Staustrahltriebwerk

Ein Strahltriebwerk ist ein Gerät, das die für die Bewegung erforderliche Zugkraft erzeugt, indem es die innere Energie des Kraftstoffs in die kinetische Energie des Strahlstroms des Arbeitsmediums umwandelt.

Klassen Strahltriebwerke:

Alle Triebwerke werden in 2 Klasse eingeteilt:

• Luftstrahl-Wärmekraftmaschinen, die die Energie der Oxidation von Luft aus der Atmosphäre nutzen. Bei diesen Motoren besteht das Arbeitsmedium aus einer Mischung von Verbrennungsprodukten mit den übrigen Bestandteilen der Zapfluft.
• Raketentriebwerke, die alle notwendigen Komponenten an Bord haben und auch im Vakuum arbeiten können.

Das Staustrahltriebwerk ist vom Design her das einfachste seiner VJE-Klasse. Der für den Betrieb des Gerätes erforderliche Druckanstieg entsteht durch Abbremsen des anströmenden Luftstroms.

Der Ramjet-Workflow lässt sich kurz wie folgt beschreiben:

• Luft dringt mit Fluggeschwindigkeit in den Triebwerkseinlass ein, ihre kinetische Energie wird in innere Energie umgewandelt, der Luftdruck und die Temperatur steigen. Am Eintritt in die Brennkammer und über die gesamte Länge des Strömungsweges herrscht der maximale Druck.

• In der Brennkammer wird Druckluft durch Oxidation der zugeführten Luft erhitzt, während die innere Energie des Arbeitsmediums zunimmt.
• Darüber hinaus verengt sich die Strömung in der Düse, das Arbeitsmedium erreicht Schallgeschwindigkeit und erreicht beim Ausdehnen erneut Überschallgeschwindigkeit. Dadurch, dass sich das Arbeitsmedium mit einer Geschwindigkeit bewegt, die die Geschwindigkeit der Gegenströmung übersteigt, entsteht im Inneren ein Strahlschub.

Strukturell ist der Staustrahltriebwerk ein äußerst einfaches Gerät. Der Motor verfügt über eine Brennkammer, in die Kraftstoff über die Einspritzdüsen und Luft über den Diffusor eindringt. Die Brennkammer endet mit einem Eingang zur Düse, der sich verengt und erweitert.

Die Entwicklung von Festtreibstoff-Technologie führte zur Verwendung dieses Kraftstoffs in einem Staustrahltriebwerk. Die Brennkammer ist ein Kraftstoffblock mit einer zentralen Längsbohrung. Die durch den Kanal wird das Arbeitsfluid allmählich oxidiert die Oberfläche des Brennstoffs aufgeheizt hat. Die Verwendung von festem Brennstoff vereinfacht die Konstruktion des Motors, umfassend: ein Kraftstoffsystem unnötig.

Gemischter Treibstoff in einem Staustrahltriebwerk unterscheidet sich in seiner Zusammensetzung von dem, der in einem Feststoffraketentriebwerk verwendet wird. Wenn in einem Raketentriebwerk der größte Teil der Treibstoffzusammensetzung von einem Oxidationsmittel besetzt ist, wird es in einem Staustrahltriebwerk in kleinen Anteilen verwendet, um den Verbrennungsprozess zu aktivieren.

Der Ramjet-Mischtreibstofffüllstoff besteht hauptsächlich aus einem feinen Pulver aus Beryllium, Magnesium oder Aluminium. Ihre Oxidationswärme übersteigt die Verbrennungswärme von Kohlenwasserstoffbrennstoffen deutlich. Als Beispiel für einen Feststoff-Staustrahltriebwerk kann man den Antriebsmotor der Marschflugkörper-Anti-Schiffs-Rakete P-270 Moskit nennen.

