Войти
Схема импульсного реактивного двигателя Двигатель с импульсным сгоранием вместо непрерывного A импульсного двигателя (или импульсный реактивный двигатель ) представляет собой тип реактивного двигателя, в котором сгорание происходит в импульсах. Импульсный реактивный двигатель может быть выполнен с несколькими движущимися частями или без них и может работать в статическом режиме (т. Е. Ему не нужно нагнетать воздух во впускное отверстие, как правило, за счет поступательного движения).
Импульсные реактивные двигатели представляют собой легкую форму реактивного движения, но обычно имеют низкую степень сжатия и, следовательно, дают низкий удельный импульс.
Одно примечательное направление исследований в области импульсных реактивных двигателей Двигатели включают в себя импульсный детонационный двигатель , который включает в себя повторяющиеся детонации в двигателе и который потенциально может обеспечить высокую степень сжатия и достаточно хороший КПД.
Есть два основных типа импульсных реактивных двигателей, оба из которых используют резонансное сгорание и используют расширяющиеся продукты сгорания для образования пульсирующей выхлопной струи, которая периодически создает тягу.
Импульсные струйные двигатели с клапанами используют механический клапан для управления потоком расширяющихся выхлопных газов, заставляя горячий газ выходить из задней части двигателя только через выхлопную трубу и позволяя свежим воздух и больше топлива поступают через впускное отверстие , поскольку инерция выходящего выхлопа создает частичный вакуум в течение доли секунды после каждой детонации. Это втягивает дополнительный воздух и топливо между импульсами.
Импульсно-струйный клапан с клапаном включает впуск с односторонним клапаном. Клапаны предотвращают выход взрывоопасного газа из воспламененной топливной смеси в камере сгорания и нарушение потока всасываемого воздуха, хотя во всех практических импульсных форсунках с клапанами существует некоторая «обратная струя воздуха» при статической работе или на низкой скорости, так как клапаны не могут закрываться достаточно быстро, чтобы предотвратить выход некоторого количества газа через впускное отверстие. Перегретые выхлопные газы выходят через акустически резонансную выхлопную трубу.
Впускной клапан обычно представляет собой язычковый клапан. Две наиболее распространенные конфигурации - это распределительный клапан и прямоугольная распределительная сетка. Клапан ромашки состоит из тонкого листа материала, который действует как трость, нарезанный в форме стилизованной ромашки с «лепестками», которые расширяются к концам. Каждый «лепесток» на конце закрывает круглое впускное отверстие. Гирляндный клапан прикреплен к коллектору болтами через его центр. Хотя ее проще построить в небольшом масштабе, она менее эффективна, чем вентильная сетка.
Бесклапанные импульсные двигатели не имеют движущихся частей и используют только свою геометрию для управления потоком выхлопных газов из двигателя. Бесклапанные импульсные форсунки вытесняют выхлопные газы как из впускных отверстий , так и из выхлопных, но большая часть создаваемой силы уходит через более широкое поперечное сечение выхлопа. Большее количество массы, выходящей из более широкого выхлопа, имеет большую инерцию, чем обратный поток из впускного отверстия, что позволяет ему создавать частичный вакуум в течение доли секунды после каждой детонации, обращая поток впускного отверстия в правильном направлении, и следовательно, глотает больше воздуха и топлива. Это происходит десятки раз в секунду.
Бесклапанный импульсный двигатель работает по тому же принципу, что и клапанный импульсный двигатель, но «клапаном» является геометрия двигателя. Топливо в виде распыленного газа или распыленной жидкости либо смешивается с воздухом во впускном отверстии, либо непосредственно впрыскивается в камеру сгорания . Для запуска двигателя обычно требуется нагнетание воздуха и источник зажигания, такой как свеча зажигания, для топливовоздушной смеси. При современной конструкции двигателя практически любая конструкция может быть сделана самозапускающейся, если в двигатель подается топливо и искра зажигания, и двигатель запускается без сжатого воздуха. После запуска двигателю требуется только подача топлива для поддержания цикла самоподдерживающегося сгорания.
Русский изобретатель и отставной артиллерийский офицер запатентовал импульсный реактивный двигатель в 1867 году, в то время как шведский изобретатель Мартин Виберг также претендует на изобретение первого импульсного двигателя в Швеции, но подробности неясны.
