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TECHNOLOGIEGESCHICHTE, TECHNOLOGIE, OBJEKTE UM UNS
Düsentriebwerk. Geschichte der Erfindung und Produktion
Verzeichnis / Die Geschichte der Technik, Technik, Objekte um uns herum Ein Strahltriebwerk ist ein Triebwerk, das die für die Bewegung erforderliche Zugkraft erzeugt, indem es die innere Energie des Kraftstoffs in die kinetische Energie des Strahlstroms des Arbeitsmediums umwandelt. Das Arbeitsmedium strömt mit hoher Geschwindigkeit aus dem Motor und gemäß dem Impulserhaltungssatz entsteht eine Reaktionskraft, die den Motor in die entgegengesetzte Richtung drückt. Zur Beschleunigung des Arbeitsmediums werden sowohl die Ausdehnung eines auf die eine oder andere Weise auf eine hohe thermische Temperatur erhitzten Gases (die sogenannten Thermostrahltriebwerke) als auch andere physikalische Prinzipien, beispielsweise die Beschleunigung geladener Teilchen in einem elektrostatischen Feld ( siehe Ionenmotor), eingesetzt werden. Ein Strahltriebwerk kombiniert das Triebwerk selbst mit einem Propeller, das heißt, es erzeugt Traktion nur durch Wechselwirkung mit dem Arbeitsmedium, ohne Unterstützung oder Kontakt mit anderen Körpern. Aus diesem Grund wird es am häufigsten zum Antrieb von Flugzeugen, Raketen und Raumfahrzeugen verwendet.
In einem Strahltriebwerk wird die für die Bewegung notwendige Schubkraft durch Umwandlung der Anfangsenergie in die kinetische Energie des Arbeitsmediums erzeugt. Durch den Austritt des Arbeitsmediums aus der Triebwerksdüse entsteht eine Reaktionskraft in Form eines Rückstoßes (Strahls). Der Rückstoß bewegt den Motor und die mit ihm baulich verbundenen Apparate im Raum. Die Bewegung erfolgt in entgegengesetzter Richtung zum Ausströmen des Strahls. Verschiedene Arten von Energie können in die kinetische Energie eines Jetstreams umgewandelt werden: chemische, nukleare, elektrische, solare. Das Strahltriebwerk sorgt für seine eigene Bewegung ohne Beteiligung von Zwischenmechanismen. Um einen Strahlschub zu erzeugen, ist eine Anfangsenergiequelle erforderlich, die in die kinetische Energie eines Strahlstroms umgewandelt wird, ein vom Triebwerk in Form eines Strahlstrahls ausgestoßenes Arbeitsmedium und das Strahltriebwerk selbst, das die erste umwandelt Art der Energie in die Sekunde. Der Hauptteil eines Strahltriebwerks ist die Brennkammer, in der das Arbeitsmedium entsteht. Alle Strahltriebwerke werden in zwei Hauptklassen eingeteilt, je nachdem, ob sie bei ihrer Arbeit die Umwelt nutzen oder nicht. Die erste Klasse sind Strahltriebwerke (WFD). Bei allen handelt es sich um thermische Verfahren, bei denen das Arbeitsmedium bei der Oxidationsreaktion eines brennbaren Stoffes mit Sauerstoff aus der Umgebungsluft entsteht. Die Hauptmasse des Arbeitsmediums ist atmosphärische Luft. Bei einem Raketentriebwerk befinden sich alle Bestandteile des Arbeitsmediums an Bord der damit ausgestatteten Apparatur. Es gibt auch Kombimotoren, die beide oben genannten Typen kombinieren. Erstmals kam der Strahlantrieb in Herons Kugel zum Einsatz – dem Prototyp einer Dampfturbine. Im XNUMX. Jahrhundert tauchten in China Feststoffstrahltriebwerke auf. N. e. Solche Raketen wurden im Osten und dann in Europa für Feuerwerkskörper, Signalraketen und dann als Kampfraketen eingesetzt. Ein wichtiger Schritt in der Entwicklung der Idee des Strahlantriebs war die Idee, eine Rakete als Triebwerk für ein Flugzeug zu nutzen. Es wurde erstmals vom russischen Revolutionär N. I. Kibalchich formuliert, der im März 1881, kurz vor seiner Hinrichtung, einen Plan für ein Flugzeug (Raketenflugzeug) vorschlug, das den Strahlschub aus explosiven Pulvergasen nutzte. N. E. Zhukovsky entwickelte in seinen Werken „Über die Reaktion ausströmender und einströmender Flüssigkeit“ (1880er Jahre) und „Über die Theorie von Schiffen, die durch die Reaktionskraft ausströmenden Wassers in Bewegung gesetzt werden“ (1908) erstmals die Hauptfragen der Theorie eines Strahls Motor. Interessante Arbeiten zur Erforschung des Raketenflugs gehören auch dem berühmten russischen Wissenschaftler I. V. Meshchersky, insbesondere auf dem Gebiet der allgemeinen Theorie der Bewegung von Körpern