Реактивтік қозғалтқыш және оның қағидалары

Кіріспе

Газ ағынымен итермелеу арқылы қозғалыс күші тудыратын ұшақ қозғалтқышы.

Реактивтік қозғалтқыш – газдың жылдам ағынын (әдетте ауа) шығару арқылы итермелеу күшіне қол жеткізетін реакциялық қозғалтқыштың бір түрі. Бұл кең анықтамаға ракета, су реактивті және гибридтік қозғалтқыштар да кіре алады, бірақ реактивтік қозғалтқыш термині көбінесе турбореактивтік, турбовентиляторлық, рамджеттік, импульстік реактивтік немесе скрамджеттік сияқты ішкі жанумен жұмыс істейтін, ауа тыныс алатын реактивтік қозғалтқыштарды білдіреді. Жалпы, реактивтік қозғалтқыштар – ішкі жану қозғалтқыштары. Ауа тыныс алатын реактивтік қозғалтқыштарда әдетте турбинамен қуатталатын айналмалы ауа компрессоры болады, ал қалған қуат итермелеу соплосы арқылы итермелеу күшін қамтамасыз етеді – бұл процесс Брейтон термодинамикалық циклі деп аталады. Ұзақ қашықтыққа ұшатын ұшақтар осындай қозғалтқыштарды пайдаланады. Алғашқы реактивтік ұшақтарда қолданылған турбореактивтік қозғалтқыштар субсоникалық ұшу үшін салыстырмалы түрде тиімсіз болды. Көптеген қазіргі заманғы субсоникалық реактивтік ұшақтар күрделі, жоғары өткізу қабілеті бар турбовентиляторлық қозғалтқыштарды қолданады. Олар ұзын қашықтықта поршеньді және винтті авиақозғалтқыштарға қарағанда жоғары жылдамдық пен отынның тиімділігін ұсынады. Жоғары жылдамдыққа арналған кейбір ауа тыныс алатын қозғалтқыштар (рамджеттер және скрамджеттер) механикалық компрессордың орнына көліктің жылдамдығының тудыратын әсерін пайдаланады. Типтік реактивтік ұшақ қозғалтқышының итермелеу күші 1950 жылдары (de Havilland Ghost турбореактивті) шамасында болса, 1990 жылдары (General Electric GE90 турбовентиляторы) дейін өсті, ал олардың сенімділігі 100 000 сағат ұшуға 40 тоқтаудан 1990 жылдардың соңында 100 000 сағатқа 1 тоқтаудан аспайтын деңгейге жетті. Бұл, отын тұтынудың айтарлықтай төмендеуімен бірге, ғасырдың басында екі қозғалтқышты ұшақтардың Атлантика океанын үздіріссіз басып өтуіне мүмкіндік берді, ал бұрын осындай сапар үшін бірнеше отын толықтыру қажет болған.

