Пульсирующий воздушно-реактивный двигатель (ПуВРД) – это одна из трех основных разновидностей воздушно-реактивных двигателей (ВРД), особенностью которой является пульсирующий режим работы. Пульсация создает характерный и очень громкий звук, по которому легко узнать эти моторы. В отличие от других типов силовых агрегатов ПуВРД имеет максимально упрощенную конструкцию и небольшой вес.

Строение и принцип действия ПуВРД

Пульсирующий воздушно-реактивный двигатель – это полый канал, открытый с двух сторон. С одной стороны – на входе – установлен воздухозаборник, за ним – тяговый узел с клапанами, дальше расположена одна или несколько камер сгорания и сопло, через которое выходит реактивный поток. Поскольку работа двигателя циклична, можно выделить основные ее такты:

• такт впуска, во время которого входной клапан открывается, и в камеру сгорания под действием разряжения в ней попадает воздух. В это же время через форсунки впрыскивается топливо, в результате чего образуется топливный заряд;
• полученный топливный заряд воспламеняется от искры свечи зажигания, в процессе горения образуются газы с высоким давлением, под действием которого закрывается впускной клапан;
• при закрытом клапане продукты сгорания выходят через сопло, обеспечивая реактивную тягу. Вместе с тем в камере сгорания при выходе отработанных газов образуется разряжение, входной клапан автоматически открывается и впускает во внутрь новую порцию воздуха.

Входной клапан двигателя может иметь разные конструкции и внешний вид. Как вариант, он может быть выполнен в виде жалюзи – прямоугольных пластин, закрепленных на раме, которые под действием перепада давления открываются и закрываются. Другая конструкция имеет форму цветка с металлическими «лепестками», расположенными по кругу. Первый вариант более эффективный, зато второй более компактный и может использоваться на небольших по размеру конструкциях, например, при авиамоделизме.

Подача топлива осуществляется форсунками, которые имеют обратный клапан. Когда давление в камере сгорания снижается, подается порция топлива, когда же давление увеличивается за счет горения и расширения газов, подача топлива прекращается. В некоторых случаях, например на маломощных моторах от авиамоделей, форсунок может и не быть, а система подачи топлива при этом напоминает карбюраторный двигатель.

Свеча зажигания расположена в камере сгорания. Она создает серию разрядов, и когда концентрация топлива в смеси достигает нужного значения, топливный заряд воспламеняется. Поскольку двигатель имеет небольшие размеры, его стенки, выполненные из стали, в процессе работы быстро нагреваются и могут поджигать топливную смесь не хуже свечи.

Нетрудно понять, что для запуска ПуВРД нужен первоначальный «толчок», при котором первая порция воздуха попадет в камеру сгорания, то есть такие двигатели нуждаются в предварительном разгоне.

История создания

Первые официально зарегистрированные разработки ПуВРД относятся ко второй половине XIX века. В 60-е годы сразу двое изобретателей независимо друг от друга сумели получить патенты на новый тип двигателя. Имена этих изобретателей – Телешов Н.А. и Шарль де Луврье. В то время их разработки не нашли широкого применения, но уже в начале ХХ века, когда для самолетов подыскивали замену поршневым двигателям, на ПуВРД обратили внимание немецкие конструкторы. Во время Второй мировой войны немцы активно использовали самолет-снаряд ФАУ-1, оснащенный ПуВРД, что объяснялось простотой конструкции этого силового агрегата и его дешевизной, хотя по своим рабочим характеристикам он уступал даже поршневым двигателям. Это был первый и единственный раз в истории, когда этот тип двигателя использовался в массовом производстве самолетов.

После окончания войны ПуВРД остались «в военном деле», где нашли применение в качестве силового агрегата для ракет типа «воздух-поверхность». Но и здесь со временем они утратили свои позиции из-за ограничения по скорости, необходимости первоначального разгона и низкой эффективности. Примерами использования ПуВРД являются ракеты Fi-103, 10Х, 14Х, 16Х, JB-2. В последние годы наблюдается возобновление интереса к этим двигателям, появляются новые разработки, направленные на его усовершенствование, так что, возможно, в скором будущем ПуВРД вновь станет востребованным в военной авиации. На данный момент пульсирующий воздушно-реактивный двигатель возвращают к жизни в области моделирования, благодаря использованию в исполнении современных конструкционных материалов.

Особенности ПуВРД

Главной особенностью ПуВРД, которая отличает его от его «ближайших родственников» турбореактивного (ТРД) и прямоточного воздушно-реактивного двигателя (ПВРД), является наличие впускного клапана перед камерой сгорания. Именно этот клапан не пропускает обратно продукты сгорания, определяя их направление движения через сопло. В других типах моторов нет необходимости в клапанах – там воздух поступает в камеру сгорания уже под давлением за счет предварительно сжатия. Этот, на первый взгляд, незначительный нюанс играет огромную роль в работе ПуВРД с точки зрения термодинамики.

Второе отличие от ТРД – это цикличность работы. Известно, что в ТРД процесс сжигания топлива проходит практически беспрерывно, что и обеспечивает ровную и равномерную реактивную тягу. ПуВРД работает циклично, создавая колебания внутри конструкции. Для достижения максимальной амплитуды необходимо синхронизировать колебания всех элементов, чего можно добиться путем подбора нужной длины сопла.

В отличие от прямоточного воздушно реактивного двигателя пульсирующий воздушно реактивный двигатель может работать даже на низких скоростях и находясь в неподвижном положении, то есть когда нет встречного потока воздуха. Правда, его работа в таком режиме не способна обеспечить величину реактивной тяги, необходимой для пуска, поэтому самолеты и ракеты, оснащенные ПуВРД, нуждаются в первоначальном ускорении.

Маленькое видео запуски и работы ПуВРД.

Типы ПуВРД

Кроме обычного ПуВРД в виде прямолинейного канала с входным клапаном, что описывались выше, есть и его разновидности: бесклапанный и детонационный.

