Простейший реактивный двигатель: импульсный воздушно-реактивный двигатель без клапанов.

Введение

Простейшее из известных реактивных устройств

Бесклапанный пульсный реактивный двигатель (или импульсный реактивный двигатель) – самое простое из известных реактивных устройств. Бесклапанные пульсные реактивные двигатели отличаются низкой стоимостью, малым весом, высокой мощностью и простотой в эксплуатации. Они обладают всеми преимуществами (и большинством недостатков) традиционных клапанных пульсных реактивных двигателей, но не требуют тростниковых клапанов, которые нуждаются в частой замене; бесклапанный пульсный реактивный двигатель может работать на протяжении всего срока службы практически без обслуживания. Они применялись для привода моделей самолетов, экспериментальных картингов и беспилотных военных летательных аппаратов, таких как крылатые ракеты и беспилотные летательные аппараты-мишени.

Основная (запорная) теория пульс-реактивного потока

В обычном "запорном" пульс-реакторе, как и в двигателе печально известной "бузз-бомбы" V-1 времен Второй мировой войны, есть два канала, соединенных с камерой сгорания, где происходят дефляграции. Они обычно известны как "впуск" (очень короткий канал) и "сопло" (очень длинный канал). Функция впускного отверстия, направленного вперед, заключается в обеспечении воздуха (и во многих небольших пульс-реакторах – смешивании топлива с воздухом) для сгорания. Задача сопла, направленного назад, заключается в обеспечении массы воздуха для ускорения взрывной волной, а также в направлении ускоренной массы строго назад. Камера сгорания (обычно расширенная секция, называемая "камерой") и сопло составляют основную трубу двигателя. Гибкий, маломассивный односторонний клапан (или несколько идентичных клапанов) отделяет впускной канал от камеры сгорания. В начале каждого цикла воздух должен засасываться в камеру сгорания. В конце каждого цикла сопло должно быть перезаполнено воздухом из окружающей атмосферы. Оба этих основных действия достигаются за счет значительного падения давления, которое естественным образом возникает после расширения дефляграции, явление, известное как эффект Каденаси (названный в честь ученого, который впервые полностью его описал). Это временное пониженное давление открывает металлический клапан и втягивает в него воздух (или воздушно-топливную смесь). Оно также вызывает обратный поток в сопле, затягивая свежий воздух вперед для его заполнения. Когда происходит следующая дефляграция, быстрое повышение давления очень быстро закрывает клапан, гарантируя, что почти вся масса взрыва направлена назад, чтобы расширение газов сгорания использовалось для ускорения пополненной массы воздуха в длинном сопле.

Работа с пульсовым струем без клапанов

Бескапельный пульс-реактор на самом деле не является бескапельным — он просто использует массу воздуха во впускной трубе в качестве клапана вместо механического. Он не может этого делать, не перемещая всасываемый воздух наружу, и этот объем воздуха сам по себе обладает значительной массой, как и воздух в выхлопной трубе, — поэтому он не сдувается мгновенно дефляцией, а ускоряется в течение значительной части времени цикла. Во всех известных успешных конструкциях бескапельных пульс-реакторов масса воздуха во впуске составляет небольшую долю массы воздуха в выхлопной трубе (из-за меньших размеров впускного канала). Это означает, что масса воздуха во впуске будет удалена из контакта с корпусом двигателя быстрее, чем масса воздуха в выхлопной трубе. Тщательно продуманный дисбаланс этих двух масс воздуха важен для правильной синхронизации всех фаз цикла. Когда начинается дефляция, зона значительно повышенного давления распространяется наружу через обе воздушные массы в виде компрессионной волны. Эта волна движется со скоростью звука через воздушные массы во впуске и выхлопной трубе. (Поскольку температура в этих воздушных массах значительно повышается в результате предыдущих циклов, скорость звука в них намного выше, чем в обычном атмосферном воздухе.) Когда компрессионная волна достигает открытого конца любой трубы, волна разрежения низкого давления начинает распространяться обратно в противоположном направлении, как будто "отражается" от открытого конца. Эта область низкого давления, возвращающаяся в зону сгорания, фактически является внутренним механизмом эффекта Каденаси. "Вдыхание" свежего воздуха в зону сгорания не произойдет до прибытия волны разрежения. Движение волн через воздушные массы не следует путать с отдельными движениями самих масс. В момент начала дефляции волна давления немедленно проходит через обе воздушные массы, в то время как расширение газа (из-за тепла сгорания) только начинается в зоне сгорания. Масса воздуха во впуске будет быстро ускоряться наружу вслед за волной давления, поскольку ее масса относительно невелика. Масса воздуха в выхлопной трубе будет следовать за исходящей волной давления гораздо медленнее. Кроме того, изменение направления потока произойдет раньше во впуске из-за его меньшей массы воздуха. Время распространения волн определяется в основном длиной впускной и основной трубы двигателя, а время движения масс — в основном объемами и точной формой этих секций. На оба параметра влияет температура газа. В бескапельном двигателе фактически произойдет два прибытия волн разрежения — сначала из впуска, а затем из выхлопной трубы. В типичных бескапельных конструкциях волна, возвращающаяся из впуска, будет относительно слабой. Ее основной эффект заключается в начале изменения направления потока в самом впуске, фактически "предварительной загрузке" впускного канала свежим атмосферным воздухом. Фактическое "дыхание" двигателя в целом не начнется в полной мере, пока основная волна низкого давления из выхлопной трубы не достигнет зоны сгорания. Как только это произойдет, начнется значительное изменение направления потока, вызванное падением давления в зоне сгорания. На этом этапе также наблюдается разница в поведении очень разных масс воздуха во впуске и выхлопной трубе. Масса воздуха во впуске снова относительно невелика, но теперь она почти полностью состоит из наружного воздуха; поэтому свежий воздух почти сразу же доступен для начала заполнения зоны сгорания спереди. Масса воздуха в выхлопной трубе также будет притягиваться, в конечном итоге также меняя направление. Выхлопная труба никогда не будет полностью очищена от горячих продуктов сгорания, но при изменении направления она сможет легко втягивать свежий воздух со всех сторон вокруг выходного отверстия, поэтому ее масса будет постепенно увеличиваться до следующего события дефляции. По мере быстрого поступления воздуха в зону сгорания волна разрежения отражается назад от передней части корпуса двигателя, и по мере ее движения назад плотность воздуха в зоне сгорания естественным образом возрастает, пока давление воздушно-топливной смеси не достигнет значения, при котором дефляция может начаться снова.

