Что такое воздушный двигатель
Воздушно-реактивный двигатель
Воздушно-реактивный двигатель (ВРД) — тепловой реактивный двигатель, в качестве рабочего тела которого используется смесь забираемого из атмосферы воздуха и продуктов окисления топлива кислородом, содержащимся в воздухе. За счёт реакции окисления рабочее тело нагревается и, расширяясь, истекает из двигателя с большой скоростью, создавая реактивную тягу.
Воздушно-реактивные двигатели используются, как правило, для приведения в движение аппаратов, предназначенных для полётов в атмосфере.
Содержание
История
История воздушно-реактивных двигателей неразрывно связана с историей авиации. Прогресс в авиации на всём протяжении её существования обеспечивался, главным образом, прогрессом авиационных двигателей, а всё возраставшие требования, предъявляемые авиацией к двигателям, являлись мощным стимулятором развития авиационного двигателестроения.
Первый самолёт, самостоятельно оторвавшийся от Земли («Флайер-1» конструкции братьев Райт США 1903г), был оснащён поршневым двигателем внутреннего сгорания, и на протяжении сорока лет этот тип двигателя оставался основным в самолётостроении. Но к концу Второй мировой войны требование повышения мощности поршневых двигателей вошло в неразрешимое противоречие с другими требованиями, предъявляемыми к авиамоторам — компактностью и ограничением массы. Дальнейшее развитие авиации по пути совершенствования поршневого двигателя становилось невозможным, и реальной альтернативой ему явился воздушно-реактивный двигатль, различные варианты которого предлагались ещё в XVIII и XIX вв.
Первым самолётом, поднявшимся в небо с турбореактивным двигателем (ТРД) HeS 3 конструкции фон Охайна, был He 178 [источник не указан 399 дней] (фирма Хейнкель Германия), управляемый лётчиком-испытателем флюг-капитаном Эрихом Варзицем (27 августа 1939 года). Этот самолёт превосходил по скорости (700 км/ч) все поршневые истребители своего времени, максимальная скорость которых не превышала 650 км/ч, [источник не указан 399 дней] но при этом был менее экономичен, и вследствие этого имел меньший радиус действия. К тому же у него были бо́льшие скорости взлёта и посадки, чем у поршневых самолётов, из-за чего ему требовалась более длинная взлётно-посадочная полоса с качественным покрытием.
С августа 1944 года в Германии началось серийное производство реактивного истребителя-бомбардировщика Мессершмитт Me.262, оборудованного двумя турбореактивными двигателями Jumo-004 производства фирмы Юнкерс. А с ноября 1944 года начал выпускаться ещё и первый реактивный бомбардировщик Arado Ar 234 Blitz с теми же двигателями. Единственным реактивным самолётом союзников по антигитлеровской коалиции, формально принимавшим участие во Второй мировой войне, был «Глостер Метеор» (Великобритания) с ТРД Rolls-Royce Derwent 8 конструкции Ф. Уиттла (серийное производство которого началось даже раньше, чем немецких). [источник не указан 399 дней]
В послевоенные годы реактивное двигателестроение открыло новые возможности в авиации: полёты на скоростях, превышающих скорость звука, и создание самолётов с грузоподъёмностью, многократно превышающей грузоподъёмность поршневых самолётов.
Первым отечественным серийным реактивным самолётом был истребитель Як-15 (1946 г), разработанный в рекордные сроки на базе планера Як-3 и адаптации трофейного двигателя Jumo-004, выполненной в моторостроительном КБ В. Я. Климова под обозначением РД-10. [3]
А уже через год прошёл государственные испытания первый, полностью оригинальный, отечественный турбореактивный двигатель ТР-1, [4] разработанный в КБ А. М. Люльки (ныне НПО «Сатурн»).
Первым отечественным реактивным пассажирским авиалайнером был Ту-104 (1955 г), оборудованный двумя турбореактивными двигателями РД-3М-500 (АМ-3М-500), разработанными в КБ А. А. Микулина.