Бесклапанный ПуВРД, как понятно по его названию, не имеет входного клапана. Причиной его появления и использования стал тот факт, что клапан является довольно уязвимой деталью, которая очень быстро выходит из строя. В этом же варианте «слабое звено» устранено, поэтому и срок службы мотора продлен. Конструкция бесклапанного ПуВРД имеет форму буквы U с концами, направленными назад по ходу реактивной тяги. Один канал длиннее, он «отвечает» за тягу; второй короче, по нему поступает воздух в камеру сгорания, а при горении и расширении рабочих газов часть их выходит через этот канал. Такая конструкция позволяет осуществлять лучшую вентиляцию камеры сгорания, не допускает утечки топливного заряда через входной клапан и создает дополнительную, пусть и незначительную, тягу.

без клаппаный вариант исполнения ПуВРД
без клапанный U-образный ПуРВД

Детонационный ПуВРД предполагает сжигание топливного заряда в режиме детонации. Детонация предусматривает резкое повышение давления продуктов горения в камере сгорания при постоянном объеме, а сам объем увеличивается уже при движении газов по соплу. В этом случае повышается термический КПД двигателя в сравнении не только с обычным ПуВРД, но и с любым другим двигателем. На данный момент этот тип моторов не используется, а находится на стадии разработок и исследований.

детонационный ПуРВД

Достоинства и недостатки ПуВРД, сфера применения

Основными преимуществами пульсирующих воздушно-реактивных двигателей можно считать их простую конструкцию, что тянет за собой их невысокую стоимость. Именно эти качества и стали причиной их использования в качестве силовых агрегатов на военных ракетах, беспилотных самолетах, летающих мишенях, где важны не долговечность и сверхскорость, а возможность установки простого, легкого и дешевого мотора, способного развить нужную скорость и доставить объект к цели. Эти же качества принесли ПуВРД популярность среди любителей авиамоделизма. Легкие и компактные двигатели, которые при желании можно сделать самостоятельно или же купить по приемлемой цене, прекрасно подходят для моделей самолетов.

Недостатков у ПуВРД немало: повышенный уровень шума при работе, неэкономный расход топлива, неполное его сгорание, ограниченность по скорости, уязвимость некоторых конструктивных элементов, таки как входной клапан. Но, несмотря на такой внушительный перечень минусов, ПуВРД по-прежнему незаменимы в своей потребительской нише. Они – идеальный вариант для «одноразовых» целей, когда нет смысла устанавливать более эффективные, мощные и экономичные силовые агрегаты.

Опытно-конструкторское бюро имени Люльки разработало, изготовило и испытало опытный образец пульсирующего резонаторного детонационного двигателя с двухстадийным сжиганием керосиновоздушной смеси. Как сообщает ИТАР-ТАСС, средняя измеренная тяга двигателя составила около ста килограммов, а длительность непрерывной работы ─ более десяти минут. До конца текущего года ОКБ намерено изготовить и испытать полноразмерный пульсирующий детонационный двигатель.

По словам главного конструктора ОКБ имени Люльки Александра Тарасова, в ходе испытаний моделировались режимы работы, характерные для турбореактивного и прямоточного двигателей. Измеренные величины удельной тяги и удельного расхода топлива оказались на 30-50 процентов лучше, чем у обычных воздушно-реактивных двигателей. В ходе экспериментов производилось многократное включение и выключение нового двигателя, а также регулирование тяги.

На основе проведенных исследований, полученных при испытании данных, а также схемно-конструкторского анализа ОКБ имени Люльки намерено предложить разработку целого семейства пульсирующих детонационных авиационных двигателей. В частности, могут быть созданы двигатели с коротким ресурсом работы для беспилотных летательных аппаратов и ракет и самолетные двигатели с крейсерским сверхзвуковым режимом полета.

В перспективе на основе новых технологий могут быть созданы двигатели для ракетно-космических систем и комбинированных силовых установок самолетов, способных выполнять полеты в атмосфере и за ее пределами.

По оценке конструкторского бюро, новые двигатели позволят увеличить тяговооруженность самолетов в 1,5-2 раза. Кроме того, при использовании таких силовых установок дальность полета или масса авиационных средств поражения могут увеличиться на 30-50 процентов. При этом удельный вес новых двигателей будет в 1,5-2 раза меньше аналогичного показателя обычных реактивных силовых установок.

О том, что в России ведутся работы по созданию пульсирующего детонационного двигателя, сообщалось в марте 2011 года. Об этом заявил тогда Илья Федоров, управляющий директор научно-производственного объединения «Сатурн», в состав которого входит ОКБ имени Люльки. О каком именно типе детонационного двигателя шла речь, Федоров не уточнил.

В настоящее время известны три вида пульсирующих двигателей ─ клапанные, бесклапанные и детонационные. Принцип работы этих силовых установок заключается в периодической подаче в камеру сгорания топлива и окислителя, где происходит воспламенение топливной смеси и истечение продуктов сгорания из сопла с образованием реактивной тяги. Отличие от обычных реактивных двигателей заключается в детонационном горении топливной смеси, при котором фронт горения распространяется быстрее скорости звука.

Пульсирующий воздушно-реактивный двигатель был изобретен еще в конце XIX века шведским инженером Мартином Вибергом. Пульсирующий двигатель считается простым и дешевым в изготовлении, однако из-за особенностей горения топлива ─ малонадежным. Впервые новый тип двигателя был использован серийно во время Второй мировой войны на немецких крылатых ракетах Фау-1. На них устанавливался двигатель Argus As-014 компании Argus-Werken.

В настоящее время несколько крупных оборонных фирм мира занимаются исследованиями в области создания высокоэффективных пульсирующих реактивных двигателей. В частности, работы ведут французская компания SNECMA и американские General Electric и Pratt & Whitney. В 2012 году Научно-исследовательская лаборатория ВМС США объявила о намерении разработать спиновый детонационный двигатель, который должен будет заменить на кораблях обычные газотурбинные силовые установки.

