Воздушно-реактивные двигатели
Карл Александрович Гильзин


Научно-популярная библиотека солдата и матроса






Из введения: ...В книге будет рассказано также о том, какие интересные и сложные физические процессы происходят при работе воздушно-реактивных двигателей и как ученые и инженеры овладевают и управляют этими процессами, вписывая блестящие страницы в историю борьбы за овладение силами природы и покорение их человеком; о том, как устроены различные воздушно-реактивные двигатели, каковы их характеристики и их место в авиации настоящего и будущего; о тех замечательных перспективах, которые открываются перед реактивной авиацией будущего, и о том, как ученые и конструкторы борются сегодня за то, чтобы возможное стало действительным...






К. А. Гильзин

Воздушно-реактивные двигатели





Введение


Последние полтора десятилетия ознаменованы бурным развитием реактивной техники. Идеи, которые в течение многих лет были уделом лишь одиночек-изобретателей и ученых, энтузиастов реактивной техники, стали стремительно воплощаться в жизнь. Реактивные двигатели различных типов и конструкций нашли широкое применение в авиации и артиллерии. Это дало возможность за короткое время достигнуть таких замечательных успехов, главным образом в борьбе за скорость и высоту полета, о которых раньше можно было только мечтать. Но это только начало. Впереди еще более замечательные перспективы, еще более увлекательная борьба за новые достижения.

В настоящее время один за другим отметаются различные «пределы» и «потолки» в развитии авиации и артиллерии, которые выдвигались в прошлом некоторыми учеными. Уже оставлен позади таинственный «звуковой порог», или «звуковой барьер», который еще совсем недавно волновал авиаторов. Ныне реактивные самолеты летают на недосягаемых ранее высотах. Ракеты поднимаются на высоты, измеряемые сотнями километров, залетают в самые верхние слои атмосферы, в ионосферу, достигают границ океана мирового пространства. Теперь уже решается задача создания искусственного спутника Земли, второй Луны — первого искусственного небесного тела; рассматриваются проекты посылки ракет на Луну.

Невиданные возможности открывает стремительно развивающаяся реактивная техника, и неудивительно, что к ней проявляют самый живой интерес широкие круги советских людей.

С каждым днем множится количество типов различных реактивных двигателей, находящих применение в авиации и артиллерии. Появляются новые двигатели, обладающие замечательными характеристиками. Различна судьба этих двигателей. Одни из них появляются на свет для того, чтобы лишь немного расширить область применения реактивной техники или улучшить достигнутые ею результаты; другие занимают ведущее положение, на долгие годы становясь основными, главными двигателями. Наконец, третьи сначала вовсе не находят применения. Это — двигатели будущего, двигатели еще невиданных скоростей полета, при которых они не только получат право на существование, но по своим характеристикам оставят далеко позади те двигатели, которые сегодня занимают ведущее положение в авиации.

Семья реактивных двигателей многочисленна. Но все они делятся на две группы в зависимости от того, нужен ли для работы двигателя атмосферный воздух или не нужен.

Одна группа реактивных двигателей для своей работы не нуждается в атмосферном воздухе. Двигатели, принадлежащие к этой группе, могут работать на очень больших высотах, где воздух крайне разрежен, под водой и в безвоздушном пространстве.

Такие двигатели обычно называются ракетными. К ним относятся и пороховые двигатели реактивных снарядов-мин, которыми вели огонь наши прославленные гвардейские реактивные минометы «катюши», и изобретенные К. Э. Циолковским жидкостные ракетные двигатели — двигатели сверхдальних и высотных ракет, ракетных самолетов и космических кораблей, и гидрореактивные двигатели подводных торпед.

Но в настоящей книге речь идет не о ракетных двигателях. Им посвящены другие книги[1 - См., например, книгу К. А. Гильзина «От ракеты до космического корабля», Оборонгиз, 1954.].

Настоящая книга посвящена реактивным двигателям, которые относятся к другой группе. Это так называемые воздушно-реактивные двигатели. Они не могут работать без воздуха, вне атмосферы; для них воздух жизненно необходим, так как в нем содержится кислород, без которого в двигателе не может сгорать топливо.

Воздушно-реактивными двигателями являются турбореактивные двигатели, которые применяются на современных реактивных самолетах, и пульсирующие двигатели, применяющиеся на беспилотных самолетах-снарядах и на некоторых вертолетах, и прямоточные двигатели — двигатели сверхзвукового полета, двигатели завтрашнего дня в авиации.

О всех этих воздушно-реактивных двигателях и будет идти речь в настоящей книге. В ней будет рассказано, как закатилась слава поршневого авиационного двигателя, занимавшего монопольное положение в авиации с момента ее рождения до последних лет; как с развитием авиации был достигнут такой рубеж, когда возникла острая необходимость в новом авиационном двигателе, способном обеспечить полет со скоростями, близкими к скорости звука, а потом и перешагнуть через эту невидимую «звуковую» границу; о том, как появился такой двигатель — реактивный и как с его помощью авиация за короткое время достигла невиданных успехов, о технической революции, произведенной в авиации реактивным двигателем.

В книге будет рассказано также о том, какие интересные и сложные физические процессы происходят при работе воздушно-реактивных двигателей и как ученые и инженеры овладевают и управляют этими процессами, вписывая блестящие страницы в историю борьбы за овладение силами природы и покорение их человеком; о том, как устроены различные воздушно-реактивные двигатели, каковы их характеристики и их место в авиации настоящего и будущего; о тех замечательных перспективах, которые открываются перед реактивной авиацией будущего, и о том, как ученые и конструкторы борются сегодня за то, чтобы возможное стало действительным.

Автору хочется верить, что среди тех, кто прочтет эту небольшую книгу, может быть, впервые знакомящую их с новой, замечательной отраслью науки и техники, найдутся читатели, которые заинтересуются ею, станут читать все новые и новые книги об этой технике и, может быть, решат связать с ней свою жизнь.




Глава первая

Закат славы поршневого авиационного двигателя


Ноябрь 1935 года. Известный советский летчик Владимир Коккинаки поднимает свою стальную птицу на высоту 14 575 ж, установив этим новый мировой рекорд высоты. Безотказно работает двигатель его самолета на огромной высоте, в крайне разреженном воздухе, в условиях, в которых не пришлось еще побывать ни одному другому двигателю в мире.

Июнь 1937 года. Весь мир, затаив дыхание, следит за небывалым полетом краснозвездного самолета Валерия Чкалова через Северный полюс из Советского Союза в Америку (рис. 1). 63 часа летит самолет над неисследованными просторами ледяных полей Арктики, сквозь туман и снег, сквозь штормы и непогоду. И все это время неутомимо, как часы, работает двигатель самолета, радуя экипаж своим мощным, ровным гулом.

— Замечательный мотор! — говорит Чкалов после посадки.

Тысячи километров без посадки пролетели советские самолеты в известных дальних перелетах Чкалова, Громова, Коккинаки, Гризодубовой и других советских летчиков. Эти победы советской авиации были бы невозможны без совершенных, мощных и экономичных авиационных двигателей, созданных отечественной авиационной промышленностью.

В годы Великой Отечественной войны советская авиация покрыла себя неувядаемой славой в борьбе за свободу и независимость нашей Родины. Десятки тысяч самолетов Военно-воздушных сил нашей страны громили тогда в воздухе фашистских стервятников. На этих самолетах были установлены поршневые авиационные двигатели различных типов, построенные на советских авиационных заводах.

Неудивительно, что поршневой авиационный двигатель стяжал себе большую славу и обеспечил авиации столько замечательных побед. В результате полувекового развития этот двигатель стал высокосовершенной машиной.




Рис. 1. Маршруты дальних перелетов В. П. Чкалова




Представьте себе, что вы находитесь на зеленом ковре Тушинского аэродрома в один из традиционных дней авиации еще в предвоенный период.

Вот над вашей головой стремительно пронесся истребитель, наполнив воздух густым, могучим ревом. Мгновение — и высоко в небе вы видите только серебристую точку, которая вскоре сливается с общим голубым фоном. Там, в бездонной глубине неба, в четком строю проплывают какие-то большие самолеты. Это летят воздушные «линкоры» — тяжелые бомбардировщики. Даже большая высота не скрывает огромных размеров этих многотонных машин.

Что же это за могучая сила, которая поднимает в воздух на многокилометровую высоту воздушные корабли весом в несколько десятков тонн и делает кажущуюся такой неповоротливой на земле машину похожей на стремительную птицу, молнией пересекающую голубой купол небосвода?

Эта сила создается воздушным винтом. Он вращается с огромной скоростью, совершая каждую минуту более тысячи оборотов: его лопасти сливаются в один сверкающий диск (рис. 2).




Рис. 2. Лопасти вращающихся винтов сливаются в сплошные диски (советский тяжелый бомбардировщик в период Великой Отечественной войны в полете)




Каким же образом воздушный винт создает движущую силу, или тягу, как ее называют? Почему он способен служить «движителем», т. е. устройством, создающим движущую силу?

Мы не можем видеть того, как создается тяга винтом, ибо окружающий нас воздух прозрачен. Однако, если захотим, мы можем почувствовать это. Станьте позади работающего винта — на вас тотчас обрушится стремительный поток воздуха, сильнее любого урагана. Но сделайте два шага в сторону, и вы выйдете из сферы действия воздушного потока — «ураган» исчезнет. Этот «ураган» создается винтом. Оказывается, винт — это мощный вентилятор. Он засасывает спереди окружающий неподвижный воздух и с огромной скоростью отбрасывает его назад.

Если бы мы могли сделать воздух видимым, например, окрашенным в зеленый цвет, причем не просто окрашенным, а так, что по мере ускорения движения воздуха окраска его становилась бы все темнее, то мы увидели бы необыкновенно красивое зрелище.

Вот в светлозеленом океане начал вращаться воздушный винт. Взволновался океан перед винтом, и со всех сторон — спереди, сбоку, сверху, снизу — стали притекать к прозрачному диску вращающегося винта воздушные струйки, образуя огромную зеленую воронкообразную чашу. Чем ближе к винту, тем уже и темнее эта чаша. Вот струйки прошли через едва различимую преграду — диск вращающегося винта; за ним огромная воздушная воронка стала темнозеленой. Воздушный поток — «ураган» — стал видимым. Винт оказался работающим внутри образованной им в воздушном океане своеобразной «аэродинамической трубы», заполненной быстро движущимся воздухом (рис. 3).




Рис. 3. Такую невидимую воздушную струю образует воздушный винт




Вот, оказывается, в чем заключается действие винта — он неустанно отбрасывает назад воздух так же, как мы с вами могли бы бросить камень или мяч.

Но ведь «бросить» —это значит толкнуть. Чем тяжелее камень и чем большую скорость он приобретает при толчке, тем большей должна быть сила толчка. Винт отбрасывает каждую секунду сотни и тысячи килограммов воздуха со скоростью в десятки метров в секунду, поэтому он действует на воздух с огромной силой в сотни и тысячи килограммов.

Но в природе всегда и неразрывно связаны между собой действие и противодействие — силы, равные по величине друг другу, но противоположно направленные. Так и гласит один из основных законов механики, установленный создателем этой науки — Ньютоном (третий закон Ньютона): действие равно противодействию.

Следуя этому закону, воздух сопротивляется действию винта, оказывает ему противодействие. Если винт толкает воздух, то воздух с такой же силой толкает винт.

Вот это противодействие воздуха, т. е. та сила, с которой отбрасываемый воздух действует на винт, и есть движущая сила винта, его тяга. Значит, тяга винта — это сила реакции отбрасываемого им воздуха (по латыни «реакция» и есть противодействие). Мы здесь встречаемся, следовательно, с движущим устройством, использующим принцип реактивной отдачи.

Так как вращающийся воздушный винт непрерывно отбрасывает с большой скоростью огромную массу воздуха, то легко видеть, что для вращения его нужно затрачивать большую работу. «Ураган», бушующий за винтом, обходится недешево.

Для приведения во вращение воздушного винта и устанавливается на самолете авиационный поршневой двигатель. Вместе они образуют силовую установку, без которой самолет не может совершать полет. Двигатель развивает необходимую для совершения полета мощность, а воздушный винт использует эту мощность для создания силы тяги, движущей самолет.

Понятно, какое огромное значение имеет для самолета совершенство установленного на нем двигателя. Не зря говорят, что двигатель — это сердце самолета. Чем надежнее, мощнее, легче и меньше по размерам двигатель, чем меньше топлива он расходует, тем быстрее, выше и дальше может летать самолет.

Наши ученые, конструкторы, инженеры и рабочие авиационной промышленности настойчиво развивали и совершенствовали авиационные двигатели, обеспечивая высокое качество советской авиации.

Три четверти века назад был создан авиационный поршневой двигатель внутреннего сгорания. С тех пор этот двигатель прошел замечательный путь развития. Современные поршневые авиационные двигатели так же не похожи на первые двигатели, как и современные самолеты не похожи на «летающие этажерки» и «летающие гробы» начала нашего века.

Вот перед нами на взлетной полосе аэродрома стоит готовый к взлету самолет с поршневым двигателем (рис. 4). Уже получено разрешение на взлет; сейчас летчик «даст газ» — передвинет рычаг управления вперед, двигатель перейдет на полную мощность и самолет начнет разбег для взлета.

Но задержим самолет на взлетной полосе, положив под его колеса деревянные колодки. Теперь, сколько ни будет «газовать» летчик, самолет не тронется с места. Воспользуемся возможностью и познакомимся с двигателем самолета.




Рис. 4. Самолет Як-18 перед взлетом




Двигатель установлен в передней части фюзеляжа. Его совсем не видно, так как он укрыт капотом — обтекателем, создающим самолету плавные обтекаемые формы. Из-под капота наружу выглядывают только небольшие выхлопные патрубки, из которых вырываются языки голубоватого пламени. Это выбрасываются в атмосферу из цилиндров двигателя раскаленные газы, продукты сгорания бензина, на котором работает двигатель.

В цилиндрах двигателя происходят очень сложные процессы. Много раз в секунду осуществляется в каждом из них рабочий цикл: засасывается свежий воздух, который на пути в цилиндры перемешивается с топливом — бензином; бензовоздушная смесь сжимается и мгновенно сгорает, при этом образуются раскаленные газы высокого давления. В этих-то газах и заключена вся тепловая энергия, выделившаяся при сгорании топлива, в них источник той силы, которая неутомимо вращает воздушный винт. Но путь энергии от газов к винту весьма сложен. Газы расширяются и давят на поршни, движущиеся вверх-вниз в цилиндрах; поршни связаны шатунами с коленчатым валом. Так с помощью сложного кривошипно-шатунного механизма энергия расширяющихся газов сообщается коленчатому валу двигателя. От коленчатого вала двигателя, обычно через шестеренчатую передачу — редуктор, получает вращение воздушный винт.

Если бы капот самолета и стенки двигателя были стеклянными, то мы все равно не смогли бы разобраться в том, что происходит внутри двигателя. Протекающие в нем различные процессы чередуются так быстро, что потребовалась бы «лупа времени», замедленная киносъемка для того, чтобы уловить направление движения частей двигателя или разобраться в последовательности происходящих в нем явлений.




Рис. 5. Отечественный поршневой авиационный двигатель АШ-82




Современный поршневой авиационный двигатель (рис. 5) состоит из тысяч различных деталей. Он развивает мощность до нескольких тысяч лошадиных сил, способен работать десятки часов подряд, даже в разреженной атмосфере, на высотах в 15 км и более, выдерживает огромную нагрузку, которой подвергается в полете при выполнении фигур высшего пилотажа или в воздушном бою. И вместе с тем он во много раз легче и меньше любого другого двигателя внутреннего сгорания такой же мощности.

Поршневой авиационный двигатель — это сложнейшая машина, исключительно точная, изготовленная из особо высококачественных материалов; в нем воплощены достижения различных отраслей пауки и техники. Только страны с высокоразвитой тяжелой индустрией в состоянии строить такие машины.

Десятилетия служил поршневой двигатель авиации, завоевав всеобщее признание, достигнув вершины славы. И тем стремительнее было падение этого двигателя, хотя неизбежный закат его славы ученые предсказывали еще тогда, когда она находилась в самом зените.

Что же послужило причинами этому падению?

Таких причин было по существу две, хотя обе они касаются одного и того же.

Дело в том, что поршневой авиационный двигатель не смог решить задачу резкого увеличения скорости полета, задачу, которая поставлена перед авиацией всем ходом ее развития. И в то же время появился новый двигатель, который обеспечивает решение этой задачи.

Нет ничего удивительного в том, что именно борьба за скорость полета решила участь поршневого двигателя.

Увеличение скорости полета — одно из важнейших направлений развития авиации. Весь опыт, накопленный авиацией за полвека ее развития, подтверждает правильность слов, ставших за последнее время крылатыми: кто быстрее в воздухе, тот и сильнее в воздухе.

Но почему же именно дальнейшее увеличение скорости стало неразрешимой задачей для поршневого двигателя? Ведь этот двигатель выдержал немало испытаний еще совсем в недалеком прошлом; он одержал немало побед и в борьбе за скорость полета. Непрерывное усовершенствование двигателя было одной из причин непрерывного увеличения скорости полета самолетов. К концу минувшей войны истребители с поршневыми двигателями обладали скоростью полета 700—750 км/час — это в 15 раз больше скорости полета самолетов начала нашего века. Замечательный успех! Ни в одном другом виде транспорта не было таких темпов роста скоростей движения.

Конечно, достигнутый рубеж в борьбе за скорость полета не является еще пределом для поршневого авиационного двигателя. Настойчивая работа по дальнейшему совершенствованию этого двигателя вместе с совершенствованием самого самолета привела бы к увеличению скорости полета, и достигнутый рубеж можно было бы перейти. И все же предел возможностей поршневого двигателя в борьбе за скорость полета существует; к концу второй мировой войны авиация, выражаясь военным языком, была уже на ближних подступах к этому пределу.

Предел, через который не может перешагнуть самолет с поршневым двигателем, это — полет со скоростью звука.

Еще в прошлом веке русский ученый профессор Н. В. Маиевский указал на тот качественный рубеж, который представляет собой полет со скоростью звука, т. е. с той скоростью, с которой в воздухе распространяются звуковые волны, звуковые колебания. Эта скорость вблизи земли равна примерно 1225 км/час.

В начале нашего века другой русский ученый, глава советской школы аэродинамиков С. А. Чаплыгин в своей магистерской диссертации первым в мире раскрыл суть процессов, происходящих при полете со скоростью, близкой к скорости звука или больше звуковой.

Теперь эти процессы изучены и теоретически, и практически. Хорошо известно, что когда скорость полета приближается к звуковой, то сопротивление, оказываемое воздухом летящему самолету, резко увеличивается. При этом характер обтекания воздушным потоком самолета, прежде всего его крыла, резко изменяется. Секрет этих изменений обусловливается сжимаемостью воздуха.

Когда скорость полета начинает приближаться к звуковой, то в воздухе, обтекающем самолет, появляются зоны сильного местного сжатия и правильное обтекание нарушается. Сопротивление, которое приходится преодолевать летящему самолету, при этом резко увеличивается. Преодолеть такое сопротивление поршневой двигатель с винтом оказывается не в состоянии.

Опыт показывает, что с увеличением скорости полета сопротивление летящему самолету увеличивается пропорционально квадрату скорости, если скорость полета остается значительно меньшей скорости звука; при увеличении скорости вдвое сопротивление возрастает вчетверо и т. д. Но если сопротивление увеличивается пропорционально квадрату скорости, то и тяга, развиваемая винтом, должна расти пропорционально квадрату скорости полета, ибо в установившемся горизонтальном полете тяга равна лобовому сопротивлению самолета. В действительности тяга, развиваемая поршневым двигателем и винтом, с ростом скорости полета не только не увеличивается, а даже, как это будет показано ниже, уменьшается. Уже одно это говорит о том, что поршневой двигатель непригоден для скоростного полета.

Вся мощность, получаемая на валу поршневого авиационного двигателя, затрачивается на вращение воздушного винта. Большая часть этой мощности расходуется на создание тяги, т. е. на отбрасывание воздуха винтом. Другая, меньшая часть мощности расходуется на завихрение воздуха, закрутку воздушного потока за винтом и другие виды потерь. Эти потери учитываются коэффициентом полезного действия винта (к. п. д.), который показывает, какая доля мощности, получаемой на валу поршневого авиационного двигателя, затрачивается полезно, т. е. на создание тяги. Коэффициент полезного действия воздушного винта в обычных условиях достигает 80— 85%; остальные 15—20% мощности двигателя — это энергия, теряемая воздушным винтом без совершения полезной работы.

Если, допустим, мощность двигателя, передаваемая им винту, равна 1000 л. с., а к. п. д. винта равен 80%, то мощность, равная 200 л. с., теряется винтом бесполезно, а 800 л. с. затрачивается на полезную работу винта. Когда этот двигатель с винтом установлен на самолете, то полезной работой его в полете является работа продвижения самолета в окружающей воздушной среде, т. е. работа, затрачиваемая на преодоление воздушного сопротивления. Как известно, работа есть произведение силы на пройденный в направлении ее действия путь, а мощность, являющаяся секундной работой, может быть представлена как произведение силы на скорость движения. В нашем случае силой, производящей работу, является сила тяги. Поэтому полезная мощность N в лошадиных силах равна произведению силы  тяги Р в килограммах на скорость полета V в метрах в секунду, т. е.




(деление на 75 связано с переходом от килограммометров к лошадиным силам). Если, например, скорость полета самолета V равна 100 м/сек, т. е. 360 км/час, то полезная мощность может быть выражена формулой




Значит, сила тяги Р, развиваемая винтом, будет равна




Если же скорость полета V увеличится до 200 м/сек, т. е. станет вдвое большей (720 км/час), то при той же полезной мощности 800 л. с. сила тяги винта будет равна




т. е. уменьшится вдвое.

Таким образом, тяга, развиваемая воздушным винтом, приводимым во вращение поршневым авиационным двигателем, и тяга, потребная для осуществления полета самолета, с ростом скорости полета меняются неодинаково, как это нужно было бы для непрерывного роста скорости. Мало того, их изменения оказываются диаметрально противоположными: потребная тяга быстро растет, а тяга воздушного винта падает.

Это расхождение между тягой, развиваемой воздушным винтом, и тягой, потребной для полета, и является той причиной, вследствие которой поршневой авиационный двигатель оказывается малопригодным для полета на больших скоростях. Чтобы получить большую тягу, потребную при увеличении скорости полета, на самолете необходимо установить и более мощные двигатели.

Но увеличение мощности двигателя скоростного самолета возможно лишь за счет значительного увеличения его размеров и веса. При этом неизбежно увеличиваются и размеры самолета, растет его сопротивление и, как следствие, снова увеличивается потребная тяга.

Поэтому установка нового, более мощного двигателя на самолете сравнительно немного увеличивает скорость его полета. Чем больше скорость полета, тем труднее, с помощью поршневого авиационного двигателя добиться нового увеличения скорости. Но еще хуже обстоит дело, когда скорость полета приближается к скорости звука. Из-за потерь, связанных со сжимаемостью воздуха при скоростях полета, близких к скорости звука, сопротивление летящему самолету увеличивается уже пропорционально не квадрату, а пятой и даже шестой степени скорости полета. Это значит, что для увеличения скорости полета всего на 10% винт должен развивать тягу, увеличенную почти на 80°/о. А так как мощность двигателя, как указывалось выше, при неизменном к. п. д. винта пропорциональна произведению тяги на скорость полета, то она должна при этом возрасти примерно в 2 раза!

Кроме того, следует учесть, что при значительном увеличении скорости полета и винт также начинает работать хуже. Это объясняется тем, что при движении лопасти винта с околозвуковой скоростью появляются известные нам неприятности, связанные с сжимаемостью воздуха. В результате при той же тяге на вращение винта приходится затрачивать большую мощность — к. п. д. винта падает.

Следовательно, при увеличении скорости полета на 10% мощность двигателя должна возрасти более чем в 2 раза. При этом размеры и вес двигателя должны остаться прежними, иначе потребная тяга увеличится и весь расчет придется начинать сначала.

