Как найти работу двигателя самолета

Конструктивные особенности летательных аппаратов, применяемых в авиационной сфере сегодня, обеспечивают оптимальные условия для стабильных и безопасных полетов на высокой скорости. Прародитель реактивных и турбореактивных силовых установок — коловратный движок с поршневым компрессором, камерой сгорания и газовой турбиной, который был изобретен еще в XVIII веке. Конфигурации систем, в основе которых лежит схожий принцип, позволяют максимально эффективно использовать входящие воздушные потоки, необходимые для вращения турбин. За счет чего запускаются и на чем работают двигатели, которые установлены на современных пассажирских самолетах, из чего они состоят и как устроены, какие бывают виды с точки зрения функциональных и технических характеристик? Давайте разбираться.

Общее представление

Силовая установка — обобщающее понятие, используемое для обозначения сложных устройств, благодаря которым летательные аппараты могут не только подниматься в воздух, но и преодолевать огромные расстояния с минимальными временными затратами. У планеров, летающих только за счет аэродинамической подъемной силы, подобные системы изначально не предусмотрены, тогда как для условных авиалайнеров их наличие является необходимым фактором. Если говорить о том, как делают двигатели, какая мощность, сила тяги, предельная высота и масса будут у самолета — нельзя не отметить, что стоимость разработки и изготовления может составлять до половины от общей цены создания очередного лайнера. В том числе ввиду того что на сегодняшний день технологии и компетенции в области гражданского двигателестроения имеются у относительно небольшого числа стран.

Конструктивные особенности

Конфигурация силовых установок, в которых внутренняя температура во время эксплуатации может превышать пороговые значения в две тысячи градусов Цельсия, отличается особой сложностью. В первую очередь из-за необходимости использования при создании деталей материалов, устойчивых к возгоранию и экстремальному термическому воздействию. Вопросам, связанным с изготовлением турбореактивных моделей, посвящена отдельная научная область.

Конструкция ТРД предусматривает наличие нескольких элементов, каждый из которых выполняет заданный функционал. Для полноценного функционирования системы нужны вентилятор, компрессор, камера сгорания, турбина и сопло.

Вращающиеся многолопастные модули особой формы втягивают воздушные потоки с максимально возможной скоростью и эффективностью, выдерживая повышенные нагрузки, благодаря выбору титана в качестве основного материала. Задача вентиляционного элемента — не только обеспечивать подачу, но и прокачивать воздух между деталями и оболочкой, создавая эффект охлаждения и препятствуя разрушительному воздействию экстремальных температур от сгорающего топлива.

Рядом с вентилятором расположен высокомощный компрессор, благодаря которому возникает возможность перенаправить массу, находящуюся под давлением, внутрь камеры сгорания. Результатом становится образование обогащенной смеси, при поджигании нагревающей все вокруг до 1500-2000 градусов. В данном случае достаточным сопротивлением к термическому воздействию обладает керамика, чаще всего выступающая материалом изготовления основного преобразующего модуля.

Дальнейшее направление работы двигателя самолета — турбина. Специальное устройство, конфигурация которого предусматривает использование многочисленных элементов в виде лопатки, принимает на себя давление, нагнетаемое потоком, за счет чего возникает вращение вала с установленным вентилятором. Фактически речь идет о замкнутой системе, где для полноценного функционирования достаточно только воздуха и топлива.

Завершающей фазой первого цикла становится поступление смеси в сопло, где формируется реактивная струя: разрушению корпуса и плавлению манжеты препятствует параллельное нагнетание холодной воздушной массы. Оптимальным вариантом считается подвижная модификация, способная не только расширять и сжимать выходное отверстие, но и корректировать угол, задавая таким образом нужное направление и повышая общие характеристики маневренности.

Базовые принципы

Итак, еще раз кратко о том, как выглядит и работает двигатель самолета, и что служит рабочим телом в конструкции. Движение обеспечивается за счет формируемой силовой установкой турбореактивной тяги, мощность которой позволяет легко поднять и разогнать до нужной скорости массивное строение. Отдача струи газа, вылетающей из сопла, фактически толкает летательный аппарат в нужном направлении, используя воздух в качестве основания.

Для большинства систем, используемых в современной авиации, характерно наличие компьютерного модуля Full Authority Digital Engine Control System, сокращенно — FADEC. Функциональной задачей устройства выступает анализ ключевых параметров, характеризующих рабочее состояние, условия внешней среды и поступающие от органов управления сигналы, а также контроль за приводами, так или иначе, способными оказать влияние на силовую установку.

Цифровой блок охватывает буквально все аспекты работы, полностью отвечая за эксплуатационные циклы — схема не предусматривает интеграции резервного контура или дополнительных тяг для регулировки газа. Помимо входящей информации, относящейся к управленческому процессу, система также:

• Анализирует данные о воздушной скорости, давлении и температуре.

• Контролирует показатели датчиков обжатия шасси для оценки возможности задействования реверса.

• Вносит корректировки исходя из объема поступающего воздуха, и выполняет иные задачи.

Какие двигатели ставят на современные самолеты

Существует несколько вариантов, различающихся между собой конструктивными и эксплуатационными особенностями.

Классические

Работают в соответствии с вышеописанным принципом. Подходят для использования на судах разных модификаций и активно применяются в гражданской авиации.

Турбовинтовые

Выполняют основную функцию немного иначе. Конструкция не предполагает механической связи газовой турбины и трансмиссии, поэтому движение летательного аппарата обеспечивается реактивной тягой лишь отчасти. Основной объем энергии, вырабатываемой в результате горения топливной смеси, силовая установка направляет через редуктор на привод винта, что делает конфигурацию более экономичной, но ограничивает верхний потенциал скоростных характеристик.

