Реактивные двигатели

История появления реактивного двигателя

К концу второй мировой войны широкое распространение получили новые виды вооружения и боевые машины, работаю­щие по принципу реактивного действия.

Наряду с давно известными осветительными и сигнальными ракетами и небольшими реактивными снарядами появились усовершенствованные реактивные снаряды различного назна­чения, вплоть до реактивных снарядов типа ФАУ-2, поднимаю­щихся до высоты около 100 км, несущих заряд взрывчатого вещества около 1000 кг и пролетающих с невиданными скоро­стями сотни километров. Созданы и самолеты с реактивными двигателями, развивающие скорости, значительно большие, чем самолеты с обычной винтомоторной установкой. Появились и самолеты-снаряды, направляемые без летчика на цели, удален­ные за сотни километров.

Для всех этих видов боевой техники тягу создают реактив­ные двигатели.

Первые сорок лет своего бурного прогресса авиация раз­вивалась на основе использования винтомоторной группы с поршневым двигателем внутреннего сгорания и только в самые последние годы на самолете появился реактивный двигатель. Между тем реактивный двигатель несравненно старше поршне­вого двигателя внутреннего сгорания. Ведь бензиновый мотор лишь немногим старше самолета — он появился во второй по­ловине XIX века, а паровой поршневой двигатель создан в кон­це XVIII века. Реактивный же двигатель, — во всяком случае принцип его действия, — известен с глубокой древности и осу­ществлен в виде пороховой ракеты также много столетий назад.

Древняя китайская легенда рассказывает о попытке соз­дать летательную машину, которая взлетала бы с помощью пороховых ракет (порох был известен в Китае значительно раньше, чем его «изобрели» европейцы).

Легенда эта такова. 3a несколько столетий до нашей эры высокопоставленный китайский чиновник («мандарин») по име­ни Ван-Гу намеревался совершить полет с помощью пороховых ракет и воздушных змеев. Он изготовил особый аппарат, раз­местил под ним 47 ракет, прикрепил к сидению два больших воздушных змея и между, ними уселся сам. Сорок семь при­служников должны были одновременно поджечь все ракеты. Но по какой-то причине одна из ракет взорвалась раньше, чем нужно было, и подожгла другие ракеты, отчего машина загоре­лась, причем сгорел и сам изобретатель.

Эта первая, известная нам, попытка построить «самолет с реактивным двигателем» была сделана более двух тысяч лет на­зад.

В средние века появились пороховые ракеты и в европей­ских странах, причем их использовали для военного дела и для забавы. Впрочем, о ракетах в Европе стало известно еще в V веке. Так, римский поэт Клавдиан, описывая праздник в Милане в 399 г., указывает, что были выпущены ракеты. Мар­кус Грек применял ракеты в 843 г. Но во всех этих ракетах взрывчатый состав был плох и поэтому ракеты не получили развития.

Потребовалось много времени, чтобы на простейшей по­роховой ракеты родился мощный реактивный двигатель.

Коротко попытаюсь объяснить, что такое ракета и на каком принципе основано устройство этого простейшего реактивного двигателя.

Принцип действия реактивного двигателя основан на так называемом третьем законе Ньютона.

В

Рис. 1. Схема сил, действующих на стенки закрытого сосуда. Внешние силы представляют собой атмосфер­ное давление, внутренние—давление газов, образовавшихся в результате сгорания топлива.

I

В

Рис. 2. Схема равнодействующих сил, воздействующих на стенки закрытого сосуда. Силы попарно равны и направлены в противо­положные стороны. Давление уравновешенной системы сил вос­принимается стенками сосуда.

В

Этот закон, сформулированный Ньютоном в 1686 г., гласит: «всякому действию всегда есть равное и про­тивоположное противодействие». Или иначе: «действие равно и прямо противоположно противодействию». Таким образом всякая действую­щая сила вызывает другую силу, равную ей по величине, но направленную в противоположную сторону. Закону Ньютона подчинены и силы, которые действуют в реактивном двигателе.

Если в закрытом со всех сторон сосуде поджечь какое-либо топливо, то выделяющиеся в результате его горения газы, рас­ширяясь под действием тепла, будут равномерно давить из­нутри на стенки сосуда. Снаружи стенки сосуда будут подвержены давлению атмосферного воздуха. Схема действия сил изнутри и снаружи показана на рис. 1.

Применяя законы механики можно заменить в рас­четах силы, равномерно действующие на одну из поверхностей тела, одной равнодействующей силой. После такой за­мены схема действия сил на сосуд примет вид, показанный на рис. 2. Силы, вызванные давлением атмосферного воздуха, обозначенные на схеме буквой Р0, будут действовать на стенки сосуда снаружи, а силы давлении газов, обозначенные буквой Р, дей­ствуют на стенки сосуда внутри.

Силы Р по величине взаимно попарно равны и направлены в противоположные стороны. Такая система сил будет взаим­но уравновешенной системой, т.к. если, например, по горизонтальной оси А действует сила в одном направлении, то другая такая же по величине сила действует по этой же оси в противоположном на­правлении.

Рис. 3. Схема сил, действую­щих на стенки сосуда с от­верстием. Система сил не- уравновешена. Газы, выры­ваясь через отверстие на­ружу, создают реактивную силу, направленную в сто­рону, противоположную выходу струи газа.

Силы Р0 будут оказывать постоян­ное давление на стенки сосуда и их система будет тоже уравновешенной.

Силы от давления газов и от ат­мосферного давления будут уравнове­шены силой сопротивления стенок со­суда, если их прочность будет хорошей. Поэтому сосуд останется неподвижным.

Величина сил Р зависит от рода и количества сгораемого топлива и мо­жет быть очень большой. Величина сил Р0 зависит от состояния атмосфе­ры (от погоды) и уменьшается с увеличением вы­соты.

