Автор: Каширина Марина Сергеевна
Возраст: 18 лет
Место учебы: ФГБОУ ВО "УГАТУ"
Город, регион: г. Уфа
Руководитель (Ф.И.О., место работы): Дикова Флорида Амировна, ФГБОУ ВО "УГАТУ"
Вклад парового двигателя в развитие авиации
Содержание
Введение
- Устройство парового двигателя
- История создания парового двигателя
- Внедрение паровой установки в авиацию
- Наследие Н.Е. Жуковского
- Применение парового двигателя в дирижаблях
- Перспективы использования парового двигателя
Заключение
Список литературы
Введение
Паровая машина была одним из важнейших изобретений промышленной революции. Она использовалась во всех видах применения, включая заводы, шахты, локомотивы и пароходы, не обойдя стороной и авиацию.
Цель работы: исследовать – какой вклад внёс паровой двигатель в развитие авиации.
В соответствии с целью работы решаются следующие задачи:
- Исследовать историю создания и конструкцию парового двигателя
- Проанализировать вклад парового двигателя в развитие авиации
- Дать краткое представление о наследии Н.Е. Жуковского
- Рассмотреть применение парового двигателя в дирижаблях и перспективы его использования
1. Устройство парового двигателя
Устройство паровой машины одиночного действия:
1 – поршень; 2 – шток; 3 – ползун; 4 – шатун; 5 – кривошип; 6 – главный вал; 7 – маховик; 8 – центробежный регулятор; 9 – золотник.
Принцип действия
Работа поршня 1 посредством штока 2, ползуна 3, шатуна 4 и кривошипа 5 передаётся главному валу 6, несущему маховик 7, который служит для снижения неравномерности вращения вала. Эксцентрик, сидящий на главном валу, с помощью эксцентриковой тяги приводит в движение золотник 8, управляющий впуском пара в полости цилиндра. Пар из цилиндра выпускается в атмосферу или поступает в конденсатор. Для поддержания постоянного числа оборотов вала при изменяющейся нагрузке паровые машины снабжаются центробежным регулятором 9, автоматически изменяющим сечение прохода пара, поступающего в паровую машину.
2. История создания парового двигателя
История создания паровой машины начинается еще в первых столетиях до нашей эры. Герон Александрийский описал механизм, который начинал работать только тогда, когда на него воздействовал пар. Устройство представляло собой шар, на котором были закреплены сопла. Из сопел по касательной выходил пар, тем самым заставляя двигатель вращаться. Это было первое устройство, которое работало на пару. [5]
В 1681 году ученый из Франции Дени Папен изобрел устройство, которое откачивало воду из шахт. В качестве движущей силы в первое время применялся порох, а затем его заменили на водяной пар. Так появилась пароатмосферная машина. Огромный вклад в ее усовершенствование внесли ученые из Англии Томас Ньюкомен и Томас Северен. Неоценимую помощь также оказал русский изобретатель-самоучка Иван Ползунов.
Описание устройства Папена в Очерке Брандта А. А. (1892) [4]
В 1712 году английский кузнец Томас Ньюкомен продемонстрировал свой «атмосферный (вакуумный) двигатель». Это был усовершенствованный паровой двигатель Севери, в котором Ньюкомен применил цилиндр с поршнем и существенно снизил рабочее давление пара.
Первым применением двигателя Ньюкомена была откачка воды из глубокой шахты.
В 1720 году немецкий физик Якоб Лейпольд изобрёл двухцилиндровый паровой двигатель высокого давления, в котором рабочий ход совершается не низким давлением вакуума, образующимся после впрыска воды в цилиндр с горячим водяным паром, как в вакуумных двигателях, а высоким давлением горячего водяного пара. Отработанный пар сбрасывается в атмосферу.
Паровой двигатель Якоба Лёйпольда, 1720
В 1763 г. шотландскому инженеру Джеймсу Уатту пришлось чинить одну из машин Ньюкомена, и он обнаружил в ней много недочётов. Так, при запуске пара в охлаждённый водой цилиндр часть его тепла тратилась не на работу, а на повторный нагрев цилиндра. Но если держать цилиндр постоянно нагретым, как конденсировать пар? И тогда Уатт понял, что для создания вакуума в рабочем цилиндре можно просто откачать из него пар и отвести его охлаждаться в отдельный резервуар — в конденсатор, а оттуда вернуть воду обратно в котёл, замкнув цикл работы машины. В 1769 г. Уатт запатентовал свой пароатмосферный двигатель, который стал первой машиной, широко используемой в производстве.
С вакуумным двигателем Уатта принято связывать начало промышленной революции в Англии.
