זרבובית לבל - מכונה היוצרת על קולי

שאגת הרקטות היוצאות לחלל, עמודי אש ענקיים, כוח עצום החורג מכוח הכבידה. שאגת הצריבה של מטוסי קרב. מכשיר הכוח האנושי החזק והעוצמתי ביותר. כל זה הוא ערוץ בעל צורה מיוחדת ומאפיינים מיוחדים ששינו את האנושות באופן קיצוני. מהי מהותו וכיצד הלידה הקשה של העל -קולי - קרא בחומר שלנו.

היסטוריה אבולוציונית של הזרבובית

מתי אדם השתמש לראשונה בזרבובית? כבר במאה הראשונה הציע אנפה מאלכסנדריה זרבובית סילון ל"אוליפיל "שלו. בתוכו סובבו שני חרירי קיטור מנוגדים בכדור מתכת חלול בכוח תגובתי. לאחר 1200 שנה, סין ייצרה רקטות אבקה - לזיקוקים ולצבא - לאחר שהשתלטו על הנעה של מטוסים בפועל. בימי הביניים החלו לטוס באירועי טילים קרביים. בצבא הרוסי של המאה התשע עשרה, נשק הרקטות צמח לכף רגל רגילה ורכב רקטות, שיגרו רקטות ממשגרים מיוחדים; טילים מסיביים בצי, מפעלי רקטות גדולים כמו המפעל הגדול ביותר באירופה בניקולייב. השיגור הראשון של טילים קרביים מהעמדה התת -מימית של צוללת טילים התקיים במהלך חייו של פושקין, ב -29 באוגוסט 1834, על נבה, 40 ורסטים מעל סנט פטרבורג.

זרבובית - מכשיר להאצת זרימת הנוזל או הגז. למה overclock זה? במקרים מסוימים, נחוץ הזרם המהיר עצמו, המשמש אותו יותר. באחרים אין צורך בזרם, אלא בכוח שנוצר כאשר הוא נפלט - תגובתי. זרבובית חשמלית כזו נקראת זרבובית סילון. חרירי סילון שולטו כמעט בידי הראשונים עם הופעת הטילים הראשונים.

במקביל לניצול נרחב של רקטות, טכנולוגיית הקיטור בסוף המאה ה -19 הגיעה לטורבינות קיטור, שהסובבו את מדחפי הספינות. סילון במהירות גבוהה נדרש לזרום סביב להבי הטורבינה, וככל שהמהירות של סילון הקיטור מהירה יותר, כך נוצר כוח רב יותר על להבי הטורבינה, מה שמגדיל את כוחו. הזרבובית נדרשה כאן לא בגלל הכוח הריאקטיבי (שכמובן גם קם, אלא כתופעה צדדית, שאינה בשימוש), אלא ליצירת זרימה במהירות גבוהה. דרכו, האנרגיה שזרקה הזרבובית בצורת מסת אדים תיפול על הלהבים ותבצע עליהם עבודה, מסתובבת בכוח. הכוח הכולל של הלהבים מועבר למדחף.

המהנדס השבדי, קרל גוסטב פטריק דה לאבל, עבד על זרבובית של טורבינת אדים במהירות גבוהה, הציע בשנת 1890 זרבובית חדשה לחלוטין. הוא הצליח להאיץ את הזרימה למהירויות על -קוליות, שמעולם לא היה אפשרי קודם לכן. אז נחצה רוביקון העל -קולי, שהכפיל מיד את מהירות היציאה.

רוביקון על קולי

ובחרירי האוליפיל של הרון, ובקצה צינור האש (וזה זרבובית להאצת זרם מים), ערוץ הזרימה מצטמצם. בערוץ כזה, זרימת נוזל העבודה - קיטור, גז או נוזל - מואצת. למה? קצב הזרימה (כמות נוזל העבודה העובר בקטע לשנייה) זהה בכל מקום בערוץ - כמה זורם דרך הקטע הראשוני, כך שצריך לצאת דרך הקטע האחרון. אחרי הכל, החומר הזורם בערוץ אינו פוחת או גדל, אין חורים בקירות המספקים או פורקים אותו. וחוק שימור המסה גורם לצריכת החומר להיות זהה בכל מקום של הזרבובית.

הן הנוזל והן זרימת הגז התת -קוליים כמעט אינם משנים את עוצמת הקול שלהם; לכן הם נחשבים כבלתי -דחיסים כאשר מהירות הקול עדיין רחוקה.הצריכה הקבועה של המסה שלהם פירושה צריכה קבועה של נפחם. הנחל צריך למהר להניע את אותו נפח דרך החלל המצומצם. הגז נאלץ להאיץ.