Турбовентиляторные

Говоря о том, на каких типах двигателей летают самолеты, нельзя не упомянуть и о комбинированных системах, объединяющих в себе отдельные элементы турбореактивных и турбовинтовых устройств. Отличительная особенность — увеличенные габариты лопастей вентилятора, который, как и винтовая часть, работает на дозвуковых скоростях. Снижение интенсивности воздушного потока обеспечивается обтекателем, внутри которого размещается лопастная конструкция. Подобные модификации экономичнее в плане расхода топлива, а также демонстрируют повышенный КПД, что делает целесообразной их применение на пассажирских авиалайнерах и грузовых судах с увеличенной вместительностью.

Прямоточные

Воздушно-реактивные установки не предусматривают наличия в конфигурации подвижных элементов. Втягивание воздуха происходит естественным путем за счет размещения возле входного отверстия элемента, снижающего уровень аэродинамического сопротивления — обтекателя. С момента поступления потока процесс становится аналогичным классической схеме.

Характеристики мощности

Разобравшись в том, что такое тяга, и какие модели двигателей стоят на самолетах сегодня, можно отметить, что некоторые из этих летательных аппаратов оснащаются турбовинтовыми установками. Их конфигурация заметно проще, чем у турбореактивных, из-за чего возникает логичный вопрос — для чего вообще нужны более сложные модификации? Ответ очевиден: мощностные показатели, демонстрируемые ТРД, в десятки раз выше, аналогичных результатов, достигаемых винтовыми конструкциями. Увеличенная сила способствует повышению предельно допустимой массы и скорости. Единственным ограничением в данном случае остается температура газов за камерой сгорания, поднять которую пока что не позволяют свойства материалов, доступных для изготовления конструкционных деталей.

Как заводят двигатель самолета

В процессе запуска необходимо решить три основных задачи: придать достаточную скорость вращения турбине высокого давления, обеспечить подачу топлива и создать искру для его возгорания.

Раскрутка турбинной части до интенсивности в районе 50% от предельных оборотов позволяет устройству продолжить работу самостоятельно. Первоначальный импульс может быть обеспечен электрическим стартером либо направленным воздушным потоком, генерируемым пневматикой, которая, в свою очередь, берет воздух под повышенным давлением из вспомогательной силовой установки или иного источника.

Стандартный алгоритм действий предусматривает следующую последовательность:

• Перевод в положение «ON» переключателя и тумблера.

• Автоматическое открытие FADEC кранов пневматической и топливной систем.

• Запуск турбины и подача искры на свечи зажигания.

• Старт второго двигателя после выхода на нужные обороты.

• Отключение стартового модуля ввиду выполнения им основной задачи.

В отдельных ситуациях может возникнуть потребность в создании эффекта вращения без перехода в активную рабочую фазу. Подобная практика, к примеру, актуальна при проведении диагностических процедур, а также во время промывки внутренней конфигурации керосином после продолжительной консервации. Для этого используется отдельное положение переключателя — CRANK, при котором общий цикл остается неизменным, но отсутствует искра на свечах зажигания.

Как осуществляется управление

Вне зависимости от того, какое максимальное количество двигателей в гондолах крепится к крыльям самолета — это, как правило, зависит от типа конфигурации и целевых задач конкретной модели — для каждого из них должен присутствовать свой управляющий рычаг. Принцип взаимодействия максимально упрощен: отталкивая рукоятку в направлении от себя, пилот увеличивает скорость вращения и мощность реактивной тяги, притягивая — заставляет силовую установку работать медленнее. Учитывая отсутствие прямой связи с топливным дросселем, потенциальный риск чрезмерной или недостаточной подачи горючей смеси исключается полностью — сжечь или заглушить двигатель вручную не получится. Кроме того, за рабочим состоянием и предельными температурами во время полета следит FADEC.

В сегменте «малого газа» размещается упор, поэтому для разблокировки режима реверса потребуется вытянуть специальную скобу. Реверсное функционирование предполагает использование вспомогательных створок, которые отводят поток в обратном направлении и тем самым помогают самолету постепенно замедлиться и остановиться.

Любопытно, что при продолжительном использовании возможно даже движение воздушного судна на ВПП задом — однако в этом случае возникает риск попадания внутрь силовых установок, висящих под крыльями, различного мусора, что обусловливает отрицательные рекомендации. Также стоит отметить работу FADEC, который проводит автоматический анализ положения рычагов, и в режиме реального времени сопоставляет результаты с параметрами датчиков обжатия шасси. Благодаря этому, случайный запуск реверса во время нахождения судна в воздухе в принципе невозможен.

Конфигурация предусматривает наличие особого аварийного режима, для включения которого необходимо приложить к рычагам определенное усилие и перевести их дальше базового взлетного положения. Применение допускается в случае отказа одного из двигателей на взлете и обусловливается необходимостью компенсации потерянного ресурса для набора приемлемой и безопасной высоты.

Индикаторы и сигнальные модули

Сведения о показателях текущей работы отображаются на фронтальной панели в центральной части дисплея, а также на отдельной странице, где представлен расширенный набор характеристик. В перечень данных, которые выводятся на постоянной основе, входят:

• Уровень оборотов вентилятора, определяющий мощность тяги.

• Температура образующихся выхлопных газов, служащая ограничителем топливной подачи для автоматической системы, предупреждающей плавление деталей турбины.

• Заданное значение интенсивности вращения — промежуток разгона от малого газа до режима взлета составляет несколько десятков секунд, что обусловливает разницу между фактическими и целевыми показателями.

• Характеристики рабочего состояния независимых турбинных установок высокого давления, важные с точки зрения процедуры запуска.

• Текущее потребление топлива, выбранная программа работы двигателя, а также признаки включения реверса.

На отдельной странице также могут быть отражены вспомогательные данные, характеризующие состояние масла, уровень вибраций, расход горючего с момента последнего запуска, показатели давления в пневматической системе и т. д.

