December 10th, 2012

Продолжая цикл статей (лишь потому что мне нужен еще один реферат, теперь по предмету "двигатели") - статья о весьма перспективном и многообещающем проекте двигателя SABRE. В общем то о нем и в рунете немало написано, но по большей части весьма сумбурные заметки и дифирамбы на сайтах новостных агентств, а вот статья на английской википедии мне весьма глянулась, они вообще, приятно богаты деталями и подробностями - статьи на английской википедии.

Так что в основу сего поста (и моего будущего реферата) легла именно статься, в оригинале лежащая по адресу: http://en.wikipedia.org/wiki/SABRE_(rocket_engine) , так же было немного добавлено отсебятины и пояснений, и собран по просторам инета иллюстративный материал (вот чем чем, а богатством картинок статьи на википедии не отличаются)

Ниже следует

SABRE (Synergistic Air-Breathing Rocket Engine) – Синергичный воздушно-реактивный ракетный двигатель – концепт, разрабатываемый компанией Reaction Engines Limited, гиперзвуковой гибридный воздушно реактивный/ракетный двигатель с предварительным охлаждением. Двигатель разрабатывается для обеспечения возможности одноступенчатого выхода на орбиту для аэрокосмической системы Skylon. SABRE представляет собой эволюционное развитие серии LACE и LACE-подобных двигателей, разрабатывавшихся Аланом Бондом в начале/середине 1980 в рамках проекта HOTOL.

Конструктивно это один двигатель с комбинированным рабочим циклом, имеющий два режима работы. В воздушно-реактивном режиме сочетается турбокомпрессор с легким теплообменником-охладителем, расположенным непосредственно за конусом воздухозаборника. На высокой скорости теплообменник охлаждает горячий, сжатый воздухозаборником воздух, что в позволяет обеспечить необычайно высокую степень сжатия в двигателе. Сжатый воздух далее подается в камеру сгорания, как у обычного ракетного двигателя, где он обеспечивает воспламенение жидкого водорода. Низкая температура воздуха позволяет использовать легкие сплавы и снизить общий вес двигателя – что весьма критично для выхода на орбиту. Добавим, что в отличии от LACE концептов, предшествувавших этому двигателю, SABRE не сжижает воздух, что дает большую эффективность.

Рис.1. Аэрокосмический ЛА Skylon и двигатель SABRE

После закрытия конуса воздухозаборника на скорости М = 5,14 и высоте 28,5 км, система продолжает работать в закрытом цикле высокопроизводительного ракетного двигателя, потребляющего жидкий кислород и жидкий водород с находящихся на борту баков, позволяя Skylon достичь орбитальной скорости после выхода из атмосферы в крутом наборе высоты.

Так же, на основе двигателя SABRE, был разработан воздушно-реактивный, называемый Scimitar, для перспективного гиперзвукового пассажирского авиалайнера А2, разрабатываемого в рамках программы LAPCAT, финансированной Европейским Союзом.

В ноябре 2012 компания Reaction Engines объявила о успешном завершении серии испытаний, которые подтверждают работоспособность системы охлаждения двигателя – одного из главных препятствий на пути к завершению проекта. Европейское космическое агенство (ESA) так же оценило теплообменник-охладитель двигателя SABRE, и подтвердило наличие технологий, необходимых для воплощения двигателя в металле.

Рис.2. Модель двигателя SABRE

История

Идея двигателя с предварительным охлаждением впервые возникла у Роберта Кармайкла в 1955 году. За этим следовала идея двигателя с сжижением воздуха (LACE), первоначально изучалась Marquardt и General Dynamics в 1960х годах, как часть работ US Air Force по проекту Aerospaceplane.
LACE система располагается непосредственно за сверхзвуковым воздухозаборником – таким образом сжатый воздух попадает сразу в теплообменник где моментально охлаждается с использование некоторого количества жидкого водорода, хранящегося на борту в качестве топлива. Полученный жидкий воздух затем обрабатывается, для извлечения жидкого кислорода, который поступает в двигатель. Однако количество прошедшего через теплообменник и нагретого водорода, значительно больше, чем может быть сожжено в двигателе, и его избыток просто сливается за борт (тем не менее он тоже дает некоторый прирост тяги).

В 1989 года, когда финансирование проекта HOTOL было прекращено, Бонд и другие специалисты образуют компанию Reaction Engines Limited для продолжения исследования. Теплообменник двигателя RB545 (который предполагалось использовать в проекте HOTOL) имел некоторые проблемы с хрупкостью конструкции, а так же относительно высоким расходом жидкого водорода. Так же его использование было невозможно – патент на двигатель принадлежал компании Rolls Royce, и самый существенный аргумент – двигатель был объявлен совершенно секретным. По этому Бонд пошел на разработку нового двигателя SABRE, развивая идеи, заложенные в предыдущий проект.

По состоянию на ноябрь 2012 года, было завершено тестирование оборудования в рамках темы «Технология теплообменника, критичная для гибридного ракетного двигателя, питаемого воздухом и жидким кислородом». Это был важный этап в процессе разработки SABRE, который продемонстрировал потенциальным инвесторам жизнеспособность технологии. Двигатель основан на теплообменнике, способном охладить поступающий воздух до -150°C (-238°F). Охлажденный воздух смешивается с жидким водородом и сгорая, обеспечивает тягу для атмосферного полета, перед переключением на жидкий кислород из баков, при полете вне атмосферы. Успешные испытания этой, столь критической технологи, подтвердили что теплообменник может обеспечить потребности двигателя в получении достаточного количества кислорода из атмосферы для работы с высокой эффективностью в условиях низко-высотного полета.

На авиашоу Фарнборо 2012 Дэвид Уиллетс, являющийся министром по делам университетов и науки Объединенного королевства, выступил по этому поводу с речью. В частности, он сказал, что данный двигатель, разработчиком которого является компания Reaction Engines, реально может повлиять на условия игры, действующие в космической отрасли. Успешно завершившиеся испытания системы предварительного охлаждения являются подтверждением высокой оценки концепции двигателя, которую сделало Космическое агентство Великобритании в 2010 году. Министр также добавил, что если однажды им удастся использовать данную технологию для осуществления собственных полетов коммерческого назначения, то это, несомненно, будет фантастическим по своему масштабу достижением.

Министр также отметил, что существует маленькая вероятность того, что Европейское космическое агентство согласится финансировать Skylon, поэтому Великобритания должна быть готова заниматься строительством космолета по большей части на свои средства.

Рис.3. Аэрокосмический ЛА Skylon - компоновка

Следующий этап программы SABRE предусматривает наземные испытания масштабной модели двигателя, способной продемонстрировать полный цикл. ESA выразило уверенность в успешной постройке демонстратора и заявило о том, что он будет представлять собой «важную веху в развитии этой программы и прорыв в вопросе двигательных установок по всему миру»

Конструкция

Рис.4. Компоновка двигателя SABRE

Подобно RB545, конструкция SABRE скорее ближе к традиционному ракетному двигателю, чем к воздушно реактивному. Гибридный Воздушно-реактивный/Ракетный двигатель с предварительным охлаждением использует жидкое водородное топливо в сочетании с окислителем, поставляемым либо в виде газообразного воздуха с помощью компрессора, либо в виде жидкого кислорода, поставляемого из топливных баков с помощью турбонасоса.

В передней части двигателя расположен простой осесимметричный воздухозаборник в виде конуса, который тормозит воздух до дозвуковых скоростей, используя всего два отраженных скачка уплотнения.

