ПуВРД
ПуВРД — пульсирующий воздушно-реактивный двигатель. Букву «у» в акроним добавляют для того, чтобы отличать его от ПВРД — прямоточного в.-р. двигателя. Давайте посмотрим как он устроен и позволит ли он подняться в воздух попаданческому самолету.
Таким образом двигатель представляет собой металлическую трубу определенной формы, система зажигания не нужна, а вся система подачи топлива сводится к промежуточному бачку с поплавком. Дело в том что колебания давления в двигателе составляют примерно +1..-0.15 атм, так что даже небольшие изменения давления топлива при опустошении топливного бака нарушают режим работы двигателя(никакой воздушной акробатики без поддува бака! впрочем простейший поддув часто делается при помощи клапана, забирающего воздух из двигателя на пике давления).
Все выглядит очень просто, но все портят требования к клапанам. Из-за небольших давлений мы не можем поставить толстые пластины — они не будут двигаться с нужной частотой. Клапан должен быть тонкой пластинкой, изгибающейся десятки раз в секунду. Его попеременно разогревает до сотен градусов пламя горящего топлива и охлаждает входящий воздух. На клапаны годится только инструментальная легированная сталь вроде У-8А, и даже она выдерживает от силы десятки минут.
Есть несколько способов увеличить ресурс клапанов — поставить мягкие уплотнения, которые смягчат удары при закрывании клапана(их придется менять после каждого полета), уменьшить размах колебаний пластины или прикрыть края клапанов кольцом(увеличивает потери на всасывание воздуха), впрыскивать топливо на отдалении от клапанов(уменьшает полезный объем, а значит и мощность), сделать клапан из двойных пластин и впрыскивать топливо между ними(более сложная конструкция). Трудно сказать, позволит ли применение всех этих хитростей создать клапан из материалов, доступных попаданцу.
В общем мы сделали двигатель из металлической трубы, практически без подвижных деталей! Топливо — любое. Двигатель V-1 на стенде запитывали даже угольной пылью и он работал! В общем подойдет любой спирт или масло. Да и при запуске такого двигателя, в отличии от клапанного ПуВРД, можно обойтись без продувки сжатым воздухом. Любительские двигатели выдают тягу втрое выше своего веса. Попаданцу сгодится даже на порядок более тяжелый движок.
Поскольку такие двигатели практически не применяются, нетрудно заподозрить что у них есть определенные недостатки.
Прежде всего это низкая эффективность. Любительский безклапанный двигатель может выдать удельный импульс по топливу порядка 700 сек, сравнимо с клапанным двигателем V-1. Что это значит? Пусть попаданец соорудил самолет со взлетным весом 250 кг и аэродинамическим качеством десять, тогда для горизонтального полета ему потребуется тяга порядка 25 кгс. ПуВРД будет жрать два килограмма топлива в минуту! В общем предел — порядка получаса полета. Нетрудно заметить что скорость в наши расчеты не входит. Теоретически самолет сможет летать и на 700-800 км/ч, на практике попаданцу желателен самолет с низкой посадочной скоростью -> с большими крыльями -> большим лобовым сопротивлением -> малой максимальной скоростью. На реалистичных 180-360 км/ч мы получаем дальность полета в 90-180 км, радиус действия — 30-60 и КПД порядка 1-2%. Для сравнения, КПД ДВС с пропеллером легко переваливает за 20% — на порядок больше!
Шум. Нет, не так. ШУМ. ПуВРД переопределяет понятие шума. При работе двигатель выдает сотню микровзрывов в секунду и звук свободно проходит через тонкие стенки трубы. Если попаданец будет испытывать движок в городе или регулярно летать над ним, его линчуют через пару дней. Вибрация от взрывов часто повреждала обшивку самолетов, на которых испытывался ПуВРД.
Часто ошибочно утверждается что ПуВРД не выдает тягу или даже вовсе не работает в неподвижном положении. На самом деле, скажем, для V-1, статическая тяга была лишь примерно в полтора раза меньше максимальной. Другое дело что максимальная тяга нужна именно на взлете. На практике лучше использовать реактивные ускорители, скажем с десятком килограммов карамельного топлива, чем нагружать самолет слишком тяжелым двигателем, который ухудшит его и без того скромные характеристики или воздвигать километровую ВПП и сжигать на взлете половину бака. Да и возможность ракетного пуска с корабля — крайне интересна.
