Розуміння реактивних двигунів
Реактивний двигун — тип силової установки, який зазвичай використовується в авіації та космонавтиці. Його основний принцип полягає в тому, щоб втягувати повітря спереду, стискати його, змішувати з паливом і спалювати суміш, а потім викидати його ззаду на високій швидкості для створення тяги. Цей метод руху дозволяє літакам літати на великих швидкостях і висотах.
Як працюють реактивні двигуни
Роботу реактивного двигуна можна розділити на чотири основні етапи: всмоктування, стиснення, згоряння та випуск.
- Впуск : повітря надходить у двигун через впускний отвір і направляється до компресора. Впускний отвір призначений для забезпечення плавного потоку повітря в компресор.
- Компресія : потім повітря стискається серією вентиляторів усередині компресора. Цей процес підвищує тиск і температуру повітря. Ступінь стиснення, який є відношенням тиску на виході з компресора до тиску на вході, є ключовим показником продуктивності реактивних двигунів. У математичних термінах ступінь стиснення ( \(CR\) ) визначається як \(CR = \frac{P {exit}}{P {inlet}}\) де \(P {exit}\) — тиск на вихід компресора, а \(P{inlet}\) — тиск на вході компресора.
- Горіння : повітря під високим тиском потім змішується з паливом (зазвичай авіаційним гасом) у камері згоряння. Суміш запалюється, в результаті чого вона горить і швидко розширюється. Цей процес значно підвищує температуру та об’єм повітря.
- Вихлоп : гарячі гази під високим тиском виходять через турбіну та сопло на кінці двигуна. Коли гази виходять із двигуна, вони створюють струмінь вихлопу, який рухає двигун (і літальний апарат) вперед. Принцип, який пояснює цей рух вперед, — це третій закон руху Ньютона, який стверджує, що на кожну дію існує рівнозначна протилежна реакція.
Типи реактивних двигунів
Існує кілька типів реактивних двигунів, кожен з яких призначений для певних застосувань і вимог до продуктивності.
- Турбореактивні двигуни : найпростіша форма реактивного двигуна, де все повітря проходить через серцевину двигуна. Турбореактивні двигуни були першим типом реактивних двигунів, які були розроблені та відомі своєю високою швидкістю та ефективністю на великих висотах.
- Турбовентиляторні двигуни : ці двигуни мають великий вентилятор спереду, який збільшує об’єм повітря, що минає основний двигун. Це робить турбовентиляторні двигуни тихішими та економічнішими, ніж турбореактивні, особливо на низьких швидкостях і висотах. Співвідношення кількості повітря, що проходить через серцевину двигуна, до повітря, що проходить через серцевину, називається коефіцієнтом пропускання.
- Турбогвинтові двигуни : поєднують реактивний двигун з пропелером. Ці двигуни ефективні на низьких швидкостях і зазвичай використовуються на невеликих регіональних літаках.
Принципи роботи
Роботу реактивного двигуна можна далі зрозуміти через принцип збереження імпульсу. Тяга, створювана реактивним двигуном, \(T\) , може бути наближено виражена рівнянням \(T = \dot{m}(v {e} - v {0}) + A {e}(p {e} - p_{0})\) де
- \(\dot{m}\) — масова витрата повітря,
- \(v_{e}\) - швидкість вихлопних газів,
- \(v_{0}\) — швидкість літака (або початкова швидкість повітря),
- \(A_{e}\) — площа випускного сопла,
- \(p_{e}\) - тиск вихлопних газів, а
- \(p_{0}\) — тиск навколишнього середовища.
Ця формула підкреслює важливість швидкості вихлопу (
\(v {e}\) ) для створення тяги. Чим вища швидкість вихлопу відносно швидкості літального апарату (
\(v{0}\) ), тим більша створюється тяга.
Ефективність і продуктивність
Ефективність реактивного двигуна має вирішальне значення для його роботи та впливу на навколишнє середовище. Ефективність можна виміряти декількома способами, включаючи паливну ефективність, теплову ефективність і пропульсивну ефективність.
- Паливна ефективність : вказується на те, яка тяга створюється на одиницю спожитого палива. Удосконалення конструкції двигуна, такі як більш високий ступінь стиснення та сучасні матеріали, підвищили паливну ефективність сучасних реактивних двигунів.
- Теплова ефективність : стосується того, наскільки ефективно двигун перетворює енергію палива в механічну. Визначається максимальною температурою, яку може досягти двигун під час процесу згоряння.
- Пропульсивна ефективність : вимірює, наскільки ефективно двигун використовує вироблену енергію для руху літака. Двигуни з вищим коефіцієнтом двоконтурності, такі як турбовентиляторні двигуни, як правило, мають вищу пропульсивну ефективність.
Виклики та інновації
Технологія реактивних двигунів постійно стикається з такими проблемами, як зменшення шуму, підвищення ефективності палива та скорочення викидів. Інновації, спрямовані на вирішення цих проблем, включають розробку двигунів з вищим коефіцієнтом двоконтурності, використання композитних матеріалів для зменшення ваги та дослідження альтернативних видів палива.
Оскільки технологія реактивних двигунів продовжує розвиватися, вона обіцяє більш ефективну, тихішу та екологічну авіацію. Розуміння основних принципів, які керують його роботою, має важливе значення для оцінки досягнень аерокосмічних технологій.