variabler Masse. Im Jahr 1903 lieferte K. E. Tsiolkovsky in seinem Werk „Untersuchung des Weltraums mit Strahlinstrumenten“ eine theoretische Begründung für den Flug einer Rakete sowie ein schematisches Diagramm eines Raketentriebwerks, das viele grundlegende und konstruktive Aspekte vorwegnahm Merkmale moderner Flüssigtreibstoff-Raketentriebwerke (LRE). Daher sorgte Tsiolkovsky für die Verwendung von flüssigem Treibstoff für ein Strahltriebwerk und dessen Versorgung des Triebwerks mit speziellen Pumpen. Er schlug vor, den Flug der Rakete mithilfe von Gasrudern zu steuern – speziellen Platten, die in einem von der Düse ausgestoßenen Gasstrahl platziert sind. Die Besonderheit eines Flüssigtreibstofftriebwerks besteht darin, dass es im Gegensatz zu anderen Strahltriebwerken den gesamten Vorrat an Oxidationsmittel zusammen mit dem Treibstoff mit sich führt und nicht die für die Treibstoffverbrennung notwendige sauerstoffhaltige Luft aus der Atmosphäre entnimmt. Dies ist das einzige Triebwerk, das für Ultra-Höhenflüge außerhalb der Erdatmosphäre eingesetzt werden kann. Die weltweit erste Rakete mit einem Flüssigtreibstoff-Raketentriebwerk wurde am 16. März 1926 vom Amerikaner R. Goddard entwickelt und gestartet. Es wog etwa 5 Kilogramm und erreichte eine Länge von 3 m. Goddards Rakete wurde mit Benzin und flüssigem Sauerstoff angetrieben. Der Flug dieser Rakete dauerte 2,5 Sekunden und flog dabei 56 m weit. Die systematische experimentelle Arbeit an diesen Motoren begann in den 30er Jahren des XNUMX. Jahrhunderts. Die ersten sowjetischen Raketentriebwerke wurden zwischen 1930 und 1931 entwickelt und hergestellt. im Leningrad Gas Dynamic Laboratory (GDL) unter der Leitung des zukünftigen Akademikers V.P. Glushko. Diese Serie hieß ORM – ein erfahrener Raketenmotor. Glushko hat einige Neuheiten angewendet, zum Beispiel die Kühlung des Motors mit einer der Kraftstoffkomponenten. Parallel dazu wurde in Moskau von der Jet Propulsion Study Group (GIRD) die Entwicklung von Raketentriebwerken durchgeführt. Ihr ideologischer Inspirator war F.A. Zander, und der Organisator war der junge S.P. Korolev. Koroljows Ziel war es, einen neuen Raketenapparat zu bauen – ein Raketenflugzeug. Im Jahr 1933 baute und testete F. A. Zander erfolgreich das OR1-Raketentriebwerk, das mit Benzin und Druckluft betrieben wurde, und in den Jahren 1932-1933. - Motor OP2, mit Benzin und flüssigem Sauerstoff. Dieser Motor war für den Einbau in ein Segelflugzeug konzipiert, das als Raketenflugzeug fliegen sollte. 1933 wurde die erste sowjetische Flüssigbrennstoffrakete entwickelt und bei GIRD getestet. Sowjetische Ingenieure entwickelten die begonnenen Arbeiten weiter und arbeiteten anschließend weiter an der Entwicklung von Flüssigtreibstoff-Strahltriebwerken. Insgesamt wurden in der UdSSR von 1932 bis 1941 118 Konstruktionen von Flüssigtreibstoff-Strahltriebwerken entwickelt. In Deutschland wurden 1931 Raketen von I. Winkler, Riedel und anderen getestet. Der Erstflug eines raketengetriebenen Flugzeugs mit Flüssigkeitsantrieb fand im Februar 1940 in der Sowjetunion statt. Als Triebwerk des Flugzeugs wurde ein LRE eingesetzt. 1941 wurde unter der Leitung des sowjetischen Konstrukteurs W. F. Bolchovitinow das erste Düsenjägerflugzeug mit Flüssigtreibstoffmotor gebaut. Seine Tests wurden im Mai 1942 vom Piloten G. Ya. Bakhchivadzhi durchgeführt. Gleichzeitig fand der Erstflug eines deutschen Jagdflugzeugs mit einem solchen Motor statt. 1943 testeten die USA das erste amerikanische Düsenflugzeug, in das ein Flüssigtreibstoffmotor eingebaut war. In Deutschland wurden 1944 mehrere Jäger mit diesen von Messerschmitt konstruierten Motoren gebaut und im selben Jahr im Kampfeinsatz an der Westfront eingesetzt. Darüber hinaus wurden Flüssigtreibstoff-Raketentriebwerke auf deutschen V2-Raketen eingesetzt, die unter der Leitung von W. von Braun entwickelt wurden. In den 1950er Jahren wurden Flüssigkeitsraketentriebwerke auf ballistischen Raketen und dann auf künstlichen Satelliten der Erde, der Sonne, des Mondes und des Mars, automatischen interplanetaren Stationen, installiert. Das Raketentriebwerk besteht aus einer Brennkammer mit Düse, einer