הפרש הלחץ גורם לו לזרום - הזרימה זורמת בכיוון של לחץ נמוך, שנדחקת מאחור על ידי גבוה. בערוץ המצמצם הלחץ והטמפרטורה של הזרימה יורדים ללא הרף, אך מהירותו עולה. האנרגיה הפוטנציאלית של הלחץ והטמפרטורה של הגז נשאבת לתוך אנרגיית התנועה, לתאוצה שלו. ככל שהפרש הלחץ בין ההתחלה והיציאה של הזרבובית גבוה יותר, כך תאוצה וקצב הזרימה גדולים יותר. לצמיחתו, הלחץ מול הזרבובית עולה. אותו דבר לגבי הפרשי הטמפרטורה, והם מנסים לחמם את הגז יותר על ידי שריפת רכיבי הדלק.

אך לשיעור התפוגה יש גבול יסודי משלו. זוהי זרימה במהירות הקול. זה לא מתגבר על ידי כל עלייה בלחץ בכניסת הזרבובית. לא משנה כמה הוא יעלה, פעמיים, ארבע או עשר פעמים, בגבולות הזרבובית המתכנסת, הזרימה לא תעלה על מהירות הקול.

הבה נזכור מהי תנועה תת -קולית וקול -על. מהירות הקול (אטמי גל חלש בגז) תלויה בגורמים רבים - הרכב הגז, צפיפותו ולחץו. אבל יותר מכל זה תלוי בטמפרטורה. בתנאים מסוימים, מהירות הצליל מקבלת ערך מקומי ספציפי. משווה את מהירות הזרימה למהירות הקול המקומית, מספר המאך, ומחלק את מהירות הזרימה במהירות הקול. ערכו מסומן M ומראה כמה פעמים מהירות הזרם גדולה או קטנה ממהירות הקול. כאשר M פחות מאחדות, הזרימה איטית יותר מצליל - תת -קול. ב M = 1 הזרימה זורמת בדיוק במהירות הקול. עבור M> 1, הזרימה היא קולית קולית.

אפשר להתגבר על גבול הצליל רק על ידי שימוש בעקרון מיוחד. זה נקרא עקרון היפוך ההשפעה.

בדינמיקת הגז, קיים מושג ההשפעה. זוהי ההשפעה על זרימת הגז, שמשנה את הפרמטרים שלה, כולל המהירות. צמצום הערוץ הוא אפקט גיאומטרי, שינוי בגיאומטריה של הזרימה. ויש את העיקרון של הפיכת ההשפעה. לדבריו, פעולה אחת ויחידה יכולה לשנות את מהירות הזרם רק עד למהירות הקול. יתר על כן, הדבר נכון הן להאצה והן להאטה (אם הזרימה היא על -קולית). המקסימום שהושג באותה השפעה יהיה תמיד מהירות הקול, M = 1. להיות מכשול צליל שאין להתגבר עליו להשפעה זו. יותר מגבול זה, ההשפעה של כל כוח לא תוכל לעשות דבר.

כדי לעבור מעל M = 1 ולהמשיך להאיץ או להאט את הזרימה, עליך לשנות את האפקט להיפך. עם אפקט גיאומטרי (צמצום הערוץ), יש לשנות את הסימן שלו. עבור שעון יתר, זהו שינוי של צמצום להרחבה. היכן לשנות מתי? לאחר שהזרם מגיע למהירות הקול. בחלק המתרחב, הזרימה תהפוך לקולנית ותאיץ הלאה. למה?

לאחר שהפך לעל -קולי, הזרימה רוכשת תכונות שונות לחלוטין. אי -דחיסות תת -קולית מוחלפת בדחיסות והרחבה גדולים יותר. הרחבת הגז כה גדולה עד שהיא עוקפת את ההתרחבות הגיאומטרית של הערוץ. גז הנפיחות נאלץ לזרום מהר יותר ויותר אפילו דרך חתכי הרוחב הגדלים של הערוץ. לכן מהירות הזרימה בהתרחבות העל -קולי של הזרבובית עולה וצפיפות הגז יורדת. לאבל הציע צורת זרבובית זו והשיג זרימה קולית ביציאה. זרבובית עם גיאומטריה של התרחבות התכווצות נקראה זרבובית לבל.

דרכים להשגת צליל על קולי

שים לב שלא רק הגיאומטריה המשתנה של זרבובית הלבל יכולה להאיץ את הזרימה לקול קולי. חרירי קולי עם גיאומטריה של ערוצים קבועים אפשריים, רק עם צינור ישר. ישנם שלושה סוגים מהם: מסה, תרמית ומכנית. וכולם עובדים על העיקרון של היפוך ההשפעה. לפיית ההמונים יש קירות מחוררים. בחלק התת -קול של הצינור, גז נשאב פנימה מבעד לנקבים של הקירות. כדי להעביר כמות גז הולכת וגוברת דרך הצינור, הגז מואץ ומגיע למהירות הקול.ואחרי מהירות הקול האפקט משתנה להיפך - הגז נשאב מהצינור דרך החורים בקירות. מה גורם להתרחבות (יש הרבה לאחר השאיבה החוצה) והאצת הגז שנותר בצינור. כדי להאיץ את הזרימה, קצב זרימת מסת הגז משתנה - לכן, הזרבובית נקראת מסה.