Понятно, почему увеличение скорости полета и приближение ее к скорости звука оказались роковым для поршневого двигателя. Пробить «звуковой барьер» (рис. 6) поршневому двигателю не под силу. Для решения этой задачи потребовался двигатель принципиально другого типа. Слава поршневого двигателя как основного двигателя авиации закатилась.

Это не значит, конечно, что поршневые двигатели стали вовсе непригодными для авиации. Они все еще находят широкое применение и будут применяться в авиации долгое время. Но их применение ограничится самолетами с малой скоростью и главным образом большой продолжительностью полета. При этих условиях поршневые авиационные двигатели сохраняют свои достоинства.

Таким образом, поршневые авиационные двигатели уже не только перестали быть единственными двигателями авиации, какими они были в течение почти полувека ее развития, но и не занимают в ней ведущего положения, они отошли на второй план. Основное внимание уделяется теперь не им, а тем новым двигателям, которые пришли им на смену.




Рис. 6. «Звуковой барьер» — непреодолимое препятствие для самолетов с поршневыми двигателями (с увеличением высоты температура воздуха понижается, поэтому скорость звука уменьшается)




Что же это за двигатели, вызвавшие техническую революцию в авиации?

Это — реактивные двигатели.




Глава вторая

Новая эра в развитии авиации


Еще четверть века назад, когда поршневой авиационный двигатель занимал в авиации монопольное положение, каш соотечественник, замечательный ученый и изобретатель, основоположник теории реактивного движения Константин Эдуардович Циолковский утверждал, что будущее в авиации принадлежит не поршневому, а реактивному двигателю. В одной из своих работ, относящихся к 1930 г., он писал: «За эрой аэропланов винтовых должна следовать эра аэропланов реактивных».

В те годы во многих странах к созданию реактивных самолетов относились, как к делу столь далекого будущего, что говорить об этом считалось равносильно утопическим мечтаниям. Но прошло всего одно десятилетие после пророческого заявления Циолковского, и в воздух взлетели первые реактивные самолеты. А спустя еще одно десятилетие появились тысячи реактивных самолетов, с каждым годом отвоевывая у обычных «поршневых» самолетов все новые и новые позиции.

Преимущества реактивных самолетов перед самолетами с поршневыми двигателями настолько очевидны и бесспорны, что теперь нет ни малейшего сомнения в том, что именно реактивной авиации принадлежит будущее. Сейчас можно с полным основанием говорить о том, что применение реактивных двигателей вызвало подлинную техническую революцию в авиации.

В данном случае речь идет не о каких-нибудь технических усовершенствованиях, пусть даже коренных, а именно о революционных преобразованиях. Эти преобразования имеют такое же значение для борьбы человека за покорение воздушного океана, как и само начало моторного летания, положенное историческим полетом самолета Александра Федоровича Можайского.

Вся история развития авиации до появления реактивных самолетов была историей дозвуковых скоростей полета. Скорость полета неизменно росла, но по мере приближения к скорости звука этот рост замедлялся. Перешагнуть через «звуковой барьер» самолет с поршневым двигателем оказался не в состоянии.

Но этот «звуковой барьер» был преодолен в первое же десятилетие новой эры, эры реактивной авиации. Авиация вышла на простор сверхзвуковых скоростей полета. Теперь уже скорость полета будет непрерывно и быстро возрастать.

Конечно, с развитием реактивной авиации по мере увеличения скорости полета будут меняться и типы реактивных двигателей. Будут претерпевать радикальные изменения и конструктивные формы летательных аппаратов и, может быть, сама методика осуществления полета. Нет сомнения в том, что широкое применение в авиации будущего получит атомная энергия, — это откроет новые замечательные перспективы развития авиации. Но основным двигателем авиации останется двигатель реактивный.

В настоящее время широкое применение в авиации нашли реактивные двигатели только одного типа — турбореактивные. Другие типы реактивных двигателей применяются пока еще в очень ограниченных размерах.

Как и в других областях реактивной техники, большие заслуги в области создания и развития реактивной авиации принадлежат ученым и изобретателям нашей страны. Это в полной мере относится и к турбореактивному двигателю.

Первый в мире патент на турбореактивный двигатель был взят в нашей стране инженером Н. Герасимовым в 1909 г. Еще за много лет до этого в нашей стране высказывались различные оригинальные и смелые идеи использования принципа реактивного движения в воздухоплавании и авиации. Эти идеи принадлежали И. М. Третесскому, Н. С. Соковнину, Н. И. Кибальчичу и другим энтузиастам реактивной техники, не говоря уже о классических работах К. Э. Циолковского. Но именно в патенте Н. Герасимова впервые нашли отражение основные принципы турбореактивного двигателя. По существу это было изобретением турбореактивного двигателя.

Однако еще раньше, в 1892 г., выдающийся русский инженер и изобретатель П. Д. Кузьминский предложил, а затем в 1897 г. построил и испытал первый в мире газотурбинный двигатель. Этот двигатель предназначался для использования не в авиации, а в быстроходном надводном флоте. Он был испытан на Неве, для чего изобретатель установил его на катере, предполагая впоследствии установить подобный двигатель и на самолете.

Двигатель П. Д. Кузьминского, названный им «газопарородом», не являлся реактивным двигателем. Этот двигатель вращал гребной винт катера, однако он имел те же основные части, которые имеют и современные турбореактивные двигатели, также являющиеся двигателями газотурбинными.

Двигатель П. Д. Кузьминского можно считать прототипом так называемых турбовинтовых двигателей, которые уже применяются в авиации и имеют несомненное будущее.

Первый газотурбинный двигатель, предназначенный для самолета, был разработан в 1914 г. лейтенантом флота М. Н. Никольским.

В 1924 г. советский инженер-конструктор В. И. Базаров предложил схему авиационного газотурбинного двигателя, который почти во всех основных чертах приближается к современным двигателям этого типа.

В 1930—1932 гг. проекты авиационных газотурбинных двигателей, в том числе и турбореактивного, были предложены К. Э. Циолковским, который наряду с разработкой двигателей для межпланетных кораблей работал также и над реактивными двигателями для самолетов.

Заслуга создания первых авиационных турбореактивных двигателей принадлежит известному советскому авиаконструктору лауреату Сталинской премии А. М. Люлька. Свою работу над этими двигателями он начал еще в 1934 г. и к 1937 г. разработал проекты турбореактивных двигателей двух типов.

Ученым нашей страны принадлежит приоритет в области теории воздушно-реактивных двигателей.

Основоположником теории реактивных двигателей является знаменитый русский ученый, отец русской авиации Николай Егорович Жуковский. В ряде своих классических работ, относящихся к 1882, 1886 и 1908 годам, Жуковский привел выведенную им формулу для определения силы тяги реактивного двигателя. Для получения этой формулы, которая в настоящее время широко используется во всем мире, Жуковскому пришлось теоретически исследовать те усилия, которые оказывает на сосуд, движущийся в жидкой среде (ведь воздух это тоже жидкость), втекающая и вытекающая из него жидкость.

Основываясь на работах Жуковского, его ученик, ныне лауреат Сталинской премии академик Б. С. Стечкин в 1929 г. опубликовал работу «Теория воздушно-реактивного двигателя», которая стала основным трудом в области реактивного двигателестроения.

Советский Союз благодаря теоретическим исследованиям и практической работе коллективов наших авиаконструкторов, мощных научно-исследовательских институтов и заводов авиационной промышленности обладает совершенными турбореактивными двигателями, занимая ведущее место в развитии реактивной авиации.

* * *


1946 год. Прошел всего один год после победоносного завершения Великой Отечественной войны с гитлеровской Германией. Страна праздновала свой первый послевоенный Первомай. В этот день над колоннами демонстрантов высоко в небе Москвы с огромной скоростью пронеслись невиданные до сих пор самолеты. Они и были похожи на обычные самолеты, и многим отличались от них. Вместо привычного рокота двигателей — мощный гул, переходящий иногда в свист; высоко расположенное необычное хвостовое оперение; узкие, отогнутые назад крылья, придававшие этим самолетам вид стремительно летящих стрел; как будто обрубленные спереди и сзади фюзеляжи. Но самое главное — трудно было понять, что заставляет эти самолеты лететь с такой огромной скоростью, что тянет их вперед. На самолетах не было видно ни на фюзеляже, ни на крыле того сверкающего диска, который образует вращающийся с большим числом оборотов воздушный винт; а ведь именно воздушный винт заставляет лететь обычный самолет.

Это были реактивные самолеты. На каждом из них внутри фюзеляжа был установлен турбореактивный двигатель — он-то и создавал необходимую для полета тягу, издавая при этом так поразивший москвичей мощный гул. Теперь этот звук работающего турбореактивного двигателя хорошо знаком не только москвичам, но и всем гражданам нашей Родины, являющимся свидетелями быстрого развития советской реактивной авиации.

Через год с небольшим после этого первого группового полета реактивных самолетов над Москвой, в день традиционного праздника советской авиации 3 августа 1947 года, сотни тысяч москвичей, собравшихся на Тушинском аэродроме, были свидетелями захватывающего по красоте зрелища: советский летчик полковник И. П. Полунин впервые в мире продемонстрировал выполнение фигур высшего пилотажа на реактивном самолете. А в следующем году авиационный праздник был ознаменован блестящим выполнением первого в мире группового высшего пилотажа на реактивных самолетах. Пятерка советских летчиков во главе с генералом Е. Я. Савицким демонстрировала свое замечательное мастерство — следовавшие одна за другой фигуры высшего пилотажа образовывали стремительный каскад, все пять самолетов, казалось, управлялись единой волей, так согласованы были их движения.

* * *


Вот летит скоростной реактивный бомбардировщик. На его крыле хорошо видны длинные сигарообразные тела с как будто срезанными концами (рис. 7). Это гондолы; в них установлены турбореактивные двигатели, которые создают тягу, необходимую для полета реактивного самолета.




Рис. 7. Реактивный бомбардировщик в полете




Как же создается эта тяга? Ответить на этот вопрос, наблюдая летящий самолет, нелегко: ведь воздух прозрачен и простым глазом не удается видеть происходящие в нем изменения.

Другое дело, если бы самолет совершал свой полет в описанном выше искусственном зеленом воздушном океане. Тогда мы увидели бы живописную картину, очень похожую на ту, при помощи которой мы познакомились с работой воздушного винта.

Попробуем проследить за происходящими в нашем зеленом океане явлениями, начиная с самого момента запуска двигателя. Вот турбореактивный двигатель начал работать, и безмятежный ранее зеленый океан заволновался. Как и к вращающемуся винту, к входному отверстию двигателя со всех сторон — сверху, снизу с боков — начали подтекать струйки воздуха, образуя темнозеленую воронку. Чем ближе к входному отверстию, тем темнее окраска воздуха; помните — это значит, что движение воздуха ускоряется. Следовательно, двигатель подсасывает воздух так же, как это делает воздушный винт. Образующаяся перед входным отверстием двигателя воронка, заметная в нашем зеленом океане по более темной окраске, и есть засасываемый в двигатель воздух. В стороне от этой воронки воздух неподвижен и окраска его там совсем светлозеленая. Все напоминает нам картину, виденную и при работе винта. Разница только в том, что воронка перед двигателем гораздо меньше по размерам, чем перед винтом. Это значит, что через двигатель в каждую секунду проходит воздуха значительно меньше, чем через винт.

Теперь посмотрим, что происходит у выходного отверстия двигателя, через которое засосанный в него воздух выходит в атмосферу.

Оказывается, и за двигателем картина также похожа на ту, которую мы наблюдали за вращающимся воздушным винтом. Из двигателя наружу вытекает мощная струя темнозеленого цвета. Ее окраска гораздо темнее, чем цвет воздуха за винтом. Следовательно, воздух, вытекающий из двигателя (точнее, не воздух, а газы, о чем будет сказано ниже), обладает значительно большей скоростью, чем воздух, отбрасываемый назад воздушным винтом.

Итак, мы убедились в том, что турбореактивный двигатель засасывает воздух из окружающей атмосферы и с большой скоростью отбрасывает его назад (рис. 8) точно так же, как это делает воздушный винт.

Мы пока смогли заметить только одно различие в работе винта и двигателя: воздушный винт отбрасывает ежесекундно значительно больше воздуха, чем турбореактивный двигатель (потому что диаметр воздушного винта больше), но зато турбореактивный двигатель отбрасывает газы со значительно большей скоростью.




Рис. 8. Турбореактивный двигатель создает тягу так же, как и воздушный винт, отбрасывая назад с большой скоростью засасываемый воздух (газы)




Правда, есть и еще одно весьма важное различие. Чтобы его заметить, нам нужно было бы воспользоваться другим искусственным воздушным океаном, таким, у которого цвет меняется при изменении не скорости, а температуры воздуха, — с ростом температуры окраска темнеет. Пусть это будет, например, красный воздушный океан. В этом случае мы установили бы, что цвет океана перед работающим винтом и за ним остается практически одинаковым — светлорозовым, так как температура воздуха, протекающего через прозрачный диск, образуемый воздушным винтом при его вращении, не изменяется. При работе турбореактивного двигателя дело будет обстоять иначе. В двигатель будет поступать светлорозовый поток воздуха, а из двигателя вытекать струя, окрашенная в темнокрасный цвет. Это значит, что температура струи гораздо выше, чем температура окружающей атмосферы. Это и понятно — вытекающие из двигателя газы, представляющие собой, как мы увидим ниже, перемешанные с воздухом продукты сгорания топлива, на котором работает двигатель, нагреты до температуры 600—700° С.

Поскольку турбореактивный двигатель непрерывно отбрасывает с большой скоростью газы, то, как и винт, он развивает тягу, необходимую для полета самолета.

Мы видим, что разница между тем, как создает тягу поршневой двигатель с винтом и турбореактивный двигатель, невелика — в обоих случаях тяга создается путем отбрасывания воздуха (для простоты в данном случае можно считать, что из реактивного двигателя вытекают не газы, а раскаленный воздух). Пожалуй, единственная существенная разница в том только и заключается, что винт отбрасывает много воздуха с малой скоростью, а реактивный двигатель — мало воздуха, но с большой скоростью.

Обычный самолет с поршневым двигателем и винтом оставил бы после себя в нашем зеленом океане широкую струю, целую реку воздуха, более темного по своей окраске, чем окружающий океан. Этот воздух двигался бы в сторону, противоположную полету, со сравнительно небольшой скоростью. Если же пролетит реактивный самолет с турбореактивным двигателем, то он оставит за собой сравнительно небольшую по сечению, но темнозеленую струю — это будет уже стремительный поток, мчащийся назад с большой скоростью. Исчезнут из поля зрения, скроются оба самолета, а в зеленом воздушном океане мы все еще будем видеть две темные струи, которые только постепенно размоются, слившись с окружающей средой.

Но если создавать тягу — значит отбрасывать воздух, то нетрудно определить и величину силы тяги, зная, сколько отбрасывается воздух и какую скорость он при этом приобретает. Ведь мы уже знаем, что сила толчка зависит именно от указанных двух величин, — так гласит один из основных законов механики — второй закон Ньютона. На основании этого закона сила тяги турбореактивного двигателя может быть определена по формуле

р = т (W — V),

где Р — сила тяги в кг;

т — отбрасываемая двигателем масса воздуха (газов) в кг * сек


/ м;

W — скорость воздуха (газов), вытекающего из двигателя м/сек;

V — скорость полета м/сек.

Эта формула пригодна, конечно, и для определения силы тяги, создаваемой воздушным винтом.

Мы видим, что тяга Р тем больше, чем больше масса отбрасываемого воздуха т и чем больше величина приращения скорости (W—V), которую получает воздух, проходя через двигатель (или винт). Ведь разность скоростей W — V и есть та скорость, с которой отбрасывается воздух (т. е. скорость, которую он приобретает в двигателе).

Так как т = G / 9,81, то формула для силы тяги часто пишется так:




где G — вес воздуха (газов), отбрасываемого за секунду, в кг/сек;

9,81 — величина ускорения свободно падающего тела в м/сек


.

Совершенно очевидно, что можно получить ту же тягу, отбрасывая вдесятеро меньшее количество воздуха, но сообщая ему вдесятеро большую скорость. Принципиального различия между этими двумя случаями нет.

Но между поршневым двигателем с винтом и турбореактивным двигателем существует глубоко принципиальное различие. Оно заключается в том, что поршневой двигатель сам по себе тяги не создает, а лишь вращает воздушный винт, который и служит для создания тяги, т. е. является движителем, а турбореактивный двигатель создает тягу непосредственно сам. В этом заключается одна из важнейших особенностей всех без исключения реактивных двигателей — они не нуждаются ни в каких движителях, так как создают тягу сами. Поэтому реактивные двигатели часто называют двигателями прямой реакции, отмечая этим то обстоятельство, что сами эти двигатели непосредственно, «прямо» создают реакцию, реактивную тягу.

Понятно, почему двигатели прямой реакции, предназначенные для того, чтобы развивать реактивную тягу, обычно и характеризуются величиной этой тяги; говорят: двигатель тягой 100 кг или двигатель тягой 1000 кг. Поршневые же двигатели, равно как и другие нереактивные двигатели, оценивают, как известно, по развиваемой ими мощности (двигатель мощностью 100 л. с. или двигатель мощностью 1000 л. с.).

Это основное отличие любого реактивного двигателя от любого другого двигателя (парового, двигателя внутреннего сгорания и т. д.) является очень глубоким. Любой из известных двигателей, кроме реактивного, может иметь широкое применение. Например, тот же поршневой авиационный двигатель внутреннего сгорания, установленный на самолете и приводящий во вращение воздушный винт, является действительно авиационным. Но его можно установить и на автомобиле — ведь поршневой авиационный двигатель отличается от обычных автомобильных двигателей главным образом своей большой мощностью. Известно, например, что на некоторых гоночных рекордных автомобилях устанавливались авиационные двигатели. Авиационный двигатель можно установить на танк — ему тоже нужна большая мощность. Впрочем, некоторые танковые двигатели являются очень близкими «родственниками» авиационных. Можно установить авиационный двигатель на быстроходном морском катере — и там нужна большая мощность и малый вес; двигатели этого «москитного флота» тоже обычно «родные братья» авиационных двигателей. Можно установить, при желании, авиационные двигатели и на гигантском теплоходе для привода во вращение его гребных винтов: ведь обычные двигатели теплоходов — тоже поршневые двигатели внутреннего сгорания, только гораздо более тяжелые. Можно установить авиационный поршневой двигатель и на железнодорожном локомотиве — тепловозе, и на тракторе, и на самоходном комбайне. Все это такие машины, на которых, как известно, поршневые двигатели внутреннего сгорания получили самое широкое распространение. Однако эти двигатели находят широкое применение не только в транспорте — воздушном, водном, наземном, но и в стационарных установках. Принципиально можно, например, установить авиационный двигатель на электростанции — он будет приводить во вращение генератор электрического тока. В этом случае мощность, развиваемая двигателем, будет преобразовываться в электрическую энергию. Электростанции с поршневыми двигателями внутреннего сгорания (не авиационными, конечно) имеют довольно широкое применение. Можно также установить поршневой авиационный двигатель и на заводе или фабрике, допустим, текстильной, и тогда мощность двигателя будет затрачиваться на привод в движение ткацких станков. Конечно, этот перечень можно было бы продолжить.

Таким образом мы видим, что поршневой двигатель с успехом можно использовать в различных областях народного хозяйства.

Иное дело двигатель реактивный. Назначение этого двигателя — обеспечивать движение с большой скоростью, возможной лишь в воздухе, значит, в авиации и артиллерии. Конечно, можно и реактивный двигатель, например турбореактивный, установить и на катере, и на автомобиле, и на железнодорожном локомотиве. Но в этом случае от достоинств реактивного двигателя не останется и следа, а его недостатки станут нетерпимыми. Действительно, мы уже знаем, что полезная мощность двигателя есть произведение его силы тяги на скорость движения. Однако в водном и наземном транспорте скорости движения в общем так малы, что реактивный двигатель при этих скоростях может развить лишь очень малую мощность. Но это значит, что когда скорость мала, то реактивный двигатель оказывается невыгодным, так как он расходует чрезмерно много топлива на одну лошадиную силу мощности, гораздо больше, чем обычные двигатели внутреннего сгорания. В этом отношении превосходство на стороне поршневых двигателей; при малых скоростях движения они значительно экономичней. К этому следует добавить еще и те существенные эксплуатационные неудобства, которые представляли бы в наземном транспорте струи раскаленных газов, вытекающие из реактивного двигателя.

Но если в тихоходном транспорте реактивные двигатели все же можно применить, хотя они в этом случае и невыгодны, то совсем невозможно применить эти двигатели в стационарных установках, например, на электростанции или на текстильной фабрике. Использовать в этих случаях реактивную тягу, создаваемую вытекающей из реактивного двигателя струей газов, практически не представляется возможным. Когда реактивный двигатель неподвижен, то он вообще никакой полезной мощности не развивает.

Следовательно, реактивные двигатели—это двигатели, предназначенные для движения, двигатели транспортные. А точнее — это двигатели для движения стремительного, двигатели высокоскоростного транспорта, каким является авиация. При больших скоростях движения реактивным двигателям нет равных.

Как же создает турбореактивный двигатель тягу, необходимую для полета самолета? Чтобы ответить на этот вопрос, разберемся, как устроен этот двигатель. Оказывается, он представляет собой сложную машину, даже несколько сложных машин, составляющих единый комплекс. Что же это за машины?




Глава третья

Турбореактивный двигатель


Назначение одной из машин, составляющих турбореактивный двигатель, совершенно очевидно. Ведь из двигателя наружу через выходное отверстие должен вытекать с большой скоростью воздух (газы). Как же можно этою добиться? Очевидно, для этого давление воздуха внутри двигателя должно быть большим, чем в окружающей атмосфере.

Все, конечно, наблюдали, как со свистом вырывается пар из чайника, когда в нем в результате кипения воды увеличивается давление, или как с шумом вытекает под давлением вода из открытого водопроводного крана. Но как можно увеличить давление воздуха внутри турбореактивного двигателя?

Для повышения давления воздуха его необходимо сжать. Многие знают, как осуществляется сжатие воздуха, — для этого существуют специальные машины, так называемые компрессоры.

Поэтому воздух, поступающий через входное отверстие внутрь двигателя, прежде всего попадает в компрессор и сжимается там до давления в несколько атмосфер.

Компрессор — это важнейшая часть турбореактивного двигателя. От компрессора зависят и технические данные двигателя, и его внешний вид. В настоящее время широкое применение в турбореактивных двигателях получили компрессоры двух типов: центробежные и осевые. Турбореактивный двигатель с центробежным компрессором изображен на рис. 9 и с осевым компрессором — на рис. 10.

Главной частью центробежного компрессора является крыльчатка, которая представляет собой большое, до 1 м в диаметре, колесо с тонкими лопатками, расположенными на одной или обеих торцовых (боковых) поверхностях (рис. 11). Эта крыльчатка вращается с большим числом оборотов внутри корпуса. Воздух, засосанный в двигатель, подводится к крыльчатке компрессора у ее средней части и сразу, попадая в каналы между лопатками крыльчатки, начинает вместе с ней вращаться с большой скоростью вокруг оси крыльчатки. В результате этого на молекулы воздуха начинает действовать большая центробежная сила и они отжимаются от центра к периферии крыльчатки, так что из компрессора выходит сжатый воздух.

Но сжатие воздуха происходит не только в крыльчатке центробежного компрессора, оно не прекращается и после того, как молекулы воздуха слетают с крыльчатки. Объясняется это тем, что воздух, отбрасываемый крыльчаткой, обладает не только повышенным давлением, но и большой скоростью, измеряемой сотнями метров в секунду, а следовательно, и большой кинетической энергией. Эта энергия и используется для дополнительного сжатия воздуха.

Один из основных законов течения всякой жидкости, а следовательно, и воздуха (этот закон носит имя открывшего его русского академика Даниила Бернулли) гласит, что кинетическая энергия может быть преобразована в потенциальную энергию, в энергию давления. Чтобы увеличить давление быстро текущего газа, его нужно плавно затормозить, постепенно уменьшить его скорость. Вот почему воздух, с огромной скоростью покидающий крыльчатку, поступает в так называемый диффузор, который является второй важнейшей частью центробежного компрессора. В диффузоре, кольцом охватывающем крыльчатку, установлены криволинейные, изогнутые лопатки, хорошо видные на рис. 11. Каналы между этими лопатками представляют собой как бы расширяющиеся трубы — их проходные сечения постепенно увеличиваются, а это как раз и нужно для того, чтобы затормозить воздух. Входя в каналы диффузора с большим давлением и большой скоростью, воздух покидает эти каналы с малой скоростью, но зато с еще большим давлением.