Часть воздуха через теплообменник в центральную часть двигателя, а оставшийся проходит через кольцевой канал в второй контур, представляющий собой обычный ПВРД. Центральная часть, расположенная за теплообменником, представляет собой турбокомпрессор, приводящийся в движение газообразным гелием, циркулирующим по замкнутому каналу цикла Брайтона. Сжатый компрессором воздух поступает под высоким давлением в четыре камеры сгорания ракетного двигателя комбинированного цикла.

Рис.5. Упрощенный цикл работы двигателя SABRE

Теплообменник

Поступающий в двигатель на сверх/гиперзвуковых скоростях воздух становится очень горячим после торможения и сжатия в воздухозаборнике. С высокими температурами в реактивных двигателях традиционно справлялись используя тяжелые сплавы на основе меди или никеля, за счет снижения степени сжатия компрессора, а так же снижением оборотов, во избежание перегрева и плавления конструкции. Однако для одноступенчатого КА такие тяжелые материалы неприменимы, и необходима максимально возможная тяга, для выхода на орбиту в кратчайшее время, чтобы минимизировать тяжесть потерь.

При использовании газообразного гелия в качестве теплоносителя, воздух в теплообменнике существенно охлаждается от 1000°C до -150°C, при этом избегая сжижения воздуха или конденсации водяного пара на стенках теплообменника.

Рис.6. Модель одно из модулей теплообменника

Предыдущие версии теплообменника, например применяемые в проекте HOTOL пропускали водородное топливо непосредственно через теплообменник, но использование гелия как промежуточного контура между воздухом и холодным топливом сняло проблему водородной хрупкости конструкции теплообменника. Однако резкое охлаждение воздуха сулит определенные проблемы – необходимо предотвратить блокировку теплообменника замороженным водяным паром и иными фракциями. В ноябре 2012 года был продемонстрирован образец теплообменника, способный охладить атмосферный воздух до -150°C за 0,01 с.
Одной из инноваций теплообменника SABRE служит спиральное размещение трубок с халагентом, что значительно обещает поднять его эффективность.

Рис.7. Опытный образец теплообменника SABRE

Компрессор

На скорости М=5 и высоте 25 километров, что составляет 20% орбитальной скорости и высоты, необходимой для выхода на орбиту, охлажденный в теплообменнике воздух попадает в весьма обыкновенный турбокомпрессор, конструктивно подобный используемым в обычных турбореактивных двигателях, но обеспечивающий необычайно высокую степень сжатия, благодаря крайне низкой температуре входящего воздуха. Это позволяет сжать воздух до 140 атмосфер перед подачей в камеры сгорания основного двигателя. В отличии от турбореактивных двигателей, турбокомпрессор приводится в действие турбиной, расположенной в гелиевом контуре, а не от действия продуктов сгорания, как в обычных турбореактивных двигателей. Таким образом турбокомпрессор работает на тепле, полученным гелем в теплообменнике.

Гелиевый цикл

Тепло переходит от воздуха к гелию. Горячий гелий из теплообменника «гелий-воздух» охлаждается в теплообменнике «гелий-водород», отдавая тепло жидкому водородному топливу. Контур, в котором циркулирует гелий, работает согласно циклу Брайтона, как охлаждая двигатель в критических местах, так и для привода энергетических турбин и многочисленных агрегатов двигателя. Остаток тепловой энергии используется для испарения части водорода, который сжигается в внешнем, прямоточном контуре.

Глушитель

Для охлаждения гелия, его прокачивают через бак с азотом. В настоящее время для тестов используется не жидкий азот а вода, которая испаряется, понижая температуру гелия и глушит шум от выхлопных газов.

Двигатель

Благодаря тому, что гибридный ракетный двигатель обладает далеко не нулевой статической тягой, летательный аппарат может взлететь в обычном, воздушно-реактивном режиме, без посторонней помощи, подобно оснащенным обычными турбореактивными двигателями. При наборе высоты и падении атмосферного давления, все больше и больше воздуха направляется в компрессор, а эффективность сжатия в воздухозаборнике только снижается. В этом режиме реактивный двигатель может работать на намного большей высоте, чем это было возможно в обычном случае.
При достижении скорости М=5.5 воздушнореактивный двигатель становится не эффективным и отключается, и теперь в ракетный двигатель поступает хранящийся на борту жидкий кислород и жидкий водород, так вплоть до достижения орбитальной скорости (соизмеримо с М=25). Турбонасосные агрегаты приводятся тем же гелиевым контуром, который теперь получает тепло в специальных «предварительных камерах сгорания».
Необычное конструкционное решение системы охлаждения камер сгорания - в качестве охлаждающего вещества используется окислитель (воздух/жидкий кислород) вместо жидкого водорода, во избежание перерасхода водорода и нарушения стехиометрического соотношения (соотношение топлива к окислителю).

Второй существенный момент – реактивное сопло. Эффективность работы реактивного сопла зависит от его геометрии и атмосферного давления. В то время как геометрия сопла остается неизменной, давление существенно изменяется с высотой, следовательно сопла, высокоэффективные в нижних слоях атмосферы, существенно теряют свою эффективность с достижением больших высот.
В традиционных, многоступенчатых системах, это преодолевается простым использованием разной геометрии, для каждой ступени и соответствующего этапа полета. Но в одноступенчатой системе мы все время используем одно и то же сопло.

Рис.8. Сравнение работы различных реактивных сопел в атмосфере и вакууме

Как выход планируется использование специального Expansion-Deflection (ED nozzle) – регулируемого реактивного сопла разрабатываемого в рамках проекта STERN , которое состоит из традиционного колокола (правда сравнительно короче обычного), и регулируемого центрального тела, которое отклоняет поток газа к стенкам. Изменяя положение центрального тела, можно добиться того что выхлоп не займет всю площадь донного среза, а лишь кольцеобразный участок, регулируя занимаемую им площадь соответственно атмосферному давлению.

Так же, в многокамерном двигателе, можно регулировать вектор тяги, изменяя площадь сечения, а следовательно и вклад в общую тягу, каждой камеры.

Рис.9. Реактивное сопло Expansion-Deflection (ED nozzle)

Прямоточный контур

Отказ от сжижения воздуха поднял эффективность работы двигателя, снизив затраты теплоносителя путем снижения энтропии. Однако даже простое охлаждение воздуха требует больше водорода, чем может быть сожжено в первом контуре двигателя.

Избыток водорода сливается за борт, но не просто так, а сжигается в ряде камер сгорания, которые расположены в внешнем кольцевом воздушном канале, образующем прямоточную часть двигателя, в которую поступает воздух, пошедший в обход теплообменника. Второй, прямоточный контур снижает потери вследствие сопротивления воздуха, не попавшего в теплообменник, и так же дает некоторую часть тяги.
На низких скоростях в обход теплообменника/компрессора идет очень большое количество воздуха, а с ростом скорости, для сохранения эффективности большая часть воздуха наоборот, попадает в компрессор.
Это отличает систему от турбопрямоточного двигателя, где все обстоит с точностью до наоборот – на малых скоростях большие массы воздуха идут через компрессор, а на больших – в его обход, через прямоточный контур, который становится настолько эффективным, что берет на себя ведущую роль.

Производительность

Расчетная тяговооруженность SABRE предполагается свыше 14 единиц, при этом тяговооруженность обычных реактивных двигателей лежит в пределах 5, и всего лишь 2 для сверхзвуковых прямоточных двигателей. Столь высокая производительность получена благодаря использованию сверхохлажденного воздуха, который становится весьма плотным и требует меньшего сжатия, и, что более существенно, благодаря низким рабочим температурам стало возможным использовать легкие сплавы для большей части конструкции двигателя. Общая производительность обещает быть выше, чем в случае RB545 или сверхзвуковых прямоточных двигателей.