השניים האחרים הם תיאורטיים בלבד. זרבובית חום - כאשר נעים דרך צינור קבוע, הגז מתחמם ומגיע למהירות הקול. ואחרי זה, הגז מקורר בהאצה על קולית. הזרבובית המכנית מספקת אנרגיה לגז בכוח מכני, ומאחורי מהירות הקול הוא גם מסיר מכנית אנרגיה כדי להאיץ את הזרימה העל -קולית.

זרבובית הלבל היא מקרה מיוחד של עקרון היפוך ההשפעה, האווטאר הגיאומטרי שלו. שני משפכים מנוגדים עם צוואר בקבוק משותף. הזרבובית הזו נמצאת בשימוש נרחב בעניינים מעשיים. מכיוון שהגעה למהירות הקול משנה באופן קיצוני את התנהגות הזרימה, מהירות הקול נקראה המהירות הקריטית. והקטע של הזרבובית (תמיד הקטן ביותר), שבו מושגת מהירות הצליל, נקרא הקטע הקריטי של הזרבובית.

בחלק התת -סוני המתכנס של הזרבובית, צפיפות הגז משתנה בצורה לא משמעותית, היא מתרחבת מעט. אבל הלחץ והטמפרטורה שלו מופחתים באופן משמעותי - המהירות עולה בעיקר בזכותם. פרמטרים אלה נופלים בצורה החדה ביותר בחלק הקריטי של הזרבובית, באזור מהירות הקול. השינוי בפעולה שומר על שינויי זרימה אלה בקטע העל -קולי על ידי הוספת הרחבת גז. לכן, קצב הזרימה עולה ברציפות בשני חלקי הזרבובית - גם קולית וקולית.

זרימת גז תת -קולי מתנהגת כמו זרם נהר, נוזל בלתי דחוס ששומר על נפחו. בהחלט? לא, ככל שהמהירות עולה, האוויר הזורם סביב הגוף נדחס בהדרגה, אך באופן חסר משמעות; יחס הדחיסה אינו עולה על עשרות האחוזים הראשונים. זה לא משנה באופן מהותי את דפוס הזרימה, ומשאיר אותו במסגרת של הידרודינמיקה, או "הידרודינמיקה לאוויר" - אווירודינמיקה. התמונה נשארת כך עד הצליל רוביקון.

דינמיקת הגז מסתתרת מאחורי מהירות הקול. כאן דחיסות הגז באה לידי ביטוי במלואו: הוא מתכווץ ומתרחב פעמים רבות, פעמים רבות ועשרות פעמים. זה משנה באופן קיצוני את הכרכים הזורמים ויוצר שינויים קריטיים בתמונה.

זרימה קולית מתנהגת בצורה הפוכה מזרימה תת -קולית - היא מאטה בהתכווצות, ומאיצה בהתפשטות. אם הוא מאט, הוא עושה זאת באופן פתאומי ומיידי, תמיד עם דחיסת עוצמת הקול וחימום, ויוצר גבולות חדים של דחיסה בתוך עצמו. ולבסוף, זרימה קולית יכולה לזרום לעבר לחץ גבוה - למשל, לתוך החותם הזה.

אופי נוסף של הכוח המניע מאפשר לזרימה העל -קולית לזרום כנגד ירידת הלחץ. הרווח הוא לא לחץ הגז, כמו בזרימה תת -קולית, אלא כוח האינרציה של התנועה. התנהגות הזרימה הסאב קולית נשלטת על ידי המהות התרמית - האנרגיה הפוטנציאלית של לחץ הגז, והתכונות העל -קוליות של הזרימה נוצרות על ידי צורת אנרגיה אחרת - האנרגיה הקינטית של התנועה.

מותן צרעה ומתיחת יתר

חרירי מנוע הרקטות הקלאסיים הם התחדדות בצורת משפך והתלקחות וביניהן מותן צרעה צרה. הוא צר בשל הצפיפות הגבוהה בתא הבעירה. הגז הדחוס יכול להתרחב פעמים רבות, תוך שמירה על השפעה מוחשית על קירות הזרבובית ויצירת דחף. ההתרחבות העיקרית מתחילה כאשר מתקרבים למהירות הקול ונמשכים לאורך כל החלק העל -קולי של הזרבובית. שבו היחס בין השטח הסופי לאזור ההתחלתי, כלומר שטח יציאת הזרבובית וקטע הגרון, נקרא יחס ההרחבה של הזרבובית. כמה אתה יכול להרחיב (ולכן להאיץ) את הגז בתוך הזרבובית? בחלל, נדירות הזרימה ביציאת הזרבובית מביאה תועלת מעשית לשחזור - בעוד שתוספת דחף על הרחבת הזרבובית מצדיקה את הגידול במסה שלו. לחץ שיורי שאינו בשימוש נזרק לחלל החלל.

