История появления реактивной авиации - Авиация и космонавтика - Скачать бесплатно
Содержание.
1.Введение……………………………………………………………………………………………………
2.Принцип работы и классификация реактивных
двигателей……………………………………………………………………………………………
3.Краткая история развития реактивной авиации………
4.Применение реактивной техники в
гражданской авиации……………………………………………………………………
5.Заключение………………………………………………………………………………………………
Часть 1. Введение.
История авиации характеризуется непрекращающейся борьбой за повышение
скорости полета самолетов. Первый официально зарегистрированный мировой
рекорд скорости, установленный в 1906 году, составлял всего 41,3 километра
в час. К 1910 году скорость лучших самолетов возросла до 110 километров в
час. Построенный на Русско-Балтийском заводе еще в начальный период первой
мировой войны самолет-истребитель РБВЗ-16 обладал максимальной скоростью
полета – 153 километра в час. А к началу второй мировой войны уже не
отдельные машины – тысячи самолетов летали со скоростями, превышавшими 500
километров в час.
Из механики известно, что мощность, необходимая для обеспечения
движения самолета, равна произведению силы тяги на его скорость. Таким
образом, мощность растет пропорционально кубу скорости. Следовательно,
чтобы увеличить скорость полета винтомоторного самолета в два раза
необходимо повысить мощность его двигателей в восемь раз. Это ведет к
возрастанию веса силовой установки и к значительному увеличению расхода
горючего. Как показывают расчеты, для удвоения скорости самолета, ведущего
к увеличению его веса и размеров, нужно повысить мощность поршневого
двигателя в 15-20 раз.
Но начиная со скорости полета 700-800 километров в час и по мере
приближения ее к скорости звука сопротивление воздуха увеличивается еще
более резко. Кроме того, коэффициент полезного действия воздушного винта
достаточно высок лишь при скоростях полета, не превышающих 700-800
километров в час. С дальнейшим ростом скорости он резко снижается. Поэтому,
несмотря на все старания авиаконструкторов, даже у лучших самолетов-
истребителей с поршневыми моторами мощностью 2500-3000 лошадиных сил
максимальная скорость горизонтального полета не превышала 800 километров в
час.
Как видим, для освоения больших высот и дальнейшего увеличения
скорости был нужен новый авиационный двигатель, тяга и мощность которого с
увеличением скорости полета не падали бы, а возрастали.
И такой двигатель был создан. Это – авиационный реактивный двигатель.
Он был значительно мощнее и легче громоздких винтомоторных установок.
Использование этого двигателя в конце концов позволило авиации перешагнуть
звуковой барьер.
Часть 2. Принцип работы и классификация реактивных двигателей.
Чтобы понять принцип работы реактивного двигателя, вспомним, что
происходит при выстреле из любого огнестрельного оружия. Каждому, кто
стрелял из ружья или пистолета, известно действие отдачи. В момент выстрела
пороховые газы с огромной силой равномерно давят во все стороны. Внутренние
стенки ствола, дно пули или снаряда и дно гильзы, удерживаемой затвором,
испытывают это давление.
Силы давления на стенки ствола взаимно уравновешиваются. Дав-ление
пороховых газов на пулю (снаряд) вы-брасывает ее из вин-товки (орудия), а
дав-ление газов на дно гильзы и является при-чиной отдачи (рис.1).
Отдачу легко сделать и источником непрерывного движения. Вообразим
себе, например, что мы поставили на легкую тележку станковый пехотный
пулемет. Тогда при непрекращающейся стрельбе из пулемета она покатится под
влиянием толчков отдачи в сторону, противоположную направлению стрельбы.
На таком принципе и основано действие реактивного двигателя.
Источником движения в реактивном двигателе служит реакция или отдача
газовой струи.
В закрытом сосуде находится сжатый газ
(рис.2а). Давление газа равномерно
распределяется на стенки сосуда, который при
этом остается неподвижным. Но если удалить
одну из торцовых стенок сосуда, то сжатый
газ, стремясь расшириться, начнет быстро
вытекать из отверстия наружу.
