المحرك محرك نفاث بوقود

المحرك النفاث هو جهاز يولد قوة الجر المطلوبة للحركة عن طريق تحويل الطاقة الداخلية للوقود إلى الطاقة الحركية للتيار النفاث لسائل العمل.

فئات المحرك النفاث:

تنقسم جميع المحركات النفاثة إلى فئتين:

• الهواء النفاث - محركات حرارية تستخدم طاقة أكسدة الهواء التي يتم الحصول عليها من الغلاف الجوي. في هذه المحركات ، يتم تمثيل سائل العمل بمزيج من منتجات الاحتراق مع العناصر المتبقية من الهواء المنزف.
• صاروخ - محركات تحتوي على جميع المكونات الضرورية على متنها وقادرة على العمل حتى في الفراغ.

محرك نفاث هو الأبسط في فئة VJE من حيث التصميم. يتم تشكيل زيادة الضغط المطلوبة لتشغيل الجهاز عن طريق كبح تدفق الهواء القادم.

يمكن وصف سير عمل ramjet بإيجاز على النحو التالي:

• يدخل الهواء إلى مدخل المحرك بسرعة الطيران ، وتتحول طاقته الحركية إلى طاقة داخلية ، ويزيد ضغط الهواء ودرجة الحرارة. عند مدخل غرفة الاحتراق وعلى طول مسار التدفق بالكامل ، يتم ملاحظة أقصى ضغط.

• يتم تسخين الهواء المضغوط في غرفة الاحتراق عن طريق أكسدة الهواء المزود ، بينما تزداد الطاقة الداخلية لسائل العمل.
• علاوة على ذلك ، يضيق التدفق في الفوهة ، ويصل سائل العمل إلى السرعة الصوتية ، ومرة ​​أخرى ، عند التمدد ، يصل إلى سرعة تفوق سرعة الصوت. نظرًا لحقيقة أن مائع العمل يتحرك بسرعة تتجاوز سرعة التدفق القادم ، يتم إنشاء دفع نفاث في الداخل.

من الناحية الهيكلية ، يعد نظام ramjet جهازًا بسيطًا للغاية. يحتوي المحرك على غرفة احتراق يدخل فيها الوقود من حاقن الوقود والهواء من الناشر. تنتهي غرفة الاحتراق بمدخل إلى الفوهة التي تتضيق وتتوسع.

أدى تطوير تقنية الوقود الصلب المختلط إلى استخدام هذا الوقود في المحركات النفاثة. يوجد في غرفة الاحتراق كتلة وقود بقناة طولية مركزية. بالمرور عبر القناة ، يؤكسد سائل العمل سطح الوقود تدريجياً ويسخن نفسه. يزيد استخدام الوقود الصلب من تبسيط تصميم المحرك الحالي: يصبح نظام الوقود غير ضروري.

يختلف الوقود المختلط في تركيبته في المحرك النفاث النفاث عن الوقود المستخدم في محرك الصواريخ الذي يعمل بالوقود الصلب. إذا كان معظم تركيبة الوقود في المحرك الصاروخي مشغولًا بمؤكسد ، فإنه في محرك صاروخي يتم استخدامه بنسب صغيرة لتنشيط عملية الاحتراق.

يتكون حشو الوقود النفاث المختلط بشكل أساسي من مسحوق ناعم من البريليوم أو المغنيسيوم أو الألومنيوم. تتجاوز حرارة الأكسدة الخاصة بهم حرارة احتراق الوقود الهيدروكربوني بشكل كبير. كمثال على محرك نفاث يعمل بالوقود الصلب ، يمكن للمرء أن يستشهد بمحرك الدفع لصاروخ P-270 Moskit المضاد للسفن.