כאשר מתחילים מפני השטח של כדור הארץ, האטמוספירה נלחצת לתוך הזרבובית ומונעת את זרימתו. הסילון עף החוצה מתוך זרבובית האטמוספירה שהתרחב חזק יותר - צפיפותו ולחץו של הסילון נמוכים מהאטמוספירה. סילון כזה נקרא מרחיב יתר, והזרבובית פועלת במצב מורחב מדי. ככל שהזרימה ביציאה של הזרבובית נדירה יותר, כך יורדת לחץ הלחץ עם האטמוספירה והפעולה הנגדית שלה לסילון. המטוס העל -קולי המורחב מדי, בשל מהירותו הגבוהה, משאיר את הזרבובית כנגד טיפה של מחצית האטמוספירה, או אפילו יותר. וזה מעוכב על ידי האווירה שמאחורי הזרבובית.

הנה זה, מאפיין העבודה של זרימה על -קולית להתקדם לעבר לחץ גבוה יותר. אם ההבדל הזה יגדל עוד יותר, הלחץ האטמוספרי ילחץ לתוך הזרבובית ויתחיל לסחוט את הסילון מהקירות, "לכבות" את החלק הזה של הזרבובית. לפיכך, להאט את הסילון כשהוא עדיין בהרחבת הזרבובית, לא לאפשר לדחף לצמוח - יתחיל אופן חסימת הזרבובית על ידי לחץ חיצוני. מדוע להרחיב את הזרימה ביציאת הזרבובית מתחת ללחץ האטמוספרי? כי הלחץ שלו יורד במהירות עם הגובה הגובר, שאליו הכל מהיר יעזוב את הרקטה.

חמישים הקילומטרים הראשונים של האנכי יאפסו בצורה חלקה את הלחץ האטמוספרי.

הזרימה ביציאת הזרבובית תהפוך צפופה יותר מהאווירה המצטמצמת, ותזרק לחץ עודף ללא תועלת. הנחל, הדחוס יותר בצפיפות מהאטמוספירה, אינו מורחב עד כדי שוויון עמו. הוא ירחיב את הערפיח שלו יותר, ויהפוך את הדחיפה לקצת יותר חזקה. זהו מצב תת הרחבה. כדי להפחית פריקה מיותרת של לחץ זרבובית שאינו בשימוש, יחס ההרחבה מותאם. כלומר, הוא מחושב כך שההפסדים האינטגרליים במהלך פעולת הזרבובית העולה הם מינימליים, והעבודה שנעשית על ידי הכוח הריאקטיבי היא הגדולה ביותר עבור כל קטע הטיסה.

לשם כך הלחץ ביציאת הזרבובית מחושב להיות שווה ללחץ האטמוספרי בגבהים של 8-12 ק"מ. כאן פעולת הזרבובית היא אופטימלית - אין ירידות לחץ עם האטמוספירה, ואין הפסדים. הרחבת היתר הראשונית יורדת בצורה חלקה עם הגובה, מאופסת במצב היציאה האופטימלית ב-10-12 ק"מ, ולאחר מכן הרחבת תת ההרחבה תגדל בהדרגה. אז הזרבובית, כשהטיל עולה, עוברת שלושה מצבי פעולה שלה. ובחירת הלחץ ביציאת הזרבובית נותנת את ההפסדים האינטגרליים הקטנים ביותר עד לנקודת הכיבוי.

בשלב השני והשלישי של רקטות בין -יבשות וחלל, המנועים משוגרים בהיעדר לחץ אטמוספרי מורגש. לכן, הרחבת החרירים שלהם הופכת ב 'מורגש או קל יותר מהשלב הראשון. למנועי טילים בחלל יש גם יחסי הרחבה גדולים - תמרון מסלול, כיוון. החלקים העל -קולי שלהם דומים לכוסות גדולות עם עין חתך קריטית קטנה.

משפחה גדולה, או מגוון דינמיקות של גז חרירים

עקרון הנוכחות של קטע קריטי מיושם במגוון עצום של צורות. שני המשפכים הקלאסיים, המעבירים את הזרימה זה לזה באמצעות מיזוג קודקודים, יכולים להשתנות ללא הכר. הזרבובית המחוררת היא תעלה שטוחה עם התכווצות והתרחבות. חרירי גוף מרכזיים בקושי יכולים לשנות את הקוטר החיצוני; הגוף המרכזי הפנימי מגדיר את הגיאומטריה של הערוץ. הוא יכול להיות חרוטי או בצורת כדור, ומסתיים ביציאת הזרבובית, והחלק הקריטי מתברר כטבע. הגוף המרכזי יכול להשתנות במידה רבה, ולשנות לחלוטין את צורת הזרבובית.