Тарих

Реактивті қозғалтқыштың принципі жаңалық емес, бірақ бұл идеяны іске асыру үшін қажетті техникалық жетістіктер 20 ғасырға дейін орындалмады. Аэолипильдің алғашқы үлгісі – бірінші ғасырдағы Египетте Александриялық Герон сипаттаған құрылғы. Бұл құрылғыда будың күші екі соплоға бағытталып, шардың өз осімен жылдам айналуына себеп болды. Бұл жай ғана қызығушылық тудырды. Сонымен қатар, турбинаның практикалық қолданысын су доңғалағы мен жел диірменінде көруге болады. Тарихшылар реактивті қозғалтқыштардың теориялық бастауын дәстүрлі қытайлық фейерверктері мен зымырандық жүйелерге жатқызады. Мұндай құрылғыларды ұшу үшін пайдалану 1633 жылы конус пішіндес зымыранды пайдалана отырып, ұшуға қол жеткізген Осман әскері Лагари Хасан Челебидің оқиғасында айтылған. Ауамен дем алатын реактивті қозғалтқыштардың алғашқы әрекеттері гибридтік конструкциялар болды, онда сыртқы қуат көзі алдымен ауаны қысып, содан кейін отынмен араластырып, реактивті итерме үшін жағады. Итальяндық Caproni Campini N.1 және жапондық Tsu 11 қозғалтқышы Екінші дүниежүзілік соғыстың соңында Ohka камикадзе ұшақтарын қуаттандыруға арналған, бірақ сәтсіз аяқталды. Екінші дүниежүзілік соғыс басталғанға дейін инженерлер пропеллерлік қозғалтқыштардың шектеріне жақындағанын түсіне бастады. Бұл пропеллердің тиімділігіне байланысты болды, ол желбезек ұштары дыбыс жылдамдығына жақындаған сайын төмендеді. Егер ұшақтың өнімділігі осындай кедергіден асып кетсе, басқа қозғалтқыш механизмі қажет болды. Осы себеппен газ турбиналық қозғалтқыш, реактивті қозғалтқыштың ең көп таралған түрі дамытылды. Практикалық реактивті қозғалтқыштың кілті – газ турбинасы болды, ол компрессорды қозғау үшін қозғалтқыштың өзінен қуат алады. Газ турбинасы жаңа идея емес еді: 1791 жылы Англияда Джон Барберге стационарлық турбинаның патенты берілді. Өзін-өзі ұстап тұратын алғашқы газ турбинасын 1903 жылы норвегиялық инженер Эгидиус Эллинг құрды. Мұндай қозғалтқыштар қауіпсіздік, сенімділік, салмақ және, әсіресе, ұзақ уақыт жұмыс істеу мәселелеріне байланысты өндіріске енгізілмеді. Газ турбинасын ұшаққа қуат беру үшін алғашқы патентті 1921 жылы Максим Гийом тіркеді. Оның қозғалтқышы осьтік ағынды турбореактивті болды, бірақ ешқашан жасалмады, өйткені ол компрессорлардағы технологиялық деңгейге қарағанда айтарлықтай жетістіктерді қажет ететін. Алан Арнольд Гриффит 1926 жылы «Турбиналық конструкцияның аэродинамикалық теориясы» атты еңбегін жариялады, бұл RAE-де тәжірибелік жұмыстарға жол ашты. 1928 жылы Кранвеллдегі RAF колледжінің курсанты Франк Уиттл өзінің турбореактивті ұшақ туралы идеяларын жоғары тұрғандарға ресми түрде ұсынды. 1929 жылдың қазан айында ол өз идеяларын одан әрі дамытты. 1930 жылдың 16 қаңтарында Уиттл Англияда өзінің алғашқы патентын тіркеді (1932 жылы берілді). Патентте екі сатылы осьтік компрессор бір жақты центробекті компрессорды қуаттандыратыны көрсетілген. А.А. Гриффиттің 1926 жылғы «Турбиналық конструкцияның аэродинамикалық теориясы» атты еңбегінде осыған қатысты идеялар келтірілген. Уиттл кейін қарапайым центрифугалы компрессорға ғана назар аударды. Уиттл өзінің өнертабысына үкімет тарапынан қызығушылық таныта алмады, ал даму баяу жүріп кетті. Испанияда ұшқыш және инженер Виргилио Лерет Руизге 1935 жылдың наурыз айында реактивті қозғалтқыштың дизайны үшін патент берілді. Республика президенті Мануэль Азаня 1936 жылы Мадридтегі Hispano Suiza ұшақ зауытында бастапқы құрылысты ұйымдастырды, бірақ Лерет бірнеше айдан кейін Франконың марокколық әскерлері Испания азамат соғысының алғашқы күндерінде өзінің гидроұшақ базасын сәтті қорғағаннан кейін өлтірілді. Франкошылдардан жасырылған оның жоспарларын бірнеше жылдан кейін оның әйелі Карлота О'Нилл түрмеден босатылғаннан кейін Мадридтегі британдық елшілікке жасырын түрде тапсырды. 1935 жылы Ханс фон Охайн Германияда Уиттлдің жобасына ұқсас жобаны бастады, компрессор мен турбина екеуі де радиалды, бір дискінің қарама-қарсы жағында орналасқан, бастапқыда Уиттлдің жұмысынан хабарсыз. Фон Охайнның алғашқы құрылғысы тек тәжірибелік болды және тек сыртқы қуатпен жұмыс істей алды, бірақ ол негізгі тұжырымдаманы көрсетуге мүмкіндік берді. Охайнды сол кездегі ірі ұшақ өндірушілерінің бірі Эрнст Хайнкель таныстырды, ол дизайнның перспективасын бірден байқады. Хайнкель жақында Хирт моторлар компаниясын сатып алды, ал Охайн және оның шебер машинашысы Макс Хан Хирт компаниясының жаңа бөлімшесі ретінде құрылды. 1937 жылдың қыркүйегінде олардың бірінші центробекті қозғалтқышы іске қосылды. Уиттлдің дизайнынан айырмашылығы, Охайн отын ретінде сыртқы қысыммен берілетін сутекті пайдаланды. Олардың келесі конструкциялары, соңғысы HeS 3 болды, ол Heinkel-дің қарапайым және ықшам He 178 ұшақ корпусына орнатылып, 1939 жылдың 27 тамызында Эрих Варситц Росток Маринехе әуежайынан ерте таңда ұшырды, бұл даму үшін өте қысқа уақыт еді. He 178 әлемдегі алғашқы реактивті ұшақ болды. Heinkel 1939 жылдың 31 мамырында Ханс Йоахим Пабст фон Охайнның «Ұшақ қуат станциясы» патентын АҚШ-та тіркеді; патент нөмірі US2256198, M Hahn ойлап тапқан автор ретінде көрсетілген. Фон Охайнның дизайны, Уиттлдің центробектік ағынды қозғалтқышына қарамастан, осьтік ағынды қозғалтқыш болды, 1950 жылдарға қарай көптеген өндірушілер осыны қабылдады. Junkers компаниясының қозғалтқыш бөлімінің (Junkers Motoren немесе «Jumo») Австриялық Анзельм Франц өзінің реактивті қозғалтқышында осьтік ағынды компрессорды енгізді. Jumo-ға газ турбиналық ұшақ қуат станциялары үшін RLM 109 0xx нөмірлеу тізбегіндегі келесі қозғалтқыш нөмірі, «004» берілді, нәтижесінде Jumo 004 қозғалтқышы пайда болды. Көптеген техникалық қиындықтар шешілгеннен кейін, бұл қозғалтқыштың көптеп өндірілуі 1944 жылы әлемдегі алғашқы реактивті истребитель ұшағы, Messerschmitt Me 262 (кейінірек әлемдегі алғашқы реактивті бомбалаушы ұшағы, Arado Ar 234) үшін қуат беруге басталды. Ұшақтың қолжетімділігіне кедерес келтірген бірқатар себептер Германияның Екінші дүниежүзілік соғыстағы жағдайын жақсартуға мүмкіндік бермеді, бірақ бұл қозғалтқыш қызметке енгізілген алғашқы реактивті қозғалтқыш болды. Сонымен қатар, Ұлыбританияда Gloster E28/39 1941 жылдың 15 мамырында алғашқы ұшуын жасады, ал Gloster Meteor 1944 жылдың шілдесінде RAF қызметіне енді. Олар Франк Уиттл құрған Power Jets Ltd. компаниясының турбореактивті қозғалтқыштарымен қуаттандырылды. 1944 жылы үш айдың ішінде қызметке енген алғашқы екі операциялық турбореактивті ұшақ – Messerschmitt Me 262 және Gloster Meteor болды; Me 262 сәуірде, ал Gloster Meteor шілдеде. Meteor соғыс қимылдарына шамамен 15 ұшақ қатысты, ал 1400-ге дейін Me 262 ұшағы өндірілді, олардың 300-і жауынгерлік тапсырмаларға қатысып, реактивті ұшақтардың алғашқы құрлықтағы шабуылдары мен әуе шайқастарында жеңіске жетті. Соғыс аяқталғаннан кейін неміс реактивті ұшақтары мен реактивті қозғалтқыштары жеңімпаз одақтастар тарапынан жан-жақты зерттелді және ерте советтік және американдық реактивті истребительдерін жасауға үлкен үлес қосты. Осьтік ағынды қозғалтқыштың мұрасы оның барлық дерлік реактивті қозғалтқыштарда қолданылатындығында көрінеді. 1950 жылдарға қарай реактивті қозғалтқыш жауынгерлік ұшақтарда кеңінен қолданылатын, жүк, байланыс және басқа да арнайы мақсаттағы түрлерден басқа. Осы кезде британдық конструкциялардың кейбіреулері азаматтық қолданысқа дайындалды және de Havilland Comet және Avro Canada Jetliner сияқты алғашқы модельдерде пайда болды. 1960 жылдарға қарай барлық ірі азаматтық ұшақтар да реактивті қуатпен жабдықталды, поршендік қозғалтқыштар төмен құнмен жүк тасымалы сияқты тар салаларда қалды. Турбореактивті қозғалтқыштардың тиімділігі поршендік қозғалтқыштардан әлдеқайда нашар болды, бірақ 1970 жылдарға қарай жоғары өтпелі турбовентиляторлық реактивті қозғалтқыштардың пайда болуымен (Эдгар Баккингем сияқты ерте комментаторлардың болжамаған инновациясы, оларға жоғары жылдамдықтар мен биіктіктерде абсурд көрінген) жанармай тиімділігі ең жақсы поршендік және желпекшіл қозғалтқыштармен шамалас болды.