При работе двигатель разогревается до 500-600 градусов. Такую температуру выдерживает даже нелигированная низкоуглеродистая сталь, доступная попаданцу задолго до индустриальной революции(даже если считать только бессемеровскую сталь — по крайней мере с 1860-х), но она вызывает некоторые механические проблемы. При таком нагреве полутораметровая труба удлинится примерно на сантиметр! Соответственно жестко крепить двигатель можно только в одной точке, остальные крепления должны быть частично подвижными. При пуске двигателя неравномерный нагрев быстро приводит к сминанию трубы при малейшей ошибке в сварке. Скорее всего попаданцу придется специально прогревать трубу перед пуском. Впрочем, количество сварных швов нетрудно уменьшить простым применением геометрии. Да и охлаждающий кожух, через который воздух будет прокачиваться эжекцией крайне прост — см. к примеру кожухи ранних пулеметов.
По крайней мере поломка двигателя не слишком опасна(по крайней мере пока из бака не начинает хлестать топливо) — давления и энергия одиночного взрыва невелики. Забавно что двигатель в основном ломается на фазе отрицательного давления, хотя оно в разы меньше положительного. Это легко объясняется тем что тонкостенные конструкции гораздо лучше работают на растяжение чем на сжатие.
Чтобы понять почему ПуВРД практически не использовался в авиации, надо взглянуть и на его историю. Россия, как всегда, родина слонов — история ПуВРД якобы начинается аж в 1864 году с патента Телешова. При углублении в материал выясняется, что текст патента никто не цитирует, а сам автор явный прожектер, рисующий проекты самолетов на сотни пассажиров. Следующий изобретатель — Кароводин, 1906. Он, по крайней мере, что-то воплотил в металл. При расследовании выясняется что его двигатель представлял собой газовую турбину с нагнетанием от цилиндрового компрессора и от ПуВРД там только пульсирующее зажигание и убогий КПД. Далее — Марконнет(Georges Marconnet), 1908 — что-то вроде прямоточного двигателя. Наконец мы доходим до Касановы(Ramon Casanova), 1917. Его двигатель не работал в неподвижном состоянии. Плюс, обратите внимание на размеры и пропорции его двигателя — он намного толще современных. Это позволяет увеличить мощность, но делает горение весьма нестабильным.
По настоящему ПуВРД начинает развиваться лишь с 30-х годов, в первую очередь благодаря работам Каденаси, который получил патент на усовершенствованный двухтактный ДВС в 1933. За счет инерции выхлопа он получал разряжение в цилиндре, улучшая КПД и упрощая всасывание топлива — как раз тот эффект что используется в ПуВРД, позволяя ему работать даже без встречного потока воздуха. Но в 30-е поршневые двигатели уже достигли прекрасных результатов и на очереди явно стояли турбовинтовые. Так что ПуВРД сгодился только для самолетов-мишеней и крылатых ракет.
Если попаданец не планирует летать он может сделать реактивный карт или лодку. Для них ему будет крайне полезен аугментор(augmenter) — просто металлический конус за соплом, увеличивающий массу струи за счет окружающего воздуха. Он повышает тягу в полтора-два раза, но, к сожалению, и сам создает сопротивление, так что на скоростях больше сотни км/с он становится невыгоден.
Интересен тот факт что ПуВРД часто использовали в лабораториях для парогенерации. Мы уже разбирали главную проблему котла — плохую передачу тепла от воздуха стенкам. Частично она решается усиленной вентиляцией, но в ПуВРД усиленная вентиляция встроена по умолчанию. Я не нашел конкретных цифр по теплопередаче, но даже в качестве форсажного парогенератора пульсирующий движок весьма заманчив.
Возможно, даже попаданец из будущего в наше время первым делом начнет сооружать ПуВРД для того чтобы разобраться с Сарой Коннор — взгляните например на этот проект крылатой ракеты за пять тысяч долларов.
P.S. Интересующимся деталями рекомендую «The enthusiast guide to pulsejet engines» by Simpson Bruce.
Источник: Попаданцев.Нет