3. Внедрение паровой установки в авиацию
Почти все попытки оснастить самолет паровым двигателем терпели неудачи по банальной причине – мощности не хватало. Сюда можно отнести опыты британца Уильяма Хэнсона, француза Клемента Адера, да и нашего родного контр-адмирала Александра Федоровича Можайского не следует забывать. Все прототипы или не могли оторваться от земли вообще или пролетали в лучшем случае несколько десятков метров. Но обо всём по порядку.
Изобретателем паролета является английский инженер Уильям Сэмюэл Хенсон. В 1838 году он неожиданно увлекся авиацией, которой, как таковой, тогда просто не существовало. Единственным способом заставить тяжелую крылатую машину подняться в воздух была установка парового двигателя: от него приводились в движение массивные крылья самолета.
Хенсон отдал много сил на создание как можно более легкого и компактного силового агрегата и в 1841 году его запатентовал. По чертежам машина имела размах крыльев 48 м (общая площадь — 420 м2) и весила 1400 кг. По расчетам Хенсона и Стрингфеллоу «Ариэль» мог бы нести десять пассажиров и разгоняться до 75 км/ч при дальности полета в 1600 км.
Конечно, их расчеты были неверны — в основном за полным отсутствием мирового опыта самолетостроения. Они делали первые робкие шаги — все данные получались разве что экспериментальным путем.
А что же до России?
14 февраля 1877 года контр-адмирал А.Ф. Можайский представил Главному инженерному управлению свою программу опытов над моделями летательного аппарата.
В первую очередь конструкция Можайского была уникальна тем, что имела аж два паровых двигателя. Огромные прямоугольные крылья, три пропеллера — никто до Можайского не пытался сделать самолет таких размеров. Собственно, форму крыльев Можайский вывел из своих многочисленных опытов с воздушными змеями, которые проводил с 1873 года. Помимо паровых двигателей, конструкция состояла из крыльев, создающих подъёмную силу, силовой установки, трёх винтов, фюзеляжа, хвостового оперения с вертикальными и горизонтальными рулями, а также взлетно-посадочного устройства (четырехколесной тележки). [3]
Летом 1882 года началась на военном поле около станции Дудергоф возле Красного Села под Санкт-Петербургом собственно постройка натурного самолёта. В этом же году были произведены испытания «аэродинама». Однако самолет, даже не успев приподняться в воздух, завалился на бок, и его огромное крыло «сложилось».
А. Ф. Можайский пытался отремонтировать самолёт и модернизировать силовую установку и летом 1885 года были проведены повторные испытания при представителях армии и Русского технического общества. Испытания прошли точно так же, как и первые: самолет завалился на бок.
Несмотря на неудачи в испытаниях, разработки Можайского нельзя назвать бесполезными. Первая его заслуга в том, что он заложил основы экспериментальной аэродинамики и установил важнейшие аэродинамические соотношения.
Вторая его заслуга заключается в том, что он применил свои выводы для создания первого в мире аэродинамического расчета самолета. [1]
Модель самолёта А. Ф. Можайского. Политехнический музей (Москва)
Одна-единственная попытка поднять в воздух машину на паровой тяге оказалась успешной. В 1930 году американские авиаконструкторы братья Джордж и Уильям Бесслеры в обстановке полнейшей секретности приступили к разработке парового самолета Airspeed 2000. За основу был взят один из самых популярных бипланов того времени – Travel Air 2000. В основную задачу конструкторов входило существенное уменьшение массы паровой машины, котла и топки. В итоге после длительной работы общую массу удалось снизить до 300 кг. Также была существенно снижена и масса самой конструкции.
Джордж и Уильям Бесслеры
Сам паровой двигатель был двухцилиндровой, мощностью 150 л.с. и весил 80 кг – меньше, чем установленный ранее бензиновый двигатель. Бак для воды имел емкость 10 галлонов и позволял пролететь 600 км.
Первый полет Airspeed 2000 состоялся 12 апреля 1933 года. Полет был широко разрекламирован, на поле было множество зевак и журналистов с фото- и кинокамерами. Паровой самолет легко оторвался от земли и полетел, сделав несколько кругов над полем.
Однако, несмотря на успешные испытания, Airspeed 2000 так и не смог заинтересовать потенциальных заказчиков, поэтому в серию запущен не был. Бурно развивающиеся ДВС не оставили паровому двигателю никаких шансов.
4. Наследие Н.Е. Жуковского
Жуковский Николай Егорович (1847-1921).
Русский учёный, создатель аэродинамики как науки. Заслуженный профессор Московского университета, профессор теоретической механики Императорского Московского технического училища (с 1918 года — Московского высшего технического училища); член-корреспондент Императорской Академии наук по разряду математических наук (1894 г.).