The principle of the jet engine is not new; however, the technical advances necessary to make the idea work did not come to fruition until the 20th century. A rudimentary demonstration of jet power dates back to the aeolipile, a device described by Hero of Alexandria in 1st century Egypt. This device directed steam power through two nozzles to cause a sphere to spin rapidly on its axis. It was seen as a curiosity. Meanwhile, practical applications of the turbine can be seen in the water wheel and the windmill. Historians have further traced the theoretical origin of the principles of jet engines to traditional Chinese firework and rocket propulsion systems. Such devices' use for flight is documented in the story of Ottoman soldier Lagâri Hasan Çelebi, who reportedly achieved flight using a cone shaped rocket in 1633. The earliest attempts at airbreathing jet engines were hybrid designs in which an external power source first compressed air, which was then mixed with fuel and burned for jet thrust. The Italian Caproni Campini N.1, and the Japanese Tsu 11 engine intended to power Ohka kamikaze planes towards the end of World War II were unsuccessful. Even before the start of World War II, engineers were beginning to realize that engines driving propellers were approaching limits due to issues related to propeller efficiency, which declined as blade tips approached the speed of sound. If aircraft performance were to increase beyond such a barrier, a different propulsion mechanism was necessary. This was the motivation behind the development of the gas turbine engine, the most common form of jet engine. The key to a practical jet engine was the gas turbine, extracting power from the engine itself to drive the compressor. The gas turbine was not a new idea: the patent for a stationary turbine was granted to John Barber in England in 1791. The first gas turbine to successfully run self sustaining was built in 1903 by Norwegian engineer Ægidius Elling. Such engines did not reach manufacture due to issues of safety, reliability, weight and, especially, sustained operation. The first patent for using a gas turbine to power an aircraft was filed in 1921 by Maxime Guillaume. His engine was an axial flow turbojet, but was never constructed, as it would have required considerable advances over the state of the art in compressors. Alan Arnold Griffith published An Aerodynamic Theory of Turbine Design in 1926 leading to experimental work at the RAE. In 1928, RAF College Cranwell cadet Frank Whittle formally submitted his ideas for a turbojet to his superiors. In October 1929, he developed his ideas further. On 16 January 1930, in England, Whittle submitted his first patent (granted in 1932). The patent showed a two stage axial compressor feeding a single sided centrifugal compressor. Practical axial compressors were made possible by ideas from A. A. Griffith in a seminal paper in 1926 ("An Aerodynamic Theory of Turbine Design"). Whittle would later concentrate on the simpler centrifugal compressor only. Whittle was unable to interest the government in his invention, and development continued at a slow pace. In Spain, pilot and engineer Virgilio Leret Ruiz was granted a patent for a jet engine design in March 1935. Republican president Manuel Azaña arranged for initial construction at the Hispano Suiza aircraft factory in Madrid in 1936, but Leret was executed months later by Francoist Moroccan troops after unsuccessfully defending his seaplane base on the first days of the Spanish Civil War. His plans, hidden from Francoists, were secretly given to the British embassy in Madrid a few years later by his wife, Carlota O'Neill, upon her release from prison. In 1935, Hans von Ohain started work on a similar design to Whittle's in Germany, both compressor and turbine being radial, on opposite sides of the same disc, initially unaware of Whittle's work. Von Ohain's first device was strictly experimental and could run only under external power, but he was able to demonstrate the basic concept. Ohain was then introduced to Ernst Heinkel, one of the larger aircraft industrialists of the day, who immediately saw the promise of the design. Heinkel had recently purchased the Hirth engine company, and Ohain and his master machinist Max Hahn were set up there as a new division of the Hirth company. They had their first HeS 1 centrifugal engine running by September 1937. Unlike Whittle's design, Ohain used hydrogen as fuel, supplied under external pressure. Their subsequent designs culminated in the gasoline fuelled HeS 3 of , which was fitted to Heinkel's simple and compact He 178 airframe and flown by Erich Warsitz in the early morning of August 27, 1939, from Rostock Marienehe aerodrome, an impressively short time for development. The He 178 was the world's first jet plane. Heinkel applied for a US patent covering the Aircraft Power Plant by Hans Joachim Pabst von Ohain on May 31, 1939; patent number US2256198, with M Hahn referenced as inventor. Von Ohain´s design, an axial flow engine, as opposed to Whittle's centrifugal flow engine, was eventually adopted by most manufacturers by the 1950's. Austrian Anselm Franz of Junkers' engine division (Junkers Motoren or "Jumo") introduced the axial flow compressor in their jet engine. Jumo was assigned the next engine number in the RLM 109 0xx numbering sequence for gas turbine aircraft powerplants, "004", and the result was the Jumo 004 engine. After many lesser technical difficulties were solved, mass production of this engine started in 1944 as a powerplant for the world's first jet fighter aircraft, the Messerschmitt Me 262 (and later the world's first jet bomber aircraft, the Arado Ar 234). A variety of reasons conspired to delay the engine's availability, causing the fighter to arrive too late to improve Germany's position in World War II, however this was the first jet engine to be used in service. Meanwhile, in Britain the Gloster E28/39 had its maiden flight on 15 May 1941 and the Gloster Meteor finally entered service with the RAF in July 1944. These were powered by turbojet engines from Power Jets Ltd., set up by Frank Whittle. The first two operational turbojet aircraft, the Messerschmitt Me 262 and then the Gloster Meteor entered service within three months of each other in 1944; the Me 262 in April and the Gloster Meteor in July. The Meteor only saw around 15 aircraft enter World War II action, while up to 1400 Me 262 were produced, with 300 entering combat, delivering the first ground attacks and air combat victories of jet planes. Following the end of the war the German jet aircraft and jet engines were extensively studied by the victorious allies and contributed to work on early Soviet and US jet fighters. The legacy of the axial flow engine is seen in the fact that practically all jet engines on fixed wing aircraft have had some inspiration from this design. By the 1950s, the jet engine was almost universal in combat aircraft, with the exception of cargo, liaison and other specialty types. By this point, some of the British designs were already cleared for civilian use, and had appeared on early models like the de Havilland Comet and Avro Canada Jetliner. By the 1960s, all large civilian aircraft were also jet powered, leaving the piston engine in low cost niche roles such as cargo flights. The efficiency of turbojet engines was still rather worse than piston engines, but by the 1970s, with the advent of high bypass turbofan jet engines (an innovation not foreseen by the early commentators such as Edgar Buckingham, at high speeds and high altitudes that seemed absurd to them), fuel efficiency was about the same as the best piston and propeller engines.

