oldmoneyRuss

Всем людям, хотя бы раз летавшим на самолете, знаком запах авиационного топлива - керосина. Ведь именно им пахнет около пассажирского трапа, когда вы стоите у самолета и ожидаете посадку. И не мудрено - керосином заправляется подавляющее большинство летательных аппаратов. Почему в качестве авиационного топлива выбрали именно его? Какие преимущества у керосина по сравнению с бензином и дизелем? Почему до сих пор не могут придумать аналоги этому топливу и нужны ли они?

На эти вопросы я отвечу в сегодняшней статье. Итак, начнем

Почему керосин?

Чтобы ответить на этот вопрос нужно углубиться в историю автомобилестроения (внезапно) и немного в процесс производства керосина. Все началось с печенегов с братьев Райт и их самолета на бензиновом двигателе. В 1903 году это был один из немногих способов поднять что-либо в воздух и совершить управляемый полет (еще был аэроплан Можайского, работающий на паровом двигателе). Потом авиация начала стремительно развиваться, но подавляющее число самолетов так и продолжали летать на поршневых двигателях и заправляться бензином.

Что интересно, на заре авиации, как я уже писал, были попытки полетов на паровых двигателях. Но к сожалению эта идея не развилась и не стала доминирующей ни в авиации, ни в автомобилестроении, преимущественно из-за низкой удельной мощности, большой массы, по сравнению с ДВС, и малой распространенности.

С удельной мощностью и массой все ясно, по этим параметрам паровой двигатель проигрывал ДВС, однако были и крайне интересные модели, эффективно использующие энергию пара, а не энергию сжигания топлива.

Решающим фактором в пользу выбора ДВС для ранних моделей самолетов, как мне думается, стала именно его распространенность. Ведь никто в начале 20 века не станет разрабатывать отдельный двигатель для неизведанного "летающего аппарата". Всем было не до силовой установки - намного проще было взять самый распространенный и дешевый вариант двигателя и работать с аэродинамикой и конструкцией самолета. А вот на распространение поршневых двигателей повлиял в большей степени Генри Форд со своей первой массовой моделью - Ford Model T, начавшей сходить с конвейера (первого в мире кстати) как раз на заре авиации - в 1908 году. Во многом благодаря этому факту мы сегодня ездим на машинах и люди век назад летали на самолетах, работающих на бензине.

А где бензин, там недалеко и керосин со своими качествами, во многом более подходящими для авиации и современных (начиная с 50-х годов) самолетов. Действительно, бензин и керосин - это продукты перегонки нефти. С подробным процессом переработки можете ознакомиться здесь, мы не будем сейчас в него углубляться.

Без распространения нефтедобывающих установок и нефтеперерабатывающих заводов навряд ли людям удалось бы создать газотурбинный двигатель. Ведь раньше нефть не имела такого широкого распространения, а керосин использовали только для освещения в уличных фонарях. Он мог долго поддерживать горение и был не таким летучим и взрывоопасным, по сравнению с бензином, так как являлся более тяжелой фракцией перегонки нефти. С появлением ДВС и электричества он отошел на второй план и объем его производства значительно сократился. Зато активно развивающееся производство бензина смогло дать мощный толчок нефтедобывающей промышленности и финансировало открытие новых месторождений. И поэтому, когда люди смогли создать реактивный двигатель, керосин вновь стал востребованным. Конечно, в первую очередь благодаря своим качествам, но и без развитой нефтеперерабатывающей инфраструктуры тоже не обошлось.

Керосин, как я писал выше, плавно горит и не взрывается. Это ключевые качества, необходимые для реактивных двигателей. Им начали заправлять самолеты и ракеты с этим типом двигателя. Потом на базе реактивных двигателей сконструировали газотурбинные, а уже на их базе появились современные турбореактивные и турбовинтовентиляторные изделия.

Что не так с бензином и дизелем?