Наличие лопаток в диффузоре вовсе не является обязательным — торможение воздуха с повышением его давления можно осуществить и в безлопаточном диффузоре, представляющем собой просто кольцевой канал вокруг крыльчатки.

Центробежный компрессор имеет большой диаметр, а длина его сравнительно невелика. У осевого компрессора, наоборот, диаметр меньше, но длина значительно больше. Это объясняется тем, что осевой компрессор устроен совсем не так, как центробежный: воздух течет в нем не от центра к периферии, а вдоль оси компрессора; поэтому он и назван осевым.







Рис. 9. Отечественный турбореактивный двигатель РД-500 с центробежным компрессором: а — общий вид; б — устройство







Рис. 10. Отечественный турбореактивный двигатель РД-10 с осевым компрессором: а — общий вид; б — устройство







Рис. 11. Центробежный компрессор турбореактивного двигателя РД-500




Осевой компрессор представляет собой ряд установленных друг за другом колес, по окружности которых укреплены легкие металлические лопатки (рис. 12). Эти лопатки в поперечном сечении имеют профиль, похожий на дужку лопасти винта или крыла самолета. Вообще каждое отдельное колесо напоминает собой небольшой винт или вентилятор, имеющий много коротких лопастей.




Рис. 12. Осевой компрессор турбореактивного двигателя РД-10




Так же, как и винт, каждое колесо компрессора (оно называется рабочим колесом) отбрасывает воздух назад с большой скоростью и вместе с тем закручивает его по направлению своего вращения. Но в отличие от винта рабочее колесо компрессора не только ускоряет движение воздуха, но и сжимает его. Давление воздуха за колесом больше, чем перед ним, хотя это повышение давления и меньше, чем в крыльчатке центробежного компрессора. Однако сжатие воздуха в осевом компрессоре происходит не только в рабочем колесе. Как и в диффузоре центробежного компрессора, за рабочим колесом происходит дополнительное сжатие воздуха: скорость его уменьшается, а давление растет. Роль диффузора в осевом компрессоре выполняет так называемый неподвижный направляющий аппарат. Этот аппарат представляет собой ряды неподвижных лопаток, установленных между вращающимися рабочими колесами и похожих по форме на лопатки этих колес. Воздух, попадающий из вращающихся колес в каналы между неподвижными лопатками, тормозится в них так же, как это происходит с воздухом в каналах между лопатками диффузора центробежного компрессора. Скорость воздуха при таком торможении уменьшается и становится обычно такой же, какой она была перед рабочим вращающимся колесом. Давление воздуха при этом соответственно растет. Направление движения воздуха в этих каналах также изменяется, в результате чего за неподвижными лопатками скорость потока имеет обычно то же направление, что и до поступления на вращающееся колесо.

Каждое вращающееся колесо с последующим рядом неподвижных лопаток представляет собой ступень компрессора. В одной ступени давление воздуха увеличивается обычно на 20—30%, но так как таких ступеней осевой компрессор имеет несколько, от 5 до 15 и даже более, то выходящий из осевого компрессора воздух обычно имеет давление, большее, чем в случае центробежного компрессора.

В современных турбореактивных двигателях чаще применяется осевой компрессор. Это объясняется тем, что в осевом компрессоре можно получить большие степени сжатия воздуха, чем в центробежном. Увеличение степени сжатия воздуха в компрессоре, как об этом будет сказано ниже, является одним из важных направлений развития турбореактивных двигателей. Кроме того, через осевой компрессор может пройти за секунду больше воздуха, чем через центробежный компрессор такого же диаметра. Тяга же турбореактивного двигателя, как мы знаем, прямо пропорциональна секундному количеству протекающего через него воздуха.

Центробежный компрессор применялся на большинстве турбореактивных двигателей в те времена, когда эти двигатели только появились. Он применяется и теперь обычно в тех случаях, когда решающими факторами являются надежность в эксплуатации и простота изготовления двигателя.

Для вращения компрессора требуется затрачивать значительно большую мощность, чем для вращения воздушного винта. Работа сжатия воздуха зависит от того, как сильно он сжимается, сколько его сжимается и каков коэффициент полезного действия компрессора, т. е. какая часть всей мощности компрессора затрачивается на полезную работу сжатия. В новейших турбореактивных двигателях компрессор ежесекундно сжимает десятки килограммов воздуха, увеличивая его давление в 6—7 раз и более. Неудивительно, что несмотря на очень высокий коэффициент полезного действия компрессора, часто превышающий 80%, мощность, потребная для привода компрессора, достигает в мощных турбореактивных двигателях почти 50 000 лошадиных сил! Конечно, если бы для привода компрессора пришлось установить обычный поршневой двигатель, то реактивных самолетов с большой скоростью полета не существовало бы. Самые мощные из известных поршневых авиационных двигателей развивают мощность не больше 4000 лошадиных сил. Можно было бы создать и двигатели такой огромной мощности, как 50 000 лошадиных сил, хотя это и очень трудная задача. Но такие двигатели имели бы столь большие размеры и вес, что для них нужно было бы построить самолеты огромных размеров. Такие самолеты могли бы летать, конечно, только с очень небольшой скоростью, так как сопротивление их было бы очень велико.

В турбореактивных двигателях для вращения компрессора применяется не поршневой двигатель, а двигатель другого типа — газовая турбина. Этим и объясняется название — турбокомпрессорный реактивный или просто турбореактивный двигатель.

Турбина устанавливается в турбореактивном двигателе за компрессором. Но прежде чем попасть в турбину, воздух, сжатый компрессором, поступает в камеру сгорания двигателя, которая находится между компрессором и турбиной.

Камера сгорания представляет собой одну из важнейших частей турбореактивного двигателя; в ней происходит сгорание топлива, на котором работает двигатель. Обычно этим топливом является керосин, хотя может применяться и бензин. То обстоятельство, что турбореактивные двигатели работают не на бензине, а на керосине, является их дополнительным преимуществом, так как из нефти можно получить значительно больше керосина, чем бензина. Кроме того, удельный вес керосина больше, чем бензина; это значит, что в те же топливные баки самолета может поместиться по весу больше топлива и, следовательно, с этим топливом самолет сможет дальше улететь. Правда, есть у керосина и недостатки. Он, например, менее летуч, чем бензин, а поэтому хуже сгорает в двигателе, что особенно неблагоприятно сказывается при полете на большой высоте, где условия горения и без того ухудшаются. Поэтому ученые и исследователи стремятся найти такое топливо для турбореактивных двигателей, которое обладало бы достоинствами керосина, но было лишено его недостатков.

На рис. 13 показано устройство камеры сгорания турбореактивного двигателя РД-500. Таких камер на двигателе установлено 9; поэтому на диффузоре центробежного компрессора этого двигателя, показанном на рис. 11, можно видеть 9 патрубков, по которым воздух, выходящий из компрессора, подводится к камерам сгорания. Схема работы камеры сгорания показана также на рис. 13. Топливо — керосин — впрыскивается в движущийся с большой скоростью воздушный поток и сгорает в нем. Сгорание топлива в потоке воздуха, движущемся с большой скоростью, связано с очень сложными физическими процессами; о них будет подробнее рассказано ниже, в главе 7. Такое сгорание трудно изучить и трудно добиться, чтобы оно протекало хорошо, а ведь без этого нельзя создать и хорошего турбореактивного двигателя.

Продукты сгорания топлива — горячие газы, имеющие температуру примерно 850—900° С, устремляются из камеры сгорания в газовую турбину. Газовая турбина служит для того, чтобы вращать компрессор, и происходящие в ней процессы противоположны процессам, происходящим в компрессоре. Если в компрессоре воздух сжимается и давление его увеличивается, на что, естественно, приходится затрачивать работу, то в турбине, наоборот, давление воздуха, или, точнее, газов, уменьшается, они расширяются, совершая при этом работу. Если компрессор нужно вращать с помощью какого-нибудь двигателя, то турбина сама развивает мощность и может вращать компрессор. Так и сделано в турбореактивном двигателе — турбина и компрессор связаны в нем прочным стальным валом.




Рис. 13. Устройство камеры сгорания турбореактивного двигателя РД-500 (внизу принципиальная схема работы камеры): 1 — топливная форсунка, 2 — завихритель; 3 — горловина камеры; 4 — колпак; 5 — коническая перегородка; 6 — жаровая труба; 7 — наружный кожух




Что же представляет собой газовая турбина? Нетрудно догадаться, что принципиально по конструкции турбина должна быть похожа на компрессор, так как в этих машинах в сущности протекает один и тот же процесс, но в противоположных направлениях. Поэтому можно представить себе радиальную турбину — по аналогии с центробежным компрессором и осевую турбину — по аналогии с осевым компрессором. Существуют турбины обоих этих типов.




Рис. 14. Сопловой аппарат турбины турбореактивного двигателя РД-500




Радиальная турбина представляет собой такую же крыльчатку, как и крыльчатка центробежного компрессора. Только газы текут в крыльчатке турбины не от центра к периферии, как в компрессоре, а, наоборот, от периферии к центру. Такие турбины применяются редко, обычно на маломощных двигателях небольших размеров.




Рис. 15. Газовая турбина турбореактивного двигателя РД-500







Рис. 16. Радиальный зазор между рабочим колесом и корпусом турбины двигателя РД-500




На большинстве современных турбореактивных двигателей применяются осевые турбины. Как и осевой компрессор, осевая турбина состоит из рабочего вращающегося колеса с закрепленными на нем лопатками и ряда неподвижных лопаток. Но только в компрессоре воздух сначала протекает через рабочее колесо, а затем поступает в неподвижный направляющий аппарат, а в турбине наоборот. Раскаленные газы из камеры сгорания сразу попадают на неподвижные лопатки, которые называются сопловыми лопатками, а весь ряд таких лопаток — сопловым аппаратом (рис. 14). Когда газы текут в сужающихся каналах между сопловыми лопатками (эти каналы называются соплами), то их скорость увеличивается, а давление падает, газы расширяются. Со скоростью в несколько сот метров в секунду газы вытекают из сопел на лопатки вращающегося рабочего колеса турбины (рис. 15). Это колесо установлено в корпусе так, что между лопатками колеса и корпусом остается лишь очень небольшой радиальный зазор (рис. 16), поэтому газы устремляются в каналы между лопатками рабочего колеса. Так как лопатки изогнуты, то при движении газов в криволинейных каналах между лопатками возникает центробежная сила, действующая на них со стороны газов (рис. 17). Под действием этой силы колесо начинает вращаться. Газы вытекают из рабочего колеса со сравнительно небольшой скоростью — всю свою кинетическую энергию они передают рабочему колесу. Поэтому колесо в состоянии развить большую мощность; совершая несколько тысяч и даже несколько десятков тысяч оборотов в минуту, оно приводит во вращение компрессор.




Рис. 17. Принципиальная схема возникновения центробежной силы в каналах, образованных лопатками газовой турбины




Подобно многоступенчатым осевым компрессорам бывают и многоступенчатые осевые турбины. В двухступенчатой турбине за первым рабочим колесом устанавливается один ряд неподвижных лопаток, а за ним еще одно рабочее колесо или устанавливается второй ряд рабочих лопаток на том же колесе. На большинстве современных турбореактивных двигателей применяется одноступенчатая турбина, но есть двигатели с двух- и даже трехступенчатой турбиной. Турбины, имеющие большее число ступеней, на авиационных газотурбинных двигателях применяются очень редко.




Рис. 18. Выхлопной конус (слева) и реактивное сопло двигателя РД-500




За турбиной турбореактивного двигателя давление газов значительно, оно в два — два с лишним раза выше атмосферного давления. Если бы давление газов за турбиной было таким же, как давление воздуха в окружающей атмосфере, то газы вытекали бы из двигателя в атмосферу с той сравнительно небольшой скоростью, которую они имеют за турбиной. Но тогда двигатель не мог бы развить большой тяги. Для увеличения тяги окончательное расширение газов до атмосферного давления, с соответствующим увеличением их скорости, происходит за турбиной, в так называемом реактивном сопле двигателя. Это сопло представляет собой обычно простой конический сходящийся насадок (рис. 18), который крепится к переходной части — выхлопному конусу. Часто на выходе из двигателя приходится устанавливать специальную длинную выхлопную трубу, по которой газы отводятся в атмосферу; длина этой трубы определяется особенностями установки двигателя на самолете. В этом случае реактивное сопло устанавливается на выходе из выхлопной трубы. Подобную выхлопную трубу можно видеть на рис. 19, на котором показана установка турбореактивного двигателя РД-500 на испытательном стенде. Иногда на двигателе приходится устанавливать и более сложную выхлопную трубу. На рис. 20 показано, например, испытание турбореактивного двигателя в положении, соответствующем взлетному; на этом двигателе установлена, как это можно видеть, раздвоенная выхлопная труба.




Рис. 19. Турбореактивный двигатель РД-500 на испытательном стенде




Мы перечислили все основные части турбореактивного двигателя — компрессор, камеру сгорания, турбину, реактивное сопло. Это перечисление сделано в том порядке, в котором попадает в эти части протекающий через двигатель воздух (или газ). Таким образом, с рабочим телом турбореактивного двигателя (воздух, газ) происходят те же изменения, что и с рабочим телом поршневого авиационного двигателя или любого другого двигателя внутреннего сгорания. Вначале воздух, поступивший в двигатель, сжимается, затем к нему подводится тепло, выделяющееся в результате сгорания топлива. Горячие газы расширяются, совершая работу, и вытекают в атмосферу. Следовательно, тепловые процессы в поршневом и турбореактивном двигателях принципиально одинаковы. Но вместе с тем существует и важнейшее различие между обоими типами двигателей в отношении протекания этих тепловых процессов. В поршневом двигателе все процессы протекают в одном месте — в цилиндре двигателя; они лишь смещены по времени и следуют один за другим в том порядке, какой был указан выше. В турбореактивном же двигателе все тепловые процессы происходят одновременно, непрерывно в течение всей работы двигателя, но зато каждый из этих процессов протекает в одной какой-нибудь части двигателя — они смещены не по времени, а в пространстве.




Рис. 20. Испытание турбореактивного двигателя в положении, соответствующем взлетному




Такое различие объясняется тем, что поршневой двигатель — это двигатель периодического действия, т. е. рабочие процессы в нем протекают не непрерывно, а периодически, повторяясь много раз каждую секунду. Ясно, что в этом случае все процессы, происходящие в цилиндрах двигателя, должны быть смещены по времени. Иное дело в турбореактивном двигателе, через который рабочее тело (воздух) течет все время, непрерывно. Тут неизбежно смещение тепловых процессов в пространстве, вдоль газовоздушного тракта двигателя.

Нетрудно заметить, что непрерывность действия турбореактивного двигателя является его преимуществом по сравнению с поршневым двигателем. Действительно, в результате такой непрерывности через турбореактивный двигатель может протечь в секунду больше рабочего тела (воздуха), чем через поршневой двигатель, если даже отвлечься от конструктивных особенностей турбореактивного двигателя, способствующих дополнительному увеличению расхода воздуха. Увеличение расхода воздуха сопровождается увеличением мощности двигателя, ибо при прочих равных условиях с каждого килограмма протекающего через двигатель воздуха может быть получена определенная полезная работа. Этим и объясняется то, что мощность турбореактивного двигателя при больших скоростях полета во много раз превышает мощность поршневого двигателя.

Но возвратимся к турбореактивному двигателю. Мы знаем, что давление газов за турбиной больше давления атмосферного воздуха, так что окончательное расширение газов происходит в реактивном сопле; без этого двигатель не может развивать большой тяги. Очевидно, чем больше давление газов за турбиной, т. е. чем большее давление «срабатывается» в сопле, тем больше тяга двигателя. Следовательно, для увеличения тяги нужно повышать давление газов за турбиной.

Каким же образом можно этого добиться?

На первый взгляд кажется, что для этого проще всего увеличить давление газов перед турбиной, т. е. увеличить давление воздуха, выходящего из компрессора. Но в действительности этот путь не всегда приводит к желаемому результату. Если увеличивать сжатие воздуха в компрессоре, то на вращение компрессора придется затратить большую мощность турбины, а для увеличения мощности турбины потребуется увеличить степень расширения газов в ней. В результате этого давление газов за турбиной может не только не повыситься, а даже уменьшиться.

Чтобы найти правильный путь для повышения давления газов за турбиной и, следовательно, для увеличения тяги турбореактивного двигателя, обратим внимание на одну особенность его работы. Эта особенность имеет важный, принципиальный характер и является общей для всех воздушно-реактивных двигателей, а не только для двигателей турбореактивных.

Рассмотрим, как должна изменяться температура воздуха, протекающего через двигатель. Представим себе, что в двигателе нет камеры сгорания и воздух, выходящий из компрессора, сразу поступает в турбину и в ней расширяется. Сможет ли работать в этом случае турбореактивный двигатель? Конечно, нет. Даже в идеальном случае, т. е. при полном отсутствии каких бы то ни было потерь энергии в компрессоре и в турбине, мощность турбины в таком двигателе будет только равняться мощности компрессора. Но так как потери неизбежны, то турбина будет развивать в этом случае даже меньшую мощность, чем та, которая необходима для вращения компрессора. Следовательно, турбина не сможет вращать компрессор и двигатель работать не будет.

Чтобы мощность турбины была достаточной для привода во вращение компрессора, воздух (или газ), расширяющийся в турбине, должен иметь более высокую температуру, чем воздух, сжимающийся в компрессоре. Мало того, эта разница температур должна быть значительной, иначе турбореактивный двигатель не оправдает своего назначения — турбина будет вращать компрессор, двигатель будет работать, но вся энергия газов будет расходоваться при их расширении в турбине. В результате давление газов за турбиной будет небольшим и, следовательно, небольшой будет и тяга двигателя.

Таким образом, необходимо, чтобы воздух, выходящий из компрессора, был сильно подогрет до поступления в турбину. Для этой цели и служит камера сгорания двигателя. Тепло, выделяющееся в этой камере при сгорании топлива, подогревает проходящий через двигатель воздух примерно до 850—900° С. Выше говорилось о том, что из камеры сгорания вытекает, собственно говоря, уже не воздух, а раскаленные газы — перемешанные с воздухом продукты сгорания. Однако масса этих газов практически та же, что и масса воздуха, так как вес сгорающего в турбореактивном двигателе топлива не превышает 1,5% от веса воздуха.

Но почему турбина, работающая на горячих газах, способна развить большую мощность, чем турбина, работающая на холодном воздухе?

Это объясняется важнейшим свойством газов, в том числе и воздуха, свойством, лежащим в основе всей теплотехники, без которого нельзя было бы создать не только турбореактивного двигателя, но и любой другой тепловой машины.

Это важнейшее свойство всякого газа заключается в том, что горячий газ способен совершить большую работу, чем холодный, при одинаковом его расширении, т. е. при уменьшении давления в одно и то же число раз. Термодинамика, наука о преобразовании тепла в работу, учит, что при прочих равных условиях работа, совершаемая газом при расширении, прямо пропорциональна абсолютной температуре газа, которую он имеет перед расширением. Что более нагретый газ способен совершить большую работу, это совершенно очевидно. Каждый знает, что при нагревании все тела увеличивают свой объем; только для твердых и жидких тел это увеличение объема при нагревании невелико, а для газов оно может быть очень значительным. Начните нагревать газ, заключенный в каком-нибудь сосуде, так, чтобы его давление при этом не изменялось, например, так, как показано на рис. 21, т. е. нагрузив крышку сосуда гирей. В результате нагревания газ расширится, его объем увеличится, хотя давление и останется постоянным. Но всякое расширение газа связано с тем, что расширяющийся газ совершает работу; в нашем случае эта работа проявится в том, что гиря поднимется на большую высоту (в турбореактивном двигателе работа расширения газа в турбине затрачивается потом на сжатие воздуха в компрессоре). Поэтому нагретый газ и совершает в турбине большую работу, чем холодный; добавочная работа тем больше, чем сильнее нагрет газ.




Рис. 21. При нагревании воздуха его объем увеличивается (давление постоянно), при этом совершается работа




Как показывают теория и опыт, температура газов, поступающих на лопатки турбины в турбореактивном двигателе, должна быть значительно большей, чем температура воздуха, выходящего из компрессора. Без этого давление газов за турбиной будет лишь немного превышать атмосферное и двигатель не сможет развить большую тягу. Следует отметить, что повышенное давление газов за турбиной важно только для турбореактивного двигателя, который устанавливается на самолете. В других газотурбинных двигателях, например, предназначенных для морских судов, железнодорожных локомотивов, для установки на электростанциях и т. д., давление за турбиной практически равно атмосферному. Но турбина в этих случаях развевает мощность значительно большую, чем требуется для вращения компрессора. Избыточная мощность, которая при этом развивается, используется для совершения полезной работы — вращения генератора электрического тока, гребного винта корабля, ведущих колес железнодорожного локомотива или автомобиля. Двигатели такого типа применяются также и в авиации, мы о них упоминали выше. Они носят название турбовинтовых двигателей, ибо в них турбина приводит во вращение воздушный винт, с успехом заменяя поршневой двигатель. Турбовинтовым двигателям обеспечено прочное место в авиации; о них мы скажем несколько подробнее ниже.

Итак, для того чтобы турбореактивный двигатель развивал большую тягу, газы в нем должны быть нагреты до очень высокой температуры.

Но здесь мы встречаемся с наиболее, пожалуй, существенной трудностью развития турбореактивного двигателя.

Температура газов — продуктов сгорания топлива — зависит от рода этого топлива. Более калорийные топлива, т. е. топлива, выделяющие больше тепла при сгорании, как правило, образуют при горении и газы более высокой температуры. Бензин и керосин представляют собой весьма калорийные топлива; так, например, 1 кг керосина выделяет при сгорании более 10 000 килокалорий тепла. При сгорании керосина могут быть получены газы с весьма высокой температурой, почти до 2000° С. Однако такая температура является смертельной для двигателя, так как материалы, применяемые для изготовления деталей двигателя, не выдерживают и более низких температур.

Это и являлось главной причиной того, что в течение десятилетий мечта инженеров и ученых о создании газовой турбины не могла быть осуществлена.

Еще в конце прошлого века, после того как паровая турбина продемонстрировала свое конструктивное превосходство над тяжелой, вибрирующей паровой машиной, а двигатель внутреннего сгорания устранил необходимость в сложном, громоздком и малоэкономичном паровом котле, инженеры стали задумываться над двигателем, который совмещал бы в себе достоинства турбины и двигателя внутреннего сгорания. Таким двигателем должна была стать газовая турбина. В паровой турбине происходит расширение пара, который образуется в котле, где вода испаряется под действием тепла, выделяющегося при сгорании топлива. В газовой турбине расширяются непосредственно сами газы — продукты сгорания топлива. Однако все попытки создать газовую турбину заканчивались неудачей, наталкиваясь на, казалось, непреодолимую трудность: не удавалось решить проблему создания лопаток турбинного колеса.

Это не было неожиданностью, так как лопатки колеса работают в чрезвычайно трудных условиях. Представьте себе тонкую, длинную, изогнутую полоску металла (а ведь так именно выглядит лопатка турбины), укрепленную одним концом на колесе довольно большого диаметра, которое вращается с огромным числом оборотов, иногда значительно превышающим 10 000 об/мин. При таких условиях на эту полоску металла действуют большие центробежные силы, которые стремятся оторвать ее от колеса так же, как, например, камень в быстро раскручиваемой праще стремится разорвать удерживающую его веревку. Насколько велики эти силы, можно судить по тому, что иногда они в десятки тысяч раз превышают вес лопатки.

Но это не единственная нагрузка, которую воспринимает при работе двигателя лопатка турбины. Когда на лопатку устремляется поток газов, она начинает колебаться с очень большой частотой. При этом она изгибается и скручивается сотни и тысячи раз в секунду, так что даже прочные волокна — «металлические мышцы», наконец, не выдерживают и рвутся. Только самые высокопрочные металлические сплавы способны выдерживать в течение десятков и сотен часов тяжелый труд, который достается на долю лопаток, турбины.