Давление газа на противоположную по отношению к отверстию стенку уже
не будет уравновешиваться, и сосуд, если он не закреплен, начнет двигаться
(рис.2б). Важно отметить, что чем больше давление газа, тем больше скорость
его истечения, и тем быстрее будет двигаться сосуд.
Для работы реактивного двигателя достаточно сжигать в резервуаре порох
или иное горючее вещество. Тогда избыточное давление в сосуде вынудит газы
непрерывно вытекать в виде струи продуктов сгорания в атмосферу со
скоростью тем большей, чем выше давление внутри самого резервуара и чем
меньше давление снаружи. Истечение газов из сосуда происходит под влиянием
силы давления, совподающей с направлением выходящей через отверстие струи.
Следовательно неизбежно появится и другая сила равной величины и
противоположного направления. Она-то и заставит резервуар двигаться. Эта
сила носит название силы реактивной тяги.
Все реактивные двигатели можно подразделить на несколько основных
классов . Рассмотрим группировку реактивных двигателей по роду
используемого в них окислителя (рис.3).
В первую группу вхо-дят реактивные
двигатели с собственным окислителем, так
называемые ракетные двигатели. Эта
группа в свою очередь состоит из двух
классов: ПРД – пороховых реактивных дви-
гателей и ЖРД – жидкостных реактивных
двигателей.
В пороховых реактив-ных двигателях
топливо од-новременно содержит горю-чее
и необходимый для его сгорания
окислитель. Прос-тейшим ПРД является
хорошо всем известная фейерве-рочная
ракета. В таком двигателе порох сгорает
в течение нескольких секунд или даже
долей секунды. Развиваемая при этом
реактивная тяга довольно значительна.
Запас топлива ограничен объемом камеры
сгорания.
В конструктивном отношении ПРД исключительно прост. Он может
применяться как непродолжительно работающая, но создающая все же достаточно
большую силу тяги установка.
В жидкостных реактивных двигателях в состав топлива в состав топлива
входит какая-либо горючая жидкость (обычно керосин или спирт) и жидкий
кислород или какое-нибудь кислородосодержащее вещество (например, перекись
водорода или азотная кислота). Кислород или заменяющее его вещество,
необходимое для сжигания горючего, принято называть окислителем. При работе
ЖРД горючее и окислитель непрерывно поступают в камеру сгорания; продукты
сгорания извергаются наружу через сопло.
Жидкостный и пороховой реактивные двигатели, в отличие от остальных,
способны работать в безвоздушном пространстве.
Вторую группу образуют воздушно-реактивные двигатели – ВРД,
использующие окислитель из воздуха. Они в свою очередь подразделяются на
три класса: прямоточные ВРД (ПВРД), пульсирующие ВРД (ПуВРД), и
турбореактивные двигатели (ТРД).
В прямоточном (или бескомпрессорном) ВРД го-рючее сжигается в камере
сгорания в атмосферном воздухе, сжатом своим собственным скоростным на-
пором (рис.4). Сжатие воз-духа осуществляется по за-кону Бернулли. Согласно
этому закону, при движении жидкости или газа по расширяющемуся каналу ско-
рость струи уменьшается, что ведет к повышению дав-ления газа или жидкости.
Для этого в ПВРД предусмотрен диффузор – расширяющийся канал, по
которому атмосферный воздух попадает в камеру сгорания.
Площадь выходного сечения сопла обычно значительно больше площади
входного сечения диффузора. Кроме того по поверхности диффузора давление
распределяется иначе и имеет большие значения, чем на стенках сопла. В
результате действия всех этих сил возникает реактивная тяга.
КПД прямоточного ВРД при скорости полета 1000 километров в час равен
примерно 8-9%. А при увеличении этой скорости в 2 раза КПД в ряде случаев
может достигнуть 30% - выше, чем у поршневого авиадвигателя. Но надо
заметить, что ПВРД обладает существенным недостатком: такой двигатель не
дает тяги на месте и не может, следовательно, обеспечить самостоятельный
взлет самолета.
