Кіріспе
Ұшақтарда қолдануға арналған қозғалтқыш
Ұшақ қозғалтқышы, көбінесе авиациялық қозғалтқыш деп аталады, ұшақтардың қозғалысын қамтамасыз ететін жүйенің қуат бөлігі болып табылады. Қуат бөліктерін пайдаланатын ұшақтар қозғалтқыштың күшімен ұшуға қабілетті. Көптеген ұшақ қозғалтқыштары поршеньді қозғалтқыштар немесе газ турбиналары болып табылады, бірақ кейбіреулері реактивтік қозғалтқыштармен жұмыс істейді, ал соңғы жылдары көптеген кішкентай БПЛА электрмоторларды қолданады.
Ванкельдік қозғалтқыш
Ванкель – роторлық қозғалтқыштың бір түрі. Ванкель қозғалтқышы дәстүрлі төрт тактты поршенді қозғалтқыштан шамамен екі есе жеңіл және кішкентай, сондай-ақ құрылысы жағынан әлдеқайда қарапайым. Ұшқыш техникада қуат пен салмақ арақатынасы өте маңызды, сондықтан Ванкель қозғалтқышы тиімді таңдау болып табылады. Қозғалтқыш әдетте алюминийден жасалған корпусы мен болаттан жасалған роторынан құралады. Алюминийдің болаттан қызғанда көбірек кеңею қабілетіне ие болғандықтан, Ванкель қозғалтқышы поршенді қозғалтқыштар сияқты қызып кеткенде істен шықпайды. Бұл авиациялық қолдану үшін маңызды қауіпсіздік факторы. Осы конструкциялардың жетілдірілуі Екінші дүниежүзілік соғыстан кейін басталды, бірақ сол кезде авиация индустриясы турбиналық қозғалтқыштарды қолдануға басымдық берді. Турбореактивтік немесе турбовинттік қозғалтқыштардың барлық типтегі ұшақтарды, ең үлкенінен ең кішкентайына дейін қуатпен қамтамасыз ете алады деп есептелді. Ванкель қозғалтқышы ұшақтарда кеңінен қолданылмады, бірақ Mazda оны танымал спорттық автомобильдер сериясында пайдаланды. Француздық Citroën компаниясы 1970-ші жылдары Ванкель қозғалтқышымен жабдықталған Citroën RE 2 тікұшағын жасады. Қазіргі заманда Ванкель қозғалтқышы моторлы планерлерде қолданылады, онда ықшамдылығы, жеңіл салмағы және жұмысының тегіс болуы маңызды. Бұрын жұмыс істемейтін Ставертон қаласындағы MidWest фирмасы MidWest AE сериялы бір және екі роторлы авиациялық қозғалтқыштарды жобалап, өндірді. Бұл қозғалтқыштар Norton Classic мотоциклінің қозғалтқышынан дамытылды. Екі роторлы нұсқасы ARV Super2 және Rutan Quickie ұшақтарына орнатылды. Бір роторлы қозғалтқыш Chevvron моторлы планеріне және Schleicher ASH моторлы планерлеріне енгізілді. MidWest компаниясы таратылғаннан кейін барлық құқықтар Австрияның Diamond компаниясына сатылды, ол қозғалтқыштың MkII нұсқасын әзірледі. Сертификатталған ұшақ қозғалтқыштарына тиімді балама ретінде, кейбір Ванкель қозғалтқыштары автомобильдерден алынып, авиациялық қолдануға бейімделді және қолмен жасалған тәжірибелік ұшақтарға орнатылды. Mazda қозғалтқыштарының қуаты дәстүрлі қозғалтқыштардың құнынан әлдеқайда арзан болуы мүмкін. Мұндай түрлендірулер алғаш рет 1970 жылдардың басында жүзеге асырылды. 2006 жылдың 10 желтоқсанына дейін Ұлттық көлік қауіпсіздігі жөніндегі кеңес Mazda қозғалтқыштары бар ұшақтарға қатысты жеті оқиға туралы хабарлады, олардың ешқайсысы конструкциялық немесе өндірістік ақауларға байланысты болған жоқ.
