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STORIA DELLA TECNOLOGIA, DELLA TECNOLOGIA, DEGLI OGGETTI INTORNO A NOI
Motore a reazione. Storia dell'invenzione e della produzione
Elenco / La storia della tecnologia, della tecnologia, degli oggetti che ci circondano Un motore a reazione è un motore che crea la forza di trazione necessaria per il movimento convertendo l'energia interna del carburante nell'energia cinetica del getto del fluido di lavoro. Il fluido di lavoro esce dal motore ad alta velocità e, secondo la legge di conservazione della quantità di moto, viene generata una forza reattiva che spinge il motore nella direzione opposta. Per accelerare il fluido di lavoro, sia l'espansione di un gas riscaldato in un modo o nell'altro ad alta temperatura (i cosiddetti motori a getto termico) sia altri principi fisici, ad esempio l'accelerazione di particelle cariche in un campo elettrostatico (vedi motore a ioni) può essere utilizzato. Un motore a reazione abbina il motore stesso ad un dispositivo di propulsione, ovvero crea forza di trazione solo attraverso l'interazione con il fluido di lavoro, senza supporto o contatto con altri corpi. Per questo motivo viene spesso utilizzato per la propulsione di aerei, razzi e veicoli spaziali.
In un motore a reazione, la spinta necessaria per la propulsione viene creata convertendo l'energia iniziale in energia cinetica del fluido di lavoro. Come risultato del deflusso del fluido di lavoro dall'ugello del motore, viene generata una forza reattiva sotto forma di rinculo (getto). Il rinculo muove nello spazio il motore e gli apparati ad esso strutturalmente collegati. Il movimento avviene nella direzione opposta alla fuoriuscita del getto. Vari tipi di energia possono essere convertiti nell'energia cinetica di una corrente a getto: chimica, nucleare, elettrica, solare. Un motore a reazione fornisce la propria propulsione senza la partecipazione di meccanismi intermedi. Per creare la spinta del getto, è necessaria una fonte di energia iniziale, che viene convertita nell'energia cinetica della corrente a getto, un fluido di lavoro espulso dal motore sotto forma di corrente a getto e il motore a reazione stesso, che converte la prima tipo di energia nel secondo. La parte principale di un motore a reazione è la camera di combustione, nella quale viene creato il fluido di lavoro. Tutti i motori a reazione sono divisi in due classi principali, a seconda che funzionino sfruttando l'ambiente o meno. La prima classe sono i motori a respirazione d'aria (WRE). Sono tutti termici, in cui il fluido di lavoro si forma durante la reazione di ossidazione di una sostanza infiammabile con l'ossigeno dell'aria circostante. La maggior parte del fluido di lavoro è l'aria atmosferica. In un motore a razzo, tutti i componenti del fluido di lavoro si trovano a bordo dell'apparato dotato di esso. Esistono anche motori combinati che combinano entrambi i tipi sopra indicati. La propulsione a getto fu utilizzata per la prima volta nella Palla di Heron, un prototipo di turbina a vapore. I motori a reazione a combustibile solido apparvero in Cina nel X secolo. N. e. Tali missili furono usati in Oriente, e poi in Europa per fuochi d'artificio, segnalazioni e poi come missili da combattimento. Una tappa importante nello sviluppo dell'idea della propulsione a reazione è stata l'idea di utilizzare un razzo come motore per un aereo. Fu formulato per la prima volta dal rivoluzionario russo N.I. Kibalchich, che nel marzo 1881, poco prima della sua esecuzione, propose un progetto per un aereo (aereo a razzo) che utilizzava la propulsione a reazione da gas in polvere esplosivi. N. E. Zhukovsky, nelle sue opere "Sulla reazione dei liquidi in deflusso e in afflusso" (1880) e "Sulla teoria delle navi guidate dalla forza di reazione dell'acqua in deflusso" (1908), sviluppò per primo le questioni di base della teoria del getto motore. Interessanti lavori sullo studio del volo dei razzi appartengono anche al famoso scienziato russo I.V. Meshchersky, in particolare nel campo della teoria generale del movimento dei corpi di massa