1849 року російський інженер І.І. Третеський запропонував схему повітряного реактивного двигуна, у якому утворювалась реакція струменя повітря або газу. Проектом повітряного реактивного двигуна (1866 р.) російського винахідника М.М. Соковніна передбачалось використання сили реакції попередньо стиснутого повітря. Першу схему літального апарата, що приводиться в рух пороховим реактивним двигуном, склав 1881 року М.І. Кибальчин. За розрахунками винахідника, в камеру згоряння двигуна замість пороху, що згорів, повинні були автоматично надходити нові порохові заряди.

Протягом багатьох століть людство мріяло про космічні подорожі. Але ні один вчений, ні один письменник-фантаст за багато століть так і не зміг назвати пристрій, за допомогою якого можна було б подолати силу земного тяжіння і полетіти в космос. Це зміг розробити російський вчений Констянтин Едуардович Ціолковський (1857–1935).

Він показав, що єдиний апарат, спроможний подолати силу тяжіння – це ракета, тобто апарат з реактивним двигуном, який використовує паливо і окислювач, розташовані в самому апараті. 1903 року у праці «Дослідження світових просторів реактивними приладами» К.Е. Ціолковський запропонував новий тип двигунів – рідинний реактивний двигун (на рідкому паливі). Ґрунтовні роботи в галузі теорії реактивного двигуна були виконані М.Є. Жуковським, який, зокрема, досліджував реакцію струменів рідини, що витікає, та І.В. Мещецьким – з питань руху ракет.

Розглянемо історію, принцип дії та різновиди реактивних двигунів.

Як вже було згадано вище, історія реактивних двигунів розпочинається у першому сторіччі нашої ери, коли грецький інженер і математик Герон, який жив у місті Олександрії, створив свій еоліпіл.

Це була куля, заповнена киплячою водою, з бічними трубками, вигнутими в кінцях під прямим кутом. Тиск пари на стінку трубки, що розміщувалася протилежно її відкритому кінцю, породжував обертання кулі. Макет еоліпіла експонується сьогодні на стенді Калузького музею космонавтики імені К.Е. Ціолковського. А його модифікація – так зване сегнереве колесо, опис якого можна знайти майже у всіх шкільних підручниках фізики, – ефективно використовується сьогодні для поливу сільськогосподарських угідь.

Як згодом з’ясувалося, реактивний рух може створюватися не тільки водяною парою, але і різними газами, а також електричною плазмою, тобто потоком заряджених елементарних часток, і навіть позбавленими електричного заряду корпускулами світла – фотонами. Але яке відношення все це має до ракетної техніки?

Саме безпосереднє, тому що ракета являє собою літальний апарат, що переміщається за рахунок роботи реактивного двигуна.

Коли ж з’явилися перші ракети? Відповідь на це питання прямо зв’язане з датуванням появи першого енергоносія. Протягом декількох сторіч у цій якості використовувався димний чорний порох – сипуча суміш сірки, селітри і деревного вугілля. Древні «порохових справ майстри», так називалися на Русі виготовлювачі пороху, вважали, що його сила походить «від жару сірки і холоду селітри, що терпіти не можуть один одного». Для отримання порохового вугілля обпалювали при температурі 200-500 градусів деревину вільхи, верби, липи. 1823 року знаменитий фізик Гей-Люссак встановив, що реактивну силу при горінні чорного пороху створюють в основному тверді частки калію і його оксидів у суміші з вуглецевими з’єднаннями. Про час і місце появи пороху дотепер йдуть суперечки між китайськими й арабськими хіміками. Китайці посилаються на древні акти, що свідчать, що ще 1232 року у битві під Пекіном були використані порохові ракети – вогненні стріли «Хо цзянь».

На нашій території чорний димний порох з’явився, за свідченнями ряду літописів, у XIV столітті, а видатний історик авіації И.Я. Шатоба вважає, що це відбулося ще раніше – у XII столітті.