Жанар циклдері
Авиациялық қозғалтқыштарда ең көп таралған жану циклі – төрт тактты, ұшқынмен тұтандыру. Екі тактты ұшқынмен тұтандыру шағын қозғалтқыштарда да қолданылған, ал қысыммен тұтандыру дизельдік қозғалтқыш көбінесе қолданылмайды. 1930 жылдардан бастап, практикалық ұшақ дизельдік қозғалтқышын жасауға әрекеттер жасалды. Жалпы алғанда, дизельдік қозғалтқыштар сенімдірек және орташа қуат деңгейінде ұзақ уақыт жұмыс істеуге жақсырақ бейімделген. 1930 жылдардағы жеңіл металл қорытпалары дизельдік қозғалтқыштардың жоғары қысым коэффициентін басқаруға жеткіліксіз болды, сондықтан олардың қуат-салмақ көрсеткіштері нашар болды және осы себепті сирек кездесті, бірақ Clerget 14F дизельдік радиалдық қозғалтқышының (1939) қуат-салмақ көрсеткіші бензиндік радиалдық қозғалтқышқа тең. Автомобильдердегі дизельдік технологияның жақсаруы (қуат-салмақ көрсеткіштерін жақсартуға әкелді), дизельдің отын тиімділігінің артық болуы және Еуропада AVGAS салығының Jet A1 салығымен салыстырғанда жоғары болуы ұшақтарда дизельді пайдалануға деген қызығушылықты қайта жандандырды. Thielert Aircraft Engines Mercedes Diesel автомобильдік қозғалтқыштарын өңдеп, ұшақтарда пайдалануға сертификаттады және Diamond Aviation компаниясының жеңіл екі моторлы ұшақтары үшін OEM жеткізушісі болды. Thielert компаниясы қаржылық қиындықтарға тап болғандықтан, Diamond компаниясының еншілес компаниясы – Austro Engine – жаңа AE300 турбодизелін әзірледі, ол да Mercedes қозғалтқышының негізінде жасалған. Жаңа дизельдік қозғалтқыштардың бәсекелестігі шағын ұшақтарға отын тиімділігін және қорғасынсыз шығарындыларды әкелуі мүмкін, бұл ондаған жылдардағы жеңіл ұшақ қозғалтқыштарындағы ең маңызды өзгеріс болар.
Турбовинті
Әскери ұшақтарға өте жоғары жылдамдық қажет болса да, көптеген азаматтық ұшақтарға ондай жылдамдық талап етілмейді. Дегенмен, азаматтық ұшақтарды құрастырушылар газ турбиналық қозғалтқыштың жоғары қуаты мен төмен техникалық қызмет көрсету артықшылықтарынан пайда көруді қалады. Осылайша, турбиналық қозғалтқышты дәстүрлі винтпен біріктіру идеясы туды. Газ турбиналары ең тиімді түрде жоғары жылдамдықпен айналатындықтан, турбовинт ұшақтарында винт ұштарының дыбыс жылдамдығына жетуін болдырмау үшін білік жылдамдығын төмендетуге арналған беріліс қорабы болады. Көбінесе, винтті қозғалтатын турбиналар айналатын бөліктердің қалған бөлігінен бөлек орналасады, осылайша олар өздерінің ең қолайлы жылдамдығында айналуы мүмкін (мұндай қозғалтқыштар бос турбиналық қозғалтқыш деп аталады). Турбовинттік ұшақтар, олар жобаланған круиздік жылдамдықтарының шегінде жұмыс істегенде өте тиімді болады.
Турбошақты
Турбошақты қозғалтқыштар негізінен тікұшақтар мен қосалқы қуат агрегаттарында қолданылады. Турбошақты қозғалтқыш принципі бойынша турбовинттіге ұқсас, бірақ турбовинттіде винт қозғалтқышпен байланыстырылған және қозғалтқыш ұшақ қаңқасына бекітіледі: турбошақтыда қозғалтқыш тікұшақтың қанаттарына тікелей физикалық тіреу бермейді. Қанаттар беріліс арқылы қосылады, ал беріліс ұшақ қаңқасына бекітіледі, ал турбошақты қозғалтқыш берілісті қоздырады. Кейбір мамандар бұл айырмашылықты ұсақ деп санайды, себебі кейбір жағдайларда ұшақ құрастыру компаниялары бірдей конструкцияға негізделген турбовинтті және турбошақты қозғалтқыштарды шығарады.