Нелокализованный разлет осколков

К числу факторов, оказывающих заметное влияние на выбор конструкции при создании специализированного бортового оборудования для воздушных судов, в том числе относят данное явление, возникающее в случае взрыва силовой установки. Считается, что в подобной ситуации осколки компрессорных и турбинных лопаток будут иметь запас энергии, достаточный для разрушения любых механических преград, в том числе — деталей и элементов, обеспечивающих функционирование всей системы.

Безопасное завершение полета при возникновении нелокализованного разлета окажется возможным при условии наличия резервных проводов, расположенных на расстоянии, исключающем одновременное повреждение осколками основного и запасного каналов. Практика показывает, что современные технологии и материалы, используемые в авиационной промышленности, сводят к минимуму вероятность подобных инцидентов — однако консервативный подход требует учета в архитектуре противодействия любым потенциальным рискам.

Подведем итоги

Современные технологии позволяют создавать мощные силовые установки, обеспечивающие максимальную эффективность эксплуатации воздушных судов. Чтобы понять, как перезапустить двигатель самолета или как называется тот или иной модуль, необходимо уделить время изучению особенностей наиболее распространенных конфигураций.

Руководство по летной эксплуатации самолета Ан-2

---

Определение режима работы двигателя

Крейсерские режимы полета для взлетной массы до 5 250 кг.

Крейсерские скорости самолета в горизонтальном полете находятся в пределах от 145 до 225 км/ч по прибору.

Режимы работы двигателя, обеспечивающие указанные скорости, находятся в следующих пределах:

• мощность двигателя от 40 до 70% номинальной;
• частота вращения вала двигателя от 1 500 до 1 800 в минуту;
• давление наддува от 530 до 760 мм рт. ст.;
• расход топлива от 117 до 220 л/ч.

В указанном диапазоне скоростей горизонтального полета есть несколько характерных режимов:

1. Режим наибольшей продолжительности полета

На этом режиме часовой расход топлива наименьший. Он соответствует скорости по прибору 145 км/ч. При работе двигателя на режиме 1 500 об/мин для такой скорости в зависимости от высоты и полетной массы необходимо устанавливать давление наддува от 530 до 600 мм рт. ст.

Расход топлива на таком режиме работы двигателя (также в зависимости от высоты и полетной массы) составляет от 110 до 150 л/ч.

Чем меньше высота полета, тем меньше часовой расход топлива для постоянной скорости по прибору. Поэтому наибольшей продолжительности полета с определенным запасом топлива можно достичь только у земли.

2. Режим наибольшей дальности полета

На этом режиме километровый расход топлива наименьший. Он соответствует скоростям по прибору от 147 до 175 км/ч и зависит только от полетной массы: для массы 5 250 кг скорость по прибору 175 км/ч, а для массы 4 000 кг — 147 км/ч.

При работе двигателя на режиме 1 500 об/мин для таких скоростей необходимо давление наддува от 530 до 650 мм рт. ст. Расход топлива на этом режиме около 0,83 л/км.

На указанных скоростях (по прибору) километровый расход топлива почти одинаков на всех высотах, поэтому дальность полета с определенным запасом топлива практически одинакова на всех высотах.

Режим наибольшей дальности следует применять в таких полетах по маршруту, когда время не ограничено и первостепенное значение имеет экономия топлива.

3. Режим наибольшей крейсерской мощности

Наибольшая из крейсерских мощностей, которую можно использовать в длительных полетах, соответствует 70% номинальной мощности двигателя. Крейсерская скорость в горизонтальном полете на этом режиме двигателя наибольшая.

Скорость по прибору изменяется в зависимости от высоты и полетной массы в пределах от 200 до 225 км/ч, а истинная воздушная скорость — от 210 до 240 км/ч.

Мощность, равная 70% номинальной, получается при работе двигателя на режиме 1 800 об/мин с наддувом 690-760 мм рт. ст.

Давление наддува 690 мм рт. ст. соответствует полету на высоте 3 000 м, а 760 мм рт. ст. — полету у земли. Расход топлива при этом составляет 220 л/ч, а километровый расход — от 0,92 до 1,04 л/км.

Наибольшую крейсерскую мощность разрешается применять в тех случаях, когда необходимо получить возможно большую скорость в течение длительного времени полета.

В рейсовых полетах по расписанию можно использовать любой режим — от режима наибольшей дальности до режима наибольшей крейсерской мощности.

Все допустимые крейсерские режимы указаны в табл. 3 «Крейсерские режимы горизонтального полета на самолете Ан-2». В этой таблице для каждого значения скорости даются наивыгоднейшие числа оборотов двигателя и величины давления наддува в зависимости от полетной массы и высоты. Выбор того или иного режима зависит от времени, заданного расписанием.

Например, если заданное расписанием время предусматривает путевую скорость 180 км/ч, а полет происходит со встречным ветром 20 км/ч, то в таблице нужно найти режим, соответствующий истинной воздушной скорости 200 км/ч.

Если при этом полетная масса 4 500 кг, а высота 1 000 м, то наивыгоднейший режим работы двигателя, обеспечивающий истинную воздушную скорость 200 км/ч, будет: n = 1 540 об/мин, Р_к = 680 мм рт. ст.

Скорость по прибору получается 192 км/ч, а расход топлива 167 л/ч.

Всего в табл. 3 указано 86 режимов горизонтального полета для четырех полетных масс и пяти высот. Высоты в таблице указаны при стандартной температуре (т. е. при условии, что температура воздуха у земли +15°С и с увеличением высоты на каждую тысячу метров она уменьшается на 6,5°). Если фактическая температура отличается от стандартной более чем на 10°С, то в случае определения режима работы двигателя по данной таблице скорость полета не будет соответствовать заданному режиму работы двигателя.

