- Від російської ідеї до німецької ракети
- Китайський дизайн, російська збірка
- Знову в школу
- У наступних серіях
Ви знали, що якщо в зігнуту дугою трубу покласти сухого спирту, подути повітрям з компресора і подати газ з балона, то вона сказиться, буде кричати голосніше злітаючого винищувача і червоніти від злості? Це образне, але дуже близьке до істини опис роботи безклапанних пульсуючого повітряно-реактивного двигуна - справжнього реактивного двигуна, побудувати який під силу кожному.
Безклапанний ПуВРД - дивовижна конструкція. У ній немає рухомих частин, компресора, турбіни, клапанів. Найпростіший ПуВРД може обійтися навіть без системи запалювання. Цей двигун здатний працювати практично на чому завгодно: замініть балон з пропаном каністрою з бензином - і він продовжить пульсувати і створювати тягу. На жаль, ПуВРД виявилися неспроможними в авіації, але останнім часом їх всерйоз розглядають як джерело тепла при виробництві біопалива. І в цьому випадку двигун працює на графітового пилу, тобто на твердому паливі.
Нарешті, елементарний принцип роботи пульсуючого двигуна робить його відносно байдужим до точності виготовлення. Тому виготовлення ПуВРД стало улюбленим заняттям для людей, небайдужих до технічних хобі, в тому числі авіамоделістів і початківців зварників.
Принципова схема
Незважаючи на всю простоту, ПуВРД - це все-таки реактивний двигун. Зібрати його в домашній майстерні досить непросто, і в цьому процесі чимало нюансів і підводних каменів. Тому ми вирішили зробити наш майстер-клас багатосерійним: в цій статті ми поговоримо про принципи роботи ПуВРД і розповімо, як виготовити корпус двигуна. Матеріал в наступному номері буде присвячений системі запалювання і процедурі запуску. Нарешті, в одному з наступних номерів ми обов'язково встановимо наш мотор на саморушне шасі, щоб продемонструвати, що він дійсно здатний створювати серйозну тягу.
Від російської ідеї до німецької ракети
Збирати пульсуючий реактивний двигун особливо приємно, знаючи, що вперше принцип дії ПуВРД запатентував російський винахідник Микола Телеш ще в 1864 році. Авторство першого діючого двигуна також приписується росіянину - Володимиру Караводіну. Найвищою точкою розвитку ПуВРД по праву вважається знаменита крилата ракета «Фау-1», що складалася на озброєнні армії Німеччини під час Другої світової війни.
Щоб працювати було приємно і безпечно, ми попередньо очищаємо листовий метал від пилу і іржі за допомогою шліфувальної машинки. Краї листів і деталей, як правило, дуже гострі і рясніють заусенцами, тому працювати з металом треба тільки в рукавичках.
Звичайно ж, мова йде про клапанних пульсуючих двигунах, принцип дії яких зрозумілий з малюнка. Клапан на вході в камеру згоряння безперешкодно пропускає в неї повітря. У камеру подається паливо, утворюється горюча суміш. Коли свічка запалювання підпалює суміш, надлишковий тиск в камері згоряння закриває клапан. Розширюються гази направляються в сопло, створюючи реактивну тягу. Рух продуктів згоряння створює в камері технічний вакуум, завдяки якому клапан відкривається, і в камеру всмоктується повітря.
На відміну від турбореактивного двигуна, в ПуВРД суміш горить не безперервно, а в імпульсному режимі. Саме цим пояснюється характерний низькочастотний шум пульсуючих моторів, який робить їх непридатними в цивільній авіації. З точки зору економічності ПуВРД також програють ТРД: незважаючи на вражаюче відношення тяги до маси (адже у ПуВРД мінімум деталей), ступінь стиснення в них досягає від сили 1,2: 1, тому паливо згорає неефективно.
Перш ніж вирушати в майстерню, ми накреслили на папері і вирізали шаблони розгорток деталей у натуральну величину. Залишилося лише обвести їх перманентним маркером, щоб отримати розмітку для вирізання.
Зате ПуВРД безцінні як хобі: адже вони можуть обходитися взагалі без клапанів. Принципово конструкція такого двигуна являє собою камеру згоряння з приєднаними до неї вхідний і вихідний трубами. Вхідна труба набагато коротше вихідний. Клапаном в такому двигуні служить не що інше, як фронт хімічних перетворень.
Горюча суміш в ПуВРД згорає з дозвуковій швидкістю. Таке горіння називається дефлаграція (на відміну від надзвукового - детонації). При запаленні суміші горючі гази вириваються з обох труб. Саме тому і вхідні, і вихідна труби спрямовані в одну сторону і спільно беруть участь в створенні реактивної тяги. Але за рахунок різниці довжин в той момент, коли тиск у вхідному трубі падає, по вихідний ще рухаються вихлопні гази. Вони створюють розрідження в камері згоряння, і через вхідну трубу в неї затягується повітря. Частина газів з вихідної труби також направляється в камеру згоряння під дією розрідження. Вони стискають нову порцію горючої суміші і підпалюють її.
При роботі з електричними ножицями головний ворог - вібрації. Тому заготівлю потрібно надійно фіксувати за допомогою струбцини. При необхідності можна дуже акуратно погасити вібрації рукою.
Безклапанний пульсуючий двигун невибагливий і стабільний. Для підтримки роботи йому не потрібно система запалювання. За рахунок розрідження він всмоктує атмосферне повітря, не вимагаючи додаткового наддуву. Якщо будувати мотор на рідкому паливі (ми для простоти віддали перевагу газ пропан), то вхідні труба справно виконує функції карбюратора, розпорошуючи в камеру згоряння суміш бензину і повітря. Єдиний момент, коли необхідна система запалювання і примусовий наддув, - це запуск.
