Основной принцип работы
Воздушно-реактивный двигатель (ВРД) представляет собой особый класс реактивных двигателей, где основным компонентом рабочего тела служит атмосферный воздух. В процессе работы воздух, забираемый из окружающей среды, подвергается сжатию и последующему нагреву.
Способы нагрева и классификация
Нагрев воздуха в традиционных конструкциях происходит в камерах сгорания за счет сжигания жидкого топлива, например керосина, где кислород воздуха выступает в роли окислителя. Существуют также проекты с ядерным источником энергии, где воздух нагревается, проходя через специальные теплообменники. Ключевым классифицирующим признаком является способ предварительного сжатия воздуха, по которому ВРД делятся на две большие группы: бескомпрессорные и компрессорные (газотурбинные).
Компрессорные (газотурбинные) ВРД
В бескомпрессорных двигателях сжатие достигается исключительно за счет кинетической энергии набегающего воздушного потока во время полета. В компрессорных ВРД, которые также называют турбокомпрессорными или газотурбинными (ГТВРД), воздух дополнительно сжимается в компрессоре, приводимом в действие газовой турбиной. В таких двигателях нагретый газ высокого давления, отдав часть энергии на вращение турбины и компрессора, расширяется в реактивном сопле и выбрасывается наружу со скоростью, превышающей скорость полета летательного аппарата (ЛА), создавая силу тяги. Это двигатели прямой реакции. Если же энергия турбины используется не только для компрессора, но и для привода отдельного движителя, например воздушного винта, который и создает основную тягу, то такой двигатель относится к классу непрямой реакции.
Преимущества и область применения
Использование атмосферного воздуха в качестве рабочего тела дает ВРД значительное преимущество: на борту ЛА необходимо хранить только горючее, доля которого в общем объеме рабочего тела не превышает 2–6%. В сочетании с аэродинамической подъемной силой крыла это позволяет летательным аппаратам летать с тягой двигателя, значительно меньшей их собственной массы. Именно эти факторы обусловили доминирующее применение ВРД в авиации. Наиболее широко в современной военной и гражданской авиации распространены именно компрессорные газотурбинные ВРД.
Бескомпрессорные ВРД: прямоточные и пульсирующие
При достижении больших сверхзвуковых скоростей (число Маха M > 2.5) динамического сжатия набегающего потока становится достаточно для эффективной работы, что позволяет создавать бескомпрессорные двигатели. Они делятся на два основных типа: прямоточные (ПВРД) и пульсирующие (ПуВРД).
Прямоточные воздушно-реактивные двигатели (ПВРД)
Конструкция ПВРД относительно проста и включает воздухозаборник, камеру сгорания и реактивное сопло. В сверхзвуковом полете воздух тормозится и сжимается в воздухозаборнике, после чего в него впрыскивается и сгорает топливо. Образовавшийся горячий газ высокого давления ускоряется в сопле и создает тягу. Эффективность ПВРД сильно зависит от скорости и высоты полета. При скоростях, соответствующих M > 5.0–6.0, возникают сложности с организацией горения в сверхзвуковом потоке. ПВРД нашли применение в качестве маршевых двигателей для сверхзвуковых крылатых ракет, зенитных управляемых ракет, летающих мишеней. Для взлета аппарата с ПВРД обычно требуются дополнительные ускорители, например ракетные двигатели.
К преимуществам ПВРД относят высокую эффективность на больших скоростях и высотах по сравнению с газотурбинными двигателями, лучшую экономичность, чем у жидкостных ракетных двигателей (благодаря использованию атмосферного кислорода), и простоту конструкции. Главный недостаток — неспособность работать на малых скоростях и необходимость предварительного разгона.
ПВРД, работающие в диапазоне M = 1.0–5.0, называют сверхзвуковыми (СПВРД), а для скоростей M > 5.0 — гиперзвуковыми (ГПВРД). ГПВРД считаются перспективными для будущих воздушно-космических систем.
Пульсирующие воздушно-реактивные двигатели (ПуВРД)
ПуВРД отличаются от прямоточных наличием клапанной системы на входе и цикличным, пульсирующим процессом работы. Воздух и топливо поступают в камеру сгорания периодически при открытых клапанах. После воспламенения смеси давление резко возрастает, клапаны закрываются, и газы с высокой скоростью выбрасываются через сопло. Когда давление падает, клапаны открываются, и цикл повторяется. Такие двигатели имели ограниченное применение, например, в дозвуковых крылатых ракетах или авиамоделировании.