Таблица 3. Крейсерские режимы горизонтального полета на самолете Ан-2

Более точно наивыгоднейшие режимы полета можно определять по крейсерскому графику (рис. 2). На крейсерском графике можно также учитывать ухудшение аэродинамических качеств конкретного самолета и вводить соответствующую поправку, так как таблица составлена по данным эталонного самолета.

Крейсерский график

Основное назначение крейсерского графика состоит в определении наивыгоднейшего режима работы двигателя и расхода топлива для горизонтального полета на любой крейсерской скорости, любой высоте полета и при всех допускаемых полетных массах самолета.

Описание крейсерского графика

В верхней части графика помещена шкала высот по прибору (H₇₆₀). В нижней части помещена шкала скоростей по прибору, не имеющему ни инструментальной, ни аэродинамической поправок. Скорость, отсчитанная по такому «идеальному» прибору, называется индикаторной, а шкала на графике имеет обозначение V_i.

Выше ее нанесена шкала скоростей по действительному прибору. Она обозначена Vnp. Разница между отсчетами по шкалам Vi и Fnp составляет аэродинамическую поправку к указателю скорости. Инструментальную поправку указателя скорости следует учитывать отдельно для каждого экземпляра прибора.

В левой части графика помещается шкала высот по стандартной атмосфере (СА), обозначенная буквой HΔ. В условиях стандартной атмосферы высота определяется по плотности воздуха, т.е. с учетом и давления, и температуры. Поэтому высоту по СА называют еще высотой по плотности воздуха. Посередине графика нанесено одиннадцать наклонных линий, обозначающих температуру наружного воздуха от +60°С до —50°С. Средняя из этих линий, обозначающая 0°С, — более жирная (для удобства ориентировки при отсчете температур).

Взаиморасположение линий температур и шкалы высот рассчитано так, что сочетание любой высоты по прибору (по давлению) и одной из линий температуры определяет высоту по плотности воздуха, т. е. по стандартной атмосфере.

Кривые тонкие линии, оцифрованные от 130 до 250 км/ч, обозначают истинную воздушную скорость самолета. Для каждой высоты и каждой температуры наружного воздуха получается свое соотношение между скоростью по прибору (на шкале V_пр) и истинной воздушной скоростью.

Рис.2. График крейсерских режимов

На описанную основу графика наложены характеристики двигателя. Жирными линиями показана мощность двигателя (в процентах от поминальной). На каждой из линий указаны своя частота вращения вала двигателя и свой часовой расход топлива. Диапазон крейсерских мощностей, нанесенных на графике, находится в пределах от 35 до 70%, а часовой расход топлива — от 117 до 220 л/ч. Частоты вращения вала двигателя обозначены в пределах от 1 500 до 1 800 об/мин.

В соответствии с мощностью и частотой вращения на графике нанесено шесть кривых линий, изображающих давление наддува в пределах от 500 до 750 мм рт.ст.

Две заштрихованные узкие полосы, обозначенные буквами Rmax, ограничивают скорости горизонтального полета, соответствующие наименьшему километровому расходу топлива. Левая из этих полос относится к полетной массе 4 000 кг, а правая — к 5 000 кг. Другие полетные массы размещаются между указанными крайними значениями; их находят интерполяцией. Для полетной массы 5 250 кг эта полоса переместится вправо на 4 деления.

В нижней части крейсерского графика размещен вспомогательный график, учитывающий необходимое изменение режима работы двигателя в зависимости от полетной массы.

Решение типовых задач по крейсерскому графику

Чтобы облегчить пользование крейсерским графиком, разберем несколько типовых задач.

Задача 1. Задано выдержать время полета строго по расписанию. Вылет и 10 ч 00 мин, посадка в 12 ч 57 мин. Продолжительность полета но расписанию 2 ч 57 мин, расстояние между аэропортами 550 км. Истинный путевой угол воздушной трассы 260°, а прогноз ветра по высотам такой, какой указан в схеме расчета наивыгоднейшей высоты полета (см. табл. 1).

Высоту эшелона, по согласованию с диспетчером, выбираем 1 500 м, н соответствии с наивыгоднейшей высотой. По условиям задания средняя скорость от взлета до посадки должна быть 550 км : 2 ч 57 мин ≈ 186 км/ч.

Чтобы определить необходимую путевую скорость в горизонтальном полете, нужно учесть потерю времени на маневрирование в районе аэропортов после взлета и перед посадкой (4 мин) и дополнительную затрату времени на набор высоты (по 2 мин на каждые 1 000 м). Общая потеря времени 4 + 3 = 7 мин, а путевая скорость в горизонтальном полете должна быть 550 км : 2 ч 50 мин ≈ 194 км/ч.

На выбранной высоте, согласно расчету по табл. 1, составляющая скорости ветра (W-V) оказывается попутной и равна 36 км/ч. Следовательно, истинная воздушная скорость в горизонтальном полете должна быть 194-26 = 168 км/ч.

Скорость по прибору, режим работы двигателя и расход топлива определяем по крейсерскому графику для истинной воздушной скорости 168 км/ч и полетной массы в начале пути 4 500 кг. Температуру воздуха на высоте 1 500 м подсчитываем по температурному градиенту, зная температуру на земле, или определяем ее непосредственно в полете. Для примера берем температуру воздуха +25°С.

Решение примера (см. рис.2). От деления, соответствующего высоте по прибору 1 500 м (точка 1), идем вертикально вниз до линии, которая соответствует температуре воздуха +25°С (точка 2). На этом уровне читаем высоту по плотности воздуха 2 100 м. Затем идем горизонтально влево до линии истинной воздушной скорости 168 км/ч (точка 3). Далее опять опускаемся вертикально вниз до шкалы скоростей по прибору (точка 4), где читаем Vпр = 148 км/ч.

