Пулсирајући млазни мотор

Погон летелица
Ravnoteza u letu 4.gif
За постизање ове равнотеже неопходан је систем погона,
Врсте
1. Ваздухопловни мотор
1.1 Мотори са унутрашњим сагоревањем:
1.1.1 Клипни мотор
1.1.2 Линијски клипни мотор
1.1.3 Радијални клипни мотор
1.1.4 Ротациони клипни мотор
1.1.5 V клипни мотор
1.1.6 Боксер клипни мотор
1.1.6 Ванкелов мотор
1.2 Погон без процеса сагоревања:
1.2.1 Људски погон авиона
1.2.2 Електро мотор
1.3 Реактивни мотори:
1.3.1 Млазни мотори:
1.3.1.1 Елисномлазни мотор
1.3.1.2 Турбоелисни мотор
1.3.1.3 Турбомлазни мотор
1.3.1.4 Двопроточни турбомлазни мотор
1.3.1.5 Пулсирајући млазни мотор
1.3.1.6 Набојномлазни мотор
1.3.1.7 Надзвучни набојномлазни мотор
1.3.1.8 Мотокомпресорски реактивни мотор
1.3.2 Ракетни мотори
1.3.2.1 Ракетни мотор са хемијским горивом
1.3.2.2 Јонски мотор

Пулсирајући млазни мотор је карактеристичан по процесу, у коме се узимање ваздуха, горива, сагоријевање и стварање млаза (са потиском) одвија у импулсима. Састоји се од уводника (усисника) ваздуха, система неповратних вентила (или без њих), коморе сагоријевања, бризгаљки и млазнице.

Мотору са вентилима није потребна почетна брзина да би започео рад, за разлику од набојно млазног, а за неке без вентила потребно је убацити почетни, свежи ваздух. Пулсирајући млазни мотор има веома мали статички потисак. Исти расте са повећањем брзине, односно са растом динамичког притиска, испред неповратних вентила, односно испред коморе сагоревања. Из тога разлога, се ови мотори користе у комбинацији са додатним погоном за почетно кретање (као што је био случај са V-1 са стартном ракетом). Поред тога, пулсирано сагоревање ствара велику буку и јаке вибрације. Из тога разлога су непрактични за употребу, без обзира на убедљиву предност у једноставности конструкције, производњи, одржавању и у малој цени. Позната и једина, била је серијска примена овог типа мотора на немачкој крилатој ракети бомби V-1 (летећа бомба), у току Другог светског рата. Произведено је преко 31.100 примерака, овог оружја.

Пулсирајући млазни мотори су развијени у варијантама са и без неповратних вентила. Неповратни вентили су најосетљивији део система и они лимитирају оперативни век, у трајању до једног часа, што им је лимитирајући фактор за ширу примену. Коначно, задржан је у већој употреби једино у спортском авио-моделарству.

Историја

Пулсирајући млазни мотор је пројектовао шведски проналазач Мартин Виберг (ен. Martin Wiberg). Прву конструкцију је патентирао 1906. године, руски инжењер В. В. Кароводин, чији је радни примерак завршен 1907. године. Фрацуски проналазач Жорж Марконет (ен. Georges Marconnet), патентирао је своју конструкцију пулсирајућег мотора 1908. године, за који многи сматрају да је имао највећи утицај на једину практичну примену и ако се дуго на њу чекало. Немачки конструктори, уочи Другог светског рата, предузели су опсежне активности за изналажење алтернативе за клипне моторе, за погон авиона, те им нису измакли пажњи ни ови патенти. Тако је настала прва оперативна примена пулсирајућег млазног мотора на крилатој (летећој) бомби V-1. Немачки независни истраживач инжењер Пол Шмит (нем. Paul Schmidt), из Минхена, направио је одређене измене и допуне на дотадашње патенте. Уз подршку немачког ратног ваздухопловства 1933. године, пројектовао је оперативни пулсирајући млазни мотор. На основу тога пројекта направљен је мотор As-014, који је интегрисан на „летећу бомбу“, под познатим називом V-1. Главни конструктор Роберт Лисер (нем. Robert Lusser) је изабрао овај мотор, због једноставности, ниске цене и јефтине масовне производње.