Запатентованный ещё в 1913 г, прямоточный воздушно-реактивный двигатель (ПВРД) привлекал конструкторов простотой своего устройства, но главное — своей потенциальной способностью работать на сверхзвуковых скоростях и в самых высоких, наиболее разреженных слоях атмосферы, то есть в условиях, в которых ВРД других типов неработоспособны или малоэффективны. В 1930-е годы с этим типом двигателей проводились эксперименты в США (Уильям Эвери), в СССР (Ф. А. Цандер, Б. С. Стечкин, Ю. А. Победоносцев).
Пульсирующий воздушно-реактивный двигатель (ПуВРД) был изобретён в XIX веке шведским изобретателем Мартином Вибергом. [источник не указан 399 дней] Наиболее известным летательным аппаратом (и единственным серийным) c ПуВРД Argus As-014 производства фирмы Argus-Werken, явился немецкий самолёт-снаряд Фау-1. После войны исследования в области пульсирующих воздушно-реактивных двигателей продолжились во Франции (компания SNECMA) и в США (Pratt & Whitney, General Electric), кроме того, благодаря простоте и дешевизне, маленькие двигатели этого типа стали очень популярны среди авиамоделистов, и в любительской авиации, и появились коммерческие фирмы, производящие на продажу для этих целей ПуВРД и клапаны к ним (быстроизнашивающаяся запчасть). [9]
Общие принципы работы
Реактивная тяга
Воздушно-реактивный двигатель — реактивный двигатель, развивающий тягу за счёт реактивной струи рабочего тела, истекающего из сопла двигателя. С этой точки зрения ВРД подобен ракетному двигателю (РД), но отличается от последнего тем, что большую часть рабочего тела он забирает из окружающей среды — атмосферы, в том числе и кислород, используемый в ВРД в качестве окислителя. Благодаря этому ВРД обладает преимуществом в сравнении с ракетным двигателем при полётах в атмосфере. Если летательный аппарат, оборудованный ракетным двигателем должен транспортировать как горючее, так и окислитель, масса которого больше массы горючего в 2-8 раз, в зависимости от вида горючего, то аппарат, оснащённый ВРД должен иметь на борту только запас горючего.
Рабочее тело ВРД на выходе из сопла представляет собой смесь продуктов сгорания горючего с оставшимися после выгорания кислорода фракциями воздуха. Если для полного окисления 1 кг керосина (обычного горючего для ВРД) требуется около 3,4 кг чистого кислорода, то, учитывая, что атмосферный воздух содержит лишь 23 % кислорода по массе, для полного окисления этого горючего требуется 14,8 кг воздуха, и, следовательно, рабочее тело, как минимум, на 94 % своей массы состоит из исходного атмосферного воздуха. На практике в ВРД, как правило, имеет место избыток расхода воздуха (иногда — в несколько раз, по сравнению с минимально необходимым для полного окисления горючего), например, в турбореактивных двигателях массовый расход горючего составляет 1 % — 2 % от расхода воздуха. [10] Это позволяет при анализе работы ВРД, во многих случаях, без большого ущерба для точности, считать рабочее тело ВРД, как на выходе, так и на входе, одним и тем же веществом — атмосферным воздухом, а расход рабочего тела через любое сечение проточной части двигателя — одинаковым.
Динамику ВРД можно представить следующим образом: рабочее тело, поступает в двигатель со скоростью полёта, а покидает его со скоростью истечения реактивной струи из сопла. Из баланса импульса, получается простое выражение для реактивной тяги ВРД: [10]
(1)
Где 
— сила тяги, 
— скорость полёта, 
— скорость истечения реактивной струи (относительно двигателя), 
— секундный расход массы рабочего тела через двигатель. Очевидно, ВРД эффективен (создаёт тягу) только в случае, когда скорость истечения рабочего тела из сопла двигателя превышает скорость полёта: 
v» border=»0″ />.
Скорость истечения газа из сопла теплового реактивного двигателя зависит от химического состава рабочего тела, его абсолютной температуры на входе в сопло, и от степени расширения рабочего тела в сопле двигателя (отношения давления на входе в сопло к давлению на его срезе).