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.

Практические вопросы проектирования

В практических конструкциях нет необходимости в системе непрерывного зажигания — зона сгорания никогда полностью не очищается от продуктов сгорания и свободных радикалов, поэтому в остаточном количестве в зоне сгорания достаточно химической активности для воспламенения следующего цикла, как только смесь достигнет разумной плотности и давления: цикл повторяется, контролируемый лишь синхронизацией событий давления и потока в двух каналах. Хотя теоретически возможно создать такой двигатель без чётко выраженной "камеры сгорания", большей по размеру, чем диаметр выхлопной трубы, все успешные бескамерные двигатели, разработанные на сегодняшний день, имеют расширенную камеру, примерно аналогичную тем, что используются в типичных двигателях с клапанами. Обычно камера занимает относительно небольшую часть общей длины основной трубы. Ускорение воздушной массы обратно по впускному каналу нецелесообразно для создания тяги, если впуск направлен вперед, поскольку тяга впуска составляет значительную долю тяги выхлопной трубы. Для обеспечения направленного действия тяговых сил обоих каналов использовались различные геометрические схемы двигателя. Один из простых способов — развернуть двигатель на 180 градусов и затем установить U-образный изгиб в выхлопной трубе, чтобы оба канала направляли поток назад, как в конструкциях Ecrevisse и Lockwood (также известных как Lockwood Hiller). В конструкциях Escopette и Kentfield используются рекуператоры (U-образные вспомогательные трубы), установленные перед передними впускными отверстиями для изменения направления потока и выброса из впуска назад. Так называемые "китайские" и Thermojet-типы просто монтируют впуск в камеру в направлении заднего выброса, оставляя переднюю поверхность камеры нетронутой. Однако базовая внутренняя работа двигателя с этими схемами не отличается от описанной выше. Конструкция Lockwood уникальна в одном аспекте, а именно, своим очень большим диаметром впуска — тяга от этой трубы составляет не менее 40 процентов общей тяги двигателя. Объем выхлопной трубы в этой конструкции довольно велик, поэтому дисбаланс масс все еще заметен.

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.

Конструкция "Джам Джар Джет"

Большинство импульсных реактивных двигателей используют отдельные впускные и выпускные трубы. Более простая с физической точки зрения конструкция объединяет впускное и выпускное отверстия. Это возможно благодаря колебаниям, характерным для импульсного двигателя. Одно и то же отверстие может функционировать как выпускная труба на фазе высокого давления рабочего цикла и как впускная труба на фазе наполнения. Эта конструкция двигателя менее эффективна в своей примитивной форме из-за отсутствия резонансной трубы и, как следствие, отраженных сжимающих и разрежающих акустических волн. Однако она достаточно хорошо работает с простым устройством, таким как стеклянная банка с проделанной крышкой и топливом внутри, отсюда и название. Успешные образцы "баночного реактивного двигателя" были запущены в пластиковой бутылке. Бутылка значительно менее эффективна, чем варианты с банкой, и не способна поддерживать устойчивую струю более нескольких секунд. Предполагается, что спирт, использовавшийся для работы простого двигателя, служил барьером, препятствующим прохождению тепла сквозь пластик. Для работы конструкции "баночного реактивного двигателя" необходимо испарение топлива для его воспламенения, что чаще всего достигается встряхиванием двигателя, заставляющим топливо покрывать стенки ёмкости, что и подтверждает данную теорию.

Плюсы и минусы

Успешные бесклапанные пульсджеты были построены размером от нескольких сантиметров до огромных величин, хотя самые большие и самые маленькие не применялись для создания тяги. Самые маленькие из них работают успешно только при использовании чрезвычайно быстросгорающего топлива (например, ацетилена или водорода). Двигатели среднего и большего размера могут сжигать практически любой горючий материал, который можно равномерно подавать в камеру сгорания, хотя, конечно, наиболее просты в использовании летучие горючие жидкости (бензин, керосин, различные спирты) и стандартные горючие газы (СУГ, пропан, бутан, газ MAPP). Благодаря дефлаграционному характеру сгорания в пульсджете, эти двигатели являются чрезвычайно эффективными камерами сгорания, производя практически нулевое количество вредных выбросов, за исключением , даже при использовании углеводородного топлива. Использование современных высокотемпературных металлов для основной конструкции позволяет поддерживать очень низкий вес двигателя. Отсутствие механического клапана означает, что двигатели практически не требуют технического обслуживания для поддержания работоспособности. На сегодняшний день физические размеры успешных бесклапанных конструкций всегда были несколько больше, чем у клапанных двигателей при той же тяге, хотя это не является теоретическим ограничением. Как и клапанные пульсджеты, они характеризуются высокой теплоотдачей (двигатели часто раскаляются добела) и очень высоким уровнем рабочего шума (возможно до 140 децибел).