يعتمد الدفع النفاث النفاث على سرعة الطيران ويتم تحديده بناءً على تأثير عدة عوامل:

• كلما زادت سرعة الطيران ، كلما زاد تدفق الهواء المار عبر مسار المحرك ، على التوالي ، سوف يخترق المزيد من الأكسجين إلى غرفة الاحتراق ، مما يزيد من استهلاك الوقود ، والطاقة الحرارية والميكانيكية للمحرك.
• كلما زاد تدفق الهواء عبر مسار المحرك ، زاد الدفع الناتج عن المحرك. ومع ذلك ، هناك حد معين ، لا يمكن أن يزداد تدفق الهواء عبر مسار المحرك إلى ما لا نهاية.
• مع زيادة سرعة الطيران ، يزداد مستوى الضغط في غرفة الاحتراق. نتيجة لذلك ، تزداد الكفاءة الحرارية للمحرك.
• كلما زاد الفرق بين سرعة الطائرة وسرعة مرور الطائرة ، زاد دفع المحرك.

يمكن تمثيل اعتماد قوة الدفع لمحرك نفاث نفاث على سرعة الطيران على النحو التالي: حتى تصبح سرعة الطيران أقل بكثير من سرعة مرور الطائرة ، سيزداد الدفع مع نمو سرعة الطيران. عندما تقترب السرعة الجوية من سرعة التيار النفاث ، يبدأ الدفع في الانخفاض بعد حد أقصى معين يتم فيه ملاحظة السرعة الجوية المثلى.

اعتمادًا على سرعة الطيران ، يتم تمييز الفئات التالية من محركات ramjet:

• دون سرعة الصوت؛
• أسرع من الصوت.
• تفوق سرعة الصوت.

كل مجموعة لها سمات التصميم المميزة الخاصة بها.

محرك نفاث دون سرعة الصوت

تم تصميم هذه المجموعة من المحركات لتوفير رحلات جوية بسرعات تتراوح من 0,5 إلى 1,0 ماخ. يحدث ضغط الهواء والكبح في مثل هذه المحركات في موزع - قناة موسعة للجهاز عند مدخل التدفق.

هذه المحركات ذات كفاءة منخفضة للغاية. عند الطيران بسرعة M = 0,5 ، يكون مستوى زيادة الضغط فيها 1,186 ، وهذا هو السبب في أن الكفاءة الحرارية المثالية بالنسبة لهم هي 4,76٪ فقط ، وإذا تم أخذ الخسائر في المحرك الحقيقي في الاعتبار أيضًا ، فإن هذه القيمة سوف تقترب من الصفر. هذا يعني أنه عند الطيران بسرعات M <0,5 دون سرعة الصوت ، لا تعمل النفاثة النفاثة النفاثة.

ولكن حتى عند السرعة المحددة للمدى دون سرعة الصوت عند M = 1 ، يكون مستوى زيادة الضغط 1,89 ، والمعامل الحراري المثالي هو 16٪ فقط. هذه المؤشرات 7 مرة أقل من تلك الخاصة بمحركات الاحتراق الداخلي الترددية ، وأقل مرتين من تلك الخاصة بمحركات التوربينات الغازية. التوربينات الغازية والمحركات الترددية فعالة أيضًا في الاستخدام عند التشغيل في وضع ثابت. لذلك ، تبين أن المحركات النفاثة دون سرعة الصوت ، بالمقارنة مع محركات الطائرات الأخرى ، غير قادرة على المنافسة ولا يتم إنتاجها بكميات كبيرة حاليًا.

النفاثات النفاثة الأسرع من الصوت

تم تصميم المحركات النفاثة النفاثة الأسرع من الصوت للرحلات في نطاق السرعة 1 <M <5.

دائمًا ما يكون تباطؤ تدفق الغاز الأسرع من الصوت متقطعًا ، وتتشكل موجة صدمية تسمى موجة الصدمة. على مسافة موجة الصدمة ، فإن عملية ضغط الغاز ليست متوازنة. وبالتالي ، فقد لوحظ فقدان الطاقة الميكانيكية ، ومستوى زيادة الضغط فيه أقل مما هو عليه في عملية متناحرة. كلما زادت قوة موجة الصدمة ، كلما تغيرت سرعة التدفق في المقدمة ، على التوالي ، زاد فقدان الضغط ، وأحيانًا يصل إلى 50٪.