Первый рабочий импульсный реактивный двигатель был запатентован в 1906 году русским инженером В.В. Караводин, завершивший работающую модель в 1907 году. Французский изобретатель Жорж Марконне запатентовал свой бесклапанный импульсный двигатель в 1908 году, а Рамон Казанова в Риполле, Испания запатентовал импульсный двигатель в Барселона в 1917 году, построив один в начале 1913 года. Роберт Годдард изобрел импульсный двигатель в 1931 году и продемонстрировал его на реактивном велосипеде. Инженер Пауль Шмидт разработал более эффективную конструкцию, основанную на модификации впускных клапанов (или заслонок), чем в 1933 году получил правительственную поддержку от Министерства авиации Германии.
Рамон Казанова и сконструированный им импульсный двигатель и запатентовано в 1917 г. 
Argus As 014 импульсный реактивный двигатель летающей бомбы V-1 в Музее Королевских ВВС в Лондоне В 1934 г. Георг Маделунг а базирующийся в Мюнхене Пауль Шмидт предложил немецкому министерству авиации «летающую бомбу», работающую на импульсном двигателе Шмидта. Маделунг стал соавтором ленточного парашюта, устройства, используемого для стабилизации V-1 при его окончательном пикировании. Опытный образец бомбы Шмидта не соответствовал техническим требованиям Министерства авиации Германии, особенно из-за низкой точности, дальности и высокой стоимости. Первоначальный дизайн Шмидта предусматривал размещение импульсного двигателя в фюзеляже, как у современного реактивного истребителя, в отличие от возможного V-1, у которого двигатель располагался над боеголовкой и фюзеляжем.
Компания Аргус начала работу на основе работы Шмидта. Другими немецкими производителями, работающими над подобными импульсными реактивными двигателями и летающими бомбами, были: Роберт Люссер из Физелер, Др. Фриц Госслау из Argus и компания Siemens, которые были объединены для работы над V-1.
Теперь, когда Шмидт работал на Argus, импульсный двигатель был усовершенствован и официально известен под своим обозначением RLM как Argus As 109-014. Первое падение без двигателя произошло в Пенемюнде 28 октября 1942 года, а первый полет с двигателем - 10 декабря 1942 года.
Импульсный реактивный двигатель был оценен как отличный баланс стоимости и функциональности: простая конструкция которые хорошо зарекомендовали себя при минимальных затратах. Он мог работать на любом сорте керосина, а система заслонки зажигания не рассчитывалась на срок службы дольше одного часа обычного рабочего времени полета V-1. Хотя он создавал недостаточную тягу для взлета, резонансная струя V-1 могла работать, стоя на стартовой рампе. Простая резонансная конструкция, основанная на соотношении (8,7: 1) диаметра к длине выхлопной трубы, функционировала, чтобы продлить цикл сгорания, и достигла стабильной резонансной частоты на уровне 43 циклов в секунду. Двигатель создавал 2200 Н (490 фунтов f) статической тяги и примерно 3300 Н (740 фунтов f) в полете.
Зажигание в As 014 было обеспечено одной автомобильной свечой зажигания, установленной примерно в 75 см (30 дюймов) за передней решеткой клапанов. Искра срабатывала только во время запуска двигателя; Argus As 014, как и все импульсные реактивные двигатели, не требовал катушек зажигания или магнето для зажигания - источником зажигания был хвост предыдущего огненного шара во время запуска. Кожух двигателя не обеспечивает достаточного нагрева, чтобы вызвать воспламенение топлива дизельного типа, так как внутри импульсного реактивного двигателя имеется незначительное сжатие.
Клапанная группа Argus As 014 была основана на системе заслонок, которая работала с частотой двигателя от 43 до 45 циклов в секунду.
Три воздушных сопла в передней части Argus As 014 были подключены к внешнему источнику высокого давления для запуска двигателя. Топливо, используемое для воспламенения, было ацетилен, при этом техническим специалистам приходилось помещать перегородку из дерева или картона в выхлопную трубу, чтобы остановить диффузию ацетилена до полного воспламенения. Как только двигатель загорелся и была достигнута минимальная рабочая температура, внешние шланги и соединители были удалены.
