Полет на грани возможностей: как реактивный двигатель изменил мир?
Реактивный двигатель — одна из важнейших разработок в авиакосмической индустрии. Именно ему современные самолеты, ракеты и бомбардировщики обязаны своей скоростью и маневренностью. Рассказываем, как он появился, в чем заключается принцип работы реактивного двигателя и как его создание изменило все.
Как ученые задумались о создании реактивных двигателей
С появлением авиации человечеству стал понятно, что скорость — ключ к успешным полетам. Уже в 1913 году французский инженер Рене Лорин запатентовал конструкцию первого в мире реактивного самолета (именно эти машины сегодня составляют основу гражданской и военной авиации). В теории такие самолеты должны были стать гораздо более маневренными по сравнению с предшественниками. А все за счет высокой скорости, которую развивали бы машины. В этом и заключалась проблема: достаточно мощных моторов для развития необходимой для этого силы не существовало.
В 30-х годах XX века также стало понятно, что максимальная производительность самых распространенных на тот момент поршневых двигателей ограничена. Из-за особенностей конструкции они даже в теории не могли стать источником достаточной силы для воплощения видения авиаконструкторов.
Ключом к созданию более мощных, принципиально новых реактивных двигателей стали газовые турбины. Благодаря им получилось увеличить количество производимой топливом полезной энергии и эффективнее ее расходовать. Как итог — возможность воплощения так называемых реактивных двигателей.
Главное отличие моторов такого типа заключалось в том, что их сила тяги не зависела от наличия окружающей среды. Другими словами, они оказались одинаково эффективны как в космосе, так и на Земле. В результате именно реактивные двигатели стали использовать для доставки в безвоздушное пространство людей и кораблей.
Как первые реактивные двигатели помогли покорить космос
Несмотря на то, что официально создание первого реактивного двигателя приписывают английскому конструктору Фрэнку Уиттлу и нацистскому инженеру Гансу фон Охайному (первый получил патент на работающий газотурбинный двигатель в 1930 году, а второй собрал первую рабочую модель), работа над аналогичными проектами велась по всему миру.
Так, в СССР первый электрический реактивный двигатель был создан под руководством знаменитого советского инженера Валентина Глушко в 1929 году. В основе его работы лежала инновационная для своего времени технология на основе процесса под названием «электрический взрыв».
В камеру сгорания этого двигателя устанавливались проводники из железа, палладия и других металлов. К ним подавались кратковременные, но мощные импульсы электрического тока с определенной частотой. Когда электрический разряд проходил через проводники, они разрушались, что вызывало выделение водорода, который истекал из сопла двигателя, создавая тягу и позволяя механизму работать.
И хотя вышедшие из-под «пера» Глушко механизмы были недостаточно мощными (что и послужило причиной прекращения работ над ними), технология проявила себя во второй половине XX века, когда СССР и Америка начали активно осваивать космическое пространство. Усовершенствованные плазменные электрореактивные двигатели (ЭРД) в 1964 году «отправили» на орбиту советский спутник «Зонд-2», одной из главных целей которого было исследование Марса.
Интересно, что ЭРД применяют и при создании современной космической техники. Это связано в одним неоспоримым преимуществом первого двигателя Глушко — чрезвычайно долгий срок работы, до нескольких лет. Это делает ЭРД идеальным вариантом двигателя для спутников. Например, его вариация была установлена на японском космическом аппарате «Хаябуса», который запустили в 2003 году для изучения астероида Итокава.
Как развиваются реактивные двигатели сейчас?
Полный потенциал реактивных двигателей не раскрыт до сих пор. Их конструкцию постоянно дорабатывают и совершенствуют, чтобы добиться большей эффективности, скорости и долговечности моторов.
Сейчас с помощью реактивных двигателей уже можно развивать гиперзвуковые скорости (более и равными 6 тыс. км/ч). Причем современные разработки позволяют еще и точно контролировать летящие с такой быстротой объекты. Так, одним из последних прорывов в сфере гиперзвуковых технологий стало создание китайскими инженерами новых алгоритмов, которые помогают решать сложные задачи, связанные с проектированием и управлением гиперзвуковыми летательными аппаратами. Они позволяют более точно планировать траектории и избегать аварийных ситуаций.
Кроме того, китайское правительство активно выделяет средства на создание и тестирование прототипов, оснащенных новейшими двигательными системами, такими как вращающиеся детонационные приводы и гиперзвуковые прямоточные воздушно-реактивные двигатели. В 2020 году китайские ученые также продемонстрировали возможность создания тяги с помощью струи сжатой плазмы, полученной из воздуха. Основным элементом этой технологии служит процесс сжатия воздуха мощным компрессором, после чего он ионизируется с помощью микроволн.
Полученные заряженные частицы плазмы ускоряются электрическим полем, создавая реактивную струю. Это напоминает принцип работы ионных двигателей, используемых на космических аппаратах, которые работают на ионизированных газах, создавая тягу при минимальном расходе топлива. Однако классические ионные двигатели не могут генерировать достаточно большую удельную силу для использования в атмосфере, что ограничивало их применение исключительно в космосе.
Прототип китайского двигателя продемонстрировал способность создавать тягу, достаточную для подъема килограммового стального шара, используя исключительно электрическую энергию. Это свидетельствует о том, что в будущем такие плазменные реактивные двигатели могут стать основой для создания экологически чистых и малошумных летательных аппаратов.
Более того, эта технология не использует традиционные виды топлива, что может снизить выбросы углекислого газа и другие негативные воздействия на окружающую среду. Это особенно актуально в условиях борьбы человечества с изменением климата.