То је било исплативо за дотичну једнократну употребу. Иначе је мотор, поред осталог, имао главну ману кратак век, због „флатера“ (резонанце) неповратних вентила. Неповратни вентили су издржавали свега 15 до 60 минута рада. За време мање од једне године (од 1944. до 1945.) произведено је више од 10.000 примерака ових летећих бомби. После рата, настављена су истраживања и развој пулсирајућих млазних мотора у француској фирми Снекма и у америчким Прат енд Витнеј и Џенерал електрик. Добијени резултати су били интересантни за САД и СССР, где се и развило више експерименталних варијанти.

„Крилате бомбе“ нису имале ефикасан навигациони систем, због тадашњег нивоа развооја тога сегмента технологије и због не исплативости коришћења сложеног и скупог система у једнократној употреби. Из тих разлога су те летелице биле непрецизне. Поље растурања погодака, било је приближно у квадрату са страницама од 3 km, на домету од 150 km. Такође је била ограничена ефикасност мотора. Исти је захтевао почетно убрзање до 100 m/s за стабилизацију летелице, а ограничење максималне брзине му је било 250 m/s. Из тих разлога се у послератном периоду, у нуклеарној ери, није могло рачунати на ту врсту погона за носаче нуклеарних глава. Тада су већ увелико били у развоју перспективнији и ефикаснији турбомлазни мотори.

Verpuffungsstrahltriebwerk1.jpg
V-1 cutaway1.jpg
Интеграција мотора As-014 на V-1

Због ниске цене и једноставности, мали пулсирајући млазни мотори су веома популарни у спортском авио-моделарству. За ту сврху, серијски се производе и на слободном су тржишту, са понудом и критичних резервним делова, као што су неповратни вентили.

Принцип рада и конструкција

Пулсирајући млазни мотор ради у режиму пулсирања. Његов циклус није континуалан, као код турбомлазног и набојно млазног мотора. Пулсирање је учестаности око 10 херца, за велике, а за мале моделарске моторе, је и до 250.

Конструкција пулсирајућег млазног мотора се састоји од цилиндричне коморе за сагоревање, са продужетком у млазницу променљивог попречног пресека. На чеоном делу цилиндричног тела је усисник, за пријем ваздуха у комору сагоревања. Између коморе за сагоревања и усисника је попречна преграда, која је и носач система неповратних вентила. Који на принципу разлике притиска пропуштају ваздух у комору, а спречавају повратно истицање гаса из ње, те је исти принудно усмерен да истиче само кроз млазницу, променљивог пресека, за убрзавање гасова и повећање њихове количине кретања.

Елементи система неповратних вентила на мотору As-014 на V-1

Неповратни вентили могу бити различите конструкције. На мотору As-014 на V-1, имали су облик и принцип функционисања „ролетни“. Танке плоче, просека у облику слова П, израђене су од каљеног челика. Једна страница остаје везана са целином тела (није сечена), а по тој линији се танка плоча (лист) савија услед еластичности, а слободна страна се подиже (отвара). То отварање диктирају две фрезоване профилисане плоче, између којих је „лист“ укљештен елементима („клапнама“). На тај склоп је усмерен ваздух из усисника, кроз профилисане канале плоча носача и услед разлике притиска листови се отварају подизањем слободне стране (види слику доле). Код малих мотора су у облику цвета. Први тип конструкције је далеко бољи, али је тежи и скупљи за производњу.

pV диаграм – Хамфријев циклус, авио-модел са пулсирајућим мотором и његова симулација рада.