Der Staustrahlschub hängt von der Fluggeschwindigkeit ab und wird durch den Einfluss mehrerer Faktoren bestimmt:

• Je höher die Fluggeschwindigkeit, desto größer ist der Luftstrom, der durch den Motorweg strömt, bzw. desto mehr Sauerstoff dringt in die Brennkammer ein, was den Kraftstoffverbrauch sowie die thermische und mechanische Leistung des Motors erhöht.
• Je größer der Luftstrom durch den Motorpfad ist, desto höher ist der vom Motor erzeugte Schub. Allerdings gibt es eine gewisse Grenze: Der Luftstrom durch den Motorpfad kann nicht unbegrenzt zunehmen.
• Mit zunehmender Fluggeschwindigkeit steigt das Druckniveau in der Brennkammer. Dadurch wird der thermische Wirkungsgrad des Motors erhöht.
• Je größer der Unterschied zwischen der Geschwindigkeit des Flugzeugs und der Durchgangsgeschwindigkeit des Strahls ist, desto größer ist der Schub des Triebwerks.

Abhängigkeit der Schubstaustrahltriebwerk Fluggeschwindigkeit ist wie folgt: bis zu dem Moment, wenn die Geschwindigkeit des geringeren Durchtrittsgeschwindigkeit der Düse, wird der Schub zusammen mit dem Wachstum Fluggeschwindigkeit zu erhöhen. Wenn die Fluggeschwindigkeit nähert die Geschwindigkeit des Strahl beginnt Schub zu fallen, nachdem es eine bestimmte maximale, in der es eine optimale Fluggeschwindigkeit.

Abhängig von der Fluggeschwindigkeit werden folgende Kategorien von Staustrahltriebwerken unterschieden:

• Unterschall;
• Schall;
• Hyperschall.

Jede der Gruppen hat ihre eigenen charakteristischen Designmerkmale.

Subsonic-Staustrahltriebwerk

Diese Triebwerksgruppe ist für Flüge mit Geschwindigkeiten von 0,5 bis 1,0 Mach ausgelegt. Die Luftkomprimierung und -bremsung erfolgt bei solchen Motoren in einem Diffusor – einem sich erweiternden Kanal des Geräts am Strömungseinlass.

Diese Motoren haben einen extrem geringen Wirkungsgrad. Wenn sie mit einer Geschwindigkeit von M = 0,5 fliegen, beträgt der Druckanstieg in ihnen 1,186, weshalb der ideale thermische Wirkungsgrad für sie nur 4,76% beträgt. Wenn wir auch die Verluste in einem realen Motor berücksichtigen, nähert sich dieser Wert Null. Dies bedeutet, dass beim Fliegen mit Geschwindigkeiten M <0,5 der Unterschall-Staustrahl nicht funktioniert.

Aber selbst mit der maximalen Geschwindigkeit für den Unterschallbereich bei M = 1 Niveau der Druckanstieg ist 1,89 und die ideale thermische Wirkungsgrad - all 16, 7%. Diese Indikatoren 1,5 mal geringer als die des Kolbenverbrennungsmotoren sowie in 2 mal geringer als die von Gasturbinentriebwerken. Gasturbine und Kolbenmotoren auch wirksam für die Anwendung bei der Arbeit in einer stationären Position. Daher Durchlaufunterschalltriebwerke im Vergleich zu anderen Flugmotoren erwiesen kompetitiver und ist derzeit nicht im Handel erhältlich.

Überschall-Staustrahltriebwerk

Überschall-Staustrahltriebwerke sind für Flüge im Geschwindigkeitsbereich 1 < M < 5 ausgelegt.

Bremsgas Überschallströmung immer diskontinuierlich durchgeführt, wodurch eine Schockwelle, eine so genannte Schockwelle. In einer Entfernung von einer Schockwelle Prozessgasverdichtung ist es nicht isentrope. Folglich gibt es einen Verlust an mechanischer Energie, der Pegel des erhöhten Druck darin geringer als im Isentrop. Je mächtiger die Stoßwelle, desto größer ist die Durchflussrate Veränderungen an der Front, dementsprechend größeren Druckverlust, manchmal bis 50%.