У крылатой ракеты V-1 не было шасси, вместо этого Argus As 014 запускался по наклонной рампе с приводом от поршневой паровой катапульты. Паровая энергия для запуска поршня была создана в результате бурной экзотермической химической реакции, возникающей, когда пероксид водорода и перманганат калия (называемый T-Stoff и Z-Stoff ) объединены.
Основное военное применение импульсного реактивного двигателя, при серийном производстве блока Argus As 014 (первый импульсный реактивный двигатель, когда-либо производившееся серийно), заключалось в использовании с летающей бомбой V-1. Характерный гудящий шум двигателя принес ему прозвища «жужжащая бомба» или «болванчик». V-1 была немецкой крылатой ракетой, использовавшейся во время Второй мировой войны, наиболее известной из бомбардировок Лондона в 1944 году. Pulsejet Двигатели, будучи дешевыми и простыми в изготовлении, были очевидным выбором для конструкторов V-1, учитывая нехватку материалов и перегруженную промышленность Германии на том этапе войны. Конструкторы современных крылатых ракет не выбирают в качестве силовых установок импульсные реактивные двигатели, отдавая предпочтение турбореактивным или ракетным двигателям. Единственное другое применение Pulsejet заключалось в экспериментальном проекте Einpersonenfluggerät для немецкого Heer.
Wright Field технического персонала , реконструировавшего V-1 из останков одного из тех, кто имел не удалось взорвать в Британии. Результатом стало создание JB-2 Loon с планером, построенным Republic Aviation, и репродуктивной импульсной силовой установкой Argus As 014, известной под названием PJ31 <42.>Американское обозначение, сделанное Ford Motor Company. Генерал Хэп Арнольд из Военно-воздушных сил Соединенных Штатов был обеспокоен тем, что это оружие может быть изготовлено из стали и дерева с затратами 2000 человеко-часов и приблизительной стоимостью 600 долларов США (в 1943 году).
Анимация импульсного реактивного двигателя Импульсные реактивные двигатели отличаются простотой, невысокой стоимостью конструкции и высоким уровнем шума. В то время как удельная тяга является превосходной, удельный расход топлива тяги очень низкий. В импульсном двигателе используется цикл Ленуара, в котором отсутствует внешний привод сжатия, такой как поршень цикла Отто или турбина сжатия цикла Брайтона, вызывает сжатие с помощью акустического резонанса в трубке. Это ограничивает максимальный коэффициент давления перед сгоранием примерно до 1,2-1.
Высокий уровень шума обычно делает их непрактичными для других приложений, кроме военных и других аналогичных ограниченных областей применения. Однако импульсные струи используются в больших масштабах в качестве промышленных систем сушки, и наблюдается возрождение исследований этих двигателей для таких приложений, как высокоэффективное отопление, преобразование биомассы и альтернативные энергетические системы, поскольку пульсирующие струи могут работать практически на всем, что горит., включая топливо в виде твердых частиц, такое как опилки или угольный порошок.
Импульсные реактивные двигатели использовались для питания экспериментальных вертолетов, причем двигатели были прикреплены к концам лопастей несущего винта. При подаче энергии на винты вертолетов импульсные двигатели имеют преимущество перед турбинными или поршневыми двигателями, поскольку они не создают крутящего момента на фюзеляже, поскольку они не прикладывают силу к валу, а толкают его концы.. Тогда вертолет может быть построен без рулевого винта и связанных с ним трансмиссии и приводного вала, что упрощает летательный аппарат (циклический и коллективное управление несущим винтом все еще необходимо). Эта концепция рассматривалась еще в 1947 году, когда American Helicopter Company начала работу над своим прототипом вертолета XA-5 Top Sergeant с импульсными реактивными двигателями на концах винта. XA-5 впервые поднялся в воздух в январе 1949 года, за ним последовал XA-6 Buck Private с той же импульсной конструкцией. Также в 1949 году Hiller Helicopters построили и испытали Hiller Powerblade, первый в мире струйный ротор с горячим циклом. Хиллер перешел на установку ПВРД, но American Helicopter продолжила разработку XA-8 по контракту с армией США. Он впервые совершил полет в 1952 году и был известен как XH-26 Jet Jeep. В нем использовались импульсные струи XPJ49, установленные на концах ротора. XH-26 выполнил все свои основные проектные задачи, но армия отменила проект из-за неприемлемого уровня шума импульсных двигателей и того факта, что сопротивление импульсных двигателей на концах винта делало посадку на авторотации очень проблематичной.. Утверждается, что винтокрылая двигательная установка снижает стоимость производства винтокрылых аппаратов до 1/10 стоимости обычных винтокрылых самолетов.