При рассмотрении научного наследия Н. Е. Жуковского поражает необыкновенное разнообразие тем. Здесь и исследование хвостов комет, и общая теория устойчивости движения, и теория регулирования машин, и распределение давления на нарезках винта и гайки, и прочность велосипедного колеса, и множество других вопросов. Но особенно настойчиво проводились им изыскания в областях гидромеханики и аэромеханики.
Н. Е. Жуковский начал интересоваться теорией авиации с 90-х годов прошлого столетия. При кабинете прикладной механики Московского университета уже с 1889 г. производились исследования по различным вопросам воздухоплавания: испытывались различные модели летательных машин и строились небольшие аэродинамические аппараты.
Идеи Н.Е. Жуковского привлекли внимание многих творческих людей и, в частности, авиамоделистов-экспериментаторов города Таганрога, которые использовали предложенную им схема турбокотла, представляющего собой сосуд в форме эллипсоида. Вертикальная ось его совпадала с малой осью эллипса, являющейся осью его вращения, а также совпадала с валом, установленным с возможностью его вращения в подшипниках.
И в соответствии с этим были разработаны несколько схем миниатюрного турбокотла для авиамоделей.
 
Состав предлагаемой установки:
1. вращающийся турбокотел; 2. бак с водой; 3. камера сгорания; 4. форсунки газовых горелок; 5. нижняя подшипниковая опора; 6. трубопроводы подачи топлива в камеру сгорания; 7. средняя подшипниковая опора; 8. форсунки подачи питающей воды в турбокотел; 9. продувочное окно камеры сгорания; 10. выпускные патрубки турбокотла; 11. выхлопной коллектор отработанного пара; 12. полая часть вала турбокотла; 13. предохранительно-дренажная крышка; 14. верхняя подшипниковая опора; 15. центробежный нагнетатель; 16. окно подачи воздуха в камеру сгорания; 17. трубопровод подачи воды из других баков; 18. верхняя стенка камеры сгорания; 19. приводная часть вала турбокотла; 20. реактивный насадок; 21. окна забора воды в турбокотел; 22. вал турбокотла.
Также был предложен проект беспилотного малоразмерного летательного аппарата вертикального взлета и посадки.
 
ЛА включал:
1. силовую установку типа «Турбокотел»; 2. верхнюю поверхность Коанда; 3. центробежный нагнетатель; 4. отклоняемый поток воздуха; 5. гибкую юбку с кромкой; 6. нижняя поверхность; 7. поток отработанного нагретого пара; 8. остывающие порции пара; 9. облако нагретого пара; 10. целевое оборудование; 11. основные питающие баки с водой; 12. спрямляющий аппарат центробежного нагнетателя; 13. стойки опор шасси; 14. опорные диски шасси; 15. блоки управления, навигации и связи аппарата; 16. система питания газовых горелок.
5. Применение парового двигателя в дирижаблях
Разработкой дирижаблей были заняты многие инженеры 18 века. Существовало множество модификаций, в качестве источника подъёмной силы использовали водород, воздушный руль, газовый двигатель, электрический двигатель, паровую машину. [2]
Еще в 1783 году во Франции братья Монгольфье впервые публично запустили большой бумажный шар, наполняя его дымом. Однако это была всего лишь пустая оболочка без какого-либо полезного груза.
В 1851 году Анри Жиффар построил первый в истории человечества дирижабль. Оболочка длиной 44 м и диаметром 12 м, объёмом 2.5 тысячи кубометров. Парус, закрепленный в корме оболочки, играл роль руля. А воздушный винт вращала паровая машина мощностью 3 л.с. 24 сентября 1852 года Жиффар взлетел, но мощности машины не хватало, чтобы бороться с ветром. Маломощная машина сообщала аппарату скорость всего в 11км/ч. Тогда он поднялся выше до 1800 м - там ветер ослаб, и он смог лететь по собственному желанию.
Затем он построил более крупный дирижабль, стал знаменит. И - принялся строить самые обычные аэростаты для увеселения публики.
В наши же дни тепловые дирижабли довольно широко представлены в мире и используются как спортивные, туристические и рекламные. Они летают недалеко и недолго, с небольшой скоростью, требуют хорошей погоды для наполнения и полета. Зато относительно недороги, компактны в хранении и транспортировке, не требуют какого либо оборудования для взлета и посадки.
6. Перспективы использования парового двигателя
Конечно же, у парового двигателя есть серьезные недостатки – маленький КПД и большой расход топлива, но есть и преимущества перед ДВС.