Сложнее устроен турбореактивный двигатель (ТРД). В полете встречный
воздух проходит через переднее входное отверстие к компрессору и сжимается
в несколько раз (рис.5). Сжатый компрессором воздух попадает в камеру
сгорания, куда впрыскивается жидкое горючее (обычно керосин); образующиеся
при сгорании этой смеси газы подаются к лопаткам газовой турбины.
Диск турбины за-креплен на одном валу с колесом компрессора, поэтому
горячие газы, проходящие через турби-ну, приводят ее во вра-щение вместе с
компрес-сором. Из турбины газы попадают в сопло. Здесь давление их падает,
а скорость возрастает. Выходящая из двигателя газовая струя создает
реактивную тягу.
В отличие от прямоточного ВРД турбореактивный двигатель способен
развивать тягу и при работе на месте. Он может самостоятельно обеспечить
взлет самолета. Для запуска ТРД применяются специальные пусковые
устройства: электростартеры и газотурбостартеры.
Экономичность ТРД на дозвуковых скоростях полета намного выше, чем
прямоточного ВРД. И только на сверхзвуковых скоростях порядка 2000
километров в час расход горючего для обоих типов двигателей становится
примерно одинаковым.
Часть 3. Краткая история развития
реактивной авиации.
Самым известным и наиболее простым реактивным двигателем является
пороховая ракета, много столетий назад изобретенная в древнем Китае.
Естественно, что пороховая ракета оказалась первым реактивным двигателем,
который попытались использовать в качестве авиационной силовой установки.
В самом ночале 30-х годов в СССР развернулись работы, связанные с
созданием реактивного двигателя для летательных аппаратов. Советский
инженер Ф.А.Цандер еще в 1920 году высказал идею высотного ракетного
самолета. Его двигатель “ОР-2”, работавший на бензине и жидком кислороде,
предназначался для установки на опытный самолет.
В Германии при участии инженеров Валье, Зенгера, Опеля и Штаммера
начиная с 1926 года систематически производились эксперименты с пороховыми
ракетами, устанавливавшимися на автомобиль, велосипед, дрезину и, наконец,
на самолет. В 1928 году были получены первые практические результаты:
ракетный автомобиль показал скорость около 100 км/час, а дрезина – до 300
км/час. В июне того же года был осуществлен первый полет самолета с
пороховым реактивным двигателем. На высоте 30 м. Этот самолет пролетел 1,5
км., продержавшись в воздухе всего одну минуту. Спустя немногим более года
полет был повторен, причем была достигнута скорость полета 150 км/час.
К концу 30-х годов нашего века в разных странах велись
исследовательские, конструкторские и экспериментальные работы по созданию
самолетов с реактивными двигателями.
В 1939 году в СССР состоялись летные испытания прямоточных воздушно-
реактивных двигателей (ПВРД) на самолете “И-15” конструкции
Н.Н.Поликарпова. ПВРД конструкции И.А.Меркулова были установлены на нижних
плоскостях самолета в качестве дополнительных моторов. Первые полеты
проводил опытный летчик-испытатель П.Е.Логинов. На заданной высоте он
разгонял машину до максимальной скорости и включал реактивные двигатели.
Тяга дополнительных ПВРД увеличивала максимальную скорость полета. В 1939
году были отработаны надежный запуск двигателя в полете и устойчивость
процесса горения. В полете летчик мог неоднократно включать и выключать
двигатель и регулировать его тягу. 25 января 1940 года после заводской
отработки двигателей и проверки их безопасности во многих полетах
состоялось официальное испытание - полет самолета с ПВРД. Стартовав с
Центрального аэродрома имени Фрунзе в Москве, летчик Логинов включил на
небольшой высоте реактивные двигатели и сделал несколько кругов над районом
аэродрома.
Эти полеты летчика Логинова в 1939 и 1940 годах были первыми полетами
на самолете со вспомогательными ПВРД. Вслед за ним в испытании этого
двигателя приняли участие летчики-испытатели Н.А.Сопоцко, А.В.Давыдов и
А.И.Жуков. Летом 1940 года эти двигатели были установлены и испытаны на
истребителе И-153 “Чайка” конструкции Н.Н.Поликарпова. Они увеличивали
скорость самолета на 40-50 км/час.
