제트 엔진. 발명과 생산의 역사

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제트 엔진. 발명과 생산의 역사

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제트 엔진은 연료의 내부 에너지를 작동 유체의 제트 기류의 운동 에너지로 변환하여 이동에 필요한 견인력을 생성하는 엔진입니다.

작동 유체는 고속으로 엔진 밖으로 흐르고 운동량 보존 법칙에 따라 엔진을 반대 방향으로 밀어내는 반력이 형성됩니다. 작동 유체를 가속하기 위해 어떤 식 으로든 고온으로 가열 된 가스의 팽창 (소위 열 제트 엔진) 및 기타 물리적 원리, 예를 들어 정전기 장에서 하전 입자의 가속 ( 이온 엔진 참조)을 사용할 수 있습니다.

제트 엔진은 엔진 자체를 프로펠러와 결합합니다. 즉, 다른 물체와 지지하거나 접촉하지 않고 작동 유체와의 상호 작용을 통해서만 견인력을 생성합니다. 이러한 이유로 항공기, 로켓 및 우주선을 추진하는 데 가장 일반적으로 사용됩니다.

제트 엔진

제트 엔진에서 이동에 필요한 추력은 초기 에너지를 작동 유체의 운동 에너지로 변환하여 생성됩니다. 엔진 노즐에서 작동 유체가 만료되면 반동(제트) 형태의 반력이 형성됩니다. 반동은 엔진과 구조적으로 연결된 장치를 공간에서 움직입니다. 움직임은 제트의 유출과 반대 방향으로 발생합니다. 화학, 핵, 전기, 태양 등 다양한 유형의 에너지를 제트 기류의 운동 에너지로 변환할 수 있습니다. 제트 엔진은 중간 메커니즘의 참여 없이 자체 움직임을 제공합니다.

제트 추력을 생성하려면 제트 기류의 운동 에너지로 변환되는 초기 에너지 원, 제트 기류의 형태로 엔진에서 분출되는 작동 유체 및 첫 번째를 변환하는 제트 엔진 자체가 필요합니다. 두 번째로 에너지 유형.

제트 엔진의 주요 부분은 작동 유체가 생성되는 연소실입니다.

모든 제트 엔진은 작업에 환경을 사용하는지 여부에 따라 두 가지 주요 클래스로 나뉩니다.

첫 번째 클래스는 제트 엔진(WFD)입니다. 그들 모두는 가연성 물질과 주변 공기의 산소의 산화 반응 중에 작동 유체가 형성되는 열적입니다. 작동 유체의 주요 질량은 대기입니다.

로켓 엔진에서 작동 유체의 모든 구성 요소는 장착된 장치에 탑재되어 있습니다.

위의 두 가지 유형을 결합한 결합 엔진도 있습니다.

증기 터빈의 프로토타입인 Heron's ball에 처음으로 제트 추진이 사용되었습니다. 고체 연료 제트 엔진은 XNUMX세기 중국에서 등장했습니다. N. 이자형. 이러한 로켓은 동부에서 사용되었고 유럽에서는 불꽃 놀이, 신호 및 전투 용으로 사용되었습니다.

제트 추진 아이디어 개발의 중요한 단계는 로켓을 항공기 엔진으로 사용하는 아이디어였습니다. 그것은 1881 년 XNUMX 월 처형 직전에 폭발성 분말 가스의 제트 추력을 사용하는 항공기 (로켓 비행기) 계획을 제안한 러시아 혁명가 N. I. Kibalchich에 의해 처음 공식화되었습니다.

N. E. Zhukovsky는 "유출 및 유입 유체의 반응"(1880s) 및 "유출 물의 반력에 의해 움직이는 선박 이론"(1908)에서 처음으로 제트 이론의 주요 문제를 개발했습니다. 엔진.

로켓 비행 연구에 대한 흥미로운 연구는 특히 가변 질량 물체의 운동에 대한 일반 이론 분야에서 유명한 러시아 과학자 I. V. Meshchersky에 속합니다.

