ДВИГАТЕЛИ

Двигатели вокруг нас. Они в нас. Они - синонимы к таким словам как "наука" ("наука - двигатель прогресса"), "реклама" и т.п. Всевозможные словари дают им практически одинаковое определение: "Двигатели - это энергетические силовые машины, преобразующие какую-либо энергию в механическую работу". Без них наша жизнь уже немыслима.

С возникновением жизни появились биологические двигатели - мускулы, позволившие живому существу передвигаться, искать пищу, качать кровь по телу. Но нашему предку пришла в голову мысль приручать животных. Одними из них стали лошади; спустя тысячелетия благодаря которым за единицу мощности двигателя была принята "лошадиная сила".

Принято подразделять двигатели на первичные и вторичные. К первичным относят те двигатели, которые непосредственно преобразуют энергию природных ресурсов (воды, ветра, гравитационных сил), мускульную энергию человека и животных или внутреннюю энергию топлива в механическую энергию (гидротурбины, ветродвигатели, двигатель внутреннего сгорания и др.). Полученную от первичного двигателя механическую энергию можно использовать для выработки, например, электричества. Примеров достаточно много. Многие используются уже тысячелетия (например, парус судна), некоторые существуют в виде научных расчетов и чертежей инженеров-конструкторов (тот же парус, но только солнечный для межорбитальных буксиров космических объектов).

Помимо первичных двигателей, осуществляющих непосредственное преобразование энергии в механическую работу, существуют так называемые вторичные двигатели, которые используют энергию, получаемую от первичных двигателей. В этом случае получается цепочка: энергия (например, запасенная в бензине) - первичный двигатель (двигатель внутреннего сгорания) - другая энергия (электрическая, полученная с помощью электрогенератора, присоединенного к двигателю) - вторичный двигатель (электромотор). Все это достаточно условно: электромотор постоянного тока в качестве первичного двигателя отлично работает в игрушках от химической батареи. К вторичным двигателям можно отнести также пружинные, пневматические и пр. Да и цепочки преобразования энергии могут быть самыми разными.

Термин "двигатель" встречается в отечественных письменных источниках с XIV века. Значение его в различные времена менялось: от "средства обеспечения движения" до "силы, побуждающей к действию". "Мотором" сейчас называют в основном автомобильные и электрические преобразователи энергии.

Непосредственно, двигатель движение не обеспечивает. Движение обеспечивают получающие механическую энергию вращения от двигателя, соответственно, колеса и винт, которые называют движителями. Но бывают и такие случаи, когда разделить двигатель и движитель достаточно трудно, а иногда просто невозможно, как, например, у мотор-колеса большегрузного карьерного самосвала.

Двигатели можно классифицировать по различным критериям. Например, по виду используемой энергии их можно поделить на потребляющие источники энергии, заложенные в природе, и те, для которых эти источники энергии приходится подготавливать специально. Первыми двигателями, которые были изобретены человеком и черпали необходимую энергию для своей работы из природных источников, можно считать парус и водяное колесо. Других пока не нашли. Впервые водяные колеса появились в странах Древнего мира: Китае, Индии, Египте.

В I веке до нашей эры в Египте Герон Александрийский разработал конструкцию первой паровой машины. По сути, это было первое устройство, использующее внутреннюю энергию вещества. Однако эта идея на многие века опередила свое время, и только во второй половине XVIII века появилась поршневая паровая машина непрерывного действия, нашедшая применение в промышленности и на транспорте (паровоз, пароход).

В связи с тем, что в такой машине извлечение внутренней энергии вещества происходит вне механического контура машины, в топке, подобные устройства называют двигателями внешнего сгорания. Развитие паровых машин шло по пути совершенствования конструкции нагревательных устройств, теплообменников, применения различных видов топлив и т.д. Следующим шагом в развитии паровых машин стало применение турбин вместо цилиндра с поршнем. Расцвет этого типа машин - как стационарных, так и для транспорта - приходится на XIX - начало XX века. Сейчас паровые турбины используются на электростанциях (причем на всех атомных электростанциях именно паровая турбина вращает электрогенератор). На морях и океанах уже почти полвека источником энергии для паровых турбин ледоколов, авианосцев и подводных лодок служит атомный реактор.

В конце позапрошлого века человечеством были освоены двигатели внутреннего сгорания (ДВС). В этих двигателях извлечение энергии из вещества происходит внутри механического рабочего контура. Семейство ДВС весьма разнообразно. Оно включает, например, двигатели принудительного воспламенения (карбюраторные и непосредственного впрыска), а также дизели, в которых воспламенение топлива происходит от воздействия высокой температуры сжатого воздуха. ДВС - основной тип двигателей транспортных и стационарных машин, используемый в настоящее время.

ДВС стал первым двигателем - "пламенным мотором", поднявшим самолет в небо. Долгие годы из него выжимали мощность, чтобы лететь выше и быстрее. И когда стало понятно, что в борьбе за скорость он не помощник, стали искать ему замену. Так появился реактивный двигатель, в котором большая часть внутренней энергии сгоревшего топлива преобразуется в кинетическую энергию струи газов. Различают два основных класса реактивных двигателей: использующих в качестве окислителя кислород воздуха (воздушно-реактивные - ВРД) и обходящихся без него. В последнем случае все компоненты топлива (окислитель и горючее) размещают на борту летательного аппарата. Важным достоинством таких двигателей является их способность к работе вне земной атмосферы, а недостатком - необходимость размещения массивных и весьма объемных баков окислителя на самолете или ракете, а также "прожорливость" - большой расход топлива.