Но и это еще не все.

Поток газов, устремляющийся с огромной скоростью, обычно превышающей скорость звука, из соплового аппарата на лопатки турбинного колеса, несет с собой страшный жар в сотни градусов. Понятно, что лопатки мгновенно раскаляются докрасна. Если издали заглянуть сквозь выходное отверстие работающего турбореактивного двигателя внутрь его, то можно увидеть огненно-красное кольцо. Это кольцо — след, оставляемый лопатками вращающегося колеса турбины. Температура лопаток достигает 700—750° С. При такой температуре все известные железоуглеродистые сплавы, обычно применяющиеся в тех случаях, когда требуется особая прочность, перестают быть прочными. Их прочность уменьшается в десятки раз, и повышение температуры на каждый лишний градус может привести к быстрому разрушению лопаток. Нагруженная мощной центробежной силой, колеблющаяся лопатка не выдерживает этих условий работы; ослабленный жарой металл рвется, и турбина выходит из строя.

Чтобы создать надежные лопатки турбины, понадобились новые металлы повышенной прочности, причем прочности не при обыкновенной температуре, а при нагреве до красного каления. Такие металлы называются жаропрочными. Но даже высокая жаропрочность металла еще не решает всех проблем создания лопаток, полностью удовлетворяющих предъявляемым к ним требованиям. Дело в том, что лопатка турбины при работе двигателя подвергается страшной болезни, которая носит несколько необычное для техники название — «ползучесть». Пусть даже найден металл, способный выстоять под объединенным натиском жары и нагрузок, — эго еще не значит, что задача решена до конца. Лопатка, изготовленная из такого жаропрочного материала, может начать постепенно, сначала медленно, а потом все быстрее, удлиняться, вытягиваться под действием постоянно приложенной к ней центробежной силы: материал лопатки будет «ползти». Это очень опасно для турбины: удлинившаяся лопатка ослабевает и обрывается либо задевает за корпус турбины и ломается.

Очевидно, материал, из которого можно изготовить лопатки газовой турбины, должен обладать по крайней мере двумя качествами: быть исключительно жаропрочным и вместе с тем не обладать склонностью к ползучести.

Готовых металлов с такими свойствами в природе нет, их нужно было создавать заново. Поэтому борьба за газовую турбину шла двумя путями. Ученые и конструкторы совершенствовали компрессор и турбину, ибо чем они совершеннее, чем больше их коэффициент полезного действия, тем меньше минимальная температура газов, при которой турбина в состоянии не только вращать компрессор, но и развивать полезную мощность. Металлурги же создавали новые сплавы для лопаток турбины.

Наконец, задача была решена. В настоящее время компрессор и турбина стали высокосовершенными машинами с небывало высоким к. п. д. (к. п. д. компрессора достигает 80—82 %, а к. п. д. турбины — почти 90 %). Были получены замечательные сплавы различных редких металлов — никеля, хрома, кобальта, молибдена, вольфрама, тантала, ниобия; эти сплавы обладают большой жаропрочностью и малой ползучестью. Изготовленные из них лопатки турбины надежно работают в течение сотен часов при температуре газов 750—800° С и более.

Интересно отметить, что немалый вклад в решение задачи создания газовой турбины сделали ученые, конструкторы и технологи, работавшие над усовершенствованием... поршневого авиационного двигателя. Вот как это произошло.

Более трети века назад ученые и конструкторы стали задумываться над тем, чтобы научиться использовать теряющуюся энергию отходящих газов поршневого двигателя. Ведь из двигателя через выхлопные патрубки вытекают в атмосферу продукты горения топлива — газы, обладающие температурой до 1000° С. Тепловая энергия этих газов вдвое — втрое превышает мощность двигателя; это значит, что на каждую лошадиную силу мощности, которую развивает двигатель, 2—3 л. с. «вылетают в трубу», теряются с выхлопными газами. Предлагались и исследовались различные методы использования этой теряющейся энергии газов, но наиболее широкое применение нашли турбокомпрессоры.

Идея турбокомпрессора была очень простой. На большинстве авиационных поршневых двигателей, в особенности в предвоенное десятилетие, стали устанавливаться компрессоры для сжатия засасываемого из атмосферы воздуха перед его подачей в цилиндры двигателя. Такой метод подачи в цилиндры поршневого авиационного двигателя предварительно сжатого воздуха называется наддувом, а компрессор, сжимающий воздух,— нагнетателем. Применение нагнетателей позволило значительно улучшить характеристики поршневых авиационных двигателей. В результате наддува в тех же цилиндрах двигателя помещается больше (по весу) воздуха; но это значит, что больше образуется и рабочей топливовоздушной смеси, больше выделяется тепла при ее сгорании и увеличивается, следовательно, мощность двигателя. Наддув очень важен и для обеспечения высотности двигателя, т. е. сохранения его мощности с увеличением высоты полета, — без наддува мощность двигателя с высотой быстро уменьшается из-за того, что на большой высоте воздух разрежен.




Рис. 22. Применение турбокомпрессора на поршневом двигателе:

а — поршневой авиационный двигатель с приводным центробежным нагнетателем; б—поршневой авиационный двигатель с турбокомпрессором, 1 — двигатель, 2—всасывающий воздушный патрубок; 3 — карбюратор; 4 — крыльчатка приводного нагнетателя, 5 — выхлопной трубопровод; 6 — крыльчатка турбокомпрессора; 7 — турбинное колесо турбокомпрессора; 8 — выход выхлопных газов в атмосферу




В качестве нагнетателей поршневых двигателей применяются центробежные компрессоры. Привод во вращение крыльчатки компрессора осуществляется обычно от коленчатого вала двигателя с помощью шестеренчатой передачи, причем число оборотов крыльчатки достигает 20 тысяч в минуту и более.




Рис. 23. Конструкция турбокомпрессора (рядом для сравнения изображен обычный настольный вентилятор):

1 — выход отработавших газов из турбины в атмосферу; 2 — выход охлаждающего воздуха в атмосферу, 3 — колесо турбины; 4 — корпус турбины, 5 — корпус компрессора; 6 — крыльчатка компрессора, 7 — отвод сжатого воздуха к двигателю, 8 — подвод выхлопных газов от двигателя к турбине, 9 — подвод воздуха для охлаждения турбины




На вращение крыльчатки нагнетателя приходится затрачивать значительную часть мощности, развиваемой двигателем, в то время как огромная энергия, заключенная в выхлопных газах двигателя, не используется. Поэтому и родилась идея турбокомпрессора, идея использования газовой турбины для вращения крыльчатки нагнетателя.

Турбокомпрессор представляет собой смонтированные на общем валу крыльчатку компрессора и газовую турбину, которая работает от выхлопных газов двигателя и развивает мощность, необходимую для привода во вращение компрессора (рис. 22). В этом случае мощность, развиваемая двигателем, на привод крыльчатки нагнетателя уже не расходуется. Устройство одного из современных турбокомпрессоров показано на рис. 23.

Шли годы, постепенно совершенствовался турбокомпрессор, значительно улучшая общие характеристики поршневого авиационного двигателя. И вместе с тем все надежнее и лучше становилась газовая турбина, без которой нельзя было создать нового двигателя.

Так в развивающемся старом, поршневом двигателе зарождались ростки нового, турбокомпрессорного воздушно-реактивного двигателя.




Глава четвертая

Достоинства и недостатки турбореактивного двигателя


Турбореактивный двигатель уже давно вышел из «младенческого возраста» и стал совершенной и надежной машиной. Послевоенные годы были годами невиданного по размаху и быстроте технического перевооружения авиации — перехода на самолеты с реактивными двигателями.

Первой начала перевооружаться военная истребительная авиация, так как в воздушном бою при прочих равных условиях шансов на победу всегда больше у того самолета, который обладает большей скоростью полета.

Вслед за истребителями турбореактивные двигатели стали устанавливаться и на другие самолеты военной авиации. Появились реактивные самолеты-бомбардировщики сравнительно небольшого радиуса действия (так называемые фронтовые), разведчики, штурмовики и, наконец, тяжелые дальние бомбардировщики.

Появились реактивные двигатели и в гражданской авиации. Пассажирские и транспортные реактивные самолеты совершают регулярные рейсы на авиалиниях гражданской авиации. Не далеко то время, когда можно будет попасть из Москвы в Ленинград за полчаса, затратив больше времени на то, чтобы добраться из города до аэродрома. Перелет же из Москвы до Владивостока возможно будет совершать всего за один день.

Реактивные самолеты летают сейчас по крайней мере в полтора раза быстрее и на несколько километров выше, чем самолеты с поршневыми двигателями. Об успехах, достигнутых реактивной авиацией в борьбе за увеличение скорости и высоты полета, свидетельствуют официальные мировые рекорды, поставленные в 1955 г.: скорость полета — 1323 км/час, высота — 20079 м. Имеются все основания полагать, что эти рекордные показатели в настоящее время превзойдены.

В чем же секрет успехов, достигнутых в развитии турбореактивного двигателя? Почему его применение на самолетах означает качественно новую ступень развития авиации?

Этот «секрет» состоит в том, что турбореактивный двигатель при большой скорости полета может развить мощность, в несколько раз превосходящую мощность самых совершенных поршневых двигателей, при значительно меньшем весе, приходящемся на одну лошадиную силу. А ведь именно это, как указывалось выше, и необходимо для двигателя скоростного самолета.

Какую же мощность развивают современные турбореактивные двигатели? Эту мощность можно определить, если известна тяга двигателя и скорость полета.

Современные турбореактивные двигатели при испытании на стенде или при стоянке самолета развивают тягу до 5000—6000 кг и более. Но чтобы определить мощность двигателя, нужно знать его тягу не на стоянке, а в полете с большой скоростью. Чему же равна эта тяга? Выше было указано, что тяга поршневого двигателя с винтом с ростом скорости полета уменьшается обратно пропорционально скорости. Иначе ведут себя в этом отношении турбореактивные двигатели — с ростом скорости полета их тяга сначала несколько уменьшается, а потом снова возрастает и при полете со скоростью, близкой к скорости звука, турбореактивный двигатель развивает такую же (или даже большую) тягу, как и при стоянке. В этом и заключается огромное преимущество турбореактивного двигателя перед поршневым авиационным двигателем с винтом.

Такое различие объясняется тем, что в работе поршневого двигателя при увеличении скорости полета не происходит существенных изменений и его мощность остается почти неизменной. В работе турбореактивного двигателя при увеличении скорости полета происходят существенные изменения. Расход воздуха через двигатель при этом увеличивается, увеличивается также давление воздуха за турбиной, а значит, и скорость истечения газов из двигателя.

Какую же мощность будет иметь турбореактивный двигатель, развивающий тягу Р = 6000 кг при полете со скоростью V, равной, допустим, 1260 км/час или 350 м/сек? Эта мощность, очевидно, будет равна




Огромная мощность! А ведь тяга, равная 6000 кг, не является пределом для турбореактивного двигателя, так же как и скорость 350 м/сек не является предельной скоростью полета реактивного самолета.

Вместе с тем турбореактивный двигатель, развивающий такую огромную мощность, весит меньше, чем поршневой авиационный двигатель мощностью примерно 4000 л. с. В этом нет ничего удивительного, если учесть, что в поршневом авиационном двигателе действуют большие силы, резко меняющиеся по величине и направлению. Достаточно указать на то, что при вспышке в цилиндрах поршневого двигателя давление мгновенно возрастает почти до 100 кг/см


. Для того чтобы выдержать возникающие при этом нагрузки, основные силовые детали поршневого двигателя должны быть очень прочными, а следовательно, массивными, тяжелыми. В турбореактивном же двигателе давления не превышают 10, самое большое— 15 кг/см


, причем эти давления постоянные, не меняющиеся по времени. Поэтому большинство частей турбореактивного двигателя — либо легкие тонкостенные отливки, обычно из легких сплавов, либо детали, изготовленные из тонкого стального листа. Это делает турбореактивный двигатель более легким, чем поршневой, хотя через поршневой двигатель протекает в десятки раз меньше воздуха, чем через турбореактивный.

При большой скорости полета турбореактивный авиационный двигатель превосходит поршневой авиационный двигатель и по экономичности. Уже при скорости полета, равной 1000—1100 км/час, турбореактивный двигатель расходует на одну лошадиную силу развиваемой им мощности [2 - Расход топлива, приходящийся на одну лошадиную силу мощности, развиваемой двигателем, называется удельным расходом топлива.] не больше топлива, чем поршневой двигатель при максимальной скорости полета, которую он в состоянии обеспечить. С дальнейшим ростом скорости полета удельный расход топлива турбореактивного авиационного двигателя становится даже меньшим, чем удельный расход топлива поршневого авиационного двигателя. Но при уменьшении скорости полета экономичность турбореактивного двигателя резко ухудшается. Например, при скорости полета, равной 300 км/час, удельный расход топлива турбореактивного двигателя втрое больше удельного расхода топлива поршневого двигателя. Значит ли это, что турбореактивный двигатель на самолете выгоден только при очень больших, околозвуковых скоростях полета, а область меньших скоростей полета является выгодной только для самолетов с поршневыми двигателями? Нет, не значит. Но, вместе с тем простой турбореактивный двигатель не может заменить поршневой авиационный двигатель в зоне промежуточных скоростей полета, равных 500—800 км/час, так как при этих скоростях он менее экономичен, чем поршневой. Это под силу лишь газотурбинным двигателям другого типа.

Одним из таких двигателей является так называемый двухконтурный турбореактивный двигатель. Чтобы понять идею этого двигателя, вспомним, чем отличается турбореактивный двигатель от воздушного винта в отношении (метода создания тяги. Мы знаем, что и турбореактивный двигатель, и винт создают тягу, отбрасывая воздух. Разница состоит в том, что винт отбрасывает много воздуха с малой скоростью, а турбореактивный двигатель — мало воздуха с большой скоростью. Но метод создания тяги, используемый турбореактивным двигателем, выгоден лишь при большой скорости полета. Если скорость полета мала, то кинетическая энергия, приобретенная газами в двигателе, полностью не используется. Лишь незначительная часть этой энергии затрачивается на совершение полезной работы продвижения самолета в воздухе, большая же часть ее теряется, бесполезно рассеиваясь в окружающей атмосфере. Потери же кинетической энергии при работе винта сравнительно малы, так как мала сама кинетическая энергия отбрасываемого воздуха. Чем больше скорость полета, тем выгоднее становится турбореактивный двигатель, так как уменьшаются потери кинетической энергии с отходящими газами, и, наоборот, тем менее выгодным становится воздушный винт из-за увеличения потерь при его вращении. Следовательно, для того чтобы сохранить преимущества турбореактивного двигателя перед двигателем поршневым во всем диапазоне скоростей полета самолета, нужно при уменьшении скорости полета уменьшать скорость отбрасываемых газов и увеличивать их массу, т. е. как бы постепенно переходить от метода создания тяги, характерного для турбореактивного двигателя, к методу создания тяги, характерному для воздушного винта.

Конечно, трудно разработать такую конструкцию двигателя, в которой по мере уменьшения скорости полета автоматически происходило бы увеличение расхода воздуха и уменьшение скорости истечения газов. Но можно создать такой газотурбинный двигатель, который в этом отношении был бы более близким к воздушному винту, чем турбореактивный двигатель. Таким двигателем является двухконтурный турбореактивный двигатель.

Как же в этом двигателе осуществляется увеличение количества и соответственное уменьшение скорости вытекающих газов по сравнению с обычным турбореактивным двигателем? Для этой цели в двухконтурном турбореактивном двигателе в камеру сгорания направляется лишь часть воздуха, поступающего в двигатель. Эта часть воздуха в результате сжигания топлива превращается в раскаленные газы, вытекающие затем наружу так же, как в обычном турбореактивном двигателе. Другая часть воздуха направляется в обход камеры сгорания по другому каналу, или, как говорят, контуру, отчего и сам двигатель получил название двухконтурного (рис. 24). Этот воздух сначала сжимается, а затем расширяется в сопле и вытекает из двигателя с большой скоростью, хотя скорость его истечения меньше, чем скорость истечения газов, так как газы имеют гораздо большую температуру.

Конструктивно двухконтурный турбореактивный двигатель устраивается так, что либо лопатки первых ступеней компрессора делаются более длинными, вследствие чего воздух, проходящий через удлиненные части лопаток, поступает не в следующие ступени компрессора, а во второй контур (см. рис. 24, сверху), либо во втором контуре устанавливается специальный высоконапорный вентилятор, приводимый во вращение турбиной двигателя (см. рис. 24, снизу). Так или иначе, но из сопла двухконтурною турбореактивною двигателя вытекают два газовых потока: в центре — раскаленные газы, снаружи — кольцевая струя холодного воздуха; при этом расход воздуха через двигатель увеличивается, а скорость отбрасывания газовоздушной струи уменьшается. Понятно, что двухконтурный двигатель более выгоден по сравнению с обычным турбореактивным двигателем при меньших скоростях полета и менее выгоден при больших скоростях: выигрыш в одном получается за счет проигрыша в другом. В настоящее время двухконтурные турбореактивные двигатели еще не получили широкого применения, но они могут найти применение в будущем на самолетах, предназначенных для скоростных дальних перелетов, например для трансконтинентальных или трансокеанских авиалиний. Следует отметить, что первые проекты двухконтурных двигателей были разработаны К. Э. Циолковским и конструктором А. М. Люлька.




Рис. 24. Принципиальные схемы двухконтурных турбореактивных двигателей




В двухконтурном турбореактивном двигателе сделан только первый шаг на пути уменьшения расхода топлива при малых скоростях полета. В турбовинтовом двигателе сделан второй такой шаг. В турбовинтовом двигателе, как и в турбореактивном, весь воздух направляется в камеру сгорания, но газы, вытекающие из камеры сгорания, расширяются в газовой турбине полностью, а не частично, как в турбореактивном двигателе. Вследствие этого давление газов за турбиной турбовинтового двигателя равно атмосферному, поэтому газы вытекают из двигателя наружу с небольшой скоростью, создавая таким образом лишь небольшую реактивную тягу. Но зато мощность газовой турбины, которой газы передают весь свой запас полезной энергии, значительно увеличивается и становится большей, чем мощность, необходимая для привода компрессора. Таким образом получается избыточная мощность, которая используется для вращения воздушного винта. Для передачи мощности с вала двигателя на воздушный винт применяется шестеренчатый редуктор (рис. 25), без которого в турбовинтовом двигателе обойтись нельзя, так как нельзя вращать винт с таким большим числом оборотов, которое развивает газовая турбина. Для более эффективной работы газовая турбина должна вращаться гораздо быстрее, чем это допустимо с точки зрения эффективной работы воздушного винта, так как воздушный винт имеет гораздо больший диаметр. Редуктор уменьшает число оборотов воздушного винта по сравнению с числом оборотов турбины раз в 10—15, а то и более. Следует заметить, что редуктор вызвал немало трудностей при доводке турбовинтового двигателя, что было одной из причин, задержавших широкое внедрение этих двигателей в авиации. Но еще большие трудности, однако, были связаны с доводкой систем регулирования турбовинтовых двигателей.

В настоящее время можно считать, что основные трудности, задерживавшие серийное производство турбовинтовых двигателей, преодолены. Турбовинтовые двигатели, сочетающие достоинства воздушного винта как движителя для умеренных скоростей полета с конструктивными преимуществами газотурбинного двигателя, в частности гораздо меньшим «лбом» (диаметром) (рис. 26), имеют несомненные перспективы широкого применения в авиации.




Рис. 25 Турбовинтовой двигатель: а — принципиальная схема; б — двигатель на испытательном стенде




В особенности они выгодны для самолетов гражданской авиации. В будущем основным типом самолетов, летающих на местных и на магистральных авиалиниях, будут, вероятно, самолеты с турбовинтовыми, а не с поршневыми двигателями. На экспрессных же линиях будут эксплуатироваться реактивные самолеты с турбореактивными двигателями, выгодные в тех случаях, когда на первый план выступает скорость полета, а его экономичность является второстепенным фактором.




Рис. 26. Относительные размеры поршневого (сверху) и турбовинтового (снизу) двигателей при одинаковой их мощности




Рассказ о двухконтурном и турбовинтовом двигателях может вызвать у читателя неверное представление о том, что обычный турбореактивный двигатель усложняется только тогда, когда его приспосабливают к меньшим скоростям полета. Это, конечно, не так. Турбореактивный двигатель прост лишь по принципиальной схеме; в действительности он представляет собой весьма сложную машину. Дальнейшее совершенствование двигателя приводит к его постепенному усложнению, которое оказывается необходимым в связи с ростом требований, предъявляемых к двигателям современных самолетов. В подтверждение этого достаточно привести следующие два примера.

Первый пример связан с одной из тенденций развития современных турбореактивных двигателей — увеличением степени повышения давления в компрессоре двигателя. В первых турбореактивных двигателях давление воздуха в компрессоре повышалось в 3—4 раза, а теперь повышение давления воздуха в компрессоре в 6—7 раз не всегда удовлетворяет конструкторов. Но как можно достичь дальнейшего увеличения степени повышения давления? Оказывается, простое увеличение числа ступеней осевого компрессора двигателя не всегда приводит к желательному результату — двигатель с таким компрессором начинает плохо работать, в особенности при запуске и на режимах неполной мощности, т. е. на режимах пониженной тяги. Это связано с явлением так называемого помпажа, о котором будет сказано ниже. Одним из способов преодоления этой трудности является устройство турбореактивного двигателя по так называемой двухвальной схеме (рис. 27). В этом случае ротор двигателя имеет два самостоятельных вала, с двумя самостоятельными осевыми компрессорами и двумя самостоятельными турбинами, причем валы вращаются с разным числом оборотов. Оба компрессора устанавливаются один за другим, так что сначала воздух, поступивший в двигатель, сжимается в переднем компрессоре (низкого давления), а затем он поступает в следующий, задний компрессор (высокого давления). Каждый из этих компрессоров приводится во вращение своей турбиной, так что обе турбины двигателя тоже оказываются установленными одна за другой. Передняя турбина, в которую газы поступают непосредственно из камеры сгорания, имея еще большое давление, приводит во вращение задний компрессор; таким образом турбина высокого давления приводит во вращение компрессор высокого давления. Задняя турбина, в которую газы поступают после расширения в передней турбине и которая поэтому является турбиной низкого давления, приводит во вращение компрессор низкого давления — передний. Вал, связывающий турбину и компрессор низкого давления, проходит внутри полого вала, связывающего турбину и компрессор высокого давления. Понятно, что такой турбореактивный двигатель оказывается сложнее обычного, но зато он обладает и лучшими характеристиками.




Рис. 27. Принципиальная схема двухвального турбореактивного двигателя




Второй пример, свидетельствующий о конструктивной сложности современного турбореактивного двигателя, относится к его регулированию. Турбореактивный двигатель имеет вспомогательные устройства и механизмы различного назначения, к которым относится, в частности, система регулирования, выполняющая ряд важных функций.

Одной из таких функций является автоматическое поддержание заданного режима работы двигателя при изменении условий полета. Можно, конечно, возложить эту задачу на летчика, но летчик и без того занят в полете.

Другой, еще более важной функцией системы регулирования является непрерывное «наблюдение» за работой двигателя для того, чтобы полностью исключить возможность возникновения опасных режимов во время его работы. Для поршневых авиационных двигателей такими опасными режимами являются, например, режимы, при которых двигатель детонирует. Если не принять срочных мер, то детонация может привести к очень неприятным последствиям, вплоть до аварии двигателя. У турбореактивных двигателей есть свои опасные режимы работы, например, режимы, при которых происходит перегрев лопаток турбины или возникает так называемый помпаж компрессора, о котором будет идти речь ниже. Можно задачу борьбы с опасными режимами возложить и на летчика, но автоматические устройства системы регулирования сделают это не хуже, а главное своевременно. В данном случае это является решающим фактором.

Часто на систему регулирования возлагается и задача «выбора» оптимальных, наивыгоднейших режимов работы двигателя, соответствующих данным условиям полета. Такие режимы обеспечивают наименьший расход топлива, а следовательно, наибольшую возможную дальность или продолжительность полета. И эту задачу, конечно, автоматы могут выполнить лучше летчика.

