«Реактивное движение в авиации»

Тамбовское областное государственное общеобразовательное учреждение Общеобразовательная школа – интернат с первоначальной летной подготовкой имени М. М. РасковойРефератТема:«Реактивное движение в авиации»Выполнил: воспитанник 102 взвода Козлов Антон Руководитель: Пеливан В.С. Тамбов 2006 гСОДЕРЖАНИЕ1. Вступление. Что такое реактивное движение?2. Значение реактивного движения в авиации.3. Что представляют из себя реактивные двигатели?А) принцип действия современных авиационных газотурбинных двигателей;Б) турбореактивные двигатели;В) двухконтурные турбореактивные двигатели;Г) турбовинтовые двигатели.4. Заключение. Применение реактивных двигателей.^ РЕАКТИВНОЕ ДВИЖЕНИЕ В АВИАЦИИ1. Вступление. Что такое реактивное движение? Человек движется, отталкиваясь от земли; лодка плывет потому, что гребцы отталкиваются веслами от воды; теплоход также отталкивается от воды, только не веслами, а винтами. Также отталкиваются от земли и поезд, идущий по рельсам, и автомашина.Таким образом, отталкивание от опоры — как будто бы не­обходимое условие движения; даже самолет и тот дви­жется, отталкиваясь винтом от воздуха. Однако так ли это? Нет ли какого-нибудь хитрого способа двигаться, ни от чего не отталкиваясь? Если вы катаетесь на коньках, то легко можете убедиться на своем опыте, что такое движение вполне возмож­но. Возьмите в руки тяжелую палку и встаньте па лед. Бросьте палку впе­ред — что произойдет? Вы покатитесь назад, хотя и не думали отталкиваться ногой ото льда. Возникает явление отдачи, оно дает ключ к осу­ществлению движения без опоры, движения без от­талкивания. Отдача дает возможность ускорять дви­жение и в безвоздушном пространстве, где уж решительно не от чего отталки­ваться. Отдача, вызываемая выбрасываемой из сосуда струей пара (реакция струи), использовалась еще в древности для создания любопытных игрушек. На рис. изоб­ражена древняя паровая турбина, изобретенная во втором веке до нашей эры. Шаровой котел опирался на вертикальную ось. Вытекая из котла через коленчатые трубки, пар толкал эти трубки в обратном направле­нии, и шар вращался. Такое движение назвали реактивным движением. В наши дни использование реактивного движения уже вышло далеко за пределы создания игрушек и сбора интересных наблюдений. Двадцатый век назы­вают иногда веком атомной энергии, однако с не мень­шим основанием его можно назвать веком реактивного движения, так как трудно переоценить те далекие последствия, к которым приведет использование мощ­ных реактивных двигателей. Это не только революция в самолетостроении, это начало общения человека со Вселенной. Можно привести достаточно много примеров реактивного движения. (на слайде) Принцип реактивного движения позволил создать самолеты, движущиеся со скоростью в несколько тысяч километров в час, летающие снаряды, поднимающиеся на высоту в сотни километров над Землей, искусствен­ные спутники Земли и космические ракеты, совершаю­щие межпланетные путешествия.^ 2. Значение реактивного движения в авиации.Поговорим далее о значении реактивного движения в авиации. Как объяснить то, что современная авиация почти вся стала реактивной? Развитие техники требовало и требует совершенствования авиации, повышения летно- технических данных самолетов и вертолетов, в частности роста скоростей и высоты полета. Но с ростом скоростей самолета возрастает и сопротивление атмосферы его движению. При скоростях, близких к скорости звука, т. е. к 1200 км/ч, сопротивление воздуха становится пропорциональным кубу скорости: при увеличении скорости полета самолета вдвое сопротивление воздуха возрастает в 23, т. е. в 8 раз. Значит, для равномерного движения самолета и сила тяги двигателя должна возрасти в 8 раз. Но мощность N выражается произведением силы тяги на скорость, а скорость тоже возрастает в 2 раза. В итоге мощность двигателей самолета для удвоения его скорости должна возрасти в 2 ∙ 8 = 16 раз. Однако с увеличением мощности двигателей и числа их на самолете возрастает его вес. Более того, количество горючего для такого самолета требуется не равное с прежним, а в 8 раз большее, что также утяжеляет самолет и требует увеличения размера его крыла. В результате рост веса и миделевого сечения самолета сводит на нет постановку большего числа и более мощных двигателей.