Қолданылуы

Ұшқыш қозғалтқыштар реактивтік ұшақтарды, қанатты зымырандарды және ұшқышсыз әуе кемелерін қуаттандырады. Олар ракеталық қозғалтқыштар түрінде модельдік ракеталарға, ғарышқа саяхатқа және әскери зымырандарға күш береді. Ұшқыш қозғалтқыштар жоғары жылдамдықты автомобильдерді, әсіресе дрэг-рейсинг машиналарын жылдамдатады, мұндағы рекордты ракеталық автомобильде сақтайды. Қазіргі уақытта жер үстіндегі жылдамдық рекорды ThrustSSC турбожелдеткішпен жұмыс істейтін машинаға тиесілі. Ұшқыш қозғалтқыштардың конструкциясы көбінесе авиациялық емес мақсаттар үшін, мысалы, өнеркәсіптік газ турбиналары немесе теңіз қуат станциялары ретінде өзгертіледі. Олар электр энергиясын өндіруге, су, табиғи газ немесе мұнай сорғыларын қуаттандыруға, сондай-ақ кемелер мен локомотивтерді қозғалтуға қолданылады. Өнеркәсіптік газ турбиналары 50 000 ат күшіне дейін қуат бере алады. Көптеген мұндай қозғалтқыштар Pratt & Whitney J57 және J75 сияқты ескі әскери турбореактивтік қозғалтқыштардың негізінде жасалған. Сондай-ақ, P&W JT8D аз айналымды турбожелдеткішінің 35 000 ат күшіне (а.к.) дейін қуат беретін түрі де бар. Ұшқыш қозғалтқыштар кейде турбовалды және турбовинтті қозғалтқыштармен бірге жасалады немесе олардың қозғалтқыш ядросы сияқты кейбір бөліктерін бөліседі, бұл газ турбиналық қозғалтқыштардың түрлері болып табылады және әдетте тікұшақтар мен кейбір винтті ұшақтарды қуаттандыру үшін қолданылады.