Научно-исследовательская лаборатория (NRL) ВМС США намерена разработать ротационный, или спиновый, детонационный двигатель (Rotating Detonation Engine, RDE), который в перспективе сможет заменить на кораблях обычные газотурбинные силовые установки. Как сообщает NRL, новые двигатели позволят военным снизить потребление топлива, одновременно повысив энергетическую отдачу силовых установок.

В настоящее время ВМС США используют 430 газотурбинных двигателей (ГТД) на 129 кораблях. Ежегодно они потребляют топлива на два миллиарда долларов. По оценке NRL, благодаря RDE военные смогут экономить на топливе до 400 миллионов долларов в год. RDE смогут вырабатывать на десять процентов больше энергии, чем обычные ГТД. Прототип RDE уже создан, однако когда такие двигатели начнут поступать на флот, пока неизвестно.

В основу RDE легли наработки NRL, полученные при создании пульсирующего детонационного двигателя (Pulse Detonation Engine, PDE). Работа таких силовых установок основана на устойчивом детонационном горении топливной смеси.

Спиновые детонационные двигатели отличаются от пульсирующих тем, что детонационное горение топливной смеси в них происходит непрерывно ─ фронт горения перемещается в кольцевой камере сгорания, в которой топливная смесь постоянно обновляется.

Схема ПуВРД представлена на рис.3.16.

Рис.3.16.Схема пульсирующего воздушно-реактивного двигателя:

диффузор,2- клапанное устройство; 3- форсунки; 4 – камера сгорания;5 – сопло; 6- выхлопная труба.

Топливо впрыскивается через форсунки 3, образуя топливную смесь с воздухом, сжатым в диффузоре 1.

Воспламенение топливной смеси производится в камере сгорания 4, от электрической свечи. Горение топливной смеси, впрыскиваемой в определенных количествах, длится сотые доли секунды. Как только давления в камере сгорания становится больше давления воздуха перед клапанным устройством, происходит закрытие пластинчатых клапанов. При достаточно большом объеме сопла 5 и выхлопной трубы 6, установленной специально для увеличения объема, создается подпор газов, находящихся в камере сгорания. За время сгорания топлива изменение количества газов в объеме за камерой сгорания пренебрежимо мало, поэтому считают, что горение идет при постоянном объеме.

После сгорания порции топлива давление в камере сгорания понижается так, что клапаны 2 открываются и впускают новую порцию воздуха из диффузора.

На рис.3.17. представлен идеальный термодинамический цикл пульсирующего ВРД.

П
роцессы цикла:

1-2 – сжатие воздуха в диффузоре;

2-3 – изохорный подвод теплоты в камере сгорания;

3-4 – адиабатное расширение газов в сопле;

4-1 – изобарное охлаждение продуктов сгорания в атмосфере при с отводом теплоты .

Рис.3.17. Цикл ПуВРД.

Как следует из рис.3.17 , цикл ПуВРД не отличается от цикла ГТУ с изохорным подводом теплоты. Тогда по аналогии с (3.8.) можно сразу записать формулу для термического КПД ПуВРД

(3.20.)

Степень добавочного повышения давления в камере сгорания;

– степень повышения давления в диффузоре.

Таким образом, у пульсирующего ВРД термический КПД больше, чем у ПВРД за счет большей среднеинтегральной температуры теплоподвода.

Усложнение конструкции ПуВРД повлекло за собой увеличение его массы по сравнению с ПВРД.

3.5.3. Компрессорные турбореактивные двигатели (трд)

Эти двигатели получили наибольшее распространение в авиации. В ТРД происходит двухступенчатое сжатие воздуха (в диффузоре и в компрессоре) и двухступенчатое расширение продуктов сгорания топливной смеси (в газовой турбине и в сопле).

Принципиальная схема ТРД представлена на рис 3.18.

Рис.3.18. Принципиальная схема ТРД и характер изменения параметров рабочего тела в газо-воздушном тракте:

1-диффузор;2-осевой компрессор;3- камера сгорания; 4- газовая турбина; 5- сопло.

Давления набегающего потока воздуха сначала повышается в диффузоре 1, а затем в компрессоре 2. Привод компрессора осуществляется от газовой турбины 4. Топливо подается в камеру сгорания 3, где вместе с воздухом образует топливную смесь и сгорает при постоянном давлении. Продукты сгорания сначала расширяются на лопатках газовой турбины 4, а затем в сопле. Истечение газов из сопла с большей скоростью создает силу тяги, движущую самолет.

Идеальный термодинамический цикл ТРД аналогичен циклу ПВРД, но дополняется процессами в компрессоре и турбине (рис.3.19).

Рис.3.19. Идеальный цикл ТРД в P - V диаграмме

Процессы цикла:

1-2 – адиабатное сжатие воздуха в диффузоре;

2-3 - адиабатное сжатие воздуха в компрессоре;

3-4 – изобарный подвод теплоты от сгорания топливной смеси в камере сгорания;

4-5 – адиабатное расширение продуктов сгорания на лопатках турбины;

5-6 – адиабатное расширение продуктов сгорания в сопле;

6-1 – охлаждение продуктов сгорания в атмосфере при постоянном давлении с отдачей теплоты .

Термический КПД определяется по формуле (3.19):

(3.21.)

– результирующая степень повышения давления воздуха в диффузоре и компрессоре.

Благодаря более высокой, чем у ПВРД степени сжатия ТРД имеет более высокий термический КПД. Без каких-либо стартовых ускорителей ТРД развивает необходимую силу тяги уже на старте.