variabile. Nel 1903, K. E. Tsiolkovsky, nella sua opera "Esplorazione degli spazi del mondo con strumenti a reazione", fornì una giustificazione teorica per il volo di un razzo, nonché un diagramma schematico di un motore a razzo, che anticipò molte delle caratteristiche fondamentali e di progettazione dei moderni motori a razzo a propellente liquido (LPRE). Pertanto, Tsiolkovsky prevedeva l'uso di carburante liquido per un motore a reazione e la sua fornitura al motore con pompe speciali. Ha proposto di controllare il volo del razzo utilizzando timoni a gas: piastre speciali poste in un flusso di gas che fuoriesce dall'ugello. La particolarità di un motore a getto liquido è che, a differenza di altri motori a reazione, porta con sé l'intera riserva di ossidante insieme al carburante e non preleva dall'atmosfera l'aria contenente l'ossigeno necessario per bruciare il carburante. Questo è l'unico motore che può essere utilizzato per il volo ad altissima quota al di fuori dell'atmosfera terrestre. Il primo razzo al mondo con motore a razzo liquido fu creato e lanciato il 16 marzo 1926 dall'americano R. Goddard. Pesava circa 5 chilogrammi e la sua lunghezza raggiungeva i 3 metri Il carburante nel razzo di Goddard era benzina e ossigeno liquido. Il volo di questo razzo è durato 2,5 secondi, durante i quali ha volato per 56 m. Il lavoro sperimentale sistematico su questi motori iniziò negli anni '30 del XX secolo. I primi motori a razzo sovietici a propellente liquido furono sviluppati e creati nel 1930-1931. presso il Laboratorio Dinamico dei Gas di Leningrado (GDL) sotto la guida del futuro accademico V. P. Glushko. Questa serie si chiamava ORM - motore a razzo sperimentale. Glushko ha utilizzato alcune nuove innovazioni, ad esempio raffreddando il motore con uno dei componenti del carburante. Parallelamente, lo sviluppo dei motori a razzo è stato effettuato a Mosca dal Jet Propulsion Research Group (GIRD). Il suo ispiratore ideologico era F.A. Tsander e il suo organizzatore era il giovane S.P. Korolev. L'obiettivo di Korolev era costruire un nuovo veicolo a razzo: un aereo a razzo. Nel 1933, F.A. Zander costruì e testò con successo il motore a razzo OR1, che funzionava con benzina e aria compressa, e nel 1932-1933. - Motore OR2, funzionante a benzina e ossigeno liquido. Questo motore è stato progettato per essere installato su un aliante destinato a volare come un aereo a razzo. Nel 1933, il primo razzo sovietico a combustibile liquido fu creato e testato al GIRD. Sviluppando il lavoro iniziato, gli ingegneri sovietici continuarono successivamente a lavorare sulla creazione di motori a getto liquido. In totale, dal 1932 al 1941, l'URSS sviluppò 118 progetti di motori a getto liquido. In Germania nel 1931, i razzi furono testati da I. Winkler, Riedel e altri. Il primo volo di un aereo a razzo con motore a propellente liquido fu effettuato in Unione Sovietica nel febbraio 1940. Un motore a razzo a propellente liquido fu utilizzato come centrale elettrica dell'aereo. Nel 1941, sotto la guida del progettista sovietico V.F. Bolkhovitinov, fu costruito il primo aereo da caccia con motore a propellente liquido. I suoi test furono effettuati nel maggio 1942 dal pilota G. Ya. Bakhchivadzhi. Allo stesso tempo, ebbe luogo il primo volo di un caccia tedesco con un tale motore. Nel 1943, gli Stati Uniti testarono il primo aereo a reazione americano dotato di un motore a reazione a propellente liquido. In Germania, diversi caccia con questi motori progettati da Messerschmitt furono costruiti nel 1944 e utilizzati in combattimento sul fronte occidentale quello stesso anno. Inoltre, i motori a razzo liquidi furono utilizzati sui razzi tedeschi V2, creati sotto la guida di V. von Braun. Negli anni '1950, i motori a propellente liquido furono installati sui missili balistici, quindi sui satelliti artificiali della Terra, del Sole, della Luna e di Marte e sulle stazioni interplanetarie automatiche. Il motore a razzo a propellente liquido è costituito da una camera di combustione con un ugello, un'unità turbopompa, un generatore di gas o generatore di