1903년 K. E. Tsiolkovsky는 그의 저서 "반응 장치를 사용한 세계 공간 조사"에서 로켓 비행에 대한 이론적 정당성과 로켓 엔진의 개략도를 제시했습니다. 최신 액체 추진 로켓 엔진(LRE)의 특징. 따라서 Tsiolkovsky는 제트 엔진에 액체 연료를 사용하고 특수 펌프를 사용하여 엔진에 공급했습니다. 그는 노즐에서 방출되는 가스 제트에 배치된 특수 판인 가스 방향타를 사용하여 로켓의 비행을 제어할 것을 제안했습니다.

액체 추진 엔진의 특징은 다른 제트 엔진과 달리 연료와 함께 산화제의 전체 공급을 수행하고 대기에서 연료 연소에 필요한 산소 함유 공기를 취하지 않는다는 것입니다. 지구 대기권 밖의 초고도 비행에 사용할 수 있는 유일한 엔진이다.

액체 추진 로켓 엔진이 장착된 세계 최초의 로켓은 American R. Goddard에 의해 16년 1926월 5일에 만들어지고 발사되었습니다. 무게는 약 3kg, 길이는 2,5m에 달했으며 Goddard의 로켓은 가솔린과 액체 산소로 연료를 공급 받았습니다. 이 로켓의 비행은 56초 동안 지속되었으며 그 동안 XNUMXm를 비행했습니다.

이 엔진에 대한 체계적인 실험 작업은 XX세기 30년대에 시작되었습니다.

최초의 소련 로켓 엔진은 1930-1931년에 개발 및 제작되었습니다. 미래 학자 V.P. Glushko의지도하에 Leningrad Gas Dynamic Laboratory (GDL)에서. 이 시리즈는 숙련 된 로켓 모터 인 ORM이라고 불렀습니다. Glushko는 예를 들어 연료 구성 요소 중 하나로 엔진을 냉각하는 것과 같은 몇 가지 참신함을 적용했습니다.

동시에 로켓 엔진 개발은 제트 추진 연구 그룹(GIRD)에 의해 모스크바에서 수행되었습니다. 이데올로기 적 영감은 F. A. Zander이고 주최자는 젊은 S.P. Korolev였습니다. Korolev의 목표는 로켓 비행기라는 새로운 로켓 장치를 만드는 것이 었습니다.

1933년에 F. A. Zander는 휘발유와 압축 공기로 작동하는 OR1 로켓 엔진을 제작하고 성공적으로 테스트했으며 1932-1933년에 이를 테스트했습니다. - 엔진 OP2, 휘발유 및 액체 산소 사용. 이 엔진은 로켓 비행기처럼 날아야 하는 글라이더에 장착되도록 설계되었습니다.

1933년 소련 최초의 액체 연료 로켓이 만들어지고 GIRD에서 테스트되었습니다.

시작된 작업을 개발하면서 소비에트 엔지니어는 액체 추진제 제트 엔진 제작 작업을 계속했습니다. 1932년부터 1941년까지 총 118개의 액체 추진 제트 엔진 디자인이 소련에서 개발되었습니다.

1931년 독일에서는 I. Winkler, Riedel 등이 로켓을 테스트했습니다.

액체 추진 엔진을 장착한 로켓 추진 항공기의 첫 비행은 1940년 1941월 소련에서 이루어졌습니다. LRE는 항공기의 동력 장치로 사용되었습니다. 1942년 소련 설계자 VF 볼코비티노프(VF Bolkhovitinov)의 지도하에 액체 추진 엔진을 장착한 최초의 제트 전투기가 제작되었습니다. 그의 테스트는 XNUMX년 XNUMX월 파일럿 G.Ya.Bakhchivadzhi에 의해 수행되었습니다.

동시에 그러한 엔진을 장착한 독일 전투기의 첫 비행이 이루어졌습니다. 1943년 미국은 액체 추진 엔진이 장착된 최초의 미국 제트기를 시험했습니다. 독일에서는 1944년에 Messerschmitt가 설계한 엔진을 장착한 여러 전투기가 제작되었으며 같은 해 서부 전선의 전투 상황에서 사용되었습니다.