הזרבובית יכולה להיות מורכבת מגוף מרכזי אחד, המוקף לאורך הבסיס בחריץ טבעתי. הזרם הדחוס מהחריץ זורם דרך הגוף המרכזי, מתרחב עליו. זרבובית כזו יש צורה של חרוט קעור הפונה לאחור. הקעורה פועלת באותו אופן כמו הבליטה בצורת כוס של דופן זרבובית רגילה. רק הזרבובית עם דופן דוחסת את קצוות הזרימה המתפזרת לזרימה אחידה, והגוף המרכזי יוצר ליבה מיושרת של הזרימה.

כך פועל מנוע אוויר טריז. הזרבובית שלו היא לינארית - הגוף המרכזי מוארך אופקית ויוצר טריז הפוך, בדומה להב חרב עם שני צדדים המתכנסים ללהב.בצדדים הקעורים העובדים הללו, הזרימה העל -קולית מתרחבת ויוצרת דחף. מבחינה פונקציונלית, הצדדים הם הקיר של זרבובית קונבנציונלית, הפרושה בקו, ויוצרת דחיפה באותו אופן.

טריז זה מוזרם מלמעלה למטה על ידי זרם על קולי מתאי בעירה קטנים המותקנים בשורה צמודה למעלה. כל צד של הטריז הופך לקיר זרבובית אחד לזרימה מהחדרים. הקיר השני הוא האטמוספירה, הסוחטת את הזרימה מהצד ומווסתת את התרחבותה בלחץ שלה. לכן, הזרימה על משטחי הזרבובית בצורת טריז-אוויר-טריז מתרחבת בצורה אופטימלית, ומתאימה את עצמה לשינויים בלחץ האטמוספרי.

הגוף המרכזי יכול להיות שטוח, כמו צלחת, ולהיות ממוקם בעומק הזרבובית, בתחילת התרחבותו. כמו ראש מסמר, לא מונע לגמרי באמצע הקטע הקריטי. החלל מתחת למכסה יהיה החלק התת -סוני של הזרבובית. וקצוות הגוף בצורת דיסק יהפכו לחלק הפנימי של קטע הגרון. הזרימה מתפשטת באופן רדיאלי מתחת לצלחת ומסתובבת סביב הקצוות שלה לעבר יציאת הזרבובית, נלחצת על ידי הקירות ומאיצה לתוך סילון קולי. זרבובית הגלישה קצרה בהרבה מהפייה המקובלת ולכן קלה יותר. דינמיקת הגז המוזרה שלו עולה בקנה אחד עם פיית הלבל.

פחות לחץ, יותר כוח מענקי שיא

לחץ גבוה דורש קירות חזקים ועבים של תא הבעירה, קל יותר לנעול אותו בתא קטן. המסה של מבנה גדול עם לחץ גבוה תהיה גם גדולה. עבור מנועי דלק מוצק, כל הגוף הוא תא בעירה. לכן הלחץ בהם נמוך יותר מאשר במנועי טילים מונעים נוזלים, ומגיע רק לעשרות האטמוספרות הראשונות. מכיוון שהלחץ מול הזרבובית נמוך יותר, המשמעות היא שמידת ההתרחבות של הזרבובית והצרה בקטע הגרון פחותים. לדוגמה, נער יכול לעבור בחופשיות דרך גרונו של הזרבובית של מאיץ דלק מוצק SLS. עם קוטר יציאת זרבובית של 3, 8 מ 'וקטע קריטי של 1, 37 מ', יחס ההרחבה הוא כ -7, 7. רמת הלחץ הממוצעת של 39 אטמוספרות אינה מאפשרת הגדרת יחס הרחבה גדול.

הדחיפה נוצרת לא על ידי קצב הזרימה עצמו, אלא על ידי קצב הזרימה במהירות זו. מנועי הנעה מוצקים יכולים ליצור קצב זרימה עצום של נוזל העבודה דרך הזרבובית. אין להם אספקת דלק - כל זה עדיין מסופק במפעל לכל אורך המנוע, לפעמים מגיע לעשרות מטרים. למסיב דלק כזה יש שטח בעירה עצום וקצב זרימה מקביל, מה שיוצר דחף סילון גדול מאוד.

המנועים החזקים ביותר שנוצרו על ידי האדם בהיסטוריה הם מנועי טילים מונעים מוצקים. מבין אלה המיוצרים בהמוניהם, אלה הם מאיצים לרכב השיגור SLS, מאיצי מעבורת החלל לשעבר עם תוספת דלק חמישית. באורך כולל של 54 מ '(זהו גובהו של בניין בן 18 קומות), קוטר של 3.7 מ' ומסה של 726 טון, דחףם הוא 1620 טון, והצריכה היא 6 טון לשנייה. הזרבובית של מאיץ כזה היא כיום הזרבובית הסדרתית החזקה ביותר בעולם.

