Pulsejet

Схема импульсной струи

Пульсирующий воздушно-реактивный двигатель двигатель (или импульсная струя ) представляет собой тип реактивного двигателя , в котором происходит сгорание в импульсах . Пульсирующий воздушно-реактивный двигатель двигатель может быть сделано с несколькими ^[1] или каких - либо подвижных частей , ^{[2] [3] [4]} и способен работать статически (т.е. не нужно иметь воздух вынужден в своем входе, как правило , путем поступательного движения) .

Импульсные реактивные двигатели представляют собой легкую форму реактивного движения, но обычно имеют плохую степень сжатия и, следовательно, дают низкий удельный импульс .

Одно примечательное направление исследований импульсных реактивных двигателей включает импульсный детонационный двигатель , который включает в себя повторяющиеся детонации в двигателе и который потенциально может обеспечить высокую степень сжатия и достаточно хороший КПД.

Типы [ править ]

Существует 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.

Клапанные пульсирующие двигатели [ править ]

В импульсных реактивных двигателях с клапаном используется механический клапан для управления потоком расширяющихся выхлопных газов, заставляя горячий газ выходить из задней части двигателя только через выхлопную трубу, и позволяя свежему воздуху и большему количеству топлива поступать через впускное отверстие в качестве инерции двигателя. выходящий выхлоп создает частичный вакуум на долю секунды после каждого взрыва. Это втягивает дополнительный воздух и топливо между импульсами.

Импульсный струйный насос с клапаном включает впуск с односторонним клапаном. Клапаны предотвращают выход взрывоопасного газа из воспламененной топливной смеси в камере сгорания и нарушения потока всасываемого воздуха, хотя со всеми практическими клапанами импульсных форсунок существует некоторая обратная отдача при статической работе или на низкой скорости, поскольку клапаны не могут закрываться достаточно быстро для предотвращения выхода некоторого количества газа через впускное отверстие. Перегретые выхлопные газы выходят через акустически резонансную выхлопную трубу.

Впускной клапан обычно представляет собой пластинчатый 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 пульсирующие двигатели [ править ]

Бесклапанные импульсные двигатели не имеют движущихся частей и используют только свою геометрию для управления потоком выхлопных газов из двигателя. Бесклапанные пульсирующие форсунки вытесняют выхлопные газы как из впускных, так и из выпускных каналов, 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 импульсный двигатель с клапаном, но «клапаном» является геометрия двигателя. Топливо в виде газа или распыленной жидкости либо смешивается с воздухом на впуске, 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.

История [ править ]

Русский изобретатель и отставной артиллерийский офицер Николай Афанасьевич Телешов запатентовал паровой импульсный двигатель в 1867 году, в то время как шведский изобретатель Мартин Виберг также заявляет, что изобрел первый импульсный двигатель в Швеции, но детали неясны.

Первый рабочий импульсный двигатель был запатентован в 1906 году русским инженером В. В. Караводиным, который завершил рабочий образец в 1907 году. Французский изобретатель Жорж Марконне запатентовал свой бесклапанный импульсный двигатель в 1908 году, а Рамон Казанова из Риполя , Испания запатентовал импульсный двигатель в Барселоне в 1917 году , построив один в начале 1913 года. Роберт Годдард изобрел импульсный двигатель в 1931 году и продемонстрировал его на реактивном велосипеде. ^[5] Инженер Пауль Шмидт первым разработал более эффективную конструкцию, основанную на модификации впускных клапанов (или заслонок), что в 1933 году принесло ему государственную поддержку со стороны Министерства авиации Германии ^[6].

Argus As 109-014 [ править ]

В 1934 году Георг Маделунг и живущий в Мюнхене Пауль Шмидт предложили Министерству авиации Германии «летающую бомбу», работающую на импульсном двигателе Шмидта. Маделунг стал соавтором ленточного парашюта , устройства, используемого для стабилизации V-1 в его предельном погружении. ^{[ необходима цитата ]} 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 Argus начала работу на основе работ Шмидта. Другими немецкими производителями, работающими над подобными импульсными реактивными двигателями и летающими бомбами, были The Askania Company , Роберт Люссер из Fieseler , доктор Фриц Госслау из Argus и компания Siemens , которые были объединены для работы над V-1. ^[6]

Теперь, когда Шмидт работал на Argus, импульсный реактивный двигатель был усовершенствован и был официально известен под 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.

