喷气发动机。发明和生产的历史

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喷气发动机是一种通过将燃料的内能转化为工作流体的喷射流的动能来产生运动所需的牵引力的发动机。

工作液高速流出发动机，根据动量守恒定律，形成反作用力，将发动机推向相反的方向。为了加速工作流体，可以使用以一种或另一种方式加热到高热温度的气体的膨胀（所谓的热喷气发动机）和其他物理原理，例如静电场中带电粒子的加速（参见离子发动机）。

喷气发动机将发动机本身与螺旋桨结合在一起，也就是说，它仅通过与工作流体的相互作用产生牵引力，而不需要与其他物体支撑或接触。因此，它最常用于推进飞机、火箭和航天器。

喷气发动机

在喷气发动机中，运动所需的推力是通过将初始能量转化为工作流体的动能而产生的。由于工作流体从发动机喷嘴喷出，形成反冲力（射流）。反冲力使发动机和与其结构连接的装置在空间中移动。运动发生在与射流流出相反的方向上。各种类型的能量都可以转化为喷射流的动能：化学能、核能、电能、太阳能。喷气发动机提供自己的运动，无需中间机构的参与。

为了产生喷射推力，你需要一个初始能量源，它被转换成喷射流的动能，以喷射流形式从发动机喷出的工作流体，以及喷气发动机本身，它将第一种能量转化为第二种能量。

喷气发动机的主要部分是燃烧室，工作流体在燃烧室中产生。

所有喷气发动机都分为两大类，具体取决于它们是否在工作中使用环境。

第一类是喷气发动机（WFD）。所有这些都是热的，其中可燃物质与周围空气中的氧气发生氧化反应时形成工作流体。工作流体的主要质量是大气。

在火箭发动机中，工作流体的所有成分都位于配备它的设备上。

还有结合了上述两种类型的组合发动机。

喷射推进首次应用于海伦球——蒸汽涡轮机的原型。固体燃料喷气发动机于XNUMX世纪出现在中国。名词e. 这种火箭首先在东方使用，然后在欧洲用于烟花、信号发送，然后用于战斗。

喷气推进理念发展的一个重要阶段是使用火箭作为飞机发动机的想法。它首先由俄罗斯革命家 N. I. Kibalchich 提出，他于 1881 年 XNUMX 月，在被处决前不久，提出了一项使用爆炸性粉末气体喷射推力的飞机（火箭飞机）的方案。

N.E.茹科夫斯基在其著作《论流出和流入流体的反作用》（1880年代）和《论由流出水的反作用力启动的船舶理论》（1908年）中首先发展了喷气发动机理论的主要问题。

俄罗斯著名科学家 I. V. Meshchersky 在火箭飞行研究方面也做了有趣的工作，特别是在变质量体运动的一般理论领域。

1903年，K.E.齐奥尔科夫斯基在他的著作《用喷气仪器调查世界空间》中，给出了火箭飞行的理论依据，以及火箭发动机的示意图，预见了现代液体推进剂火箭发动机（LRE）的许多基本和设计特征。因此，齐奥尔科夫斯基为喷气发动机提供了液体燃料的使用，并通过特殊的泵向发动机供应液体燃料。他建议通过气体舵来控制火箭的飞行，气体舵是放置在从喷嘴喷出的气体射流中的特殊板。

液体推进剂发动机的特点是，与其他喷气发动机不同，它随燃料一起携带全部氧化剂，并且不从大气中获取燃烧燃料所需的含氧空气。这是唯一可用于地球大气层外超高空飞行的发动机。

世界上第一枚采用液体推进剂火箭发动机的火箭由美国人戈达德于16年1926月5日制造并发射。它重约3公斤，长度达到2,5m，戈达德的火箭以汽油和液氧为燃料。这枚火箭的飞行持续了56秒，期间飞行了XNUMX m。