Следует заметить, что на работе турбореактивного двигателя изменение внешних условий — давления и температуры атмосферного воздуха, высоты и скорости полета — сказывается в гораздо большей мере, чем на работе поршневого двигателя; он очень чувствителен к этим изменениям. Даже сравнительно небольшие изменения условий полета могут привести к существенному нарушению режима работы турбореактивного двигателя — уменьшению или увеличению развиваемой им реактивной тяги, уменьшению или увеличению расхода топлива, недопустимому увеличению температуры газов перед турбиной или же чрезмерному увеличению оборотов («разносу») двигателя.

Поэтому система регулирования турбореактивного двигателя неизбежно получается сложной. Это настоящая «нервная система» двигателя, которая имеет свои «органы чувств», реагирующие на изменение внешних условий, аналогично тому, как наша кожа реагирует на изменение температуры воздуха или глаза реагируют на свет. Она имеет и свои «тормозящие» и «регулирующие» центры, аналогично тому, как наша нервная система дает «команду» прикрыть веки, когда освещение становится слишком сильным, или заставляет отдернуть руку, коснувшуюся горячего предмета.

Как же работает «нервная система» турбореактивного двигателя? В большинстве современных турбореактивных двигателей режим работы полностью определяется числом оборотов ротора двигателя, т. е. числом оборотов компрессора и турбины. Чем больше число оборотов, тем больше и тяга двигателя. Остальные показатели, характеризующие работу двигателя, в частности расход топлива и температура газов, имеют при этом вполне определенные значения. Но имеются двигатели, у которых режим работы определяется не только числом оборотов ротора. В этих двигателях истечение газов через выхлопное реактивное сопло в атмосферу регулируется, для чего на выходе из сопла устанавливаются поворотные заслонки или же внутри сопла вдоль его оси перемещается специальная регулирующая (профилированная) игла (см. рис. 10). При этом каждому значению площади выходного сечения сопла соответствуют, даже при неизменном числе оборотов, свои, отличные от других величины тяги, расхода топлива и температуры газов. В данном случае на режим работы двигателя можно воздействовать двумя путями: изменением числа оборотов ротора и изменением площади выходного сечения сопла. Естественно, такая система регулирования режимов работы двигателя сложней, чем регулирование путем изменения только числа оборотов ротора. Тем не менее она находит широкое применение, так как обеспечивает лучшие характеристики двигателя.

Но даже в тех случаях, когда реактивное сопло имеет неизменное выходное сечение, т. е., когда режим работы двигателя полностью определяется числом оборотов ротора, регулирование двигателя оказывается весьма сложным. И это несмотря на то, что по идее регулирование в данном случае очень простое: для изменения числа оборотов остается только одно средство — изменение подачи топлива в камеру сгорания двигателя. Изменяя подачу топлива, мы изменяем режим работы двигателя по нашему желанию или восстанавливаем режим, нарушенный вследствие изменения внешних условий. Таким образом, подача топлива является одновременно и средством управления, и средством регулирования двигателя. Для первого служит так называемый «рычаг управления газом», установленный в кабине летчика, для второго — специальные автоматические устройства системы регулирования, потому что осуществить это вручную практически невозможно.

Как же работает система регулирования турбореактивного двигателя?

Познакомимся с этим на примере двигателя РД-500 (рис. 28).

Пусть самолет стоит на старте. Летчик только что запустил двигатель. Рычаг управления газом передвинут немного вперед. Это значит, что дроссельный кран, с помощью которого изменяется количество топлива, впрыскиваемого в камеру сгорания, чуть приоткрыт. Игла крана приподнята и открывает доступ топливу к топливным форсункам, установленным в камерах сгорания. Так как топлива в камеру сгорания двигателя впрыскивается мало, то в ней выделяется мало тепла, и мощность, развиваемая турбиной, достаточна лишь для вращения компрессора с относительно малым числом оборотов. Двигатель работает на режиме холостого хода, или малого газа.




Рис. 28. Принципиальная схема системы управления подачей топлива турбореактивного двигателя РД-500




Но вот летчик передвигает рычаг управления газом вперед. Игла дроссельного крана приподнимается больше, проходное сечение крана увеличивается, а следовательно, увеличивается подача топлива в камеру сгорания. Вследствие этого увеличивается число оборотов двигателя и развиваемая им тяга. Чем больше топлива поступает в камеру сгорания, тем выше температура газов, выходящих из камеры на лопатки турбины, тем больше число оборотов и тяга двигателя. Наконец, достигнут взлетный режим: летчик освобождает тормоза, самолет начинает разбег по взлетной дорожке и затем, оторвавшись от земли, уходит в небо.

В течение всего полета летчик непрерывно пользуется рычагом управления газом. Когда нужно увеличить скорость полета, он передвигает рычаг от себя, увеличивая тем самым подачу топлива, а следовательно, и тягу двигателя, когда нужно уменьшить скорость, — передвигает рычаг назад. Но вот летчик избрал определенный режим горизонтального полета. Теперь ему уже не нужно воздействовать на рычаг управления. Заданный режим работы двигателя поддерживается автоматами системы регулирования, реагирующими на все изменения условий полета.




Рис. 29. Анероидный сильфон — чувствительный элемент регулятора




В качестве чувствительного элемента системы регулирования часто применяется так называемый анероидный сильфон (рис. 29). Он представляет собой герметичную металлическую «гармошку» — эластичную коробку, внутри которой находится воздух. Когда давление воздуха в камере, в которой помещается сильфон, увеличивается, гармошка сжимается. При уменьшении давления она расширяется. Иногда к этой гармошке добавляется другая, реагирующая на изменение температуры воздуха. Эти гармошки являются как бы своеобразными «органами чувств» двигателя.

Очевидно, что регулятор с таким анероидом будет реагировать на изменение высоты полета, так как с увеличением высоты давление воздуха уменьшается. Ясно, конечно, что он будет реагировать и на изменение барометрического давления. Можно заставить его «почувствовать» и изменение скорости полета. В самом деле, давление встречного потока воздуха, набегающего в полете на самолет, всегда больше атмосферного. Это избыточное давление, которое носит название скоростного напора, зависит от скорости полета: оно тем больше, чем больше скорость полета. Значит, достаточно ввести внутрь камеры регулятора, в которой находится анероид, воздух, имеющий повышенное в результате скоростного напора давление, чтобы регулятор стал реагировать и на скорость полета. Для такого регулятора увеличение скорости полета равносильно, следовательно, уменьшению высоты, т. е. снижению самолета.

Итак, мы познакомились с чувствительным элементом (датчиком) регулятора (обычно такой регулятор называется барометрическим).

Но как с помощью этого датчика барометрический регулятор поддерживает постоянство режима работы двигателя при изменении условий полета?

Пусть, например, скорость полета немного увеличилась или высота полета уменьшилась. В обоих этих случаях плотность воздуха, поступающего в двигатель, возрастает и, следовательно, увеличивается вес воздуха, протекающего через двигатель. Если количество топлива, сгорающего в камерах сгорания двигателя, остается при этом постоянным, то соотношение между воздухом и топливом изменится — топливо воздушная смесь будет беднее топливом. Вследствие этого число оборотов двигателя уже не останется прежним, оно уменьшится. Чтобы восстановить заданное число оборотов, нужно «обогатить» смесь, т. е. увеличить подачу топлива. Вот эту функцию изменения количества топлива, подаваемого насосом в камеры сгорания, и осуществляет регулятор.

Иногда это делается путем перепуска топлива. В этом случае обыкновенный шестеренчатый топливный насос, подающий топливо к форсункам камер сгорания, подает его больше, чем нужно. Избыток топлива перепускается либо обратно в топливный бак, либо во всасывающую магистраль насоса. Барометрический регулятор управляет количеством этого перепускаемого топлива, так что к форсункам поступает только строго необходимое количество топлива в зависимости от условий полета.

Но иногда для этой цели применяется специальный плунжерный топливный насос переменной производительности. Барометрический регулятор изменяет подачу этого насоса так, что к форсункам поступает только необходимое количество топлива. Такая система регулирования нашла применение и на некоторых отечественных турбореактивных двигателях, в частности на двигателе РД-500.

Внутри плунжерного топливного насоса вращается на подшипниках ротор, в котором имеется несколько цилиндрических отверстий, просверленных под углом к его оси (рис. 30). В этих отверстиях перемещаются плунжеры — стальные цилиндрические поршеньки. Плунжеры прижимаются пружинами, заложенными в каждое отверстие ротора, к неподвижной, так называемой «косой шайбе». Это название шайба получила потому, что ее ось наклонена под некоторым углом к оси ротора. Ротор насоса получает вращение от двигателя при помощи шестеренчатой передачи. При этом плунжеры совершают поступательно-возвратное движение в своих гнездах — отверстиях ротора, засасывая и нагнетая топливо. Для изменения величины подачи топлива достаточно лишь изменить угол наклона «косой шайбы», что и осуществляется при помощи барометрического регулятора. При увеличении угла наклона «косой шайбы» подача топлива увеличивается, при уменьшении — уменьшается.

Барометрический регулятор имеет две камеры (рис. 31). Одна из этих камер анероидная, в ней заключен упоминавшийся выше анероид, являющийся «чувствительным» элементом регулятора. Другая камера регулятора, называющаяся клапанной, герметически изолирована от анероидной камеры упругой мембраной из фосфористой бронзы и заполнена топливом, на котором работает двигатель. В дне этой камеры имеются два отверстия — по одному из них (отверстие 3) топливо подводится в камеру, по другому (отверстие 1) —отводится из камеры во всасывающую магистраль топливного насоса. Отверстие 1 всегда открыто полностью, тогда как отверстие 3 частично перекрыто клапаном, связанным с рычагом, укрепленным на мембране, которая разделяет обе камеры регулятора. Один конец рычага опирается на анероид, другой может перемещаться в клапанной камере. Когда один конец рычага поднимается, то другой, естественно, опускается, так как рычаг поворачивается вокруг точки опоры на мембране. Значит, когда анероид по какой-либо причине сжимается, например, при уменьшении высоты или увеличении скорости полета, то опирающийся на него конец рычага поднимается. Противоположный конец рычага, расположенный в клапанной камере регулятора, опускается, уменьшая отверстие для входа топлива в эту камеру, что и используется для изменения производительности насоса.




Рис. 30. Схематический разрез и конструкция топливного насоса переменной производительности для подачи топлива в камеры сгорания турбореактивного двигателя РД-500







Рис. 31. Барометрический регулятор турбореактивного двигателя РД-500:

а —разрез; б — схема гидравлических связей с топливным насосом; в — конструкция




В корпусе насоса имеется цилиндрическая полость, в которой находится поршень с пружиной. Это — сервомеханизм, служащий для поворота «косой шайбы». Дело в том, что усилие, необходимое для поворота «косой шайбы», так велико, что создать его сразу в регуляторе оказывается невозможным. Для этой цели служит особый исполнительный элемент — сервомеханизм, поршень которого связан тягой с «косой шайбой». Когда поршень под действием пружины выдвигается из полости, в которой он находится, то угол наклона «косой шайбы» увеличивается, в результате чего производительность насоса растет.

Топливо, заполняющее полость сервомеханизма, вытекает из нее по трубке 3 (см. рис. 31,б) в клапанную камеру регулятора. Обе полости сервонасоса соединены между собой обводным каналом с находящимся в нем калиброванным отверстием — жиклером. Если давление топлива, протекающего через этот жиклер, уменьшится по какой-либо причине, то силы, действующие на поршень слева и справа, окажутся неодинаковыми. Избыточное давление на поршень при этом уравновесится пружиной, создающей необходимую добавочную силу.

Стоит анероиду регулятора слегка сжаться, что происходит при незначительном увеличении скорости или уменьшении высоты полета, как тотчас же клапан прикроет отверстие 3 и выход топлива из полости сервомеханизма уменьшится. Давление топлива в полости, в которой находится пружина, при этом немедленно возрастет и суммарное давление топлива и пружины превысит давление топлива на противоположную сторону поршня. Поршень выдвинется из полости, наклон «косой шайбы» увеличится, а следовательно, увеличится и производительность насоса: в камеры сгорания будет подаваться больше топлива.

Так регулятор поддерживает нужный состав топливовоздушной смеси, сгорающей в двигателе, чтобы сохранить постоянным его число оборотов (рис. 32).

Но барометрический регулятор выполняет не только эту одну функцию. Он обеспечивает более надежную работу двигателя, являясь в то же время предохранительным устройством, ограничивающим давление топлива в нагнетающей магистрали насоса. Необходимость в таком устройстве очевидна. Нормальное давление топлива, подводимого от насоса к топливным форсункам, обычно составляет несколько десятков атмосфер. На это давление и рассчитываются топливные трубопроводы. Но представьте себе, что по какой-либо причине, например из-за загрязнения, произойдет местное сужение проходного сечения трубопровода. Плунжерный насос будет проталкивать через суженное отверстие прежнее количество топлива, что приведет к резкому увеличению давления топлива в трубопроводе перед сужением. В результате этого трубопровод может лопнуть, что может повлечь за собой пожар на самолете. Чтобы давление топлива в трубопроводе не превосходило некоторой максимально допустимой величины, нужно уменьшить производительность насоса, как только давление достигнет этого предела. Эту функцию и выполняет барометрический регулятор. Если давление топлива, подаваемого насосом, превысит допустимый предел, немедленно прогнется мембрана 4 (рис. 33), изготовленная из упругой резины и помещенная в дне клапанной камеры регулятора. К этой мембране топливо подводится по особой трубке (трубка 2 на рис. 31,б). Прогнувшись, мембрана надавит на поршенек и поднимет иглу, упирающуюся в рычаг, расположенный в клапанной камере. Приподнявшись, рычаг увеличит выход топлива в клапанную камеру регулятора из полости сервомеханизма топливного насоса, как это происходит, например, при увеличении высоты полета.




Рис. 32. Так система регулирования турбореактивного двигателя РД-500 сохраняет постоянство числа оборотов при изменении высоты полета

Пусть высота полета увеличится. Тогда: анероид 1 — расширится; рычаг 2 — приподнимется, в клапанную коробку регулятора через отверстие 3 станет поступать больше топлива из полости сервомеханизма насоса, давление в полости 4 сервомеханизма насоса уменьшится; поршень 5 сервомеханизма передвинется вправо; угол наклона «косой шайбы» 6 уменьшится. В результате этого подача топлива в камеры сгорания уменьшится, вследствие чего число оборотов двигателя, которое с увеличением высоты полета растет из-за увеличения температуры газов, упадет до первоначального значения




В результате этого поршень сервомеханизма переместится в сторону пружины (на рис. 33 — вправо) и угол наклона «косой шайбы» уменьшится. Следовательно, уменьшится и производительность насоса, и давление топлива в трубопроводе упадет до установленного предела.




Рис. 33. Схема, иллюстрирующая, как система регулирования турбореактивного двигателя РД-500 предохраняет топливные трубопроводы от разрыва

Пусть в топливоподающем трубопроводе образовалось местное сужение 1, например, из-за отложений грязи; тогда повысится давление перед сужением в трубопроводе 2, повысится давление и в трубопроводе 3; повышенное давление передастся на мембрану 4; рычаг 5 приподнимется; в клапанную камеру регулятора через отверстие 6 станет поступать больше топлива из полости сервомеханизма насоса; давление в полости 7 сервомеханизма насоса уменьшится; поршень 8 сервомеханизма передвинется вправо; угол наклона «косой шайбы» 9 уменьшится, в результате чего подача топлива насосом уменьшится и давление в трубопроводах понизится до нормальной величины




Другое важное предохранительное устройство системы регулирования расположено в самом насосе. Оно исключает возможность «разноса» двигателя, т. е. превышения максимально допустимого числа оборотов его ротора. В некоторых типах турбореактивных двигателей основным элементом системы регулирования является центробежный регулятор, подобный применяющимся в паровых турбинах и других стационарных двигателях. Этот регулятор поддерживает постоянство числа оборотов двигателя, которое установлено летчиком. Как только число оборотов, например, возрастет, регулятор уменьшит подачу топлива до такой величины, пока число оборотов не снизится до заданного. В этом случае ограничение максимального числа оборотов не представляет трудности.

Иначе обстоит дело в описанной выше системе регулирования, которая реагирует лишь на внешние условия и не имеет центробежного регулятора. Если не предусмотреть в этой системе специального ограничителя максимальных оборотов двигателя, то не исключена возможность его «разноса».

Такой ограничитель оборотов и установлен в плунжерном насосе. Он представляет собой тоже центробежный регулятор, но только упрощенный, рассчитанный на одно определенное число оборотов — максимально допустимое. Этот регулятор не механический (он не имеет центробежных грузиков), а гидравлический. Как же он работает? Для того чтобы ответить на этот вопрос, обратимся к схеме плунжерного насоса, показанной на рис. 34.

В роторе насоса высверлены радиальные отверстия, соединенные со всасывающей магистралью насоса. При работе насоса через эти отверстия вытесняется топливо под давлением, которое создается центробежной силой, возникающей в результате вращения ротора. Чем больше число оборотов насоса, тем больше центробежная сила и, значит, больше давление топлива, заполняющего полость насоса, в которой вращается ротор. Это давление является, таким образом, мерилом числа оборотов двигателя и используется для его ограничения. Для этой цели в верхней части насоса, в его крышке, установлена упругая перегородка — мембрана 3. С обеих сторон, сверху и снизу, на эту мембрану давит топливо. Но снизу давление топлива равно давлению на всасывании у насоса, а сверху оно больше, так как равно давлению в полости ротора, и создается, как указывалось выше, центробежной силой, возникающей при вращении ротора.

Чем больше число оборотов двигателя, тем больше разность давлений, пока, наконец, она не становится столь большой, что мембрана прогибается, нажимая на установленный под ней рычаг.




Рис. 34. Схема, иллюстрирующая, как система регулирования турбореактивного двигателя РД-500 предохраняет двигатель от «разноса», т. е. от превышения максимально допустимого числа оборотов

Пусть число оборотов двигателя увеличится; увеличение числа оборотов двигателя через хвостовик 1 передается ротору топливного насоса; центробежная сила топлива, вытекающего из отверстий в роторе насоса, увеличится, вследствие чего давление внутри насоса (позиция 2) возрастет; под действием повышенного давления внутри насоса прогнется мембрана 3, рычаг повернется и топливо начнет вытекать через отверстие 5 из полости 6 сервомеханизма насоса обратно на всасывание; давление в полости 6 сервомеханизма насоса уменьшится и поршень 7 сервомеханизма передвинется вправо; угол наклона «косой шайбы» 8 уменьшится, в результате чего подача топлива по трубопроводу 9 в камеры сгорания снизится до допустимой величины




Этот рычаг поворачивается вокруг своей опоры и открывает выход топлива из полости сервомеханизма насоса. Результат получается таким же, как и при увеличении высоты или уменьшении скорости полета: угол наклона «косой шайбы» уменьшается до тех пор, пока число оборотов не становится равным максимально допустимому. Чтобы можно было установить этот ограничитель на нужное максимальное число оборотов, сверху в крышке насоса имеется регулирующий винт, который сжимает пружину, воздействующую на мембрану ограничителя. Чем сильнее затянута пружина, тем меньше максимальное число оборотов двигателя, поддерживаемое ограничителем.

На рис. 35 показана общая принципиальная схема топливной системы и системы регулирования двигателя РД-500, а на рис. 36 — расположение основных агрегатов этих систем на двигателе.

Рассказ о конструкции современных турбореактивных двигателей не ограничивается, конечно, двумя приведенными примерами — его можно было бы продолжить. Эти двигатели имеют много сложных устройств и систем, обеспечивающих высокую надежность и эффективность работы двигателя.

Можно было бы рассказать, например, о различных пусковых системах, обеспечивающих быстрый и надежный запуск двигателя как на земле, так и в условиях полета вплоть до самых больших высот.

О сложности проблемы запуска современных мощных турбореактивных двигателей можно судить хотя бы по тому, что на них устанавливаются стартеры, мощность которых иной раз составляет сотни лошадиных сил. Стартер приходится устанавливать на двигателе потому, что турбина двигателя способна самостоятельно приводить во вращение компрессор только при уже достаточно большом числе оборотов. Поэтому при запуске вал двигателя приходится прокручивать с помощью стартера.

В качестве стартеров на турбореактивных двигателях применяются электродвигатели, поршневые двигатели внутреннего сгорания, подобные мотоциклетным, небольшие вспомогательные газотурбинные двигатели (один газотурбинный двигатель применяется для запуска другого), специальные пороховые пиропатроны и другие устройства.




Рис. 35. Общая схема топливной системы турбореактивного двигателя РД-500




Не менее сложной является также система электрического зажигания рабочей смеси при запуске двигателя.

Чтобы воспламенить холодную, плохо приготовленную (это неизбежно при запуске) топливовоздушную смесь, в особенности на большой высоте, где воздух разрежен, нужны очень мощные запальные устройства. Энергия электрической искры, получающейся в запальных свечах турбореактивных двигателей, должна быть больше, чем, например, энергия искры в свечах поршневых авиационных двигателей. Непрерывно изыскиваются новые способы обеспечения надежного воспламенения топлива при запуске турбореактивного двигателя. В некоторых двигателях пропускают, например, через искровой промежуток запальных свечей, установленных в камере сгорания, не один, как обычно, а два электрических разряда, один вслед за другим. Первый высокочастотный разряд как бы «подготавливает» второму путь в топливовоздушной смеси, заполняющей искровой промежуток свечи, вызывая образование в ней большого числа электрически заряженных частиц — ионов. Второй мощный разряд идет по этому наэлектризованному каналу и воспламеняет смесь. Применяют и так называемые свечи поверхностного разряда, в которых между электродами заключен специальный полупроводниковый материал. Этот материал вызывает при разряде резкое снижение электрического сопротивления газа между электродами и способствует образованию другого, рабочего разряда, воспламеняющего смесь при сравнительно низком напряжении. Эти свечи обеспечивают надежный запуск в самых трудных условиях.




Рис. 36. Расположение основных агрегатов топливной системы на двигателе РД-500




Немало хлопот доставляет конструкторам и эксплуатационникам защита двигателя от попадания в него посторонних предметов, которые могут оказаться в засасываемом в двигатель воздухе. В особенности это важно для двигателей с осевым компрессором. Сравнительно прочная крыльчатка центробежного компрессора значительно меньше повреждается, например, мелкими камешками или песком, попадающими в воздушный тракт двигателя при работе на стоянке или при рулении самолета. Перегруженные же лопатки осевого компрессора разрушаются даже при легком ударе.

Самым простым решением этой проблемы была бы установка на входе в двигатель достаточно густой защитной проволочной сетки. Но такая сетка вызывает дополнительное гидравлическое сопротивление засасываемому воздуху, что приводит к уменьшению развиваемой двигателем тяги. Это тем более неприемлемо, что сетка нужна только при работе двигателя на земле, тягу же она уменьшает в течение всей работы двигателя. Кроме того, сетка, как выяснилось, подвергается в полете обледенению, вследствие чего гидравлическое сопротивление поступающему в двигатель воздуху увеличивается еще более; сильное обледенение может вызвать даже аварию двигателя. Поэтому конструкторам приходится разрабатывать сложные устройства с автоматически убирающимися в полете защитными сетками.

Следует заметить, что автоматическая уборка в полете защитных сеток не является одновременно и решением проблемы борьбы с обледенением двигателя в полете. Если полет происходит во влажном воздухе при низкой температуре, в облаках и т. д., то образование льда может происходить не только на входных сетках, но также и на внутренних стенках входного канала, в топливных фильтрах и т. п. Это обычно приводит к перебоям в подаче топлива, уменьшению тяги двигателя из-за уменьшения количества протекающего через него воздуха и другим ненормальностям в работе двигателя. Наибольшую опасность при этом представляет попадание скалывающихся кусков льда в компрессор, в результате чего двигатель может выйти из строя. Неудивительно, что для борьбы с обледенением двигателя в полете приходится прибегать к специальным антиобледенительным устройствам, усложняющим двигатель. Иногда, например, для этой цели стенки входного канала двигателя и находящиеся в нем стойки, входные направляющие лопатки и другие детали делаются полыми. Внутри них в этом случае циркулирует горячий воздух, отводимый из компрессора.