Китайський дизайн, російська збірка
Існує кілька поширених конструкцій пульсуючих реактивних двигунів. Крім класичної «U-подібної труби», вельми складною у виготовленні, часто зустрічається «китайський двигун» з конічною камерою згоряння, до якої під кутом приварюється невелика вхідна труба, і «російський двигун», по конструкції нагадує автомобільний глушник.
Труби фіксованого діаметра легко формуються навколо труби. В основному це робиться руками за рахунок ефекту важеля, а краю заготовки закругляются за допомогою киянки. Краї краще формувати так, щоб при стикуванні вони утворювали площину - так легше покласти зварений шов.
Перш ніж експериментувати з власними конструкціями ПуВРД, настійно рекомендується побудувати двигун за готовими кресленнями: адже перетину і обсяги камери згоряння, вхідний і вихідний труб цілком визначають частоту резонансних пульсацій. Якщо не дотримуватися пропорції, двигун може не запуститися. Різноманітні креслення ПуВРД доступні в інтернеті. Ми вибрали модель під назвою «Гігантський китайський двигун», розміри якої наводимо в урізанні.
Аматорські ПуВРД робляться з листового металу. Застосовувати в будівництві готові труби допустимо, але не рекомендується з кількох причин. По-перше, практично неможливо підібрати труби точно необхідного діаметра. Тим більше складно знайти необхідні конічні секції.
Згинання конічних секцій - це виключно ручна праця. Запорука успіху - обжимати вузький кінець конуса навколо труби малого діаметра, даючи на нього більше навантаження, ніж на широку частину.
По-друге, труби, як правило, мають товсті стінки і відповідної ваги. Для двигуна, який повинен володіти хорошим співвідношенням тяги до маси, це неприйнятно. Нарешті, під час роботи двигун розжарюється до червоного. Якщо застосовувати в конструкції труби і фітинги з різних металів з різним коефіцієнтом розширення, мотор проживе недовго.
Отже, ми вибрали шлях, який обирає більшість любителів ПуВРД, - виготовити корпус з листового металу. І тут же встали перед дилемою: звернутися до професіоналів зі спеціальним обладнанням (верстати для водно-абразивного різання з ЧПУ, вальці для прокату труб, спеціальна зварювання) або, озброївшись найпростішими інструментами і найпоширенішим зварювальним апаратом, пройти нелегкий шлях початківця двигунобудівниками від початку до кінця. Ми віддали перевагу другому варіанту.
Знову в школу
Перше, що необхідно зробити, - накреслити розгортки майбутніх деталей. Для цього необхідно згадати шкільну геометрію і зовсім небагато вузівського креслення. Зробити розгортки циліндричних труб простіше простого - це прямокутники, одна сторона яких дорівнює довжині труби, а друга - діаметру, помноженому на «пі». Розрахувати розгортку усіченого конуса або усіченого циліндра - трохи складніше завдання, для вирішення якої нам довелося зазирнути в підручник креслення.
Сварка тонкого листового металу - найтонша робота, особливо якщо ви використовуєте ручне дугове зварювання, як ми. Можливо, для даної задачі краще підійде зварювання неплавким вольфрамовим електродом в аргоновому середовищі, але обладнання для неї рідкісне і вимагає специфічних навичок.
Вибір металу - вельми делікатне питання. З точки зору термостійкості для наших цілей краще всього підходить нержавіюча сталь, але для першого разу краще використовувати чорну низкоуглеродистую сталь: її простіше формувати і варити. Мінімальна товщина листа, здатного витримати температуру згоряння палива, - 0,6 мм. Чим тонше сталь, тим легше її формувати і важче варити. Ми вибрали лист товщиною 1 мм і, схоже, не прогадали.
Навіть якщо ваш зварювальний апарат може працювати в режимі плазменного різання, не використовуйте його для вирізання розгорток: краю оброблених таким чином деталей погано зварюються. Ручні ножиці по металу - теж не кращий вибір, так як вони загинають краю заготовок. Ідеальний інструмент - електричні ножиці, які ріжуть міліметровий лист як по маслу.
Для згинання листа в трубу є спеціальний інструмент - вальці, або листогиб. Він відноситься до професійного виробничого обладнання і тому навряд чи знайдеться у вас в гаражі. Зігнути гідну трубу допоможуть лещата.
Процес зварювання міліметрового металу повнорозмірним зварювальним апаратом вимагає певного досвіду. Трохи перетримавши електрод на одному місці, легко пропалити в заготівлі діру. При зварюванні в шов можуть потрапити бульбашки повітря, які потім дадуть текти. Тому має сенс шліфувати шов болгаркою до мінімальної товщини, щоб бульбашки не залишалися всередині шва, а ставали видимими.
У наступних серіях
На жаль, в рамках однієї статті неможливо описати всі нюанси роботи. Прийнято вважати, що ці роботи вимагають професійної кваліфікації, проте при належній старанності всі вони доступні любителю. Нам, журналістам, самим було цікаво освоїти нові для себе робочі спеціальності, і для цього ми читали підручники, радилися з професіоналами і робили помилки.
Корпус, який ми зварили, нам сподобався. На нього приємно дивитися, його приємно тримати в руках. Так що щиро радимо і вам взятися за таку справу. У наступному номері журналу ми розповімо, як виготовити систему запалювання і запустити безклапанний пульсуючий повітряно-реактивний двигун.
Стаття «Реактивний двигун своїми руками» опублікована в журналі «Популярна механіка» ( №8, серпень 2013 ).