vapore-gas, un sistema di automazione, elementi di controllo, un sistema di accensione e unità ausiliarie (scambiatori di calore, miscelatori, azionamenti). L'idea dei motori a respirazione d'aria è stata avanzata più di una volta in diversi paesi. I lavori più importanti e originali al riguardo sono gli studi effettuati nel 1908-1913. Lo scienziato francese R. Lauren, che, in particolare, nel 1911 propose una serie di progetti per motori ramjet. Questi motori utilizzano l'aria atmosferica come ossidante e la compressione dell'aria nella camera di combustione è assicurata dalla pressione dinamica dell'aria. Nel maggio 1939, un razzo con un motore ramjet progettato da P. A. Merkulov fu testato per la prima volta in URSS. Era un razzo a due stadi (il primo stadio è un razzo in polvere) con un peso al decollo di 7,07 kg e il peso del carburante per il secondo stadio del motore ramjet era di soli 2 kg. Durante i test, il razzo ha raggiunto un'altitudine di 2 km. Nel 1939-1940 Per la prima volta al mondo, nell'Unione Sovietica furono effettuati test estivi di motori respiratori installati come motori aggiuntivi su un aereo progettato da N.P. Polikarpov. Nel 1942, i motori ramjet progettati da E. Zenger furono testati in Germania. Un motore a respirazione d'aria è costituito da un diffusore in cui l'aria viene compressa a causa dell'energia cinetica del flusso d'aria in arrivo. Il carburante viene iniettato nella camera di combustione attraverso un ugello e la miscela si accende. Il getto esce attraverso l'ugello. Il processo di funzionamento dei motori a reazione è continuo, quindi non hanno spinta iniziale. A questo proposito, a velocità di volo inferiori alla metà della velocità del suono, i motori a respirazione d'aria non vengono utilizzati. L'uso più efficace dei motori a reazione è a velocità supersoniche e ad alta quota. Un aereo alimentato da un motore a reazione decolla utilizzando motori a razzo funzionanti con combustibile solido o liquido. Un altro gruppo di motori a respirazione d'aria - i motori a turbocompressore - ha ricevuto uno sviluppo maggiore. Si dividono in turbogetto, in cui la spinta è creata da un flusso di gas che scorre dall'ugello del getto, e turboelica, in cui la spinta principale è creata dall'elica. Nel 1909, il progetto di un motore a turbogetto fu sviluppato dall'ingegnere N. Gerasimov. Nel 1914, il tenente della marina russa M.N. Nikolskoy progettò e costruì un modello di motore aeronautico turboelica. Il fluido di lavoro per azionare la turbina a tre stadi erano i prodotti gassosi della combustione di una miscela di trementina e acido nitrico. La turbina non funzionava solo sull'elica: i prodotti della combustione gassosi di scarico diretti nell'ugello di coda (getto) creavano una spinta del getto oltre alla forza di spinta dell'elica. Nel 1924, V.I. Bazàrov sviluppò il progetto di un motore a reazione turbocompressore per aviazione, costituito da tre elementi: una camera di combustione, una turbina a gas e un compressore. Qui il flusso di aria compressa fu diviso per la prima volta in due rami: la parte più piccola andava nella camera di combustione (al bruciatore), e la parte più grande veniva miscelata con i gas di lavoro per abbassarne la temperatura davanti alla turbina. Ciò ha garantito la sicurezza delle pale della turbina. La potenza della turbina multistadio veniva spesa per azionare il compressore centrifugo del motore stesso e in parte per ruotare l'elica. Oltre all'elica, la spinta veniva creata grazie alla reazione di un flusso di gas passato attraverso l'ugello di coda. Nel 1939, nello stabilimento Kirov di Leningrado, iniziò la costruzione dei motori a turbogetto progettati da A. M. Lyulka. I suoi processi furono interrotti dalla guerra. Nel 1941, in Inghilterra, fu effettuato il primo volo su un aereo da caccia sperimentale dotato di un motore a turbogetto progettato da F. Whittle. Era dotato di un motore con turbina a gas, che azionava un compressore centrifugo che forniva aria alla camera di combustione. I prodotti della combustione venivano utilizzati per creare la spinta del getto.