Вот почему поршневые самолеты, т. е. самолеты с двигателями внутреннего сгорания, оказались не в состоянии летать со скоростями около 800 км/ч, а официальный рекорд скорости для самолета с поршневым двигателем – 755 км/ч – так и остался непревзойденным. Вместе с тем мощность поршневого двигателя падает с ростом высоты полета. Чем выше – тем реже воздух, тем меньшее количество окислителя – кислорода воздуха – поступает в двигатель при каждом ходе поршня. Требуется на самолет ставить компрессор, который тоже увеличивает вес самолета. Все изложенные и другие технические соображения заставили авиацию перейти от поршневых к реактивным двигателям. Сбылось научное предвидение Константина Эдуардовича Циолковского, высказанное им в 1930 г. в работе «Реактивный аэроплан», о том, что «за эрой аэропланов винтовых должна следовать эра аэропланов реактивных или аэропланов стратосферы». Предсказание К. Э. Циолковского сбылось довольно скоро. Уже в феврале 1940 г. советский летчик В. К. Федоров испытывает первый в мире самолет СК-9 с реактивным двигателем конструкции В. П. Глушко. А 15 мая 1942 г. летчик-испытатель Г. Я. Бахчиванджи поднял в небо над землей первый в мире реактивный истребитель БИ конструкции В. Ф. Болховитинова с жидкостным реактивным двигателем. Современный реактивный авиационный двигатель сравнительно прост в устройстве, легок, экономичен, и коэффициент полезного действия его не убывает, а возрастает с ростом потолка и скорости полета самолета. Сравним реактивный турбокомпрессорный двигатель, с поршневым авиационным двигателем внутреннего сгорания. Турбо реактивный двигатель, обеспечивающий самолету силу тяги в 2000 кгс (19,6кН) и скорость 1000км/ч, имеет вес 700кгс, или 6860 Н, и расходует в час 2 т керосина, а для достижения таких же результатов поршневой двигатель должен был бы иметь вес 4000 кгс (39200 Н) и расходовать за час 2,5 т бензина. Если на поршневом самолете рекорд скорости остановился на 755 км/ч, то сейчас уже есть самолеты, развивающие скорость 4000 км/ч. Если рекорд высоты на поршневом самолете составил 14575 м, то на серийном самолете типа Е-66 летчик-испытатель Г.К. Мосолов достиг рекордной высоты 34714 м! Экспериментальные реактивные самолеты поднимались на высоту свыше 40 км над землей. Есть два вида реактивных самолетов: турбовинтовые и турбореактивные. Что у них общего и различного? Общее то, что у самолетов и того и другого вида реактивные двигатели. А различие состоит в том, что у турбореактивного самолета тяга обеспечивается непосредственно реактивными потоками продуктов сгорания топлива. У самолетов же турбовинтовых тяга реактивного потока приводит во вращение винт самолета через газовую турбину и редуктор. Можно отметить, что развитием реактивной авиационной техники наша страна может поистине гордиться. Так из 1085 различных мировых авиационных рекордов, официально регистрируемых ФАИ – Международной авиационной федерацией, 478, или свыше 44%, принадлежит нашей стране. В сентябре 1957 г. только что вышедший из трассы Аэрофлота самолет Ту-104 А совершил перелет из Москвы в Нью-Йорк и обратно. Это был первый в истории перелет через Атлантический океан пассажирского реактивного самолета. В Макгайре все американские авиаспециалисты, познакомившиеся с самолетом, в том числе известный конструктор самолетов и вертолетов И. Сикорский, дали Ту-104 А наивысшую оценку. Один из высших офицеров ВВС США Ренеджер, осмотрев самолет, сказал: «Очень хороший самолет. Его нельзя сравнить ни с одним существующим в мире. Это все равно что пересесть с лошади на автомобиль». Двигатели Ту-104 А развивали такую мощность (свыше 75000 л. с., или 