Вы знали, что если в согнутую дугой трубу положить сухого спирта, подуть воздухом из компрессора и подать газ из баллона, то она взбесится, будет орать громче взлетающего истребителя и краснеть от злости? Это образное, но весьма близкое к истине описание работы бесклапанного пульсирующего воздушно-реактивного двигателя — настоящего реактивного двигателя, построить который под силу каждому.
Реактивный двигатель своими руками
Принципиальная схема Бесклапанный ПуВРД не содержит ни одной подвижной детали. Клапаном ему служит фронт химических превращений, образующийся при сгорании топлива.
Реактивный двигатель своими руками
Механический клапан помогает двигателю работать более эффективно.

Бесклапанный ПуВРД — удивительная конструкция. В ней нет движущихся частей, компрессора, турбины, клапанов. Простейший ПуВРД может обойтись даже без системы зажигания. Этот двигатель способен работать практически на чем угодно: замените баллон с пропаном канистрой с бензином — и он продолжит пульсировать и создавать тягу.

К сожалению, ПуВРД оказались несостоятельными в авиации, но в последнее время их всерьез рассматривают как источник тепла при производстве биотоплива. И в этом случае двигатель работает на графитовой пыли, то есть на твердом топливе. Наконец, элементарный принцип работы пульсирующего двигателя делает его относительно безразличным к точности изготовления. Поэтому изготовление ПуВРД стало излюбленным занятием для людей, неравнодушных к техническим хобби, в том числе авиамоделистов и начинающих сварщиков.

Несмотря на всю простоту, ПуВРД — это все-таки реактивный двигатель. Собрать его в домашней мастерской весьма непросто, и в этом процессе немало нюансов и подводных камней. Поэтому мы решили сделать наш мастер-класс многосерийным: в этой статье мы поговорим о принципах работы ПуВРД и расскажем, как изготовить корпус двигателя. Материал в следующем номере будет посвящен системе зажигания и процедуре запуска. Наконец, в одном из последующих номеров мы обязательно установим наш мотор на самодвижущееся шасси, чтобы продемонстрировать, что он действительно способен создавать серьезную тягу.

От русской идеи до немецкой ракеты

Собирать пульсирующий реактивный двигатель особенно приятно, зная, что впервые принцип действия ПуВРД запатентовал российский изобретатель Николай Телешов еще в 1864 году. Авторство первого действующего двигателя также приписывается россиянину — Владимиру Караводину. Высшей точкой развития ПуВРД по праву считается знаменитая крылатая ракета «Фау-1», состоявшая на вооружении армии Германии во время Второй мировой войны.

Конечно же, речь идет о клапанных пульсирующих двигателях, принцип действия которых понятен из рисунка. Клапан на входе в камеру сгорания беспрепятственно пропускает в нее воздух. В камеру подается топливо, образуется горючая смесь. Когда свеча зажигания поджигает смесь, избыточное давление в камере сгорания закрывает клапан. Расширяющиеся газы направляются в сопло, создавая реактивную тягу. Движение продуктов сгорания создает в камере технический вакуум, благодаря которому клапан открывается, и в камеру всасывается воздух.

В отличие от турбореактивного двигателя, в ПуВРД смесь горит не непрерывно, а в импульсном режиме. Именно этим объясняется характерный низкочастотный шум пульсирующих моторов, который делает их неприменимыми в гражданской авиации. С точки зрения экономичности ПуВРД также проигрывают ТРД: несмотря на впечатляющее отношение тяги к массе (ведь у ПуВРД минимум деталей), степень сжатия в них достигает от силы 1,2:1, поэтому топливо сгорает неэффективно.

Зато ПуВРД бесценны как хобби: ведь они могут обходиться вообще без клапанов. Принципиально конструкция такого двигателя представляет собой камеру сгорания с подсоединенными к ней входной и выходной трубами. Входная труба гораздо короче выходной. Клапаном в таком двигателе служит не что иное, как фронт химических превращений.