Однако при скоростях полета, которые могли развивать винтовые
самолеты, дополнительные бескомпрессорные ВРД расходовали очень много
горючего. Есть у ПВРД еще один важный недостаток: такой двигатель не дает
тяги на месте и не может, следовательно, обеспечить самостоятельный взлет
самолета. Это означает, что самолет с подобным двигателем должен быть
обязательно снабжен какой-либо вспомогательной стартовой силовой
установкой, например винтомоторной, иначе ему не подняться в воздух.
В конце 30-х – начале 40-х годов нашего столетия разрабатывались и
испытывались первые самолеты с реактивными двигателями других типов.
Один из первых полетов человека на самолете с жидкостным реактивным
двигателем (ЖРД) был также совершен в СССР. Советский летчик В.П.Федоров в
феврале 1940 года испытал в воздухе ЖРД отечественной конструкции. Летным
испытаниям предшествовала большая подготовительная работа. Спроектированный
инженером Л.С.Душкиным ЖРД с регулируемой тягой прошел всесторонние
заводские испытания на стенде. Затем его установили на планер конструкции
С.П.Королева. После того, как двигатель успешно прошел наземные испытания
на планере, приступили к летным испытаниям. Реактивный самолет
отбуксировали обычным винтовым самолетом на высоту 2 км. На этой высоте
летчик Федоров отцепил трос и, отлетев на некоторое расстояние от самолета-
буксировщика, включил ЖРД. Двигатель устойчиво работал до полного
израсходования топлива. По окончании моторного полета летчик благополучно
спланировал и приземлился на аэродроме.
Эти летные испытания явились важной ступенью на пути создания
скоростного реактивного самолета.
Вскоре советский конструктор В.Ф.Болховитинов спроектировал самолет,
на котором в качестве силовой установки был использован ЖРД Л.С.Душкина.
Несмотря на трудности военного времени, уже в декабре 1941 года двигатель
был построен. Параллельно создавался и самолет. Проектирование и постройка
этого первого в мире истребителя с ЖРД были завершены в рекордно короткий
срок: всего за 40 дней. Одновременно шла подготовка и к летным испытаниям.
Проведение первых испытаний в воздухе новой машины, получившей марку “БИ”,
было возложено на летчика-испытателя капитана Г.Я.Бахчиванджи.
15 мая 1942 года состоялся первый полет боевого самолета с ЖРД. Это
был небольшой остроносый самолет-моноплан с убирающимся в полете шасси и
хвостовым колесом. В носовом отсеке фюзеляжа помещались две пушки калибром
20 мм, боезапас к ним и радиоаппаратура. Далее были расположены кабина
пилота, закрытая фонарем, и топливные баки. В хвостовой части находился
двигатель. Полетные испытания прошли успешно.
В годы Великой Отечественной войны советские авиаконструкторы работали
и над другими типами истребителей с ЖРД. Конструкторский коллектив,
руководимый Н.Н.Поликарповым, создал боевой самолет “Малютка”. Другой
коллектив конструкторов во главе с М.К.Тихонравовым разработал реактивный
истребитель марки “302”.
Работы по созданию боевых реактивных самолетов широко проводились и за
рубежом.
В июне 1942 года состоялся первый полет немецкого реактивного
истребителя-перехватчика “Ме-163” конструкции Мессершмитта (рис.6). Только
девятый вариант этого самолета был запущен в серийное производство в 1944
году.
Впервые этот самолет с ЖРД был применен в боевой обстановке в середине
1944 года при вторжении союзни-ческих войск во Францию. Он предназначался
для борьбы с бомбардировщиками и истре-бителями противника над немецкой
территорией. Само-лет представлял собой моноплан без горизонталь-ного
хвостового оперения, что оказалось возможным благодаря большой стрело-
видности крыла.
