Реактивний рух – це такий процес, при якому від певного тіла з деякою швидкістю відокремлюється одна з його частин. Сила, яка виникає при цьому, працює сама по собі, без найменшого контакту з зовнішніми тілами. Реактивний рух стало поштовхом до створення реактивного двигуна. Принцип його роботи заснований саме на цій силі. Як же діє такий двигун? Спробуємо розібратися.
Історичні факти
Ідею використання реактивної тяги, яка дозволила б подолати силу тяжіння Землі, висунув у 1903 році феномен російської науки – Ціолковський. Він опублікував ціле дослідження на дану тему, але воно не було сприйнято серйозно. Костянтин Едуардович, переживши зміну політичного ладу, витративши роки праці, щоб довести всім свою правоту.
Сьогодні дуже багато чуток про те, що першим у цьому питанні був революціонер Кибальчич. Але заповіт цієї людини до моменту публікації праць Ціолковського було поховано разом з Кибальчичем. Крім того, це був не повноцінний праця, а лише ескізи і начерки – революціонер не зміг підвести надійну базу під теоретичні викладки в своїх роботах.
Як діє реактивна сила?
Щоб зрозуміти принцип роботи реактивного двигуна, потрібно розуміти, як діє ця сила.
Отже, уявімо постріл з будь-якого вогнепальної зброї. Це наочний приклад дії реактивної сили. Струмінь розжареного газу, який утворився в процесі згоряння заряду у патроні, відштовхує зброю назад. Чим потужніший заряд, тим сильніше буде віддача.
А тепер уявімо процес запалювання горючої суміші: він проходить поступово і безперервно. Саме так виглядає принцип роботи прямоточного реактивного двигуна. Подібним чином працює ракета з твердопаливним реактивним двигуном – це найбільш проста з його варіацій. З нею знайомі навіть початківці ракетомоделисты.
В якості пального для реактивних двигунів спочатку застосовували димний порох. Реактивні двигуни, принцип роботи яких був вже більш досконалий, вимагали палива з основою з нітроцелюлози, яка розчинялася в нітрогліцерині. У великих агрегатах, запускають ракети, які виводять шатли на орбіту, сьогодні використовують спеціальну суміш полімерного пального з перхлоратом амонію в якості окислювача.
Принцип дії РД
Тепер варто розібратися з принципом роботи реактивного двигуна. Для цього можна розглянути класику – рідинні двигуни, які практично не змінилися з часів Ціолковського. У цих агрегатах застосовується паливо і окислювач.
В якості останнього використовується рідкий кисень або ж азотна кислота. В якості пального застосовують гас. Сучасні рідинні двигуни криогенного типу споживають рідкий водень. Він при окисленні киснем збільшує питомий імпульс (на цілих 30 відсотків). Ідея про те, що можна використовувати водень, також народилася в голові Ціолковського. Однак на той момент унаслідок надзвичайної вибухонебезпечності довелося шукати інше пальне.
Принцип роботи полягає в наступному. Компоненти надходять у камеру згоряння з двох окремих баків. Після змішування вони перетворюються на масу, яка при згоранні виділяє величезну кількість тепла і десятки тисяч атмосфер тиску. Окислювач подається в камеру згоряння. Паливна суміш по мірі проходження між здвоєними стінками камери і сопла охолоджує ці елементи. Далі пальне, підігріте стінками, потрапить через величезну кількість форсунок в зону запалення. Струмінь, яка формується за допомогою сопла, виривається назовні. За рахунок цього і забезпечується штовхає момент.
Коротко принцип роботи реактивного двигуна можна порівняти з паяльною лампою. Однак остання влаштована значно простіше. У схемі її роботи немає різних допоміжних систем двигуна. А це компресори, потрібні для створення тиску уприскування, турбіни, клапана, а також інші елементи, без яких реактивний двигун просто неможливий.
Незважаючи на те що рідинні двигуни споживають дуже багато пального (витрата палива становить приблизно 1000 грам на 200 кілограмів вантажу), їх і досі використовують в якості маршових агрегатів для ракет-носіїв і маневрових для орбітальних станцій, а також інших апаратів космічного призначення.
Пристрій
Влаштований типовий реактивний двигун наступним чином. Основні його вузли – це:
– компресор;
– камера для згоряння;
– турбіни;
– вихлопна система.
Розглянемо ці елементи більш докладно. Компресор являє собою кілька турбін. Їх завдання – всмоктувати і стискати повітря по мірі того, як він проходить через лопаті. У процесі стиснення підвищується температура і тиск повітря. Частина такого стислого повітря подається в камеру згоряння. У ній повітря змішується з паливом і відбувається займання. Цей процес ще більше збільшує теплову енергію.
Суміш виходить з камери згоряння на високій швидкості, а потім розширюється. Далі вона ще через одну турбіну, лопаті якої обертаються за рахунок впливу газів. Ця турбіна, з’єднуючись з компресором, що знаходяться в передній частині агрегату, і приводить його в рух. Повітря, нагріте до високих температур, виходить через випускну систему. Температура, вже досить висока, продовжує зростати за рахунок ефекту дроселювання. Потім повітря виходить остаточно.
Мотор літака
У літаках також використовуються ці двигуни. Так, наприклад, у величезних пасажирських лайнерах встановлюють турбореактивні агрегати. Вони відрізняються від звичайних наявністю двох баків. В одному знаходиться пальне, а в іншому – окислювач. У той час як турбореактивний двигун несе тільки паливо, а як окислювач використовується повітря, що нагнітається з атмосфери.
Турбореактивний двигун
Принцип роботи реактивного двигуна літака заснований на тій же реактивної сили і тих же законах фізики. Найважливіша частина – це лопаті турбіни. Від розмірів лопаті залежить підсумкова потужність.
Саме завдяки турбін виробляється тяга, яка потрібна для прискорення літаків. Кожна з лопатей в десять разів могутніше звичайного автомобільного ДВС. Турбіни встановлені після камери згоряння там, де найбільш високий тиск. А температура тут може досягати півтора тисяч градусів.
Двуконтурний РД
Ці агрегати мають масу переваг перед турбореактивними. Наприклад, значно менший витрата пального при тій же потужності.
Але сам двигун має більш складну конструкцію і більшу вагу.
Та й принцип роботи двоконтурного реактивного двигуна трохи інший. Повітря, захоплюваних турбіною, частково стискається і подається в перший контур на компресор і на другий – до нерухомих лопат. Турбіна при цьому працює як компресора низького тиску. У першому контурі двигуна повітря стискається і підігрівається, а потім за допомогою компресора високого тиску подається в камеру згоряння. Тут відбувається суміш з паливом і займання. Утворюються гази, які подаються на турбіну високого тиску, за рахунок чого і обертаються лопаті турбіни, що подають, в свою чергу, обертальний рух на компресор високого тиску. Потім гази проходять через турбіну низького тиску. Остання приводить в дію вентилятор і, нарешті, гази потрапляють назовні, створюючи тягу.
Синхронні РД
Це електричні мотори. Принцип роботи синхронного реактивного двигуна аналогічний роботі крокового агрегату. Змінний струм подається на статор і створює магнітне поле навколо ротора. Останній обертається за рахунок того, що намагається мінімізувати магнітне опір. Ці мотори не мають відношення до освоєння космосу і запуску шатлів.