ИМПУЛЬСНЫЙ РЕАКТИВНЫЙ ДВИГАТЕЛЬ. Предлагаю на суд читателей журнала "САМИЗДАТ" еще один возможный двигатель для космических аппаратов, успешно похороненный ВНИИГПЭ в конце 1980 года. Речь идёт о заявке N 2867253/06 на "СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ИМПУЛЬСНОЙ РЕАКТИВНОЙ ТЯГИ ПРИ ПОМОЩИ УДАРНЫХ ВОЛН". Изобретатели разных стран предлагали целый ряд способов для создания реактивных двигателей с импульсной реактивной тягой. В камерах сгорания и у буферных плит этих двигателей детонационно предлагалось сжигать разные виды топлива, вплоть до взрывов атомных бомб. Моё предложение позволяло создать, своего рода двигатель внутреннего сгорания с максимально возможным использованием кинетической энергии рабочего тела. Конечно, выхлопные газы предлагаемого двигателя мало походили бы на выхлоп автомобильного мотора. Не походили бы они и на мощные струи пламени, бьющие из сопел современных ракет. Чтобы читатель мог получить представление о предложенном мной способе получения импульсной реактивной тяги, и о отчаянной борьбе автора за своё, так и не рождённое детище, ниже приводится почти дословное описание и формула заявки, (но, увы, без чертежей), а также одно из возражений заявителя на очередное отказное решение ВНИИГПЭ. Мною даже это краткое описание, несмотря на то, что прошло уже около 30 лет, воспринимается, как детектив, в котором убийца-ВНИИГПЭ хладнокровно расправляется с еще не рождённым ребёнком.

СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ИМПУЛЬСНОЙ РЕАКИВНОЙ ТЯГИ

ПРИ ПОМОЩИ УДАРНЫХ ВОЛН. Изобретение относится к области реактивного двигателестроения и может быть использовано в космической, ракетной и авиационной технике. Известен способ получения постоянной или пульсирующей реактивной тяги путём преобразование различных видов энергии в кинетическую энергию движения непрерывной или пульсирующей струи рабочего тела, которое выбрасывают в окружающую среду в направлении противоположном направлению получаемой реактивной тяги. Для этого широко применяют химические источники энергии, одновременно являющиеся и рабочим телом. В этом случае преобразование источника энергии в кинетическую энергию движения непрерывной или пульсирующей струи рабочего тела в одной или нескольких камерах сгорания с критическим (уменьшенным) выходным отверстием, переходящим в расширяющееся коническое или профилированное сопло (смотри, например, В.Е. Алемасов: "Теория ракетных двигателей", стр. 32; М.В. Добровольский: "Жидкостные ракетные двигатели", стр. 5; В. Ф. Разумеев, Б. К. Ковалёв: "Основы проектирования ракет на твёрдом топливе", стр. 13). Наиболее распространённой характеристикой, отражающей экономичность получения реактивной тяги, служит удельная тяга, которую получают отношением тяги к секундному расходу топлива (смотри, например, В.Е. Алемасов: "Теория ракетных двигателей", стр. 40). Чем выше удельная тяга, тем меньше требуется топлива для получения одной и той же тяги. В реактивных двигателях, использующих известный способ получения реактивной тяги с применением жидких топлив, данная величина достигает значения более 3000 нхсек/кг, а с применением твёрдых топлив -- не превышает 2800 нхсек/кг (смотри М. В. Добровольский: "Жидкостные ракетные двигатели, стр.257; В. Ф. Разумеев, Б.К. Ковалёв: "Основы проектирования баллистических ракет на твёрдом топливе", стр. 55, таблица 33). Существующий способ получения реактивной тяги неэкономичен. Стартовая масса современных ракет, как космических, так и баллистических на 90% и более состоит из массы топлива. Поэтому любые способы получения реактивной тяги, увеличивающие удельную тягу, заслуживают внимания. Известен способ получения импульсной реактивной тяги при помощи ударных волн путём последовательных взрывов непосредственно в камере сгорания или около специальной буферной плиты. Способ с применением буферной плиты реализован, например, в США в экспериментальном устройстве, которое летало за счёт энергии ударных волн, получаемых при последовательных взрывах зарядов тринитротолуола. Устройство было разработано для экспериментальной проверки проекта "Орион". Указанный выше способ получения импульсной реактивной тяги не получил распространения, так как он оказался не экономичным. Усреднённая удельная тяга, согласно литературному источнику, не превышала 1100 нхсек/кг. Это объясняется тем, что более половина энергии взрывчатого вещества в данном случае сразу уходит вместе с ударными волнами, не участвуя в получении импульсной реактивной тяги. Кроме того, значительная часть энергии ударных волн, бьющих по буферной плите, тратилась на разрушение и на испарение аблирующего покрытия, пары которого предполагалось использовать в качестве дополнительного рабочего тела. К тому же буферная плита значительно уступает камерам сгорания с критическим сечением и с расширяющимся соплом. В случае создания ударных волн непосредственно в таких камерах, образуется пульсирующая тяга, принцип получения которой не отличается от принципа получения известной постоянной реактивной тяги. Кроме того, прямое воздействие ударных волн на стенки камеры сгорания или на буферную плиту требует их чрезмерного усиления и специальной защиты. (Смотри "Знание" N 6, 1976 год, стр. 49, серия космонавтика и астрономия). Целью данного изобретения является устранение указанных недостатков путём более полного использования энергии ударных волн и значительного уменьшения ударных нагрузок на стенки камеры сгорания. Поставленная цель достигается тем, что преобразование источника энергии и рабочего тела в последовательные ударные волны происходит в небольших детонационных камерах. Затем ударные волны продуктов горения тангенциально подаются в вихревую камеру вблизи от торцевой (передней) стенки и закручиваются с большой скоростью внутренней цилиндрической стенкой относительно оси этой камеры. Возникающие при этом колоссальные центробежные силы, усиливают сжатие ударной волны продуктов горения. Суммарное давление этих мощных сил передаётся и на торцевую (переднюю) стенку вихревой камеры. Под воздействием этого суммарного давления ударная волна продуктов горения разворачивается и по винтовой линии, с увеличивающимся шагом, устремляется в сторону сопла. Всё это повторяется при вводе в вихревую камеру каждой очередной ударной волны. Так образуется основная составляющая импульсной тяги. Для еще большего увеличения суммарного давления, образующего основную составляющую импульсной тяги, тангенциальный ввод ударной волны в вихревую камеру вводят под некоторым углом к её торцевой (передней) стенке. С целью получения дополнительной составляющей импульсной тяги в профилированном сопле также используют давление ударной волны продуктов сгорания, усиленное центробежными силами раскрутки. С целью более полного использования кинетической энергии раскрутки ударных волн, а также для устранения крутящего момента вихревой камеры относительно её оси, появляющегося в результате тангенциальной подачи, раскрученные ударные волны продуктов горения перед выходом из сопла подают на профилированные лопатки, которые направляют их по прямой линии вдоль оси вихревой камеры и сопла. Предлагаемый способ получения импульсной реактивной тяги при помощи закрученных ударных волн и центробежных сил раскрутки был проверен в предварительных экспериментах. В качестве рабочего тела в этих экспериментах служили ударные волны пороховых газов, получаемых при детонации 5 -- 6 г дымного промыслового пороха N 3. Порох помещался в трубке, заглушенной с одного конца. Внутренний диаметр трубки был 13 мм. Своим открытым концом она ввёртывалась в тангенциальное резьбовое отверстие в цилиндрической стенке вихревой камеры. Внутренняя полость вихревой камеры имела диаметр 60 мм и высоту 40 мм. На открытый торец вихревой камеры поочерёдно насаживались сменные сопловые насадки: коническая сужающаяся, коническая расширяющаяся и цилиндрическая с внутренним диаметром равным внутреннему диаметру вихревой камеры. Сопловые насадки были без профилированных лопаток на выходе. Вихревая камера, с одной из перечисленных выше сопловых насадок, устанавливалась на специальном динамометре сопловой насадкой вверх. Пределы измерения динамометра от 2 до 200 кг. Так как реактивный импульс был очень краток (около 0,001 сек), то фиксировался не сам реактивный импульс, а сила толчка от получившей движение суммарной массы вихревой камеры, сопловой насадки и подвижной части конструкции самого динамометра. Эта суммарная масса составляла около 5 кг. В зарядную трубку, выполнявшую в нашем эксперименте роль детонационной камеры, набивалось около 27 г пороха. После поджигания пороха с открытого конца трубки (со стороны внутренней полости вихревой камеры) сначала происходил равномерный спокойный процесс горения. Пороховые газы, тангенциально поступая во внутреннюю полость вихревой камеры, закручивались в ней и, вращаясь, со свистом выходили вверх через сопловую насадку. В этот момент динамометр не фиксировал никаких толчков, но пороховые газы, вращаясь с большой скоростью, воздействием центробежных сил давили на внутреннюю цилиндрическую стенку вихревой камеры и перекрывали себе вход в неё. В трубке, где продолжался процесс горения, возникали стоячие волны давления. Когда пороха в трубке оставалось не более 0,2 от первоначального количества, то есть 5 --6 г, происходила его детонация. Возникающая при этом ударная волна, через тангенциальное отверстие, преодолевая центробежное давление первичных пороховых газов, врывалась во внутреннюю полость вихревой камеры, закручивалась в ней, отражалась от передней стенки и, продолжая вращаться, по винтовой траектории с увеличивающимся шагом устремлялась в сопловую насадку, откуда вылетала наружу с резким и сильным звуком, подобным пушечному выстрелу. В момент отражения ударной волны от передней стенки вихревой камеры пружина динамометра фиксировала толчок, наибольшая величина которого (50 --60 кг) была при применении сопловой насадки с расширяющимся конусом. При контрольных сжиганиях 27 г пороха в зарядной трубке без вихревой камеры, а также в вихревой камере без зарядной трубки (тангенциальное отверстие заглушалось) с цилиндрической и с конической расширяющейся сопловой насадкой, ударная волна не возникала, так как в этот момент постоянная реактивная тяга была меньше предела чувствительности динамометра, и он её не фиксировал. При сжигании этого же количества пороха в вихревой камере с конической сужающейся сопловой насадкой (сужение 4: 1) фиксировалась постоянная реактивная тяга 8 --10 кг. Предлагаемый способ получения импульсной реактивной тяги, даже в описанном выше предварительном эксперименте, (с неэффективным промысловым порохом в качестве топлива, без профилированного сопла и без направляющих лопаток на выходе) позволяет получить усреднённую удельную тягу около 3300 нхсек/кг, что превышает значение данного параметра у лучших ракетных двигателей, работающих на жидком топливе. При сравнении же с приведённым прототипом предлагаемый способ позволяет также значительно уменьшить вес камеры сгорания и сопла, а, следовательно, и вес всего реактивного двигателя. Для полного и более точного выявления всех преимуществ предлагаемого способа получения импульсной реактивной тяги необходимо уточнение оптимальных соотношений между размерами камер детонации и вихревой камеры, необходимо уточнение оптимального угла между направлением тангенциальной подачи и передней стенкой вихревой камеры и т. д., то есть, необходимы дальнейшие эксперименты с выделением соответствующих средств и с привлечением разных специалистов. ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ. 1. Способ получения импульсной реактивной тяги при помощи ударных волн, включающий применение вихревой камеры с расширяющимся профилированным соплом, преобразование источника энергии в кинетическую энергию движения рабочего тела, тангенциальную подачу рабочего тела в вихревую камеру, выброс рабочего тела в окружающую среду в направлении обратном направлению получаемой реактивной тяги, отличающийся тем, что с целью более полного использования энергии ударных волн, преобразование источника энергии и рабочего тела в последовательные ударные волны производят в одной или нескольких детонационных камерах, затем ударные волны посредством тангенциальной подачи закручивают в вихревой камере относительно её оси, отражают в закрученном виде от передней стенки и образуют тем самым импульсный перепад давления между передней стенкой камеры и соплом, который создаёт основную составляющую импульсной реактивной тяги в предлагаемом способе и направляет ударные волны по винтовой траектории с увеличивающимся шагом в сторону сопла. 2. Способ получения импульсной реактивной тяги при помощи ударных волн по п. 1 отличающийся тем, что с целью увеличения импульсного перепада давления между передней стенкой вихревой камеры и соплом, тангенциальную подачу ударных волн производят под некоторым углом в сторону передней стенки. 3. Способ получения импульсной реактивной тяги при помощи ударных волн по п. 1 отличающийся тем, что для получения дополнительной импульсной реактивной тяги, в вихревой камере и в расширяющемся профилированном сопле используют давление центробежных сил, возникающих от раскрутки ударных волн. 4. Способ получения импульсной реактивной тяги при помощи ударных волн по п. 1 отличающийся тем, что с целью полного использования кинетической энергии раскрутки ударных волн для получения дополнительной импульсной реактивной тяги, а также устранения крутящего момента вихревой камеры относительно её оси, возникающего при тангенциальной подаче, раскрученные ударные волны перед выходом из сопла подают на профилированные лопатки, которые направляют их по прямой линии вдоль общей оси вихревой камеры и сопла. В государственный комитет СССР по делам изобретений и открытий, ВНИИГПЭ. ВОЗРАЖЕНИЕ НА ОТКАЗНОЕ РЕШЕНИЕ ОТ 16.10.80 ПО ЗАЯВКЕ N 2867253/06 НА "СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ИМПУЛЬСНОЙ РЕАКТИВНОЙ ТЯГИ ПРИ ПОМОЩИ УДАРНЫХ ВОЛН". Изучив отказное решение от 16.10.80, заявитель пришёл к выводу, что экспертиза мотивирует свой отказ о выдаче авторского свидетельства на предлагаемый способ получения реактивной тяги отсутствием новизны (противопоставляется патент Великобритании N 296108, кл. F 11,1972), отсутствием расчёта тяги, отсутствием положительного эффекта по сравнению с известным способом получения реактивной тяги из-за возрастание потерь на трение при развороте рабочего тела и из-за снижения энергетических характеристик двигателя в результате применения твёрдого топлива. На вышеизложенное заявитель считает необходимым ответить следующее: 1. На отсутствие новизны экспертиза ссылается впервые и противоречит сама себе, так как в этом же отказном решении отмечается, что предложенный способ отличается от известных тем, что ударные волны закручиваются вдоль оси вихревой камеры.... На абсолютную же новизну заявитель и не претендует, что доказывается приведённым в заявке прототипом. (Смотри второй лист заявки). В противопоставленном британском патенте N 296108, кл. F 11, 1972, судя по приведённым данным самой экспертизы, продукты горения выбрасываются из камеры сгорания через сопло по прямому каналу, то есть закрутка ударных волн отсутствует. Следовательно, в указанном британском патенте способ получения реактивной тяги в принципе ничем не отличается от известного способа получения постоянной тяги и не может противопоставляться предлагаемому способу. 2. Экспертиза утверждает, что величину тяги в предлагаемом способе можно рассчитывать и ссылается при этом на книгу Г. Н. Абрамовича "Прикладная газовая динамика", Москва, Наука, 1969, стр. 109 -- 136. В указанном разделе прикладной газовой динамики даются методы расчёта прямых и косых скачков уплотнения во фронте ударной волны. Прямыми скачки уплотнения называются, если их фронт составляет прямой угол с направлением распространения. Если же фронт скачка уплотнения располагается под некоторым углом "а" к направлению распространения, то такие скачки называются косыми. Пересекая фронт косого скачка уплотнения, газовый поток меняет своё направление на некоторый угол "w". Величины углов "а" и "w" зависят в основном от числа Маха "М" и от формы обтекаемого тела (например, от величины угла клиновидного крыла самолёта), то есть "a" и "w" в каждом конкретном случае являются величинами постоянными. В предлагаемом способе получения реактивной тяги скачки уплотнения во фронте ударной волны, особенно в начальный период её пребывания в вихревой камере, когда воздействием на переднюю стенку создаётся импульс реактивной силы, являются переменными косыми скачками. То есть фронт ударной волны и газовые потоки в момент создания реактивного импульса тяги непрерывно меняют свои углы "a" и "w" по отношению и к цилиндрической, и к передней стенкам вихревой камеры. Кроме того, картина усложняется наличием мощных центробежных сил давления, которые в начальный момент воздействуют и на цилиндрическую, и на переднюю стенки. Следовательно, указанный экспертизой метод расчёта не годится для расчёта сил импульсной реактивной тяги в предлагаемом способе. Не исключено, что метод расчёта скачков уплотнения, приведённый в прикладной газовой динамике Г. Н. Абрамовича, послужит отправной базой для создания теории расчёта импульсных сил в предлагаемом способе, но, согласно положению об изобретениях, в обязанности заявителя разработка подобных теорий пока еще не входит, как не входит в обязанности заявителя и постройка действующего двигателя. 3. Утверждая о сравнительной неэффективности предлагаемого способа получения реактивной тяги, экспертиза игнорирует результаты, полученные заявителем в его предварительных экспериментах, а ведь данные результаты были получены с таким неэффективным топливом, как промысловый порох (смотри пятый лист заявки). Говоря о больших потерях на трение и на разворот рабочего тела экспертиза упускает из виду, что основная составляющая импульсной реактивной тяги в предлагаемом способе возникает почти сразу в тот момент, когда ударная волна врывается в вихревую камеру, потому что входное тангенциальное отверстие расположено около её передней стенки (смотри в заявке фиг. 2), то есть в этот момент время движения и путь скачков уплотнения сравнительно невелики. Следовательно, и потери на трение в предлагаемом способе не могут быть большими. Говоря же о потерях на разворот, экспертиза упускает из виду, что именно при развороте ударной волны, как относительно цилиндрической стенки, так и относительно передней стенки в направлении оси вихревой камеры появляются мощные центробежные силы, которые, суммируясь с давлением в скачках уплотнения, и создают тягу в предлагаемом способе. 4. Необходимо также отметить, что ни в формуле заявки, ни в её описании заявитель не ограничивает получение импульсной реактивной тяги только за счёт твёрдых топлив. Твёрдое топливо (порох) заявитель использовал только при проведении своих предварительных экспериментов. На основании всего вышеизложенного заявитель просит ВНИИГПЭ еще раз пересмотреть своё решение и направить материалы заявки на заключение в соответствующую организацию с предложение провести проверочные эксперименты и только после этого решать, принимать или отклонять предложенный способ получения импульсной реактивной тяги. ВНИМАНИЕ! Автор всем желающим за отдельную плату вышлет по электронной почте фотографии испытаний, описанной выше, экспериментальной установки импульсного реактивного двигателя. Заказ следует сделать по адресу: e-mail: [email protected]. При этом не забудьте сообщить свой электронный адрес. Фотографии будут высланы на ваш электронный адрес сразу, как только вы почтовым переводом вышлите 100 рублей Матвееву Николаю Ивановичу на Рыбинское отделение Сбербанка России N 1576, Сбербанка России АО N 1576/090, на лицевой счёт N 42306810477191417033/34. МАТВЕЕВ, 19.11.80

