Повітряно-реактивний двигун

До кінця Другої Світової війни вимоги підвищення потужності поршньових двигунів внутрішнього згорання увійшло у безвихідне протиріччя з іншими вимогами, щодо компактності й обмеження маси.

Перший патент на турбінний двигун був виданий англійцю Джону Барберу в 1791 році. В 1913 році француз Рене Лорен отримав патент на прямоточний повітряно-реактивний двигун. Ряд інженерів і вчених різних країн в 20-ті та 30-ті роки XX століття передбачили кризу у авіаційному двигунобудуванні та шукали шляхи виходу з нього, в тому числі за рахунок ПРД.

Перший в СРСР проект реального винищувача з ПРД розробив український вчений А.М. Люлька, а в березні 1943 року запропонував директор ОКБ-301 М.І. Гудков. Літак називався ГУ-ПРД. Проект був відхилений експертами, головним чином, у зв'язку з недовірою в актуальність і переваги ПРД в порівнянні з поршневими двигунами.

Турбореактивний двигун (ТРД)

Прямоточний повітряно-реактивний двигун (ППРД)

Першим літаком, який піднявся в небо з турбореактивним двигуном (ТРД) Hes 3 конструкції фон Охайна був Heinkel He 178, керований льотчиком-випробувачем флюг-капітаном Еріхом Варзіцем (27 серпня 1939). Цей літак перевершував за швидкістю всі поршневі винищувачі свого часу, але при цьому був менш економічним і, в наслідок цього, мав менший радіус дії. До того ж у нього були більші швидкості злету та посадки, через що він потребував довшої ЗПС з якісним покриттям.

З серпня 1944 року у Німеччині почалося серійне виробництво реактивного винищувача-бомбардувальника Messerschmitt Me 262 з двома ТРД Jumo-004, які випускалися фірмою Юнкерс. А з листопада 1944 року почав випускатися ще й перший реактивний бомбардувальник Arado Ar 234 Blitz з тими ж двигунами. Єдиним реактивним літаком союзників по антигітлерівській коаліції, що формально брав участь у Другій світовій війні, був Gloster Meteor (Велика Британія) з ТРД Rolls-Royce Derwent 8 конструкції Ф. Віттла, його серійний випуск почався в 1941 році.

Запатентований ще у 1913 р. прямоточний повітряно-реактивний двигун (ППРД) подобався конструкторам простотою своєї конструкції, але головне — своєю потенційною можливістю працювати на надзвукових швидкостях і в найвищих шарах атмосфери, тобто в умовах, в яких інші типи двигунів були неефективними. У 1930-их роках з цим типом двигунів провидилися експерименти в Німеччині, США та СРСР.

В 1937 році французький конструктор Рене Ледюк отримав замовлення від французької влади на створення експериментального літака з ППРД. Ця робота була перервана війною і поновилася з її закінченням. 19 листопада 1946 року відбувся перший в історії політ апарата з маршевим ППРД. Далі протягом десяти років було виготовлено і випробувано ще кілька апаратів цієї серії, в тому числі керовані, а в 1957 році Франція відмовилася від випробувань та продовження цих робіт, оскільки в ті часи ТРД здавався перспективнішим.

Пульсуючий повітряно-реактивний двигун (ПуПРД)

Пульсуючий повітряно-реактивний двигун (ПуПРД) був винайдений в XIX столітті шведським винахідником Мартіном Вібергом. Найвідомішим літальним апаратом (і єдиним серійним) з ПуПРД є німецький Argus As-014 фірми Argus, відомий як літак-снаряд Фау-1. Після війни досліди в області пульсуючих повітряно-реактивних двигунів продовжувалися у Франції (компанія SNECMA) і в США (Pratt & Whitney, General Electric), окрім того, завдяки простоті та дешевизні, маленькі двигуни такого типу стали дуже популярним серед авіамоделістів і в аматорській авіації, та з'явилися приватні фірми, які виробляли ПуПРД і запчастини до них.

Попри велику кількість ПРД, які дуже відрізняються один від одного конструкцією, характеристиками і областю використання, можна виділити ряд принципів для всіх ПРД і тих, які відрізняють його від всіх інших теплових двигунів інших типів.

Повітряно-реактивний двигун розвиває тягу за рахунок реактивного струменя робочого тіла, витікаючого з сопла двигуна. З цієї точки зору ПРД схожий до ракетного двигуна (РД), але відрізняється від нього тим, що більшу частину робочого тіла він забирає з атмосфери, в тому числі і окислювач, необхідний для горіння палива. Завдяки цьому ПРД має переваги в порівнянні з РД при польотах в атмосфері, оскільки йому не потрібно нести з собою окислювач, маса якого в 2-8 раз більша маси палива.

Робоче тіло ПРД на виході з сопла являє собою суміш продуктів згорання з залишками повітря після вигорання кисню. Якщо для повного окиснення 1 кг гасу (звичайного палива ПРД) потрібно близько 3,4 кг чистого кисню, то, враховуючи що масова частка кисню в повітрі становить 23%, для повного окиснення палива потрібно 14,8 кг чистого повітря і, відповідно, робоче тіло на 94% своєї маси складається з атмосферного повітря. На практиці ПРД, як правило, має надлишок використання повітря, наприклад, в ТРД маса палива в робочому тілі становить 1-2%. Це дозволяє при аналізі роботи ПРД враховувати, що робоче тіло ПРД як на вході так і на виході є однією речовиною.

Динаміку ПРД можна викласти наступним чином: робоче тіло входить в двигун зі швидкістю польоту, а покидає його з швидкістю реактивного струменя. З балансу імпульса витікає вираз для реактивної тяги:

${\displaystyle P=G\cdot (c-v)}$

Де ${\displaystyle \,P}$ — сила тяги, ${\displaystyle \,v}$ — швидкість польоту, ${\displaystyle \,c}$ — швидкість реактивного струменя відносно двигуна, ${\displaystyle \,G}$ — секундна витрата маси робочого тіла. Очевидно, ПРД ефективний лише в випадку, коли швидкість витоку робочого тіла з сопла двигуна перевищує швидкість польоту: ${\displaystyle \,c>v}$.

Швидкість витоку газу з теплового реактивного двигуна залежить від хімічного складу робочого тіла, його абсолютної температури на вході в сопло і від ступеню розширення робочого тіла в соплі двигуна.

З урахуванням вищесказаного можна сформулювати і головні недоліки ПРД в порівнянні з РД:

• ПРД здатний працювати лише в атмосфері, а РД в будь-якому оточенні і в пустоті.
• ПРД ефективний лише до певної, специфічної для даного двигуна, максимальній швидкості польоту, А тяга РД не залежить від польоту.

• Работы по ППРД и крылатым ракетам дальнего действия с ПВРД в СССР (1947–1960)
• Теория и расчёт воздушно-реактивных двигателей. Учебник для вузов. Авторы: В. М. Акимов, В. И. Бакулев, Р. И. Курзинер, В. В. Поляков, В. А. Сосунов, С. М. Шляхтенко. Под редакцией С. М. Шляхтенко. 2-е издание, переработанное и дополненное. М.: Машиностроение, 1987

• Ракетний двигун
• Прямоточний повітряно-реактивний двигун
• Пульсуючий повітряно-реактивний двигун
• Прискорювач (ракетобудування)