🗊Презентация Прямоточный воздушнореактивный двигатель (ПВРД), Сверхзвуковой ПВРД, Гиперзвуковой ГПВРД, Пульсирующий воздушнореактивный

Прямоточный воздушно- реактивный двигатель (ПВРД), Сверхзвуковой ПВРД, Гиперзвуковой ГПВРД Пульсирующий воздушно-реактивный (ПуВРД). 2009

Прямоточный воздушно- реактивный двигатель (ПВРД)

История ПВРД Первый прямоточный воздушно-реактивный двигатель (ПВРД) запатентован в 1913 г, привлекал конструкторов простотой своего устройства, но главное — своей потенциальной способностью работать на гиперзвуковых скоростях и в самых высоких, наиболее разреженных слоях атмосферы, то есть в условиях, в которых ВРД других типов неработоспособны или малоэффективны.

Leduc 010 первыый аппарат, летавший с ПВРД (Музей в Ле Бурже). Leduc 010 первыый аппарат, летавший с ПВРД (Музей в Ле Бурже). Первый полёт — 19 ноября 1946

Крылатая ракета «Буря» В СССР с 1954 по 1960гг разрабатывалась крылатая ракета «Буря», предназначавшаяся для доставки ядерных зарядов на межконтинентальные расстояния, и использовавшая в качестве маршевого двигателя ПВРД, разработанный группой М. М. Бондарюка, и имевший уникальные для своего времени характеристики: эффективная работа на скорости свыше 3М, и на высоте 17 км.

Дозвуковые ПВРД 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. Эти двигатели характеризуются крайне низкой эффективностью. При полёте на скорости М=0,5 степень повышения давления в них равна 1,186, вследствие чего их идеальный термический КПД (в соответствии с формулой (3)) составляет всего 4,76%, а с учётом потерь в реальном двигателе эта величина становится почти равной 0. Это означает, что на скоростях полёта при M<0,5 ПВРД неработоспособен. Но и на предельной для дозвукового диапазона скорости, при М=1 степень повышения давления составляет 1,89, а идеальный термический КПД – 16,7%, что в 1,5 раза меньше чем у реальных поршневых ДВС, и вдвое меньше, чем у газотурбинных двигателей. К тому же, и поршневые, и газотурбинные двигатели эффективны при работе на месте. По этим причинам дозвуковые прямоточные двигатели оказались неконкурентоспособными в сравнении с авиадвигателями других типов и в настоящее время серийно не выпускаются.

Сверхзвуковые ПВРД (СПВРД) СПВРД предназначены для полётов в диапазоне 1 < M < 5. Торможение сверхзвукового газового потока происходит всегда разрывно (скачкообразно) – с образованием ударной волны, (скачком уплотнения) Чем интенсивнее скачок уплотнения, т.е. чем больше изменение скорости потока на его фронте, – тем больше потери давления, которые могут превышать 50%.

Процесс торможения сверхзвукового потока во входном устройстве конического течения, внешнего сжатия с 3-мя скачками уплотнения.

Потери давления удаётся минимизировать за счёт организации сжатия не в одном, а в нескольких (обычно, не более 4-х) последовательных скачках уплотнения меньшей интенсивности, после каждого из которых (кроме последнего), скорость потока снижается, оставаясь сверхзвуковой. Потери давления удаётся минимизировать за счёт организации сжатия не в одном, а в нескольких (обычно, не более 4-х) последовательных скачках уплотнения меньшей интенсивности, после каждого из которых (кроме последнего), скорость потока снижается, оставаясь сверхзвуковой. В последнем скачке (всегда прямом – нормальном к вектору скорости воздушного потока) скорость становится дозвуковой и дальнейшее торможение и сжатие воздуха происходит непрерывно в расширяющемся канале диффузора. В случае, если входное устройство двигателя находится в зоне невозмущённого потока, например, в носовом окончании летательного аппарата, или на консоли на достаточном удалении от фюзеляжа, оно исполняется осесимметричным и снабжается центральным телом – длинным острым "конусом", выступающим из обечайки, назначение которого состоит в создании во встречном потоке системы косых скачков уплотнения, обеспечивающих торможение и сжатие воздуха ещё до поступления его в канал входного устройства – т.н. внешнее сжатие. Коническое центральное тело может быть регулируемым

При установкее двигателя на нижней (боковой) стенке фюзеляжа, или под крылом летательного аппарата, то есть в зоне аэродинамического влияния его элементов, обычно применяются плоские входные устройства двухмерного течения, имеющие прямоугольное поперечное сечение, без центрального тела. При установкее двигателя на нижней (боковой) стенке фюзеляжа, или под крылом летательного аппарата, то есть в зоне аэродинамического влияния его элементов, обычно применяются плоские входные устройства двухмерного течения, имеющие прямоугольное поперечное сечение, без центрального тела. Система скачков уплотнения в них обеспечивается благодаря внутренней форме канала. Они называются также устройствами внутреннего или смешанного сжатия, так как внешнее сжатие частично имеет место и в этом случае – в скачках уплотнения, образованных у носового окончания и/или у передней кромки крыла летательного аппарата. Регулируемые входные устройства прямоугольного сечения имеют меняющие свое положение клинья внутри канала. На скорости М=3 для идеального ПВРД степень повышения давления по формуле (2) составляет 36,7, что сравнимо с показателями самых высоконапорных компрессоров турбореактивных двигателей, а термический КПД - 64,3%.