Частично я уже ответил на этот вопрос в предыдущем разделе, но давайте немного углубимся в технику и обоснуем выбор именно керосина.

Итак, как говорилось выше, керосин плавно горит, не самовоспламеняется и не выделяет взрывоопасные пары. Бензин и дизель идеально подходят для поршневых двигателей, где цикл работы предполагает небольшой взрыв топлива, который толкает поршень вниз и тем самым совершает полезную работы.

Цикл сгорания топлива в газотурбинном двигателе иной - в нем как минимум не должно ничего взрываться и его работа должна быть плавной. Сгорание керосина происходит в камере сгорания (КС). Воздух в нее поступает через компрессор низкого давления (КНД) и компрессор высокого давления (КВД). Благодаря этому он сжимается и вследствие этого нагревается (см. первое начало термодинамики). Далее керосин впрыскивается в сжатый и уже горячий воздух и нагревает его еще сильнее при неизменном давлении. Потом сжатый и горячий поток воздуха проходит через турбину высокого давления (ТВД), турбину низкого давления (ТНД) и выбрасывается наружу реактивной струей. Проходя через ТВД и ТНД он расширяется и раскручивает, соответственно, КВД и КНД. Получается самоподдерживающийся процесс с выбросом реактивной струи и образованием полезной механической работы.

С бензином или дизелем такого бы просто не получилось. Они бы взрывались при таком сильном давлении, какая она есть в КС (порядка 10...40 раз выше, чем на входе в КНД) и попросту разрушали бы ее. Именно поэтому керосин был выбран в качестве авиационного топлива для турбореактивных двигателей.

Еще существует множество присадок и моделей реактивного топлива для разных погодных условий и для разных типов двигателей. В них используется огромное разнообразие присадок. Они отличаются названиями и методами получения, в зависимости от страны-производителя и в его производстве очень много нюансов. В общем, мы не будем в данной статье углубляться в получение керосина и оставим это экспертам-нефтяникам.

Есть ли какие-то аналоги? Нужны ли они?

Конечно, аналоги топлива и типа двигателя безусловно есть. Активно ведуться разработки в области водородных двигателей и электрических самолетов. Даже были проекты с ядерным реактором на борту. Но ни одна из идей не получила такое же широкое распространение, как ГТД для средней и крупной и поршневого двигателя для малой авиации. Почему не получили? Причины я думаю ясны - водород крайне опасен в эксплуатации и требует значительного переосмысления компоновки самолета из-за увеличения объема топливных баков.

Электричество очень неэффективно в первую очередь из-за своей массы. Литий-ионные батареи тяжелые и их масса не уменьшается во время полета (в отличии от керосина).

Двигатели на обогащенном уране не стали массовыми в первую очередь по соображениям безопасности. Страшно представить, если такой самолет по какой-либо причине упадет и унесет жизни не только пассажиров, но и устроит небольшой ядерный взрыв в месте падения.

Итог

Таким образом, газотурбинный двигатель остается единственным эффективным вариантом для самолетов и вертолетов, выполняющих поставленные перед ними задачи. А топливом для него является керосин, который на данный момент имеет огромное разнообразие присадок и не имеет аналогов.

Хотя, если бы не Генри Форд со своей любовью к ДВС и бензину, мы, может быть, могли бы увидеть самолеты, работающие на паровой установке, как знать...

Еще я веду телеграмм-канал Авиаконструктор. В нем я рассказываю об авиации и связанной с ней темами. Там накопилось уже немало постов, подписывайтесь чтобы не пропустить ничего нового

Прямая ссылка: https://t.me/air_craft_designer

Ко вчерашнему посту про крылья

У них есть характеристика — стреловидность. Это угол отклонения передней кромки крыла от нормали к оси симметрии самолета. Она бывает разной и ее выбирают, преимущественно, в зависимости от скорости полета самолета (малая, около- сверх- гиперзвуковая)

Существуют еще истребители с обратной стреловидностью крыла (КОС), например СУ-47 (на картинке). Такое решение повышает маневренность и позволяет увеличить допустимые углы атаки ✈️

Подписывайтесь на Авиаконструктора в телеграмм, чтобы не пропускать ничего нового

Итак, почему летает самолет и как работает его двигатель мы в общих чертах с вами разобрались (соответствующие статьи читайте тут и тут). Давайте теперь поговорим о более легких, скажем так, весьма очевидных, но не менее интересных вещах. Например, вы знали, что в самолете оказывается не два крыла, а одно?