Теперь можно определить режим работы двигателя. Для этого на заданной скорости по прибору 148 км/ч нужно пойти параллельно наклонным линиям до полетной массы 4 500 кг (точка 5), затем подняться вертикально вверх до высоты по плотности воздуха 2 100 м (точка 6). В полученной точке читаем: необходимая мощность двигателя равна 42% номинальной, частота вращения вала 1 500 об/мин, давление наддува 550 мм рт.ст., расход топлива 139 л/ч.

Задача 2. Задан режим наименьшего километрового расхода топлива. В полете на высоте 1 200м с полетной массой 5 000 кг при температуре воздуха +10^oC требуется найти скорость и режим работы двигателя, при которых расход топлива на километр пути будет наименьшим.

Решение. От высоты 1 200 м опускаемся вертикально вниз до пересечения с линией температуры +10^oC. Затем идем горизонтально вправо до линии R_max для полетной массы 5 000 кг, где читаем истинную воздушную скорость 182 км/ч. Далее опускаемся вертикально вниз до шкалы V_пр и здесь читаем скорость по прибору 170 км/ч.

Чтобы определить режим работы двигателя для найденной скорости по прибору 170 км/ч пойти по направлению наклонных линий до полетной массы 5 000 кг, а затем подняться вертикально до того уровня высоты по СА, на котором линия высоты по прибору перескается с линией температуры воздуха.

В полученной точке читаем: мощность 49% номинальной, расход топлива — 153 л/ч, частота вращения вала двигателя — 1 500 об/мин, давление наддува — 635 мм рт.ст.

Задача 3. Задана мощность двигателя. При контроле летных данных самолета, когда требуется определить, не уменьшилась ли скорость самолета в результате длительной эксплуатации и многократных ремонтов, можно воспользоваться крейсерским графиком. Для этого нужно установить определенный режим работы двигателя (один из указанных в крейсерском графике) и измерить скорость горизонтального полета на этом режиме.

Если измеренная скорость отличается от скорости, отсчитанной по графику, не больше чем на 3%, то самолет признается нормальным по скорости.

Пример. Требуется определить скорость самолета с полетной массой 4 000 кг на высоте 1 000 м при температуре воздуха —10°С и мощности двигателя 60% номинальной.

Решение. От деления, соответствующего высоте по прибору 1 000 м, опускаемся вертикально вниз до линии температуры воздуха —10°С, Далее движемся горизонтально вправо до линии мощности 60 %. В полученной точке читаем режим работы двигателя:

n = 1 650 об/мин, Р_к = 725 мм рт. ст.

От этой точки идем вертикально вниз до линии полетной массы 4 000 кг, а от нее — вверх по наклонным линиям до шкалы Vnp, где читаем: скорость по прибору 209 км/ч.

Для тщательной проверки летных данных самолета нужно строго учитывать инструментальные поправки указателя скорости, тахометра и указателя наддува, а сам полет должен проходить в спокойной атмосфере.

Применение крейсерского графика для самолетов с ухудшенными аэродинамическими качествами.

В результате длительной эксплуатации аэродинамические характеристики самолета могут заметно ухудшаться. На таких самолетах скорость полета на определенном режиме работы двигателя меньше, чем рассчитанная по крейсерскому графику.

Чтобы пользоваться эталонным крейсерским графиком (см. рис. 2) для расчета режимов полета на самолетах с ухудшенной аэродинамикой, нужно точно знать, на сколько уменьшилась скорость самолета.

Чтобы определить это, нужно в одном из полетов точно замерить скорость по прибору на любом из крейсерских режимов работы двигателя, указанных в графике. Затем сравнить замеренную скорость с полученной при расчете по крейсерскому графику для того же режима работы двигателя, с той же полетной массой, на той же высоте и при той же температуре. При замере скорости нужно учитывать инструментальные поправки тахометра, указателя наддува и указателя скорости.

Разность между фактически замеренной скоростью по прибору и скоростью по прибору, отсчитанной по крейсерскому графику, составляет поправку к скорости для данного экземпляра самолета.

Чтобы определить режим работы двигателя для получения заданной скорости на этом самолете, нужно в схеме решения задач по крейсерскому графику добавить одно действие, а именно: точку о (например, в задаче 1) перенести горизонтально вправо по шкале на величину поправки к скорости и здесь прочитать режим работы двигателя.

Если, например, известно, что крейсерские скорости какого-нибудь самолета на 10 км/ч меньше, то, решая задачу 1, перенесем точку 6 вправо на 10 км/ч (точка 7). Найдем, что для получения истинной воздушной скорости 165 км/ч нужны: мощность, равная 45 % номинальной, частота вращения вала двигателя 1 500 об/мин и давление наддува 590 мм рт. ст. Расход топлива при этом будет 145 л/ч вместо 139 л/ч, какой был в точке 6 для самолета с нормальными летными характеристиками..

Установка на самолет Ан-2 сельскохозяйственной аппаратуры ухудшает его аэродинамические качества и вызывает уменьшение скорости полета.

В длительных полетах (перелет с базового аэродрома на обрабатываемые участки и обратно) необходимо при пользовании крейсерским графиком учитывать, что индикаторная скорость Vi самолета при установке на нем сельскохозяйственной аппаратуры (опрыскивателя или опыливателя тоннельного типа) уменьшается на 25 км/ч.

---

Самолет многоцелевого назначения Ан-2

Как устроена силовая установка пассажирского самолета

Всем привет. Недавно я читал ликбез очередному студенту на тему общего устройства оборудования самолёта. Вводный рассказ, хоть и отработанный до автоматизма, отнял пару часов времени и выявил необходимость ещё в двух-трёх вводных. Но лень — двигатель прогресса и я наконец дозрел до оформления всех этих «лекций» в печатном виде. А там, где есть внутренняя методичка, недалеко и до публикации на Хабре: вдруг, кому ещё интересно почитать будет. 