Ұшу қозғалтқышының түрлері

Түрлі-түрлі реактивтік қозғалтқыштардың көп саны бар, олардың бәрі реактивтік итермелеу принципі арқылы алға жылдамдыққа ие болады.

Ауамен тыныс алу

Әдетте ұшақтар ауамен жұмыс істейтін реактивті қозғалтқыштармен қозғалады. Қазіргі кезде қолданылатын ауамен жұмыс істейтін реактивті қозғалтқыштардың көпшілігі – турбовентиляторлы қозғалтқыштар, олар дыбыс жылдамдығына жуық жылдамдықтарда жақсы тиімділік көрсетеді.

Турбореактивті

Турбореактивті қозғалтқыш – ауа кірісі және компрессор (аксиалды, центрифугалық немесе екеуінің қосындысы) арқылы ауаны қысып, қысылған ауаға отынды араластырып, жанғыш камерада осы қоспаны жағып, содан кейін ыстық, жоғары қысымды ауаны турбина мен сопло арқылы өткізеді. Турбина компрессорды қуаттандырады, ол өтетін газдың кеңеюінен энергияны алады. Қозғалтқыш отындағы ішкі энергияны қозғалтқыш арқылы ағып өтетін газдың импульсінің артуына айналдырып, итерме күшін жасайды. Барлық ауа компрессорға кіріп, турбовентиляторлық қозғалтқыштан айырмашылығы, жанғыш камера мен турбина арқылы өтеді.

Турбофен

Турбожелдеткіштер турбожетерлерден алдыңғы жағында қосымша желдеткішінің болуымен ерекшеленеді, ол негізгі газ турбиналық қозғалтқышты айналып өтіп, ауаны арнада жылдамдатады. Турбожелдеткіштер – орта және ұзақ қашықтықтағы жолаушылар ұшақтары үшін басым қозғалтқыш түрі. Турбожелдеткіштер көбінесе субдық жылдамдықтарда турбожетерлерге қарағанда тиімдірек, бірақ жоғары жылдамдықтарда олардың үлкен майданшасы көбірек қарсылық тудырады. Сондықтан, үстін-бастын ұшуда, сондай-ақ отын тиімділігінен гөрі басқа факторларға басымдық берілетін әскери және басқа да ұшақтарда, желдеткіштер кішкентай болады немесе мүлдем болмайды. Осы ерекшеліктерге байланысты турбожелдеткіш қозғалтқыштарының конструкциясы қозғалтқыштың негізін айналып өтетін ауа мөлшеріне қарай төмен байпасты немесе жоғары байпасты болып жіктеледі. Төмен байпасты турбожелдеткіштердің байпасты қатынасы шамамен 2:1 немесе одан кем болады.

Жоғары технологиялық қозғалтқыш

"Күшті технологиялық қозғалтқыш" термині реактивтік қозғалтқыштардың қазіргі буынын білдіреді. Принцип мынада: турбиналық қозғалтқыш түрлі турбиналар жиынтығы әрқайсысының жеке оңтайлы жылдамдығымен айналса, бір жылдамдықпен емес, тиімдірек жұмыс істейді. Шын күшті технологиялық қозғалтқышта үш шпильдік жүйе болады, яғни бір жетек білігінің орнына үш жетек білігі болады, соның арқасында үш қатарлы пернелер әртүрлі жылдамдықпен айналуы мүмкін. Аралық кезең – екі шпильдік қозғалтқыш, ол турбиналарға екі түрлі жылдамдыққа қол жеткізуге мүмкіндік береді.

Ram қысу

Рамды қысымды реактивтік қозғалтқыштар – газ турбиналық қозғалтқыштарға ұқсас, ауамен жұмыс істейтін қозғалтқыштар, екеуі де Брейтон циклын қолданады. Алайда, газ турбиналық және рамды қысымды қозғалтқыштар кіретін ауа ағынын қысу әдісімен ерекшеленеді. Газ турбиналық қозғалтқыштар кіретін ауаны қысу үшін осьтік немесе центробектік компрессорларды пайдаланса, рамды қозғалтқыштар кіретін жерде немесе диффузорда қысылған ауаға ғана сенеді. Сондықтан, рамды қозғалтқыш жұмыс істеуі үшін қозғалысқа келгенде, белгілі бір алға жылдамдық қажет. Рамджеттер ауамен жұмыс істейтін реактивтік қозғалтқыштардың ең қарапайым түрі болып саналады, себебі олардың қозғалтқыш бөлігінде қозғалатын бөлшектері жоқ, тек қосалқы құрылымдарында бар. Скрамджеттердің ерекшелігі – ауа дыбыс жылдамдығынан төмендемейді. Керісінше, олардың жануы дыбыс жылдамдығынан жоғары болады. Олар одан да жоғары жылдамдықтарда тиімді. Олардың өте аз ғана саны жасалған немесе сынақтан өткізілген.