Горючая смесь в ПуВРД сгорает с дозвуковой скоростью. Такое горение называется дефлаграцией (в отличие от сверхзвукового — детонации). При воспламенении смеси горючие газы вырываются из обеих труб. Именно поэтому и входная, и выходная трубы направлены в одну сторону и сообща участвуют в создании реактивной тяги. Но за счет разницы длин в тот момент, когда давление во входной трубе падает, по выходной еще движутся выхлопные газы. Они создают разрежение в камере сгорания, и через входную трубу в нее затягивается воздух. Часть газов из выходной трубы также направляется в камеру сгорания под действием разрежения. Они сжимают новую порцию горючей смеси и поджигают ее.

Бесклапанный пульсирующий двигатель неприхотлив и стабилен. Для поддержания работы ему не требуется система зажигания. За счет разрежения он всасывает атмосферный воздух, не требуя дополнительного наддува. Если строить мотор на жидком топливе (мы для простоты предпочли газ пропан), то входная труба исправно выполняет функции карбюратора, распыляя в камеру сгорания смесь бензина и воздуха. Единственный момент, когда необходима система зажигания и принудительный наддув, — это запуск.

Китайский дизайн, российская сборка

Существует несколько распространенных конструкций пульсирующих реактивных двигателей. Кроме классической «U-образной трубы», весьма сложной в изготовлении, часто встречается «китайский двигатель» с конической камерой сгорания, к которой под углом приваривается небольшая входная труба, и «русский двигатель», по конструкции напоминающий автомобильный глушитель.

Прежде чем экспериментировать с собственными конструкциями ПуВРД, настоятельно рекомендуется построить двигатель по готовым чертежам: ведь сечения и объемы камеры сгорания, входной и выходной труб всецело определяют частоту резонансных пульсаций. Если не соблюдать пропорции, двигатель может не запуститься. Разнообразные чертежи ПуВРД доступны в интернете. Мы выбрали модель под названием «Гигантский китайский двигатель», размеры которой приводим во врезке.

Любительские ПуВРД делаются из листового металла. Применять в строительстве готовые трубы допустимо, но не рекомендуется по нескольким причинам. Во-первых, практически невозможно подобрать трубы точно требуемого диаметра. Тем более сложно найти необходимые конические секции.

Во-вторых, трубы, как правило, имеют толстые стенки и соответствующий вес. Для двигателя, который должен обладать хорошим соотношением тяги к массе, это неприемлемо. Наконец, во время работы двигатель раскаляется докрасна. Если применять в конструкции трубы и фитинги из разных металлов с разным коэффициентом расширения, мотор проживет недолго.

Итак, мы выбрали путь, который выбирает большинство любителей ПуВРД, — изготовить корпус из листового металла. И тут же встали перед дилеммой: обратиться к профессионалам со специальным оборудованием (станки для водно-абразивной резки с ЧПУ, вальцы для проката труб, специальная сварка) или, вооружившись простейшими инструментами и самым распространенным сварочным аппаратом, пройти нелегкий путь начинающего двигателестроителя от начала до конца. Мы предпочли второй вариант.

Снова в школу

Первое, что необходимо сделать, — начертить развертки будущих деталей. Для этого необходимо вспомнить школьную геометрию и совсем немного вузовского черчения. Сделать развертки цилиндрических труб проще простого — это прямоугольники, одна сторона которых равна длине трубы, а вторая — диаметру, умноженному на «пи». Рассчитать развертку усеченного конуса или усеченного цилиндра — чуть более сложная задача, для решения которой нам пришлось заглянуть в учебник черчения.

Выбор металла — весьма деликатный вопрос. С точки зрения термостойкости для наших целей лучше всего подходит нержавейка, но для первого раза лучше использовать черную низкоуглеродистую сталь: ее проще формовать и варить. Минимальная толщина листа, способного выдержать температуру сгорания топлива, — 0,6 мм. Чем тоньше сталь, тем легче ее формовать и труднее варить. Мы выбрали лист толщиной 1 мм и, похоже, не прогадали.
Реактивный двигатель своими руками
Чтобы работать было приятно и безопасно, мы предварительно очищаем листовой металл от пыли и ржавчины с помощью шлифовальной машинки. Края листов и деталей, как правило, очень острые и изобилуют заусенцами, поэтому работать с металлом надо только в перчатках.
Реактивный двигатель своими руками
Прежде чем отправляться в мастерскую, мы начертили на бумаге и вырезали шаблоны разверток деталей в натуральную величину. Осталось лишь обвести их перманентным маркером, чтобы получить разметку для вырезания.