Перші згадки про використання ракет як зброї на Україні відносяться до XVI сторіччя. Як розповідає Г. Кониський у своїй книзі «Історія русів», виданої 1847 року, у 1515 році у битві запорожців з татарами «гетьман Ружинский вислав загін кінноти з приготовленими затимчасово паперовими ракетами, які, будучи кинуті на землю, могли перескакувати з місця на місце, роблячи до шести пострілів кожна. Кіннота, наскакавши на становище татарське, кинула їх між коней татарських, заподіявши в них велике сум’яття».

«Пороховою справою» займався і сам цар Петро I (1672–1725 рр.), що заснував для цього в Москві спеціальний «ракетний заклад». У ньому була виготовлена 1707 року сигнальна ракета, здатна підніматися на висоту до одного кілометра. У бомбардирській роті Преображенського полку ракетною справою успішно займалися артилерійські офіцери В. Корчмін і Г. Писарєв. Записками цих видатних російських піротехніків користувалися згодом М.В. Ломоносов та інші вчені. Необхідність посилення вогневої сили артилерії спонукала Петра I звернутися до ракет – ефективного засобу взаємодії з артилерійською зброєю. Самодержець був широко відомий як фахівець в області кораблебудування. Менш відомі його роботи в області артилерійської техніки. 1709 року він «у співавторстві» з генерал-фельдцейхмейстером Я.В. Брюсом, сконструював і успішно випробував першу в Європі швидкостріляючу пушку, яка заряджалася з казенної частини. Його незмінний інтерес до ракетної справи підтверджується замовленням на переклад книги Йосипа Ландгріні «Мистецтва вогненні і різні військові знаряддя», де наводилися відомості про мистецтво виготовлення ракет. В особистій бібліотеці Петра I була і книга Йосипа Беклера, що побачила світ 1660 року. У ній розповідалося про виготовлення «потішних вогнів», тобто ракет для феєрверків, і наводилися креслення ракети, що складалася з двох послідовно сполучених частин. От коли ще з’явилися уявлення про багатоступінчасті ракети!

Першою друкованою працею по ракетній техніці, що вийшла на території Російської імперії, була книга О. Михайлова «Статут ратних, гарматних і інших справ, що стосуються до військової науки». Вона витримала два видання – у 1607 і 1621 роках.

Особливо слід зазначити появу в Санкт-Петербурзі 1824 року енциклопедичної праці Федора Челєєва «Повне і докладне керівництво з виготовлення розважальних вогнів, феєрверків» з додатком про виготовлення військових вогнепальних і запальних пристроїв для артилерії й аматорів цієї справи, що складалася з п’яти частин. Ця книга як би підбивала підсумок усім попереднім працям з реактивної техніки. Нову еру в історії авіації ознаменувало створення реактивних двигунів.

Основоположником теорії реактивного руху і сучасної космонавтики був російський учений-винахідник К.Е. Ціолковський – автор науково-фантастичних творів, прихильник і пропагандист ідей освоєння космічного простору. Його роботи надихнули таких провідних радянських ракетних інженерів, як Сергій Корольов та Валентин Глушко, і зробили вагомий внесок в успіх радянської космічної програми. Ще 1896 року в праці «Дослідження світових просторів» К.Е. Ціолковський обґрунтував можливість застосування реактивного двигуна. Значний внесок у їхню розробку внесли саме у радянський період вчені і конструктори. Після другої світової війни вони одержали можливість розширити роботи зі створення реактивних літаків, впровадження у виробництво більш сучасної техніки і технологій, заснованих на використанні всіх досягнень суміжних наук.

Розробкою турбо-реактивного двигуна (ТРД) у СРСР протягом кінця 40-х та у 50-х роках ХХ століття займалися конструкторські колективи В.Я. Климова – радянського вченого в галузі авіаційного двигуно-будування, конструктора авіаційних двигунів, генерала-майора інженерно-авіаційної служби,

Н.Д. Кузнєцова – радянського генерального конструктора авіаційних і ракетних двигунів, академіка АН СРСР,

С.К. Туманського – радянського ученого і конструктора авіаційних двигунів, академіка АН СРСР,

А.М. Люльки  – українського радянського конструктора авіаційних двигунів, академіка АН СРСР.

