Классификация реактивных двигателей

Принцип прямой реакции дал жизнь огромной семье реактивных двигателей. Как можно видеть на рисунке (рис.1), двигатели делятся на две группы. Это деление произошло по тому, что все "химические" реактивные двигатели делятся на два класса в зависимости от того,

используют они для своей работы окружающий воздух или нет.

В ТРД для сжатия воздуха служит компрессор, и конструкция двигателя во многом зависит от типа компрессора. Существует двигатели с осевым и центробежным компрессором, осевые компрессоры могут иметь меньшее или большее число ступеней сжатия, быть одно - двухкаскадными и т.д.

Для приведения во вращение компрессора ТРД имеет газовую турбину, которая и дала название двигателю. Из-за компрессора и турбины конструкция двигателя оказывается весьма сложной.

Значительно проще по конструкции бескомпрессорные воздушно-реактивные двигатели, в которых необходимое повышение давления осуществляется другими способами, которые имеют названия: пульсирующие и прямоточные двигатели.

В пульсирующем двигателе для этого служит обычно клапанная решётка, установленная на входе в двигатель: когда новая порция топливно-воздушной смеси заполняет камеру сгорания и в ней происходит вспышка, клапаны закрываются, изолируя камеру сгорания от входного отверстия двигателя. Вследствие того давление в камере повышается, и газы устремляются через реактивное сопло наружу, после чего весь процесс повторяется.

В прямоточном двигателе нет даже и этой клапанной решётки, и давление в камере сгорания повышается в результате торможения встречного потока воздуха во входном устройстве – диффузоре. Понятно, что такой двигатель способен работать только тогда, когда летательный аппарат уже летит с достаточно большой скоростью. Но зато при весьма большой скорости, в 4-5 раз большей скорости звука, прямоточный двигатель развивает очень большую тягу и расходует меньше топлива, чем любой другой «химический» реактивный двигатель при этих условиях.

Поэтому сверхзвуковые летательные аппараты с прямоточными воздушно-реактивными двигателями (ПВРД) имеют специальные двигатели (ускорители), обеспечивающие скорость движения, необходимую для начала устойчивой работы ПРД. Это утяжеляет хвостовую часть конструкции и для обеспечения необходимой устойчивости требует установки стабилизаторов.

Работа ракетных двигателей (РД) не зависит от окружающей среды, так как всё топливо находится на борту ЛА.

В ЖРД в качестве окислителя применяются жидкий кислород, смеси азотной кислоты с окислами азота и другие вещества. Горючими могут служить керосин, спирты и другие компоненты.

В РДТТ в качестве топлива применяют специальные твёрдые составы, содержащие горючие и окислительные элементы. По физической структуре твёрдые топлива делят на два класса: гомогенные и гетерогенные.

Гомогенные топлива – твёрдый раствор органических веществ, содержащих горючее и окислитель. Горючей основой является нитроклетчатка (нитроцеллюлоза), кислород находится в растворителях (вещества типа нитроглицерина).

Нитроклетчатка растворяется в нитроглицерине - С₃Н₅(ОNO₂)₃.

Гомогенные топлива получают методом прессования. Нитроглицерин и нитроцеллюлоза смешиваются в виде взвеси в большом объёме воды (1:10). Полученная суспензия пропускается через фильтры и центрифугируется. Затем масса сушится теплым воздухом до остаточного содержания влаги (10 – 12%), в нагретом виде вальцуется до тех пор, пока влажность не снизится до десятых долей процента. Скатанные из полученных полотен рулоны поступают на прессы, где заряд приобретает необходимую форму.

Возможен другой способ: производят гранулированное топливо, которое насыщается пластификатором превращается в однородную массу нагреванием.

Гетерогенные топлива – механические смеси горючих и окислительных элементов, скреплённых пластической связкой.

Горючими компонентами этих топлив являются каучукообразные или смолообразные вещества (они же являются связующими веществами): фенол, формальдегидная резина, асфальт, различные полимеры.

Окислителями являются вещества, содержащие большой процент активного кислорода: нитраты или перхлораты калия, натрия, лития и др.

Двигатели ЖРД и РДТТ наряду с достоинствами обладают и определёнными недостатками. Некоторые качества этих двигателей улучшают при совершенствовании конструкции, но некоторые недостатки, связанные с использованием только жидкого или только твёрдого топлива устранить полностью невозможно.

Известны РДТТ с двумя раздельными зарядами твёрдого топлива, один из которых содержит избыток окислителя, а другой – избыток горючего. Такой двигатель называют РДТТ раздельного снаряжения (РДТТ РС). РДТТ РС и ГРД объединяют в класс комбинированных ракетных двигателей – КРД.

В ядерном ракетном двигателе (ЯРД) используется энергия распада или синтеза ядерного горючего, которая затем преобразуется в кинетическую энергию отбрасываемых частиц.

Простейшая схема ЯРД с реактором на твёрдом горючем показана на рисунке 6.

Характеристики двигателя РД-0410

ЭРД – двигатель для дальних космических полётов. В этих двигателях рабочее тело разгоняется до высоких скоростей истечения с помощью электрической энергии. Для этих двигателей характерна очень высокая удельная тяга при малой абсолютной тяге. Сейчас ЭРД работают на ИСЗ, КА, КК в качестве двигателей коррекции. Источником электрической энергии для них может быть ядерный реактор. Существует несколько типов ЭРД, например, плазменный или ионный.

В плазменном двигателе рабочее тело разогревается с помощью мощной электрической дуги с высокой плотностью тока до очень высокой температуры (свыше 10000^о абс.). при такой температуре происходит полная ионизация частиц, т.е. возникает плазма. Расширяется рабочее тело при движении по соплу.

Характеристики рассмотренных двигателей представлены в таблице ниже.