Импульсные реактивные двигатели также использовались как для управления - линия и радиоуправляемая авиамодель. Рекорд скорости для авиамоделей с импульсным двигателем на линии управления превышает 200 миль в час (323 км / ч).
Скорость свободно летящего радиоуправляемого импульсного двигателя ограничена конструкцией впуска двигателя. При скорости около 450 км / ч (280 миль / ч) клапанные системы большинства двигателей перестают полностью закрываться из-за давления набегающего воздуха, что приводит к снижению производительности.
Изменяемая геометрия впуска позволяет двигателю вырабатывать полную мощность на большинстве скоростей за счет оптимизации любой скорости, с которой воздух входит в струйный двигатель. Бесклапанные конструкции не так сильно подвержены давлению набегающего воздуха, как другие конструкции, поскольку они никогда не предназначались для остановки потока из воздухозаборника и могут значительно увеличивать мощность на скорости.
Еще одной особенностью импульсных реактивных двигателей является то, что их тяга может быть увеличена с помощью воздуховода специальной формы, расположенного за двигателем. Воздуховод действует как кольцевое крыло , которое выравнивает пульсирующую тягу за счет использования аэродинамических сил в выхлопе импульсного двигателя. Канал, обычно называемый аугментером, может значительно увеличить тягу импульсного двигателя без дополнительного расхода топлива. Возможно увеличение тяги на 100%, что приведет к гораздо более высокой топливной эффективности. Однако чем больше канал аугментера, тем большее сопротивление он создает, и он эффективен только в определенных диапазонах скоростей.
Схема Pulsejet. Первая часть цикла: воздух проходит через впускное отверстие (1) и смешивается с топливом (2). Вторая часть: клапан (3) закрывается, и воспламененная топливно-воздушная смесь (4) приводит в движение корабль. Цикл сгорания состоит из пяти или шести фаз в зависимости от двигателя: индукционный, компрессионный, (опционально) впрыск топлива, Зажигание, сгорание и выхлоп.
Начиная с воспламенения в камере сгорания, высокое давление повышается за счет сгорания топливно-воздушной смеси. Сжатый газ от сгорания не может выходить вперед через односторонний впускной клапан и поэтому выходит только назад через выхлопную трубу.
Инерционная реакция этого газового потока заставляет двигатель создавать тягу, которая используется для приведения в движение планера или лопасти несущего винта. Инерция движущегося выхлопного газа вызывает низкое давление в камере сгорания. Это давление меньше, чем давление на входе (перед односторонним клапаном), и поэтому начинается фаза индукции цикла.
В простейшем из импульсных реактивных двигателей это впуск осуществляется через трубку Вентури, которая обеспечивает всасывание топлива из источника топлива. В более сложных двигателях топливо может впрыскиваться непосредственно в камеру сгорания. Когда идет фаза индукции, топливо в распыленной форме впрыскивается в камеру сгорания, чтобы заполнить вакуум, образовавшийся в результате вылета предыдущего огненного шара; распыленное топливо пытается заполнить всю трубу, включая выхлопную трубу. Это заставляет распыленное топливо в задней части камеры сгорания «вспыхивать», поскольку оно вступает в контакт с горячими газами предшествующего газового столба - в результате этого вспышка «захлопывает» пластинчатые клапаны или, в случае бесклапанных конструкций, останавливает подачу топлива до тех пор, пока не образуется разрежение, и цикл повторяется.
Существует два основных типа импульсных струй. Первый из них известен как клапанный или традиционный струйный, и он имеет набор односторонних клапанов, через которые проходит входящий воздух. Когда воздух-топливо воспламеняется, эти клапаны закрываются, а это означает, что горячие газы могут выходить только через выхлопную трубу двигателя, создавая тем самым прямую тягу.