מנועי ההנעה המוצקים הניסיוניים היו חזקים אף יותר. Aerojet AJ-260 SL-1 שנבדק בשנת 1965 הציג דחף של 1,800 טון, ומנוע Aerojet AJ-260 SL-3 היה אמור לייצר 2,670 טון דחף. החרירים היחידים שלהם נשארים חרירי הלבל החזקים ביותר שיצרו בני אדם.

גיאומטריה משתנה ברעם של לאחר הצריבה

חרירים עם לחץ נמוך עוד יותר, עם הבדל של כמה אטמוספרות בלבד והיצרות קטנה מאוד, הפכו נפוצים בתעופה, והפכו לפתרון חיוני לכל סוג של מנועים. מכיוון שאי אפשר לאחסן אנרגיה רבה בלחץ קטן, הנה הם עוברים בדרך התרמית - הם שואבים גז בחום של אש נפט עוצמתית.

מבערים משמשים בעיקר במטוסי קרב. הם משתמשים במצרך לאחר הטיסה בקול על -קולי, כדי להפחית את גליל ההמראה, הטיפוס המהיר והתמרון העז. Afterburner הוא כמעט עלייה כפולה בדחף, עם עלייה מרובה בצריכת הדלק.הוא נשרף בזרימה הכללית שמאחורי הטורבינה, בקטע של נתיב הזרימה לפני הכניסה אל הזרבובית, שנקרא המבער לאחר. חריריו יוצרים צורב נפט ענק שמחמם את הזרימה מול הזרבובית באלף מעלות.

הזרבובית, בהיותה מנוע חום, הופכת עלייה בחום לעליה במהירות.

חימום נוסף כה חזק של הגז יעלה את הלחץ מול הזרבובית. זה יפחית את מהירות הטורבינה והמדחס, מה שיצמצם באופן מיידי את זרימת האוויר אל הזרבובית. כדי להימנע מקריסת פעולת המנוע, החלק הקריטי של הזרבובית מורחב, ו"זורק "את הלחץ הגובר לתוכו. זה נעשה על ידי חמישים אלמנטים ניידים - דשים. לוחות יצוק טרפזיים העמידים בחום ועמידים בחום (אלו תכונות שונות) חופפים פלדה, כמו קשקשים או אריחים, היוצרים את משטח העבודה של הזרבובית. הם נעים בקונצרט על ידי צילינדרים הידראוליים, ומשנים את ההתכווצות הפנימית, ובמקביל משנים את חיתוך הזרבובית. הודות לעיצוב כה נייד, הזרבובית שומרת על הרחבת הגז קרוב לאופטימלי ומתאימה למצב הפעולה של המנוע, ומאפשרת עלייה חזקה בדחף במהלך צריבה לאחר. ולאחר כיבוי המבער לאחר, החרירים נעקרים לאחור, ומפחיתים את הקטע הקריטי וגודל יציאת הזרבובית.

זרבובית הלבל משמשת במספר רב של מכשירי סילון. בכל סוגי הטילים המעופפים באוויר-החלל והיבשת עד טילי נ"ט ואנטי טנקים, פגזי סלו, רימונים מונעי רקטות, ועוד מגוון אינסופי של גופים מעופפים המונעים על ידי רקטות. ישנם גם כדורי סילון ידועים, וסוגים שונים - למשל כדורי ניסוי תת -ימיים למכונת הצוללת APS, בדומה לחישורים ירוקים עבים עם מנוע סילון בקוטר 5, 45 מ"מ. או את כדורי הטילים המסתובבים בקוטר חצי אינץ '(12.7 מ"מ) עם ארבעה חרירים אלכסוניים זעירים, שנבדקו בווייטנאם בתחילת שנות השבעים, יחד עם אקדח מיוחד עבורם. אלה היו טילים קרביים הקטנים ביותר בהיסטוריה.

בלוק הזרבובית יכול להיות מורכב מערוץ אחד, או מכמה או מעשרות חרירים. המידות, הצורה, המספר, המיקום, הנטייה, הדחף, מטרת החרירים הללו משתנים בטווח הרחב ביותר. חרירי סילון מסיטים את מושב טייס הפליטה מהמטוס, נוחתים בעדינות את ציוד הנחיתה ורכבי הירידה, מאיצים את ההתלקחויות ואת האותות, מפחיתים את רתיעה של רובים ללא רתיעה, זורקים מיתרי פיצוץ להרוס, מניחים בצד את עול השיגור במהלך שיגור המכרות של ICBMs, ולבצע שלל משימות אחרות, כוח תגובתי.

חרירים שאינם מגיבים

אדם מייצר זרימה על -קולית עם זרבובית לוואל כמעט בכל מקום שהוא משתמש בו. בטורבינות, חרירי לוואל מחורצים מאיצים את הזרימה המסופקת להבי הרוטור. בטורבינות סילון קוליות, התעלות בין להבי הדיסק הנייד הן גם חרירי לבאל מחורצים, המאיצים את הגז למהירות על קולית. כל שני להבים סמוכים יוצרים עם המשטחים שלהם תעלה של זרבובית שטוחה של לוואל כפופה לאחור בזווית. הזרימה בו מואצת וזורמת חזרה לתנועה, ויוצרת כוח תגובתי להבים. טורבינות על -קוליות משמשות בתעופה ואסטרונאוטיקה, טכנולוגיות קרקע וניווט, אנרגיה והפקת אנרגיה.