Різке підвищення швидкості польоту поставило перед вченими і конструкторами нові проблеми: на швидкості польоту понад 700 км/год починало позначатися явище стиску повітря, збільшився лобовий опір, погіршилася стійкість і керованість літака.

Проведені наукові дослідження й експериментальні розробки показали, що крила літаків, призначені для польотів на великих швидкостях, повинні мати стріловидну форму і тонкий профіль. Втім, Heinkel He 178 – перший у світі літак з турбореактивним двигуном, що за пілотування Еріха Варзіца здійснив 27 серпня 1939 перший 8-хвилинний політ, не мав стріловидного крила.

Згодом, на початку 50-х років, був побудований перший радянський надзвуковий літак – одномісний винищувач МІГ-19 – зі стріловидною формою крила у 55 градусів, який розвинув швидкість до 1450 км/год, що послужило могутнім поштовхом для створення цілої серії надзвукових літаків багатьма конструкторськими бюро.

У 60-х роках були досягнуті успіхи в збільшенні швидкості, дальності та висоти польоту, удосконалення комплексів, навігаційних, прицільних і інших систем і засобів авіаційного озброєння. Застосування турбогвинтових і турбореактивних двигунів дозволило не тільки підвищити швидкість і висоту польоту, але і значно збільшити вантажопідйомність і дальність польоту літака. Також не можна не помітити створення, унікального за своєю конструкцією, літака зі змінною геометрією крила.

Реактивний двигун – двигун, що створює тягу (реактивну) внаслідок швидкого витікання робочого тіла із сопла; при цьому найчастіше робочим тілом є гарячі гази, що утворюються внаслідок спалювання палива у камерах згоряння. Бувають турбореактивні, пульсуючі (безкомпресорні), прямоточні (ефективно працюють тільки при надзвукових швидкостях) та ракетні двигуни.

Говорячи мовою фізики, реактивний двигун – це двигун, який перетворює хімічну енергію палива в кінетичну енергію газового потоку; при цьому двигун набирає швидкість у зворотньому напрямку.

На яких же принципах та фізичних законах ґрунтується його дія?

Кожен знає, що постріл із гвинтівки супроводжується віддачею. Якщо б вага кулі дорівнювала вазі гвинтівки, вони б розлетілись з однаковою швидкістю. Віддача виникає тому, що відкидна маса газів створює реактивну силу, завдяки якій може бути забезпечено рух як у повітрі, так і в безповітряному просторі. І чим більша маса і швидкість вилітаючих газів, тим більшу силу віддачі відчуває наше плече; чим сильніша реакція гвинтівки, тим більша реактивна сила.

Як виглядає в загальних рисах сучасна ракета великого радіусу дії? Передусім – це багатоступінчата ракета. В головній її частині  розміщується боєвий заряд, за ним – прилади керування, баки і, нарешті, двигун. В залежності від пального стартова вага ракети перевищуєт вагу корисного вантажу в 100–200 разів! Тому важить вона багато десятків тонн, а в довжину досягає висоти десятиповерхового будинку.

Конструкція ракети повинна відповідати ряду вимог. Наприклад, дуже важливо, щоб сила тяги проходила через центр ваги ракети. Якщо не виконати цього і ще багатьох інших вимог, то ракета може відхилитися від заданого курсу або навіть почати обертальний рух. «Підправити» курс можна за допомогою рулів. Доки ракета летить у щільному повітрі, можуть працювати аеродинамічні рулі, а у розрідженому повітрі – запропоновані ще Ціолковським газові рулі, що відхиляють напрям руху газовим потоком. Хоча зараз конструктори починають відмовлятися від використання газових рулів, замінюючи їх декількома додатковими соплами або повертаючи головне сопло.

Кожна ступінь ракети працює в зовсім різних умовах, які і задають її будову. Потужність кожної наступної ступені і час її дії менша від попередньої, тому її конструкція може бути простішою.

На теперішній час двигуни балістичних ракет переважно працюють на рідкому паливі. В якості палива зазвичай використовують керосин, спирт, гідразин, анілін, а в якості окислювачів – азотну та хлоридну кислоти, рідкий кисень і закис водню. Дуже активними окислювачами є фтор і рідкий озон, але через велику вибухонебезпечність вони поки що обмежені в використанні.