На предњем делу коморе за сагоревање, налазе се бризгаљке, кроз које се симултано убризгава гориво, када и вентили пропуштају ваздух услед његовог динамичког притиска већег од оног у комори мотора. Када је однос притисака обрнут, услед сагоревања смеше, неповратни вентили и бризгаљка се затварају и тако се процес наизменично наставља.

Иницијално паљење мешавине горива и ваздуха у комори сагоревања је електро свећицом, која ради на принципу електро пражњења искрењем високе учестаности. Смеша се пали при испуњењу услова одговарајуће измешаности ваздуха и горива. Када се кошуљица коморе за сагоревање довољно загреје (обично неколико секунди након почетка код великих мотора, или делић секунде за мале), електро варница није потребна, смеша се сама пали од њених топлих зидова и од заосталих варница из претходног циклуса.

Пулсирајући млазни мотор има јак карактеристичан звук зујања, праћено снажним вибрацијама.

Pulse jet.png
Принцип рада класичног пулсирајућег млазног мотора је у фазама процеса:
  • Ваздух улази у комору кроз неповратне вентиле (1).
  • Гориво се распршује у комори и меша са ваздухом (2).
  • Искра доводи до детонације смеше горива и ваздуха.
  • Нарасте притисак и затварају се неповратни вентили (3).
  • Сагорели гасови излазе кроз млазницу стварајући потисак (4).
  • Циклус се даље континуално понавља.

Његов радни циклус је илустрован на цртежу, доле десно:

  • 1. Неповратни вентил је отворен, ваздух улази у комору за сагоревање, бризгаљка убацује гориво у комору сагоревања и смеша горива и ваздуха се формира.
  • 2. Смеша се пали и сагорева, у комори и притисак нагло расте, затвара неповратни вентил, а и неповратни вентил на бризгаљки за прилив горива. Продукти сагоревања се шире и истичу из млазнице, што ствара реактивну силу (потисак).
  • 3. Услед пражњења, притисак се изједначи са атмосферским, под динамичким притиском спољњег ваздуха у усиснику отварају се неповратни вентили и ваздух поново тече у комору сагоревања. Такође и гориво се утаче, пошто се отвара неповратни вентил на бризгаљкама, обнавља се описана фаза процеса (1).

Пулсирајући млазни мотор поседује фундаменталне разлике, у односу набојно млазни мотор или турбомлазни.

  • Прво, присуство неповратних вентила за ваздух, чији је циљ да спрече кретање гасова унапред, већ су исти принуђени само да истичу кроз млазницу, у смеру за стварање реактивне потисне силе. Набојно млазном и турбомлазном мотору, овај вентил није потребан, јер ту улогу има континуална „баријера“, притиска у комори за сагоревање, која настаје током компресије ваздуха у напајању кроз усисник и компресор. Код пулсирајућег млазног мотора, почетна компресија је прениска и потребно је да се изврши њено повећање радним притиском у комори за сагоревање, грејањем радног  флуида (сагоревање смеше), у константној запремини ограниченој са зидовима коморе, вентилима, а инерцијом гаса који истиче дуж млазнице мотора. Зато је пулсирајући млазни мотор и у смислу термодинамичког процеса различит од набојно млазног и турбомлазног. Његов рад карактерише Хамфријев, а ова два Брајтонов циклус.
  • Друго, пулсирајући млазни мотор својим принципом рада, значајно је различит, у поређењу са континуалним процесом. За објашњење пулсирајућег млазног мотора довољно је разматрати само гасодинамичке и термодинамичке процесе који се дешавају у њему. Мотор ради осцилаторно и треба међусобно синхронизовати време рада свих елемената. Учестаност ових осцилација је под утицајем инерцијалних (динамичких) особина свих његових делова, укључујући и инерцију тока гаса, дуж млазнице и ширење његовог акустичног таласа. Повећање дужине млазнице смањује учесталост и обрнуто. Са одређеном дужином млазнице постиже се резонантна фреквенција па и динамичка нестабилност и тада су изазвана осциловања максимална, појединог елемента. У развоју мотора, ова се дужина амплитуда експериментално одређује. У случају поклапања сопствене учестаности и побуде, од вибрација (резонанца), а да је пригушење мало, амплитуда елемента дивергентно расте и долази до деструкције система.