Химический состав рабочего тела для всех ВРД можно считать одинаковым, что же касается температуры, и степени расширения, которые достигаются рабочим телом в процессе работы двигателя — имеют место большие различия для разных типов ВРД и разных образцов ВРД одного типа.
С учётом вышесказанного можно сформулировать и главные недостатки ВРД в сравнении с РД:
Термодинамические свойства
Термодинамика процесса превращения тепла в работу для ПВРД и ТРД описывается циклом Брайтона, а для ПуВРД — циклом Хамфри. В обоих случаях полезная работа, за счёт которой формируется реактивная струя, выполняется в ходе адиабатического расширения рабочего тела в сопле до уравнивания его статического давления с забортным, атмосферным. Таким образом, для ВРД обязательно условие: давление рабочего тела перед началом фазы расширения должно превышать атмосферное, и чем больше — тем больше полезная работа термодинамического цикла, и выше КПД двигателя. Но в окружающей среде, из которой забирается рабочее тело, оно находится при атмосферном давлении. Следовательно, чтобы ВРД мог работать, необходимо тем или иным способом повысить давление рабочего тела в двигателе по отношению к атмосферному. Основные типы ВРД (прямоточный, пульсирующий и турбореактивный) различаются, в первую очередь, способом, которым достигается необходимое повышение давления.
Эффективность
Эффективность ВРД определяют несколько КПД или коэффициентов полезного действия.
Эффективность ВРД как теплового двигателя определяет эффективный КПД двигателя:
(2)
где Q1 — количество теплоты отданное нагревателем,
Q2 — количество теплоты полученное холодильником.
Эффективность ВРД как движителя определяет полётный или тяговый КПД: 
(3)
Сравнивая формулы (1) и (3) можно прийти к выводу, что чем выше разница между скоростью истечения газов из сопла и скоростью полета, тем выше тяга двигателя и тем ниже полетный КПД. При равенстве скоростей полета и истечения газов из сопла полетный КПД будет равен 1, то есть 100 %, но тяга двигателя будет равна 0. По этой причине проектирование ВРД является компромиссом между создаваемой им тягой и его полетным КПД.
Общий или полный КПД ВРД является произведением двух приведенных выше КПД: 
(4)
Воздушно-реактивные двигатели можно разбить на две основные группы. ВРД прямой реакции, в которых тяга создается исключительно за счёт реактивной струи истекающей из сопла. И ВРД непрямой реакции, в которых тяга кроме или вместо реактивной струи создается посредством использования специального движителя, например пропеллера или несущего винта вертолёта. Применяется также классификация по признаку наличия механического воздушного компрессора в тракте двигателя: в этом случае ВРД подразделяются на бескомпрессорные (ПВРД с его вариантами, ПуВРД с его вариантами) — и компрессорные, где компрессор приводится от газовой турбины — ТРД, ТРДД, ТВД с их вариантами, а также мотокомпрессорный воздушно-реактивный двигатель, в котором компрессор приводится не от турбины, а от отдельного двигателя внутреннего сгорания (с воздушным винтом или без него).
Прямоточный воздушно-реактивный двигатель
Дозвуковые прямоточные двигатели
Дозвуковые ПВРД предназначены для полётов на скоростях с числом Маха от 0,5 до 1. Торможение и сжатие воздуха в этих двигателях происходит в расширяющемся канале входного устройства — диффузоре.
Из-за низкой степени повышения давления при торможении воздуха на дозвуковых скоростях (максимально — 1,9 при М=1) эти двигатели имеют очень низкий термический КПД (16,7% при М=1 в идеальном процессе, без учёта потерь), вследствие чего они оказались неконкурентоспособными в сравнении с авиадвигателями других типов и в настоящее время серийно не выпускаются.
Сверхзвуковые прямоточные двигатели
СПВРД предназначены для полётов в диапазоне 1-5 Махов. Торможение сверхзвукового газового потока происходит всегда разрывно (скачкообразно) с образованием ударной волны, называемой также скачком уплотнения. Чем интенсивнее скачок уплотнения, то есть чем больше изменение скорости потока на его фронте, тем больше потери давления, которые могут превышать 50 %.