Импульсная струйная печать была оценена как отличное сочетание стоимости и функциональности: простая конструкция, которая хорошо работает при минимальных затратах. ^[6] Он мог работать на любом сорт бензина, а система заслонки зажигания не рассчитывалась на срок службы дольше одного часа обычного рабочего 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 выхлопной трубы к длине, обеспечивала непрерывный цикл сгорания и обеспечивала стабильную резонансную частоту 43 цикла в секунду . Двигатель произвел 2200 N (490 фунтов _ф ) статической тяги и приблизительно 3300 N (740 фунтов _ф ) в полете.^[6]

Зажигание в As 014 обеспечивалось единственной автомобильной свечой зажигания, установленной примерно в 75 см (30 дюймов) позади переднего блока 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 воспламенения был хвост предыдущего огненного шара во время полета. Кожух двигателя не обеспечивает достаточного нагрева, чтобы вызвать воспламенение топлива дизельного типа , поскольку в импульсном реактивном двигателе имеется незначительная компрессия.

Клапанная система Argus As 014 была основана на системе заслонок, которая работала на частоте двигателя от 43 до 45 циклов в секунду.

Три воздушные сопла в передней части Argus As 014 были подключены к внешнему источнику высокого давления для запуска двигателя. Топливо, используемое для воспламенения, представляло собой ацетилен , при этом техническим специалистам приходилось помещать перегородку из дерева или картона в выхлопную трубу, чтобы предотвратить 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 отсутствовало шасси, вместо этого Argus As 014 запускался по наклонной рампе, приводимой в движение паровой катапультой с поршневым приводом. Сила пара, запускающего поршень, была создана в результате бурной экзотермической химической реакции, возникающей при объединении пероксида водорода и перманганата калия (называемых T-Stoff и Z-Stoff ).

Основное военное использование импульсного реактивного двигателя, при серийном производстве блока Argus As 014 (первого в серийном производстве), заключалось в использовании с летающей бомбой Фау-1 . Характерный гудящий шум двигателя принес ему прозвища «жужжащая бомба» или «болванчик». V-1 была немецкой крылатой ракетой, которая использовалась во Второй мировой войне , наиболее известной из которых была бомбардировка Лондона в 1944 году. Импульсные реактивные двигатели, будучи дешевыми и простыми в изготовлении, были очевидным выбором для конструкторов V-1, учитывая, что немцы предпочитали нехватка материалов и перегруженность промышленности на том этапе войны. Конструкторы современных крылатых ракет не выбирают в качестве движителей импульсные реактивные двигатели.предпочитая турбореактивные двигатели илиракетные двигатели. Единственными другими применениями импульсного двигателя, которые достигли стадии аппаратного обеспечения в нацистской Германии, были Messerschmitt Me 328 и экспериментальный проект Einpersonenfluggerät для немецкой Heer .

Технический персонал Райт Филд реконструировал V-1 из останков одного, который не взорвался в Великобритании. Результатом стало создание JB-2 Loon с планером, построенным Republic Aviation , и репродуктивной импульсной силовой установкой Argus As 014, известной под американским обозначением PJ31 , производимой 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). ^[6]

Операция [ править ]

Импульсные реактивные двигатели отличаются простотой, низкой стоимостью конструкции и высоким уровнем шума. Несмотря на превосходное соотношение тяги к массе , удельный расход топлива очень низкий. В струйно-импульсном двигателе используется цикл Ленуара , который без внешнего привода сжатия, такого как поршень цикла Отто или турбина сжатия цикла Брайтона , приводит в действие сжатие с акустическим резонансом в трубке. Это ограничивает максимальный коэффициент давления перед сгоранием примерно до 1,2: 1.

Высокий уровень шума обычно делает их непрактичными для других целей, кроме военных и других аналогичных ограниченных областей применения. ^[7] Однако импульсные форсунки широко используются в качестве промышленных систем сушки, и наблюдается возрождение исследований этих двигателей для таких применений, как высокопроизводительный обогрев, преобразование биомассы и альтернативные энергетические системы, поскольку импульсные форсунки могут работать почти на все, что горит, включая твердые частицы топлива, такие как опилки или угольный порошок.

Импульсные реактивные двигатели использовались для питания экспериментальных вертолетов, двигатели прикреплялись к концам лопастей несущего винта. При подаче энергии на винты вертолетов импульсные двигатели имеют преимущество перед турбинными или поршневыми двигателями, поскольку они не создают крутящий момент 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 ( циклическое 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. ^[8]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 компания Hiller Helicopters построила и испытала Hiller Powerblade, первый в мире струйный ротор с горячим циклом. Хиллер перешел на прямоточные воздушно-реактивные двигатели с наконечником, но American Helicopter продолжила разработку XA-8 по контракту с армией США. Первый полет он совершил в 1952 году и был известен как реактивный джип XH-26 . 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 струйных двигателей и того факта, что сопротивление струйных двигателей на концах ротора приводило к авторотации.посадки очень проблематичные. Утверждается, что винтокрылая двигательная установка снижает стоимость производства винтокрылых самолетов до 1/10 стоимости производства обычных винтокрылых самолетов. ^[7]

Импульсные двигатели также использовались как в авиамоделях с тросом управления, так и в радиоуправляемых . Рекорд скорости для модели самолета с импульсным двигателем на линии управления составляет более 200 миль в час (323 км / ч).