Фюзеляжу была придана обтекаемая форма. Наружные поверхности самолета
были очень гладкие. В носовом отсеке фюзеляжа размещалась ветрянка для
привода генератора электросистемы самолета. В хвостовой части фюзеляжа
устанавливался двигатель – ЖРД с тягой до 15 кН. Между корпусом двигателя и
обшивкой машины имелась огнеупорная прокладка. Баки с горючим были
размещены в крыльях, а с окислителями – внутри фюзеляжа. Обычного шасси на
самолете не было. Взлет происходил с помощью специальной стартовой тележки
и хвостового колеса. Сразу же после взлета эта тележка сбрасывалась, а
хвостовое колесо убиралось внутрь фюзеляжа. Управление самолетом
производилось посредством руля поворота, установленного, как обычно, за
килем, и размещенных в плоскости крыла рулей высоты, которые одновременно
являлись и элеронами. Посадка производилась на стальную посадочную лыжу
длиной около 1,8 метра с полозом шириной 16 сантиметров. Обычно самолет
взлетал, используя тягу установленного на нем двигателя. Однако по замыслу
конструктора была предусмотрена возможность использования подвесных
стартовых ракет, которые сбрасывались после взлета, а также возможность
буксировки другим самолетом до нужной высоты. При работе ЖРД в режиме
полной тяги самолет мог набирать высоту почти по вертикали. Размах крыльев
самолета составлял 9,3 метра, его длина – около 6 метров. Полетный вес при
взлете был равен 4,1 тонны, при посадке – 2,1 тонны; следовательно, за все
время моторного полета самолет становился почти вдвое легче – расходовал
примерно 2 тонны топлива. Длина разбега была более 900 метров,
скороподъемность – до 150 метров в секунду. Высоту в 6 километров самолет
достигал через 2,5 минуты после взлета. Потолок машины был 13,2 километра.
При непрерывной работе ЖРД полет продолжался до 8 минут. Обычно по
достижении боевой высоты двигатель работал не непрерывно, а периодически,
причем самолет то планировал, то разгонялся. В результате общая
продолжительность полета могла быть доведена до 25 минут и даже более. Для
такого режима работы характерны значительные ускорения: при включении ЖРД
на скорости 240 километров в час самолет достигал скорости 800 километров в
час спустя 20 секунд (за это время он пролетал 5,6 километров со средним
ускорением 8 метров в секунду квадрат). У земли этот самолет развивал
максимальную скорость 825 километров в час, а в интервале высот 4-12
километров его максимальная скорость возрастала до 900 километров в час.
В тот же период в ряде стран велись интенсивные работы по созданию
воздушно-реактивных двигателей (ВРД) различных типов и конструкций. В
Советском Союзе, как уже говорилось, испытывался прямоточный ВРД,
установленный на самолете-истребителе.
В Италии в августе 1940 года был совершен первый 10-минутный полет
реактивного самолета-моноплана “Кампини-Капрони СС-2” (рис.7). На этом
самолете был установлен так называемый мотокомпрессорный ВРД (этот тип ВРД
не рассматривался в обзоре реактивных двигате-лей, так как он оказался
невыгодным и распространения не получил). Воздух входил через специальное
отверстие в передней части фюзеляжа в трубу переменного сечения, где
поджимался компрессором, который получал вращение от расположенного позади
звез-дообразного поршневого авиа-мотора мощностью 440 лошади-ных сил.
Затем поток сжатого воздуха омывал этот поршневой мотор воздушного
охлаждения и несколько нагревался. Перед поступлением в камеру сгорания
воздух смешивался с выхлопными газами от этого мотора. В камере сгорания,
куда впрыскивалось топливо, в результате его сжигания температура воздуха
повышалась еще больше.
Газовоздушная смесь, вытекавшая из
сопла в хвост-овой части фюзеляжа, созда-
вала реактивную тягу этой силовой
установки. Площадь выходного сечения
реактивно-го сопла регулировалась пос-
редством конуса, могущего перемещаться
вдоль оси сопла. Кабина пилота распо-
лагалась вверху фюзеляжа над трубой для
потока воздуха, проходящей через весь фюзе-
ляж. В ноябре 1941 года на этом самолете
|