אפשר לטחון את החומר בזרימה על -קולית, תוך קבלת טחנה עדינה. חומר בכמויות גדולות נכנס למטוס העל -קולי. הוא נלכד ומואץ על ידי סילון הפוגע במחסום מוצק, ופורץ נגדו במהירות של מאות מטרים רבים בשנייה. טוהר טחינה גבוה - החומר עצמו נוקב במכשול - מאפשר לך לטחון תרופות או כימיקלים מטוהרים במיוחד.

מנהרות רוח על -קוליות משתמשות גם בזרבובית לוואל. הסוג הנפוץ ביותר של צינור על קולי הוא בלון. בחדר גדול, יש שתיים או שלוש שורות של גלילי פלדה עבים בגובה של שתי קומות, המכוסים בקומה שניה (כדי להגיע לחלק העליון של הגלילים בעת הצורך).כמה ימים לפני הטיהור, הצילינדרים נשאבים באוויר כל היום עד לזמזום ולרטט של המדחס. גופם חם מאוד מדחיסה הרבה מעבר למאה אטמוספרות, ואז הם מתקררים בן לילה.

הניקוי מתרחש בקופסה נפרדת עם דלתות פלדה. כל האוויר המוחדר לצילינדרים משתחרר תוך שלושים שניות. הזרבובית ממירה את האוויר הדחוס של הצילינדרים לזרימה על קולית הזורמת בחלק העובד של הצינור. קטן בחתך, הוא מורכב מאלמנטים מפלדה חזקה המקיפים את הזרימה בדגם המפוצץ. בונוס הוא הדמיה של טיסה על קולית בגובה רב עם הכפור שלה - מהתרחבות הזרימה הטמפרטורה בקטע הבדיקה היא מינוס 80 מעלות. מספר המאך של הזרימה בצינור יכול לעלות על 5, ואז הצינור הופך לקולי יתר.

באחת האוניברסיטאות במוסקבה עם חצר ענפה אך מורכבת, באחד הפינות שלה, היה דוכן סריג שנראה כמו קיוסק. האולמות של המחלקה לאנגלית נכנסו לחלק זה של החצר. פעם בשבוע הופסקו השיעורים למשך חצי דקה על ידי קיר רעש מתמשך, שהטביע לחלוטין את כל ניסיונות הדיבור של מורים ותלמידים. תא הסריג הסתיר את תעלת השקע של הצינור העל -קולי של אוניברסיטה זו, והציפה את החצר בשאגה במהלך הטיהור. כך, אווירודינמיקה על -קולית פלשה לכל תחומי המדע שיצאו כאולמות לדוכן הזה.

לודוויג פראנדטל, חלוץ החישובים העל -קוליים ומייסד האוירוגסדינמיקה העל -קולית, הצליח לחשב את הזרבובית המספקת את מספר ה- Mach הנדרש בקצב הזרימה הזמין. בשנת 1909, הוא בנה בגרמניה, בגטינגן, שם עבד, הצינור העל קולי הראשון בעולם. כיום כל החרירים נספרים על פי שיטת חישוב הזרבובית הקולית שלו.

חישובים מאפשרים לך לפרופיל את הזרבובית. פרופיל הוא העקמומיות של צורת הזרבובית, המבדילה אותה מחרוט פשוט, הגיאומטריה המדויקת של הזרבובית. בחלק הקריטי, הרחבת הגז היא האינטנסיבית ביותר, ומיד לאחריה יש צורך לתת לגז נפח להתרחבות במהירות. קירות הזרבובית כאן מתפנים לצדדים עם פעמון מתפשט בתלילות. בסוף הזרבובית, כאשר מתבצעת עבודת ההרחבה, הזרימה מכוונת על ידי הקצה הגלילי של הזרבובית לזרם כמעט מקביל.

המעבר החלק מהחלק המתרחב בחדות לקצה הכמעט גלילי הופך את הזרבובית לקמורה, כמו זכוכית או פעמון. זו תהיה הזרבובית המפורסמת. עיקום הקירות שנבחר בצורה נכונה ירחיב את הגז בצורה מיטבית, עם האצה הגדולה ביותר של הזרימה באורך הקצר ביותר של הזרבובית. אלה הם המשקל המינימלי, משטח הקירור, החומר ונפח העיבוד והעלות. לכן, כמעט כל החרירים פרופילים כיום. הפרופיל שלהם מחושב על פי הפרמטרים הנתונים של גז המקור והזרימה הרצויה, מה שמאפשר לעצב את העקמומיות הטובה ביותר של הכלי לקול קולי.

