"Аэродинамику придумали те, кто не умеет строить мощные двигатели"
Самолет на то и самолет, что должен сам летать. Однако, без двигателей лететь он никуда не сможет. Только если с посторонней помощью...
С самого начала истории самолетостроения проблема создания достаточно мощного и легкого двигателя стояла особенно остро. Как известно (во всяком случае, так считают), первый полет на самолете с моторчиком, построенным братьями Райт, состоялся в 1903 году. На их летательном аппарате был установлен легкий поршневой двигатель, большая часть конструктивных элементов которого была выполнена из алюминия.
Здесь мы кратко рассмотрим, какие двигатели используются в авиации, и как они работают. Статья будет состоять из двух частей:
- в первой - рассмотрим самые распространенные двигатели;
- во второй - всякую ху экзотику.
Поршневые двигатели.
Поршневые двигатели люди видят каждый день. Они используются в автомобилях, садовой технике (да, я про то самое противное тарахтение газонокосилок под окном в 7 утра воскресенья, брр), и еще куче всякой техники.
Принцип их заключается в следующем: в цилиндре находится поршень, который плотно прилегает к стенкам, и одновременно легко в этом самом цилиндре перемещается. В цилиндр через впускную систему попадает топливо-воздушная смесь, сжимается поршнем и воспламеняется, толкая поршень. Поршень через шатун передает свою энергию на коленчатый вал, заставляя последний вращаться. Крутящий момент от коленчатого вала передается через редуктор на движитель - воздушный винт самолета или несущий/хвостовой винт вертолета.
Поршневые двигатели различаются очень значительно - как по количеству цилиндров (от одного до нескольких десятков), их расположению (рядные, звездообразные, оппозитные, V-образные...), рабочему объему (от нескольких кубических сантиметров до десятков литров), по принципу воспламенения и используемому топливу (бензиновые и дизельные) и прочим факторам.
В середине прошлого века конструкторы достигли максимальной скорости, которую может развить самолет с поршневым двигателем. Рекордсменом стал немецкий самолет Do.335, имеющий максимальную скорость в 758 км/ч на высоте 6500 метров (информация из Википедии). Кстати, самолетик имел весьма эпатажный облик.
Дальнейшее увеличение скорости полета очень затруднительно - чтобы быстрее вращать воздушный винт, необходимо значительное повышение мощности двигателя. Плюс, с ростом высоты существенно уменьшалась располагаемая тяга. Не подходит для быстрых полетов...
Турбореактивные двигатели.
Турбореактивный двигатель - это огромная керосиновая горелка. Шутка. На самом деле, в нем используется совершенно тот же принцип, что и у поршневого ДВС, но с некоторыми нюансами. Взглянем на схему турбореактивного двигателя:
Цикл его работы повторяет цикл работы поршневого ДВС: в компрессор засасывается воздух, по мере его продвижения по тракту двигателя он сжимается и нагревается, затем попадает в камеру сгорания, смешивается с топливом, которое сгорает, еще сильнее нагревается и движется дальше. Затем раскаленный газ попадает на турбину - диск с лопатками специальной формы. Напор горячего газа попадает на эти лопатки, заставляя вращаться компрессор, жестко соединенный с турбиной, за счет избытка энергии. После всех этих кругов ада, горячий газ через сопло с безумной скоростью вылетает на свободу, создавая тягу. Прикольно, да? Получается непрерывный цикл впуск-сжатие-горение-выпуск.
В плане скорости полета, ТРД имеет неоспоримое преимущество - с увеличением скорости полета увеличивается тяга двигателя.
Вторым преимуществом является меньшее сечение двигателя по сравнению с поршневым ДВС, что позволяет уменьшить сопротивление.
Третий плюс ТРД - огромная скорость истечения газов из сопла. На таком двигателе можно разогнаться быстрее звука.
Одни плюсы, правда? Не совсем. Конструктивно такие двигатели сложнее, чем поршневые, потребляют больше топлива. Поэтому не на все самолеты их можно поставить. Да и не нужно.
ТРД различаются типами компрессоров, количеством контуров, наличием/отсутствием форсажа.
Очень важное замечание. Турбина - это часть турбореактивного двигателя, а не сленговое его название. Поэтому когда говорят что-то типа "турбина самолета" - уточняйте, что человек имел ввиду. И потом поправляйте его, как самый настоящий зануда.
Турбовентиляторные и турбовинтовые двигатели.
В ТРД огромное количество энергии теряется на выходе из сопла, улетая в пустота. Это плохо, особенно для авиации. Чтобы повысить эффективность ТРД и сохранить его преимущества, придумали турбовентиляторные двигатели, смотрите на картинку:
Здесь получается так, что к турбореактивному двигателю прикрутили еще одну турбинку, которая крутит огромный вентилятор. Валы вентилятора и газогенератора - а именно так и называется ТРД, который создает струю горячего газа, не имеют жесткой механической связи, только газодинамическую. В таком случае получается двухконтурный ТРД с большой степенью двухконтурности. Эти страшные термины отдельно рассмотрим, не расслабляемся :)
Такое решение позволяет обеспечить большой расход воздуха, а соответственно и тягу, а также высокий показатель экономичности. А еще такие двигатели значительно менее шумные, чем просто ТРД. Именно турбовентиляторные и турбовинтовые двигатели стоят на пассажирских и грузовых дозвуковых самолетах.
Аналогично работает и турбовинтовой двигатель, только вместо вентилятора - пропеллер. Такой двигатель ставят на дозвуковых самолетах. Воздушный винт на этих скоростях имеет высокий КПД. Однако, он достаточно шумный. Гул таких движков слышно очень далеко...
Существует байка, что самолет Ту-95, на котором как раз установлены турбовинтовые двигатели, слышно с борта подводной лодки.
Что у турбовентиляторного, что у турбовинтового двигателя, часть реактивной струи создает тягу. О как. Всю энергию - в дело!
На этом часть 1 завершаем. Самые распространенные двигатели мы рассмотрели. Во второй части рассмотрим некую экзотику. Спасибо за внимание, подписывайтесь :)
