Введение
Двигатель, предназначенный для использования в летательных аппаратах с двигателем.
Авиационный двигатель, часто называемый авиационным, является силовой установкой системы движения летательного аппарата. Летательные аппараты, использующие двигатели, относятся к категории самолетов с двигателем. Большинство авиационных двигателей – это поршневые или газотурбинные, хотя некоторые работают на ракетном топливе, а в последние годы многие небольшие беспилотные летательные аппараты (БПЛА) используют электродвигатели.
Двигатель Wankel
Ванкель – это тип роторного двигателя. Двигатель Ванкеля примерно вдвое легче и меньше по размерам, чем традиционный четырехтактный поршневой двигатель той же мощности, и значительно проще по конструкции. В авиации очень важно соотношение мощности к весу, что делает двигатель Ванкеля хорошим выбором. Поскольку двигатель обычно изготавливается с алюминиевым корпусом и стальным ротором, а алюминий расширяется сильнее стали при нагревании, двигатель Ванкеля не заклинивает при перегреве, в отличие от поршневого двигателя. Это важный фактор безопасности для авиационного применения. Значительная разработка этих конструкций началась после Второй мировой войны, но в то время авиационная промышленность отдавала предпочтение турбинным двигателям. Считалось, что турбореактивные или турбовинтовые двигатели могут приводить в движение все самолеты – от самых больших до самых маленьких. Двигатель Ванкеля не получил широкого распространения в авиации, но был использован компанией Mazda в популярной линейке спортивных автомобилей. Французская компания Citroën разработала в 1970-х годах вертолет Citroën RE 2 с двигателем Ванкеля. В наши дни двигатель Ванкеля используется в моторных планерах, где критически важны компактность, малый вес и плавность работы. Несуществующая в настоящее время компания MidWest, базировавшаяся в Ставертоне, проектировала и производила одно- и двухроторные авиационные двигатели серии MidWest AE. Эти двигатели были разработаны на базе двигателя мотоцикла Norton Classic. Двухроторная версия устанавливалась на ARV Super2 и Rutan Quickie. Однороторный двигатель устанавливался на моторный планер Chevvron и на моторные планеры Schleicher ASH. После ликвидации MidWest все права были проданы компании Diamond of Austria, которая впоследствии разработала версию MkII двигателя. В качестве экономичной альтернативы сертифицированным авиационным двигателям некоторые двигатели Ванкеля, извлеченные из автомобилей и переоборудованные для авиационного применения, устанавливались на самодельные экспериментальные самолеты. Агрегаты Mazda с мощностью от … до … могут стоить лишь часть стоимости традиционных двигателей. Такие переоборудования впервые были произведены в начале 1970-х годов; и по состоянию на 10 декабря 2006 года Национальный совет по безопасности на транспорте зарегистрировал всего семь случаев инцидентов с самолетами, оснащенными двигателями Mazda, и ни один из них не был вызван дефектами конструкции или производства.
Циклы сгорания
Наиболее распространенным циклом сгорания для авиационных двигателей является четырехтактный с искровым зажиганием. Двухтактное искровое зажигание также применялось для небольших двигателей, в то время как дизельный двигатель с компрессионным зажиганием используется редко. Начиная с 1930-х годов предпринимались попытки создать практичный авиационный дизельный двигатель. В целом, дизельные двигатели более надежны и гораздо лучше подходят для длительной работы на средних режимах мощности. Легкие сплавы 1930-х годов не могли выдерживать значительно более высокие степени сжатия дизельных двигателей, поэтому они, как правило, имели низкое отношение мощности к весу и по этой причине были нераспространены, хотя радиальный дизельный двигатель Clerget 14F (1939) демонстрирует такое же отношение мощности к весу, как и бензиновый радиальный двигатель. Улучшения в дизельной автомобильной технике (приведшие к значительному улучшению отношения мощности к весу), более высокая топливная эффективность дизельного топлива и высокая относительная налоговая нагрузка на AVGAS по сравнению с Jet A1 в Европе способствовали возрождению интереса к использованию дизельных двигателей в авиации. Thielert Aircraft Engines переоборудовала автомобильные дизельные двигатели Mercedes, сертифицировала их для авиационного применения и стала OEM-поставщиком для Diamond Aviation, поставляя двигатели для их легких двухмоторных самолетов. Из-за финансовых проблем Thielert, дочерняя компания Diamond – Austro Engine – разработала новый турбодизель AE300, также основанный на двигателе Mercedes. Появление новых конкурирующих дизельных двигателей может обеспечить повышение топливной эффективности и снижение выбросов свинца для небольших самолетов, что станет самым значительным изменением в конструкции двигателей легких самолетов за последние десятилетия.
