Импульсный реактивный двигатель: принцип работы и история развития

Введение

Двигатель, в котором сгорание происходит импульсно, а не непрерывно. Импульсный реактивный двигатель (или пульс-реактивный двигатель) – это тип реактивного двигателя, в котором сгорание осуществляется в виде импульсов. Импульсный двигатель может быть изготовлен с небольшим количеством движущихся частей или вообще без них и способен работать в статическом режиме (то есть ему не требуется принудительная подача воздуха во входное отверстие, обычно за счет движения вперед). Наиболее известный пример – Argus As 109 014, использовавшийся для приведения в движение летающей бомбы V-1 нацистской Германии. Импульсные реактивные двигатели представляют собой легкую форму реактивной тяги, но обычно характеризуются низким коэффициентом сжатия и, следовательно, низким удельным импульсом. Два основных типа импульсных реактивных двигателей используют резонансное сгорание и используют расширяющиеся продукты сгорания для формирования пульсирущего выхлопного потока, который периодически создает тягу. Первый тип – клапанный или традиционный импульсный двигатель. Он оснащен набором односторонних клапанов, через которые поступает входящий воздух. При воспламенении топливной смеси эти клапаны резко закрываются, что означает, что горячие газы могут покидать двигатель только через выхлопную трубу, тем самым создавая тягу. Второй тип – бесклапанный импульсный двигатель. Технические термины для этого двигателя – импульсный двигатель акустического типа или аэродинамически клапанный импульсный двигатель. Одним из заметных направлений исследований является импульсный детонационный двигатель, который включает в себя повторные детонации внутри двигателя и потенциально может обеспечить высокое сжатие и достаточно хорошую эффективность.

История

Российский изобретатель и отставной артиллерийский офицер Николай Афанасьевич Телешов запатентовал паровой пульсный двигатель в 1867 году, в то время как шведский изобретатель Мартин Виберг также претендует на изобретение первого пульсного реактивного двигателя в Швеции, однако детали остаются неясными. Первый рабочий пульс-реактивный двигатель был запатентован в 1906 году русским инженером В. В. Караводиным, который завершил рабочую модель в 1907 году. Французский изобретатель Жорж Марконне запатентовал свой бесклапанный пульсный двигатель в 1908 году, а Рамон Казанова в Риполе, Испания, запатентовал пульсный двигатель в Барселоне в 1917 году, начав его постройку в 1913 году. Роберт Годдард изобрел пульсный двигатель в 1931 году и продемонстрировал его на реактивном велосипеде. Инженер Пол Шмидт разработал более эффективную конструкцию, основанную на модификации впускных клапанов (или лопаток), что обеспечило ему поддержку от немецкого Министерства авиации в 1933 году. В 1909 году Жорж Марконне разработал первый пульсирующий камеру сгорания без клапанов, ставшую прародителем всех бесклапанных пульсных двигателей. Бесклапанный пульсный двигатель исследовался французской группой по разработке двигателей SNECMA (Société Nationale d'Étude et de Construction de Moteurs d'Aviation) в конце 1940-х годов. Первым широким применением бесклапанного пульсного двигателя стал голландский беспилотник Aviolanda AT 21. Однако пульсные двигатели широко используются в качестве промышленных сушильных систем, и в последнее время наблюдается возрождение интереса к изучению этих двигателей для таких применений, как высокопроизводительное отопление, переработка биомассы и альтернативные энергетические системы, поскольку пульсные двигатели могут работать практически на любом топливе, включая частичное топливо, такое как опилки или угольная пыль. Пульсные двигатели использовались для привода экспериментальных вертолетов, устанавливаясь на концах лопастей ротора. При приводе ротора вертолета пульсные двигатели имеют преимущество перед турбинными или поршневыми двигателями, поскольку они не создают крутящего момента на фюзеляже, так как не воздействуют на вал, а толкают кончики лопастей. В таком случае вертолет можно построить без хвостового ротора и связанной с ним трансмиссии и приводного вала, что упрощает конструкцию летательного аппарата (циклическое и коллективное управление главным ротором все равно необходимо). Эта концепция рассматривалась еще в 1947 году, когда American Helicopter Company начала работу над прототипом вертолета XA 5 Top Sergeant, оснащенным пульсными двигателями на концах лопастей ротора. XA 5 совершил первый полет в январе 1949 года, за которым последовал XA 6 Buck Private с той же конструкцией пульсного двигателя. Также в 1949 году Hiller Helicopters построила и испытала Hiller Powerblade – первый в мире ротор с реактивным двигателем горячего цикла. Hiller перешел на использование прямоточных воздушно-реактивных двигателей на концах лопастей, но American Helicopter продолжила разработку XA 8 по контракту с армией США. Он совершил первый полет в 1952 году и был известен как XH 26 Jet Jeep. Он использовал пульсные двигатели XPJ49, установленные на концах лопастей ротора. XH 26 выполнил все основные проектные задачи, но армия отменила проект из-за неприемлемого уровня шума пульсных двигателей и того факта, что сопротивление пульсных двигателей на концах лопастей ротора делало посадку авторотацией очень проблематичной. Утверждается, что использование двигателей на концах лопастей ротора может снизить стоимость производства летательных аппаратов с вращающимися крыльями до 1/10 от стоимости обычных летательных аппаратов с вращающимися крыльями.