Найбільш відповідальною частиною ракети являється двигун, а в ньому – камера згорання і сопло. Тут повинні використовуватися особливі жаростійкі матеріали і складні методи охолодження, так як температура згоряння палива доходить до 2500–3500 ОС. Звичайні матеріали таких температур не витримують.

За призначенням ракетні двигуни поділяють на кілька основних видів: розгінні (стартові), гальмові, маршові, керуючі й інші. Ракетні двигуни в основному застосовуються на ракетах (звідси узята назва). Крім цього, ракетні двигуни іноді застосовують в авіації. Ракетні двигуни є основними двигунами в космонавтиці. За видом застосовуваного палива (робочого тіла) ракетні двигуни поділяються на твердо-паливні й рідинні.

Військові (бойові) ракети зазвичай мають твердо-паливні двигуни. Це пов’язано з тим, що такий двигун заправляється на заводі і не вимагає обслуговування весь термін збереження і служби самої ракети. Часто твердо-паливні двигуни застосовують як розгінні для космічних ракет. Особливо широко у цій якості їх застосовують у США, Франції, Японії і Китаї.

Рідинні ракетні двигуни мають більш високі тягові характеристики, ніж твердо-паливні. Тому їх застосовують для вильотів космічних ракет на орбіту навколо Землі і на міжпланетні перельоти. Основними видами рідкого палива для ракет є гас, гептан (диметилгидразин) і рідкий водень. Для таких видів палива обов’язково необхідний окиснювач (кисень). Як окиснювач у таких двигунах застосовують азотну кислоту і зріджений кисень. Азотна кислота поступається зрідженому кисню за окисними властивостями, але не вимагає підтримки особливого температурного режиму при збереженні, заправленні і використанні ракет.

Двигуни для космічних польотів відрізняються від земних тим, що вони при можливо меншій масі й обсязі повинні виробляти якомога більшу потужність. Крім того, до них пред’являються такі вимоги, як винятково висока ефективність і надійність, значний час роботи. За видом використовуваної енергії рухові установки космічних апаратів поділяються на чотири типи: термохімічні, ядерні, електричні, сонячно-вітрильні. Кожний з перерахованих типів має свої переваги й недоліки і може застосовуватися у визначених умовах.

В даний час космічні кораблі, орбітальні станції і безпілотні супутники Землі виводяться в космос ракетами, оснащеними могутніми термохімічними двигунами. Існують також мініатюрні двигуни малої тяги. Це зменшена копія могутніх двигунів. Деякі з них можуть уміститися на долоні. Сила тяги таких двигунів дуже мала, але її буває досить, щоб керувати положенням корабля в просторі.

Розглянемо детальніше принципи роботи авіаційних реактивних і газотурбінних двигуни.

На відміну від поршневих двигунів, робочий процес у реактивних двигунах здійснюється безупинно. У камеру згоряння авіаційних реактивних двигунів роздільно подаються паливо з паливних баків і повітря, що забирається з атмосфери. Повітря піддається стиску, проходячи через дифузор (у прямоточних реактивних двигунах) чи турбіну. Відповідно до перетворень, яким піддається горюча суміш, камеру згоряння умовно поділяють на три зони. У першій паливо випаровується й утворює горючу суміш. У другій відбувається згоряння паливно-повітряної суміші. У третій продукти згоряння, температура яких досягає 2 300 °C, розбавляються повітрям, після чого їх можна подавати на турбіну, не побоюючись зруйнувати її лопаті. На виході з турбіни гази попадають у форсажну камеру. Сюди при необхідності подається додаткова порція палива, при згорянні якої одержують додаткову потужність. Стаціонарні газотурбінні установки при відповідній підготовці можуть споживати усі види палива, включаючи тверде (пилоподібне) і газоподібне.

Турбореактивний двигун (ТРД) – газотурбінний двигун, в якому тяга створюється струменем газів, що витікають з реактивного сопла. ТРД застосовуються на надзвукових літаках, як маршеві двигуни, або, як підіймальні двигуни на літаках вертикального зльоту і посадки.