Заблуда је сматрати да пулсирајући млазни мотор не може да ради у стационарним условима. Међутим, у тим условима, неким његовим варијантама се мора на почетку рада довести свеж ваздух. За разлику од набојно млазног, пулсирајући мотори могу да одрже рад, када стоје у месту, без кретања платформе на којој су причвршћени. У тим условима потисак је веома мали, али мотор ипак ради. Пример, мотор As-014, на V-1, прво се пуштао да ради па се тек онда вршило катапултирање целе летеће бомбе (погледај Видео).Могућност рада пулсирајућег мотора, у овим условима, објашњава се на следећи начин. Када се притисак у комори сагоревања, после сваког пулса, сведе на атмосферски, проток гаса у комори се продужи по инерције, а то доводи до смањења притиска у томе простору испод величине спољњег. Тада се вентили отварају под утицајем разлике притиска између статичког атмосферско и у комори (то исто има време трајања). За време трајања док се вентили не затворе због обрнуте разлике притиска, мотор апсорбује потребну количину ваздуха, у комори за „одвијање“ следећег циклуса. На ракети се мотор одликује са специфичним импулсом, а то је показатељ степена ефикасности или квалитета мотора. Ова бројка је такође мера потрошње горива. Доња илустрација, упоредно приказује вредности овог индекса, за различите врсте млазних мотора, у зависности од брзине лета, изражене у еквиваленту Маховог броја. Дијаграм илуструје распон примене сваке од врста мотора.


ПММ - Пулсирајући млазни мотор, ТММ - Турбомлазни мотор, НММ - Набојно млазни мотор и ННММ - Надзвучни набојно мазни мотор, карактеришу параметри:

Илустрација је принципа рада пулсирајућег
млазног мотора без вентила.млазног мотора
без вентила.
 
Основна је идеја да ток ваздуха, у дугачкој издувној цеви, има функцију као клип у клипном мотору. Мотор, као акустични резонатор, има инертну измену процеса у комори сагоревања. Услед инерције, гас при истицању из коморе продужи да истиче и после изједначавања притиска у комори са спољњим, атмосферским. То ствара разлику притиска и усисава се свежи ваздух кроз краћу и ужу усисну цев. У тој цеви је струјна маса ваздуха вишеструко мања, од издувне, те је и инерција мања. Ова чињеница одређује смер процеса усисавања и издувавања. Доминантнији утицај на смер протока има већа маса истичућег гаса кроз млазницу. Део гаса истиче и кроз краћу усисну цев, али тај реактивни ефекат се сабира са основним потиском. Недостатак овог принципа је заостање дела сагорелих гасова и за следећи следећи импулс. Слабо је „испирање“ коморе сагоревања, између два суседна импулса.

Тегла за џем.jpg
Принцип рада уређаја „тегла за џем“
– Смеша ваздуха и горива се пали спољном искром, или ужареном честицом, заосталом из претходног циклуса.
– У претходном циклусу при издувавању, по инерцији и услед хлађења коморе, истекло је више гаса него што је потребно за изједначење притиска. Тако, чим је истицање гаса стало, почео се усисавати свежи ваздух у комору („теглу“) и почиње нови радни циклус.
 
  • Специфични потисак - је однос потиска и масе смеше;
  • Однос потисак / маса мотора.