Даже если ваш сварочный аппарат может работать в режиме плазменной резки, не используйте его для вырезания разверток: края обработанных таким образом деталей плохо свариваются. Ручные ножницы по металлу — тоже не лучший выбор, так как они загибают края заготовок. Идеальный инструмент — электрические ножницы, которые режут миллиметровый лист как по маслу.
Реактивный двигатель своими руками
При работе с электрическими ножницами главный враг — вибрации. Поэтому заготовку нужно надежно фиксировать с помощью струбцины. При необходимости можно очень аккуратно погасить вибрации рукой.
Реактивный двигатель своими руками
Трубы фиксированного диаметра легко формуются вокруг трубы. В основном это делается руками за счет эффекта рычага, а края заготовки закругляются с помощью киянки. Края лучше формовать так, чтобы при состыковке они образовывали плоскость — так легче положить сварной шов.

Для сгибания листа в трубу есть специальный инструмент — вальцы, или листогиб. Он относится к профессиональному производственному оборудованию и поэтому вряд ли найдется у вас в гараже. Согнуть достойную трубу помогут тиски.
Реактивный двигатель своими руками
Сварка тонкого листового металла — тончайшая работа, особенно если вы используете ручную дуговую сварку, как мы. Возможно, для данной задачи лучше подойдет сварка неплавящимся вольфрамовым электродом в аргонной среде, но оборудование для нее редкое и требует специфических навыков.

Процесс сварки миллиметрового металла полноразмерным сварочным аппаратом требует определенного опыта. Чуть передержав электрод на одном месте, легко прожечь в заготовке дыру. При сварке в шов могут попасть пузырьки воздуха, которые затем дадут течь. Поэтому имеет смысл шлифовать шов болгаркой до минимальной толщины, чтобы пузырьки не оставались внутри шва, а становились видимыми.
Реактивный двигатель своими руками
Сгибание конических секций — это исключительно ручной труд. Залог успеха — обжимать узкий конец конуса вокруг трубы малого диаметра, давая на него больше нагрузки, чем на широкую часть.

Настало время смонтировать на нем систему зажигания. Внимательный читатель может возразить, что, по нашим же собственным словам, система зажигания для работы ПуВРД не требуется.

Формально это действительно так: как только двигатель выходит на рабочий режим, зажигание выключается, так как тепла несгоревших газов вполне достаточно для воспламенения новой порции смеси. Однако для запуска ПуВРД необходима искра, причем надежная и постоянная.

Напомним, что во время рабочего такта смесь в камере сгорания интенсивно расширяется в результате дефлаграции — дозвукового горения.

Горючие газы вырываются и из выходной, и из входной трубы, однако из-за небольшой длины входной трубы давление в ней падает быстрее. Движущиеся по выходной трубе газы создают разрежение в двигателе, засасывая новую смесь в камеру сгорания. Разрежение возрастает настолько быстро, что часть газов возвращается по выхлопной трубе обратно в камеру, поджигая новую порцию топлива.

Как видите, весь цикл начинается с интенсивного расширения горючего состава. Чтобы положить начало череде скачков давления, самая первая порция смеси должна иметь идеальное соотношение газа и воздуха. В противном случае газ загорится, но не расширится, и вся конструкция превратится из двигателя в жалкое подобие огнемета.

Чтобы добиться идеального состава смеси на старте, опытные моделисты давно придумали специальную последовательность запуска. Сначала в двигатель подается газ, который полностью заполняет камеру сгорания. Затем включается искровое зажигание. Искра высекается непрерывно, но она не в силах поджечь переобогащенную смесь.

И лишь затем во впускную трубу подается сжатый воздух из компрессора. Как только в камере становится достаточно воздуха, чтобы газ воспламенился, происходит запуск. Богатая смесь на грани воспламенения — то что надо для первого рывка. Затем компрессор можно убрать, а систему зажигания выключить.

