← Laboratorium Technika · silniki

Technika · napęd lotniczy

Silnik odrzutowy — akcja i reakcja

Silnik samolotu wciąga w każdej sekundzie setki kilogramów powietrza, spręża je, podgrzewa płomieniem nafty i wyrzuca do tyłu z dużą prędkością. Gaz leci do tyłu — silnik jest pchany do przodu. Uruchom silnik, przesuń przepustnicę i zobacz, co dzieje się z powietrzem w każdym miejscu przekroju.

Części

Najedź kursorem (lub dotknij) dowolną część przekroju albo wybierz ją z listy powyżej.

Sterowanie

Silnik wyłączony. Naciśnij „Uruchom silnik”.

Uwaga: podczas rozruchu trzymaj przepustnicę na biegu jałowym — nadmiar paliwa przegrzeje turbinę.

Tylko w silniku turboodrzutowym, przy przepustnicy ≥ 80 %.
Masowe natężenie przepływu powietrza
0 kg/s
Prędkość strumienia z rdzenia
0 m/s
Prędkość strumienia zewnętrznego
0 m/s
Spręż całkowity π
1,0
Temperatura przed turbiną
15 °C
Jednostkowe zużycie paliwa
—
Udział wentylatora w ciągu
—

Wskaźniki w kokpicie

N1 · wał NP0,0 %
N2 · wał WP0,0 %
EGT15 °C
Paliwo0 kg/h
Ciąg0,0 kN
Warunki lotu
Silniki turbinowe pokazujemy na hamowni (samolot stoi, M = 0). Prędkość i wysokość zmienisz dla silnika strumieniowego i scramjetu.

N1 i N2 to prędkości obrotowe dwóch współosiowych wałów w procentach wartości nominalnej. EGT — temperatura gazów za turbiną wysokiego ciśnienia; czerwona kreska to granica, powyżej której łopatki turbiny zaczynają się niszczyć. Zauważ, że ciąg nie nadąża od razu za przepustnicą: wirniki muszą się najpierw rozpędzić.

Obieg Braytona (wykres T–s)

Spręż π1,0
Sprawność idealna0,0 %
Dla π = 40—

Każdy silnik turbinowy realizuje ten sam cykl: 1→2 sprężanie, 2→3 spalanie przy stałym ciśnieniu, 3→4 rozprężanie w turbinie i dyszy, 4→1 oddanie ciepła do atmosfery. Pole wewnątrz pętli to praca uzyskana z każdego kilograma powietrza. Sprawność idealnego obiegu zależy tylko od sprężu: η = 1 − π−(κ−1)/κ — dlatego współczesne silniki sprężają powietrze nawet 40–60 razy.

Dlaczego to leci do przodu?

Trzecia zasada dynamiki Newtona: każda akcja wywołuje reakcję równą co do wartości i przeciwnie skierowaną. Silnik przyspiesza masę gazu do tyłu (akcja), więc gaz pcha silnik — i cały samolot — do przodu (reakcja). Nie trzeba niczego „odpychać”: ciąg działa tak samo w próżni jak odrzut strzelby.

F ≈ ṁ · (vwylot − vlot)ciąg = masa gazu na sekundę × przyrost jego prędkości

Ten sam ciąg da mała ilość gazu wyrzucona bardzo szybko albo duża ilość wyrzucona wolno. Ale energia kinetyczna strumienia rośnie z kwadratem prędkości, więc szybki strumień marnuje dużo energii. Sprawdź:

v wylotu—
Sprawność napędowa—
Moc tracona w strumieniu—

Sprawność napędowa ηp = 2 / (1 + vwylot/vlot). Dlatego samoloty pasażerskie mają ogromne wentylatory: wolniejszy, ale masywny strumień z kanału zewnętrznego daje większość ciągu przy mniejszym spalaniu. Myśliwce potrzebują za to dużego ciągu z małego, smukłego silnika.