55200 кВт), что равных им не было в то время ни в одной стране мира ни в военно-воздушных силах, ни тем более в гражданской авиации. В сентябре 1988 г. на Британской международной авиационной выставке в Фарнборо летчик-испытатель Анатолий Квочур на истребителе МиГ-29 впервые в истории авиации выполнил новую фигуру высшего пилотажа «колокол». Самолет остановился и завис вертикально в воздухе с последующим скольжением на хвост. Это вызвало фурор среди зрителей. А в июне 1989 г. на авиакосмическом салоне в Бурже (Франция) наш летчик-испытатель Виктор Пугачев на самолете-перехватчике Су-27 впервые в истории авиации выполнил новую фигуру высшего пилотажа – движение самолета с углом атаки в 1200, практически вперед двигателями, находящимися в хвостовой части самолета. Родилась перед восхищенными зрителями новая фигура высшего пилотажа – «кобра Пугачева». Наконец, в августе 1989 г. выполнил успешный полет первый в мире самолет Ту-155 на криогенном топливе – сжиженном природном газе.^ 3. Что представляют из себя реактивные двигатели?Реактивный двигатель — это машина, из которой выбрасываются с большой силой образующиеся при горении топлива газы. Какие реактивные двигатели используются в авиации? Как было уже сказано, в послевоенные годы на смену поршневым двигателям пришли газотурбинные (ГТД), которые позволили существенно увеличить скорость, высоту и дальность полета самолетов. Газотурбинные двигатели обладают благоприятным изменением тягово-экономических характеристик по скорости полета: их тяга при увеличении скорости возрастает, достигая максимума при высоких сверхзвуковых скоростях, что обеспечивает большие мощности при приемлемых расходах топлива, габаритных размерах и массе силовой установки. Рассмотрим авиационные ГТД подробнее.Принцип действия современных авиационных газотурбинных двигателей^ Рабочий процесс. Основой рабочего процесса в ГТД яв­ляются термодинамические циклы. Все авиационные ГТД рабо­тают по общему термодинамическому циклу, состоящему из тер­модинамических процессов сжатия воздуха в воздухозаборнике и компрессоре, подогрева воздуха в камере сгорания при сгорании топлива и расширения образовавшегося сжатого и нагретого газа в турбине и выходном устройстве. В каждом ГТД имеется газо­генератор, образуемый компрессором, камерой сгорания и турби­ной. На выходе из газогенератора газовый поток имеет высокие температуру и давление, т. е. высокую потенциальную энергию, так как располагаемая работа расширения газа значительно пре­вышает потребную работу сжатия воздуха в компрессоре. Эта избыточная потенциальная энергия (полезная работа термодина­мического цикла) может быть трансформирована в тягу или мощ­ность двигателя различными способами в зависимости от типа газотурбинного двигателя. Существуют три основных типа авиационных ГТД: турбореак­тивные, двухконтурные турбореактивные и турбовинтовые (турбовальные). В турбореактивных двигателях (рис. 2) почти вся избыточная потенциальная энергия преобразуется в кинетическую при расширении газа в выходном устройстве, чем обеспечи­вается ускорение газового потока до высокой скорости и создание тяги. В некоторых турбореактивных двигателях для увеличения скорости истечения газа, а следовательно, тяги применяется форсажная камера, устанавливаемая за газогенератором, в которой к газу подводится дополнительное тепло. Рис. 2. Принципиальная схема турбореактивного двигателя: 1- входное устройство; 2- компрессор; 3- камера сгорания; 4- турбина; 5- выходное устройствоНа дозвуковых скоростях полета обычно оказывается доста­точной тяга ТРД при приемлемой экономичности силовой уста­новки. Включение форсажа на этих скоростях увеличивает тягу, однако существенно ухудшает экономичность двигателя, поэтому форсаж используется кратковременно. При достаточно высоких сверхзвуковых скоростях полета включение форсажа становится выгодным и в длительном полете, так как тяга при этом увеличи­вается в несколько раз, а расход топлива возрастает умеренно. Вследствие этого ТРД применяются на военных и гражданских дозвуковых, а ТРДФ на военных сверхзвуковых самолетах. Кроме того, применение ТРДФ целесообразно и на сверхзвуковых пас­сажирских самолетах.