За разлику од ракетног мотора, код којих потисак не зависи од брзине ракете, потисак пулсирајућег млазног мотора веома много зависи од параметара, висине и брзине лета. Није било могућности за приказ универзалних перформанси, као на нивоу мора (висина нула), тако да су приказани мотори израчунати на основу одређеног опсега анвелопе по висини и брзини лета.ВаријантеПулсирајући млазни мотор се развио у неколико варијанти, све у циљу да се превазиђе главни експлатациони недостатак, осетљивост неповратних вентила и да се мотору продужи радни век (ресурс). Развијене су и варијанте пулсирајућег млазног мотора без вентила:

  • У облику слова U и
  • Експлозивни.

Пулсирајући млазни мотор без вентила у облику U

Ово је измењена класична верзија пулсирајућег млазног мотора, у којој нема никаквих покретних делова (вентила), чиме је век његовог трајања значајно продужен. Мотор са вентилима траје до једног часа времена, што може бити довољно за извржење задатка у оквиру његове једнократне употребе. За понављање задатка, мотор са вентилима, апсолутно је не применљив.Конструкција овога U мотора, састоји се од уводника (усисника) ваздуха (кратка цијев), коморе сагоревања са бризгаљкама горива и од млазнице (дужа цијев). Није му потребна почетна брзина да би почео с радом, за разлику од набојно млазног мотора, али је потребан почетни ваздух под одређеним динамичким притиском. Усисник и млазница су међусобно паралелни у облику U, да се не губи део потиска услед повратног струјања кроз усисник, пошто је то у истом смеру као и кроз млазницу.Основна разлика између пулсирајућих млазних мотора са и без вентила у облику U:

  • Пулсирајући мотори без вентила немају механички покретне делове (вентиле), чиме је елиминисан утицај њихове инерције и временско заостајање, као код класичних са вентилима;
  • Код пулсирајућих мотора без вентила у облику U, усисна секција има важну улогу током целог пулсирајућег циклуса;
  • Пулсирајући мотори без вентила производе потисак, у два дела, али синхронизовано, са убрзањем масе проточног гаса у току истицања кроз млазницу и повратно кроз усисну цев.

Рад мотора са посебним улазом ваздуха, без вентила, у облику U:

  • Гориво је распршено и меша се с ваздухом у комори сагоријевања. Пали се са искром.
  • Експлозија смеше избацује гасове кроз обе цеви, али много мању масу кроз краћу (усисну).
  • Притисак у комори пада, и свежи ваздух улази у њу кроз усисну цев, док гасови и даље напуштају дужу цев (млазницу).
  • Циклус се понавља.

Суштина принципа рада пулсирајућег млазног мотора без вентила у облику U је у томе што је маса струјне цеви излазног гаса кроз краћу излазну цев мања и услед инерције се брже кроз њу заврши истицање, него кроз дугачку млазницу већег пречника. Због те чињенице, временски дужег истицања гаса кроз млазницу, због веће инерције, створи се иза млаза гаса, у чеоном делу коморе, разлика притиска због које почне усисавање кроз краћу цев. Са пажљивим пројектним подешавањем неравнотеже ове две струјне масе гаса (у млазници и у усисној цеви) оствари се правилно временско одвијање фаза циклуса рада мотора. У комори заостаје део врелих гасова од којих се пали нова приспела смеша и тако се циклус понавља. Облик већег дела од овог мотора није различит од претходног са вентилима, посебно је слична комора за сагоревање. Она чини мањи део целине са укупном дугачком цеви, која се завршава са млазницом. Овај тип мотора није у некој оперативној употреби, још увек је у истраживачко развојној фази.