Воздушно-реактивный двигатель использует кислород воздуха, поэтому баки с окислителем не нужны. Но для того, чтобы подавать в камеру сгорания достаточное количество воздуха, его приходится сжимать. В турбореактивных (ТРД) и турбовинтовых (ТВД) двигателях сжатие производят с помощью компрессора, приводимого во вращение турбиной. Разнятся они тем, что в ТРД тяга получается от потока воздуха, проходящего внутри двигателя, а в ТВД ее создает вращаемый этим двигателем винт. Иногда удается сжать поток воздуха без использования компрессора путем выбора соответствующей формы входного устройства двигателя - в этом случае получается так называемый прямоточный воздушно-реактивный двигатель (ПВРД).

Исторически получилось так, что первым из ракетных двигателей был твердотопливный (РДТТ). В нем и окислитель и горючее представляли собой твердое тело: например, такую смесь, как порох. Говорят, еще в Древнем Китае пытались с его помощью оторваться от Земли. Накануне и в ходе Второй мировой войны жидкостный ракетный двигатель (ЖРД - у него, в отличии от РДТТ и горючее и окислитель жидкие и сжигаются в специальной камере сгорания с высоким давлением) попытались применить в качестве дополнительного двигателя самолетов с поршневыми моторами для кратковременного увеличения скорости полета или для облегчения взлета тяжелогруженого самолета. Устанавливали ракетные двигатели и на истребители-перехватчики.

Модификации турбореактивных двигателей (в некоторых случаях их называют газотурбинными - ГТД) используются не только на летательных аппаратах; устанавливаются они и на различных транспортных средствах: кораблях, большегрузных автомобилях, танках и т.п. Широкое применение нашли такие двигатели в энергетике, созданы энергоблоки мощностью свыше 100 МВт и проектируются еще более мощные.

Отказ авиации от ракетного двигателя не привел к смерти последнего. Никакой другой двигатель, кроме ракетного, не в состоянии ни сегодня, ни в обозримом будущем обеспечить доставку грузов и людей на орбиту Земли.

Реактивную тягу можно получить не только путем высвобождения энергии топлива при химической реакции горючего и окислителя. В современных ядерных ракетных двигателях используется теплота, которая выделяется при радиоактивном распаде ядерного горючего. Эта теплота нагревает рабочее тело (например, водород) до очень высокой температуры. Затем рабочее тело истекает из сопла двигателя с громадной скоростью и создает значительно больший удельный импульс по сравнению с импульсом двигателей на химическом топливе. Мощность, развиваемая ядерным ракетным двигателем, достаточна для взлета с Земли, но из-за опасности радиоактивного заражения местности эти двигатели вряд ли найдут применение.

Создана еще одна разновидность ракетных двигателей, характеризуемая весьма высоким удельным импульсом тяги, в десятки и сотни раз превышающим удельный импульс тяги химических двигателей. Это так называемые электрические ракетные двигатели. Небольшая тяга, действующая длительное время, способна разогнать космический аппарат до очень больших скоростей. Уже создан целый ряд электрических ракетных двигателей: электротермические, электромагнитные, ионные и др.
Но вернемся к аппаратам, которые передвигаются в пятом океане - атмосфере. В борьбе за скорость летательного аппарата был придуман гиперзвуковой прямоточный воздушно-реактивный двигатель (ГПВРД). Этот двигатель может работать на скоростях, во много раз превышающих скорость звука. Главное отличие этого двигателя от других воздушно-реактивных двигателей заключается в том, что у него нет вращающихся частей. Их применение сулит возможность достижения таких скоростей, которые позволят сократить время межконтинентального перелета до часа и даже десятков минут. Поэтому эксперименты продолжаются.

Отдельный и весьма обширный класс составляют электрические двигатели. Уже из их названия понятно, что источником энергии для них служит электричество. В природе электрическая энергия существует (например, в разряде молнии), но использовать ее пока никто не пытался. Поэтому приходится вначале электроэнергию получать, используя другие виды энергии в совокупности с двигателями первого рода и электрогенераторами, или с помощью каких-либо энергопреобразователей. Ими могут быть химические источники тока, фотоэлектрические (солнечные батареи), тепловые (в некоторых в качестве тепловыделяющего вещества используются радиоактивные материалы) и др. Область применения электрических двигателей необычайно широка. Например, в современном автомобиле в различных системах используются до сотни различных электродвигателей. Несмотря на то, что история применения электродвигателей занимает чуть более полутора веков, их развитию и совершенствованию не видно предела. Созданы двигатели, работающие на постоянном токе и на переменном токе.
Современной промышленности необходимы электродвигатели разной мощности. На первый взгляд, для повышения мощности достаточно увеличить размер двигателя - и вопрос решен, но не все так просто. Остаются проблемы прочности, помехозащищенности, теплоотвода и пр. Что касается задачи миниатюризации, то здесь все еще сложнее, тем не менее, уже есть электромоторы размером в несколько миллиметров и даже меньше.

Сейчас на любом объекте, будь то автомобиль, корабль, космический аппарат, помимо основного двигателя, главной энергетической установки и т.п., имеется большое число вспомогательных двигателей. Они отличаются не только своими размерами и развиваемой мощностью, но принципами действия, используемыми источниками энергии и т.д.

В данной статье не ставилась задача подробно рассмотреть все двигатели - это просто невозможно, ибо даже простое перечисление всех типов и видов двигателей займет больше места, чем эта статья. Например, в статье не упоминалось об огнестрельном оружии, хотя это самая настоящая тепловая машина, в которой происходит преобразование энергии порохового заряда в движение ядра, пули или снаряда. Поэтому в следующих номерах будут публиковаться более подробные описания работы тех или иных двигателей, истории их создания и совершенствования.