Motor a jato. História da invenção e produção

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Um motor a jato é um motor que cria a força de tração necessária para o movimento, convertendo a energia interna do combustível na energia cinética da corrente de jato do fluido de trabalho.

O fluido de trabalho sai do motor em alta velocidade e, de acordo com a lei da conservação do momento, forma-se uma força reativa que empurra o motor na direção oposta. Para acelerar o fluido de trabalho, tanto a expansão de um gás aquecido de uma forma ou de outra a uma alta temperatura térmica (os chamados motores a jato térmico) quanto outros princípios físicos, por exemplo, a aceleração de partículas carregadas em um campo eletrostático ( veja motor iônico), pode ser usado.

Um motor a jato combina o próprio motor com uma hélice, ou seja, cria tração apenas por meio da interação com o fluido de trabalho, sem apoio ou contato com outros corpos. Por esse motivo, é mais comumente usado para impulsionar aeronaves, foguetes e espaçonaves.

Motor a jato

Em um motor a jato, a força de empuxo necessária para o movimento é criada pela conversão da energia inicial em energia cinética do fluido de trabalho. Como resultado da expiração do fluido de trabalho do bico do motor, uma força reativa é formada na forma de recuo (jato). O recuo move o motor e o aparelho estruturalmente conectado a ele no espaço. O movimento ocorre na direção oposta à saída do jato. Vários tipos de energia podem ser convertidos em energia cinética de uma corrente de jato: química, nuclear, elétrica, solar. O motor a jato fornece seu próprio movimento sem a participação de mecanismos intermediários.

Para criar o impulso do jato, você precisa de uma fonte de energia inicial, que é convertida em energia cinética de uma corrente de jato, um fluido de trabalho ejetado do motor na forma de uma corrente de jato e o próprio motor a jato, que converte o primeiro tipo de energia para o segundo.

A parte principal de um motor a jato é a câmara de combustão, na qual o fluido de trabalho é criado.

Todos os motores a jato são divididos em duas classes principais, dependendo se eles usam o meio ambiente em seu trabalho ou não.

A primeira classe são os motores a jato (WFD). Todos eles são térmicos, nos quais o fluido de trabalho é formado durante a reação de oxidação de uma substância combustível com o oxigênio do ar circundante. A massa principal do fluido de trabalho é o ar atmosférico.

Em um motor de foguete, todos os componentes do fluido de trabalho estão a bordo do aparelho equipado com ele.

Existem também motores combinados que combinam os dois tipos acima.

Pela primeira vez, a propulsão a jato foi usada na bola de Heron - o protótipo de uma turbina a vapor. Os motores a jato de combustível sólido surgiram na China no século X. n. e. Esses foguetes foram usados \uXNUMXb\uXNUMXbno Oriente e depois na Europa para fogos de artifício, sinalização e depois como combatentes.

Uma etapa importante no desenvolvimento da ideia da propulsão a jato foi a ideia de usar um foguete como motor de uma aeronave. Foi formulado pela primeira vez pelo revolucionário russo N. I. Kibalchich, que em março de 1881, pouco antes de sua execução, propôs um esquema para uma aeronave (avião-foguete) usando impulso a jato de gases explosivos em pó.

N. E. Zhukovsky em suas obras "Sobre a reação do fluxo de saída e entrada de fluido" (década de 1880) e "Sobre a teoria dos navios acionados pela força de reação da água que sai" (1908) desenvolveu pela primeira vez as principais questões da teoria de um jato motor.

Um trabalho interessante sobre o estudo do vôo de foguetes também pertence ao famoso cientista russo I. V. Meshchersky, em particular no campo da teoria geral do movimento de corpos de massa variável.

Em 1903, K. E. Tsiolkovsky, em seu trabalho "Investigação dos Espaços Mundiais com Instrumentos a Jato", deu uma justificativa teórica para o vôo de um foguete, bem como um diagrama esquemático de um motor de foguete, que antecipou muitos dos fundamentos e design características dos modernos motores de foguete a combustível líquido (LRE). Assim, Tsiolkovsky previa o uso de combustível líquido para um motor a jato e seu abastecimento ao motor com bombas especiais. Ele propôs controlar o vôo do foguete por meio de lemes de gás - placas especiais colocadas em um jato de gases emitidos pelo bocal.

A peculiaridade de um motor de propelente líquido é que, ao contrário de outros motores a jato, ele carrega consigo todo o suprimento de oxidante junto com o combustível e não retira da atmosfera o ar contendo oxigênio necessário para a queima do combustível. Este é o único motor que pode ser usado para vôos em altitudes ultra-altas fora da atmosfera terrestre.

