реактивный двигатель

Понимание реактивных двигателей

Реактивный двигатель — это тип двигательной установки, обычно используемый в авиации и аэрокосмической отрасли. Его основной принцип заключается в том, чтобы втягивать воздух спереди, сжимать его, смешивать с топливом и сжигать смесь, а затем выбрасывать его сзади на высокой скорости для создания тяги. Этот метод движения позволяет самолету летать на больших скоростях и высотах.

Как работают реактивные двигатели

Работу реактивного двигателя можно разделить на четыре основных этапа: впуск, сжатие, сгорание и выхлоп.

1. Впуск : Воздух поступает в двигатель через воздухозаборник и направляется в компрессор. Воздухозаборник предназначен для обеспечения плавного поступления воздуха в компрессор.
2. Сжатие : воздух затем сжимается рядом вентиляторов внутри компрессора. Этот процесс увеличивает давление и температуру воздуха. Степень сжатия, которая представляет собой отношение давления на выходе компрессора к давлению на входе, является ключевым показателем производительности реактивных двигателей. В математических терминах степень сжатия ( \(CR\) ) определяется как \(CR = \frac{P {exit}}{P {inlet}}\) где \(P {exit}\) — давление при выход компрессора, а \(P{inlet}\) — давление на входе компрессора.
3. Сгорание : воздух под высоким давлением затем смешивается с топливом (обычно авиационным керосином) в камере сгорания. Смесь воспламеняется, вызывая ее горение и быстрое расширение. Этот процесс значительно увеличивает температуру и объем воздуха.
4. Выхлоп : Горячие газы под высоким давлением выходят через турбину и сопло в конце двигателя. Когда газы выходят из двигателя, они создают струю выхлопных газов, которая толкает двигатель (и самолет) вперед. Принцип, объясняющий это движение вперед, — это третий закон движения Ньютона, который гласит, что на каждое действие есть равное и противоположное противодействие.

Типы реактивных двигателей

Существует несколько типов реактивных двигателей, каждый из которых предназначен для конкретных применений и требований к производительности.

• Турбореактивные двигатели : простейшая форма реактивного двигателя, в которой весь воздух проходит через внутреннюю часть двигателя. Турбореактивные двигатели были первым типом реактивных двигателей, которые были разработаны и известны своей высокой скоростью и эффективностью на больших высотах.
• Турбореактивные двигатели . Эти двигатели имеют большой вентилятор спереди, который увеличивает объем воздуха, обходящего основной двигатель. Это делает турбовентиляторные двигатели тише и экономичнее турбореактивных, особенно на более низких скоростях и высотах. Отношение воздуха, который обходит сердечник двигателя, к воздуху, проходящему через сердечник, известно как степень двухконтурности.
• Турбовинтовые двигатели : сочетают в себе реактивный двигатель с пропеллером. Эти двигатели эффективны на более низких скоростях и обычно используются на небольших региональных самолетах.

Принципы работы

Работу реактивного двигателя можно понять, исходя из принципа сохранения импульса. Тягу, создаваемую реактивным двигателем, \(T\) можно аппроксимировать уравнением \(T = \dot{m}(v {e} - v {0}) + A {e}(p {e} - p_{0})\) где

• \(\dot{m}\) — массовый расход воздуха,
• \(v_{e}\) — скорость выхлопных газов,
• \(v_{0}\) — скорость самолета (или начальная скорость воздуха),
• \(A_{e}\) — площадь выхлопного сопла,
• \(p_{e}\) — давление выхлопных газов, а
• \(p_{0}\) — давление окружающей среды.

Эта формула подчеркивает важность скорости истечения ( \(v {e}\) ) для создания тяги. Чем выше скорость истечения относительно скорости самолета ( \(v{0}\) ), тем больше создаваемая тяга.

Эффективность и производительность

Эффективность реактивного двигателя имеет решающее значение для его производительности и воздействия на окружающую среду. Эффективность можно измерить несколькими способами, включая топливную эффективность, термический КПД и тяговую эффективность.

• Топливная эффективность : Показывает, какая тяга создается на единицу потребляемого топлива. Усовершенствования в конструкции двигателей, такие как более высокая степень сжатия и использование современных материалов, повысили топливную эффективность современных реактивных двигателей.
• Тепловой КПД : Относится к тому, насколько эффективно двигатель преобразует энергию топлива в механическую энергию. Она определяется максимальной температурой, которую двигатель может достичь в процессе сгорания.
• Пропульсивная эффективность : измеряет, насколько эффективно двигатель использует вырабатываемую энергию для приведения в движение самолета. Двигатели с более высокой степенью двухконтурности, такие как турбовентиляторные двигатели, как правило, имеют более высокий тяговый КПД.

Вызовы и инновации

Технология реактивных двигателей постоянно сталкивается с такими проблемами, как снижение шума, повышение эффективности использования топлива и сокращение выбросов. Инновации, направленные на решение этих проблем, включают разработку двигателей с более высокой степенью двухконтурности, использование композитных материалов для снижения веса и исследования альтернативных видов топлива.

Поскольку технология реактивных двигателей продолжает развиваться, она обещает создать более эффективную, тихую и экологически чистую авиацию. Понимание основных принципов, которые управляют его работой, имеет важное значение для оценки достижений в области аэрокосмических технологий.