Двигатель имеет высокий удельный импульс в атмосфере, который достигает 3500 сек. Для сравнения обычный ракетный двигатель имеет удельный импульс в лучшем случае около 450, и даже перспективный «тепловой» ядерный ракетный двигатель обещает достичь лишь величины 900 сек.

Комбинация высокой топливной эффективности и низкой массы двигателя дает Skylon возможность достичь орбиты в одноступенчатом режиме, при этом работая как воздушно-реактивный до скорости М=5,14 и высоты 28,5 км. При этом аэрокосмический аппарат достигнет орбиты с большой полезной нагрузкой относительно взлетного веса, какая не могла быть ранее достигнутой ни одним, неядерным транспортным средством.

Подобно RB545, идея предварительного охлаждения увеличивает массу и сложность системы, что в обычных условиях служит антитезисом принципу конструирования ракетных систем. Также теплообменник очень агрессивная и сложная часть конструкции двигателя SABRE. Правда следует отметить что масса этого теплообменника предполагается на порядок ниже существующих образцов, и эксперименты показали что это может быть достигнуто. Экспериментальный теплообменник добился теплообмена почти в 1 ГВт/м2, что считается мировым рекордом. Небольшие модули будущего теплообменника уже изготовлены.

Потери от дополнительного веса системы компенсируются в закрытом цикле (теплообменник-турбокомпрессор) также как дополнительный вес крыльев Skylon увеличивая общий вес системы, так же способствуют общему увеличению эффективности больше, чем снижению ее. Это большей частью компенсируется разными траекториями полета. Обычные ракеты-носители стартуют вертикально, с крайне низкими скоростями (если говорить о тангенциальной а не нормальной скорости), этот, на первый взгляд неэффективных ход, позволяет быстрей пронзить атмосферу и набирать тангенциальную скорость уже в безвоздушной среде, не теряя скорость на трении о воздух.

В то же время большая топливная эффективность двигателя SABRE позволяют очень пологий подъем (при котором растет больше тангенциальная, чем нормальная составляющая скорости), воздух скорее способствует чем тормозит систему (окислитель и рабочее тело для двигателя, подъемная сила для крыльев), дает в итоге намного меньший расход топлива для достижения орбитальной скорости.

Некоторые характеристики

Тяга в пустоте – 2940 кН
Тяга на уровне моря – 1960 кН
Тяговоруженность (двигателя) – около 14 (в атмосфере)
Удельный импульс в вакууме – 460 сек
Удельный импульс на уровне моря – 3600 сек

Преимущества

В отличии от традиционных ракетных двигателей, и подобно иным типам воздушно-реактивных двигателей, гибридный реактивный двигатель может использовать воздух, для сжигания топлива, снижая необходимый вес ракетного топлива, и тем увеличивая вес полезной нагрузки.

ПВРД и ГПВРД должны провести большое количество времени в нижних слоях атмосферы, чтобы достичь скорости, достаточной для выхода на орбиту, что выводит на передний план проблему интенсивного нагрева на гиперзвуке, а так же потери в следствии значительно веса и сложности теплозащиты.

Гибридный реактивный двигатель подобный SABRE нуждается только в достижении низкой гиперзвуковой скорости (напомним: гиперзвук – все что после М=5, следовательно М = 5,14 это самое начало гиперзвукового диапазона скоростей) в нижних слоях атмосферы, перед переходом на закрытый цикл работы и крутом подъеме с набором скорости в ракетном режиме.

В отличии от ПВРД или ГПВРД, SABRE способен обеспечить высокую тягу от нулевой скорости и до М=5,14, от земли и до больших высот, с высокой эффективностью во всем диапазоне. Кроме того, возможность создания тяги при нулевой скорости означает возможность испытаний двигателя на земле, что значительно сокращает стоимость разработки.

Так же вашему вниманию предлагается некоторое число ссылок

В наше время вряд ли остался хоть один человек, не знающий о реактивных самолетах и не летавший на них. Но мало кому известно, какой тяжелый путь инженерам со всего мира пришлось пройти, чтобы достичь таких результатов. Еще меньше тех, кто точно знает, что представляют собой современные реактивные воздушные суда, как они работают. Реактивные самолеты – это усовершенствованные, мощнейшие пассажирские или военные суда, работающие посредством воздушно-реактивного двигателя. Главная особенность реактивного самолета – это его невероятная скорость, выгодно выделяющая двигательный механизм от устаревшего винтового.

На английском языке слово «реактивный» звучит как «jet». Услышав его, сразу появляются мысли, связанные с какой-либо реакцией, и это вовсе не окисление топлива, ведь такая система движения приемлема для автомобилей с карбюраторами. Что касается авиалайнеров и военных самолетов, то принцип их работы чем-то напоминает взлет ракеты: физическое тело реагирует на выбрасываемую мощную струю газа, в результате чего оно движется в противоположную сторону. Это и есть основной принцип работы реактивных самолетов. Также важную роль в работоспособности механизма, приводящего столь большую машину в движение, играют аэродинамические свойства, крыльевой профиль, разновидность двигателя (пульсирующий, прямоточный, жидкостный и т.д.), схема.

Первые попытки создания реактивного самолета

Поиск более мощного и скоростного двигателя для военных, а в дальнейшем и гражданских самолетов начался еще в далеком 1910 году. За основу были взяты ракетные исследования прошлых веков, где подробно рассказывалось о применении пороховых ускорителей, способных значительно сократить длину форсажа и разбега. Главным конструктором стал румынский инженер Анри Коанда, создавший летательный аппарат, работающий на основе поршневого двигателя.

Что же отличало первый реактивный самолет 1910 года от стандартных моделей тех времен? Главным отличием было наличие лопастного компрессора, отвечающего за приведение летательного аппарата в движение. Аэроплан «Coanda» был хоть и первой, но очень неудачной попыткой создать самолет с реактивным двигателем. В ходе дальнейших испытаний аппарат сгорел, что подтвердило неработоспособность конструкции.

Последующие изучения выявили возможные причины неудачи:

1. Неудачное расположение двигателя. Из-за того, что он располагался в передней части конструкции, опасность жизни пилота была весьма велика, так как выхлопные газы попросту не дали бы человеку нормально дышать и вызвали бы удушье;
2. Выделяющееся пламя попадало прямо на хвостовую часть аэроплана, что могло привести к возгоранию этой зоны, пожару и падению летательного аппарата.

Несмотря на полное фиаско, Анри Коанда утверждал, что именно ему принадлежат первые удачные задумки, касающиеся реактивного двигателя для самолетов. По факту же первые удачные модели были созданы непосредственно перед началом Второй Мировой Войны, в 30-40 годах XX века. Сделав работу над ошибками, инженеры из Германии, США, Англии, СССР создали летательные аппараты, которые никак не угрожали жизни пилота, а сама конструкция была выполнена из жаропрочной стали, благодаря чему корпус был надежно защищен от каких-либо разрушений.

Дополн ительная информация. Первооткрывателем реактивного двигателя по праву можно назвать инженера из Англии – Фрэнка Уитла, который предложил первые идеи и получил на них свой патент в конце XIX века.

Начало создания самолетов в СССР

Впервые о разработке реактивного движка в России заговорили в начале XX столетия. Теорию о создании мощных аэропланов, способных развить сверхзвуковую скорость выдвинул известный российский ученый К.Э. Циолковский. Воплотить эту задумку в жизнь удалось талантливому конструктору А.М Люльке. Именно он спроектировал первый советский реактивный самолет, работающий посредством турбореактивного движка.