O primeiro foguete do mundo com motor a combustível líquido foi criado e lançado em 16 de março de 1926 pelo americano R. Goddard. Pesava cerca de 5 quilos e seu comprimento chegava a 3 M. O foguete de Goddard era movido a gasolina e oxigênio líquido. O vôo deste foguete durou 2,5 segundos, durante os quais voou 56 m.

O trabalho experimental sistemático nesses motores começou na década de 30 do século XX.

Os primeiros motores de foguete soviéticos foram desenvolvidos e criados em 1930-1931. no Laboratório Dinâmico de Gás de Leningrado (GDL) sob a orientação do futuro acadêmico V.P. Glushko. Esta série foi chamada de ORM - um motor de foguete experiente. Glushko aplicou algumas novidades, por exemplo, resfriando o motor com um dos componentes do combustível.

Paralelamente, o desenvolvimento de motores de foguete foi realizado em Moscou pelo Jet Propulsion Study Group (GIRD). Seu inspirador ideológico foi F.A. Zander, e o organizador foi o jovem S.P. Korolev. O objetivo de Korolev era construir um novo aparelho de foguete - um avião-foguete.

Em 1933, F. A. Zander construiu e testou com sucesso o motor de foguete OR1, que funcionava com gasolina e ar comprimido, e em 1932-1933. - motor OP2, a gasolina e oxigénio líquido. Este motor foi projetado para ser instalado em um planador que deveria voar como um avião-foguete.

Em 1933, o primeiro foguete soviético de combustível líquido foi criado e testado no GIRD.

Desenvolvendo o trabalho iniciado, os engenheiros soviéticos continuaram a trabalhar na criação de motores a jato de combustível líquido. No total, de 1932 a 1941, 118 projetos de motores a jato de combustível líquido foram desenvolvidos na URSS.

Na Alemanha, em 1931, os foguetes foram testados por I. Winkler, Riedel e outros.

O primeiro vôo em uma aeronave de propulsão a foguete com motor a combustível líquido foi feito na União Soviética em fevereiro de 1940. Um LRE foi usado como usina de energia da aeronave. Em 1941, sob a liderança do projetista soviético VF Bolkhovitinov, foi construído o primeiro caça a jato com motor a combustível líquido. Seus testes foram realizados em maio de 1942 pelo piloto G. Ya. Bakhchivadzhi.

Ao mesmo tempo, ocorreu o primeiro vôo de um caça alemão com esse motor. Em 1943, os Estados Unidos testaram o primeiro avião a jato americano, no qual foi instalado um motor a combustível líquido. Na Alemanha, em 1944, vários caças com esses motores projetados por Messerschmitt foram construídos e no mesmo ano foram usados em uma situação de combate na Frente Ocidental.

Além disso, motores de foguete de combustível líquido foram usados em foguetes alemães V2, criados sob a direção de W. von Braun.

Na década de 1950, motores de foguetes líquidos foram instalados em mísseis balísticos e depois em satélites artificiais da Terra, Sol, Lua e Marte, estações interplanetárias automáticas.

O motor-foguete consiste em uma câmara de combustão com bico, uma unidade turbobomba, um gerador de gás ou gerador de gás a vapor, um sistema de automação, elementos de controle, um sistema de ignição e unidades auxiliares (trocadores de calor, misturadores, acionamentos).

A ideia de motores a jato foi apresentada mais de uma vez em diferentes países. Os trabalhos mais importantes e originais a esse respeito são os estudos realizados em 1908-1913. O cientista francês R. Loren, que, em particular, em 1911 propôs uma série de esquemas para motores ramjet. Esses motores usam o ar atmosférico como oxidante e o ar na câmara de combustão é comprimido pela pressão dinâmica do ar.

Em maio de 1939, o primeiro teste de um foguete com motor ramjet projetado por P. A. Merkulov ocorreu na URSS. Era um foguete de dois estágios (o primeiro estágio era um foguete de pólvora) com peso de decolagem de 7,07 kg, e o peso do combustível para o segundo estágio do motor ramjet era de apenas 2 kg. Durante o teste, o foguete atingiu uma altura de 2 km.

Em 1939-1940. pela primeira vez no mundo na União Soviética, foram realizados testes de verão de motores a jato instalados como motores adicionais em uma aeronave projetada por N.P. Polikarpov. Em 1942, motores ramjet projetados por E. Senger foram testados na Alemanha.

O motor a jato consiste em um difusor no qual o ar é comprimido devido à energia cinética do fluxo de ar que se aproxima. O combustível é injetado na câmara de combustão através do bocal e a mistura inflama. A corrente de jato sai pelo bocal.

A operação do WFD é contínua, portanto não há impulso de partida neles. Nesse sentido, em velocidades de vôo inferiores à metade da velocidade do som, os motores a jato não são usados. O uso do WFD é mais eficaz em velocidades supersônicas e grandes altitudes. A decolagem de uma aeronave com motor a jato é realizada com motores de foguete de propelente sólido ou líquido.