Потери давления удаётся минимизировать за счёт организации сжатия не в одном, а в нескольких последовательных скачках уплотнения меньшей интенсивности, после каждого из которых скорость потока снижается. В последнем скачке скорость становится дозвуковой и дальнейшее торможение и сжатие воздуха происходит непрерывно в расширяющемся канале диффузора.
Фактором, ограничивающим рабочие скорости СПВРД сверху, является температура заторможенного воздуха, которая при M>5 превышает 1500 °C, и существенный дополнительный нагрев рабочего тела в камере сгорания становится проблематичным из-за ограничения жаропрочности конструкционных матриалов.
Гиперзвуковой ПВРД
Теоретически ГПВРД позволяет добиться более высоких полётных скоростей, по сравнению с СПВРД, за счёт того, что входной поток воздуха в ГПВРД тормозится лишь частично, так что течение рабочего тела на протяжении всей проточной части двигателя остаётся сверхзвуковым. При этом поток сохраняет бо́льшую часть своей начальной кинетической энергии, а повышение его температуры при торможении и сжатии относительно невелико. Это позволяет значительно разогреть рабочее тело, сжигая горючее в сверхзвуковом потоке, и, расширяясь, оно истекает из сопла со скоростью, превышающей скорость полёта.
Ядерный прямоточный двигатель
Возможное назначение летательного аппарата с таким двигателем — межконтинентальная крылатая ракета, носитель ядерного заряда. В обеих странах были созданы компактные малоресурсные ядерные реакторы, которые вписывались в габариты большой ракеты. В 1964 году в США, по программам исследований ядерного ПВРД «Pluto» и «Tory», были проведены стендовые огневые испытания ядерного прямоточного двигателя «Tory-IIC». Лётные испытания не проводились, программа была закрыта в июле 1964 года.
Область применения
Воздушные двигатели
Время, пространство, эфир, о которых, как источнике дармовой энергии, шла речь в наших предыдущих публикациях, вещи нематериальные. В них нечему двигаться, нагреваться, накапливать и преобразовывать энергию, а если бы они её и содержали, то было бы нечем передать турбинам, поршням, электронам тока и прочим материальным объектам. Невозможность создания двигателей на их основе очевидна. Поэтому более трезвые изобретатели perpetuum mobile берут в качестве топлива своих аппаратов объекты материальные – воздух, воду, песок, различные поля, окружающую среду и т.д. Рассмотрим двигатели на воздухе.
При словах «воздушный двигатель» сразу представляются ветряки, которые в довоенное время в СССР качали воду из колодцев, а сейчас в ряде стран Запада обеспечивают до 10 % потребляемой электроэнергии. В ветродвигателях используется энергия ветра, а фактически – Солнца, так как ветер создается неравномерным нагревом земли солнечным светом. Поэтому ветровую энергетику, строго говоря, нельзя назвать альтернативной, она уже давно стала традиционной, и мы её здесь рассматривать не будем.
У традиционных ветродвигателей есть один существенный недостаток, связанный с тем, что ветер то дует, то нет, то он слишком сильный и ломает лопасти двигателя, то слишком слаб и не может его провернуть. Поэтому приходится «сидеть у моря и ждать погоды». Наших изобретателей это не устраивает. Они руководствуются заветом Мичурина: «Мы не можем ждать милостей от природы, взять их у неё – наша задача». Для этого необходимый ветер, т.е. воздушный поток, они создают сами.
Выдающихся результатов в этом направлении добился заслуженный изобретатель Румынии из города Москвы, художник, профессор, академик Всемирной международной академии инновационных технологий Н.А. Шестеренко. Он изобрел саморазгоняющее сопло, которое скромно назвал «Насадок Шестеренко», получил на него около двух десятков патентов [1], провёл успешные испытания и дал интервью известному популяризатору лженауки С. Кашницкому из «Московского комсомольца» [2] (статья Кашницкого также опубликована под именем Даниила Земляка в газете «На грани невозможного» [3]). Шестеренко якобы ещё в 1985 – 1988 годах получил на сопло три авторских свидетельства, однако основные формулировки в описании изобретений зашифровал так, что, даже сложив три описания вместе, понять секрет устройства было невозможно. Однако в последнее время американцы раскрыли секрет изобретателя, и он начал открытое патентование своего детища.