Бесклапанный ПуВРД — удивительная конструкция. В ней нет движущихся частей, компрессора, турбины, клапанов. Простейший ПуВРД может обойтись даже без системы зажигания. Этот двигатель способен работать практически на чем угодно: замените баллон с пропаном канистрой с бензином — и он продолжит пульсировать и создавать тягу. К сожалению, ПуВРД оказались несостоятельными в авиации, но в последнее время их всерьез рассматривают как источник тепла при производстве биотоплива. И в этом случае двигатель работает на графитовой пыли, то есть на твердом топливе.

Наконец, элементарный принцип работы пульсирующего двигателя делает его относительно безразличным к точности изготовления. Поэтому изготовление ПуВРД стало излюбленным занятием для людей, неравнодушных к техническим хобби, в том числе авиамоделистов и начинающих сварщиков.

Несмотря на всю простоту, ПуВРД — это все-таки реактивный двигатель. Собрать его в домашней мастерской весьма непросто, и в этом процессе немало нюансов и подводных камней. Поэтому мы решили сделать наш мастер-класс многосерийным: в этой статье мы поговорим о принципах работы ПуВРД и расскажем, как изготовить корпус двигателя. Материал в следующем номере будет посвящен системе зажигания и процедуре запуска. Наконец, в одном из последующих номеров мы обязательно установим наш мотор на самодвижущееся шасси, чтобы продемонстрировать, что он действительно способен создавать серьезную тягу.

От русской идеи до немецкой ракеты

Собирать пульсирующий реактивный двигатель особенно приятно, зная, что впервые принцип действия ПуВРД запатентовал российский изобретатель Николай Телешов еще в 1864 году. Авторство первого действующего двигателя также приписывается россиянину — Владимиру Караводину. Высшей точкой развития ПуВРД по праву считается знаменитая крылатая ракета «Фау-1», состоявшая на вооружении армии Германии во время Второй мировой войны.

Чтобы работать было приятно и безопасно, мы предварительно очищаем листовой металл от пыли и ржавчины с помощью шлифовальной машинки. Края листов и деталей, как правило, очень острые и изобилуют заусенцами, поэтому работать с металлом надо только в перчатках.

Конечно же, речь идет о клапанных пульсирующих двигателях, принцип действия которых понятен из рисунка. Клапан на входе в камеру сгорания беспрепятственно пропускает в нее воздух. В камеру подается топливо, образуется горючая смесь. Когда свеча зажигания поджигает смесь, избыточное давление в камере сгорания закрывает клапан. Расширяющиеся газы направляются в сопло, создавая реактивную тягу. Движение продуктов сгорания создает в камере технический вакуум, благодаря которому клапан открывается, и в камеру всасывается воздух.

В отличие от турбореактивного двигателя, в ПуВРД смесь горит не непрерывно, а в импульсном режиме. Именно этим объясняется характерный низкочастотный шум пульсирующих моторов, который делает их неприменимыми в гражданской авиации. С точки зрения экономичности ПуВРД также проигрывают ТРД: несмотря на впечатляющее отношение тяги к массе (ведь у ПуВРД минимум деталей), степень сжатия в них достигает от силы 1,2:1, поэтому топливо сгорает неэффективно.

Прежде чем отправляться в мастерскую, мы начертили на бумаге и вырезали шаблоны разверток деталей в натуральную величину. Осталось лишь обвести их перманентным маркером, чтобы получить разметку для вырезания.

Зато ПуВРД бесценны как хобби: ведь они могут обходиться вообще без клапанов. Принципиально конструкция такого двигателя представляет собой камеру сгорания с подсоединенными к ней входной и выходной трубами. Входная труба гораздо короче выходной. Клапаном в таком двигателе служит не что иное, как фронт химических превращений.

Горючая смесь в ПуВРД сгорает с дозвуковой скоростью. Такое горение называется дефлаграцией (в отличие от сверхзвукового — детонации). При воспламенении смеси горючие газы вырываются из обеих труб. Именно поэтому и входная, и выходная трубы направлены в одну сторону и сообща участвуют в создании реактивной тяги. Но за счет разницы длин в тот момент, когда давление во входной трубе падает, по выходной еще движутся выхлопные газы. Они создают разрежение в камере сгорания, и через входную трубу в нее затягивается воздух. Часть газов из выходной трубы также направляется в камеру сгорания под действием разрежения. Они сжимают новую порцию горючей смеси и поджигают ее.