Outro grupo de motores a jato, motores turbocompressores, recebeu mais desenvolvimento. Eles são divididos em turbojato, no qual o impulso é criado por um jato de gases que flui de um bico de jato, e turboélice, no qual o impulso principal é criado por uma hélice.

Em 1909, o projeto de um motor turbojato foi desenvolvido pelo engenheiro N. Gerasimov. Em 1914, o tenente da Marinha Russa M.N. Nikolskoy projetou e construiu um modelo de motor turboélice. Os produtos gasosos da combustão de uma mistura de terebintina e ácido nítrico serviram como fluido de trabalho para acionar a turbina de três estágios. A turbina não funcionou apenas na hélice: os produtos gasosos de combustão da exaustão, direcionados para o bocal da cauda (jato), criaram o impulso do jato além da força de impulso da hélice.

Em 1924, V. I. Bazarov desenvolveu o projeto de um motor a jato turbocompressor de aeronave, que consistia em três elementos: uma câmara de combustão, uma turbina a gás e um compressor. Pela primeira vez, o fluxo de ar comprimido aqui foi dividido em dois ramos: a parte menor foi para a câmara de combustão (para o queimador) e a parte maior foi misturada com os gases de trabalho para baixar sua temperatura na frente da turbina. Isso garantiu a segurança das pás da turbina. A potência da turbina de vários estágios foi usada para acionar o compressor centrífugo do próprio motor e, em parte, para girar a hélice. Além da hélice, o empuxo era criado pela reação de um jato de gases que passava pelo bocal da cauda.

Em 1939, a construção de motores turbojato projetados por A. M. Lyulka começou na fábrica de Kirov em Leningrado. Seus julgamentos foram interrompidos pela guerra.

Em 1941, na Inglaterra, foi feito o primeiro voo em um caça experimental equipado com motor turbojato projetado por F. Whittle. Era equipado com um motor de turbina a gás que acionava um compressor centrífugo que fornecia ar para a câmara de combustão. Produtos de combustão foram usados para criar o impulso do jato.

Motor a jato
Avião Gloster de Whittle (E.28/39)

Em um motor turbojato, o ar que entra durante o vôo é comprimido primeiro na entrada de ar e depois no turbocompressor. O ar comprimido é alimentado na câmara de combustão, onde o combustível líquido (na maioria das vezes querosene de aviação) é injetado. A expansão parcial dos gases formados durante a combustão ocorre na turbina que gira o compressor, e a expansão final ocorre no bocal do jato. Um pós-combustor pode ser instalado entre a turbina e o motor a jato, projetado para combustão adicional de combustível.

Hoje, a maioria das aeronaves militares e civis, bem como alguns helicópteros, são equipados com motores turbojato.

Em um motor turboélice, o impulso principal é criado por uma hélice e adicional (cerca de 10%) - por um jato de gases que flui de um bico de jato. O princípio de funcionamento de um motor turboélice é semelhante ao de um motor turbojato, com a diferença de que a turbina gira não só o compressor, mas também a hélice. Esses motores são usados em aeronaves subsônicas e helicópteros, bem como para a movimentação de navios e carros de alta velocidade.

Os primeiros motores a jato de propelente sólido foram usados em mísseis de combate. Seu uso generalizado começou no século XNUMX, quando unidades de mísseis apareceram em muitos exércitos. No final do século XIX. foram criados os primeiros pós sem fumaça, com combustão mais estável e maior eficiência.

Nas décadas de 1920-1930, o trabalho estava em andamento para criar armas a jato. Isso levou ao aparecimento de lançadores de foguetes - "Katyusha" na União Soviética, morteiros de foguetes de seis canos na Alemanha.

A obtenção de novos tipos de pólvora possibilitou o uso de motores a jato de propelente sólido em mísseis de combate, inclusive balísticos. Além disso, são utilizados na aviação e na astronáutica como motores dos primeiros estágios de veículos lançadores, motores de partida para aeronaves com motores ramjet e motores de freio para espaçonaves.

Um motor a jato de propelente sólido consiste em um corpo (câmara de combustão) no qual está localizado todo o suprimento de combustível e um bico de jato. O corpo é feito de aço ou fibra de vidro. Bico - feito de grafite, ligas refratárias, grafite.

O combustível é inflamado por um dispositivo de ignição.

O impulso é controlado alterando a superfície de combustão da carga ou a área da seção crítica do bico, bem como injetando líquido na câmara de combustão.

A direção do impulso pode ser alterada por lemes de gás, um bocal defletor (defletor), motores de controle auxiliares, etc.

Os motores a jato de propelente sólido são muito confiáveis, podem ser armazenados por um longo período de tempo e, portanto, estão constantemente prontos para o lançamento.

Autor: Pristinsky V.L.

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