또한 액체 추진 로켓 엔진은 W. von Braun의 지시에 따라 만들어진 독일 V2 로켓에 사용되었습니다.

1950년대에 액체 로켓 엔진은 탄도 미사일에 장착된 다음 지구, 태양, 달, 화성의 인공위성, 자동 행성 간 스테이션에 장착되었습니다.

로켓 엔진은 노즐이 있는 연소실, 터보 펌프 장치, 가스 발생기 또는 증기 가스 발생기, 자동화 시스템, 제어 요소, 점화 시스템 및 보조 장치(열 교환기, 믹서, 드라이브)로 구성됩니다.

제트 엔진에 대한 아이디어는 다른 나라에서 두 번 이상 제시되었습니다. 이와 관련하여 가장 중요하고 독창적인 작업은 1908-1913년에 수행된 연구입니다. 특히 1911년에 프랑스 과학자 R. Loren은 램제트 엔진에 대한 여러 계획을 제안했습니다. 이 엔진은 대기를 산화제로 사용하고 연소실의 공기는 동적 공기압에 의해 압축됩니다.

1939년 7,07월, P. A. Merkulov가 설계한 램제트 엔진을 장착한 로켓의 첫 테스트가 소련에서 이루어졌습니다. 이륙 중량이 2kg인 2단 로켓(XNUMX단은 화약 로켓)이었고, 램제트 엔진의 XNUMX단 연료 중량은 XNUMXkg에 불과했다. 테스트 중에 로켓은 XNUMXkm 높이에 도달했습니다.

1939-1940년. 소련에서 세계 최초로 N.P. Polikarpov가 설계한 항공기에 추가 엔진으로 설치된 제트 엔진의 여름 테스트가 수행되었습니다. 1942년 E. Senger가 설계한 램제트 엔진이 독일에서 테스트되었습니다.

제트 엔진은 다가오는 공기 흐름의 운동 에너지로 인해 공기가 압축되는 디퓨저로 구성됩니다. 연료는 노즐을 통해 연소실로 분사되고 혼합물이 점화됩니다. 제트 기류는 노즐을 통해 나옵니다.

WFD의 작동은 연속적이므로 시작 추력이 없습니다. 이와 관련하여 음속의 절반 미만의 비행 속도에서는 제트 엔진이 사용되지 않습니다. WFD의 사용은 초음속과 높은 고도에서 가장 효과적입니다. 제트 엔진이 장착된 항공기의 이륙은 고체 또는 액체 추진 로켓 엔진을 사용하여 수행됩니다.

제트 엔진의 또 다른 그룹인 터보 압축기 엔진은 더 많은 개발을 받았습니다. 그들은 제트 노즐에서 흐르는 가스 제트에 의해 추력이 생성되는 터보 제트와 프로펠러에 의해 주 추력이 생성되는 터보프롭으로 나뉩니다.

1909년 엔지니어 N. Gerasimov가 터보제트 엔진 설계를 개발했습니다. 1914년 러시아 해군 M.N. Nikolskoy 중위는 터보프롭 항공기 엔진 모델을 설계하고 제작했습니다. 테레빈유와 질산 혼합물의 기체 연소 생성물은 XNUMX단계 터빈을 구동하기 위한 작동 유체 역할을 했습니다. 터빈은 프로펠러에서만 작동한 것이 아니라 테일(제트) 노즐로 향하는 연소의 배기 가스 생성물이 프로펠러의 추력 외에 제트 추력을 생성했습니다.

1924년 V. I. Bazarov는 연소실, 가스 터빈 및 압축기의 세 가지 요소로 구성된 항공기 터보 압축기 제트 엔진의 설계를 개발했습니다. 여기에서 처음으로 압축 공기 흐름은 두 가지로 나뉩니다. 작은 부분은 연소실로 들어가고 (버너로) 큰 부분은 작동 가스와 혼합되어 터빈 앞에서 온도를 낮추었습니다. 이것은 터빈 블레이드의 안전을 보장했습니다. 다단 터빈의 동력은 엔진 자체의 원심 압축기를 구동하고 일부는 프로펠러를 회전시키는 데 사용되었습니다. 프로펠러 외에도 테일 노즐을 통과하는 가스 제트의 반응에 의해 추력이 생성되었습니다.