对这些发动机的系统实验工作始于二十世纪三十年代。

第一批苏联火箭发动机于 1930 年至 1931 年开发和制造。在未来院士 V.P. Glushko 的指导下，在列宁格勒气体动力学实验室 (GDL) 工作。这个系列被称为 ORM——经验丰富的火箭发动机。格鲁什科应用了一些新奇的技术，例如，用一种燃料部件冷却发动机。

与此同时，喷气推进研究小组（GIRD）在莫斯科进行了火箭发动机的开发。它的思想启发者是F.A.赞德，组织者是年轻的S.P.科罗廖夫。科罗廖夫的目标是建造一种新的火箭装置——火箭飞机。

1933 年，F. A. Zander 制造并成功测试了 OR1 火箭发动机，该发动机使用汽油和压缩空气，并于 1932 年至 1933 年进行了测试。 - 发动机 OP2，使用汽油和液氧。该发动机设计用于安装在滑翔机上，该滑翔机应该作为火箭飞机飞行。

1933 年，第一颗苏联液体燃料火箭在 GIRD 制造并进行了测试。

开发工作开始后，苏联工程师随后继续致力于液体推进剂喷气发动机的制造。从 1932 年到 1941 年，苏联总共开发了 118 种液体推进剂喷气发动机。

1931 年在德国，I. Winkler、Riedel 等人对火箭进行了测试。

1940 年 1941 月，带有液体推进剂发动机的火箭推进飞机在苏联进行了首次飞行。飞机使用 LRE 作为动力装置。 1942年，在苏联设计师VF Bolkhovitinov的领导下，第一架配备液体推进剂发动机的喷气式战斗机诞生。 XNUMX 年 XNUMX 月，飞行员 G. Ya. Bakhchivadzhi 进行了测试。

与此同时，配备这种发动机的德国战斗机进行了首次飞行。 1943年，美国测试了第一架安装液体推进剂发动机的美国喷气式飞机。 1944 年，德国制造了多架配备梅塞施密特设计的发动机的战斗机，并于同年在西线的战斗中使用。

此外，在冯·布劳恩 (W. von Braun) 的指导下制造的德国 V2 火箭也使用了液体推进剂火箭发动机。

1950世纪XNUMX年代，液体火箭发动机被安装在弹道导弹上，然后安装在地球、太阳、月球和火星的人造卫星、自动星际空间站上。

火箭发动机由带喷嘴的燃烧室、涡轮泵单元、气体发生器或蒸汽气体发生器、自动化系统、控制元件、点火系统和辅助单元（热交换器、混合器、驱动器）组成。

喷气发动机的想法在不同国家已经不止一次被提出。这方面最重要、最具原创性的著作是1908-1913年进行的研究。特别是法国科学家 R. Loren，他在 1911 年提出了许多冲压喷气发动机的方案。这些发动机使用大气作为氧化剂，燃烧室中的空气被动态气压压缩。

1939 年 7,07 月，由 P. A. Merkulov 设计的冲压发动机火箭在苏联进行了首次测试。它是两级火箭（第一级是火药火箭），起飞重量为2公斤，而第二级冲压喷气发动机的燃料重量只有2公斤。在测试过程中，火箭达到了XNUMX公里的高度。

1939年至1940年。在苏联，世界上首次对安装在由 N.P. Polikarpov 设计的飞机上作为附加发动机的喷气发动机进行了夏季测试。 1942年，E. Senger设计的冲压喷气发动机在德国进行了测试。

喷气发动机由扩散器组成，其中空气由于迎面而来的气流的动能而被压缩。燃料通过喷嘴喷入燃烧室，混合物点燃。喷射流通过喷嘴排出。

WFD的操作是连续的，因此它们没有启动推力。在这方面，在飞行速度低于音速一半时，不使用喷气发动机。 WFD 的使用在超音速和高空最为有效。带有喷气发动机的飞机的起飞是使用固体或液体推进剂火箭发动机进行的。