Электр қуаты
1960 жылдан бері QinetiQ Zephyr сияқты электр қуатымен жұмыс істейтін бірнеше ұшақтар жобаланды. Олардың кейбіреулері әскери дрон ретінде қолданылады. 2007 жылдың соңында Францияда литий-полимерлік аккумуляторларды пайдаланатын 18 кВт электр қозғалтқышымен жабдықталған дәстүрлі жеңіл ұшақ ұшты, ол әуеге лайықтылық туралы сертификат алған алғашқы электр ұшағы болды. 2020 жылдың 18 мамырында Pipistrel E 811 жалпы авиацияда пайдалану үшін EASA-дан типтік сертификат алған алғашқы электрлік ұшақ қозғалтқышы атанды. E 811 Pipistrel Velis Electro ұшағына қуат береді. Күн энергиясымен жұмыс істейтін қозғалтқыштармен шектеулі тәжірибелер жүргізілді, оның ішінде адам басқаратын Solar Challenger және Solar Impulse, сондай-ақ ұшқышсыз NASA Pathfinder ұшақтары бар. Siemens сияқты көптеген ірі компаниялар ұшақтарда пайдалануға арналған жоғары өнімді электр қозғалтқыштарын жасап дамытып жатыр, сонымен қатар SAE таза мыс орталық электр қозғалтқыштары сияқты элементтердегі жаңа жетістіктерді көрсетуде, олардың тиімділігі жоғары. Axter Aerospace (Мадрид, Испания) компаниясы авариялық резервтік жүйе ретінде және ұшу кезінде қуатты арттыру үшін гибридтік жүйені сатуда. Кішкентай көп роторлы дрондар көбінесе электр қозғалтқыштарымен жабдықталады.
Реакциялық қозғалтқыштар
Реакциялық қозғалтқыштар ұшақты жылдамдату үшін, қозғалтқыштан жоғары жылдамдықпен шығатын газдар арқылы итеру күшін жасайды, нәтижесінде пайда болатын күштердің әрекеті ұшақты алға жылжытады. Ең көп таралған реактивтік қозғалтқыштар – турбореактивтік, турбовентиляторлық және ракеталық қозғалтқыштар. Пульс-жеттік, рам-жеттік, скрам-жеттік және импульстік детонациялық қозғалтқыштар сияқты басқа түрлері де сынақтан өткен. Реактивтік қозғалтқыштарда отынның жануына қажетті оттегі ауадан алынады, ал ракеталар отынның бір бөлігі ретінде оттегіні өздерімен бірге алып жүреді, бұл оларды ғарышта пайдалануға мүмкіндік береді.
Турбореактивті
Турбореактивті қозғалтқыш – газ турбиналық қозғалтқыштың бір түрі, ол бастапқыда Екінші дүниежүзілік соғыс кезінде әскери истребительдер үшін жасалған. Турбореактивті қозғалтқыш – барлық ұшақ газ турбиналарының ең қарапайым түрі. Ол ауаны сорып алып, қысымға түсіретін компрессордан, отын қосылып, жағатын жану камерасынан, кеңейіп шығатын газдардан қуат алып компрессорды қозғайтын бір немесе бірнеше турбинадан және газдарды жылдамдатып, итеру күшін жасайтын соплодан тұрады. Турбореактивті қозғалтқыштар пайда болған кезде, олармен жабдықталған истребительдердің ең жоғары жылдамдығы сағатына кемінде 100 мильге артты. Соғыстан кейінгі жылдары турбореактивті қозғалтқыштың кемшіліктері бірте-бірте көріне бастады. 2 Махтан төмен жылдамдықтарда турбореактивті қозғалтқыштар өте көп отын жұмсайды және қатты шу шығарады. Алғашқы конструкциялар қуат өзгерістеріне өте жай жауап беретін, соның салдарынан тәжірибелі ұшқыштардың көптегені реактивтік ұшақтарға көшу кезінде қаза тапты. Осы кемшіліктер ақырында таза турбореактивті қозғалтқыштың тоқтауына әкелді, қазір тек бірнеше түрі ғана өндірісте. Турбореактивті қозғалтқыштарды соңғы рет қолданған Concorde лайнері болды, оның Mach 2 жылдамдығы қозғалтқыштың тиімді жұмыс істеуіне мүмкіндік берді.