Russian inventor and retired artillery officer Nikolaj Afanasievich Teleshov patented a steam pulsejet engine in 1867 while Swedish inventor Martin Wiberg also has a claim to having invented the first pulsejet, in Sweden, but details are unclear. The first working pulsejet was patented in 1906 by Russian engineer V. V. Karavodin, who completed a working model in 1907. The French inventor Georges Marconnet patented his valveless pulsejet engine in 1908, and Ramón Casanova, in Ripoll, Spain patented a pulsejet in Barcelona in 1917, having constructed one beginning in 1913. Robert Goddard invented a pulsejet engine in 1931, and demonstrated it on a jet propelled bicycle. Engineer Paul Schmidt pioneered a more efficient design based on modification of the intake valves (or flaps), earning him government support from the German Air Ministry in 1933. In 1909, Georges Marconnet developed the first pulsating combustor without valves. It was the grandfather of all valveless pulsejets. The valveless pulsejet was experimented with by the French propulsion research group SNECMA (Société Nationale d'Étude et de Construction de Moteurs d'Aviation ), in the late 1940s. The valveless pulsejet's first widespread use was the Dutch drone Aviolanda AT 21 However, pulsejets are used on a large scale as industrial drying systems, and there has been a resurgence in studying these engines for applications such as high output heating, biomass conversion, and alternative energy systems, as pulsejets can run on almost anything that burns, including particulate fuels such as sawdust or coal powder. Pulsejets have been used to power experimental helicopters, the engines being attached to the ends of the rotor blades. In providing power to helicopter rotors, pulsejets have the advantage over turbine or piston engines of not producing torque upon the fuselage since they don't apply force to the shaft, but push the tips. A helicopter may then be built without a tail rotor and its associated transmission and drive shaft, simplifying the aircraft (cyclic and collective control of the main rotor is still necessary). This concept was being considered as early as 1947 when the American Helicopter Company started work on its XA 5 Top Sergeant helicopter prototype powered by pulsejet engines at the rotor tips. The XA 5 first flew in January 1949 and was followed by the XA 6 Buck Private with the same pulsejet design. Also in 1949 Hiller Helicopters built and tested the Hiller Powerblade, the world's first hot cycle pressure jet rotor. Hiller switched to tip mounted ramjets but American Helicopter went on to develop the XA 8 under a U. S. Army contract. It first flew in 1952 and was known as the XH 26 Jet Jeep. It used XPJ49 pulsejets mounted at the rotor tips. The XH 26 met all its main design objectives but the Army cancelled the project because of the unacceptable level of noise of the pulsejets and the fact that the drag of the pulsejets at the rotor tips made autorotation landings very problematic. Rotor tip propulsion has been claimed to reduce the cost of production of rotary wing craft to 1/10 of that for conventional powered rotary wing aircraft.