Um Druckverluste zu minimieren, wird die Kompression nicht in einer, sondern in mehreren Stoßwellen mit geringerer Intensität organisiert. Nach jedem dieser Sprünge nimmt die Strömungsgeschwindigkeit ab, die weiterhin Überschallgeschwindigkeit bleibt. Dies wird erreicht, wenn die Stoßfront in einem Winkel zur Richtung der Strömungsgeschwindigkeit steht. Die Strömungsparameter in den Intervallen zwischen den Sprüngen bleiben konstant.

Im letzten Sprung erreicht die Geschwindigkeit einen Unterschallindikator, im Diffusorkanal kommt es kontinuierlich zu weiteren Verzögerungs- und Luftverdichtungsvorgängen.

Wenn die Eingangsmotoreinrichtung im Bereich der ungestörten Strömung (beispielsweise vor dem Flugzeug am vorderen Ende oder in einem ausreichenden Abstand von dem Rumpf zur Flügelkonsole) angeordnet ist, wird es ausgeführt, und mit asymmetrischen Zentralkörpern abgeschlossen - akuter long „cone“ Austritt aus der Hülse. Der Zentralkörper ist so konzipiert, um einen Luftstrom in den gegenüberliegenden schrägen Schocks zu schaffen, die Luftkompression zur Verfügung stellt und Bremsen, bis sie die spezielle Kanaleingabevorrichtung eintreten. Präsentierten Eingabevorrichtungen sind konischen Strömungseinrichtungen genannt, die Luft zirkuliert in ihnen, eine konische Form bildet.

Der zentrale konische Körper kann mit einem mechanischen Antrieb ausgestattet werden, der es ihm ermöglicht, sich entlang der Triebwerksachse zu bewegen und die Abbremsung des Luftstroms bei unterschiedlichen Fluggeschwindigkeiten zu optimieren. Diese Eingabegeräte werden als verstellbar bezeichnet.

Wenn der Motor unter einer Flügel Fixieren oder die Unterseite des Rumpfes, das heißt in den Bereich der aerodynamischen Wirkung der Elemente Flugzeugstruktur der Eingabevorrichtung bildet eine flache zweidimensionale Strömung. Sie sind nicht mit einem zentralen Körper und einen rechteckigen Querschnitt versehen. Sie sind auch gemischte oder innere Kompressionsvorrichtungen bezeichnen als externer Druck hierin tritt nur auf, wenn die Stoßwellen bei der Vorderkante des Flügels oder Flugzeugbug Verschlusses erzeugt. Eingang einstellbare rechteckige Vorrichtung, die die Position der Keile innerhalb des Kanals zu verändern.

Überschallstaustrahltriebwerk Geschwindigkeitsbereich wirksamer ist als im Unterschall. Beispielsweise auf die Fluggeschwindigkeit M = 3 Grad der Druckzunahme 36,7, die nahe an dem Index der Strahltriebwerke und der berechneten Wirkungsgrad erreicht die perfekte 64,3%. In der Praxis sind diese Zahlen kleiner, aber bei Geschwindigkeiten im Bereich M = 3-5 SPVRD Performance besser als alle existierenden Arten der Wasserrahmenrichtlinie.

Bei einer ungestörten Luftströmungstemperatur von 273°K und einer Flugzeuggeschwindigkeit von M=5 beträgt die Temperatur des arbeitenden verzögerten Körpers 1638°K, bei einer Geschwindigkeit von M=6 beträgt sie 2238°K und im realen Flug wird sie unter Berücksichtigung von Stößen und Reibungseinwirkung sogar noch höher.

Eine weitere Erwärmung des Arbeitsmediums ist aufgrund der thermischen Instabilität der Strukturmaterialien des Motors problematisch. Daher beträgt die Geschwindigkeitsbegrenzung für den SPVRD M=5.

Hypersonic Staustrahltriebwerk

Die Kategorie der Hyperschall-Staustrahltriebwerke umfasst Staustrahltriebwerke, die mit Geschwindigkeiten von mehr als 5 m operieren. Zu Beginn des XNUMX. Jahrhunderts war die Existenz eines solchen Triebwerks nur hypothetisch: Es wurde kein einziges Exemplar zusammengebaut, das Flugtests bestanden und die Machbarkeit und Relevanz seiner Serienproduktion bestätigt hätte.

