«Как такое вообще может работать?!» Удивительная физика пульсирующего реактивного двигателя

Принцип работы ПуВРД может смутить даже человека, неплохо разбирающегося в технике. В нем нет ни турбины, как в турбореактивном двигателе, ни поршней, как в ДВС. В нем почти нет движущихся частей, если уж на то пошло. Тем не менее, он работает, производя при этом оглушительное жужжание.
«Как такое вообще может работать?!» Удивительная физика пульсирующего реактивного двигателя
Hackaday
Пульсирующий воздушно-реактивный двигатель (ПуВРД) был изобретен еще в середине 19 века.

Несмотря на столь долгую историю, в авиации он остается экзотикой. Пульсирующие двигатели не вымерли вовсе, но и не захватили мир. Их ниша – скоростные авиамодели и беспилотные летательные аппараты.

РЕКЛАМА – ПРОДОЛЖЕНИЕ НИЖЕ

Внешне ПуВРД похож на турбореактивный двигатель (ТРД). В передней части у него воздухозаборник, сзади сопло. Только во время работы из этого сопла вырывается большой, почти как у ракеты, столб огня. А вместе воя турбины вы слышите треск или, скорее, жужжание.

Немецкие летающие бомбы «Фау-1» фото
Немецкие летающие бомбы «Фау-1» оснащались пульсирующими реактивными двигателями.
USAF

Кстати, из-за этого неприятного звука англичане очень боялись немецких реактивных снарядов «Фау-1» (V-1). В истории авиации «Фау» остались единственным примером, когда ПуВРД применяли в больших масштабах на крупных летательных аппаратах.

РЕКЛАМА – ПРОДОЛЖЕНИЕ НИЖЕ
РЕКЛАМА – ПРОДОЛЖЕНИЕ НИЖЕ

Как работает ПуВРД

Устроен этот двигатель очень примитивно. В передней части его гондолы находится отверстие – входной диффузор, в который засасывается воздух. За ним находится камера сгорания со свечами зажигания и топливными форсунками. Камера заканчивается длинным цилиндрическим соплом. Вот, собственно, и все основные детали.

Теперь давайте разберемся, как столь примитивный механизм может работать. Сделайте небольшую паузу и несколько раз вдохните и выдохните воздух, чтобы настроить мозг на внимание. Готовы?

как работает пуврд
Aleksej fon Grozni - Wikipedia
РЕКЛАМА – ПРОДОЛЖЕНИЕ НИЖЕ

На старте в камеру сгорания подается топливо и свечи поджигают его. Сгорая и превращаясь в газ, топливная смесь расширяется и раскаляет воздух вокруг себя. Как вы знаете, по законам термодинамики резко вырастает давление. Первым делом оно захлопывает топливные форсунки, устроенные как обратные клапаны. Подача топлива прекращается.

Далее смесь газов устремляется в открытое сопло – за счет реактивной тяги создавая импульс тяги.

Стоп, скажете вы. Почему же она устремляется именно в сопло, а не выходит через воздухозаборник? Дело в том, что он тоже закрыт обратным клапаном, устроенным как жалюзи – решетка с лепестками. При потоке воздуха вовнутрь лепестки поднимаются, пропуская воздух, а при обратном потоке прижимаются к решетке, закрывая отверстие.

РЕКЛАМА – ПРОДОЛЖЕНИЕ НИЖЕ

Вернемся к газам. Когда они вылетают из сопла с большой скоростью, в камере сгорания образуется разрежение и давление падает ниже атмосферного. Клапаны в топливной системе и воздухозаборнике открываются и запускают в камеру сгорания новую порцию топлива и воздуха. Цикл повторяется.

РЕКЛАМА – ПРОДОЛЖЕНИЕ НИЖЕ

Интересно, что уже после нескольких циклов камера раскаляется настолько, что свечи зажигания становятся не нужны. Топливо загорается просто от соприкосновения со стенками. Несмотря на это, двигатель продолжает работать по циклу – возникает эффект автоколебаний.

Модель самолета с ПуВРД
За счет простоты конструкции ПуВРД стали популярны в авиамоделизме.
aardvark.co.nz
РЕКЛАМА – ПРОДОЛЖЕНИЕ НИЖЕ

Двигатель-камикадзе

Уже прошло около 160 лет с тех пор, когда француз Шарль де Луврье и российский Николай Телешов независимо друг от друга изобрели пульсирующий реактивный двигатель. С тех пор инженеры, работающие над моторами для авиации, периодически к ним возвращаются.

Истребитель P-51 Mustang с двумя ПуВРД под крыльями фото
Истребитель P-51 Mustang с двумя ПуВРД-ускорителями под крыльями.
USAF

ПуВРД манит их простой конструкцией. Это идеальный двигатель для одноразовых летательных аппаратов.

РЕКЛАМА – ПРОДОЛЖЕНИЕ НИЖЕ

Однако шумность и вибрации мешают применить его в других случаях. К тому же топливо он пожирает как не в себя – КПД такого двигателя очень низок.

летающая бомба Фау-1 под крылом
Disciples of Flight

Но это не значит, что проблемы нерешаемы. За последнее время мы видели много примеров, когда обычным вещам придавали новые свойства. Хотите пример? Недавно Techinsider рассказывал, как английские изобретатели изменили форму спирали Архимеда, получив высокоэффективную гидротурбину. Этой спирали уже более двух тысяч лет, но только сейчас человеческие умы натолкнулись на верную идею.

То же может случиться с ПуВРД. Так что не забывайте про него.