Если в сосуде сделать отверстие С (рис. 3), то равновесие системы сил Р нарушится. Взаимно уравновешенны­ми останутся только силы, действую­щие по вертикальной оси. В этом случае газы, находящиеся под давлением в сосуде, с большой скоростью будут выбрасываться («вытекать») через отверстие С наружу до тех пор, пока давление внутри сосуда не сравняется с атмо­сферным. Тогда равновесие сил, действующих по оси А, должно нарушиться. В этом случае энергия, выделившаяся при сго­рании топлива, преобразуется в кинетическую энер­гию, т. е. в энергию движения частиц газа, вылетающих из отверстия С. При вытекании струи газов из камеры возникает сила, направленная в сторону движения струи.

На рис. 3 эта сила R' и направлена вправо. Величина силы R' зависит от массы вытекающих газов и от скорости их истечения.

По третьему закону Ньютона при возникновении какой-ли­бо силы должна возникнуть равная ей по величине, но проти­воположно направленная сила. На рис. 3 эта сила обозначена буквой R и направлена влево. Под действием этой силы сосуд станет двигаться в направлении, противоположном истечению газов. Следует иметь в виду, что сосуд придет в движение не в результате отталкивания его от окружающего воздуха струей отходящих газов, а в результате взаимодействия сосуда со струей газа: сосуд, выбрасывая струю, сам отталки­вается от нее.

Поэтому движение происходит и при отсутствии воздуха, т. е. в вакууме.

Сила, которая появляется в результате истечения продуктов сго­рания через отверстие в сосуде, направленная в сторону, про­тивоположную выбросу газов, называется реактивной силой. Движение, вызываемое реактивной силой, называется реактивным движением, а устройство, при помощи кото­рого создается реактивная сила, называется реактивным

двигателем.

Рис. 4. Схематический чертеж поро­ховой ракеты. Это—простейший ре­активный двигатель, работающий на твердом топливе, одновременно яв­ляющийся и простейшим летатель­ным аппаратом.

Таким образом реактивный двигатель, как и любой дру­гой двигатель, превращает один вид энергии в другой. В нашем случае энергию тепла, находящуюся в топливе, он преобразует в кинетиче­скую энергию массы продук­тов сгорания, причем часть энергии он использует на ра­боту движения.

Показанный на рис.3 сосуд и есть примитивный реактив­ный двигатель.

Если этому сосуду придать снаружи обтекаемую форму, для того чтобы уменьшить силу сопротивления воздуха, воз­никающую при его движении вперед, а к отверстию для выхода газов приделать постепенно расширяющуюся насадку для лучше­го использования энергии тепла, то это и есть простейшая ракета.

Корпус ракеты в то же время служит сосудом для сжига­ния топлива, т. е. элементом двигателя, его камерой сгора­ния. В этом случае простейший летательный аппарат и про­стейший реактивный двигатель совмещаются в одно целое. При­мером такого устройства может служить показанная на рис. 4 пороховая ракета, применявшаяся ранее и применяе­мая в настоящее время. Она состоит из корпуса 1 обтекаемой формы, который в хвостовой части оканчивается расширяю­щейся насадкой 2, называемым соплом. Внутренняя по­лость 3 корпуса, где происходит сгорание топлива, называет­ся камерой сгорания. Здесь топливо сгорает и продукты сгорания сильно нагреваются и поэтому потенциаль­ная энергия газов преобразуется в кинетическую. Форма соп­ла подбирается такой, чтобы в процессе(выброса) истечения газов уве­личивалась их скорость.

В камеру сгорания закладывают пороховой смесь и под­жигают ее. Образовавшиеся при сгорании этого состава го­рячие газы выбрасываются с большой скоростью через сопло в окружающую среду, и реактивная сила толкает ракету в про­тивоположную сторону.

Примеры реактивного движения встречаются и в приро­де: в растительном мире, мире живых микроорганизмов.

Существует растение, называемое «бешеный огурец». В момент отваливания от ветки созревшего плода семена это­го растения вылетают из верхней части плода на большое расстояние, а оболочка летит в противоположном направ­лении.

Рис. 5. Морское жи­вотное — каракатица, представляющее со­бой подобие простей­шего водяного реак­тивного двигателя.

Морское животное каракатица (рис. 5) является своеобразным природным водяным ре­активным двигателем. У нее на теле есть складка А в виде мантии. В полость между этой складкой и туловищем через отверстие В каракатица вбирает в себя воду, а затем с силой выбрасывает ее через ворон­кообразное отверстие С, вследствие чего сама каракатица движется в другую сторону.

Реакцией вытесняемой из тела воды движется и другое морское животное - с а л ь п а. Так же перемещаются и ме­дузы.

Действие реактивной силы человек отчетливо чувствует, когда, стоя на коньках на льду, он бросает с силой груз вперед. При этом человек, несколько откатывается назад. Такой же эффект проявляется при бросании груза в горизонтальном направлении с лодки — лодка при этом несколько отталкивается в противоположном направлении. Толчок в плечо при выстреле из ружья и есть действие реактивной силы. При выстреле пуля вылетает из ствола, а ружье дает «отдачу», т. е. реактивная сила давит на плечо. Откат ствола орудия при стрельбе -это результат действия реактивной силы.

Литература

«Энциклопедический словарь Брокгауза и Ефрона» / 1892г., С-Петербург, т.5А, Т.9А

Бриллинг Н.Р. / Двигатели внутреннего сгорания, Госиздат,1927г.

Родных А.А. /Ракеты и ракетные корабли, ОНТИ НКАП, 1934г.

Применко А.Е./Реактивные двигатели их развитие и применение, Оборонгиз, Москва,1947г.