Скорость свободно летающего 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 развивать 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 одна особенность импульсных реактивных двигателей заключается в том, что их тяга может быть увеличена с помощью канала специальной формы, расположенного за двигателем. Канал действует как кольцевое крыло , которое выравнивает пульсирующую тягу, используя аэродинамические силы 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.

Функция [ править ]

Цикл сгорания состоит из пяти или шести фаз в зависимости от двигателя: индукция, сжатие, (опция) 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 заставляет топливо забираться 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 для заполнения вакуума, образовавшегося при выходе предыдущего огненного шара; распыленное топливо пытается заполнить всю трубку, 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 поток топлива до тех пор, пока не образуется разрежение, и цикл повторяется.

Valved design [ править ]

Есть два основных типа струйных двигателей. 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.

Частота цикла 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 на немецкой летающей бомбе V-1 , частота была ближе к 45 импульсам в секунду. Низкочастотный звук привел к тому, что ракеты получили прозвище «гудящие бомбы».

Бесклапанный дизайн [ править ]

Второй тип импульсной струи известен как бесклапанная импульсная струя. ^[9] Технически термин для этого двигателя - импульсный реактивный двигатель акустического типа или импульсный реактивный двигатель 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.

Всасывающая 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 двигатели, а правильно спроектированная система с передовыми компонентами и технологиями может конкурировать или превосходить топливную эффективность небольших турбореактивных двигателей.

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 силовым 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 ^[7] . Правильно спроектированный бесклапанный двигатель будет отличаться в полете, поскольку у него нет клапанов, а давление набегающего воздуха при движении на высокой скорости не приводит к остановке двигателя. как двигатель с клапаном. Они могут достигать более высоких максимальных скоростей, а некоторые усовершенствованные конструкции способны работать на скорости 0,7 Маха или, возможно, выше.

Достоинством струйного устройства акустического типа является простота. Поскольку нет движущихся частей, которые могут изнашиваться, их легче обслуживать и проще сконструировать.

Будущее использование [ править ]

Импульсные реактивные двигатели сегодня используются в самолетах- мишенях , в моделях самолетов с управляющими линиями (а также в самолетах с радиоуправлением), генераторах тумана, а также в промышленном сушильном и обогревательном оборудовании. Поскольку импульсные форсунки - это эффективный и простой способ преобразования топлива в тепло, экспериментаторы используют их для новых промышленных применений, таких как преобразование топлива из биомассы , а также системы котлов и нагревателей. ^{[ необходима цитата ]}

Некоторые экспериментаторы продолжают работать над улучшенными конструкциями. Двигатели трудно интегрировать в коммерческие пилотируемые самолеты из-за шума и вибрации, хотя они превосходят маломасштабные беспилотные автомобили.

Импульсной детонации двигателя (ФДЭ) знаменует новый подход к несплошных реактивных двигателей и обещает более высокой топливной эффективностью по сравнению с турбовентиляторных реактивных двигателей, по крайней мере , на очень высоких скоростях. 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.

У Boeing есть запатентованная технология импульсного реактивного двигателя под названием Pulse Ejector Thrust Augmentor (PETA), которая предлагает использовать импульсные двигатели для вертикального подъема в военных и коммерческих самолетах с вертикальным взлетом и посадкой . ^[10]

См. Также [ править ]

• Импульсный детонационный двигатель
• Бесклапанный импульсный жиклер
• Список авиационных двигателей

Примечания [ править ]

Ссылки [ править ]

• Обзор авиационной техники , Институт авиационных наук (США): 1948, т. 7.
• Джордж Миндлинг, Роберт Болтон: Тактические ракеты ВВС США: 1949–1969 : Пионеры , Lulu.com, 200: ISBN 0-557-00029-7 . стр. 6–31 

Внешние ссылки [ править ]

Викискладе есть медиафайлы по теме Pulsejets .

• - Международный сайт, посвященный импульсным реактивным двигателям, включая дизайн и эксперименты. Включает чрезвычайно активный форум, состоящий из знающих энтузиастов
• Видео испытаний импульсной струи Argus As 014, созданной в Германии в 21 веке
• Импульсные двигатели в авиамоделях
• Популярная ассоциация Rotocraft. Архивировано 7 февраля 2011 года на Wayback Machine.
• Pulsejet Bike
• Апокалиптическая группа разработчиков робототехники Survival Research Labs управляет набором импульсных реактивных двигателей в некоторых из своих творений, включая судно на воздушной подушке, V1 и Flame Hurricane.
• Статья PETA (Pulse-Ejector-Thrust-Augmentors)
• Импульсный принтер Рамона Казановы
• Американский вертолет XA-5 Flight