Перед началом изложения хочу оговориться, что моя основная специализация — бортовое оборудование, так что из моего описания может вполне получиться «идеальный самолёт для технолога». Тех, кого этот подход не пугает, а также всех тех, кому интересно зачем в кабине экипажа нужны все эти кнопки и ручки — прошу оценить первую публикацию «Силовая установка».

---

Кликабельная картинка, чтобы рассмотреть получше:

---

Про силовую установку

Силовая установка — общее название двигателей летательных аппаратов. Начну с них потому, что без двигателей самолет — не самолет, а в лучшем случае планер. Цена двигателей, к слову, составляет половину стоимости авиалайнера и компетенциями в разработке современных гражданских авиадвигателей обладают гораздо меньше стран, чем тех, кто обладают компетенциями в разработке самолетов.

На авиалайнерах сейчас ставят почти исключительно двухконтурные турбореактивные двигатели (ТРДД). Вот принципиальная схема такого двигателя:

  
Детали устройства можно прочитать во многих источниках, начиная с Википедии. Для нас, электронщиков, важно понимать следующие факты о работе такого двигателя:

1. Компрессор сжимает забираемый снаружи воздух перед подачей его в камеру сгорания,
2. В камере сгорания к воздуху подмешивается топливо,
3. В камере сгорания происходит постоянное горение топливовоздушной смеси, приводящее к тому, что разогретый газ расширяется в сторону турбины,
4. Турбина крутится под воздействием расширяющихся газов и крутит компрессор и/или вентилятор,
5. Как правило, в двигателях бывает две связки турбина-компрессор: высокого давления и низкого давления. Они могут крутиться независимо друг от друга,
6. Основную тягу, как это ни странно, даёт не горячий газ, выходящий из сопла, а вращение вентилятора,
7. Обороты и тягу двигателя можно регулировать подачей топлива,
8. В большинстве современных авиационных двигателей работой двигателя управляет специальный компьютер FADEC. Этот прибор анализирует параметры работы двигателя, внешние условия и управляющие сигналы от органов управления двигателем и управляет всеми приводами, влияющими на работу двигателя, например, топливным краном. Часть названия «Full Authority» означает, что: 
   • FADEC отвечает за ВСЕ аспекты работы двигателя,
   • Только FADEC отвечает за работу двигателя, т. е. нет никакого резервного контура управления, механических тяг управления газом и т. д.
9. Кроме сигналов от органов управления двигателем FADEC анализирует данные от:
   • Системы воздушных сигналов (СВС): давление и температуру наружного воздуха, воздушную скорость самолёта — для уточнения параметров работы,
   • Датчиков обжатия шасси — для дополнительного контроля возможности включения реверса.

     Про обжатие шасси

     Обжатие шасси — термин, означающий, что самолёт не летит, опираясь на крылья, а стоит/едет по земле, опираясь на шасси. При этом амортизаторы шасси сжимаются и специальные датчики «датчики обжатия шасси» регистрируют это. Важно понимать, что коснуться полосы колёсами и обжать шасси — это два разных события.

   • Системы кондиционирования воздуха — чтобы вносить поправки в режимы работы двигателя в зависимости от количества воздуха, отбираемого для пассажирского салона и/или для работы пневматической системы для запуска второго двигателя.
10. Основным параметром, ограничивающим предел мощности двигателя, является температура газов сразу за камерой сгорания. Разработчики двигателя хотели бы её поднять, но фундаментальные свойства известных материалов пока не позволяют этого сделать.

Как запускать двигатель

Чтобы запустить двигатель, надо раскрутить турбину высокого давления, подать топливо и дать первоначальную искру. После того, как турбина раскрутится примерно до 50% оборотов, двигатель начнёт раскручивать себя сам.

Первоначальную раскрутку двигателя можно осуществлять электрическим стартер-генератором (для маленьких двигателей) или специально поданным воздухом высокого давления от пневматической системы. К слову, воздух высокого давления в пневматической системе берется от второго (уже запущенного) двигателя, вспомогательной силовой установки (ВСУ) или внешнего источника. 

Пример пульта управления, используемого для запуска двигателя:

Для автоматического запуска надо выполнить следующие действия:

1. Переключатель «ENG START» (1) перевести в положение «IGN/ON» 
2. Тумблер «ENG MASTER» (2) перевести в положение «ON» (вперёд). В этот момент FADEC:
   • Откроет кран пневматической системы для раскрутки турбины и компрессора высокого давления
   • Откроет кран топливной системы — чтобы было чему гореть
   • Даст искру на свечи зажигания
3. Контролировать процесс запуска. Если что-то пойдёт не так — немедленно перевести тумблер запуска обратно в положение OFF
4. Когда двигатель успешно выйдет на обороты малого газа — запустить второй двигатель по аналогичной процедуре
5. Когда оба двигателя запустятся — перевести тумблер ENG START в положение OFF — во время нормальной работы двигателя дополнительные искры на свечах зажигания не нужны
6. Во время автоматического запуска двигателя кнопки ручного запуска (3) не используются

Иногда нам надо покрутить двигатель, но не заводить его. Например, для проверок или чтобы «помыть» его внутренности керосином после консервации. В этом случае переключатель ENG START надо переводить в положение CRANK (прокрутка). Вся процедура запуска будет та же, но искры на свечах не будет. Нет искры — нет огня. 

Как управлять двигателем

Управление двигателями осуществляется с помощью рычагов управления двигателями (РУД). 

На каждый двигатель — свой рычаг. Тут всё просто: толкаем рычаг от себя — двигатель крутится быстрее, тяга растёт. Тянем рычаг на себя — крутится медленнее. Так как РУД не связан с топливным дросселем напрямую, можно не бояться, что мы сожжем двигатель большим количеством топлива или заглушим недостаточным. FADEC в любом случае не даст ему превысить предельную температуру выхлопных газов или заглохнуть. Кстати, с ограничением температуры выхлопных газов связан тот факт, что в жару и/или на высокогорных аэродромах двигатель может выдать меньшую тягу. 