Тұрақты емес жану

ТүріСипаттамаАртықшылықтарыКемшіліктеріМотор-реактивті (Motorjet)Турбореактивті сияқты жұмыс істейді, бірақ турбинаның орнына поршеньді қозғалтқыш компрессорды қоздырады. Жоғары жылдамдықта жақсы итерме күші беретін, винтке қарағанда жоғары шығарылған газ жылдамдығы.Ауыр, тиімсіз және жеткіліксіз қуатты. Мысал: Caproni Campini N.1. Импульстік реактивті (Pulsejet)Ауа үздіксіз емес, үзілістермен қысылады және жанып тұтанады. Кейбір конструкцияларда клапандар қолданылады. Өте қарапайым конструкция, V 1 ұшатын бомбасында және соңғы кезде модельдік ұшақтарда қолданылады.Шулы, тиімсіз (қысымның төмен деңгейі), үлкен масштабта нашар жұмыс істейді, клапанды конструкциядағы клапандар тез тозып кетеді. Импульстік детонациялық қозғалтқыш (Pulse detonation engine)Импульстік реактивтіге ұқсас, бірақ жану дефлагтация орнына детонация ретінде жүзеге асырылады, клапандар қажет болуы мүмкін немесе болмауы мүмкін. Теориялық тұрғыдан қозғалтқыштың ең жоғары тиімділігі.Өте шулы, бөліктері күшті механикалық тозуға ұшырайды, детонацияны іске қосу қиын, қазіргі қолдану үшін практикалық емес.

Гибридті

Комбинирленген циклдегі қозғалтқыштар бір мезгілде екі немесе одан көп түрлі реактивтік қозғалту принциптерін қолданады. ТүріСипаттамаАртықшылықтарыКемшіліктеріТурборекетТурбореактивті қозғалтқыш, онда ауа ағынына оттегі сияқты қосымша тотықтырғыш қосылып, максималды биіктік арттырылады.Қазіргі дизайнға өте жақын, өте биік биіктікте жұмыс істейді, биіктік және әуе жылдамдығының кең диапазоны.Турбореактивті қозғалтқышпен салыстырғанда әуе жылдамдығымен шектелген, LOX сияқты тотықтырғышты тасымалдау қауіпті болуы мүмкін. Қарапайым зымырандардан ауыр. Ауамен күшейтілген зымыранНегізінен рамджет, онда кіретін ауа қысылып, зымыранның шығарылатын газдарымен жағылады.Мах 0-ден Мах 4.5+-қа дейін (экзосфералық режимде де жұмыс істей алады), Мах 2-ден 4-ке дейін жақсы тиімділік.Төмен жылдамдықтарда немесе экзосфералық режимде зымырандармен салыстырғанда тиімділік, кіретін ауа ағынымен қиындықтар, салыстырмалы түрде жаңа және зерттелмеген тип, салқындату қиындықтары, өте шулы, итермелеу/салмақ қатынасы рамджетке ұқсас. Алдын ала салқындатылған ұшқыштар / LACEКіретін ауа, рамджет және/немесе турбореактивті және/немесе зымыран қозғалтқышы арқылы өту алдында жылу алмастырғышта өте төмен температураға дейін салқындатылады. Жерде сынау оңай. Өте жоғары итермелеу/салмақ қатынастары (~14) кең ауқымды әуе жылдамдықтарында отынның тиімділігімен бірге мүмкін, Мах 0–5.5+; тиімділіктің бұл комбинациясы орбитаға бір сатылы ұшуға немесе өте жылдам, өте ұзақ қашықтықтағы континенттер аралық саяхатқа мүмкіндік береді. Қазіргі уақытта тек зертханалық прототиптер сатысында ғана бар. Мысалдары: RB545, Reaction Engines SABRE, ATREX. Сұйық сутегі отыны қажет, оның тығыздығы өте төмен және жақсы оқшауланған бактарды қажет етеді.

Жалпы физикалық принциптер

Барлық реактивті қозғалтқыштар – итермелі күшті салыстырмалы түрде жоғары жылдамдықпен сұйық ағынын артқа қарай шығару арқылы тудыратын реакциялық қозғалтқыштар. Осы ағынды жасау үшін қозғалтқыштың ішіндегі күштер, қозғалтқышқа күшті итермелі күш түсіріп, оны алға жылға береді. Реактивті қозғалтқыштар өз ағынын қозғалтқышқа тіркелген резервуарларда сақталатын отынмен (мысалы, "ракетадағы" сияқты) және сондай-ақ, сыртқы сұйықтықты (көбінесе ауа) сіңіріп, оны жоғары жылдамдықпен шығару арқылы (әдетте ұшақтарда қолданылатын каналдық қозғалтқыштар) жасайды.