Silnik strumieniowy i scramjet — bez sprężarki

Przy prędkości kilku machów sprężarka nie jest potrzebna: wystarczy odpowiednio ukształtowany wlot. Powietrze wpadające z prędkością lotu hamuje w falach uderzeniowych, a jego energia kinetyczna zamienia się w ciśnienie i temperaturę. Temperaturę spiętrzenia (hamowania) opisuje wzór:

T₀ = T · (1 + (γ − 1)/2 · M²)T — temperatura powietrza na wysokości lotu, γ = 1,4 dla powietrza, M — liczba Macha

Na wysokości 20 km (T ≈ −57 °C) przy Mach 3 daje to ok. 330 °C, przy Mach 6 ok. 1 500 °C, a przy Mach 10 ponad 4 000 °C. W zwykłym silniku strumieniowym (ramjet) powietrze zwalnia do prędkości poddźwiękowej, więc powyżej ok. Mach 5–6 wpada do komory już tak gorące, że ściany nie wytrzymują, a spaliny zamiast oddawać ciepło — rozpadają się (dysocjacja). Dodanie paliwa niewiele wtedy daje.

Scramjet (ang. supersonic combustion ramjet) hamuje powietrze tylko częściowo: przez komorę płynie ono z prędkością kilku machów, a spalanie trwa ok. 1 ms. Dzięki temu gaz nagrzewa się mniej i silnik pracuje nawet przy Mach 10 i więcej — ale utrzymanie płomienia to jak zapalenie zapałki w huraganie.

F ≈ ṁ · (vwylot − vlot)    Isp = F / (ṁpaliwa · g)impuls właściwy: ile sekund 1 kg paliwa może dawać ciąg równy jego ciężarowi

Model uproszczony: gaz doskonały (γ = 1,4), atmosfera wzorcowa, fale uderzeniowe dwuwymiarowe, idealna dysza, stałe straty. Ramjet: nafta, maks. ok. 2 100 °C w komorze; scramjet: wodór. Liczby są orientacyjne.

Impuls właściwy a prędkość

Wartości orientacyjne (kształt krzywych jak w podręcznikach). Silniki turbinowe i ramjet na naftę, scramjet na wodór, rakieta tlen + wodór. Oś pionowa jest logarytmiczna. Rakieta ma najmniejszy impuls, bo wiezie ze sobą także utleniacz — za to działa przy każdej prędkości i w próżni.

Wyzwanie

  1. Zimny startUruchom silnik i doprowadź go do biegu jałowego tak, by EGT nie przekroczyła czerwonej kreski.
  2. Siła wentylatoraUzyskaj co najmniej 130 kN ciągu w silniku dwuprzepływowym. Podpowiedź: nie wystarczy sama przepustnica.
  3. Diamenty MachaW silniku turboodrzutowym zapal dopalacz i przekrocz 1 000 m/s prędkości gazów wylotowych.
  4. Hipersoniczny zapłonUruchom scramjet w jego zakresie pracy i uzyskaj dodatni ciąg.

Trochę historii

Silnik odrzutowy wymyślono niemal równocześnie w dwóch krajach. Anglik Frank Whittle zgłosił patent już w 1930 roku, a Niemiec Hans von Ohain niezależnie zbudował swój silnik kilka lat później. Wyścig wygrał von Ohain: jego silnik napędzał Heinkla He 178, pierwszy samolot o napędzie odrzutowym.

  1. 1930Whittle zgłasza patent silnika turboodrzutowego.
  2. 1937Pierwsze uruchomienia silników Whittle’a i von Ohaina na hamowniach.
  3. 193927 sierpnia — pierwszy lot He 178.
  4. 1941Gloster E.28/39 z silnikiem Whittle’a wzbija się w powietrze.
  5. 1966Bezzałogowy Lockheed D-21 z silnikiem strumieniowym leci z prędkością ponad Mach 3.
  6. 1967Rakietowy X-15A-2 osiąga Mach 6,7 — rekord samolotu z pilotem (William „Pete” Knight).
  7. 2004X-43A ze scramjetem osiąga Mach 9,6; silnik pracował ok. 10 s.
  8. 2013X-51A Waverider leci ok. 210 s z napędem scramjet, do ok. Mach 5,1.
Klawiatura ↑ ↓ przepustnica S uruchom / wyłącz A dopalacz T typ silnika L etykiety Spacja pauza