Но особенно много хлопот доставило конструкторам явление, наблюдаемое при работе турбореактивного двигателя и получившее название «помпаж». Об этом явлении упоминалось выше в связи с проблемой увеличения степени повышения давления компрессора. Внешне оно проявляется тем, что иногда на некоторых режимах работы, именно на режимах пониженной тяги и при запуске, двигатель начинает трясти. С каждой секундой эта тряска усиливается, а тяга двигателя становится неустойчивой, она резко и сильно колеблется. Если не вмешаться и не изменить режима работы двигателя, то помпаж может привести к его разрушению. Выяснилось также, что помпажный режим работы (или помпаж) особенно опасен для двигателя с многоступенчатым компрессором, имеющим высокую степень повышения давления, а такие компрессоры характерны для новейших мощных турбореактивных двигателей. Природа помпажа в настоящее время в основном установлена: его возникновение обычно связано с нарушением нормального обтекания воздухом лопаток компрессора в тех случаях, когда объемный расход воздуха через двигатель резко уменьшается. Поэтому помпаж возникает при запуске и на режимах уменьшенной тяги. Для борьбы с ним применяются различные противопомпажные устройства. Так, например, на опасных с точки зрения возникновения помпажа режимах часто осуществляется перепуск воздуха из первых ступеней компрессора через специальные окна в корпусе прямо в атмосферу. Это позволяет увеличить объемный расход воздуха через первые ступени компрессора по сравнению с общим расходом воздуха через двигатель. При этом опасность возникновения помпажа уменьшается, так как его появление обычно связано с нарушением обтекания лопаток именно первых ступеней компрессора. Однако до сих пор проблему помпажа нельзя считать решенной полностью. Конструктор, забывший о помпаже и не предусмотревший при конструировании двигателя специальных противопомпажных устройств, рискует столкнуться с этим неприятным явлением при испытаниях готового двигателя, когда внесение всяких конструктивных изменений затруднено.

Турбореактивный двигатель уступает поршневому авиационному двигателю в приемистости; над устранением этого недостатка немало пришлось потрудиться конструкторам. Под термином «приемистость» понимается очень важное эксплуатационное качество авиационного двигателя — способность быстро переходить с режима малого газа, или холостого хода, на режим максимальной мощности.

При эксплуатации самолета часто возникает необходимость в резком увеличении мощности двигателя. Для иллюстрации можно привести пример, когда летчик при посадке самолета в самый последний момент перед приземлением выясняет, что садиться почему-либо нельзя. При этом требуется сразу перевести самолет на набор высоты, для чего необходимо резко увеличить скорость полета, так как посадка производится на наименьшей возможной скорости, при работе двигателя на режиме малого газа. Поршневой двигатель вполне обеспечивает выполнение этого требования, так как обладает хорошей приемистостью. Перевод поршневого двигателя с режима малого газа на взлетный режим может быть осуществлен не более чем за 1 —1,5 секунды, при этом двигатель работает без перебоев, надежно.

Иначе реагирует на резкие действия рычагом управления газом турбореактивный двигатель.

В первый период развития реактивной авиации было немало случаев, когда из-за резкого действия рычагом газа двигатели «глохли», самовыключались и, что еще хуже, из-за этого на самолете часто возникал пожар. Объяснялось это тем, что при быстром передвижении рычага управления газом вперед в сторону увеличения тяги подача топлива резко увеличивалась, а увеличение расхода воздуха через двигатель происходило медленнее. В результате топливовоздушная смесь переобогащалась топливом, температура газов, выходящих из камеры сгорания на лопатки турбины, возрастала, лопатки сгорали и турбина выходила из строя. Поэтому инструкции по эксплуатации турбореактивных двигателей категорически требовали от летчика медленного, плавного передвижения вперед рычага управления газом.

На первых порах, пока решалась проблема улучшения приемистости турбореактивного двигателя, иногда принималось компромиссное решение. Оно заключалось в том, что в систему управления газом вводились специальные «автоматы приемистости», и как бы стремительно летчик не передвигал рычаг управления, перевод двигателя с одного режима на другой осуществлялся с помощью этих автоматов плавно, постепенно.

В настоящее время нет нужды в таких автоматах. Проблема приемистости в основном решена: современный турбореактивный двигатель мало уступает в этом отношении поршневому.

За годы, прошедшие со времени появления первого турбореактивного двигателя, он стал высокосовершенной машиной. Улучшились основные технические показатели двигателя, его технические данные. Ныне турбореактивный двигатель уверенно занял ведущее положение среди всех авиационных двигателей.

И только температура газов, поступающих из камеры сгорания на лопатки турбины, осталась практически такой же, как и в первых двигателях, или выросла крайне незначительно: она до сих пор не превышает 850—900° С.

Но, может быть, в увеличении этой температуры и нет нужды? Может быть, именно поэтому и не ведется борьба за повышение температуры газов?

Нет, дело обстоит не так. Повышение температуры газов имело бы большое значение для дальнейшего совершенствования турбореактивного двигателя. Ведь чем горячее газы, поступающие на лопатки турбины, тем больше и тяга двигателя. Это связано с отмечавшимся выше свойством газов: чем выше их температура, тем большую работу они совершают при одном и том же расширении. Поэтому, когда температура газов, поступающих в турбину, растет, турбина оказывается в состоянии развивать прежнюю мощность при меньшем расширении газов. Это значит, что из турбины газы выходят, имея более высокое давление и температуру. Естественно, что вследствие этого растет скорость истечения газов из двигателя, а вместе с ней и тяга.

Тяга, развиваемая двигателем, является важнейшей его характеристикой, ибо чем больше тяга, тем больше скорость полета. Поэтому совершенствование турбореактивного двигателя было неразрывно связано с увеличением его тяги: если первые двигатели развивали тягу 700—800 кг, то тяга, развиваемая современными двигателями, в 5—10 раз больше. Однако увеличение тяги турбореактивного двигателя путем увеличения температуры газов достигается за счет значительного ухудшения экономичности двигателя, т. е. увеличения удельного расхода топлива на килограмм тяги. Для повышения температуры газов приходится сжигать больше топлива, а тяга хоть и увеличивается, но медленнее, чем необходимый расход топлива.

Значит ли это, что не имеет смысла увеличивать тягу двигателя путем повышения температуры газов?

Конечно, такой способ увеличения тяги нерационален, если рассчитывать на работу двигателя при повышенной температуре газов длительное время, так как это приведет к большому перерасходу, топлива. Но в полете нередко возникает необходимость кратковременного увеличения тяги, или, как говорят, форсирования двигателя. Так, например, летчик самолета-истребителя пользуется этим для того, чтобы быстрее набрать большую высоту и перехватить врага, или же для того, чтобы увеличить скорость полета — с целью догнать его. Летчик самолета-бомбардировщика использует «форсаж» для того, чтобы увеличить скорость полета, ибо большая скорость и большая высота полета являются лучшими защитниками от огня зенитной артиллерии. В этих случаях даже значительное увеличение тяги двигателя не вызовет большого перерасхода топлива, так как двигатель работает с увеличенной тягой лишь кратковременно.

В настоящее время очень многие турбореактивные двигатели военных самолетов снабжаются специальными приспособлениями для такого кратковременного увеличения тяги. Эти приспособления называются форсажными камерами. В форсажной камере (рис. 37), устанавливаемой в задней части двигателя за турбиной, имеются топливные форсунки. Когда нужды в увеличении тяги нет, газы проходят через форсажную камеру как через выхлопную трубу. Если же нужно форсировать двигатель, т. е. увеличить его тягу, то через форсунки форсажной камеры в поток газов, вытекающих из двигателя, впрыскивается топливо. Так как в газах всегда имеется некоторое количество свободного кислорода, то топливо сгорает; при этом температура газов в камере увеличивается и скорость их истечения из двигателя, а значит, и тяга двигателя растет.




Рис. 37. Турбореактивный двигатель с форсажной камерой:

а — общий вид; б — устройство форсажной камеры




Такой способ форсирования двигателя, как было указано выше, невыгоден, в особенности при сравнительно небольшой скорости полета, так как при этом значительно увеличивается расход топлива. Увеличение расхода топлива могло бы быть гораздо меньшим, если бы дополнительное топливо впрыскивалось не за турбиной, где давление газов понижено в результате расширения их в турбине, а перед нею, т. е. в камере сгорания. Ведь чем сильнее расширяется нагретый газ, тем больше получается добавочная работа, связанная с повышением температуры. Это только один пример того, что повышение температуры газов перед турбиной может оказаться выгодным.

Другой пример связан с турбовинтовым двигателем. Оказывается, повышение температуры газов перед турбиной этого двигателя особенно выгодно. Когда турбина приводит во вращение воздушный винт, то повышение температуры газов перед турбиной не только увеличивает мощность двигателя, но даже, в противоположность турбореактивному двигателю, улучшает его экономичность, т. е. уменьшает расход топлива на 1 л. с. мощности. Можно было бы привести и другие примеры, когда увеличение температуры газов перед турбиной оказывается целесообразным.

Но особенно большое значение проблема повышения температуры газов перед турбиной приобретает в связи с непрерывным и быстрым ростом скорости полета. Оказывается, что по мере роста скорости полета увеличение тяги путем повышения температуры газов перед турбиной становится все более выгодным: удельный расход топлива увеличивается при этом все меньше и меньше. При очень же больших скоростях полета, превышающих скорость звука, удельный расход топлива при таком методе увеличения тяги не только не растет, но даже уменьшается.

Совершенно очевидно, что повышение температуры газов перед турбиной имеет смысл уже на современном этапе развития реактивной авиации, и еще более важное значение это повышение температуры приобретет в самом недалеком будущем.

Для решения этой проблемы ученым, конструкторам и инженерам-производственникам предстоит преодолеть очень серьезные трудности.

Мы уже знаем, что температура продуктов сгорания в двигателе достигает почти 2000 °С. Следовательно, трудности, связанные с повышением температуры газов перед турбиной, не зависят от топлива: топливо позволяет по крайней мере удвоить эту температуру. Однако для того чтобы снизить температуру, получающуюся при сгорании топлива в камерах сгорания существующих турбореактивных двигателей до 850—900° С, раскаленные газы — продукты сгорания приходится искусственно охлаждать. Для этого к продуктам сгорания добавляется холодный воздух из компрессора, как это показано на рис. 38, причем вес добавляемого воздуха в 3—4 раза превышает вес горячих газов.

Это вынужденное понижение температуры газов вызывается необходимостью облегчить условия работы лопаток турбины. Так лопатки турбины становятся барьером на пути развития реактивной авиации. Даже в современных турбореактивных двигателях, при температуре газов в 850—900° С, лопатки иной раз не выдерживают действующих на них нагрузок и являются причиной аварий двигателя. Лопатки обычно ограничивают и ресурс двигателя.

Как же преодолевают ученые, конструкторы и производственники эту трудность на пути развития турбореактивного двигателя, как борются за совершенствование лопаток турбины с целью возможного повышения температуры газов?

Эта борьба идет двумя путями. Так, металлурги идут по пути создания более жаропрочных сплавов для изготовления лопаток. На этом пути успеха можно ждать, вероятно, от совместного использования достижений металлургии и керамики, так как вряд ли это под силу одной только металлургии. Только лопатки, изготовленные в виде различных конструктивных комбинаций сверх-жаропрочной керамики с прочными металлическими сплавами, смогут безотказно работать при температуре газов 1000—1500° С. Такой, например, может быть лопатка, изготовленная из прочного сплава и имеющая снаружи тонкий слой керамической облицовки.

Другой путь — создание охлаждаемых турбин. Если лопатки турбины сделать полыми, чтобы внутри них протекал охлаждающий воздух или жидкость, то можно значительно повысить температуру газов, омывающих лопатки, без повышения температуры самих лопаток. Одной из перспективных конструкций охлаждаемых лопаток являются, например, лопатки с так называемым проникающим охлаждением. В этом случае лопатки изготовляются методом порошковой металлургии, т. е. путем спекания мельчайших зерен металла. Через бесчисленное множество микропор в стенках такой лопатки изнутри ее наружу продавливается какая-нибудь охлаждающая жидкость. Покрывая тончайшим холодным слоем поверхность лопатки, омываемую раскаленными газами, эта жидкость создает защитную завесу, изолирующую лопатку от непосредственного воздействия газов. Температура лопатки при таком способе охлаждения может быть значительно ниже температуры газов.




Рис. 38. Схема течения воздуха и газов через турбореактивный двигатель РД-500




Итак, два пути ведут к желанной цели — созданию высокотемпературной газовой турбины, по двум направлениям ведутся настойчивые исследования и конструктивные изыскания. Много лет трудятся ученые и инженеры над созданием опытных турбин с лопатками, способными работать при высоких температурах, но пока эти работы еще не вышли из стадии эксперимента.

На практике температура газов, поступающих на лопатки турбин турбореактивных двигателей, остается почти неизменной. Нелегко разрешить те большие трудности, которые стоят на пути создания высокотемпературной газовой турбины. Нет сомнения, что настойчивый труд ученых и инженеров в этой области приведет к желаемым результатам и высокотемпературные газовые турбины в недалеком будущем найдут широкое применение не только в авиации, но и в самых различных отраслях техники.

Но пока газовая турбина все еще является одним из «узких мест» в развитии реактивной авиации, в борьбе за увеличение скорости полета.

Оказывается, однако, что именно в этом непрерывающемся увеличении скорости полета заключены замечательные возможности еще более стремительного ее увеличения. Это связано с тем, что дальнейшее увеличение скорости полета, ради которого необходимо совершенствование газовой турбины, сделает ненужной газовую турбину.

В чем же секрет этой несколько неожиданной возможности, связанной с перспективами дальнейшего развития реактивной авиации?




Глава пятая

Пульсирующий воздушно-реактивный двигатель


На первый взгляд возможность значительного упрощения двигателя при переходе к большим скоростям полета кажется странной, пожалуй, даже невероятной. Вся история авиации до сих пор говорит о противоположном: борьба за увеличение скорости полета приводила к усложнению двигателя. Так было с поршневыми двигателями: мощные двигатели скоростных самолетов периода второй мировой войны значительно сложнее тех двигателей, которые устанавливались на самолетах в первый период развития авиации. То же происходит сейчас с турбореактивными двигателями: достаточно вспомнить о сложной проблеме увеличения температуры газов перед турбиной.

И вдруг такое принципиальное упрощение двигателя, как полное устранение газовой турбины. Возможно ли это? Как же будет приводиться во вращение компрессор двигателя, необходимый для сжатия воздуха, — ведь без такого сжатия не может работать турбореактивный двигатель?

Но так ли необходим компрессор? Нельзя ли обойтись без компрессора и как-нибудь иначе обеспечить необходимое сжатие воздуха?

Оказывается, такая возможность существует. Мало того: этого можно достичь даже не одним способом. Воздушно-реактивные двигатели, в которых применен один такой метод бескомпрессорного. сжатия воздуха, нашли даже практическое применение в авиации. Это было еще в период второй мировой войны.

В июне 1944 г. жители Лондона впервые познакомились с новым оружием немцев. С противоположной стороны пролива, с берегов Франции, на Лондон неслись небольшие самолеты странной формы с громко тарахтевшим двигателем (рис. 39). Каждый такой самолет представлял собой летящую бомбу — на нем находилось около тонны взрывчатого вещества. Летчиков на этих «самолетах-роботах» не было; они управлялись приборами-автоматами и также автоматически, вслепую пикировали на Лондон, сея смерть и разрушения. Это были реактивные самолеты-снаряды.

Реактивные двигатели самолетов-снарядов не имели компрессора, но тем не менее развивали тягу, необходимую для полета с большой скоростью. Как же работают эти так называемые пульсирующие воздушно-реактивные двигатели?

Следует отметить, что еще в 1906 г. русский инженер-изобретатель В. В. Караводин предложил, а в 1908 г. построил и испытал пульсирующий двигатель, похожий на современные двигатели этого типа.




Рис. 39. Реактивный самолет-снаряд. Свыше 8000 таких «самолетов-роботов» было выпущено гитлеровцами во время второй мировой войны для бомбардировки Лондона




Чтобы познакомиться с устройством пульсирующего двигателя, войдем в помещение испытательной станции завода, изготовляющего такие двигатели. Кстати, один из двигателей уже установлен на испытательном станке, скоро начнутся его испытания.

Снаружи этот двигатель прост — он состоит из двух тонкостенных труб, спереди — короткой, большего диаметра, сзади — длинной, меньшего диаметра. Обе трубы соединены конической переходной частью. И спереди, и сзади торцовые отверстия двигателя открыты. Это понятно — через переднее отверстие в двигатель засасывается воздух, через заднее — вытекают в атмосферу горячие газы. Но как же создается в двигателе повышенное давление, необходимое для его работы?

Заглянем в двигатель через его входное отверстие (рис. 40). Оказывается, внутри, сразу за входным отверстием, находится перегораживающая двигатель решетка. Если мы посмотрим внутрь двигателя через выходное отверстие, то увидим вдалеке ту же решетку. Ничего другого внутри двигателя, оказывается, нет. Следовательно, эта решетка заменяет и компрессор, и турбину турбореактивного двигателя? Что же это за такая «всемогущая» решетка?

Но нам сигнализируют через окно наблюдательной кабины — нужно уходить из бокса (так обычно называют помещение, в котором находится испытательная установка), сейчас начнутся испытания. Займем место у пульта управления рядом с инженером, ведущим испытания. Вот инженер нажимает пусковую кнопку. В камеру сгорания двигателя через форсунки начинает поступать топливо — бензин, который сразу воспламеняется электрической искрой, и из выходного отверстия двигателя вырывается клубок раскаленных газов. Еще клубок, еще один — и вот уже отдельные хлопки превратились в оглушительное тарахтение, слышное даже в кабине, несмотря на хорошую звукоизоляцию.

Войдем снова в бокс. Резкий грохот обрушивается на нас, как только мы открываем дверь. Двигатель сильно вибрирует и, кажется, вот-вот сорвется со станка под действием развиваемой им тяги. Из выходного отверстия вырывается струя раскаленных газов, устремляющаяся в воронку отсасывающего устройства. Двигатель быстро разогрелся. Осторожно, не положите руку на его корпус — обожжете!

Стрелка на большом циферблате прибора для измерения тяги — динамометра, установленного в помещении так, что его показания можно прочесть через окна наблюдательной кабины, колеблется около цифры 250. Значит, двигатель развивает тягу, равную 250 кг. Но понять, как работает двигатель и почему он развивает тягу, нам все же не удается. Компрессора в двигателе нет, а из него с большой скоростью вырываются газы, создавая тягу; значит, давление внутри двигателя повышено. Но как? Чем сжимается воздух?




Рис. 40. Пульсирующий воздушно-реактивный двигатель:

а — принципиальная схема; б — схема установки дефлекторов 1 и входной решетки 2 (на рисунке справа входная решетка снята); в — передняя часть двигателя; г — устройство решетки




На этот раз нам не помог бы даже и зеленый воздушный океан, с помощью которого мы раньше наблюдали за работой винта и турбореактивного двигателя. Если бы мы поместили работающий пульсирующий двигатель с прозрачными стенками в такой океан, то перед нами предстала бы такая картина. Спереди к выходному отверстию двигателя устремляется засасываемый им воздух — перед этим отверстием появляется знакомая нам воронка, которая своим узким и более темным концом обращена к двигателю. Из выходного отверстия вытекает струя, имеющая темнозеленый цвет, свидетельствующий о том, что скорость газов в струе велика. Внутри двигателя цвет воздуха по мере его продвижения к выходному отверстию постепенно темнеет, значит скорость движения воздуха увеличивается. Но почему это происходит, какую роль играет решетка внутри двигателя? Ответить на этот вопрос мы все еще не можем.

Не многим помог бы нам и другой воздушный океан — красный, к помощи которого мы прибегали при изучении работы турбореактивного двигателя. Мы убедились бы только в том, что сразу за решеткой цвет воздуха в двигателе становится темнокрасным, значит в этом месте его температура резко возрастает. Это легко объяснимо, так как здесь, очевидно, происходит сгорание топлива. Темнокрасный цвет имеет и реактивная струя, вытекающая из двигателя, — это раскаленные газы. Но почему эти газы вытекают с такой большой скоростью из двигателя, мы так и не узнали.

Может быть, загадку можно разъяснить, если воспользоваться таким искусственным воздушным океаном, который показывал бы нам, как изменяется давление воздуха? Пусть это будет, например, синий воздушный океан, причем такой, что цвет его становится тем более темносиним, чем больше давление воздуха. Попытаемся при помощи этого океана выяснить, где и как рождается внутри двигателя то повышенное давление, которое заставляет вытекать из него газы с такой большой скоростью. Но увы, и этот синий океан не принес бы нам большой пользы. Поместив в такой воздушный океан двигатель, мы увидим, что за решеткой воздух сразу густо синеет, значит он сжимается и его давление резко повышается. Но как это происходит? Ответа на этот вопрос мы все же не получим. Потом в длинной выходной трубе воздух снова бледнеет, следовательно, в ней он расширяется; благодаря этому расширению скорость истечения газов из двигателя оказывается такой большой.

В чем же все-таки заключается секрет «таинственного» сжатия воздуха в пульсирующем двигателе?

Этот секрет, оказывается, можно разгадать, если применить для изучения явлений в двигателе киносъемку «лупой времени». Если прозрачный работающий двигатель сфотографировать в синем воздушном океане, делая тысячи снимков в секунду, а затем показать получившийся фильм с обычной частотой 24 кадра в секунду, то перед нами на экране медленно развертывались бы процессы, стремительно происходящие в двигателе. Тогда нетрудно было бы понять, почему не удается рассмотреть эти процессы на работающем двигателе, — они так быстро следуют один за другим, что глаз в обычных условиях не успевает следить за ними и фиксирует лишь какие-то усредненные явления. «Лупа времени» позволяет «замедлить» эти процессы и делает возможным их изучение.

Вот в камере сгорания двигателя за решеткой произошла вспышка — впрыснутое топливо воспламенилось и давление резко повысилось (рис. 41). Такого сильного повышения давления не произошло бы, конечно, если бы камера сгорания за решеткой была непосредственно сообщена с атмосферой. Но она соединена с ней длинной, относительно узкой трубой: воздух в этой трубе служит как бы поршнем; пока происходит разгон этого «поршня», давление в камере повышается. Давление повысилось бы еще сильнее, если бы на выходе из камеры имелся какой-нибудь клапан, закрывающийся в момент вспышки. Но этот клапан был бы очень ненадежным — ведь его омывали бы раскаленные газы.




Рис. 41. Так работает пульсирующий воздушно-реактивный двигатель:

а — произошла вспышка топлива, клапана решетки закрыты; б — в камере сгорания создалось разрежение, клапана открылись; в — воздух входит в камеру через решетку и через выхлопную трубу; г — так меняется по времени давление в камере сгорания работающего двигателя




Под действием повышенного давления в камере сгорания продукты горения и еще продолжающие гореть газы устремляются с большой скоростью наружу, в атмосферу. Мы видим, как клубок раскаленных газов мчится по длинной трубе к выходному отверстию. Но что это? В камере сгорания позади этого клубка давление понизилось так же, как это происходит, например, за движущимся в цилиндре поршнем; воздух там стал светлосиним. Вот он все светлеет и, наконец, становится светлее окружающего двигатель синего океана. Это значит, что в камере создалось разрежение. Тотчас же лепестки стальных пластинчатых клапанов решетки,, служащих для закрывания отверстий в ней, отгибаются под напором атмосферного воздуха. Отверстия в решетке открываются, и внутрь двигателя врывается свежий воздух. Понятно, что если входное отверстие двигателя закрыть, как это изобразил на шуточном рисунке (рис. 42) художник, то двигатель работать не сможет. Следует отметить, что похожие на тонкое лезвие безопасной бритвы стальные клапаны решетки, являющиеся единственными движущимися частями пульсирующего двигателя, обычно и ограничивают срок его службы — они выходят из строя через несколько десятков минут работы.