Пулсирајући експлозивни млазни мотор

Овај тип пулсирајућег млазног мотора је најновији и практично је произашао из претходног. Настао је сазнањем да скраћивање цеви доприноси повећању потиска. Дошло се до једноставне конструкције где је усисна и уздувна цев заједничка и то веома кратка. У ствари то је обична „бленда“. Ово решење је могуће услед осцилаторног понашање импулса мотора. Једна „бленде“ може да се понаша као издувна цев, у фази циклуса рада, а као усисна у току фазе усисавања. Ова конструкција мотора је смањене ефикасности, у овом примитивном облику. Због одсуства резонантне цеви, сабијање и усисавање је праћено са јаким акустичним таласима. Међутим, уређај ради прилично добро и ако је једноставан, као тегла за џем са поклопцем, на коме је направљен отвор. Тегла је делимично напуњена са лако запаљивим горивом, које испарава. Од те сличности и потиче име овом уређају, „тегла за џем“.Успешна верзија уређаја „тегле за џем“, покренута је на Новом Зеланду, Мичел Лотон (ен. Mitchell Laughton), у пластичној флаши. Бочица, са алкохолом, била је мање ефикасна верзија од „тегле за џем“ и није било могућности с њом одржавати потисак, дуже од неколико секунди. Претпоставило се да коришћени алкохол, у пластичној флаши, није погодан, зато што није могао да се контролише, деловало је као немогуће зауставити развој топлоте и заштитити зидове пластичне флаше од прегревања. За функционисање концепције „тегле за џем“, користило се авионско гориво, које лако испарава, запали се његов гасовити део помешан са ваздухом, који се издвоји изнад површине течног дела.Принцип рада овог уређаја се своди на:

  • Део испареног горива се меша са ваздухом, изнад површине нивоа течног горива. Та мешавина се иницијално пали искром споља и долази до скока притиска и експлозије.
  • Сагорели и део несагорелих гасова се нагло шири и истиче, великом брзином, кроз отвор поклопца тегле, стварајући потисак.
  • По инерцији и услед хлађења посуде долази до пада притиска у комори („тегли“), испод нивоа спољњег атмосферског. Свеж, спољњи ваздух се усиса у простор изнад горива. Пошто га је убацио повратни талас, по инерцији, нешто је већи његов крајњи притисак од спољњег.
  •  Гориво се у посуди загреје и интезивније испарава. Поново се ствара запаљива и експлозивна гасовита мешавина горива и ваздуха и она се пали од загрејаних заосталих жишки, из претходног циклуса.
  • Циклус се понавља и уређај се температурно стабилизује при изједначењу довођења и одвођења топлоте.

Овај принцип је за сада сведен само за једнократну употребу, у авио-моделарству, погон летећих мета, за гађање у ваздуху и слично. Дилеме за употребу До сада је много истраживано и експериментисано пулсирајућим моторима без вентила. Изграђени су многи примерци, разних величина, али главне дилеме нису отклоњене. Са једне стране нема једноставнијег погона, а са друге стране тешко је отклонити главне недостатке, првенствено еколошке природе, велику буку и загађивање околине. Морају се споља иницијално пуштати у рад, почетном варницом, а Uи са почетним струјањем ваздуха.


Пулсирајући млазни мотор,
без вентила, у облику U.
Шематски приказ и
лабораторијска испитивања.

Велика им је предност што немају потребу за било какво одржавање. Немају ниједан покретан део који би се могао истрошити или оштетити. Без обзира на све, идеја се не напушта. Постоји још много простора за напредак у развоју и експериментисању, поготово што се лако не напуштају једноставне и јефтине конструкције. По тим елементима је неупоредив са осталим ваздухопловним моторима, који су компликовани, скупи и траже велике трошкове за и рад за одржавање.

За сада ова категорија мотора налази примену само у спортском ваздухопловству, ултралакој авијацији, код беспилотних летелица, код летећих мета и за ношење разних сонди за атмосферска мерења.

Напомене

  1. Iy је дато у секундама. То значи дужина времена трајања
    једног килограма масе горива, по једном Њутну потиска.

 Види још

  • Двопроточни турбомлазни мотор
  • Елисномлазни мотор
  • Турбоелисни мотор
  • Млазни мотор
  • Набојно млазни мотор
  • Набојно надзвучни млазни мотор
  • Брајтонов циклус

Извори