Инженер поведал о том, что данная конструкция может развить невиданную для тех времен скорость до 900 км/ч. Несмотря на фантастичность предложения и неопытность молодого конструктора, инженеры СССР взялись за проект. Первый аэроплан был уже практически готов, но в 1941 году начались военные действия, вся команда конструкторов, в том числе и Архип Михайлович, были вынуждены начать работу над танковыми двигателями. Само же бюро со всеми авиационными наработками было вывезено вглубь СССР.

К счастью, А.М.Люлька был не единственным инженером, мечтавшим создать самолет с реактивным авиационным двигателем. Новые идеи о создании истребителя-перехватчика, полет которого обеспечивался бы жидкостным типом движка, предложили конструкторы А.Я.Березняк и А.М.Исаев, работающие в инженерском бюро имени Болховитинова. Проект был одобрен, поэтому разработчики вскоре стали работать над созданием истребителя «БИ-1», который, несмотря на войну, был построен. Первые испытания над ракетным истребителем начались 15 мая 1942 года, за его штурвалом был смелый и отважный летчик-испытатель Е.Я.Бахчиванджи. Тесты удались, но продолжались еще на протяжении последующего года. Продемонстрировав максимальную скорость в 800 км/ч, летательный аппарат стал неуправляемым и потерпел крушение. Произошло это в конце 1943 года. Пилоту выжить не удалось, а испытания были остановлены. В это время страны третьего рейха активно занимались наработками и подняли в воздух не одно воздушно-реактивное судно, поэтому СССР на воздушном фронте сильно проигрывал и оказался совсем неподготовленным.

Германия – страна первых реактивных аппаратов

Первые реактивные самолеты были разработаны немецкими инженерами. Создание проектов и производство проводились тайно на замаскированных заводах, расположенных в глубоких лесных чащах, поэтому такое открытие стало для мира, в некотором роде, неожиданностью. Гитлер мечтал стать мировым правителем, поэтому подключал лучших конструкторов Германии для создания мощнейшего оружия, в том числе и скоростных реактивных самолетов. Были, конечно, как провалы, так и удачные проекты.

Самым успешным из них стал первый немецкий реактивный самолет «Messer-schmitt Ме-262» (Мессершмит-262), который называли также «Штурмфогель».

Этот летательный аппарат стал первым в мире, который удачно прошел все испытания, свободно поднялся в воздух и начал после этого выпускаться серийно. Великий «сокрушитель врагов третьего рейха » имел следующие особенности:

• Аппарат имел два турбореактивных двигателя;
• В носовой части авиалайнера располагался радиолокатор;
• Максимальная скорость самолета достигала 900 км/час, при этом в инструкции указывалось, что доводить суда до таких скоростей крайне нежелательно, так как терялся контроль над управлением, и машина начинала совершать крутые пике в воздухе.

Благодаря всем этим показателям и конструктивным особенностям первый реактивный летательный аппарат «Мессершмит-262» выступал эффективным средством борьбы против самолетов союзников, высотными «Б-17», получившими прозвище «летающие крепости». Штурмофогели были более скоростными, поэтому вели «свободную охоту» на самолеты СССР, которые оснащались поршневыми движками.

Интересный факт. Адольф Гитлер был настолько фанатичен в своем желании всемирного господства, что собственными руками снизил эффективность самолета «Messer-schmitt Ме-262». Дело в том, что конструкция изначально проектировалась как истребитель, но по указанию правителя Германии , он был переоборудован в бомбардировщик, из-за этого мощность двигателя не была раскрыта в полной мере.

Такой ход действий совершенно не устраивал советские власти, поэтому они начали работать над созданием новых моделей самолетов, которые могли бы конкурировать с немецкими аппаратами. За работу принялись самые талантливые инженеры А.И.Микоян и П.О.Сухой. Основная задумка заключалась в добавлении дополнительного поршневого мотора К.В.Холщевникова, который придавал бы в нужный момент истребителю ускорение. Движок не был слишком мощным, поэтому работал не более 5 минут, из-за этого его функцией было – ускорение, а не постоянная работа на протяжении всего полета.

Новые творения российского самолетостроения не смогли помочь разрешению войны. Несмотря на это сверхмощные немецкие самолеты «Ме-262» не помогли Гитлеру обернуть ход военных событий в свою пользу. Советские летчики продемонстрировали свое мастерство и победу над врагом даже с обычными поршневыми судами. В послевоенное время российскими конструкторами были созданы следующие реактивные самолеты СССР , ставшие в дальнейшем прототипами современных авиалайнеров:

• «И-250», более известный как легендарный «МиГ-13», – истребитель, над которым работал А.И.Микоян. Первый полет был совершен в марте 1945 года, на тот момент машина показала рекордный скоростной показатель, достигший 820 км/час;

• Немного позднее, а именно в апреле 1945 года, впервые в небо поднялся реактивный самолет, поднимающийся и поддерживающий полет за счет воздушно-реактивного мотокомпрессорного и поршневого двигателя, который располагался в хвостовой части конструкции, П.О.Сухого «Су-5». Показатели скорости были не ниже, чем у его предшественника и превышали 800 км/час;
• Новаторством инженерии и самолетостроения 1945 года стал жидко-реактивный мотор «РД-1». Впервые он был применен в модели самолета конструктора П.О.Сухого – «Су-7», который был оснащен также и поршневым двигателем, выполняющим основную толкательную, движущую функцию. Испытателем нового летательного аппарата стал Г.Комаров. При первом испытании удалось отметить, что дополнительный мотор увеличивал средний скоростной показатель на 115 км/час – это было большим достижением. Несмотря на хороший результат, двигатель «РД-1» стал настоящей проблемой для советских авиастроителей. Аналогичные самолеты, оснащенные данной моделью жидко-реактивного движка, – «ЯК-3» и «Ла-7Р», над которыми работали инженеры С.А.Лавочкин и А.С.Яковлев, потерпели крушения во время испытания из-за постоянно выходящего из строя мотора;
• После окончания войны и поражения фашистской Германии Советскому Союзу в качестве трофеев достались немецкие самолеты с реактивными двигателями «JUMO-004» и «BMW-003». Тогда конструкторы поняли, что действительно находились на несколько шагов позади. Среди инженеров моторы получили название «РД-10» и «РД-20», на их основе создавались первые авиационные реактивные двигатели, над которыми работали А.М.Люлька, А.А.Микулин, В.Я.Климов. В это же время П.О.Сухой занимался разработкой мощного двухмоторного самолета, укомплектованного двумя моторами типа «РД-10», располагающимися прямо под крыльями летательного аппарата. Реактивный истребитель-перехватчик получил название «СУ-9». Недостатком такого расположения моторов можно считать сильное лобовое сопротивление при полете. К преимуществам – отличный доступ к движкам, благодаря чему можно было запросто подобраться к механизму и починить поломку. Конструктивной особенностью данной модели самолета являлось наличие стартовых пороховых ускорителей для взлета, тормозных парашютов для посадки, управляемых ракет типа «водзух-воздух» и бустера-усилителя, облегчающего процесс управления и увеличивающего маневренность аппарата. Первый полет «Су-9» был осуществлен в ноябре 1946 года, но к серийному производству дело так и не подошло;

• В апреле 1946 года проходил воздушный парад в городе Тушино. На нем были представлены новые летательные аппараты от авиационных конструкторских бюро Микояна и Яковлева. Реактивные самолеты «МиГ-9» и «Як-15» сразу же были запущены в серию.

Фактически, Сухой «проиграл» конкурентам. Хотя, проигрышем это назвать тяжело, ведь его модель истребителя была признана, а за это время он смог практически закончить работу над новым, более современным проектом – «СУ-11», который стал настоящей легендой истории самолетостроения и прототипом мощных авиалайнеров современности.