Рис. 42. Если прекратить доступ воздуха в пульсирующий воздушно-реактивный двигатель, то он моментально заглохнет (Можно «бороться» с самолетами-снарядами и так. Шуточный рисунок, помещенный в одном из английских журналов в связи с применением гитлеровцами самолетов-снарядов для бомбардировки Лондона)




Все дальше движется темносиний «поршень» горячих газов по длинной трубе к выходному отверстию, все больше свежего воздуха поступает через решетку в двигатель. Но вот газы вырвались из трубы наружу. Мы с трудом могли разглядеть клубки раскаленных газов в струе, когда находились в испытательном боксе, так быстро они следовали один за другим. Ночью же в полете пульсирующий двигатель оставляет за собой отчетливо видный светящийся пунктир, образованный клубками раскаленных газов (рис. 43).




Рис. 43. Такой светящийся пунктир оставляет за собой летящий ночью самолет-снаряд с пульсирующим воздушно-реактивным двигателем




Как только газы вырвались из выхлопной трубы двигателя, в нее устремился через выходное отверстие свежий воздух из атмосферы. Теперь в двигателе мчатся навстречу друг другу два урагана, два воздушных потока — один из них вошел через входное отверстие и решетку, другой — через выходное отверстие двигателя. Еще мгновение, и давление внутри двигателя повысилось, цвет воздуха в нем стал таким же синим, как и в окружающей атмосфере. Лепестки клапанов захлопнулись, прекратив этим вход воздуха через решетку.

Но воздух, поступивший через выходное отверстие двигателя, продолжает по инерции двигаться по трубе внутрь двигателя, и в трубу засасываются из атмосферы все новые порции воздуха. Длинный столб воздуха, движущийся по трубе, как поршень, сжимает воздух, находящийся в камере сгорания у решетки; цвет его становится более синим, чем в атмосфере.

Вот что, оказывается, заменяет компрессор в этом двигателе. Но давление воздуха в пульсирующем двигателе значительно ниже, чем в турбореактивном двигателе. Этим, в частности, объясняется то, что пульсирующий двигатель менее экономичен. Он расходует значительно больше топлива на килограмм тяги, чем турбореактивный двигатель. Ведь чем больше повышается давление в воздушно-реактивном двигателе, тем большую полезную работу он совершает при том же расходе топлива.

В сжатый воздух снова впрыскивается бензин, вспышка — и все повторяется сначала с частотой в десятки раз в секунду. В некоторых пульсирующих двигателях частота рабочих циклов достигает ста и более циклов в секунду. Это значит, что весь рабочий процесс двигателя: всасывание свежего воздуха, его сжатие, вспышка, расширение и истечение газов — длится около 1/100 секунды. Поэтому нет ничего удивительного в том, что без «лупы времени» нам не удавалось разобраться в том, как работает пульсирующий двигатель.

Такая периодичность работы двигателя и позволяет обойтись без компрессора. Отсюда возникло и само название двигателя — пульсирующий. Как видно, секрет работы двигателя связан с решеткой на входе в двигатель.

Но, оказывается, пульсирующий двигатель может работать и без решетки. На первый взгляд это кажется невероятным — ведь если входное отверстие не закрыть решеткой, то при вспышке газы потекут в обе стороны, а не только назад, через выходное отверстие. Однако если мы сузим входное отверстие, т. е. уменьшим его сечение, то можно добиться того, что основная масса газов будет вытекать через выходное отверстие. В этом случае двигатель все же будет развивать тягу, правда меньшую по величине, чем двигатель с решеткой. Такие пульсирующие двигатели без решетки (рис. 44, а) не только исследуются в лабораториях, но и устанавливаются на некоторых экспериментальных самолетах, как это изображено на рис. 44, б. Исследуются и другие двигатели этого же типа — в них оба отверстия, и входное и выходное, обращены назад, против направления полета (см. рис. 44, в); такие двигатели получаются более компактными.

Пульсирующие воздушно-реактивные двигатели значительно проще турбореактивных и поршневых двигателей. В них нет движущихся частей, если не считать пластинчатых клапанов решетки, без которых, как указывалось выше, тоже можно обойтись.




Рис. 44. Пульсирующий двигатель, не имеющий решетки на входе:

а — общий вид (на рисунке показан примерный размер одного из таких двигателей); б — легкий самолет с четырьмя пульсирующими двигателями, подобными двигателю, изображенному выше; в — один из вариантов устройства двигателя без входной решетки




Благодаря простоте конструкции, дешевизне и малому весу пульсирующие двигатели находят применение в таком оружии одноразового действия, как самолеты-снаряды. Они могут сообщить им скорость 700—900 км/час и обеспечить дальность полета в несколько сот километров. Для такого назначения пульсирующие воздушно-реактивные двигатели подходят лучше любых других авиационных двигателей. Если бы, например, на описанном выше самолете-снаряде вместо пульсирующего двигателя решили бы установить обычный поршневой авиационный двигатель, то для получения той же скорости полета (примерно 650 км/час) понадобился бы двигатель мощностью около 750 л. с. Он расходовал бы примерно в 7 раз меньше топлива, но зато был бы по крайней мере в 10 раз тяжелее и неизмеримо дороже. Следовательно, при увеличении дальности полета пульсирующие двигатели становятся невыгодными, так как увеличение расхода топлива не компенсируется при этом экономией в весе. Пульсирующие воздушно-реактивные двигатели могут найти применение и в легкомоторной авиации, на вертолетах и т. д.

Простые пульсирующие двигатели представляют большой интерес и для установки их на авиамоделях. Изготовить небольшой пульсирующий воздушно-реактивный двигатель для авиамодели под силу любому авиамодельному кружку. В 1950 году, когда в здании Академии наук в Москве, в Харитоньевском переулке, представители научно-технической общественности столицы собрались на вечер, посвященный памяти основоположника реактивной техники Константина Эдуардовича Циолковского, внимание присутствующих привлек крохотный пульсирующий двигатель. Этот двигатель для авиамодели был укреплен на небольшой деревянной подставке. Когда в перерыве между заседаниями «конструктор» двигателя, державший подставку в руках, запустил его, то громкое резкое тарахтение заполнило все углы старинного здания. Быстро разогревшийся до красного каления двигатель неудержимо рвался с подставки, наглядно демонстрируя силу, лежащую в основе всей современной реактивной техники.

Пульсирующие воздушно-реактивные двигатели так просты, что их можно с полным правом назвать летающими топками. В самом деле, установлена на самолете труба, горит в этой трубе топливо, и развивает она тягу, заставляющую лететь с большой скоростью самолет.

Однако с еще большим правом можно назвать летающими топками двигатели другого типа, так называемые прямоточные воздушно-реактивные двигатели. Если пульсирующие воздушно-реактивные двигатели могут рассчитывать лишь на сравнительно ограниченное применение, то перед прямоточными воздушно-реактивными двигателями раскрываются широчайшие перспективы; они являются двигателями будущего в авиации. Это объясняется тем, что с увеличением скорости полета выше 900—1000 км/час пульсирующие двигатели становятся все менее выгодными, так как они развивают меньшую тягу и потребляют больше топлива. Прямоточные двигатели, наоборот, наиболее выгодны именно при сверхзвуковых скоростях полета. При скорости полета в 3—4 раза большей, чем скорость звука, прямоточные двигатели превосходят любые другие известные авиационные двигатели, в этих условиях им нет равных.

Прямоточный двигатель внешне похож на пульсирующий. Он также представляет собой бескомпрессорный воздушно-реактивный двигатель, но отличается от пульсирующего принципиально тем, что работает не периодически. Через него непрерывно течет установившийся, постоянный поток воздуха, как и через турбореактивный двигатель. Как же в прямоточном воздушно-реактивном двигателе осуществляется сжатие поступающего воздуха, если в нем нет ни компрессора, как в турбореактивном двигателе, ни периодических вспышек, как в двигателе пульсирующем?

Оказывается, секрет такого сжатия связан с тем влиянием на работу двигателя, которое оказывает на нее быстро увеличивающаяся скорость полета. Это влияние играет огромную роль во всей скоростной авиации и будет играть все большую роль по мере дальнейшего увеличения скорости полета.




Глава шестая

Через скачок уплотнения


Как же влияет скорость полета на работу турбореактивного двигателя? Чтобы выяснить это, проследим за работой двигателя в наших искусственных цветных воздушных океанах. Мы будем интересоваться тем, как изменяется скорость и давление воздуха, поэтому нам понадобятся океаны зеленого и синего цвета.

Перед нами турбореактивный двигатель, установленный на самолете. Мы знаем, что как только двигатель начнет работать, у его входного отверстия образуется воронка засасываемого в двигатель воздуха.

Как изменится форма воронки и изменится ли она вообще, когда самолет взлетит и начнет свой полет? Для того чтобы проследить за летящим самолетом, поступим так, как поступают при опытах в аэродинамических трубах. Сделаем самолет неподвижным и заставим двигаться окружающий воздух в направлении, противоположном полету, со скоростью, равной скорости полета. Так сделать можно — ведь взаимодействие между воздухом и двигателем зависит только от их относительной скорости, которая при такой замене остается неизменной.




Рис. 45. Что происходит в воздухе перед работающим двигателем реактивного самолета:

а — на стоянке или при полете с малой скоростью; воздух перед двигателем разгоняется, давление его уменьшается, б — при полете со средней скоростью, давление воздуха перед двигателем не меняется; в — при полете с большой (дозвуковой) скоростью; воздух перед двигателем тормозится, давление его растет




Пока скорость полета очень мала, воронка на входе в двигатель почти не будет отличаться от воронки перед двигателем, работающим на неподвижном самолете (рис. 45, а). Но вот скорость увеличилась, и воронка перед двигателем изменила свой внешний вид. Теперь она стала меньше по размерам, да и по цвету уже меньше отличается от окружающего океана. Обратим внимание на то, что цвет самого зеленого океана теперь стал тоже иным, более темным, так как воздух уже не неподвижен, а мчится навстречу самолету со скоростью, равной скорости полета. Цвет же синего океана остался прежним, светлым — давление воздуха не изменилось.

По мере роста скорости полета воронка засасываемого воздуха перед входным отверстием двигателя становится все меньше по размерам, а ее цвет все менее отличается от цвета окружающего океана. Наконец, при некоторой скорости полета воронка перед двигателем исчезает вовсе. Только что перед этим, при чуть меньшей скорости, еще была заметна слегка расширяющаяся вперед по направлению полета воронка, а теперь перед двигателем расстилается однотонный зеленый или синий океан.

Но двигатель работает, он все время засасывает воздух. Почему же эта засасываемая струя не видна? Оказывается, потому, что она не отличается от всего воздушного потока, мчащегося навстречу двигателю. Чтобы выделить струю засасываемого в двигатель воздуха, мы можем лишь мысленно провести в воздушном океане цилиндрическую поверхность, уходящую далеко вперед от входного отверстия двигателя. Это и будет поверхность цилиндрического «столба» воздуха, поступающего в двигатель. Воздух входит внутрь двигателя со скоростью, равной скорости полета. Давление этого воздуха равно давлению окружающей атмосферы (рис. 45, б).

Что же произойдет, если продолжать увеличивать скорость полета? Увидим ли мы тогда засасываемый в двигатель воздух, или он так и останется неразличимым? Оказывается, что при дальнейшем увеличении скорости полета со всасываемым в двигатель воздухом произойдут интересные изменения. В зеленом океане перед двигателем снова возникнет воронка засасываемого воздуха, но теперь перевернутая, обращенная к двигателю своим широким концом, и к тому же не темнее, а светлее окружающего океана, и тем светлее, чем ближе к входному отверстию двигателя. Все наоборот по сравнению с картиной, которую мы видели при малых скоростях полета.

Но что же означает эта новая картина?

Разобраться в этом нетрудно. Воздух, засасываемый в двигатель, теперь не разгоняется перед ним, а тормозится, его скорость не увеличивается, а уменьшается (рис. 45, в). Потому и воронка обращена к двигателю своим широким концом: для того чтобы пропустить то же количество воздуха при меньшей скорости, сечение воронки должно увеличиваться. Это и неудивительно. Ведь через двигатель независимо от скорости полета протекает постоянный объем воздуха, допустим, 50 м


/сек. Поэтому скорость воздуха, поступающего в двигатель, также должна оставаться постоянной, допустим, равной 100 м/сек. Пока скорость полета меньше этой скорости, перед двигателем образуется воронка, сужающаяся к входному отверстию. В этой воронке воздух разгоняется от скорости полета до той скорости, которую он должен иметь при поступлении в двигатель. Когда скорость полета и скорость засасываемого воздуха выравниваются, т. е. скорость полета становится в нашем случае равной 100 м/сек, воронка приобретает цилиндрическую форму. Это значит, что скорость протекающего через эту воронку воздуха не меняется. Если же скорость полета станет больше 100 м/сек, т. е. превысит скорость воздуха, поступающего в двигатель, то перед двигателем воздух будет тормозиться; воронка в этом случае будет обращена к двигателю своим широким основанием.

Поэтому и в синем океане при большой скорости полета мы увидим расширяющуюся к двигателю воронку, причем ее цвет будет темнее окружающего океана, так как воздух в ней имеет повышенное давление. Наиболее темной эта воронка будет у самого входа в двигатель. Это значит, что у входа в двигатель воздух будет иметь наибольшее давление.

Таким образом, мы можем сделать очень важный для нас вывод: когда самолет летит с большой скоростью, то в двигатель поступает уже предварительно сжатый воздух, давление засасываемого воздуха повышается.

Как же происходит это сжатие воздуха без компрессора? Откуда берется необходимая для этого энергия?

Здесь мы имеем дело с очень важным для всей скоростной авиации понятием скоростного напора. Впрочем с этим понятием мы встречаемся не только в авиации, но и в окружающей нас природе.

Чем объясняется, например, страшная сила урагана, вырывающего с корнем вековые деревья, срывающего крыши с домов? Эта сила — скоростной напор бешено мчащегося воздуха; она возникает в то мгновение, когда воздух останавливается неожиданным препятствием. При этом вся кинетическая, скоростная энергия воздуха затрачивается на его сжатие, сопровождающееся повышением давления. Давление бесчисленного множества молекул воздуха, бомбардирующих поверхность прервавшего их бег препятствия, и есть скоростной напор, приобретающий страшную силу во время урагана. Для характеристики этой силы достаточно сказать, что только во время одного из 15 тайфунов, пронесшихся в 1954 г. над Японией, около 150 человек погибло, 500 человек было ранено и около 10 000 домов разрушено. А ведь скорость этого тайфуна достигла «всего» 27 м/сек.

Воздушный же поток, обрушившийся на поверхность быстро летящего на небольшой высоте самолета, страшнее самого сильного урагана, его скоростной напор во много раз больше. Это и понятно, так как скоростной напор пропорционален квадрату скорости полета: он порождается кинетической энергией воздуха, величина которой, как известно, также пропорциональна квадрату скорости движения. А скорость полета реактивного самолета значительно больше скорости движения воздуха при самом страшном урагане.

Вот почему сжатие воздуха перед всасывающим отверстием турбореактивного двигателя в результате скоростного напора в полете может быть весьма значительным. Скоростной напор в этом случае помогает компрессору сильнее сжать воздух. Неудивительно, что давление воздуха за компрессором, в камере сгорания, оказывается в полете значительно большим, чем при стоянке самолета. Ведь всякое повышение давления воздуха перед компрессором создает в 6—7 раз большее повышение давления за компрессором в зависимости от того, какова степень повышения давления в самом компрессоре.

Значит, скоростной напор и есть то средство, которое позволяет предельно упростить турбореактивный двигатель, освободив его от самых сложных агрегатов — компрессора и турбины?

Да, это так. Но тут нужно иметь в виду следующее. Пока скорость полета меньше скорости звука, давление воздуха, создаваемое скоростным напором, не превышает практически нескольких десятых атмосферы, т е. нескольких десятых килограмма на квадратный сантиметр. Этого достаточно для того, чтобы двигатель работал, но совершенно недостаточно для того, чтобы его работа была выгодной, чтобы он развивал большую тягу и расходовал мало топлива. Поэтому при дозвуковой скорости полета прямоточный двигатель несравненно хуже турбореактивного.

При сверхзвуковых же скоростях полета один только скоростной напор может создать внутри двигателя давление в несколько атмосфер, как в современных турбореактивных двигателях, и даже в несколько десятков атмосфер. Так, например, при полете со скоростью, в 2 раза превышающей скорость звука, т. е. примерно со скоростью, равной 2400 км/час, скоростной напор теоретически увеличивает давление в 7 с лишним раз, при полете со скоростью, превышающей скорость звука втрое, т. е. около 3600 км/час, — в 36 раз, а при полете со скоростью, превышающей скорость звука вчетверо, т. е. более 4800 км/час,— в 150 раз!

Конечно, при этих условиях никакой нужды в компрессоре для сжатия воздуха нет. Но что же останется от турбореактивного двигателя, если выбросить компрессор и приводящую его газовую турбину? Одна только камера сгорания в средней части длинной трубы. И вот эта примитивная топка превращается в замечательный двигатель, если она движется с огромной, сверхзвуковой скоростью. Такая «летающая топка» способна развивать колоссальную тягу, необходимую для осуществления скоростного полета, и расходовать при этом меньше топлива на 1 кг тяги, чем любой другой известный реактивный двигатель. Да и по весу вряд ли найдется другой двигатель, способный конкурировать с прямоточным — что может быть легче простой тонкостенной трубы!

Однако в действительности прямоточный двигатель не так прост, как это может показаться из рассмотрения его принципиальной схемы, хотя все же его конструктивная простота поразительна.

Вот как, например, выглядит прямоточный двигатель, предназначенный для полета со скоростью, меньшей скорости звука. Конечно, интересней было бы познакомиться с двигателем, рассчитанным на сверхзвуковой полет, но двигатель для дозвуковых скоростей полета проще и поэтому знакомство лучше начать с него.




Рис. 43. Прямоточный воздушно-реактивный двигатель, предназначенный для полета со скоростью, меньшей скорости звука: а — двигатель, установленный на самолете (в полете); б — общий вид двигателя (схема); в — кольцо топливных форсунок




Внешне прямоточный воздушно-реактивный двигатель очень похож на турбореактивный — такая же удлиненная сигара. Иногда, правда, он имеет более простую форму длинной цилиндрической трубы, к которой спереди и сзади присоединены усеченные конусы (рис. 46). Но стоит заглянуть внутрь двигателя через одно из его торцовых отверстии чтобы стало очевидно принципиальное различие обоих двигателей.




Рис. 47. Так выглядит турбореактивный двигатель, если смотреть на него спереди и сзади:

а — вид спереди на двигатель с осевым компрессором; б — сзади на двигатель с центробежным компрессором




Если мы посмотрим на турбореактивный двигатель спереди, предположим, на двигатель с осевым компрессором (рис. 47), то увидим, что его входное отверстие настолько загромождено, что даже трудно понять сначала, куда входит воздух, поступающий в двигатель. В центре входного отверстия мы увидим большого размера колпак, который иногда довольно далеко выступает вперед, — это закрытый обтекателем вал компрессора. Часто под этим обтекателем скрыт и стартер, служащий для запуска двигателя, и другие агрегаты. По радиусам от вала направлены многочисленные лопатки компрессора. За лопатками первой ступени компрессора видны неподвижные лопатки, затем лопатки следующей ступени, за ними опять лопатки и т. д.




Рис. 48. Вид спереди на прямоточный двигатель круглого сечения (в отличие от турбореактивного прямоточный двигатель может иметь и не круглое, а эллипсовидное или прямоугольное сечение)




Почти такая же картина откроется перед нами и при взгляде на двигатель сзади через реактивное сопло, Мы опять увидим колесо, на этот раз турбинное, с радиальными лопатками. Создается впечатление, что весь двигатель изнутри имеет одни лопатки. Действительно, в современном турбореактивном двигателе с осевым компрессором иной раз насчитывается более 2000 лопаток. Неудивительно, что на изготовление лопаток компрессора и турбины приходится большая часть труда, затрачиваемого на изготовление всего турбореактивного двигателя.

Следует учесть, что каждая лопатка имеет сложный криволинейный контур и требует точной и тщательной обработки. Вместе с тем часто лопатки, в особенности лопатки турбины, изготовляются из твердого, трудно обрабатываемого сплава.

Совсем иная картина предстанет перед нами, если мы заглянем внутрь прямоточного воздушно-реактивного двигателя. Заглянув в него спереди, мы увидим только где-то внутри ажурные горелки камеры сгорания (рис. 48). Те же горелки мы увидим, когда заглянем в выходное отверстие двигателя. Весь двигатель внутри «пуст», и ничто не мешает воздуху течь через него, что и иллюстрируется шуточным рисунком (рис. 49). Поэтому через прямоточный воздушно-реактивный двигатель может протекать большее количество воздуха, чем через двигатель турбореактивный, что очень важно, так как тяга двигателя при прочих равных условиях прямо пропорциональна секундному количеству протекающего через него воздуха.




Рис. 49. Прямоточный воздушно-реактивный двигатель внутри «пуст». На этом шуточном рисунке изображено, как механик «чистит» двигатель артиллерийским банником




Понятно, что «пустой» прямоточный воздушно-реактивный двигатель несравненно легче, чем турбореактивный двигатель того же диаметра. Это имеет огромное значение, ибо если в авиации вес всегда был злом, то вдесятеро большим злом он становится при сверхзвуковых скоростях полета, когда каждый лишний грамм веса приводит к ощутительному увеличению мощности, потребной для осуществления полета.

Чтобы познакомиться с тем, как работает прямоточный двигатель, воспользуемся знакомым нам приемом — поместим двигатель, имеющий прозрачные стенки, в искусственные цветные воздушные океаны — зеленый и синий. Напомним еще раз, что воздух этих океанов имеет свойство менять свою окраску при изменении скорости движения и давления: с их увеличением цвет воздуха темнеет. При этом снова сделаем двигатель неподвижным, а воздух движущимся относительно него со скоростью, равной скорости полета. Так как мы знакомимся с дозвуковым двигателем, то предполагается, что скорость полета не превосходит скорости звука.

Мы, конечно, будем отмечать только основные явления в работающем двигателе, Конструктивно прямоточный двигатель относительно прост, но совсем не так просты протекающие в нем рабочие процессы. При их изучении ученым приходится преодолевать немало трудностей.

Представим себе прямоточный воздушно-реактивный двигатель в зеленом океане. Сначала проследим за изменением скорости воздуха, протекающего через двигатель. Пока скорость полета невелика, воздушный океан, набегающий на двигатель, имеет светлозеленый цвет. Воздух входит внутрь двигателя через передний конус и выходит из нею через задний конус. Какова роль этих конусов? Что изменится в работе двигателя, если мы станем менять их форму, делая их то более длинными, то короткими, т. е. изменяя площадь сечения для прохода воздуха? А нельзя ли вовсе обойтись без конусов?

Чтобы дать ответ на эти вопросы, очень важные для понимания самой сути работы прямоточного воздушно-реактивного двигателя, займемся исследовательской работой. Будем проводить эксперименты в наших цветных океанах, благо эти «эксперименты» не связаны с такими трудностями, какие встречаются в действительных условиях исследования двигателей.

Для успешного проведения испытаний соорудим специальную установку, показанную на рис. 50. Из трубы большого диаметра вытекает воздух, который затем поступает в наш испытуемый двигатель. Скорость движения воздуха, подаваемого мощным вентилятором, можно менять путем изменения числа оборотов вентилятора; этим мы можем имитировать изменение скорости полета. Чтобы можно было измерить тягу, развиваемую двигателем, укрепим его на испытательном станке, устройство которого легко понять из рисунка.




Рис. 50. На этой установке мы будем проводить наши «исследования» прямоточного воздушно-реактивного двигателя




Для того чтобы не произошло ошибки при измерении тяги, нам придется пойти еще на одно ухищрение.

Поток воздуха, обтекающего двигатель снаружи, естественно, действует на его внешнюю поверхность и создает силу, направленную против полета. Вследствие этого измеренная тяга окажется меньше действительной. Чтобы избавиться от вредного влияния внешнего потока, поставим перед двигателем щиток, который отклонит воздушный поток, так что он не будет обтекать двигатель снаружи.

Теперь, когда все подготовительные работы закончены, можно начинать наш эксперимент. Не запуская двигатель (не включая подачу топлива), запустим вентилятор. Из трубы начнет вытекать струя воздуха — она будет иметь более темный цвет, чем окружающий нашу испытательную установку светлозеленый океан; это понятно — океан неподвижен, а воздух в струе движется.