В районе «малого газа» у рычага упор. Чтобы разблокировать перевод рычагов в зону режимов реверса, надо потянуть за специальную скобу. При реверсе двигателя специальные створки разворачивают поток от вентилятора двигателя в обратном направлении, помогая самолету остановиться:

Вообще, с помощью реверса самолёт может даже поехать назад, но, так как в этом режиме для двигателей, висящих под крылом, возможна ситуация засасывания в двигатель мусора и даже камней с взлётно-посадочной полосы, для авиалайнеров не рекомендуется включать реверс на малых скоростях. 

Для включения реверса FADEC анализирует не только положение РУДов, но и датчики обжатия шасси, так что случайно в воздухе запустить реверс невозможно.

Ещё у двигателей, бывает специальный «аварийный» режим. Включить его можно пересиливанием РУДов в положение, находящееся дальше взлетного режима (на картинке это положение APR — Automatic Power Reserve). Такой режим используется только при отказе одного из двигателей при взлете, когда надо гарантировать набор высоты в ущерб ресурса рабочего двигателя. Правда, после приземления работающий в аварийном режиме двигатель придется «перебрать».

Про индикацию и сигнализацию

Данные работы двигателей, как правило, отображаются на неотключаемой части центрального дисплея пилотов и на специальной странице с расширенными данными по двигателю.

В постоянно индицируемом окне статуса работы двигателя доступны следующие данные:

а. Текущие обороты вентилятора двигателя (напрямую влияют на тягу)
б. Температура выхлопных газов — параметр работы двигателя, часто ограничивающий максимальную тягу. FADEC ограничивает ток топлива в том числе, чтобы не расплавить конструкцию лопаток турбин. Лётчику тоже важно понимать, почему обороты не растут, хотя он «просит»
в. Заданные обороты вентилятора двигателя (разгон двигателя с малого газа до взлётного режима занимает десятки секунд и текущие обороты не всегда совпадают с заданными)
г. Обороты турбины высокого давления. Помните, что турбин две и они работают независимо? Так вот данные оборотов турбины высокого давления важны при запуске двигателя. В полёте контролировать их не надо
д. Текущий расход топлива
е. Признак включения реверса
ж. Установившийся режим работы двигателя (малый газ, взлётный, набор высоты)

На специальной странице дополнительных параметров работы двигателя может выводиться такая информация, например как:

• Уровень, давление и температура масла,
• Уровень вибрации двигателя,
• Количество топлива, израсходованного с момента последнего запуска,
• Давление воздуха в пневматической системе,
• И т.д.

Варианты газотурбинных двигателей

Двигатели, в которых вентилятор вынесен за пределы мотогондолы (корпуса двигателя) называются турбовинтовыми. Они обладают лучшими взлетно-посадочными характеристиками, но быстро теряют эффективность при росте скорости больше 0.5 скорости звука (приблизительно). Поэтому они в основном применяются в самолётах для местных авиалиний и военно-транспортной авиации, где возможность использования коротких и неподготовленных взлетно-посадочных полос важнее, чем крейсерская скорость. В конструкции таких двигателей также часто применяется понижающая трансмиссия, как, например, на рисунке ниже. 

Газотурбинные двигатели также используются на вертолётах, только в этом случае они крутят не пропеллер, а винт, сами двигатели в этом случае называются турбовальными. Хорошее видео, иллюстрирующее принципы их работы:

Ещё газотурбинные (турбовальные) двигатели ставят на танки (Т-80, Абрамс).
К преимуществам таких двигателей относят высокую удельную мощность, хороший запуск даже при низких температурах, возможность тянуть «с низов» — турбина высокого давления отделена от силовой турбины и двигатель не глохнет, когда гусеницы стоят неподвижно.
К недостаткам – высокую стоимость двигателя, сложность технического обслуживания, низкую приёмистость. По каждой из особенностей применения газотурбинных двигателей для танков есть разные полярные мнения, я же не специалист по танкам — не кидайте в меня камни. Я мог ошибиться.

Нелокализованный разлёт осколков

Одним из «свойств» двигателя, сильно влияющим на конструкцию бортового оборудования, является так называемый «нелокализованный разлёт осколков двигателя». Это событие возникает при взрывном разрушении двигателя, когда лопатки компрессоров и турбин разлетаются во все стороны. 

При оценке последствий такого отказа, считается, что осколки обладают «бесконечной» энергией, которой достаточно, чтобы пробить любые преграды, разрубить любые трубы и провода. Для обеспечения безопасного завершения полета в случае такого нелокализованного разлета разработчики архитектуры электронного оборудования для каждого критического провода должны предусмотреть резервный, проложенный в отдельном канале, который не может быть перебит тем же осколком, что и основной провод.

Примечание для впечатлительных: на самом деле разработчики двигателей делают всё возможное, чтобы избежать нелокализованного разлёта, и действительно они случаются очень редко. Даже попадание крупной птицы в двигатель не сломает его. Но авиация — отрасль консервативная и мы закладываем в архитектуру противодействие всем потенциально возможным рискам.

Первые двигатели появились давным-давно и преобразовывали мускульную силу животных в полезную для достижения конкретной цели энергию. Простейший пример – лошадь, помогающая крутить эернова мельницы. Затем появились ветряные мельницы, где жернова приходили в движение за счет энергии ветра, иди водяные мельницы, использующие течение рек.

Двигатели, работающие на топливе

Общество сразу по достоинству оценило преимущества использование простейших двигателей и в последующие годы многие ученые трудились над разработкой моделей, работа которых не зависела бы от природных и погодных условий, усталости животного, выступающего в качестве источника энергии.