Атмосферне повітря, що надходить в ТРД при польоті, стискається в повітрозабірнику і далі в турбокомпресорі, розміщеному в тракті ТРД між вхідним соплом та камерою згоряння. Стиснуте повітря подається в камеру згорання, в яку також упорскується рідке хімічне паливо (зазвичай авіаційний гас). Гази, що утворились при згоранні, частково розширюються в турбіні, що обертає компресор; остаточне розширення газів відбувається в реактивному соплі. Тяга ТРД може бути значно збільшена (приблизно на 30–40 %) завдяки додатковому спалюванню палива в камері форсажу, що розташовується між турбіною і реактивним соплом.

Компресор приводиться у рух турбіною, змонтованою на валу двигуна, що працює на робочому тілі, нагрітому в камері згоряння. У вхідному пристрої відбувається зростання статичного тиску повітря за рахунок гальмування повітряного потоку. У компресорі відбувається зростання повного тиску повітря внаслідок здійснюваної компресором механічної роботи. У камері згоряння відбувається нагрівання робочого тіла. Частина енергії робочого тіла забирається турбіною. У реактивному соплі формується реактивний струмінь. Пуск двигуна відбувається розкручуванням вхідного компресора від зовнішніх акумуляторних батарей.

1913 року француз Рене Лорен отримав патент на прямоточний повітряно-реактивний двигун (ППРД).

ППРД приваблював конструкторів простотою своєї будови, але головне – своєю потенційною здатністю працювати на гіперзвукових швидкостях та у найвищих, найбільш розріджених шарах атмосфери, тобто в умовах, де повітряні реактивні двигуни (ПРД) інших типів непрацездатні або малоефективні. У 1930-і роки з цим типом двигунів здійснювалися експерименти у США (Уїльям Евери), у СРСР (Ф.А. Цандер, Б.С. Стєчкін, Ю.О. Побєдоносцев). 1937 року французький конструктор Рене Ледюк отримав замовлення від уряду Франції на розробку експериментального літака з ППРД. Ця робота була перервана війною та відновилася після її закінчення. 19 листопада 1946 року відбувся перший в історії політ апарату з маршовим ППРД Leduc 010. Далі упродовж 10 років було виготовлено та випробувано ще кілька експериментальних апаратів цієї серії, насамперед, пілотовані Leduc 021 и Leduc 022, а 1957 року уряд Франції відмовився від продовження цих робіт – напрямок ТРД, що бурхливо розвивався у той час, уявлявся перспективнішим.

Маючи ряд недоліків для використання на пілотованих літаках (нульова тяга на місці, низька ефективність на малих швидкостях польоту), ППРД став бажаним типом ПРД для безпілотних одноразових снарядів та крилатих ракет завдяки своїй простоті та, відповідно, дешевизні та надійності. Починаючи з 50-х років XX століття у США було створено ряд експериментальних літаків та серійних крилатих ракет різного призначення з цим типом двигуна.

Цей вид реактивних двигунів, є найпростішим у класі повітряно-реактивних двигунів за будовою. Відноситься до типу ПРД прямої реакції, в яких тяга утворюється виключно за рахунок реактивного струменя, що витікає з сопла. Необхідне для роботи двигуна підвищення тиску досягається за рахунок гальмування зустрічного потоку повітря. ППРД непрацездатний при низьких швидкостях польоту, тим більше – при нульовій швидкості, для виходу його на робочу потужність необхідний той або інший прискорювач.

Дозвукові ППРД призначені для польотів на швидкостях з числом Маха від 0,5 до 1. Гальмування та стискування повітря в цих двигунах відбувається у розширеному каналі вхідного отвору – дифузорі. Ці двигуни характеризуються вкрай низькою ефективністю під час польоту на швидкості М=0,5. Це означає, що на швидкостях польоту біля M<0,5 ППРД непрацездатний. Але й на граничній для дозвукового діапазону швидкості при М=1 ідеальний термічний ККД двигуна становить 16,7 %, що у 1,5 рази менше ніж у реальних поршневих ДВЗ, та вдвоє менше, ніж у газотурбінних двигунів. До того ж, поршневі й газотурбінні двигуни ефективні при роботі на місці. За цими причинами дозвукові прямоточні двигуни виявилися неконкурентоздатними у порівнянні з авіадвигунами інших типів та у теперішній час серійно не випускаються. Але саме надзвукові та гіперзвукові ППРД знайшли своє використання в авіації.