Турбовинтовые
В то время как военные истребители нуждаются в очень высоких скоростях, многие гражданские самолеты в них не нуждаются. Однако конструкторы гражданской авиации хотели воспользоваться высокой мощностью и низкими эксплуатационными расходами, которые предлагал газотурбинный двигатель. Так возникла идея объединить турбинный двигатель с традиционным воздушным винтом. Поскольку газовые турбины оптимально работают на высоких оборотах, турбовинтовые двигатели оснащаются редуктором для снижения скорости вращения вала, чтобы скорость на концах лопастей винта не достигала сверхзвуковых значений. Часто турбины, приводящие в движение винт, отделены от остальных вращающихся частей, что позволяет им вращаться с оптимальной для них скоростью (такая конструкция называется двигателем с "свободной турбиной"). Турбовинтовой самолет очень эффективен при работе в диапазоне крейсерских скоростей, для которых он был спроектирован, которые обычно составляют .
Турбоволокна
Турбовальные двигатели используются преимущественно для вертолетов и вспомогательных силовых установок. Турбовальный двигатель по принципу работы схож с турбовинтовым, но в турбовинтовом двигателе винт крепится непосредственно к двигателю, а сам двигатель – к фюзеляжу: в турбовальном двигателе же двигатель не обеспечивает прямой физической поддержки несущим винтам вертолета. Несущий винт соединен с редуктором, который крепится к фюзеляжу, а турбовальный двигатель приводит в движение редуктор. Некоторые считают это различие незначительным, поскольку в отдельных случаях авиастроительные компании производят как турбовинтовые, так и турбовальные двигатели на базе одной и той же конструкции.
Электрическая мощность
С 1960-х годов было разработано несколько самолетов с электрическим приводом, таких как QinetiQ Zephyr. Некоторые из них используются в качестве военных беспилотников. В конце 2007 года во Франции был совершён полёт обычного лёгкого самолёта, оснащённого электродвигателем мощностью 18 кВт и работающего от литий-полимерных аккумуляторов, который пролетел более 300 000 км и стал первым электрическим самолётом, получившим сертификат лётной годности. 18 мая 2020 года Pipistrel E 811 стал первым электрическим авиационным двигателем, получившим сертификат типа от EASA для использования в гражданской авиации. Двигатель E 811 используется в Pipistrel Velis Electro. Были проведены ограниченные эксперименты с использованием солнечной электроэнергии для привода, в частности, пилотируемые Solar Challenger и Solar Impulse, а также беспилотный самолёт NASA Pathfinder. Многие крупные компании, такие как Siemens, разрабатывают высокопроизводительные электродвигатели для авиации, а SAE демонстрирует новые разработки в области компонентов, таких как электродвигатели с сердечником из чистой меди, обладающие повышенной эффективностью. Компания Axter Aerospace (Мадрид, Испания) предлагает для продажи гибридную систему, предназначенную для использования в качестве резервного источника питания и для увеличения мощности при взлёте. Малые многороторные БПЛА почти всегда оснащаются электродвигателями.
Реакционные двигатели
Реактивные двигатели создают тягу, необходимую для движения самолета, выбрасывая выхлопные газы с высокой скоростью, что, в соответствии с законом реакции, приводит к движению самолета вперед. Наиболее распространенными типами реактивных двигателей являются турбореактивные, турбовентиляторные и ракетные двигатели. Также испытывались и другие типы, такие как пульсирующие воздушно-реактивные двигатели, прямоточные воздушно-реактивные двигатели, гиперзвуковые прямоточные воздушно-реактивные двигатели и двигатели с импульсным детонационным сгоранием. В реактивных двигателях кислород, необходимый для сгорания топлива, поступает из атмосферного воздуха, тогда как ракеты несут кислород в составе топлива, что позволяет им работать в космосе.
Турбореактивный двигатель
Турбореактивный двигатель – это тип газотурбинного двигателя, первоначально разработанный для военных истребителей во время Второй мировой войны. Турбореактивный двигатель – самый простой из всех авиационных газовых турбин. Он состоит из компрессора для всасывания и сжатия воздуха, камеры сгорания, где топливо добавляется и воспламеняется, одной или нескольких турбин, извлекающих мощность из расширяющихся выхлопных газов для привода компрессора, и реактивного сопла, ускоряющего выхлопные газы, выходящие из задней части двигателя, для создания тяги. Когда турбореактивные двигатели были внедрены, максимальная скорость истребителей, оснащенных ими, была как минимум на 160 километров в час выше, чем у конкурирующих самолетов с поршневыми двигателями. В послевоенные годы недостатки турбореактивных двигателей постепенно стали очевидны. На скоростях ниже 2 Маха турбореактивные двигатели очень неэкономичны и создают значительный шум. Ранние конструкции также медленно реагировали на изменение тяги, что стало причиной гибели многих опытных пилотов при переходе на реактивную авиацию. Эти недостатки в конечном итоге привели к упадку классического турбореактивного двигателя, и в настоящее время производится лишь небольшое количество его типов. Последним авиалайнером, использовавшим турбореактивные двигатели, был Concorde, скорость 2 Маха которого позволяла двигателю быть высокоэффективным.