Интересный ф акт. На самом деле, реактивный самолет «СУ-9» тяжело было назвать простым истребителем. Конструкторы между собой прозвали его «тяжелым», потому что пушечное и бомбовое вооружение летательного аппарата было на довольно высоком уровне. Принято считать, что именно «СУ-9» был прототипом современных истребителей-бомбардировщиков. За все время было изготовлено приблизительно 1100 единиц техники, при этом она не экспортировалась. Не раз легендарный «Сухой Девятый» использовался для перехвата в воздухе разведывател ьных самолетов. Впервые это произошло в 1960 году, когда в воздушное пространство СССР ворвались аэропланы « LockheedU -2».

Первые мировые прототипы

Разработкой, тестированием новых авиалайнеров и их производством занимались не только немцы и советские конструкторы. Инженерами США, Италии, Японии, Великобритании также было создано немало успешных проектов, о которых нельзя не упомянуть. К числу первых наработок с различными типами двигателей можно отнести:

• «Не-178» – немецкий самолет с турбореактивной силовой установкой, поднявшийся в воздух в августе 1939 года;
• «GlosterE. 28/39» – летательный аппарат родом из Великобритании с мотором турбореактивного типа, впервые поднялся в небо в 1941 году;
• «Не-176» – истребитель, созданный в Германии с применением ракетного двигателя, осуществил свой первый полет в июле 1939 года;
• «БИ-2» – первый советский летательный аппарат, который приводился в движение посредством ракетной силовой установки;
• «CampiniN.1» – реактивный самолет, созданный в Италии, ставший первой попыткой итальянских конструкторов отойти от поршневого аналога. Но в механизме что-то пошло не так, поэтому лайнер не мог похвастаться большой скоростью (всего лишь 375 км/час). Запуск был произведен в августе 1940 года;
• «Ока» с мотором Tsu-11 – японский истребитель-бомба, так называемый одноразовый летательный аппарат с пилотом-камикадзе на борту;
• «BellP-59» – американский авиалайнер с двумя реактивными двигателями ракетного типа. Производство стало серийным после первого полета в воздухе 1942 года и долгих испытаний;

• «GlosterMeteor» – воздушно-реактивный истребитель, изготовленный в Великобритании в 1943 году; сыграл значительную роль во время Второй Мировой Войны, а после ее окончания выполнял задачу перехватчика немецких крылатых ракет Фау-1;
• «LockheedF-80» – реактивный летательный аппарат, произведенный в США с использованием мотора типа AllisonJ Эти самолеты не раз участвовали в Японско-Корейской войне;
• «B-45 Tornado» – прототип современных американских бомбардировщиков «B-52», созданный в 1947 году;
• «МиГ-15» – последователь признанного реактивного истребителя «МиГ-9», который активно участвовал в военном конфликте Кореи, был произведен в декабре 1947 г.;
• «Ту-144» – первый советский сверхзвуковой воздушно-реактивный пассажирский самолет, который прославился серией катастроф и был снят с производства. Всего было выпущено 16 экземпляров.

Этот список можно продолжать бесконечно, с каждым годом авиалайнеры совершенствуются, ведь конструкторы со всего мира работают над тем, чтобы создавать летательные аппараты нового поколения, способные летать со скоростью звука.

Несколько интересных фактов

Сейчас существуют лайнеры, способные вмещать в себе большое количество пассажиров и грузов, обладающие огромными размерами и невообразимой скоростью свыше 3000 км/час, оборудованные современной боевой экипировкой. Но есть несколько поистине удивительных конструкций; в число реактив ных самолетов-рекордсменов входят:

1. «AirbusA380» – самый вместительный аппарат, способный принять на своем борту 853 пассажира, что обеспечено двухпалубной конструкцией. Он же по совместительству один из роскошнейших и дорогостоящих авиалайнеров современности. Авиакомпания «Emirates Airline» предлагает клиентам многочисленные удобства, здесь есть турецкая баня, VIP-апартаменты и каюты, спальные комнаты, бары и лифт. Но такие опции есть не во всех аппаратах, все зависит от авиакомпании.

1. «Boeing 747» – более 35 лет считался наиболее пассажировместительным двухэтажным лайнером и мог расположить 524 пассажира;
2. «АН-225 Мрия» – грузовой летательный аппарат, который может похвастаться грузоподъемностью в 250 тонн;
3. «LockheedSR-71» – реактивный самолет, достигающий во время полета скорости 3529 км/час.

Видео

Благодаря современным инновационным разработкам пассажиры могут добраться из одной точки света в другую всего за несколько часов, быстро доставляются хрупкие грузы, требующие оперативной транспортировки, обеспечивается надежная военная база. Авиационные исследования не стоят на месте, потому как реактивные самолеты – это основа стремительно развивающейся современной авиации. Сейчас проектируется несколько западных и российских пилотируемых, пассажирских, беспилотных авиалайнеров с реактивными двигателями, выпуск которых запланирован на ближайшие несколько лет. К российским инновационным разработкам будущего можно отнести истребитель 5-го поколения ПАК ФА «Т-50», первые экземпляры которого поступят в войска предположительно в конце 2017 или начале 2018 года после испытания нового реактивного двигателя.

Реактивный самолет – это летательный аппарат, который осуществляет полет в воздухе за счет использования в своей конструкции воздушно-реактивных двигателей. Они могут быть турбореактивными, прямоточными, пульсирующего типа, жидкостными. Также реактивные самолеты могут быть укомплектованы двигателем ракетного типа. В современном мире самолеты с реактивными двигателями занимают большую часть всех современных летательных аппаратов.

Краткая история развития реактивных самолетов

Началом истории реактивных самолетов мира принято считать 1910 год, когда конструктор и инженер Румынии по имени Анри Конада создал летательный аппарат в основе с поршневым двигателем. Отличием от стандартных моделей было использование лопастного компрессора, который и приводил машину в движение. Особо активно конструктор начал утверждать в послевоенное время, что его аппарат был оснащен именно реактивным двигателем, хотя первоначально он заявлял категорически противоположное.

Изучая конструкцию перового реактивного самолета А. Конада, можно сделать несколько выводов. Первый – конструктивные особенности машины показывают, что расположенный впереди двигатель и его выхлопные газы убили бы пилота. Вторым вариантом развития мог быть только пожар на самолете. Именно об этом и говорил конструктор, при первом запуске огнем была уничтожена хвостовая часть.

Что касается самолетов реактивного типа, которые были изготовлены в 1940-е года, они имели совершенно другую конструкцию, когда двигатель и место пилота были удалены, и, как следствие, это повысило безопасность. В местах, где пламя двигателей соприкасалось с фюзеляжем, была установлена специальная жаростойкая сталь, что не приносило корпусу увечий и разрушений.

Первые прототипы и наработки

Конечно же, самолеты с турбореактивной силовой установкой имеют значительно больше преимуществ, нежели летательные аппараты с поршневыми двигателями.

Самолет германского происхождения под обозначением He 178 был впервые поднят в воздух 27.08.1939 года.

В 1941 году в небо поднялся подобный аппарат британских конструкторов с названием Gloster E.28/39.

Аппараты с ракетными двигателями

He 176, созданный в Германии, осуществил первый отрыв от ВПП 20.07.1939 года.

Советский летательный аппарат БИ-2 взлетел в мае 1942 года.

Самолеты с многокомпрессорным двигателем (их считают условно пригодными к полетам)

Campini N.1 – изготовленный в Италии самолет впервые поднялся в воздух в конце августа 1940 года. была достигнута скорость полета в 375 км/час, а это еще меньше, чем поршневого аналога.