من أجل تقليل فقد الضغط ، يتم تنظيم الضغط ليس في موجة واحدة ، ولكن في عدة موجات صدمة ذات كثافة أقل. بعد كل من هذه القفزات ، هناك انخفاض في سرعة التدفق ، والتي تظل أسرع من الصوت. يتحقق ذلك إذا كانت مقدمة الصدمة بزاوية لاتجاه سرعة التدفق. تظل معلمات التدفق في الفترات الفاصلة بين القفزات ثابتة.

في القفزة الأخيرة ، تصل السرعة إلى مؤشر دون سرعة الصوت ، وتحدث المزيد من عمليات التباطؤ وضغط الهواء بشكل مستمر في قناة الناشر.

إذا كان مدخل المحرك موجودًا في منطقة تدفق غير مضطرب (على سبيل المثال ، أمام الطائرة عند طرف مقدمة الطائرة أو على مسافة كافية من جسم الطائرة على وحدة التحكم في الجناح) ، فهو غير متماثل ومكتمل بجزء مركزي الجسم - "مخروط" حاد طويل يخرج من القشرة. تم تصميم الجسم المركزي لإنشاء موجات صدمة منحرفة في تدفق الهواء القادم ، والتي توفر ضغطًا وإبطاءًا للهواء حتى يدخل قناة خاصة لجهاز المدخل. تسمى أجهزة المدخل المقدمة بأجهزة التدفق المخروطي ، يدور الهواء بداخلها مكونًا شكلًا مخروطيًا.

يمكن تزويد الجسم المخروطي المركزي بمحرك ميكانيكي ، مما يسمح له بالتحرك على طول محور المحرك وتحسين تباطؤ تدفق الهواء بسرعات طيران مختلفة. تسمى أجهزة الإدخال هذه قابلة للتعديل.

عند تثبيت المحرك تحت الجناح أو من الجزء السفلي من جسم الطائرة ، أي في منطقة التأثير الديناميكي الهوائي للعناصر الهيكلية للطائرة ، يتم استخدام أجهزة مدخل التدفق ثنائية الأبعاد. إنها غير مجهزة بجسم مركزي ولها مقطع عرضي مستطيل. وتسمى أيضًا أجهزة الضغط المختلطة أو الداخلية ، حيث يحدث الضغط الخارجي هنا فقط مع موجات الصدمة المتكونة عند الحافة الأمامية للجناح أو نهاية مقدمة الطائرة. يمكن للأجهزة القابلة للتعديل ذات المدخل المستطيل تغيير موضع الأوتاد داخل القناة.

في نطاق السرعة فوق الصوتية ، تكون النفاثة النفاثة أكثر كفاءة من النطاق دون سرعة الصوت. على سبيل المثال ، عند سرعة طيران M = 3 ، تكون درجة زيادة الضغط 36,7 ، وهي قريبة من تلك الخاصة بالمحركات التوربينية النفاثة ، وتصل الكفاءة المثالية المحسوبة إلى 64,3٪. من الناحية العملية ، تكون هذه المؤشرات أقل ، ولكن عند السرعات في النطاق M = 3-5 ، فإن SPVJE متفوق في الكفاءة على جميع أنواع SPVJ الحالية.

عند درجة حرارة تدفق الهواء غير المضطرب تبلغ 273 درجة مئوية وسرعة الطائرة M = 5 ، تكون درجة حرارة الجسم المتخلف العامل 1638 درجة مئوية ، وبسرعة M = 6 تكون 2238 درجة مئوية ، وفي رحلة حقيقية ، مع أخذ في الاعتبار الصدمات وتأثير الاحتكاك ، يصبح أعلى من ذلك.

يعد تسخين مائع العمل مشكلة بسبب عدم الاستقرار الحراري للمواد الهيكلية التي يتكون منها المحرك. لذلك ، فإن الحد الأقصى لسرعة SPVRD هو M = 5.

محرك نفاث فرط صوتي

تشمل فئة المحركات النفاثة التي تفوق سرعتها سرعة الصوت محرك نفاث يعمل بسرعات تزيد عن 5 أمتار. اعتبارًا من بداية القرن الحادي والعشرين ، كان وجود مثل هذا المحرك افتراضيًا فقط: لم يتم تجميع عينة واحدة من شأنها اجتياز اختبارات الطيران وتأكيد جدوى وأهمية إنتاجه التسلسلي.