В двухконтурных турбореактивных двигателях тяга образуется в двух, как правило, соосных контурах (трактах) — газовом и воздушном, причем возможно истечение потоков через раздельные реактивные сопла или смешение потоков воздуха и газа и истечение смеси через общее реактивное сопло. Внутренний контур (первый, или газовый) является газогене­ратором, работающим, как ТРД, в котором часть потенциальной энергии газа расходуется на создание тяги, а другая часть пере­дастся во внешний контур. Внешний контур (второй, или воздуш­ный) является генератором сжатого воздуха и состоит из вход­ного устройства, компрессора внешнего контура (вентилятора) с последующим кольцевым каналом и реактивного сопла. Энергия сжатого воздуха трансформируется в тягу внешнего контура. На сжатие воздуха компрессором внешнего контура затрачивается мощность турбины, расположенной во внутреннем контуре. Тяга двигателя с раздельными реактивными соплами склады­вается из суммы тяг внутреннего и внешнего контуров, причем в зависимости от параметров двигателя и режима его работы соотношение тяг изменяется в очень широких пределах. В ДТРД с общим реактивным соплом турбокомпрессорная часть двигателя работает аналогично турбокомпрессорной части ДТРД с раздель­ными реактивными соплами, однако газовый поток внутреннего контура после расширения в турбине смешивается в камере сме­шения с воздушным потоком внешнего контура. При расширении в реактивном сопле газовоздушная смесь приобретает высокую скорость, создавая тягу двигателя. В результате происходящего выравнивания поля температур по сечению перед реактивным соп­лом может произойти некоторое увеличение тяги и улучшение экономичности такого двигателя по сравнению с двигателем, имею­щим раздельные реактивные сопла. Относительно невысокая скорость истечения газа из ДТРД создает хорошую экономичность этих двигателей на дозвуковых скоростях полета вследствие относительно невысоких потерь с ки­нетической энергией газовой струи. Следует отметить, что по этой же причине уровень шума газовой струи ДТРД ниже, чем у ТРД, так как уровень шума реактивной струи в значительной степени зависит от ее скорости. Для существенного увеличения тяги двухконтурного двигателя применяется форсажная камера (рис. 3), устанавливаемая за сме­сителем и работающая аналогично форсажной камере ТРДФ. Рассматривается также схема двигателя с форсажем во внешнем контуре (ДТРДФП). Рис. 3. Принципиальная схема двухконтурного турбореактивного двигателя с форсажной камерой по­сле смешения: 1- вентилятор; 2- компрессор высокого давления; 3- камера сгорания; 4- турбина компрессора; 6- смеситель; 7- форсажная камера; 8- регулируемое реактивное сопло; 9- канал внешнего контура; 10- входное устройствоДТРДФ обладают по сравнению с ТРДФ большей экономич­ностью на дозвуковых скоростях полета и могут обеспечить почти одинаковый с ТРДФ расход топлива при высоком уровне тяги на сверхзвуковых скоростях полета. В турбовинтовых двигателях (рис. 4) основная доля избыточной потенциальной энергии газа в турбине преобра­зуется в мощность, передаваемую на воздушный винт самолета, Рис. 4. Принципиальная схема ТВД: 1 - воздушный винт; 2- входное устройство; 3- редуктор; 4- компрессор; 5- камера сгорания; 6- турбина; 7- выходное устройствоа затем в тягу винта, некоторая доля потенциальной энергии — и кинетическую энергию реактивной струи, т. е. в реактивную тягу. Таким образом, тяга ТВД складывается из двух составляю­щих. Воздушный поток, проходящий через винт, разгоняется до невысокой скорости, в связи с чем потери с кинетической энергией воздушной струи еще меньше, чем в ДТРД, что предопределяет высокую экономичность ТВД на малых дозвуковых скоростях по­лета. С увеличением скорости полета экономичность турбовинтового двигателя снижается, в частности, из-за уменьшения КПД воздушного винта. Для согласования оптимальных частот враще­ния ротора турбокомпрессора и вала винта применяется редуктор с передаточным отношением от 5: 1 до 15: 1, существенно утяжеляющий конструкцию и усложняющий эксплуатацию силовой установки. По этим причинам ТВД практически оказались вытесненными на дозвуковых транспортных и пассажирских самолетах двухконтурными двигателями и применяются лишь на некоторых типах транспортных самолетов с малой скоростью полета.4. Заключение.