1939년 A. M. Lyulka가 설계한 터보제트 엔진의 건설이 레닌그라드의 키로프 공장에서 시작되었습니다. 그의 시련은 전쟁으로 중단되었습니다.

1941년 영국에서는 F. Whittle이 설계한 터보제트 엔진이 장착된 실험용 전투기로 첫 비행을 했습니다. 연소실에 공기를 공급하는 원심 압축기를 구동하는 가스 터빈 엔진이 장착되었습니다. 연소 제품은 제트 추력을 생성하는 데 사용되었습니다.

제트 엔진
휘틀의 글로스터 항공기(E.28/39)

터보제트 엔진에서 비행 중에 유입되는 공기는 공기 흡입구에서 먼저 압축된 다음 터보차저에서 압축됩니다. 압축 공기는 액체 연료(대부분 항공 등유)가 분사되는 연소실로 공급됩니다. 연소 중에 형성된 가스의 부분 팽창은 압축기를 회전시키는 터빈에서 발생하고 최종 팽창은 제트 노즐에서 발생합니다. 연료의 추가 연소를 위해 설계된 애프터 버너는 터빈과 제트 엔진 사이에 설치할 수 있습니다.

오늘날 대부분의 군용 및 민간 항공기와 일부 헬리콥터에는 터보제트 엔진이 장착되어 있습니다.

터보프롭 엔진에서 주 추력은 프로펠러에 의해 생성되고 추가(약 10%)는 제트 노즐에서 흐르는 가스 제트에 의해 생성됩니다. 터보프롭 엔진의 작동 원리는 터보제트 엔진과 유사하지만 터빈이 압축기뿐만 아니라 프로펠러도 회전한다는 차이점이 있습니다. 이 엔진은 아음속 항공기 및 헬리콥터뿐만 아니라 고속 선박 및 자동차의 이동에도 사용됩니다.

최초의 고체 추진제 제트 엔진은 전투 미사일에 사용되었습니다. 그들의 광범위한 사용은 많은 군대에 미사일 유닛이 등장한 XNUMX 세기에 시작되었습니다. XIX 세기 말에. 보다 안정적인 연소와 효율성을 갖춘 최초의 무연 분말이 만들어졌습니다.

1920~1930년대에는 제트 무기를 만드는 작업이 진행되었습니다. 이로 인해 소련의 "Katyusha", 독일의 XNUMX 배럴 로켓 박격포 인 로켓 발사기가 등장했습니다.

새로운 유형의 화약을 얻음으로써 탄도 미사일을 포함한 전투 미사일에 고체 추진제 제트 엔진을 사용할 수 있게 되었습니다. 또한 항공 및 우주 비행에서 발사체의 첫 번째 단계 엔진, 램제트 엔진이 장착 된 항공기의 시동 엔진 및 우주선의 브레이크 엔진으로 사용됩니다.

고체 추진제 제트 엔진은 전체 연료 공급 장치와 제트 노즐이 있는 본체(연소실)로 구성됩니다. 본체는 강철 또는 유리 섬유로 만들어집니다. 노즐 - 흑연, 내화 합금, 흑연으로 제작되었습니다.

연료는 점화기에 의해 점화됩니다.

추력은 충전물의 연소 표면 또는 노즐의 임계 영역 영역을 변경하고 액체를 연소실에 주입하여 제어합니다.

추력 방향은 가스 방향타, 편향 노즐(편향 장치), 보조 제어 엔진 등에 의해 변경될 수 있습니다.

제트 고체 추진제 엔진은 매우 안정적이고 장기간 보관할 수 있으므로 지속적으로 발사 준비가 되어 있습니다.

저자: 프리스틴스키 V.L.

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