Turbopumpeneinheit, einem Gasgenerator oder einem Dampf-Gas-Generator, einem Automatisierungssystem, Steuerelementen, einem Zündsystem und Hilfsaggregaten (Wärmetauscher, Mischer, Antriebe). Die Idee von Strahltriebwerken wurde in verschiedenen Ländern mehr als einmal vorgebracht. Die wichtigsten und originellsten Arbeiten in dieser Hinsicht sind die Studien aus den Jahren 1908–1913. Der französische Wissenschaftler R. Loren, der insbesondere 1911 eine Reihe von Plänen für Staustrahltriebwerke vorschlug. Diese Motoren nutzen atmosphärische Luft als Oxidationsmittel und die Luft in der Brennkammer wird durch dynamischen Luftdruck komprimiert. Im Mai 1939 fand in der UdSSR der erste Test einer Rakete mit einem von P. A. Merkulov entworfenen Staustrahltriebwerk statt. Es handelte sich um eine zweistufige Rakete (die erste Stufe war eine Pulverrakete) mit einem Abfluggewicht von 7,07 kg, das Treibstoffgewicht für die zweite Stufe des Staustrahltriebwerks betrug nur 2 kg. Während des Tests erreichte die Rakete eine Höhe von 2 km. 1939-1940. Zum ersten Mal weltweit wurden in der Sowjetunion Sommertests von Strahltriebwerken durchgeführt, die als Zusatztriebwerke in einem von N.P. Polikarpov entworfenen Flugzeug eingebaut waren. 1942 wurden von E. Senger entworfene Staustrahltriebwerke in Deutschland getestet. Das Strahltriebwerk besteht aus einem Diffusor, in dem die Luft aufgrund der kinetischen Energie des anströmenden Luftstroms komprimiert wird. Durch die Düse wird Kraftstoff in den Brennraum eingespritzt und das Gemisch entzündet. Der Strahlstrahl tritt durch die Düse aus. Der Betrieb der WFD erfolgt kontinuierlich, es entsteht also kein Anlaufschub. In diesem Zusammenhang werden Strahltriebwerke bei Fluggeschwindigkeiten von weniger als der halben Schallgeschwindigkeit nicht eingesetzt. Der Einsatz von WRRL ist bei Überschallgeschwindigkeit und großen Höhen am effektivsten. Der Start eines Flugzeugs mit Strahltriebwerk erfolgt mit Feststoff- oder Flüssigtreibstoff-Raketentriebwerken. Eine weitere Gruppe von Strahltriebwerken, Turbokompressortriebwerke, wurden weiterentwickelt. Sie sind unterteilt in Turbojet-Triebwerke, bei denen der Schub durch einen aus einer Strahldüse ausströmenden Gasstrahl erzeugt wird, und Turboprop-Triebwerke, bei denen der Hauptschub durch einen Propeller erzeugt wird. Im Jahr 1909 wurde der Entwurf eines Turbostrahltriebwerks vom Ingenieur N. Gerasimov entwickelt. Im Jahr 1914 entwarf und baute der Leutnant der russischen Marine M. N. Nikolskoy ein Modell eines Turboprop-Flugzeugmotors. Als Arbeitsmedium für den Antrieb der dreistufigen Turbine dienten die gasförmigen Verbrennungsprodukte einer Mischung aus Terpentin und Salpetersäure. Die Turbine wirkte nicht nur auf den Propeller: Die Abgase der Verbrennung, die zur Heckdüse (Strahldüse) geleitet wurden, erzeugten zusätzlich zur Schubkraft des Propellers einen Strahlschub. Im Jahr 1924 entwickelte V. I. Bazarov den Entwurf eines Turbokompressor-Strahltriebwerks für Flugzeuge, das aus drei Elementen bestand: einer Brennkammer, einer Gasturbine und einem Kompressor. Erstmals wurde der Druckluftstrom hier in zwei Zweige aufgeteilt: Der kleinere Teil gelangte in die Brennkammer (zum Brenner), der größere Teil wurde mit den Arbeitsgasen vermischt, um deren Temperatur vor der Turbine zu senken. Dadurch wurde die Sicherheit der Turbinenschaufeln gewährleistet. Die Leistung der mehrstufigen Turbine wurde zum Antrieb des Radialkompressors des Motors selbst und teilweise zum Drehen des Propellers genutzt. Zusätzlich zum Propeller wurde Schub durch die Reaktion eines durch die Heckdüse geleiteten Gasstrahls erzeugt. Im Jahr 1939 begann der Bau von Turbostrahltriebwerken nach dem Entwurf von A. M. Lyulka im Kirow-Werk in Leningrad. Seine Prozesse wurden durch den Krieg unterbrochen. 1941 wurde in England der Erstflug mit einem experimentellen Kampfflugzeug durchgeführt, das mit einem von F. Whittle entworfenen Turbostrahltriebwerk ausgestattet war. Es war mit einem Gasturbinentriebwerk ausgestattet, das einen Zentrifugalkompressor antrieb, der die Brennkammer mit Luft versorgte. Verbrennungsprodukte wurden verwendet, um Strahlschub zu erzeugen.
