Проведите простой эксперимент: надуйте воздушный шарик и, не завязывая его, отпустите. Вы увидите, как он хаотично задвигается по комнате. Что приводит его в движение? Это сила реактивной тяги. Воздух, находящийся под давлением внутри шара, вырывается наружу через отверстие. Согласно третьему закону Ньютона, на каждое действие есть равное и противоположное противодействие. Таким образом, молекулы воздуха, вылетая в одну сторону, толкают оболочку шара в противоположном направлении. Именно на этом фундаментальном физическом принципе основана работа всех реактивных двигателей.
Прямоточный воздушно-реактивный двигатель (ПВРД)
Начнем изучение с самой простой конструкции — прямоточного воздушно-реактивного двигателя (ПВРД). Представьте себе металлическую трубу, летящую в воздушном потоке. Ее передняя часть, называемая воздухозаборником, захватывает набегающий воздух. В средней секции, которая является камерой сгорания, через специальную форсунку впрыскивается топливо (обычно керосин). Полученная топливно-воздушная смесь поджигается. В результате горения температура и давление газов резко возрастают. Эти раскаленные газы с огромной скоростью вырываются через заднюю часть трубы — реактивное сопло, создавая силу тяги, которая и толкает двигатель вперед.
Важный недостаток: ПВРД не может работать на месте. Для его запуска необходим уже существующий скоростной поток воздуха на входе. Это означает, что летательный аппарат с таким двигателем не способен взлететь самостоятельно — его необходимо предварительно разогнать с помощью другого устройства, например, самолета-носителя или стартового ускорителя.
Турбореактивный двигатель (ТРД)
Чтобы преодолеть главный недостаток ПВРД — невозможность самостоятельного старта, был создан турбореактивный двигатель (ТРД). Его ключевое усовершенствование — наличие компрессора, который нагнетает воздух в камеру сгорания даже при нулевой скорости движения. Изначально компрессор раскручивается внешним стартером. После запуска двигателя используется остроумное техническое решение: на пути выходящих раскаленных газов установлена газовая турбина. Она соединена общим валом с компрессором. Выхлопные газы вращают турбину, а та, в свою очередь, приводит в действие компрессор, создавая непрерывный цикл работы. Это сделало ТРД полностью автономным.
Благодаря своей мощности и компактности, турбореактивные двигатели позволили самолетам преодолеть звуковой барьер. Для кратковременного резкого увеличения тяги (например, при взлете или в бою) используется форсажная камера — дополнительный отсек между турбиной и соплом, где сжигается дополнительное топливо.
Турбовинтовой двигатель (ТВД)
Несмотря на высокую скорость, ТРД не всегда экономически выгоден. Для больших транспортных самолетов, летающих на дозвуковых скоростях (650–700 км/ч) и перевозящих десятки тонн груза, оптимальным выбором стал турбовинтовой двигатель (ТВД). В этой конструкции энергия газовой турбины используется не только для вращения компрессора, но и для привода обычного воздушного винта (пропеллера). Через удлиненный вал и редуктор (см. Механизм), который снижает высокие обороты турбины до оптимальных для винта, передается вращение. Винт, захватывая большие массы воздуха, создает основную тягу, что делает ТВД гораздо более экономичным на крейсерских скоростях.
Таким образом, от простой физической идеи, демонстрируемой летающим шариком, инженерная мысль пришла к созданию целого семейства реактивных двигателей, каждый из которых оптимально решает свои задачи — от сверхзвуковых полетов до экономичных грузоперевозок.