Тактовая частота в первую очередь зависит от длины двигателя. Для небольшого модельного двигателя частота может составлять около 250 импульсов в секунду, тогда как для более крупного двигателя, такого как тот, который использовался в немецкой летающей бомбе V-1, частота была ближе к 45 импульсам в секунду. второй. Низкочастотный звук привел к тому, что ракеты получили прозвище «гудящие бомбы».
Второй тип импульсной струи известен как бесклапанная импульсная струя. Технически этот двигатель называют импульсным реактивным двигателем акустического типа или импульсным реактивным двигателем с аэродинамическими клапанами.
Бесклапанные пульсирующие форсунки бывают разных форм и размеров, причем разные конструкции подходят для разных функций. Типичный бесклапанный двигатель будет иметь одну или несколько впускных труб, секцию камеры сгорания и одну или несколько секций выхлопной трубы.
Впускная труба забирает воздух и смешивает его с топливом для сгорания, а также регулирует выпуск выхлопных газов, как клапан, ограничивая поток, но не останавливая его полностью. Во время горения топливно-воздушной смеси большая часть расширяющегося газа вытесняется из выхлопной трубы двигателя. Поскольку впускная труба (трубы) также выбрасывает газ во время цикла выпуска двигателя, большинство бесклапанных двигателей имеют впускные отверстия, направленные назад, так что создаваемая тяга увеличивает общую тягу, а не уменьшает ее.
Сгорание создает два фронта волны давления: один проходит по более длинной выпускной трубе, а другой - по короткой впускной трубе. Путем правильной «настройки» системы (путем правильного расчета размеров двигателя) можно добиться резонансного процесса сгорания.
В то время как некоторые бесклапанные двигатели известны тем, что они чрезвычайно расходуют топливо, другие конструкции используют значительно меньше топлива, чем клапанные импульсные реактивные двигатели, а правильно спроектированная система с передовыми компонентами и технологиями может конкурировать или превосходить топливную эффективность малых турбореактивных двигателей. двигатели.
В 1909 году Жорж Марконне разработал первую пульсирующую камеру сгорания без клапанов. Это был прародитель всех бесклапанных импульсных двигателей. В конце 1940-х годов французская исследовательская группа по двигательным установкам SNECMA (Société Nationale d'Etude et de Construction de Moteurs d'Aviation) экспериментировала с бесклапанным импульсным двигателем.
Первым массовым применением бесклапанного импульсного двигателя стал голландский беспилотник Aviolanda AT-21 Правильно спроектированный бесклапанный двигатель будет отличаться в полете, так как у него нет клапанов, а давление набегающего воздуха при движении на высокой скорость не заставляет двигатель останавливаться, как двигатель с клапаном. Они могут достигать более высоких максимальных скоростей, а некоторые усовершенствованные конструкции способны работать на Маха.7 или, возможно, выше.
Преимущество импульсной струи акустического типа - простота. Поскольку нет движущихся частей, подверженных износу, их легче обслуживать и проще изготавливать.
Импульсные реактивные двигатели сегодня используются в дронах-мишенях, летающих на линии управления модели самолетов (а также радиоуправляемые самолеты), генераторы тумана, промышленное сушильное и обогревательное оборудование. Поскольку импульсные струи - это эффективный и простой способ преобразования топлива в тепло, экспериментаторы используют их для новых промышленных применений, таких как преобразование топлива из биомассы, а также в системах котлов и нагревателей.
Некоторые экспериментаторы продолжают работать над улучшенными проектами. Двигатели трудно интегрировать в коммерческие пилотируемые самолеты из-за шума и вибрации, хотя они превосходят маломасштабные беспилотные автомобили.
импульсный детонационный двигатель (PDE) знаменует новый подход к непостоянным реактивным двигателям и обещает более высокую топливную эффективность по сравнению с турбовентиляторными реактивными двигателями, по крайней мере, очень высокие скорости. Pratt Whitney и General Electric теперь имеют активные исследовательские программы PDE. В большинстве исследовательских программ PDE используются импульсные двигатели для тестирования идей на ранней стадии проектирования.
Boeing имеет запатентованную технологию импульсного реактивного двигателя под названием Pulse Ejector Thrust Augmentor (PETA), которая предлагает использовать импульсные реактивные двигатели для вертикального подъема на военных и коммерческих самолетах вертикального взлета и посадки.
 | На Wikimedia Commons есть материалы, связанные с Pulsejets. |