Японский самолет «Ока» с двигателем Tsu-11 был предназначен для разового использования, поскольку это был самолет-бомба с пилотом-камикадзе на борту. Из-за поражения в войне так и не было окончательно доделана камера сгорания.

За счет заимствованной технологии во Франции американцы также смогли изготовить собственную модель самолета с реактивным двигателем, которым стал Bell P-59. Машина имела два двигателя реактивного типа. Впервые отрыв от ВПП зафиксирован в октябре 1942 года. Нужно отметить, что эта машина была достаточно успешной, поскольку ее изготовление велось серийно. Аппарат имел некоторые преимущества над поршневыми аналогами, но все же в боевых действиях он участия не принимал.

Первые успешные реактивные прототипы

Германия:

Созданный двигатель Jumo-004 был применен для нескольких экспериментальных и серийных самолетов. Нужно отметить, что это первая силовая установка в мире, которая имела осевой компрессор, как и современные истребители. США и СССР подобный тип двигателя получил значительно позже.

Самолет Me.262 с установленным двигателем типа Jumo-004 впервые поднялся в воздух 18.07.1942 года, а уже через 43 месяца осуществил свой первый боевой вылет. Преимущества в воздухе данного истребителя были значительными. Была задержка запуска в серию из-за некомпетентности руководства.

Реактивный разведчик-бомбардировщик типа Ar 234 изготовлен летом 1943 года, также был оснащен двигателем Jumo-004. Он активно применялся в последние месяцы войны, поскольку только он мог работать в ситуации с сильным преобладанием сил противника.

​ Великобритания:

• Первым реактивным истребителем, изготовленным британцами, стал самолет Gloster Meteor, который был создан в марте 43-го года, а на вооружение его приняли 27.07.1944 года. В конце войны основной задачей истребителя был перехват самолетов Германии, которые несли крылатые ракеты типа Фау-1.

США :

Первым реактивным истребителем в США стал аппарат под обозначением Lockheed F-80. Впервые отрыв от ВПП зафиксирован в январе 1944 года. На самолете был установлен двигатель типа Allison J33, который считается доработанной версией двигателя, установленного на аппарате Gloster Meteor. Боевое крещение произошло в Корейской войне, но вскоре он был заменен на самолет F-86 Sabre.

Первый палубный истребитель с реактивным двигателем был готов в 1945 году, он обозначался как FH-1 Phantom.

Реактивный бомбардировщик в США был готов в 1947 году, это был B-45 Tornado. Дальнейшее развитие позволило создать машину B-47 Stratojet с двигателем AllisonJ35. Этот двигатель был самостоятельной разработкой без внедрения технологий других стран. В итоге был изготовлен бомбардировщик, который эксплуатируют и сейчас, а именно В-52.

СССР:

Первым реактивным самолетом в СССР стал МиГ-9. Первый взлет – 24.05.1946 года. Всего с заводов поступило 602 таких самолета.

Як-15 – это истребитель с реактивным двигателем, который стоял на вооружении в ВВС. Этот самолет считается переходной моделью от поршневых к реактивным.

МиГ-15 изготовлен в декабре 1947 года. Активно применялся в военном конфликте в Корее.

Реактивный бомбардировщик Ил-22 изготовлен в 1947 году, он был первым в дальнейшем развитии бомбардировщиков.

Сверхзвуковые реактивные самолеты

Единственный в истории авиастроения палубный бомбардировщик с возможностями сверхзвукового движения – самолет A-5 «Виджилент».

Сверхзвуковые истребители палубного типа - F-35 и Як-141.

В гражданской авиации был создано только два пассажирских самолета с возможностью полета на сверхзвуковых скоростях. Первый был изготовлен на территории СССР в 1968 году и обозначался как Ту-144. Было изготовлено 16 таких самолетов, но после серии катастроф машина была снята с эксплуатации.

Второй пассажирский аппарат данного типа изготовила Франция и Великобритания в 1969 году. Всего было построено 20 самолетов, эксплуатация продолжалась с 1976 по 2003 год.

Рекорды реактивных самолетов

Airbus A380 может расположить на своем борту 853 человека.

Boeing 747 на протяжении 35 лет был самым большим пассажирским самолетом с пассажировместительностью в 524 человека.

Грузовые :

Ан-225 «Мрия» – единственная машина в мире, которая обладает грузоподъемностью в 250 тонн. Первоначально был изготовлен для перевозки космической системы «Буран».

Ан-124 «Руслан» – один из самых крупных самолетов мира с грузоподъемностью в 150 тонн.

Был самым крупным грузовым самолетом до появления «Руслана», грузоподъемность равна 118 тоннам.

Максимальная скорость полета

Летательный аппарат Lockheed SR-71 достигает скорости в 3 529 км/ч. Изготовлены 32 самолета, не может произвести взлет с полными баками.

МиГ-25 – нормальная скорость полета в 3 000 км/ч, возможен разгон до 3 400 км/ч.

Будущие прототипы и разработки

Пассажирские:

Крупные:

• High Speed Civil.
• Ту-244.

Бизнес-класс:

SSBJ, Ту-444.

SAI Quiet, Aerion SBJ.

Гиперзвуковые:

• Reaction Engines A2.

Управляемые лаборатории :

Quiet Spike.

Ту-144ЛЛ с двигателями от аппарата Ту-160.

Беспилотные:

• Х-51
• Х-43.

Классификация самолетов:

Военно-морские силы США планируют в будущем провести модернизацию силовых газотурбинных установок, которые в настоящее время установлены на их самолетах и кораблях, поменяв обычные двигатели с циклом Брайтона на детонационные ротационные двигатели. За счет этого предполагается экономия топлива на сумму около 400 миллионов долларов ежегодно. Однако серийное использование новых технологий возможно, по оценкам экспертов, не ранее, чем через десятилетие.

Разработки ротационных, или спиновых ротационных двигателей в Америке проводятся Научно-исследовательской лабораторией флота США. Согласно первоначальным подсчетам, новые двигатели будут обладать большей мощностью, а также примерно на четверть экономичнее обычных двигателей. При этом, основные принципы работы силовой установки останутся прежними – газы от сгоревшего топлива будут поступать в газовую турбину, вращая ее лопасти. Согласно данным лаборатории ВМС США, даже в относительно далеком будущем, когда весь американский флот будет приводиться в действие при помощи электричества, за выработку энергии по-прежнему будут отвечать газовые турбины, в определенной степени видоизмененные.

Напомним, что изобретение пульсирующего воздушно-реактивного двигателя приходится на конец девятнадцатого века. Автором изобретения был шведский инженер Мартин Виберг. Широкое распространение новые силовые установки получили в годы Второй мировой войны, хотя они значительно уступали по своим техническим характеристикам авиадвигателям, которые существовали в то время.

Надо заметить, что на данный момент времени американский флот насчитывает 129 кораблей, на которых используется 430 газотурбинных двигателя. Каждый год расходы на обеспечение их топливом составляют порядка 2 миллиардов долларов. В будущем, когда современные двигатели будут заменены новыми, изменятся и объемы затрат на топливную составляющую.

Двигатели внутреннего сгорания, используемые в настоящее время, работают по циклу Брайтона. Если определить суть данного понятия в нескольких словах, то все сводится к последовательному смешиванию окислителя и топлива, дальнейшем сжатии полученной смеси, затем – поджоге и горении с расширением продуктов горения. Это расширение как раз и используется для приведения в движение, перемещения поршней, вращения турбины, то есть выполнения механических действий, обеспечивая постоянное давление. Процесс горения топливной смеси двигается с дозвуковой скоростью – этот процесс носит название дафлаграция.