Bei einem Turbostrahltriebwerk wird die während des Fluges einströmende Luft zunächst im Lufteinlass und dann im Turbolader komprimiert. Druckluft wird in die Brennkammer geleitet, wo flüssiger Treibstoff (meistens Flugkerosin) eingespritzt wird. Eine teilweise Expansion der bei der Verbrennung entstehenden Gase erfolgt in der Turbine, die den Kompressor dreht, und die endgültige Expansion erfolgt in der Strahldüse. Zwischen der Turbine und dem Strahltriebwerk kann ein Nachbrenner installiert werden, der für die zusätzliche Verbrennung von Treibstoff ausgelegt ist. Heutzutage sind die meisten Militär- und Zivilflugzeuge sowie einige Hubschrauber mit Turbostrahltriebwerken ausgestattet. Bei einem Turboprop-Triebwerk wird der Hauptschub durch einen Propeller und zusätzlich (ca. 10 %) durch einen Gasstrahl erzeugt, der aus einer Strahldüse strömt. Das Funktionsprinzip eines Turboprop-Triebwerks ähnelt dem eines Turbostrahltriebwerks, mit dem Unterschied, dass die Turbine nicht nur den Kompressor, sondern auch den Propeller dreht. Diese Motoren werden in Unterschallflugzeugen und Hubschraubern sowie für die Fortbewegung von Hochgeschwindigkeitsschiffen und -autos eingesetzt. Die ersten Feststoffstrahltriebwerke wurden in Kampfraketen eingesetzt. Ihr weit verbreiteter Einsatz begann im XNUMX. Jahrhundert, als in vielen Armeen Raketeneinheiten auftauchten. Am Ende des XNUMX. Jahrhunderts. Es entstanden die ersten rauchfreien Pulver mit stabilerer Verbrennung und höherer Effizienz. In den 1920er und 1930er Jahren wurde an der Entwicklung von Strahlwaffen gearbeitet. Dies führte zum Aufkommen von Raketenwerfern – „Katyusha“ in der Sowjetunion, sechsläufige Raketenmörser in Deutschland. Die Gewinnung neuer Arten von Schießpulver ermöglichte den Einsatz von Feststoffstrahltriebwerken in Kampfraketen, auch in ballistischen. Darüber hinaus werden sie in der Luft- und Raumfahrt als Motoren der ersten Stufen von Trägerraketen, als Startmotoren für Flugzeuge mit Staustrahltriebwerken und als Bremsmotoren für Raumfahrzeuge eingesetzt. Ein Feststoffstrahltriebwerk besteht aus einem Körper (Brennkammer), in dem sich der gesamte Treibstoffvorrat und eine Strahldüse befinden. Der Körper besteht aus Stahl oder Fiberglas. Düse – aus Graphit, feuerfesten Legierungen, Graphit. Der Brennstoff wird durch einen Zünder gezündet. Der Schub wird durch Ändern der Verbrennungsfläche der Ladung oder der Fläche des kritischen Abschnitts der Düse sowie durch Einspritzen von Flüssigkeit in die Brennkammer gesteuert. Die Schubrichtung kann durch Gasruder, eine Umlenkdüse (Deflektor), Hilfssteuermotoren usw. geändert werden. Jet-Feststofftriebwerke sind sehr zuverlässig, können lange gelagert werden und sind daher ständig startbereit. Autor: Pristinsky V.L.
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