Beim Eintritt in das Gerät scramjet Luftbremse ist nur teilweise durchgeführt wird, und während der übrigen Hubbewegung der Körperschall ist. Ein Großteil der anfänglichen kinetischen Energie der Strömung wird beibehalten, nachdem die Kompressionstemperatur relativ niedrig ist, die das Arbeitsfluid, um eine signifikante Menge an Wärme freisetzen kann. Nach dem Eingang der Vorrichtung laufenden Motor über seine gesamte Länge ausgefahren ist. Aufgrund einer Verbrennung in einer Überschallströmung erhitzt wird Arbeitsfluid expandiert und beschleunigt.

Dieser Triebwerkstyp ist für Flüge in der verdünnten Stratosphäre konzipiert. Theoretisch kann ein solcher Motor auf wiederverwendbaren Raumfahrzeugträgern eingesetzt werden.

Eines der Hauptprobleme bei der Konstruktion von Scramjet-Triebwerken ist die Organisation der Kraftstoffverbrennung in einer Überschallströmung.

In verschiedenen Ländern wurden mehrere Programme zur Entwicklung eines Scramjets gestartet, die sich alle im Stadium der theoretischen Forschung und der Vorentwurfslaborstudien befinden.

Gegebenenfalls Staustrahltriebwerk

Der Staustrahltriebwerk funktioniert nicht bei Nullgeschwindigkeit und niedrigen Fluggeschwindigkeiten. Ein Flugzeug mit einem solchen Triebwerk erfordert den Einbau von Hilfsantrieben, bei denen es sich um einen Feststoffraketenverstärker oder ein Trägerflugzeug handeln kann, von dem aus das Flugzeug mit Staustrahltriebwerk gestartet wird.

Aufgrund der Ineffizienz des Staustrahltriebwerk bei niedrigen Drehzahlen fast unangemessen, bemannte Flugzeuge verwenden. Diese Motoren werden vorzugsweise für unbemannte, winged, Einweg-Militärraketen aufgrund seiner Zuverlässigkeit, Einfachheit und Billigkeit verwendet. Staustrahltriebwerk ist auch in den Flugziele verwendet. Konkurrenz von den Eigenschaften eines Staustrahl nur das Raketentriebwerk.

Die Kernstaustrahltriebwerk

Während des Kalten Krieges zwischen der UdSSR und den USA entstanden Projekte von Staustrahltriebwerken mit einem Kernreaktor.

In solchen Einheiten als Energiequelle nicht um eine chemische Reaktion der Kraftstoffverbrennung durchgeführt wird, und die von einem Kernreaktor erzeugte Wärme statt der Verbrennungskammer installiert. Diese Staustrahl Luft durch die Eingabevorrichtung der Eingabe in den aktiven Bereich des Reaktors und kühlt die Struktur selbst zu 3000 K. erhitzt wird weiter kommt es Profluvium der Triebwerksdüse mit einer Geschwindigkeit nahe der Geschwindigkeit der perfekten Raketentriebwerke. Nuclear ramjet für den Einbau in interkontinentale Cruise Missiles gedacht, Kernladungsträger. Constructors in beiden Ländern haben kleine Kernreaktoren geschaffen, die in der Größe einer Cruise Missile passen.

Im Jahr 1964 führten Tory und Pluto im Rahmen der Forschungsprogramme für nukleare Staustrahlen stationäre Brenntests des nuklearen Staustrahls Tory-IIC durch. Das Testprogramm wurde im Juli 1964 geschlossen, und Flugtests des Triebwerks wurden nicht durchgeführt. Der vermutliche Grund für die Einschränkung des Programms könnte die Verbesserung der Ausrüstung ballistischer Raketen mit chemischen Raketentriebwerken sein, die es ermöglichte, Kampfeinsätze ohne Einsatz von nuklearen Staustrahltriebwerken durchzuführen.