Турбофен
Турбовентиляторлы қозғалтқыш турбореактивті қозғалтқышқа ұқсас, бірақ алдыңғы жағында үлкен желдеткіш орналасқан, ол көп жағдайларда арнайы құбырлы винт сияқты итерме күшін қамтамасыз етеді, нәтижесінде отынның тиімділігі артады. Желдеткіш винт сияқты итерме күшін жасаса да, оны қоршап тұрған құбырлар винттің жұмысын шектейтін көптеген факторлардан босатады. Бұл операция реактивті соплоны ғана пайдалануға қарағанда итерме күшін қамтамасыз етудің тиімді жолы болып табылады, ал турбовентиляторлар ұшақтың транссоникалық жылдамдық диапазонында винттерден тиімді және тіпті дыбыс жылдамдығынан да асып жұмыс істей алады. Турбовентиляторларда әдетте желдеткішті айналдыру үшін қосымша турбиналық каскадтар болады. Турбовентиляторлар – қозғалтқыштың қуат талаптарына жылдам жауап беруге мүмкіндік беретін, өз білігімен айналатын концентрлі валдардан – бірнеше шпулдерді қолданған алғашқы қозғалтқыштардың бірі. Турбовентиляторлар негізінен төмен және жоғары байпас санаттарына бөлінеді. Байпас ауасы желдеткіш арқылы, бірақ реактивті өзектің айналасынан өтеді, отынмен араласпайды және жана бермейді. Бұл ауаның қозғалтқыш өзегі арқылы өтетін ауа мөлшеріне қатынасы байпас коэффициенті деп аталады. Төмен байпас қозғалтқыштар жоғары итерме/салмақ қатынасы болғандықтан, әскери техникада, мысалы, истребительдерде қолдануға артықшылық береді, ал жоғары байпас қозғалтқыштар отынның тиімділігі жоғары және шу деңгейі төмен болғандықтан азаматтық авиацияда қолдануға қолайлы. Жоғары байпас турбовентиляторлар әдетте ұшақтардың крейсерлік жылдамдығында, яғни көптеген ірі авиалайнерлердің ұшу жылдамдығында ең тиімді жұмыс істейді. Төмен байпас турбовентиляторлар форсаждық камерамен жабдықталғанда ғана дыбыс жылдамдығына жете алады.
Жоғары технологиялық қозғалтқыш
"Алдыңғы технологиялы қозғалтқыш" термині қазіргі буын реактивті қозғалтқыштарды білдіреді. Принцип мынада: турбиналық қозғалтқыш, турбиналардың әртүрлі топтары бірдей жылдамдықпен емес, әрқайсысының өзіндік ең тиімді жылдамдығымен айналса, тиімдірек жұмыс істейді. Шын мәніндегі алдыңғы технологиялы қозғалтқышта үш шпиль (катушка) болады, яғни бір жетек білігінің орнына үш жетек білігі болады, соның арқасында үш қатарлы пернелер әртүрлі жылдамдықпен айналуы мүмкін. Аралық кезең – екі шпильді (катушкалы) қозғалтқыш, ол турбиналарға екі түрлі жылдамдыққа қол жеткізуге мүмкіндік береді.