Гюйгенс ван Зейлихем

Наибольшего успеха на этом поприще добился голландский физик Христиан Гюйгенс ван Зейлихем, который в 1687 году первым предложил использовать порох в качестве источника энергии. Согласно замыслу, в двигателе создавалась камера внутреннего сгорания, в которой должен был сжигаться порох, а выделенная в результате горения энергия, преобразовываться в силу, приводящую определенный элемент в движение. Порох являлся первым прототипом современного топлива.

Примечательно, что идея была позаимствована у артиллеристов, наблюдая за которыми, Гюйгенс обратил внимание на то, что после выстрела, орудия откатывались в сторону, противоположную выстрелу.

Наработки голландца, а также ряда других заслуженных ученых, значительно облегчили путь создания топливных двигателей, которыми мы пользуемся до сих пор. На место пороха пришли бензин и солярка, обладающие иными физическими свойствами и температурами горения, необходимыми для выделения энергии.

Явление отдачи

Шло время, наука не стояла на месте. На смену простейшим механическим двигателям пришли паровые, топливные, электрические.

Но научные поиски и разработки на этом не прекращались. Как всегда, на помощь пришла природа, которая, в большинстве случаев и наталкивает изобретателей на удивительные открытия.

Наблюдения за морскими жителями, такими как осьминоги, кальмары и каракатицы, привели к неожиданным результатам. Манера движения этих морских обитателей, была схожа с кратковременным толчком. Будто тело отталкивается отчего – то и продвигается вперед.

Эти наблюдения были чем-то схожи с замечаниями Гюегенса про выстрел и пушку, которые мы упоминали выше.

Таким образом, в физики появилось понятие «явление отдачи». В ходе дальнейших научных исследований было выяснено, что именно благодаря явлению отдачи происходит все движение на планете Земля: автомобиль отталкивается от земли, корабль – от воды и т.д.

Движение тел происходит благодаря передаче импульса от одного объекта другому. Для объяснения явления приведем простейший пример: вы решили толкнуть своего товарища в плечо, приложили определенную силу, в результате которой, он сдвинулся с места, но и вы испытали силу, отталкивающую вас в противоположную сторону.

Конечно, расстояние, на которое сдвинетесь вы и ваш друг, будет зависеть от ряда факторов: сколько вы весите, как сильно вы его толкнули.

Реактивный двигатель и принцип его работы

Таким образом, мы постепенно подошли к рассмотрению самого распространенного в самолетостроении и ракетной отрасли типа двигателя – реактивный двигатель.

Любой из нас способен воочию наблюдать явление реактивной реакции. Все что необходимо, надуть воздушный шарик и отпустить. Каждый знает, что произойдет далее: из шарика будет вырываться поток воздуха, который будет двигать тело шарика в противоположном направлении.

Согласитесь, очень похоже на то, как кальмар, сокращая свои мышцы, создает струю воды, толкающую его в противоположном направлении.

Наблюдения, описанные выше, получили точные научные объяснения, были отображены в физических законах:

• закон сохранения импульса;
• третий закон Ньютона.

Именно на них основывается принцип работы реактивного двигателя: в двигатель поступает поток воздуха, который сгорает в камере внутреннего сгорания, смешиваясь с топливом, в результате чего образуется реактивная струя, заставляющая тело двигаться вперед.

Принцип работы достаточно прост, однако устройство подобного двигателя довольно сложное и требует точнейших расчетов.

Устройство реактивного двигателя

Реактивный двигатель состоит из следующих основных элементов:

• компрессор, который засасывает в двигатель поток воздуха;
• камера внутреннего сгорания, где происходит смешивание топлива с воздухом, их горение;
• турбина – придает дополнительное ускорение потоку тепловой энергии, полученной в результате горения топлива и воздуха;
• сопло, важнейший элемент, который преобразует внутреннюю энергию в «движущую силу» – кинетическую энергию.

Благодаря совместному взаимодействию этих элементов, на выходе реактивного двигателя образуется мощнейшая реактивная струя, придающая объектам, на которых установлен двигатель, высочайшую скорость.

Реактивные двигатели в самолете

В преддверии Мировой Войны, ученые ведущих стран старательно трудились над разработками самолетов с реактивными двигателями, которые бы позволили их странам безоговорочно диктовать свои условия на небесном фронте.

Первый реактивный самолет был разработан немцами в 1937 году, а его испытания начались лишь в 1939 году. Однако имеющиеся на то время двигатели потребляли невероятно большое количество топлива и запас хода такого самолета составлял всего лишь 60 км.

В это же время Японии и Великобритании удалось создать собственные самолеты с реактивными двигателями. Но это были лишь опытные экземпляры, так и не поступившие в серийное производство.

Первым серийным реактивным самолетом стал немецкий «Мессершмит», который, однако, не позволил гитлеровской коалиции взять верх в развязанной ими войне.

Мессершмитт Me-262 Швальбе/Штурмфогель

В гражданской же авиации реактивные самолеты появились лишь в 1952 году в Великобритании.

С тех пор и по настоящие дни, реактивные двигатели являются основными двигателями, применяемыми в самолетостроении. Именно благодаря им, современны лайнеры развивают скорость до 800 километров в час.

Реактивные двигатели в космосе

После освоения неба человечество поставило перед собой задачу покорить космос.

Как вы уже поняли, наиболее мощным двигателем, способным поднять ракету на высоту во много тысяч километров, являлся именно реактивный двигатель.

Конечно, возникает вопрос: как может работать реактивный двигатель в космосе, в безвоздушном пространстве?

В устройстве ракеты предусмотрен резервуар с кислородом, который смешивается с ракетным топливом и образует необходимую тягу полета ракеты, когда космический корабль покидает атмосферу Земли.

Затем приходит в действие закон сохранения импульса: масса ракеты постепенно уменьшается, сгоревшая смесь топлива и кислорода выбрасывается через сопло в одну сторону, а тело ракеты движется в противоположную.