Сопло или, по словам автора, «управляемый ураган» представляет собой трубку с различными (в зависимости от номера патента) перетяжками и вставками (рис. 1). Сопло засасывает воздух с узкого конца 1 и выбрасывает его со сверхзвуковой скоростью с широкого 2. Никакого топлива для этого не
нужно, так как, по словам автора, в карманах 3 происходит самозарядка потока энергией. Для запуска двигателя достаточно дунуть или свистнуть в трубку, а в дальнейшей работе вплоть до физического износа ревущего аппарата внешняя энергия не нужна. Если на выходном срезе сопла поставить турбину с генератором, то получим бесплатный электрический ток. Но лучше всего сопло ставить на самолет – без керосина достигнем гиперскорости! На базе такого реактивного двигателя автор обещает создать околоземный летательный аппарат, не потребляющий топлива. Что касается испытаний, то первыми удачно запустили «насадок Шестеренко» якобы австралийцы в 2002 году. Затем американцы, раскрыв секрет изобретателя, поставили насадок на ракету и в 2004 году запустили её в космос. Ракета сгорела, подтвердив идею автора. В России Шестеренко провёл испытания макета двигателя на свой страх и риск. Однако после того, как он дунул в трубочку, струя воздуха стала саморазгоняться, и когда поток достиг скорости больше 10 М, двигатель сгорел из-за трения воздуха о стальной корпус. Поэтому сейчас проверить утверждения автора невозможно.
Люди тысячи раз дули в различные трубки, но кроме свиста ничего не получали. Поэтому с уверенностью можно сказать, что и у Шестеренко никакого разгона воздуха никогда не было и не могло быть. Если бы в точках 3 и образовывался вакуум, как считает автор, то он бы засасывал воздух как с входного конца трубы 1, так и с выходного 2, не создавая тяги. Любая труба, особенно с перетяжками, не разгоняет проходящего потока воздуха, а тормозит его. К тому же, в закрытой трубе неоткуда взяться воздуху, которого при усилении скорости должно выбрасываться больше, чем засасывается. Поэтому насадок Шестеренко и его испытания – это плод фантазии автора, который, оказывается, является художником, пишущим картины, которые «излучают целительную энергию». Шестеренко написал три книги, где своё детище связал с древнеарийским «солнечным крестом».
Несмотря на безумство идеи, у изобретателя-фантазера появились поклонники и продолжатели. Ему верит журнал ИР (№ 9/2004) и восхищен В.Н. Власов из академии Тринитаризма, который улучшил сопло Шестеренко, придав ему более плавный профиль [4].
По сообщениям СМИ, Е.И. Андреев из Санкт-Петербурга открыл процесс автотермии, позволяющий автомобилю сжигать обычный атмосферный воздух, практически не потребляя топлива и не образуя токсичных выбросов. Он издал книгу [5] и подал заявку на изобретение своего «оптимизатора воздуха» [6]. В 2004 году изобретатель демонстрировал работающий на обработанном оптимизатором воздухе автомобиль ВАЗ-2106, у которого из трубы якобы выходил водяной пар и сыпался порошок графита. Сам он, как и сотни других автомобилистов, по его словам, не заправляются бензином, а питаются атмосферным воздухом уже несколько лет. Цена автотермической коробочки составляет всего 4000 рублей, а ездить на ней можно хоть всю жизнь! Когда же они появятся в открытой продаже?
Наиболее детальную проработку двигателей на искусственных воздушных струях дал Б. Кондрашов [7]. Он не только нашел бестопливный способ преобразования энергии атмосферы, не только теоретически просчитал все варианты своего двигателя и детально разработал конструкцию, но также провёл испытания и подал международную заявку [8].