Пулс ұшқыштары
Импульстік реактивтер – механикалық тұрғыдан қарапайым құрылғылар, олар қайталама цикл бойынша қозғалтқыштың алдыңғы жағындағы кері клапан арқылы ауаны жану камерасына сорып алып, тұтандырады. Жану қозғалтқыштың арт жағынан шығатын газдардың күшін тудырады. Ол тұрақты шығыс емес, бірнеше импульстар түрінде қуат өндіреді, сондықтан осылай аталды. Осы типтегі қозғалтқыштың жалғыз қолданылуы – Екінші дүниежүзілік соғыстағы неміс жасаған V1 зымыран бомбасы. Осы қозғалтқыштар тәжірибелік түрде қолданылатын балама ұшақтарда да қолданылғанмен, қозғалтқыштардың тудырған өте жоғары шуы ұшақ корпусына жеткілікті механикалық зақым келтірді, бұл идеяны жүзеге асыруға мүмкіндік бермеді.
Глюхарэф қысымды реакторы
Глюхарёвтың қысымды реактивті ұшқышы (немесе ұшқыш ұшы) – клапансыз импульстік реактивтер сияқты, қозғалмалы бөліктері жоқ реактивті қозғалтқыштың бір түрі. Қозғалмалы бөліктері болмағандықтан, қозғалтқыш жанар камерасындағы спираль тәрізді құбыр арқылы жұмыс істейді, ол отынды (пропанды) ауа-отын қоспасының кіреберісіне жібермес бұрын қатты қыздырады. Жанар камерасында отын-ауа қоспасы тұтанады және жанады, соның нәтижесінде шығарып тастау түтігі арқылы шығарғанда итергіш күш пайда болады. Отын-ауа қоспасын тарту және қысу пропанның қысымымен, сондай-ақ жанудан туындаған дыбыс толқындарының сору арналарына әсер етуі арқылы жүзеге асырылады. Бұл жеке тікұшақтар мен Microlights сияқты шағын ұшақтар үшін қуат станциясы ретінде қолдануға арналған болатын.
Ракета
Бірнеше ұшақ ракеталық қозғалтқыштарды негізгі итермелеу немесе бағытты басқару үшін пайдаланған, әсіресе Bell X 1 және North American X 15. Көптеген ұшақтарда ракеталық қозғалтқыштар қолданылмайды, себебі энергия мен жанармайдың тиімділігі өте төмен, бірақ қысқа мерзімді жылдамдық пен ұшыру үшін қолданылып келеді. Жанармай/үрдіс тиімділігі аса маңызды емес жағдайларда, ракеталық қозғалтқыштар өте үлкен күш шығаратындықтан және аз салмаққа ие болғандықтан пайдалы болуы мүмкін.
Ракеталық турбиналы қозғалтқыш
Ракеталық турбиналық қозғалтқыш – екі түрлі жылдамдатқыштың үйлесімі: сұйық отынды ракета және турбиналық реактивтік қозғалтқыш. Оның салмаққа шаққандағы қуаты обыкновенды реактивтік қозғалтқыштан сәл артық, және ол жоғары биіктікте жұмыс істейді.
Алдын ала салқындатылған реактивті қозғалтқыштар
Өте жоғары дыбыс жылдамдығынан аспаса/төмен гипердыбыс жылдамдықтарында, сутек реактивтік қозғалтқышының ауа арнасына салқындату жүйесін орнату, жоғары жылдамдықта отынды көп мөлшерде шашуға мүмкіндік береді және арнаның отқа төзімді немесе белсенді салқындатылатын материалдардан жасалу қажеттілігін жояды. Бұл қозғалтқыштың жоғары жылдамдықтағы итеру күші мен салмағының арақатынасын едәуір жақсартады. Осы қозғалтқыш конструкциясы Мах 5 жылдамдығымен антиподальді ұшуға жеткілікті өнімділік бере алады, тіпті бір сатылы орбиталық аппаратты іске асыруға да мүмкіндік тудыруы мүмкін. Гибридтік SABRE ракеталық қозғалтқышы – әзірлеме жұмыстары жүріп жатқан алдын ала салқындатылатын қозғалтқыш.