Турбофанатор
Турбовентиляторный двигатель во многом схож с турбореактивным, но имеет увеличенный вентилятор в передней части, который создает тягу аналогично винту в кольце, что обеспечивает повышенную топливную эффективность. Хотя вентилятор создает тягу как пропеллер, окружающий его воздуховод освобождает его от многих ограничений, снижающих эффективность пропеллера. Этот принцип работы является более эффективным способом создания тяги, чем использование только реактивного сопла, и турбовентиляторные двигатели эффективнее пропеллерных в трансзвуковом диапазоне скоростей и способны работать в сверхзвуковом режиме. Турбовентиляторный двигатель обычно оснащен дополнительными ступенями турбины для привода вентилятора. Турбовентиляторные двигатели одними из первых стали использовать многокаскадные системы – концентрические валы, вращающиеся с разной скоростью, – что позволяет двигателю быстрее реагировать на изменение требований к мощности. Турбовентиляторные двигатели условно разделяют на двигатели с низкой и высокой степенью двухконтурности. Воздух проходит через вентилятор, но обтекает реактивный сердечник, не смешиваясь с топливом и не участвуя в сгорании. Отношение количества этого воздуха к объему воздуха, проходящего через сердечник двигателя, и называется степенью двухконтурности. Двигатели с низкой степенью двухконтурности предпочтительны для военных применений, таких как истребители, благодаря высокому отношению тяги к весу, в то время как двигатели с высокой степенью двухконтурности предпочтительны для гражданской авиации из-за хорошей топливной эффективности и низкого уровня шума. Турбовентиляторные двигатели с высокой степенью двухконтурности обычно наиболее эффективны на крейсерской скорости большинства крупных авиалайнеров. Турбовентиляторные двигатели с низкой степенью двухконтурности могут достигать сверхзвуковых скоростей, хотя обычно только при использовании форсажной камеры.
Двигатель с передовой технологией
Термин "двигатель с передовыми технологиями" относится к современному поколению реактивных двигателей. Принцип заключается в том, что турбинный двигатель будет работать эффективнее, если различные группы турбин смогут вращаться на своих индивидуальных оптимальных скоростях, а не с одинаковой скоростью. Истинный двигатель с передовыми технологиями имеет тройной контур, то есть вместо одного вала привода используется три, чтобы три группы лопаток могли вращаться с разными скоростями. Промежуточным вариантом является двухконтурный двигатель, обеспечивающий только две различные скорости вращения турбин.
Пульсные реакторы
Пульсные реактивные двигатели – это механически простые устройства, которые в повторяющемся цикле засасывают воздух через обратный клапан в передней части двигателя в камеру сгорания и воспламеняют его. Продукты сгорания выталкиваются из задней части двигателя, создавая тягу. Двигатель вырабатывает мощность в виде серии импульсов, а не непрерывного потока, отсюда и название. Единственным практическим применением этого типа двигателя стала немецкая беспилотная летающая бомба V-1 времен Второй мировой войны. Хотя те же двигатели также экспериментально использовались для создания самолетов-истребителей, чрезвычайно громкий шум, производимый двигателями, вызывал механические повреждения конструкции самолета, что делало эту идею нереализуемой.
Стрелка давления Gluhareff
Реактивный двигатель Глюхарёва (или двигатель с реактивной струей на конце) – это тип реактивного двигателя, который, как и бесклапанный импульсный реактивный двигатель, не имеет движущихся частей. Благодаря отсутствию движущихся частей, двигатель работает за счет спиральной трубы в камере сгорания, которая перегревает топливо (пропан) перед его впрыском во впускное устройство топливно-воздушной смеси. В камере сгорания топливно-воздушная смесь воспламеняется и сгорает, создавая тягу при выходе через выхлопную трубу. Всасывание и сжатие топливно-воздушной смеси происходит как за счет давления пропана при впрыске, так и за счет звуковых волн, создаваемых сгоранием и воздействующих на впускные каналы. Он предназначался для использования в качестве силовой установки для персональных вертолетов и компактных летательных аппаратов, таких как Microlights.