Вариантов системы зажигания для любительских ПуВРД придумано немало. Самый простой — установить в камере сгорания калильную свечу от дизельного двигателя и перед запуском разогревать ее до рабочей температуры таблеткой сухого спирта. Такая процедура имеет положительный побочный эффект в виде прогрева камеры сгорания. В более продвинутых вариантах калильная свеча запитывается от автомобильного аккумулятора.

Недостаток калильной свечи заключается в невозможности точно контролировать время зажигания. Подавая газ в камеру сгорания с уже работающей свечой, мы рискуем вместо дефлаграции получить обычный факел. Поэтому наиболее надежным и удобным считается искровое зажигание, которое можно включить после заполнения двигателя газом.

Простой и надежный источник искры — магнето от бензопилы, мотоблока или мопеда. Наш выбор пал на магнето от мотороллера «Муравей». С одной стороны, это готовый узел с собственным корпусом и приводным валом, тогда как в более современных двигателях статор магнето интегрируется в картер и не отделяется от него.

С другой стороны, у грузового «Муравья» полноразмерный 200-кубовый мотор, которому, как и нашему ПуВРД, нужна надежная мощная искра. Магнето приводится в движение торцевым ключом, зажатым в патрон дрели.

Правильный способ крепления свечи к двигателю — приварить к нему гайку, в которую вкручивается свеча. В этом вопросе мы потерпели фиаско: свечи зажигания имеют резьбу с уменьшенным шагом, и соответствующую гайку днем с огнем не сыщешь. Поэтому, да простят нас технологические пуристы, свечу пришлось просто приварить. На качестве контакта с массой это, к счастью, не сказалось.
Реактивный двигатель своими руками
Плохой контакт свечи с наконечником -распространенная беда советской мототехники, а вместе с ней и нашего двигателя.
Реактивный двигатель своими руками
Топливный инжектор делается из газовой горелки. Трубка диаметром 3 мм должна входить в трубу на глубину 4 см. Передвигая трубку ближе или дальше от камеры сгорания, можно в небольших пределах регулировать качество топливной смеси.
Реактивный двигатель своими руками
Неправильно Газ зажегся, но стремительного расширения горючей смеси не произошло. Пропан свободно проходит через двигатель, а из выходной трубы вырывается яркое пламя. Зрелищно, но не эффективно.
Реактивный двигатель своими руками
Правильно Интенсивное расширение правильно смешанного воздушно-пропанового коктейля привело к циклическим скачкам давления в камере сгорания, то есть к запуску двигателя. Раскаленный докрасна корпус — признак успеха.
На фотографиях нашего двигателя вы можете заметить две свечи. Дело в том, что классическая схема подразумевает установку свечи на торец камеры сгорания. Но, поступив таким образом, мы не смогли добиться зажигания смеси. По всей видимости, газ застаивался в камере, а подаваемый из компрессора воздух проходил мимо — прямо в выходную трубу.

Мы решили проблему, установив вторую свечу непосредственно на пути смеси в камеру. Этот способ не является классическим, поэтому мы настоятельно рекомендуем вам не ограничиваться им, а попробовать несколько вариантов.

Пульсирующий воздушно-реактивный двигатель — универсальный источник тяги для любого транспорта. Он может толкать вперед и гоночный карт, и велосипед, и легкую лодку. Чтобы сэкономить драгоценные килограммы для полезной нагрузки, мы выбрали самый легкий спортивный снаряд — лонгборд.

Будем честны: в реальной жизни поездка на лонгборде с ПуВРД далеко не так зрелищна, как на фотографиях. Расчетная тяга нашего двигателя не дотягивает и до 10 кг, поэтому движется наш ракетный транспорт степенно и величественно, как грузовая баржа.

Зато звучит на все 140 дБ и раскаляется докрасна. Если вам удастся запустить ПуВРД, об этом незамедлительно узнают все в радиусе пары километров.

Так что имейте в виду: поездка на ракетной доске без шлема еще простительна, но запуск двигателя без защитных наушников вы не простите себе никогда.