Қозғалтқыш тұмсығы

Қозғалтқыш сопласы жоғары жылдамдықты газ ағынын шығарады. Қозғалтқыш соплалары ішкі және қысым энергиясын жоғары жылдамдықты кинетикалық энергияға түрлендіреді. Газ сопла арқылы өтетін кезде жалпы қысым мен температура өзгермейді, бірақ газ жылдамдығы артқан сайын олардың статикалық мәндері төмендейді. Соплаға кіретін ауаның жылдамдығы төмен, шамамен 0,4 Мах, бұл соплаға дейінгі арнадағы қысым жоғалтуларын азайту үшін қажетті шарт. Соплаға кіретін температура, круиздік биіктіктегі салқын ауадағы желдеткіш сопласы үшін теңіз деңгейіндегі температураға дейін төмен болуы мүмкін. Ол, суперсоникалық қозғалтқышта немесе жанардан кейін 2200 К-ге дейін, 1000 Кельвинге дейін жоғары газ температурасына жете алады. Соплаға кіретін қысым, бір сатылы желдеткіш үшін сопланың сыртындағы қысымнан 1,5 есеге дейін, ал ең жылдам 3+ Мах жылдамдығымен ұшатын ұшақтар үшін 30 есеге дейін өзгеруі мүмкін. Конвергентті соплар газды тек жергілікті дыбыс жылдамдығына (Мах 1) дейін ғана үдетуге қабілетті. Жоғары ұшу жылдамдықтарына жету үшін одан да жоғары газ ағынының жылдамдығы қажет, сондықтан жоғары жылдамдықты ұшақтарда конвергентті-дивергентті сопла қолданылады. Газдың статикалық қысымы сопладан шыққанда сыртқы қысымға жеткенде қозғалтқыштын итеру күші ең жоғары болады. Бұл тек сопланың шығу ауданы сопланың қысым қатынасына (npr) сәйкес келгенде ғана мүмкін. Бірақ npr қозғалтқыш итеру күшінің орнатуымен және ұшу жылдамдығымен өзгеретіндіктен, мұндай жағдай сирек кездеседі. Сонымен қатар, дыбыс жылдамдығынан жоғары жылдамдықтарда дивергентті бөлігі сыртқы кедергі күшімен байланысты, толық ішкі кеңеюді сыртқы қысымға дейін жеткізуге қажеттіден кіші болады. Уитфорд F16-ны мысал ретінде келтіреді. Басқа толық кеңеймеген мысалдарға XB 70 және SR 71 жатады. Сопланың мөлшері, турбиналық соплалардың ауданымен бірге, компрессордың жұмыс қысымын анықтайды.

Отын немесе қозғалтқыш заттың тұтынуы

Энергия тиімділігімен тығыз байланысты (бірақ әртүрлі) ұғым – қозғалтқыш массасының тұтыну деңгейі. Ұшқыш қозғалтқыштардағы отынның жұмсалуы нақты отын шығынымен, нақты импульспен немесе тиімді газ шығу жылдамдығымен өлшенеді. Олардың барлығы бірдей нәрсені көрсетеді. Нақты импульс және тиімді газ шығу жылдамдығы тікелей пропорционалды, ал нақты отын шығыны оларға кері пропорционалды. Түрбоұшақтар сияқты ауамен жұмыс істейтін қозғалтқыштарда энергия тиімділігі мен қозғалтқыш (отын) тиімділігі шамалы айырмашылықты құрайды, себебі қозғалтқыш – отын және энергияның көзі. Ракеталарда қозғалтқыш сонымен қатар шығарылатын газ болып табылады, яғни жоғары энергиялы қозғалтқыш қозғалтқыш тиімділігін жақсартады, бірақ кейбір жағдайларда энергия тиімділігін төмендетуі мүмкін. Төмендегі кестеден көрініп тұрғанындай, General Electric CF6 турбовентиляторы сияқты субдыбырлық турбовентиляторлар, Concorde ұшағының Rolls Royce/Snecma Olympus 593 түрбореактивіне қарағанда, бір секундта итеру күшін жасау үшін әлдеқайда аз отын жұмсайды. Дегенмен, энергия күш пен қашықтықтың көбейтіндісі болғандықтан және Concorde үшін секундтық қашықтық артық болғандықтан, бірдей отын мөлшерінде қозғалтқыш Concorde үшін 2 Мах жылдамдығында CF6-дан жоғары қуатты өндірді. Осылайша, Concorde ұшағының қозғалтқыштары жүрілген қашықтыққа шаққандағы энергия тұрғысынан тиімдірек болды.

Тіреу-салмақ арақатынасы

Ұқсас конфигурациядағы реактивтік қозғалтқыштардың инерциялық салмағына қатынасы көлемге байланысты өзгереді, бірақ негізінен қозғалтқыш құрылысының технологиясына тәуелді. Белгілі бір қозғалтқыш үшін, қозғалтқыш неғұрлым жеңіл болса, инерциялық салмағына қатынасы соғұрлым жоғары болады, ал қозғалтқыштың салмағын көтеруге немесе қозғалтқыш массасын үдетуге қажетті қарсылық күшін жеңу үшін аз отын жұмсалады. Төмендегі кестеден көрініп тұрғандай, ракеталық қозғалтқыштар турбореактивтік және турбовентиляторлық қозғалтқыштарға қарағанда әлдеқайда жоғары инерциялық салмағына қатынасқа ие. Бұл негізінен ракеталар дерлік әрқашан тығыз сұйық немесе қатты реакциялық массаны қолданатынына байланысты, бұл көлемді айтарлықтай кішірейтеді, соның салдарынан соплоға қысым жеткізетін жүйе де сол көрсеткіштер үшін кішірек және жеңіл болады. Құбырлы қозғалтқыштар ауамен жұмыс істеуге мәжбүр, ал ауаның тығыздығы екі-үш есе төмен, бұл үлкен аумақта қысымның өсуына әкеледі, нәтижесінде қозғалтқыштың тұтастығын сақтау және ауа компрессорын жасау үшін көбірек инженерлік материалдар қажет болады.