SR-71

Гиперзвуковой ПВРД M>5

X-51A Waverider X-51A — разрабатываемая в США гиперзвуковая крылатая ракета. Разработка идёт в рамках концепции «быстрого глобального удара», основная цель  — сократить подлётное время высокоточных крылатых ракет. Согласно проекту, X-51A должна развивать максимальную скорость около 6-7 М[1] (6,5-7,5 тыс. км/ч). В ходе первого самостоятельного полета аппарат должен развить скорость в 4,5 маха. 1 мая 2013 года США провели успешные испытания ракеты над Тихим океаном.[7][8] Она была запущена с борта самолета B-52 вылетевшего с авиабазы «Эдвардс» и достигла высоты 18200 метров, где развила скорость в 5,1 М

Иллюстрация газодинамических процессов в плоском ГПВРД

Достоинства и недостатки Достоинства способностью работать на гиперзвуковых скоростях в самых высоких, наиболее разреженных слоях атмосферы Недостатки нулевая тяга на месте низкая эффективность на малых скоростях полёта

Область применения ПВРД ПВРД неработоспособен при низких скоростях полёта, тем более — при нулевой скорости. Для достижения начальной скорости, при которой он становится эффективным, аппарат с этим двигателем нуждается во вспомогательном приводе, который может быть обеспечен, например, твёрдотопливным ракетным ускорителем, или самолётом-носителем, с которого запускается аппарат с ПВРД. Неэффективность ПВРД на малых скоростях полёта делает его практически неприемлемым для использования на пилотируемых самолётах, но для беспилотных, боевых, крылатых ракет одноразового применения, летающих в диапазоне скоростей 2 < M <5, благодаря своей простоте, дешевизне и надёжности, он предпочтителен. Также ПВРД используются в летающих мишенях. Основным конкурентом ПВРД в этой нише является ракетный двигатель. Верхний предел скорости гиперзвукового ПВРД (ГПВРД) без использования дополнительного окислителя оценивается вМ=12—24. Исследования в рамках проекта «X-30» фирмы Роквелл в 80-х годах XX-го века установили верхнее значение скорости для работы ГПВРД, соответствующим М=17 в связи с обеспечением условий для сгорания в двигателе. Для сравнения, самый быстрый пилотируемый самолёт со сверхзвуковыми комбинированными турбопрямоточными воздушно-реактивными двигателями «SR-71» (англ. Black Bird, «Чёрный дрозд») компании Локхид достигает скорости не выше М=3,4 из-за торможения воздушного потока в двигателе до дозвуковой скорости.

Пульсирующий воздушно-реактивный (ПуВРД). Пульсирующий воздушно-реактивный двигатель (ПуВРД) был изобретён в XIX веке шведским изобретателем Мартином Вибергом Наиболее известным летательным аппаратом (и единственным серийным) c ПуВРД Argus As-014 производства фирмы Argus-Werken, явился немецкий самолёт-снаряд Фау-1 Главный конструктор Фау-1 Роберт Люссер выбрал для него ПуВРД не ради эффективности (поршневые авиационные двигатели той эпохи обладали лучшими характеристиками), а, главным образом, из-за простоты конструкции и, как следствие, малых трудозатрат на изготовление, что было оправдано при массовом производстве одноразовых снарядов, серийно выпущенных за неполный год (с июня 1944 по март 1945) в количестве свыше 10 000 единиц.

Авиамодель с ПуВРД

Принцип действия и устройство ПуВРД Пульсирующий воздушно-реактивный двигатель (ПуВРД, англоязычный термин Pulse jet), как следует из его названия, работает в режиме пульсации, его тяга развивается не непрерывно, как у ПВРД или ТРД, а в виде серии импульсов, следующих друг за другом с частотой от десятков герц, для крупных двигатателей, до 250 Гц — для малых двигателей, предназначенных для авиамоделей.

Принцип действия и устройство ПуВРД 1. Воздушный клапан открыт, воздух поступает в камеру сгорания, форсунка впрыскивает горючее, и в камере образуется топливная смесь. 2. Топливная смесь воспламеняется и сгорает, давление в камере сгорания резко возрастает и закрывает воздушный клапан и обратный клапан в топливном тракте. Продукты сгорания, расширяясь, истекают из сопла, создавая реактивную тягу. 3. Давление в камере уравнивается с атмосферным, под напором воздуха в диффузоре воздушный клапан открывается и воздух начинает поступать в камеру, топливный клапан тоже открывается, двигатель переходит к фазе 1.

Область применения ПуВРД ПуВРД характеризуется как шумный и неэкономный, зато простой и дешёвый. Высокий уровень шума и вибрации вытекает из самого пульсирующего режима его работы. О неэкономном характере использования топлива свидетельствует обширный факел, «бьющий» из сопла ПуВРД — следствие неполного сгорания топлива в камере. Сравнение ПуВРД с другими авиационными двигателями позволяет довольно точно определить область его применимости. ПуВРД во много раз дешевле в производстве, чем газотурбинный или поршневой ДВС, поэтому при одноразовом применении он выигрывает экономически у них. По простоте и дешевизне ПВРД практически не уступает ПуВРД, но на скоростях менее 0,5М он неработоспособен. На более высоких скоростях, ПВРД превосходит по эффективности ПуВРД (при закрытом клапане резко возрастает лобовое сопротивление ПуВРД и на околозвуковых скоростях оно «съедает» почти всю тягу, создаваемую этим двигателем). Совокупность этих обстоятельств и определяют ту нишу, в которой находит применение ПуВРД — беспилотные летательные аппараты одноразового применения с рабочими скоростями до 0,5М,— летающие мишени, беспилотные разведчики.[15] Клапанные, также как и бесклапанные, ПуВРД имеют распространение в любительской авиации и авиамоделировании, благодаря простоте и дешевизне.