另一组喷气发动机，涡轮压缩机发动机，得到了更多的发展。它们分为涡轮喷气发动机和涡轮螺旋桨发动机，其中推力由从喷嘴流出的气体射流产生，而涡轮螺旋桨发动机的主推力由螺旋桨产生。

1909年，工程师N. Gerasimov开发了涡轮喷气发动机的设计。 1914 年，俄罗斯海军中尉 M.N. Nikolskoy 设计并建造了涡轮螺旋桨飞机发动机的模型。松节油和硝酸混合物的气态燃烧产物用作驱动三级涡轮机的工作流体。涡轮机不仅作用于螺旋桨：燃烧的废气产物被引导到尾部（喷射）喷嘴，除了螺旋桨的推力之外，还产生喷射推力。

1924年，V.I.巴扎罗夫开发了飞机涡轮压缩机喷气发动机的设计，该发动机由三个元件组成：燃烧室、燃气轮机和压缩机。这里的压缩空气流第一次被分成两个分支：较小的部分进入燃烧室（到达燃烧器），较大的部分在涡轮机前与工作气体混合以降低其温度。这确保了涡轮叶片的安全。多级涡轮的动力用于驱动发动机本身的离心压缩机，部分用于旋转螺旋桨。除了螺旋桨之外，推力是由通过尾喷管的气体射流的反应产生的。

1939 年，列宁格勒基洛夫工厂开始建造由 A. M. Lyulka 设计的涡轮喷气发动机。他的审判因战争而中断。

1941 年，在英国，一架配备 F. Whittle 设计的涡轮喷气发动机的实验战斗机进行了首次飞行。它配备了燃气涡轮发动机，驱动离心压缩机，向燃烧室提供空气。燃烧产物用于产生喷射推力。

喷气发动机
Whittle 的 Gloster 飞机 (E.28/39)

在涡轮喷气发动机中，飞行期间进入的空气首先在进气口中被压缩，然后在涡轮增压器中被压缩。压缩空气被送入燃烧室，其中注入液体燃料（最常见的是航空煤油）。燃烧过程中形成的气体的部分膨胀发生在使压缩机旋转的涡轮中，最终膨胀发生在喷嘴中。加力燃烧室可以安装在涡轮机和喷气发动机之间，设计用于额外燃烧燃料。

如今，大多数军用和民用飞机以及一些直升机都配备了涡轮喷气发动机。

在涡轮螺旋桨发动机中，主推力由螺旋桨产生，附加推力（约 10%）由从喷嘴流出的气体射流产生。涡轮螺旋桨发动机的工作原理与涡轮喷气发动机类似，不同之处在于涡轮不仅旋转压气机，还旋转螺旋桨。这些发动机用于亚音速飞机和直升机，以及高速船舶和汽车的运动。

最早的固体推进剂喷气发动机用于作战导弹。它们的广泛使用始于 XNUMX 世纪，当时许多军队中都出现了导弹部队。在十九世纪末。第一种无烟火药问世，燃烧更稳定，效率更高。

1920 世纪 1930 年代至 XNUMX 年代，喷气式武器的制造工作正在进行中。这就导致了火箭炮的出现——苏联的“喀秋莎”，德国的六管火箭迫击炮。

新型火药的获得使得在战斗导弹（包括弹道导弹）中使用固体推进剂喷气发动机成为可能。此外，它们还用于航空和航天领域，作为运载火箭第一级的发动机、冲压喷气发动机飞机的启动发动机和航天器的制动发动机。

固体推进剂喷气发动机由主体（燃烧室）组成，整个燃料供应和喷嘴均位于其中。主体由钢或玻璃纤维制成。喷嘴——由石墨、耐火合金、石墨制成。

燃料由点火器点燃。

通过改变装料的燃烧表面或喷嘴临界截面的面积，以及通过向燃烧室喷射液体来控制推力。

推力方向可以通过气体舵、偏转喷嘴（偏转器）、辅助控制发动机等来改变。

喷气固体推进剂发动机非常可靠，可以长期储存，因此随时准备发射。

作者：Pristinsky V.L.

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