У другій половині 50-х років ХХ століття, у епоху холодної війни між США та СРСР, розроблялися проекти ППРД з ядерним реактором.

Джерелом енергії цих двигунів є не хімічна реакція горіння палива, а тепло, яке виробляється ядерним реактором, розміщеним на місці камери згоряння. Повітря з вхідного пристрою у такому ППРД проходить через активну зону реактора, охолоджує його та нагрівається там до температури біля 3000 К, а потім витікає з сопла зі швидкістю, близькою до швидкостей витоку для найкращих рідинних ракетних двигунів. Призначення літального апарату з таким двигуном – міжконтинентальна крилата ракета – носій ядерного заряду. В обох країнах були створені компактні малоресурсні ядерні реактори, які вписувалися у габарити великої ракети. У США за програмами дослідження ядерного ППРД «Pluto» та «Tory» у 1964 були проведені стендові вогневі випробування ядерного прямоточного двигуна «Tory-IIC». Втім льотні випробування не проводились і програма була закрита у липні 1964 року. Однією з причин можна назвати вдосконалення конструкції балістичних ракет з традиційними хімічними ракетними двигунами, які достатньо забезпечили вирішення бойових задач без застосування схем з ядерними ППРД.

Таким чином, підводячи підсумки повідомлення, можемо констатувати таке. Досить довгий час різноманітні літальні апарати обходились пропелером, поки на початку 1940-х років не відбувся перший успішний політ на реактивній тязі. Конструкція і льотні властивості реактивного літака зробили переворот в авіації. Сьогодні ми і уявити не можемо сучасного літака, який би не використовував реактивний двигун.

Список використаної літератури

1. Казанджан П. К., Алексеев Л. П., Говоров А. Н. и др. Теория реактивных двигателей. – М.: Воениздат, 1985.
2. Клячкин А. Л., Теория воздушно-реактивных двигателей. – М., 1989.
3. Кулагин В. В. Теория, расчет и проектирование авиационных двигателей и энергетических установок. Изд. 2-е. – М.: Машиностроение, 2003.
4. Кулагин В. В. Теория, расчет и проектирование авиационных двигателей и энергетических установок. Изд. 2-е. – М.: Машиностроение, 2003.
5. Стечкин Б. С. Избранные труды. Теория тепловых двигателей. – М.: Наука, 1997. – 410 с.
6. Теория и расчет воздушно-реактивных двигателей. Учебник для вузов / Под редакцией С. М. Шляхтенко. – М.: Машиностроение, 2002.
7. https://uk.wikipedia.org/wiki/ Ціолковський_Костянтин_Едуардович.
8. https://ru.wikipedia.org/wiki/Климов,_Владимир_Яковлевич.
9. https://ru.wikipedia.org/wikiКузнецов,_Николай_Дмитриевич_(авиаконструктор).
10. https://uk.wikipedia.org/wiki/ Люлька_Архип_Михайлович.
11. https://uk.wikipedia.org/wiki/Реактивний_двигун.
12. http://kyzia12.blogspot.com/2013/02/blog-post.html.
13. http://ua.textreferat.com/referat-293.html.
14. http://www.ukrreferat.com/index.php?referat=43757.
15. http://avia.pro/blog/vidy-reaktivnyh-dvigateley.
16. https://uk.wikipedia.org/wiki/Повітряно-реактивний_двигун.
17. http://www.kazedu.kz/referat/160720.
18. http://www.npblog.com.ua/index.php/tehnika/reaktyvni-dvyhuny.html.

Статтю підготував студент ІІІ курсу спеціальності Математика Андросов Валерій Вікторович у межах звіту про вивчення курсу «Історія науки і техніки» (викладач – професор Р.Я. Ріжняк).