В настоящее время ТРД и ТРДФ имеют широкое распростра­нение в военной авиации и применяются на летательных аппара­тах различного назначения. Военные самолеты с ТРД и ТРДФ состоят на вооружении всех развитых стран и продолжают успеш­но эксплуатироваться, однако новые боевые самолеты с ТРД и ТРДФ в настоящее время не проектируются. Турбореактивные двигатели применяются на дозвуковых военных и гражданских самолетах: например, двигатель «Атар» 8К-50 — на палубном истребителе «Супер Этандар», J57 (рис. 5) - на бомбардировщике B-52G, «Вайпер» 600 — на служебном самолете HS-125, маломощный WR2-6 - нa беспилотных самолетах-мишенях и т. д. Турбореактивные двигатели с форсажем применяются на сверхзвуковых самолетах: например, дви­гатель J79 — на истребителе «Фантом», «Олимп» 593 — на сверх­звуковом пассажирском самолете «Конкорд» и т. д. В-52G F-4 «Фантом» Наиболее распространенным в настоящее время в авиации типом ГТД является двухконтурный турбореактивный двигатель. В военной авиации, в частности в истребительной, применяются ДТРДФ, например для истребителя F-15, для многоцелевого самолета «Торнадо», для истребителя – бомбардировщика «Ягуар» и т. д. В-45 «Торнадо» F-10F «Ягуар» «Торнадо» (англ.)Турбовинтовые и турбовальные двигатели применяются для самолетов с малой и умеренной дозвуковой скоростью полета и вертолетов. Примером такого мощного турбовального ГТД может служить двигатель, устанавли­ваемый на вертолете Ми-6; на вооружение Военно-Воздушных Сил были приняты стратегический бомбардировщик с ТВД, военно-транспортные са­молеты Ан-8, Ан-12 и самолет-гигант Ан-22 с четырьмя мощными ТВД. Ан-12 Ан-22 Ми-6Развитию теории и совершенствованию конструкции авиацион­ных газотурбинных двигателей в значительной мере способство­вали труды отечественных ученых, работников научно-исследова­тельских и учебных институтов, конструкторских бюро. Основы теории воздушно—реактивных двигателей были разработаны и опу­бликованы еще в 1929 г. советским ученым Б. С. Стечкиным. В 1937 г. советский авиационный конструктор А. М. Люлька пред­ложил схему и проект ДТРД со смешением потоков. В послевоен­ные годы усилиями специалистов научно-исследовательских ин­ститутов, и прежде всего Центрального института авиационного моторостроения им. П. И. Баранова, конструкторских бюро, руко­водимых известными конструкторами В. Я. Климовым, А. А. Микулиным, С. К. Туманским, А. М. Люлькой, Н. Д. Кузнецовым, В. А. Добрыниным, А. Г. Ивченко, С. П. Изотовым, П. А. Соловь­евым, В. А. Лотаревым и другими, и заводов в Советском Союзе были созданы совершенные реактивные двигатели с современ­ным уровнем технических данных, большим ресурсом и высокой надежностью. Крупнейшие зарубежные авиадвигателестроительные фирмы — «Дженерал электрик» и «Пратт-Уитни» (США), «Роллс-Ройс» (Великобритания), SNECMA (Франция) и другие также добились определенных успехов в создании двигателей различного назначения, для которых был найден ряд оригиналь­ных конструктивно-технологических решений. Т.о. можно сказать, что реактивное движение совершило целый переворот в авиации и переоценить его значение невозможно.СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ1. Ландау Л. Д., Китайгородский А. И. Физика для всех (кн. 1): - Физические тела. – М: Наука, 1984 2. Пономарев Б. А. Настоящее и будущее авиационных двигателей. – М: Воениздат, 1982 3. Иванов А. С., Проказа А. Т. Мир механики и техники. – М.: Просвещение, 1993