси эффектісі деп аталады (оны алғаш толық сипаттаған ғалымның атымен аталған). Бұл уақытша төмен қысым металл клапанды ашып, ауаны (немесе ауа-отын қоспасын) тартады. Сондай-ақ, ол құйрық түтігіндегі ағынның бағытын кері ауыстырады, бұл түтікке таза ауаның қайта толтырылуын қамтамасыз етеді. Келесі дефлаграция болған кезде, қысымның жылдам өсуі клапанды өте жылдам жабады, жарылыс массасының алға қарай шығуына жол бермейді, сондықтан жану газдарының кеңеюі ұзын құйрық түтігіндегі ауа массасын үдету үшін пайдаланылады.

Клапансыз импульстік реактивті жұмыс

Вентильсіз импульстік ұшқыш, шын мәнінде, клапансыз емес – ол механикалық клапанның орнына сору түтігіндегі ауа массасын клапан ретінде пайдаланады. Ол сору ауасын сыртқа жылжытпастан жұмыс істей алмайды, ал ауаның бұл көлемі, ауаның массасы сияқты, өзіндік массаға ие, сондықтан ол дефлаграция кезінде бірден тарап кетпейді, цикл уақытының елеулі бөлігінде ғана үдеп қозғалады. Барлық белгілі, сәтті клапансыз импульстік ұшқыштарда сору ауасының массасы, шығару түтігіндегі ауа массасынан әлдеқайда аз болады (сору арнасының кішірек өлшемдеріне байланысты). Бұл, сору ауасының массасы, шығару түтігіне қарағанда, қозғалтқыш корпусымен байланыстан тезірек тазартылатынын білдіреді. Бұл екі ауа массасының мұқият есептелген теңгерімсіздігі, циклдің барлық кезеңдерінің дұрыс уақытында жүзеге асуы үшін маңызды. Дефлаграция басталғанда, жоғары қысым аймағы екі ауа массасы арқылы қысылу толқыны ретінде сыртқа қарай таралады. Бұл толқын дыбыс жылдамдығымен сору және шығару түтіктері арқылы өтеді. (Бұл ауа массаларының температурасы бұрынғы циклдардың нәтижесінде жоғары болғандықтан, олардағы дыбыс жылдамдығы, қалыпты сыртқы ауадан әлдеқайда жоғары болады.) Қысылу толқыны түтіктің ашық ұшына жеткенде, төмен қысымды сирету толқыны кері бағытта басталады, ашық ұшынан "кері секіріп" тұрғандай. Жану аймағына қайта оралатын төмен қысым аймағы, шын мәнінде, Каденаси эффектісінің ішкі механизмі болып табылады. Жаңа ауаның жану аймағына "тыныс алуы" сирету толқыны келгенге дейін болмайды. Ауа массалары арқылы толқын қозғалысын, массалардың өзінің жеке қозғалыстарымен шатастыруға болмайды. Дефлаграция басталғанда, қысым толқыны екі ауа массасы арқылы бірден өтеді, ал газдың кеңеюі (жанудан туындаған жылудан) жану аймағында ғана басталады. Сору ауасының массасы, салыстырмалы түрде аз болғандықтан, қысым толқынының артынан жылдам үдеп қозғалады. Шығару түтігіндегі ауа массасы, шығып бара жатқан қысым толқынына әлдеқайда баяу ілеседі. Сондай-ақ, ағынның кері бұрылуы, соруда, ауа массасының кішігірімдігіне байланысты, әлдеқайда ертерек болады. Толқын қозғалысының уақыты, негізінен, қозғалтқыштың сору және негізгі түтігінің ұзындығымен анықталады; масса қозғалысының уақыты, негізінен, осы бөліктердің көлемдерімен және нақты пішіндерімен анықталады. Екеуі де газдың жергілікті температурасына тәуелді. Клапансыз ұшқышта, шын мәнінде, екі сирету толқыны болады – біріншісі сорудан, екіншісі шығару түтігінен. Типикалық клапансыз конструкцияларда, сорудан қайтып келетін толқын салыстырмалы түрде әлсіз болады. Оның негізгі әсері – соруда ағынды кері бұруды бастау, нәтижесінде, сору арнасын сыртқы ауамен "алдын ала жүктеу". Ұшқыштың толыққанды тыныс алуы, шығару түтігінен төмен қысымды толқын жану аймағына жеткенге дейін басталмайды. Бұл болғаннан кейін, жану аймағындағы қысымның төмендеуінен туындаған ағындылықтың кері бұрылуы басталады. Бұл кезеңде де, сору және шығару түтіктеріндегі әртүрлі массалардың әсері әртүрлі болады. Сору ауасының массасы қайтадан өте аз, бірақ ол қазір толығымен сыртқы ауадан тұрады; сондықтан, жану аймағын алдыңғы жағынан толтыру үшін жаңа ауа дерлік бірден қол жетімді болады. Шығару түтігіндегі ауа массасы да тартылады, содан кейін бағытын өзгертеді. Шығару түтігінен ыстық жану газдары толығымен тазартылмайды, бірақ кері бұрылу кезінде ол түтік айналасындағы барлық жақтан жаңа ауа тарта алады, сондықтан оның құрамындағы масса келесі дефлаграция оқиғасына дейін біртіндеп артады. Ауа жану аймағына жылдам ағып түскенде, сирету толқыны қозғалтқыш корпусының алдыңғы жағынан кері секіріп, артқа қарай қозғалғанда, жану аймағындағы ауа тығыздығы табиғи түрде артады, ауа-отын қоспасының қысымы дефлаграция қайтадан басталатын мәнге жеткенше көтеріледі.