Во-первых, в отличие от ДВС, мощность парового двигателя не зависит от высоты полета. Во-вторых, простота конструкции парового двигателя позволяет ремонтировать его в любых условиях даже не очень опытному мастеру. В-третьих, использование любого горючего топлива, так как котёл отделен от узлов паровой машины. В-четвертых, паровой двигатель работает практически бесшумно.
Более того, авиастроители разрабатывали концепт самолета с паровым двигателем, который в будущем планировали запустить в широкий оборот.
Самолёт Ил-18П (паровой) был создан на базе серийного самолёта Ил-18 в 1965 году. В качестве силовой установки использовалась уникальная по своим характеристикам паротурбинная установка, с прямоточным нагревом пара.
Нагретый в паронагревателях пар, разгоняясь в соплах расширительного аппарата, вращал паровую турбину, от вала которой приводился в движение генератор переменного тока. Воздушные винты самолёта приводились в движение от четырех электродвигателей с питанием от генератора. Самолет проектировался в расчете на ядерное топливо. Но сроки изготовления реактора все время сдвигались, и было решено использовать в качестве нагревателя установки не ядерный, а обычный котел на угле. Самолёт на испытаниях показал летно-технические характеристики, превосходящие характеристики прототипа на 40-60 процентов. Так скорость равнялась 1020 км/ч, и была близка к предельной для винтового самолёта. Дальность увеличилась в 1,5 раза.
В 1967 самолет был принят на вооружение ВВС, было принято решение о запуске его в серийное производство, в том числе и для нужд Аэрофлота. Но все изменила произошедшая утром 1 января 1968 года в Жуковском катастрофа второго опытного самолета, в результате которой погиб весь экипаж и несколько сотрудников НИИ Газодинамики. Причиной послужил взрыв котла на взлёте. И хотя в ходе расследования была доказана вина экипажа - оператор подачи кокса в котел не пришел окончательно в себя после бурной новогодней ночи (в его крови был обнаружен алкоголь), и допустил катастрофическое поднятие температуры в котле, решено было отложить серийное производство до окончания испытаний ядерного реактора нагревателя. Но реактор так и не довели до лётных испытаний из-за технических проблем с его охлаждением. В 80-е годы пытались вернуться к теме ядерного самолёта, но Чернобыль поставил жирную точку на этом проекте.
Заключение
В соответствии с целью работы:
- Исследована история создания парового двигателя и его конструкция;
- Проанализирован вклад парового двигателя в развитие авиации;
- Дано краткое представление о наследии Н.Е. Жуковского;
- Рассмотрено применение парового двигателя в дирижаблях и перспективы его использования в наши дни.
Можно выделить следующие преимущества парового двигателя:
- мощность парового двигателя не зависит от высоты полета
- простота конструкции
- использование любого горючего топлива
- паровой двигатель работает практически бесшумно
и недостатки:
- маленький КПД
- большой расход топлива
Подводя итог, хотелось бы подчеркнуть, что ученые и изобретатели России 19-20 века работали над тем, чтобы человек смог перемещаться не только по земле и воде, но и по воздуху тоже, многие из них были первопроходцами, а идеи и труды некоторых- А.Ф.Можайского, Н.Е.Жуковского и вовсе поражают своей необычностью и разноплановостью. Так, например, А.Ф. Можайский изначально не был связан с самолетами, но наблюдая за птицами, установил зависимость между подъемной силой и лобовым сопротивлением при различных углах атаки, а далее дело стояло за практическими исследованиями. Н.Е. Жуковский, которого ещё называют «отцом русской авиации», изложил множество трудов по гидростатике, математике, астрономии и, конечно же, аэродинамике и механике. В широкий спектр тем для изучения входила также разработка турбокотла, что тоже не осталось без внимания.
И изобретение паровой машины не только помогло оптимизировать промышленность, транспорт в конце 18 века, но и положило начало развитию авиации как таковой. Хоть данный механизм и не получил широкого применения, учитывая его немаловажные преимущества можно смело говорить, что свою точку в истории он ещё не поставил.
Список литературы
- Александр Федорович Можайский/ В.Я. Крылов. - <Мол. гвардия>,1951. - 272 с.
- Дирижабли/ М.Я. Арие.- Наукова думка, 1986. – 133 с.
- История самолетов 1919 – 1945/ Соболев Д. - Российская политическая энциклопедия, 1997. – 100 с.
- Очерк истории паровой машины и применения паровых двигателей в России / А. А. Брандт. - СПб. : Тип. Ю. Н. Эрлих, 1892. - [4], 70 с.
- Паровые двигатели/ В. Богомазов К, Беркута А. Д, Куликовский П.П. – Киев, Гостехиздат УССР, 1952. – 315 с.
- Материал из Википедии - Паровая машина. https://ru.wikipedia.org/wiki/Паровая_машина
| 