Все современные самолеты, в своем подавляющем большинстве, это монопланы. То есть они имеют одну несущую поверхность — одно крыло. Также различают бипланы и трипланы (2 и 3 крыла соответственно). На заре авиации был даже самолет с 9(!) крыльями, так называемая летающая лодка.

Вы можете упереться и логично заявить, что крыла все равно два — справа и слева от фюзеляжа, но это будет ошибкой и заблуждением. Фюзеляж делит крыло на правую и левую консоль, но никак не на два отдельных крыла. Такой самолет легче проектировать, считать и эксплуатировать. То есть он в целом экономически более выгоден, чем би- и триплан.

Именно поэтому монопланы — это самый распротраненный в современном мире тип конструкции. Они же в свою очередь различаются по расположению крыла относительно фюзеляжа. Выделяют низко- средне- и высокопла ны. На картинке приведен низкоплан — ИЛ-62. Расположение крыла выбирают исходя из предполагаемых задач и условий, в которых будет эксплуатироваться лайнер. Например, если известно, что будущему самолету необходимо будет садиться на необорудованные аэродромы или эксплуатироваться в сложных условиях, то предпочтение отдают высокопланам, как например, АН-124 Руслан. Если в приоритете лекгодоступность двигателей для обслуживания и ремонта, то выбирают конструкцию низко- или среднеплана. В целом ничего сложного

Подписывайтесь на Авиаконструктора в телеграмме

*Турбореактивные двигатели двухконтурные (форсажные)

Ну, как и обещал, сегодня расскажу вам про двухконтурный реактивный двигатель. Это, пожалуй, самый распространенный тип ВРД в современной авиации. Он устанавливается на подавляющее большинство пассажирских самолетов, широко используются в грузовой и высокоманевренной авиации. Его главная особенность, как понятно из названия, двухконтурность. Она позволяет снизить расход топлива, сократить удельную массу двигателя, дает возможность форсировать его и позволяет играться с эффективностью, путем увеличения этой самой двухконтурности.

У таких ГТД присутствует внешний и внутренний контуры. Внутренний контур это все то, что вырабатывает энергию для подъема ЛА в воздух, то есть КВД (компрессор высокого давления), ТВД (турбина высокого давления) и камера сгорания (КС); внешний же, независимый контур, воздух для которого отбирается от вентилятора (упрощенный принцип работы я описывал здесь), нужен преимущественно для снижения расхода топлива и шума, а также для увеличения тяги

Общий принцип работы в принципе понятен. Воздух изначально входит в двигатель через вентилятор, далее разделяется и попадает в КНД и во внешний контур (см. картинку). Во внешнем контуре (холодном) он никак дополнительно не сжимается и выходит в общую форсажную камеру (ФК), если она есть. А во внутреннем, после КНД, поток начинает сжиматься, как я описывал раньше, и уже горячий воздух также выбрасывается в общую ФК

Какая же магия происходит после КНД? Общий принцип уже ясен — воздух сжимается и нагревается, увеличивая свою тепловую энергию. Часть энергии сжатого и нагретого газа преобразуется в механическую работу, которая используется для вращения компрессора и привода вспомогательных агрегатов, а другая часть идет уже на полезную работу, которую совершает двигатель. Полезная работа — это тяга, она может быть создана вентилятором (если степень двухконтурности достаточно велика) и избыточным давлением. Последнее же и создается как раз после КНД. Согласно обощенному уравнению Бернулли, подведенная к газу внешняя работа расходуется на его сжатие, изменение кинетической энергии и преодоление сил трения. Внешняя работа — это сжигание топлива в КС. Также поперечное сечение уменьшается от КНД до КС, а тяга — это давление, умноженное на площадь сечения. В следствии этого повышается давление и кинетическая энергия. Все это раскручивает ТВД (которая сидит на одном валу с КВД), а за ним и ТНД (которая сидит на одном валу с КНД).