רמז אפשרי לטיל לשימוש חוזר לחלוטין

הזרבובית יכולה להפוך גם לפתרון העיקרי לשימוש חוזר מוחלט של רכבי שיגור. הבעיה של החזרת השלב השני של הרקטה נובעת מהירות המסלול הגבוהה שלה. טמפרטורת הקיפאון של הזרימה במהירות זו, המתרחשת בשלב בכניסה, מגיעה לכמה אלפי מעלות.

אתה יכול להכין זרבובית שתופסת את כל הקצה התחתון של השלב. אז המשטח העמיד באש שלו יכול לשמש כמגן חום. במקרה זה, זרבובית המתכת מקוררת באופן פעיל על ידי רכיב הדלק הזורם בתעלות דפנותיו. והרכיב עצמו, הזורם החוצה ללא בעירה דרך הזרבובית, יסחוט את כרית האוויר החם והדחוס מקצה הבמה. קצה קיר המדרגה יכול להיות תפוס גם על ידי הקצה המתקרר של הזרבובית. כך, שילוב אסטרטגי של הזרבובית בבסיס המדרגה. אז הזרבובית תוכל לפתור שתי משימות המופרדות בזמן - הן יצירת דחף והן ההגנה התרמית של הבמה בעת הכניסה לאטמוספירה. כנראה, לאחר שיצר סוג חדש - זרבובית מגוננת חום תגובתי.

זרבובית כזו תוסיף משימה להגנה על חום לתפקוד הבסיסי של הגז הדינאמי שלה (האצת זרימה), ותגדיל את ערכו.

זה דורש הרבה חישובים שימצאו את האופטימלי של עיצוב אחד לשתי הבעיות.עם קוטר זרבובית כה גדול, זכוכית על קולית מוארכת הופכת מגושמת וכבדה מדי. זרבובית עם גוף מרכזי או זרבובית פוף תתברר כהרבה יותר קלה. השטח שלהם קטן פי כמה, ודורש פחות קירור. אתה יכול לתת את הקירור "השמור" לקירות המדרגות הסמוכות. הערכת החלטות כאלה תינתן על ידי חישוב של פרויקטים ספציפיים.

בשנת 2020 קיבלה חברת Stoke Space Technologies האמריקאית שני מענקים באמצעות SBIR (מחקר חדשנות לעסקים קטנים, תוכנית למחקר וחדשנות בעסקים קטנים). זוהי תוכנית מחקר ופיתוח של ממשלת ארה"ב (מו"פ) המסייעת לעסקים קטנים. את הצוות בן תשעה חברים מוביל אנדי לאפה, מנהל ומייסד שותף של סטוק, שבנה מנועים ב- Blue Origin במשך עשר שנים. הצוות שלו מתמקד בפיתוח מנוע בעל שלב עליון הפיך.

מענק SBIR בסך 225 אלף דולר הוענק על ידי הקרן הלאומית למדע על "פתרון משולב וניתן לשימוש חוזר של שלב עליון." סיכום המענק "מציע לפתח טכנולוגיה חדשה שתאפשר לכלי שיגור חלל להיכנס מחדש לאטמוספירה ולנחות בנקודה נתונה תוך שימוש חוזר. האתגרים הטכניים כוללים שילוב של מערכת הנעה יעילה ביותר, הגנה תרמית אמינה ומבנה קל משקל ". המאמר רואה "פתרון טכני חדש המשלב את המאפיינים העיקריים של שלב ביעילות של מערכת נפרדת (דיבור על מערכת קירור. - הערת המחבר), המאפשר שימוש חוזר בשלב השני".

מענק נוסף של SBIR בסך 125 אלף דולר התקבל מחברת נאס"א בגין "תצורת מנוע רקטות חדשה לשלבי הגבהה ולנחיתה פלנטרית". סיכום המענק מדבר על "גיאומטריה חדשה עבור זרבובית הרקטות, שלא נחשבה קודם לכן ושם מוקד השלב הראשון. הזרבובית מספקת יחס התפשטות גבוה עם מידות קצרות פי עשרה מהחרירים המסורתיים בצורת פעמון, ומאפשר חנק עמוק בלחץ אטמוספרי. כאשר הוא משולב בבסיס הבמה, זרבובית המנוע משמשת כמגן חום מתכתי מקורר באופן פעיל במהלך הכניסה מחדש. השלב הראשון כולל פיתוח מתודולוגיית עיצוב החרירים, חיזוי ביצועי הזרבובית וייצור ציוד לבדיקת פרמטרים ".

עד כמה המאמצים של סטוק יהיו פוריים, הזמן יגיד. אבל גיבוש המשימות מדבר על צורך דחוף בפריצת דרך לתואר שני לשימוש חוזר. והזרבובית היא פתרון מפתח אפשרי לטילים לשימוש חוזר לחלוטין.