Қозғалтқышты-турбофенді гибрид
2018 жылдың сәуір айында өткен ILA Берлин авиасалонында Мюнхендегі зерттеу институты :de:Bauhaus Luftfahrt 2050 жылға арналған жоғары тиімділіктегі композиттік циклді қозғалтқышты ұсынды, ол берікті турбовентиляторды поршеньді қозғалтқыш ядросымен біріктіреді. Оның круиздік TSFC 11,5 г/кН/с (0,406 фунт/фунт/сағ) құрайды, ал жалпы қозғалтқыштың тиімділігі 48,2% болады, жанарғы температурасы, жалпы қысым қатынасы 38 және ең жоғары қысым. Қозғалтқыштың салмағы 30% артса да, ұшақтың жанар майының тұтынылуы 15% төмендейді. Еуропалық Комиссияның LEMCOTEC (Төмен шығарынды ядролық қозғалтқыш технологиялары) жобасы аясында демеушілік еткен Bauhaus Luftfahrt, MTU Aero Engines және GKN Aerospace компаниялары 2015 жылы осы тұжырымдаманы ұсынды, нәтижесінде 2025 жылғы қозғалтқыштармен салыстырғанда отынның тұтынылуы 15,2% азайды, ал жалпы қозғалтқыш қысымы 100-ден асты.
Қозғалтқыштың орналасу нөмірлері
Көп моторлы ұшақтарда қозғалтқыш орындары ұшқыш алға қарап тұрғанда солдан оңға қарай нөмірленеді. Мысалы, Boeing 747 сияқты төрт моторлы ұшақта, No. 1 қозғалтқыш сол жақта, фюзеляждан ең алыс орналасқан, ал No. 3 қозғалтқыш оң жақта, фюзеляжға жақын орналасқан. Екі қозғалтқышты English Electric Lightning ұшағында, фюзеляжға бірінің үстіне бірі орналасқан екі реактивті қозғалтқыш бар. No. 1 қозғалтқыш No. 2 қозғалтқыштың астында және алдында, ал No. 2 қозғалтқыш жоғарыда және артта орналасқан. Cessna 337 Skymaster, итермелеу-түсіру жүйесімен жұмыс істейтін екі қозғалтқышты ұшақта, No. 1 қозғалтқыш фюзеляждың алдыңғы жағында, ал No. 2 қозғалтқыш кабинаның арт жағында орналасқан.
Отын
Әуе кемесінің поршенді (қозғалтқыштық) қозғалтқыштары әдетте авиациялық бензинмен жұмыс істеуге арналған. Авгаз автомобиль бензиніне қарағанда жоғары октандық санына ие, бұл жоғары сығылу қатынастарын, қуаттылығын және биік биіктікте тиімділігін қамтамасыз етеді. Қазіргі уақытта ең көп таралған Avgas – 100LL. Бұл октандық көрсеткішін (100 октан) және қорғасын мөлшерін (LL = төмен қорғасын, бұрынғы АВГАЗ-дың қорғасын деңгейімен салыстырылғанда) көрсетеді. Мұнай өңдеу зауыттары Avgas-ты тетраэтилқорғасынмен (TEL) араластырып, осы жоғары октандық санды қол жеткізеді, бірақ бұл практиканы үкіметтер енді жол көліктері үшін арналған бензинге рұқсат етпейді. TEL-дің қорларының азаюы және оның қолданылуын тиым салатын экологиялық заңнама қабылдану мүмкіндігі, ұшқыштар ұйымдары үшін жалпы авиация ұшақтарына арналған жанармайдың баламасын табуды маңызды міндет етті. Турбиналық және ұшақ дизельдік қозғалтқыштары реактивтік отынның әртүрлі маркаларын қолданады. Реактивтік отын – керосин негізіндегі, бірақ қатаң авиациялық стандарттарға сәйкес сертификатталған, қосымша қоспалармен байытылған, салыстырмалы түрде аз тұтанғыш мұнай өнімі. Ұшақ моделі әдетте нитроқозғалтқыштарды (жарық шығыршын пайдалануына байланысты "жарық қозғалтқыштар" деп те аталады) қолданады, олар метанол, нитрометан және майлау заттарының қоспасы – жарық отынымен жұмыс істейді. Электр қуатымен жұмыс істейтін ұшақтар мен тікұшақтар да саудада бар. Кішкентай көп роторлы дрондар көбінесе электрмен жұмыс істейді, бірақ үлкен бензинмен жұмыс істейтін үлгілері әзірленуде.