The valveless pulsejet is not really valveless — it just uses the mass of air in the intake tube as its valve, in place of a mechanical valve. It cannot do this without moving the intake air outward, and this volume of air itself has significant mass, just as the air in the tailpipe does — therefore, it is not blown away instantly by the deflagration but is accelerated over a significant fraction of the cycle time. In all known successful valveless pulsejet designs, the intake air mass is a small fraction of the tailpipe air mass (due to the smaller dimensions of the intake duct). This means that the intake air mass will be cleared out of contact with the body of the engine faster than the tailpipe mass will. The carefully designed imbalance of these two air masses is important for the proper timing of all parts of the cycle. When the deflagration begins, a zone of significantly elevated pressure travels outward through both air masses as a compression wave. This wave moves at the speed of sound through both the intake and tailpipe air masses. (Because these air masses are significantly elevated in temperature as a result of earlier cycles, the speed of sound in them is much higher than it would be in normal outdoor air.) When a compression wave reaches the open end of either tube, a low pressure rarefaction wave starts back in the opposite direction, as if "reflected" by the open end. This low pressure region returning to the combustion zone is, in fact, the internal mechanism of the Kadenacy effect. There will be no "breathing" of fresh air into the combustion zone until the arrival of the rarefaction wave. The wave motion through the air masses should not be confused with the separate motions of the masses themselves. At the start of deflagration, the pressure wave immediately moves through both air masses, while the gas expansion (due to combustion heat) is just beginning in the combustion zone. The intake air mass will be rapidly accelerated outward behind the pressure wave, because its mass is relatively small. The tailpipe air mass will follow the outgoing pressure wave much more slowly. Also, the eventual flow reversal will take place much sooner in the intake, due to its smaller air mass. The timing of the wave motions is determined basically by the lengths of the intake and main tube of the engine; the timing of mass motions is determined mostly by the volumes and exact shapes of these sections. Both are affected by local gas temperatures. In the valveless engine, there will actually be two arrivals of rarefaction waves — first, from the intake and then from the tailpipe. In typical valveless designs, the wave that comes back from the intake will be relatively weak. Its main effect is to begin flow reversal in the intake itself, in effect "pre loading" the intake duct with fresh outdoor air. The actual breathing of the engine as a whole will not begin in earnest until the major low pressure wave from the tailpipe reaches the combustion zone. Once that happens, significant flow reversal begins, driven by the drop in combustion zone pressure. During this phase, too, there is a difference in action between the very different masses in the intake and tailpipe. The intake air mass is again fairly low, but it now almost totally consists of outside air; therefore, fresh air is available almost immediately to begin re filling the combustion zone from the front. The tailpipe air mass is also pulled, eventually reversing direction as well. The tailpipe will never be completely purged of hot combustion gases, but at reversal it will be easily able to pull in fresh air from all sides around the tailpipe opening, so its contained mass will be gradually increasing until the next deflagration event. As air flows rapidly into the combustion zone, the rarefaction wave is reflected rearward by the front of the engine body, and as it moves rearward the air density in the combustion zone naturally rises until the pressure of the air/fuel mixture reaches a value where deflagration can again commence.