Биіктік және жылдамдық

Скрамджеттерді қоспағанда, реактивтік қозғалтқыштар, кіріс жүйелерінен айырылғанда, дыбыс жылдамдығының шамамен жартысына дейінгі ауаны ғана қабылдай алады. Транс және үстінкү дыбыстық жылдамдықпен ұшатын ұшақтардағы кіріс жүйесінің міндеті – ауаны баяулату және оны қысу. Қозғалтқыштар үшін ең жоғары биіктік тұтанғыштықпен шектеледі – өте жоғары биіктікте ауа тым сиреп, жана алмайды немесе қысылғаннан кейін тым ыстық болады. Турбореактивтік қозғалтқыштар үшін шамамен 40 км биіктікке жету мүмкін, ал рамджеттік қозғалтқыштар үшін 55 км-ге жете алу ықтималды. Скрамджеттер теориялық тұрғыдан 75 км биіктікке көтеріле алады. Ал ракеталық қозғалтқыштардың жоғарғы шегі жоқ. Көбірек биіктікте, жылдам ұшу қозғалтқыштың алдындағы ауаны қысып, оны қатты қыздырады. Әдетте, жоғарғы шек 5-8 Мах шамасында деп есептеледі, себебі 5,5 Мах-тан жоғары жылдамдықтарда атмосфералық азот кіріс бөлігіндегі жоғары температураның салдарынан реакцияға түсіп, көп энергия жұмсайды. Бұған скрамджеттер ерекшелік жасайды, олар ауаны баяулатпайтындықтан шамамен 15 Мах немесе одан да жоғары жылдамдыққа жете алады, ал ракеталардың жылдамдығына ешқандай шектеу қойылмайды.

Шу

Ұшақ қозғалтқышы шығаратын шудың көптеген көздері бар. Газ турбиналы қозғалтқыштарда бұларға желдеткіш, компрессор, жану камерасы, турбина және итергіш реактивтер жатады. Итергіш реактивтер жоғары жылдамдықты реактивтің қоршаған ауамен күшті араласуынан туындайтын реактивтік шуды тудырады. Субсоникалық жағдайда шу айналмалар арқылы, ал суперсоникалық жағдайда Мах толқындары арқылы пайда болады. Реактивтен таралатын дыбыс қуаты реактивтің жылдамдығының сегізінші дәрежесіне дейін жылдамдықпен, ал одан жоғары жылдамдықтарда жылдамдықтың кубымен өзгереді. Осылайша, жоғары өткізгіштік турбовентиляторлар сияқты қозғалтқыштардан шығатын төмен жылдамдықты реактивтер ең тыныш, ал зымырандар, турбореактивтер және рамажеттер сияқты ең жылдам реактивтер ең шулы болады. Әуе тасымалдау ұшақтарында реактивтік шу турбореактивтік қозғалтқыштардан өткізгіш қозғалтқыштарға, содан кейін турбовентиляторларға дейін реактивтік жылдамдықтарды кезеңді түрде төмендету нәтижесінде азайды. Мысалы, JT8D өткізгіш қозғалтқыштың реактивтік жылдамдығына ие, ал JT9D турбовентилятордың реактивтік жылдамдығына ие (салқын) және (ыстық). Турбовентилятордың пайда болуымен ерекше реактивтік шу "үрлеу" деп аталатын басқа дыбысқа ауыстырылды. Бұл ұшу күшімен итергіш перненің ұшынан пайда болатын соққы толқындарынан туындайды.

Салқындату

Ұшқыш қозғалтқыштың жұмыс жасайтын бөліктерінен жылуды тиімді түрде кетіру, қозғалтқыш материалдарының беріктігін сақтау және оның ұзақ қызмет ету мерзімін қамтамасыз ету үшін өте маңызды. 2016 жылдан бері реактивті қозғалтқыш құралымдарына арналған тесіктік суыту (транспирациялық суыту) технологияларын әзірлеу бойынша зерттеулер жалғасуда.

Операция

Ұшқыш қозғалтқыштарында әрбір маңызды айналатын бөлімшеде, әдетте, оның айналу жылдамдығын бақылауға арналған жеке көрсеткіш болады. Қозғалтқыштың маркасы мен моделіне байланысты, турбовентиляторлы қозғалтқыштардағы төмен қысымды компрессор бөлімінің және/немесе желдеткіштің жылдамдығын бақылайтын N көрсеткіші болуы мүмкін. Газ генераторы бөлімі N көрсеткішімен бақылануы мүмкін, ал үш шпулді қозғалтқыштарда да N көрсеткіші болуы мүмкін. Әрбір қозғалтқыш бөлімі мыңдаған айналымдармен айналады. Сондықтан олардың көрсеткіштері нақты айналымдардың орнына, номиналды жылдамдықтың пайызымен калибрленеді, бұл көрсетуді және түсіндіруді жеңілдетеді.