При работе с электрическими ножницами главный враг — вибрации. Поэтому заготовку нужно надежно фиксировать с помощью струбцины. При необходимости можно очень аккуратно погасить вибрации рукой.

Бесклапанный пульсирующий двигатель неприхотлив и стабилен. Для поддержания работы ему не требуется система зажигания. За счет разрежения он всасывает атмосферный воздух, не требуя дополнительного наддува. Если строить мотор на жидком топливе (мы для простоты предпочли газ пропан), то входная труба исправно выполняет функции карбюратора, распыляя в камеру сгорания смесь бензина и воздуха. Единственный момент, когда необходима система зажигания и принудительный наддув, — это запуск.

Китайский дизайн, российская сборка

Существует несколько распространенных конструкций пульсирующих реактивных двигателей. Кроме классической «U-образной трубы», весьма сложной в изготовлении, часто встречается «китайский двигатель» с конической камерой сгорания, к которой под углом приваривается небольшая входная труба, и «русский двигатель», по конструкции напоминающий автомобильный глушитель.

Трубы фиксированного диаметра легко формуются вокруг трубы. В основном это делается руками за счет эффекта рычага, а края заготовки закругляются с помощью киянки. Края лучше формовать так, чтобы при состыковке они образовывали плоскость — так легче положить сварной шов.

Прежде чем экспериментировать с собственными конструкциями ПуВРД, настоятельно рекомендуется построить двигатель по готовым чертежам: ведь сечения и объемы камеры сгорания, входной и выходной труб всецело определяют частоту резонансных пульсаций. Если не соблюдать пропорции, двигатель может не запуститься. Разнообразные чертежи ПуВРД доступны в интернете. Мы выбрали модель под названием «Гигантский китайский двигатель», размеры которой приводим во врезке.

Любительские ПуВРД делаются из листового металла. Применять в строительстве готовые трубы допустимо, но не рекомендуется по нескольким причинам. Во‑первых, практически невозможно подобрать трубы точно требуемого диаметра. Тем более сложно найти необходимые конические секции.

Сгибание конических секций — это исключительно ручной труд. Залог успеха — обжимать узкий конец конуса вокруг трубы малого диаметра, давая на него больше нагрузки, чем на широкую часть.

Во-вторых, трубы, как правило, имеют толстые стенки и соответствующий вес. Для двигателя, который должен обладать хорошим соотношением тяги к массе, это неприемлемо. Наконец, во время работы двигатель раскаляется докрасна. Если применять в конструкции трубы и фитинги из разных металлов с разным коэффициентом расширения, мотор проживет недолго.

Итак, мы выбрали путь, который выбирает большинство любителей ПуВРД, — изготовить корпус из листового металла. И тут же встали перед дилеммой: обратиться к профессионалам со специальным оборудованием (станки для водно-абразивной резки с ЧПУ, вальцы для проката труб, специальная сварка) или, вооружившись простейшими инструментами и самым распространенным сварочным аппаратом, пройти нелегкий путь начинающего двигателестроителя от начала до конца. Мы предпочли второй вариант.

Снова в школу

Первое, что необходимо сделать, — начертить развертки будущих деталей. Для этого необходимо вспомнить школьную геометрию и совсем немного вузовского черчения. Сделать развертки цилиндрических труб проще простого — это прямоугольники, одна сторона которых равна длине трубы, а вторая — диаметру, умноженному на «пи». Рассчитать развертку усеченного конуса или усеченного цилиндра — чуть более сложная задача, для решения которой нам пришлось заглянуть в учебник черчения.

Сварка тонкого листового металла — тончайшая работа, особенно если вы используете ручную дуговую сварку, как мы. Возможно, для данной задачи лучше подойдет сварка неплавящимся вольфрамовым электродом в аргонной среде, но оборудование для нее редкое и требует специфических навыков.

Выбор металла — весьма деликатный вопрос. С точки зрения термостойкости для наших целей лучше всего подходит нержавейка, но для первого раза лучше использовать черную низкоуглеродистую сталь: ее проще формовать и варить. Минимальная толщина листа, способного выдержать температуру сгорания топлива, — 0,6 мм. Чем тоньше сталь, тем легче ее формовать и труднее варить. Мы выбрали лист толщиной 1 мм и, похоже, не прогадали.

Даже если ваш сварочный аппарат может работать в режиме плазменной резки, не используйте его для вырезания разверток: края обработанных таким образом деталей плохо свариваются. Ручные ножницы по металлу — тоже не лучший выбор, так как они загибают края заготовок. Идеальный инструмент — электрические ножницы, которые режут миллиметровый лист как по маслу.

Для сгибания листа в трубу есть специальный инструмент — вальцы, или листогиб. Он относится к профессиональному производственному оборудованию и поэтому вряд ли найдется у вас в гараже. Согнуть достойную трубу помогут тиски.

Процесс сварки миллиметрового металла полноразмерным сварочным аппаратом требует определенного опыта. Чуть передержав электрод на одном месте, легко прожечь в заготовке дыру. При сварке в шов могут попасть пузырьки воздуха, которые затем дадут течь. Поэтому имеет смысл шлифовать шов болгаркой до минимальной толщины, чтобы пузырьки не оставались внутри шва, а становились видимыми.

В следующих сериях

К сожалению, в рамках одной статьи невозможно описать все нюансы работы. Принято считать, что эти работы требуют профессиональной квалификации, однако при должном усердии все они доступны любителю. Нам, журналистам, самим было интересно освоить новые для себя рабочие специальности, и для этого мы читали учебники, советовались с профессионалами и совершали ошибки.

Корпус, который мы сварили, нам понравился. На него приятно смотреть, его приятно держать в руках. Так что искренне советуем и вам взяться за такое дело. В следующем номере журнала мы расскажем, как изготовить систему зажигания и запустить бесклапанный пульсирующий воздушно-реактивный двигатель.