Дизайнның практикалық мәселелері

Практикалық жобаларда үздіксіз тұтану жүйесінің қажеті жоқ – жану аймағы жану газдары мен бос радикалдардан толығымен тазартылмайды, сондықтан жану аймағындағы қалдықтардағы химиялық әрекет, қоспаның тығыздығы мен қысымы белгілі бір деңгейге жеткеннен кейін, келесі жарылысты тұтандыру үшін жеткілікті болады: цикл екі арнадағы қысым мен ағынның синхрондалуымен ғана бақылана отырып қайталанады. Теориялық тұрғыдан алғанда, мұндай қозғалтқыш, шығарындысының диаметрінен үлкен бөлек "жану камерасы" болмаса да, жасалған барлық сәтті клапансыз қозғалтқыштарда қандай да бір деңгейде кеңейтілген камера бар, ол әдеттегі клапанды қозғалтқыштардың құрылымында кездесетінге ұқсас. Камера әдетте негізгі түтіктің жалпы ұзындығының шамалы бөлігін ғана алып жатады. Егер сорғы алға бағытталған болса, ауа массасының сорғы арқылы кері жылдамдауы қозғалтқыштың итермелеу күші үшін мағынасыз, себебі сорғының итермелеу күші шығарындының итермелеу күшінің үлкен бөлігін құрайды. Екі арнаның итермелеу күштерін бір бағытта жұмыс істеу үшін әртүрлі қозғалтқыш геометриялары қолданылған. Бір қарапайым әдіс – қозғалтқышты бұрып, содан кейін шығарынды құбырына U-тәрізді иіс қосу, нәтижесінде екі арна да артқа қарай шығарып тұрады, Экревиссе және Локвуд (сонымен қатар Локвуд Хиллер деп те аталады) типтеріндегідей. Эскопетт және Кентфилд конструкциялары алдыңғы сорғыға орнатылған рекуператорларды (U пішіндес қосымша құбырларды) пайдаланады, олар сорғының жарылысын және ағынын артқа бұруға мүмкіндік береді. "Қытай" және Термоджет типтері сорғыны артқа қарай шығару бағытында камераға орнатады, камераның алдыңғы бетін өзгеріссіз қалдырады. Дегенмен, осы геометриялармен жұмыс істейтін қозғалтқыштың негізгі ішкі жұмысы жоғарыда сипатталғаннан ешқандай өзгешелік талмайды. Локвудтың бірегейлігі оның өте үлкен диаметрлі сорғысында, осы үлкен құбырдың итермелеу күші жалпы қозғалтқыштың итермелеу күшінің 40 пайызынан кем емес. Бұл конструкцияның шығарындысының көлемі де өте үлкен, сондықтан құрамындағы массалардың тепе-теңдігі бұрынғыдан жақсы көрінеді.

In practical designs there is no need for a continuous ignition system — the combustion zone is never totally purged of combustion gases and free radicals, so there is enough chemical action in the residue in the combustion zone to act as an igniter for the next blast once the mixture is up to a reasonable density and pressure: the cycle repeats, controlled only by the synchronization of pressure and flow events in the two ducts. While it is theoretically possible to have such an engine without a distinct "combustion chamber" larger than the tailpipe diameter, all successful valveless engines designed so far have a widened chamber of some sort, roughly similar to that found in typical valved engine designs. The chamber typically takes up a fairly small fraction of the overall main tube length. The acceleration of air mass back through the intake duct doesn't make sense for engine thrust if the intake is aimed forward, since the intake thrust is a fairly large fraction of the tailpipe thrust. Various engine geometries have been used to make the thrust forces from the two ducts act in the same direction. One simple method is to turn the engine around and then put a U bend in the tailpipe, so both ducts are spouting rearward, as in the Ecrevisse and Lockwood (also known as Lockwood Hiller) types. The Escopette and Kentfield designs use recuperators (U shaped auxiliary tubes) mounted in front of the front firing intakes to turn the intake blast and flow rearward. The so called "Chinese" and Thermojet styles simply mount the intake on the chamber in a rear spouting direction, leaving the front face of the chamber unbroken. The basic internal operation of the engine with these geometries is no different from that described above, however. The Lockwood is unique in one respect, namely, its very large diameter intake — the thrust from this large tube is no less than 40 percent of the engine thrust as a whole. The tailpipe volume of this design is quite large, though, so the imbalance of the contained masses is still clearly seen.