In un motore a turbogetto, l'aria che entra durante il volo viene compressa prima nella presa d'aria e poi nel turbocompressore. L'aria compressa viene fornita alla camera di combustione, nella quale viene iniettato carburante liquido (molto spesso cherosene per aviazione). L'espansione parziale dei gas formati durante la combustione avviene nella turbina che fa ruotare il compressore e l'espansione finale avviene nell'ugello del getto. È possibile installare un postcombustore tra la turbina e il motore a reazione per fornire un'ulteriore combustione del carburante. Al giorno d'oggi, la maggior parte degli aerei militari e civili, così come alcuni elicotteri, sono dotati di motori a turbogetto. In un motore turboelica, la spinta principale è generata dall'elica e la spinta aggiuntiva (circa il 10%) è generata da un flusso di gas che scorre dall'ugello del getto. Il principio di funzionamento di un motore a turboelica è simile a quello di un turbogetto, con la differenza che la turbina fa ruotare non solo il compressore, ma anche l'elica. Questi motori sono utilizzati negli aerei subsonici e negli elicotteri, nonché per la propulsione di navi e automobili ad alta velocità. I primi motori a reazione a propellente solido furono utilizzati nei missili da combattimento. Il loro uso diffuso iniziò nel XNUMX° secolo, quando le unità missilistiche apparvero in molti eserciti. Alla fine del XNUMX° secolo. Nascono le prime polveri senza fumo, con combustione più stabile e maggiori prestazioni. Negli anni '1920 e '1930 furono effettuati lavori per creare armi a reazione. Ciò portò alla comparsa di mortai con propulsione a razzo: Katyusha in Unione Sovietica, mortai con propulsione a razzo a sei canne in Germania. Lo sviluppo di nuovi tipi di polvere da sparo ha permesso di utilizzare motori a reazione a combustibile solido nei missili da combattimento, compresi quelli balistici. Inoltre, vengono utilizzati nell'aviazione e nell'astronautica come motori per i primi stadi di veicoli di lancio di razzi, motori di avviamento per aerei con motori ramjet e motori frenanti per veicoli spaziali. Un motore a reazione a combustibile solido è costituito da un alloggiamento (camera di combustione), che contiene l'intera riserva di carburante e un ugello a getto. Il corpo è realizzato in acciaio o fibra di vetro. Ugello - realizzato in grafite, leghe refrattarie, grafite. Il carburante viene acceso da un accenditore. Il controllo della spinta viene effettuato modificando la superficie di combustione della carica o l'area critica della sezione trasversale dell'ugello, nonché iniettando liquido nella camera di combustione. La direzione della spinta può essere modificata mediante timoni a gas, un deflettore (deflettore), motori di controllo ausiliari, ecc. I motori a reazione a combustibile solido sono molto affidabili, possono essere conservati per lungo tempo e quindi sono sempre pronti per l'avvio. Autore: Pristinsky V.L.
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