Что касается новых двигателей, то ученые намерены использовать в них взрывное горение, то есть детонацию, при которой горение происходит со сверхзвуковой скоростью. И хотя в настоящее время явление детонации еще изучено не в полной мере, однако известно, что при таком виде горения возникает ударная волна, которая распространяясь по смеси топлива и воздуха вызывает химическую реакцию, следствием которой является выделение довольно большого количества тепловой энергии. Когда ударная волна проходит через смесь, происходит ее нагрев, что и приводит к детонации.

В разработке нового двигателя планируется использовать определенные наработки, которые были получены в процессе разработки детонационного пульсирующего двигателя. Его принцип работы состоит в том, что предварительно сжатая топливная смесь подается в камеру сгорания, где осуществляется ее поджог и детонация. Продукты горения расширяются в сопле, выполняя механические действия. Затем весь цикл повторяется сначала. Но недостатком пульсирующих двигателей является то, что частота повторения циклов слишком мала. Помимо этого, конструкция самих этих двигателей в случае увеличения числа пульсаций становится более сложной. Это объясняется необходимостью синхронизации работы клапанов, которые отвечают за подачу топливной смеси, а также непосредственно самими циклами детонирования. Пульсирующие двигатели ко всему прочему еще и очень шумные, для их работы необходимо большое количество топлива, а работа возможна только при постоянном дозированном вспрыскивании топлива.

Если сравнивать детонационные ротационные двигатели с пульсирующими, то принцип их работы немного отличается. Так, в частности, в новых двигателях предусмотрена постоянная незатухающая детонация топлива в камере сгорания. Подобное явление получило название спиновая, или вращающаяся детонация. Впервые она была описана в 1956 году советским ученым Богданом Войцеховским. А открыто это явление было гораздо раньше, еще в 1926 году. Первопроходцами стали британцы, которые заметили, что в определенных системах возникала яркая светящаяся «голова», которая двигалась по спирали, вместо детонационной волны, имеющей плоскую форму.

Войцеховский же, использовав фоторегистратор, который сам же и сконструировал, сфотографировал фронт волны, которая двигалась в кольцевой камере сгорания в топливной смеси. Спиновая детонация отличается от плоской тем, что в ней возникает единственная ударная поперечная волна, затем следует нагретый газ, который не прореагировал, а уже за этим слоем находится зона химической реакции. И именно такая волна предотвращает сгорание самой камеры, которую Марлен Топчиян обозвал «сплющенным бубликом».

Необходимо отметить, что в прошлом детонационные двигатели уже применялись. В частности речь идет и пульсирующем воздушно-реактивном двигателе, который использовался немцами в конце Второй мировой войны на крылатых ракетах «Фау-1». Производство его было достаточно простое, использование достаточно легкое, однако при этом этот двигатель был не очень надежным для решения важных задач.

Далее, в 2008 году, в воздух поднялся Rutang Long-EZ - экспериментальный самолет, оснащенный детонационным пульсирующим двигателем. Полет длился всего десять секунд на высоте тридцати метров. За это время силовая установка развила тягу порядка 890 ньютонов.

Экспериментальный образец двигателя, представленный американской лабораторией ВМС США, - это кольцевая конусообразная камера сгорания, имеющая диаметр 14 сантиметров со стороны подачи топлива и 16 сантиметров со стороны сопла. Между стенками камеры расстояние составляет 1 сантиметр, при этом «трубка» имеет длину 17,7 сантиметров.

Смесь воздуха и водорода используется в качестве топливной смеси, которая подается под давлением 10 атмосфер в камеру сгорания. Температура смеси составляет 27,9 градусов. Отметим, данная смесь признана самой удобной для изучения явления спиновой детонации. Но, как утверждают ученые, в новых двигателях вполне можно будет использовать топливную смесь, состоящую не только из водорода но и из других горючих компонентов и воздуха.

Экспериментальные исследования ротационного двигателя показали его большую эффективность и мощность по сравнению с двигателями внутреннего сгорания. Еще одно достоинство – значительная экономия топлива. В то же время, в ходе проведения эксперимента было выявлено, что сгорание топливной смеси в ротационном «пробном» двигателе происходит неоднородно, поэтому необходимо оптимизировать конструкцию двигателя.

Продукты горения, которые расширяются в сопле, можно собрать в одну газовую струю с помощью конуса (это так называемый эффект Коанда), а затем эту струю отправлять в турбину. Под действием этих газов турбина будет вращаться. Таким образом, частично работу турбины можно будет использовать для приведения в движение кораблей, а частично – для выработки энергии, которая необходима для корабельного оборудования и различных систем.

Сами двигатели можно производить без подвижных частей, что значительно упростит их конструкцию, что, в свою очередь, снизит стоимость силовой установки в целом. Но это только в перспективе. Перед тем, как запускать новые двигатели в серийное производство, необходимо решить немало непростых задач, одной из которых является подбор прочных термостойких материалов.

Отметим, что в данный момент ротационные детонационные двигатели считаются одними из наиболее перспективных двигателей. Разработками их также занимаются ученые из Техасского университета в Арлингтоне. Силовая установка, которая были ими создана, была названа «двигателем непрерывной детонации». В том же университете проводятся исследования по подбору различных диаметров кольцевых камер и различных топливных смесей, в состав которых входят водород и воздух или кислород в различных пропорциях.

В России также ведутся разработки в данном направлении. Так, в 2011 году, по словам управляющего директора научно-производственного объединения «Сатурн» И.Федорова, силами ученых Научно-технического центра имени Люльки, ведутся разработки пульсирующего воздушного реактивного двигателя. Работа ведется параллельно с разработками перспективного двигателя, получившего название «Изделие 129» для Т-50. Помимо этого, Федоров также сказал, что объединение ведет исследования по созданию перспективных самолетов следующего этапа, которые, как предполагается, будут беспилотными.

При этом руководитель не уточнил, о каком именно виде пульсирующего двигателя идет речь. В данный момент известны три типа таких двигателей – бесклапанный, клапанный и детонационный. Общепринятым, между тем, признан факт, что пульсирующие двигатели являются наиболее простыми и дешевыми в производстве.

На сегодняшний день некоторые крупные оборонные фирмы занимаются проведением исследований в сфере создания пульсирующих высокоэффективных реактивных двигателей. Среди этих фирм – американские Pratt & Whitney и General Electric и французская SNECMA.

Таким образом, можно сделать определенные выводы: создание нового перспективного двигателя имеет определенные трудности. Главная проблема в данный момент заключается в теории: что именно происходит при движении ударной детонационной волны по кругу, известно лишь в общих чертах, а это в значительной степени усложняет процесс оптимизации разработок. Поэтому новая технология, хотя и имеет очень большую привлекательность, но в масштабах промышленного производства она малореализуема.

Однако если исследователям удастся разобраться с теоретическими вопросами, можно будет говорить о настоящем прорыве. Ведь турбины используются не только на транспорте, но и в энергетической сфере, в которой повышение КПД может иметь еще более сильный эффект.

Использованы материалы:
http://science.compulenta.ru/719064/
http://lenta.ru/articles/2012/11/08/detonation/

Ракетные двигатели - одна из вершин технического прогресса. Работающие на пределе материалы, сотни атмосфер, тысячи градусов и сотни тонн тяги - это не может не восхищать. Но разных двигателей много, какие же из них самые лучшие? Чьи инженеры поднимутся на пьедестал почета? Пришло, наконец, время со всей прямотой ответить на этот вопрос.

К сожалению, по внешнему виду двигателя нельзя сказать, насколько он замечательный. Приходится закапываться в скучные цифры характеристик каждого двигателя. Но их много, какую выбрать?