عند مدخل جهاز سكرامجت ، يتم إجراء تباطؤ الهواء جزئيًا فقط ، وخلال بقية السكتة الدماغية ، تكون حركة السائل العامل أسرع من الصوت. في الوقت نفسه ، يتم الاحتفاظ بمعظم الطاقة الحركية الأولية للتدفق ؛ بعد الضغط ، تكون درجة الحرارة منخفضة نسبيًا ، مما يجعل من الممكن إطلاق قدر كبير من الحرارة إلى سائل العمل. بعد جهاز الإدخال ، يتمدد جزء التدفق للمحرك بطوله بالكامل. بسبب احتراق الوقود في تدفق أسرع من الصوت ، يتم تسخين مائع العمل ، ويتمدد ويتسارع.

تم تصميم هذا النوع من المحركات للرحلات الجوية في طبقة الستراتوسفير النادرة. من الناحية النظرية ، يمكن استخدام هذا المحرك في حاملات المركبات الفضائية التي يعاد استخدامها.

تتمثل إحدى المشكلات الرئيسية في تصميم محركات سكرامجت في تنظيم احتراق الوقود بتدفق أسرع من الصوت.

في بلدان مختلفة ، تم إطلاق العديد من البرامج لإنشاء محرك سكرامجت ، وجميعها في مرحلة البحث النظري والدراسات المعملية قبل التصميم.

أين تستخدم النفاثات النفاثة

لا يعمل المحرك النفاث بسرعة صفر وبسرعة جوية منخفضة. تتطلب الطائرة المزودة بمثل هذا المحرك تركيب محركات مساعدة عليها ، والتي يمكن أن تكون محركًا صاروخيًا يعمل بالوقود الصلب أو طائرة حاملة تنطلق منها الطائرة ذات المحرك النفاث.

نظرًا لعدم كفاءة محرك النفاث النفاث بسرعات منخفضة ، فمن غير المناسب عمليًا استخدامه على الطائرات المأهولة. يفضل استخدام هذه المحركات للصواريخ القتالية غير المأهولة ، والتي يمكن التخلص منها ، نظرًا لموثوقيتها وبساطتها وتكلفتها المنخفضة. تستخدم محركات Ramjet أيضًا في أهداف الطيران. المنافسة من حيث خصائص المحرك النفاث ليست سوى محرك صاروخي.

محرك نفاث نووي

خلال الحرب الباردة بين اتحاد الجمهوريات الاشتراكية السوفياتية والولايات المتحدة الأمريكية ، تم إنشاء مشاريع محركات نفاثة مع مفاعل نووي.

في مثل هذه الوحدات ، لم يكن مصدر الطاقة هو التفاعل الكيميائي لاحتراق الوقود ، ولكن الحرارة الناتجة عن مفاعل نووي مركب بدلاً من غرفة الاحتراق. في مثل هذه المحركات النفاثة ، يدخل الهواء من خلال جهاز المدخل إلى المنطقة النشطة للمفاعل ، ويبرد الهيكل ويسخن حتى 3000 كلفن نفسه ، ثم يتدفق من فوهة المحرك بسرعة تقترب من سرعة محركات الصواريخ المثالية . تم تصميم المحركات النفاثة النووية للتركيب في صواريخ كروز العابرة للقارات التي تحمل شحنة نووية. أنشأ المصممون في كلا البلدين مفاعلات نووية صغيرة الحجم تتناسب مع أبعاد صاروخ كروز.

في عام 1964 ، كجزء من برامج أبحاث Tory و Pluto النووية ، تم إجراء اختبارات إطلاق ثابتة للطائرة النفاثة النووية Tory-IIC. تم إغلاق برنامج الاختبار في يوليو 1964 ، ولم يتم اختبار المحرك أثناء الطيران. قد يكون السبب المزعوم لتقليص البرنامج هو تحسين تكوين الصواريخ الباليستية بمحركات الصواريخ الكيميائية ، مما جعل من الممكن تنفيذ مهام قتالية دون إشراك محركات نفاثة نووية.