Ракета
Несколько самолетов использовали ракетные двигатели для создания основной тяги или управления положением, в частности Bell X-1 и North American X-15. Ракетные двигатели редко используются в авиации из-за крайне низкой эффективности использования энергии и топлива, однако они применяются для кратковременного увеличения скорости и взлета. В тех случаях, когда эффективность расхода топлива/двигательного топлива не является приоритетной, ракетные двигатели могут быть полезны благодаря своей высокой тяговооруженности и малому весу.
Ракетный турбинный двигатель
Ракетный турбинный двигатель – это комбинация двух типов двигателей: ракетного двигателя на жидком топливе и турбореактивного двигателя. Его удельная мощность немного выше, чем у обычного реактивного двигателя, и он работает на больших высотах.
Двигатели с предварительной охлаждением
Для очень высоких сверхзвуковых/низких гиперзвуковых скоростей полета, внедрение системы охлаждения в воздухозаборник водородного реактивного двигателя позволяет увеличить подачу топлива на высоких скоростях и устраняет необходимость изготовления воздухозаборника из жаропрочных или активно охлаждаемых материалов. Это значительно повышает отношение тяги к весу двигателя на высоких скоростях. Предполагается, что такая конструкция двигателя может обеспечить достаточную производительность для антиподального полета на скорости 5 Махов, или даже сделать практичным создание одноступенчатой ракеты-носителя для вывода на орбиту. Гибридный воздушно-реактивный ракетный двигатель SABRE – это двигатель с предварительным охлаждением, находящийся в стадии разработки.
Гибридный двигатель с поршнями и турбовентиляторами
На апрельской выставке ILA Berlin Air Show 2018 года, мюнхенский исследовательский институт :de:Bauhaus Luftfahrt представил высокоэффективный двигатель композитного цикла для 2050 года, сочетающий в себе турбовентилятор с поршневым двигателем в качестве сердцевины. Его удельный расход топлива на крейсерском режиме составит 11,5 г/кН/с (0,406 фунта/фунт/час) при общей эффективности двигателя 48,2%, при температуре в камере сгорания, общем давлении 38 и пиковом давлении. Несмотря на увеличение массы двигателя на 30%, расход топлива самолетом снижается на 15%. При поддержке Европейской комиссии в рамках проекта 7-й рамочной программы LEMCOTEC (Low Emission Core Engine Technologies), Bauhaus Luftfahrt, MTU Aero Engines и GKN Aerospace представили эту концепцию в 2015 году, увеличив общее давление двигателя до более чем 100 для снижения расхода топлива на 15,2% по сравнению с двигателями 2025 года.
Нумерация позиции двигателя
На многомоторных самолетах нумерация двигателей ведется слева направо с точки зрения пилота, смотрящего вперед. Например, на четырехмоторном самолете, таком как Boeing 747, двигатель №1 расположен слева, наиболее удаленный от фюзеляжа, а двигатель №3 – справа, ближе всего к фюзеляжу. В случае двухмоторного English Electric Lightning, имеющего два реактивных двигателя, установленных на фюзеляже один над другим, двигатель №1 находится ниже и впереди двигателя №2, который расположен выше и позади. В Cessna 337 Skymaster, самолете с толкающей и тянущей конфигурацией двигателей, двигатель №1 находится в передней части фюзеляжа, а двигатель №2 – в задней части, за кабиной.
Топливо
Двигатели самолетов с поршневым приводом обычно рассчитаны на работу на авиационном бензине. Авгаз имеет более высокое октановое число, чем автомобильный бензин, что позволяет достичь более высоких степеней сжатия, мощности и эффективности на больших высотах. В настоящее время наиболее распространенным является Avgas 100LL. Это обозначение указывает на октановое число (100 октанов) и содержание свинца (LL = low lead – низкое содержание свинца, по сравнению с историческими уровнями свинца в Avgas до введения регулирования). Нефтеперерабатывающие заводы добавляют тетраэтилсвинец (TEL) в Avgas для достижения этих высоких октановых чисел, что запрещено правительствами для бензина, предназначенного для наземного транспорта. Сокращение запасов TEL и возможность принятия природоохранного законодательства, запрещающего его использование, сделали поиск альтернативного топлива для самолетов общего назначения приоритетной задачей для пилотских организаций. Турбинные и дизельные авиационные двигатели работают на различных марках авиационного керосина. Авиационный керосин – это относительно менее летучее нефтепродукт на основе керосина, сертифицированное в соответствии со строгими авиационными стандартами и содержащее дополнительные присадки. Модельные самолеты обычно используют нитромоторы (также известные как "glow engines" из-за использования свечи накаливания), работающие на glow fuel – смеси метанола, нитрометана и смазочных материалов. Также доступны коммерчески модели самолетов и вертолетов с электрическим приводом. Малые многороторные беспилотные летательные аппараты (БПЛА) почти всегда работают на электричестве, но разрабатываются и более крупные модели с бензиновыми двигателями.