Поток не идет в обратную сторону, так как компрессор создает повышенное давление перед КС, горячий газ, нагретый там вытекает в турбину, раскручивая ее, а она в свою очередь раскручивает компрессор, такой самоподдерживающийся процесс получается, пока в КС поступает топливо.

Итого — тяга создается вентилятором и высоким давлением (реактивной струей). Давление создается повышенной температурой в КС. Все это толкает самолет вперед.

А для чего нужен тогда второй контур? Зачем нужно было с ним заморачиваться, если все в итоге смешается? Это до банального просто. Оказалось, что во время полета эффективнее и экономичнее отталкиваться от воздуха вентилятором, нежели реактивной струей (на скорости ниже скорости звука). Также в ФК этот воздух смешивается с воздухом из внутреннего контура, что увеличивает объем отбрасываемых газов, а это в свою очередь еще сильнее увеличивает тягу и делает двигатель еще более эффективным. Как-то так

Сейчас двигателисты играются со степенью двухконтурности, есть агрегаты с изменяемой степенью двухконтурности, что позволяет максимально эффективно использовать двигатель на разных режимах полета. Даже поговаривают о трехконтурных двигателях, но дальше расчетов и чертежей разговоры пока не зашли. Как-то так. Дальше расскажу о ТВД и военных

Подписывайтесь на Авиаконструктора в телеграмм

В прошлом посте я вкраце рассказывал о базовом принципе работы газотурбинного двигателя (ГТД). Давайте теперь поговорим об их классификации. Это важно для понимания работы двигателей и я буду часто ссылаться на этот пост в дальнейшем. Так вот, начнем

У всех ГТД одинаковый принцип работы, но немного разное назначение. Будем рассматривать воздушно-реактивные двигатели (ВРД), так как именно они используются на всех типах самолетов и вертолетов (еще есть ракетные, это отдельная история)

Итак, ВРД делятся на:

— Бескомпрессорные

— Газотурбинные (компрессорные)

Бескомпрессорные двигатели в свою очередь подразделяются на:

— Пульсирующие

— Сверхзвуковые прямоточные

— Гиперзвуковые прямоточные

Они могут применяться для сверхзвуковых полетов, но они имеют недостаток, связанный с их устройством. Они не имеют стартовой тяги. Поэтому их применение в авиации крайне мало. В Германии их устанавливали на крылатые ракеты, но дальнейшего развития они не получили. Поэтому давайте перейдем к следующему типу ВРД,

газотурбинные (компрессорные) двигатели. Они максимально широко распространены и устанавливаются на подавляющее число ЛА. Выделяют следующие типы таких ВРД:

— Турбореактивные (ТРД)

— Турбореактивные с форсажной камерой (ТРДФ)

— Турбореактивные двухконтурные (ТРДД)

— Турбореактивные двухконтурные с форсажной камерой (ТРДДФ)

— Турбовинто-вентиляторные (ТВВД)

— Турбовинтовые (ТВД)

— Турбовальные (вертолетные ГТД)

Данные двигатели охватывают вообще все самолеты, на которых вы летали. В наше время обширно применяются ТРДД или ТРДДФ. Они самые экономичные и эффективные, поэтому Boeing и Airbus устанавливают их на свои лайнеры

Далее будет пост, подробно рассказывающий об ТРДД и ТРДДФ.

Подписывайтесь