"Жам құтысы" конструкциясы

Көптеген импульстік реактивті қозғалтқыштарда тәуелсіз ауа сору және газдар шығару түтікшелері қолданылады. Физикалық тұрғыдан қарапайым конструкция ауа сору және газдар шығару тесігін біріктіреді. Мұндай конструкция импульстік қозғалтқыштың өзгерулі жұмыс істеу қабілетінің арқасында мүмкін болады. Бір тесік жұмыс циклының жоғары қысым фазасында газдар шығару түтікшесі, ал сору фазасында ауа соруға арналған тесік ретінде жұмыс істей алады. Бұл қозғалтқыш конструкциясы осы қарапайым түрінде резонанстық түтікшенің болмауынан және осылайша, кері дыбыстық толқындардың болмауынан тиімділігі төмен. Дегенмен, ол джем банкасы сияқты қарапайым құралмен жақсы жұмыс істейді, оның қақпағы тесілген және ішінде отын бар, содан аты да сондай. Джем банкасының жұмыс істейтін үлгілері пластик бөтелкеде де сынақтан өтті. Бөтелке джем банкасынан әлдеқайда тиімсіз және жақсы ұшу үшін бірнеше секундтан артық уақытқа шыдамайды. Теория бойынша, қарапайым реактивті қозғалтқышты іске қосу үшін қолданылған спирт пластикке жылудың таралуын тоқтатып, оны салқындатқан болуы мүмкін. Джем банкасының конструкциясы жұмыс істеуі үшін отынның буға айналып тұтандырылуы керек, бұл көбінесе реактивті қозғалтқышты шайқау арқылы іске асырылады, нәтижесінде отын ыдыстың ішкі бетін жабады, бұл теорияны растайды.

Артықшылықтары мен кемшіліктері

Сәтті клапансыз пульсжеттер бірнеше сантиметрден бастап алып өлшемдерге дейін жасалған, бірақ ең үлкен және ең кішкентайлары жылдамдату үшін қолданылмаған. Ең кішкентайлары өте жылдам жануға қабілетті отындар қолданылғанда ғана (мысалы, ацетилен немесе сутек) табысқа жетеді. Орташа және үлкен өлшемді қозғалтқыштарды жану аймағына біркелкі жеткізілетін кез келген жанғыш материалды жағуға болады, бірақ әрине, ұшпалы жанғыш сұйықтықтар (бензин, керосин, түрлі спирттер) және стандартты отын газдары (ЖЖТ, пропан, бутан, МАПП газы) қолдануға ең оңай. Пульсжеттік жанудың дефлаграциялық сипатына байланысты, бұл қозғалтқыштар өте тиімді жағып, тіпті көмірсутекті отын қолданғанда да, зиянды ластаушы заттарды іс жүзінде шығармайды. Қазіргі заманғы жоғары температураға төзімді металдардан жасалған негізгі конструкцияның арқасында қозғалтқыштың салмағын өте төмен ұстауға болады. Механикалық клапанның болмауынан қозғалтқыштар жұмыс істеу үшін тұрақты техникалық қызмет көрсетуді қажет етпейді. Бүгінгі күнге дейін сәтті клапансыз конструкциялардың физикалық өлшемдері бірдей итермелеу күшіне арналған клапанды қозғалтқыштардан сәл үлкен болған, бірақ бұл теориялық тұрғыдан талап етілмейді. Клапанды пульсжеттер сияқты, жылу (қозғалтқыштар көбінесе қызып кетеді) және өте жоғары жұмыс шуы (140 децибелге жетеді) байқалады.