Двигатель Кондрашова (рис. 2) содержит реактивное сопло 1 с эжекторной насадкой 2. В сопло 1 подается сжатый воздух из баллона 18. Воздух крутит турбины 3, 4. На полом валу 5 турбины снаружи размещены компрессоры 6, 7, закачивающие воздух обратно в баллон 18. На этом цикле происходит увеличение энергии в 2,4 раза, что, по словам автора, подтверждено как экспериментально, так и методами численного моделирования. Остается к валу 5 подсоединить динамомашину, и будет электростанция, которой не нужны нефть, газ или уголь. А можно и напрямую использовать вал как привод колёс автомобиля или винтов корабля.
Достоинством аппарата Кондрашова является замкнутый цикл работы воздуха. Поэтому его можно использовать не только в атмосфере, но и в космосе, и на подводных лодках. Как и у вышеописанных аппаратов, его единственным недостатком является неработоспособность, связанная с отсутствием движущей силы воздушной струи. Если же изобретатель опровергнет это экспериментально, построив двигатель целиком, то слава и премия Глобальная энергия ему обеспечены.
Лет десять назад один заслуженный изобретатель предложил наставить по стране трубы километровой высоты, а в них турбины. По его мнению, воздух по трубам с большой скоростью будет подниматься вверх, вращая турбины и соединенные с ними электрические генераторы, решив все энергетические проблемы. К этой идее он пришел, видимо, глядя на дым печных труб и тепловых электростанций. Однако не учёл, что дым в трубах (как и пар в градирнях), поднимается вверх потому, что он более горячий и более лёгкий, чем атмосферный воздух. В равновесных условиях, когда температуры воздуха внутри трубы и снаружи равны, никакой выталкивающей силы не будет, и воздух останется неподвижным.
Что-то подобное по внешнему виду предлагают сейчас сотрудники Тувинского института комплексного освоения природных ресурсов СО РАН из города Кызыл. Они ищут заказчика на создание генератора тепла на основе самовакуумирующейся вихревой газовой трубы [9]. В их трубе 1 (рис. 3) воздух под действием вентилятора 2 засасывается через диффузор 3.
Рис. 3
В трубе он разделяется на холодную и горячую составляющие, после чего горячий воздух через трубку 4 идет на отопление. Разделение молекул газа по скоростям, как известно, может делать только демон Максвелла. Тувинцам удалось создать такого демона с помощью эффекта Ранка! По данным авторов, стоимость устройства будет составлять всего 500 – 700 рублей, а на доработку и создание промышленного образца просят 1,7 миллиона рублей. Об энергозатратах на получение калории тепла учёные не сообщают. Не лучше ли вместо их аппарата купить в магазине электротепловентилятор?
Идеальная тепловая машина работает по циклу Карно, но КПД его ниже единицы. Кандидат физмат наук из Московского центра государственной метеорологической службы Б.В. Карасёв придумал свой цикл, КПД которого по его расчётам должен составлять 3 и даже больше [10]. Аппарат представляет собой цилиндр 1, наполненный обычным воздухом, и движущийся в нём поршень 2 (рис. 4a). Само собой разумеется, что также имеются кривошипно-шатунный механизм, коленчатый вал и маховик. На участке 1 – 2 придуманного цикла (рис. 4б) осуществляется быстрое адиабатическое расширение воздуха в цилиндре внешней силой, на изохоре 2 – 3 – тепловой контакт с окружающей средой, а на участке 3 – 1 идет медленное изотермическое сжатие воздуха. При расширении на участке 1 – 2 температура воздуха понижается и становится ниже температуры окружающей среды. Поэтому на участке 2 – 3, где температура в цилиндре повышается, идет отбор тепловой энергии от внешней среды. На участке 3 – 1 поршень засасывается в цилиндр, совершая полезную работу. При этом, по расчету автора, полезная работа А2 больше затраченной на расширение А1, что и обеспечивает режим вечного движения.
Таким образом, воздух не может решить энергетические проблемы человечества.