Мощнее

Несмотря на всю мощь, твердотопливные ускорители сложно назвать символом технического прогресса, потому что конструктивно они являются всего лишь стальным (или композитным, но это неважно) цилиндром с топливом. Во-вторых, эти ускорители вымерли вместе с шаттлами в 2011 году, что подрывает впечатление их успешности. Да, те, кто следят за новостями о новой американской сверхтяжелой ракете SLS скажут мне, что для нее разрабатываются новые твердотопливные ускорители, тяга которых составит уже 1600 тонн, но, во-первых, полетит эта ракета еще не скоро, не раньше конца 2018 года. А во-вторых, концепция «возьмем больше сегментов с топливом, чтобы тяга была еще больше» является экстенсивным путем развития, при желании, можно поставить еще больше сегментов и получить еще большую тягу, предел тут пока не достигнут, и незаметно, чтобы этот путь вел к техническому совершенству.

Второе место по тяге держит отечественный жидкостной двигатель РД-171М - 793 тонны.

Четыре камеры сгорания - это один двигатель. И человек для масштаба

Казалось бы - вот он, наш герой. Но, если это лучший двигатель, где его успех? Ладно, ракета «Энергия» погибла под обломками развалившегося Советского Союза, а «Зенит» прикончила политика отношений России и Украины. Но почему США покупают у нас не этот замечательный двигатель, а вдвое меньший РД-180? Почему РД-180, начинавшийся как «половинка» РД-170, сейчас выдает больше, чем половину тяги РД-170 - целых 416 тонн? Странно. Непонятно.

Третье и четвертое места по тяге занимают двигатели с ракет, которые больше не летают. Твердотопливному UA1207 (714 тонн), стоявшему на Титане IV, и звезде лунной программы двигателю F-1 (679 тонн) почему-то не помогли дожить до сегодняшнего дня выдающиеся показатели по мощности. Может быть, какой-нибудь другой параметр важнее?

Эффективнее

Удельный импульс показывает, сколько секунд двигатель может развивать тягу в 1 Ньютон на одном килограмме топлива

Рекордсмены по тяге оказываются, в лучшем случае, в середине списка, если отсортировать его по удельному импульсу, а F-1 с твердотопливными ускорителями оказываются глубоко в хвосте. Казалось бы, вот она, важнейшая характеристика. Но посмотрим на лидеров списка. С показателем 9620 секунд на первом месте располагается малоизвестный электрореактивный двигатель HiPEP

Это не пожар в микроволновке, а настоящий ракетный двигатель. Правда, микроволновка ему все-таки приходится очень отдаленным родственником...

Двигатель HiPEP разрабатывался для закрытого проекта зонда для исследования лун Юпитера, и работы по нему были остановлены в 2005 году. На испытаниях прототип двигателя, как говорит официальный отчет NASA, развил удельный импульс 9620 секунд, потребляя 40 кВт энергии.

Второе и третье места занимают еще не летавшие электрореактивные двигатели VASIMR (5000 секунд) и NEXT (4100 секунд), показавшие свои характеристики на испытательных стендах. А летавшие в космос двигатели (например, серия отечественных двигателей СПД от ОКБ «Факел») имеют показатели до 3000 секунд.

Двигатели серии СПД. Кто сказал «классные колонки с подсветкой»?

Почему же эти двигатели еще не вытеснили все остальные? Ответ прост, если мы посмотрим на другие их параметры. Тяга электрореактивных двигателей измеряется, увы, в граммах, а в атмосфере они вообще не могут работать. Поэтому собрать на таких двигателях сверхэффективную ракету-носитель не получится. А в космосе они требуют киловатты энергии, что не всякие спутники могут себе позволить. Поэтому электрореактивные двигатели используются, в основном, только на межпланетных станциях и геостационарных коммуникационных спутниках.

Ну, хорошо, скажет читатель, отбросим электрореактивные двигатели. Кто будет рекордсменом по удельному импульсу среди химических двигателей?

С показателем 462 секунды в лидерах среди химических двигателей окажутся отечественный КВД1 и американский RL-10. И если КВД1 летал всего шесть раз в составе индийской ракеты GSLV, то RL-10 - успешный и уважаемый двигатель для верхних ступеней и разгонных блоков, прекрасно работающий уже много лет. В теории, можно собрать ракету-носитель целиком из таких двигателей, но тяга одного двигателя в 11 тонн означает, что на первую и вторую ступень их придется ставить десятками, и желающих так делать нет.

Можно ли совместить большую тягу и высокий удельный импульс? Химические двигатели уперлись в законы нашего мира (ну не горит водород с кислородом с удельным импульсом больше ~460, физика запрещает). Были проекты атомных двигателей ( , ), но дальше проектов это пока не ушло. Но, в целом, если человечество сможет скрестить высокую тягу с высоким удельным импульсом, это сделает космос доступней. Есть ли еще показатели, по которым можно оценить двигатель?

Напряженней

Камера сгорания РД-180 в музее. Обратите внимание на количество шпилек, удерживающих крышку камеры сгорания, и расстояние между ними. Хорошо видно, как тяжело удержать стремящиеся сорвать крышку 258 атмосфер давления

Четвертое место у советского РД-0120 (216 атм), который держит первенство среди водородно-кислородных двигателей и летал два раза на РН «Энергия». Пятое место тоже у нашего двигателя - РД-264 на топливной паре несимметричный диметилгидразин/азотный тетраоксид на РН «Днепр» работает с давлением в 207 атм. И только на шестом месте будет американский двигатель Спейс Шаттла RS-25 с двумястами тремя атмосферами.

Надежней

Большая фотография по ссылке

Верно и обратное - двигатель, который не отличается выдающимися значениями тяги или удельного импульса, но надежен, будет популярен. Чем длиннее история использования двигателя, тем больше статистика, и тем больше багов в нем успели отловить на уже случившихся авариях. Двигатели РД-107/108, стоящие на «Союзе», ведут свою родословную от тех самых двигателей, которые запускали первый спутник и Гагарина, и, несмотря на модернизации, имеют достаточно невысокие на сегодняшний день параметры. Но высочайшая надежность во многом окупает это.

Доступней

Двигатель Merlin-1D. Выхлоп из газогенератора как на «Атласах» шестьдесят лет назад, зато доступно

TWR

Цена

Вывод

Самый лучший ракетный двигатель - это такой двигатель, который вы можете произвести/купить , при этом он будет обладать тягой в требуемом вам диапазоне (не слишком большой или маленькой) и будет эффективным настолько(удельный импульс, давление в камере сгорания ), что его цена не станет неподъемной для вас.

И, в заключение, небольшой хит-парад двигателей, которые лично я считаю лучшими:

Семейство РД-170/180/190 . Если вы из России или можете купить российские двигатели и вам нужны мощные двигатели на первую ступень, то отличным вариантом будет семейство РД-170/180/190. Эффективные, с высокими характеристиками и отличной статистикой надежности, эти двигатели находятся на острие технологического прогресса.

Be-3 и RocketMotorTwo . Двигатели частных компаний, занимающихся суборбитальным туризмом, будут в космосе всего несколько минут, но это не мешает восхищаться красотой использованных технических решений. Водородный двигатель BE-3, перезапускаемый и дросселируемый в широком диапазоне, с тягой до 50 тонн и оригинальной схемой с открытым фазовым переходом, разработанный сравнительно небольшой командой - это круто. Что же касается RocketMotorTwo, то при всем скептицизме по отношению к Брэнсону и SpaceShipTwo, я не могу не восхищаться красотой и простотой схемы гибридного двигателя с твердым топливом и газообразным окислителем.

F-1 и J-2 В 1960-х это были самые мощные двигатели в своих классах. Да и нельзя не любить двигатели, подарившие нам такую красоту.