Как только струя воздуха поступит внутрь двигателя, с ней сейчас же начнут происходить изменения. Чем дальше продвигается воздушный поток по переднему расходящемуся конусу двигателя, тем светлее становится его цвет; это свидетельствует о том, что скорость потока уменьшается. В синем океане мы увидели бы противоположную картину: в нем по мере движения внутри переднего конуса цвет воздуха становится все более темным; следовательно, давление его увеличивается. Так оно и должно быть, ибо когда скорость воздуха в потоке уменьшается, то давление его увеличивается — таков вывод закона Бернулли.

В этом и заключается назначение входного конуса двигателя — в нем осуществляется торможение воздушного потока и сжатие воздуха. Следовательно, именно эта часть прямоточного воздушно-реактивного двигателя, называющаяся диффузором, и выполняет функции компрессора. Чтобы сжатие воздуха происходило без больших потерь, угол конусности диффузора должен быть возможно меньшим; поэтому диффузор обычно имеет большую длину.

В цилиндрической средней части двигателя состояние воздуха не изменяется, так как сгорания пока не происходит и воздух движется здесь с постоянной скоростью, при неизменном давлении.

Изменения начнутся снова, как только воздух поступит в выходной конус двигателя. В зеленом океане цвет потока в этом конусе будет темнеть, а в синем, очевидно, светлеть. Это значит, что в выходном конусе скорость движения воздуха увеличивается, а давление его падает. Значит, в этой части двигателя воздух расширяется; работа расширения затрачивается на разгон потока. Именно таково назначение этой важной части двигателя, называющейся реактивным соплом. Без сопла скорость истечения и, следовательно, тяга двигателя будут небольшими.

Пока внутри двигателя не происходит сгорания топлива, он, конечно, не будет развивать тяги. Действительно, скорость истечения воздуха из двигателя будет в этом случае такой же, как и скорость входящего в него воздуха[3 - В действительности скорость истечения воздуха будет даже меньше скорости входящего воздуха из-за сопротивления, которое воздух преодолевает, протекая внутри двигателя. Поэтому двигатель не только не будет развивать тяги, но его тяга будет «отрицательной», она будет направлена против полета. Но мы этими потерями внутри двигателя пренебрежем, рассматривая упрощенную схему явлений.]. А ведь тяга прямоточного двигателя, как известно, зависит от разности скоростей движения воздуха на выходе из двигателя и на входе в него; когда эта разность равна нулю, то и тяга также равна нулю. Это понятно — нет ускорения воздуха в двигателе, нет и силы реакции.

Если мы увеличим скорость полета, что равносильно увеличению скорости воздушного потока, вытекающего из трубы в нашем эксперименте, то зеленая струя, втекающая в двигатель, приобретет более темный цвет. Более темной станет и струя, вытекающая из двигателя. Потемнеет поток и в средней части двигателя — там воздух также будет двигаться с большей скоростью.

Но можно заставить воздух протекать с большей скоростью по средней части двигателя и не увеличивая скорости полета. Легко сообразить, что для этого достаточно укоротить входной и выходной конусы двигателя — диффузор и сопло, т. е. обрезать их так, чтобы сечения входного и выходного отверстий двигателя стали большими. В результате этого торможение и сжатие воздуха в диффузоре уменьшатся и скорость воздушного потока в средней части двигателя увеличится, станет ближе к скорости полета. Конечно, и при этом двигатель еще не будет развивать тяги.

Так, уменьшая или увеличивая площади входного и выходного отверстий, можно воздействовать на воздушный поток, протекающий внутри двигателя, изменять скорость и количество протекающего через двигатель воздуха.

Но продолжим наши эксперименты. Что случится, если площади входного и выходного отверстий двигателя не будут равны между собой?

Пусть, например, площадь входного отверстия будет больше площади выходного. Тогда очевидно, что воздух, который мог бы войти внутрь двигателя через входное отверстие, не сможет выйти из него через суженное выходное отверстие. В этом случае с воздушным потоком происходит то же, что и с воздушным потоком, поступающим в турбореактивный двигатель при увеличении скорости полета. Перед входным отверстием двигателя образуется воздушная воронка, которая своей широкой стороной обращена к двигателю. Мы увидим эту воронку в зеленом океане — она будет светлее окружающей среды, следовательно, здесь происходит торможение, и скорость движения воздуха в воронке уменьшается. В синем же океане эта воронка, очевидно, будет более темной, так как давление воздуха в ней растет. Следовательно, если мы для увеличения входного отверстия укоротим диффузор, обрезав его переднюю часть, то отрезанная часть как бы восстановится в воздушном потоке непосредственно перед двигателем. Сечение же воздушной струи, входящей в двигатель, будет попрежнему равным сечению выходного отверстия двигателя.

Можно стать свидетелями красивой картины, если снабдить двигатель устройством, изменяющим площадь его выходного сечения. Попробуем уменьшать это отверстие, и в зеленом океане перед двигателем появится светлая воронка; чем меньше отверстие, тем светлее эта воронка, тем уже ее горлышко. Если снова увеличивать выходное отверстие, то воронка перед входным отверстием станет темнеть и исчезнет вовсе, когда площадь выходного отверстия станет равной площади входного. При дальнейшем увеличении выходного отверстия воронка появится опять, но теперь она будет обращена к двигателю своим меньшим сечением. Цвет же воронки, наоборот, будет теперь становиться более темным, чем цвет окружающего зеленого океана; это значит, что движение воздуха в ней будет не тормозиться, а ускоряться.

Так при помощи регулируемого сопла можно изменять количество протекающего через двигатель воздуха: чем меньше выходное отверстие сопла, тем меньшее количество воздуха протекает через двигатель. Таким регулируемым соплом иногда снабжаются как турбореактивные, так и прямоточные воздушно-реактивные двигатели.

Теперь, когда мы познакомились с особенностями течения воздуха через неработающий двигатель, давайте запустим его, включив подачу топлива и электрическое зажигание. Из топливных форсунок, установленных в начале средней, цилиндрической части двигателя, начнут под давлением вытекать струи топлива. В стремительно текущем воздухе произойдет распыление струи топлива на миллионы мельчайших капелек, в результате чего оно быстро испарится, образуя с воздухом горючую смесь. Электрическая искра свечи зажигания, установленной в стенке двигателя, воспламенит эту смесь, а затем сгорание, раз начавшись, будет поддерживаться автоматически; новые порции смеси будут воспламеняться раскаленными газами — продуктами сгорания предыдущих порций.

Как только начнется сгорание, ранее неподвижно стоявшая на нуле стрелка динамометра дрогнет и сдвинется с места — это значит, что двигатель начнет развивать тягу. Чем больше будет подаваться топлива, тем горячее будут газы — продукты сгорания и, следовательно, тем больше будет тяга двигателя.

Как же изменится картина протекания воздуха через двигатель, когда начнется сгорание?

Пусть двигатель, имеющий одинаковые входное и выходное отверстия, находится в зеленом воздушном океане. Пока сгорания не происходит, струи воздуха, входящего в двигатель, неразличимы в этом океане, так как они имеют такой же цвет. Но как только сгорание начнется, воздух, входящий в двигатель, станет видимым. Перед двигателем образуется такая же светлая воронка, расширяющаяся по направлению к входному отверстию, какую мы видели, когда уменьшали выходное отверстие. Значит, сгорание топлива действует на поток так же, как уменьшение выходного отверстия: он при этом начинает тормозиться еще перед двигателем. Скорость воздуха, входящего в двигатель, равно как и его количество при этом уменьшаются. Чем больше сгорает топлива, тем меньше воздуха входит в двигатель. Создается такое впечатление, будто какая-то огневая плотина встает на пути входящего воздуха. Это явление так обычно и называется тепловым подпором.

Образование теплового подпора объясняется следующим.

Когда происходит сгорание топлива, то за счет выделяющегося при этом тепла температура воздуха, протекающего через двигатель, повышается (для простоты мы считаем здесь, как и выше, что сгорание есть простой подогрев воздуха). Но объем горячего воздуха больше, чем холодного, поэтому для прохода того же количества горячего воздуха нужны и большие проходные сечения. Правда, скорость горячего воздуха тоже увеличивается, однако увеличение скорости не компенсирует роста объема воздуха, и потребные проходные сечения с ростом температуры воздуха растут. Так как в действительности площадь выходного отверстия двигателя остается неизменной, то при сгорании оно не может пропускать прежнего количества воздуха. Поэтому при увеличении температуры продуктов сгорания количество воздуха, протекающего через двигатель, уменьшается.

Подвод тепла к потоку воздуха в двигателе вызывает еще одно интересное и важное явление. Так как средняя часть двигателя — камера сгорания — представляет собой цилиндрическую трубу и ее проходное сечение по длине остается неизменным, то по мере увеличения температуры воздуха и, следовательно, его объема скорость движения воздуха вдоль камеры сгорания растет. Но если растет скорость и, следовательно, кинетическая энергия воздушного потока, то должна уменьшаться его потенциальная энергия, т. е. давление воздуха при подводе тепла должно падать (рис. 51). Так и происходит в действительности в двигателе — давление в камере сгорания не остается постоянным, оно уменьшается тем сильнее, чем больше увеличение температуры воздуха (газов) в результате сгорания. Если бы мы хотели сохранить давление в камере сгорания постоянным, то следовало бы сделать ее не цилиндрической, а в виде расширяющейся трубы (рис. 52).

С явлением теплового подпора связан один интересный парадокс, относящийся к прямоточным двигателям. Мы говорили выше о той роли, которую играет в двигателе диффузор — он обеспечивает сжатие воздуха. Но вместе с тем мы знаем, что в результате теплового подпора давление воздуха вследствие его торможения перед двигателем увеличивается. Может быть, это позволит обойтись вообще без диффузора? А может быть, и сопло не нужно — ведь в результате сгорания увеличивается и скорость воздуха, текущего по камере сгорания? Но во что же превратится прямоточный воздушно-реактивный двигатель, если мы лишим его диффузора и сопла? В простую тонкостенную цилиндрическую трубу — камеру сгорания. Может ли такая труба развивать тягу?




Рис. 51. Так меняется давление в работающем (в полете) прямоточном воздушно-реактивном двигателе при разных величинах площади выходного сечения. Кривые показывают отношение избыточного давления в двигателе к скоростному напору набегающего потока воздуха (избыточное давление соответствует знаку +, разрежение — знаку —). Здесь показана и форма потока перед двигателем:

а — сечение входного отверстия таково, что давление воздуха перед двигателем не меняется, б — входное отверстие уменьшено, воздух перед двигателем тормозится! его давление увеличивается, в — входное отверстие увеличено, воздух перед двигателем разгоняется, давление его уменьшается




Конечно, не может.

В самом деле, представьте себе такую трубу. В нее с большой скоростью втекает воздух и с еще большей скоростью, получающейся в результате подогрева, вытекает из нее. Следовательно, в двигателе воздух ускоряется, а это неизбежно связано с образованием реактивной силы Но тогда выходит, что такая труба все-таки может быть двигателем, так как она как будто должна развивать тягу. Однако на самом деле этого не получается. Чтобы со стороны воздуха (газов) на двигатель действовала какая-либо сила, внутри него должна быть такая поверхность, на которую действовало бы избыточное давление воздуха (силами трения воздуха о внутреннюю поверхность двигателя пренебрегаем). В прямоточном воздушно-реактивном двигателе сила тяги создается давлением воздуха, протекающего через двигатель, на внутреннюю поверхность стенки диффузора, именно здесь «приложена» сила тяги этого двигателя. Но в цилиндрической трубе такой поверхности нет. Понятно, что давление на стенки цилиндра не может дать силу тяги, которая должна быть направлена по оси двигателя, т. е. параллельно этим стенкам. Значит, действительно, такая труба не может развивать силу тяги. Где же мы ошибаемся?




Рис. 52. Таким должен быть прямоточный двигатель, чтобы давление в его камере сгорания не менялось. Сверху показано изменение давления в двигателе, снизу — изменение скорости




Ошибка эта на первый взгляд незаметна, и надо сказать, что описанный здесь парадокс нередко ставил в тупик начинающих знакомиться с прямоточным двигателем. Разгадка заключается в том, что, оказывается, не весь воздух, поступающий в двигатель спереди, вытекает из него через выходное отверстие. Часть воздуха, попав в двигатель, меняет направление на обратное и вытекает из него вперед через входное отверстие (рис. 53). Соотношение количеств воздуха, вытекающего через входное и выходное отверстия, получается таким, что результирующее воздействие воздуха на двигатель, представляющий собой цилиндрическую трубу, равняется нулю.




Рис. 53. Двигатель без диффузора тяги не создает, так как часть воздуха, попав в двигатель, меняет свое направление на обратное и вытекает вперед, в результате чего результирующее воздействие воздуха на двигатель равно нулю




Проведенное выше рассмотрение даже простейших процессов, протекающих в дозвуковом прямоточном воздушно-реактивном двигателе, показывает, что эти процессы, несмотря на чрезвычайную конструктивную простоту двигателя, оказываются далеко не такими простыми. Поэтому неудивительно, что теория прямоточных воздушно-реактивных двигателей считается исключительно сложной.

Но еще большую сложность представляет изучение процессов, происходящих в прямоточном воздушно-реактивном двигателе, рассчитанном на сверхзвуковой полет.

Конечно, принципиально процессы в сверхзвуковом прямоточном воздушно-реактивном двигателе должны быть такими же, как и в дозвуковом: сначала происходит сжатие воздуха в диффузоре, затем сгорание и, наконец, расширение нагретого воздуха (газов) в сопле. Особых осложнений не было бы, если бы торможение сверхзвукового потока в диффузоре можно было бы осуществить так же просто, как и дозвукового. На самом деле торможение сверхзвукового потока имеет принципиально отличный характер по сравнению с торможением потока дозвукового.

Можно ли осуществить постепенное, плавное торможение воздушного потока, имеющего сверхзвуковую скорость, подобно тому, как в обычном дозвуковом диффузоре, о котором шла речь выше, осуществляется торможение дозвукового потока? Теоретически — да, возможно. Правда, по форме такой сверхзвуковой диффузор должен был бы отличаться от дозвукового. Первая часть сверхзвукового диффузора должна представлять собой в противоположность дозвуковому не расширяющуюся, а, наоборот, суживающуюся трубу (рис. 54).




Рис. 54. Теоретическая схема сверхзвукового прямоточного двигателя. Показан характер изменения давления и скорости воздуха в двигателе такой схемы




Это объясняется тем, что при торможении сверхзвукового потока сильно проявляется сжимаемость воздуха. Плотность воздуха в результате сжатия начинает по мере его торможения быстро увеличиваться, причем рост плотности происходит даже быстрее, чем уменьшается скорость течения. Поэтому для протекания одного и того же количества воздуха по мере торможения потока требуются все меньшие проходные сечения.

Другое дело, когда скорость потока меньше скорости звука; плотность воздуха при торможении растет в этом случае медленнее, чем уменьшается скорость течения воздуха. Вот почему при этом воздух часто считают вообще несжимаемым. Вследствие этого дозвуковой диффузор представляет собой расширяющуюся трубу. Очевидно, что в сверхзвуковом диффузоре такая расширяющаяся труба должна быть во второй его части. Действительно, когда скорость воздуха в первой, сужающейся части сверхзвукового диффузора, постепенно уменьшаясь, сравняется со скоростью звука в воздухе, то для дальнейшего торможения воздуха понадобится дозвуковой диффузор. Поэтому сверхзвуковой диффузор представляет собой трубу, как бы составленную из двух труб: сначала сужающейся, а потом расширяющейся. В самой узкой части трубы, называемой горловиной диффузора, скорость движения воздуха должна в точности равняться скорости звука в этом воздухе.

Легко видеть, что такую же форму должна иметь труба, в которой мы захотели бы осуществить обратный процесс — разогнать дозвуковой поток до сверхзвуковой скорости. Такое сверхзвуковое сопло (соплом называют устройство для увеличения скорости течения газа) тоже должно было бы иметь вначале сужающуюся часть, а затем расширяющуюся. В сужающейся части скорость потока постепенно будет расти, пока в самой узкой части — горловине сопла — не станет в точности равной скорости звука. Дальнейшее увеличение скорости выше скорости звука будет происходить в расширяющейся части. Такие сверхзвуковые сопла — их называют обычно соплами Лаваля по имени известного шведского конструктора паровых турбин — широко применяются в технике. Находят они применение и в реактивной технике, где часто встречаются сверхзвуковые скорости течения газов. В частности, таким должно быть, очевидно, и сопло сверхзвукового прямоточного двигателя. Поэтому сверхзвуковой прямоточный воздушно-реактивный двигатель иногда и рисуют схематически в виде цилиндрической трубы, имеющей спереди сверхзвуковой диффузор в виде двух конусов (сужающегося и расширяющегося), а сзади — сверхзвуковое сопло такой же формы (см, рис. 54).

Однако в действительности таких двигателей не существует. Объясняется это тем, что осуществить постепенное, плавное торможение сверхзвукового потока с помощью сверхзвукового диффузора пока еще не удалось. Опыт показывает, что сверхзвуковую струю не удается «заманить» в такой диффузор. Оказывается, что в сверхзвуковой струе еще перед диффузором возникает так называемый скачок уплотнения, или ударная волна, в которой происходит резкое, скачкообразное торможение потока и переход от сверхзвуковой к дозвуковой скорости. В результате этого в диффузор входит воздух, имеющий уже дозвуковую скорость.

Образование скачка уплотнения перед входом в сверхзвуковой прямоточный воздушно-реактивный двигатель играет такую большую роль в теории этих двигателей, так сильно сказывается на их характеристиках, что стоит подробнее рассмотреть физические явления, происходящие в скачке.

Физическая природа скачка уплотнения связана с особенностями распространения возмущений, т. е. изменений давления в воздухе или в любом другом газе. Представьте себе снова, что нас окружает синий воздушный океан, окраска которого меняется в зависимости от изменения давления. Если в этом океане нет источников возмущений, в результате которых изменяется давление воздуха, то цвет океана всюду ровный, светлый, давление везде одинаково. Но вот внезапно в этом океане появилось небольшое темное пятно. Это значит, что в этом месте внезапно повысилось давление, например, в результате сгорания ничтожной крупинки пороха. И тотчас же во все стороны от этого пятна начнет распространяться по ранее невозмущенному океану темная волна повышающегося давления. Точно в очаге возмущения вдруг забил синий фонтан, заливающий все вокруг. Даже в местах, далеко отстоящих от этого «фонтана», цвет океана потемнеет, когда туда дойдет возмущение в виде волны повышенного давления.

Мы на каждом шагу в повседневной жизни встречаемся с этими волнами возмущения в воздухе, только мы их не видим, а... слышим. В самом деле, если бы в окружающем нас воздухе не распространялись возмущения, то мы лишились бы всего царства звуков, мир стал бы безмолвным. Звук — это и есть возмущение, очень небольшое по величине. Когда это возмущение доходит до нашего уха, то оно действует на барабанную перепонку и воспринимается нами как звук. На высоте в сотни километров, где воздух крайне разрежен, мы не услышали бы артиллерийского выстрела даже в том случае, если бы пушка стреляла на расстоянии одного метра от нашего уха — там не по чему распространяться возмущениям.

Скорость звука, т. е. скорость распространения небольших возмущений в воздухе, зависит только от температуры воздуха — летом она больше, чем зимой, на большой высоте меньше, чем у уровня моря. За одну секунду звуковая волна проходит путь в 330—350 м. Вот почему, зная скорость звука, можно установить, например, как далеко от нас бушует гроза: свет от молнии доходит до глаза практически сразу, а громовой раскат доносится лишь через некоторое время, в зависимости от расстояния.

Теперь представьте себе, что источник звука, допустим самолет, сам начал двигаться. Пусть, например, он движется издалека по направлению к нам со скоростью, меньшей скорости звука. Услышим ли мы звук приближающегося самолета? Безусловно, услышим, это каждому известно. Чем ближе к нам самолет, тем громче звук. Наконец, самолет с ревом промчался над нами. Но вот показался другой самолет. Он стремительно приближается к нам, но на этот раз мы его не слышим, он мчится к нам совершенно бесшумно. Все ближе к нам таинственный «бесшумный» самолет, вот он уже над нашей головой, еще мгновение — и мы оглушены мощным ревом. Почему же мы не слышали приближения этого самолета, хотя звук, издаваемый им, сильнее, чем звук, которым сопровождался полет первого самолета?

Объясняется это просто. Когда скорость движения источника звука больше, чем скорость распространения самого звука в воздухе, то звук не обгоняет источника, он движется вместе с ним. Вот почему так неожиданно и бесшумно обычно появляются у нас над головой реактивные самолеты — их скорость близка к скорости звука.

Поэтому и англичане, жители Лондона, до сих пор вспоминают «бесшумные» ракеты Фау-2, которыми немцы бомбили Лондон в конце минувшей войны: эти ракеты летали со скоростью, значительно большей скорости звука.

Какая же картина предстанет перед нами в этом случае в нашем искусственном синем воздушном океане? Чтобы упростить эту картину, представим себе, что мы наблюдаем движение небольшой звучащей частицы, «звучащей точки» (рис. 55). Вот частица излучила звуковую волну: возникло темное кольцо в светлосинем океане. Это кольцо стало расти, как мыльный пузырь. Но в это время сама частица передвинулась и, так как ее скорость больше скорости звука, то она обогнала это расширяющееся кольцо. В новом положении частица испустила следующую звуковую волну, и так дальше. Конечно, частица может звучать непрерывно, но мы в данном случае фиксируем ее положение через определенные промежутки времени. Через некоторое время мы увидим в светлосинем океане резко очерченный темный конус, в вершине которого будет находиться стремительно движущаяся частица — источник звука. Внутри этого конуса будут заключены все излученные «звучащей точкой» звуковые волны, снаружи же воздушный океан останется совершенно спокойным, невозмущенным. Темная поверхность конуса разделила весь океан на две области — возмущенную и невозмущенную. Внутри конуса нас оглушает рев самолета, вне его царит абсолютное безмолвие.




Рис. 55. Так образуется конус возмущения при движении в воздухе какой-нибудь частицы со сверхзвуковой скоростью




Для появления этой картины в нашем синем океане не обязательно, конечно, чтобы двигалась именно звучащая частица. Мы увидим ту же картину и в том случае, если движущаяся частица будет «молчать». Перед движущимся телом, а значит и перед нашей частицей, воздух немного сжимается, давление его несколько повышается. Это повышение давления, небольшое по величине, будет распространяться во все стороны по тем же законам, что и звук, ибо звук тоже есть небольшое повышение давления. Судя по самой картине, мы даже не сможем сказать, звучит движущаяся частица или она безмолвна. При сверхзвуковом движении «безмолвной» частицы в синем океане появится тот же конус «возмущения». Вне этого конуса воздушный океан не получает никаких сигналов о движении частицы — все возмущения скрыты внутри этого конуса.

Оказывается, чтобы увидеть конус возмущения, вызываемого телом, движущимся со сверхзвуковой скоростью, вовсе не обязательно пользоваться искусственным «синим» воздухом, чувствительным к малейшему изменению давления. С помощью специальных методов можно сфотографировать такой конус и в обычном воздухе, пользуясь тем, что при уплотнении воздуха в волне возмущения меняются его оптические свойства. Эти методы позволяют сделать видимыми невидимые простым глазом явления в реальном прозрачном воздушном океане.

Можно увидеть подобный «сверхзвуковой» конус и простым глазом, но только не в воздухе, а на поверхности воды. Физические причины возникновения конуса возмущения в этом случае оказываются другими, они не связаны со скоростью звука, но сама по себе картина получается в точности такой же. Этой аналогией мы обязаны тем, что по поверхности воды волны тоже движутся с вполне определенной скоростью, как и звук в воздухе. Если по водной глади скользит какая-нибудь букашка со скоростью большей, чем скорость распространения волн, то эта букашка также окажется в вершине конуса возмущения. Все круговые волны, вызванные движением букашки, окажутся заключенными внутри этого конуса, а снаружи его поверхность воды будет попрежнему совершенно гладкой, невозмущенной. Да кто из нас не наблюдал расходящихся по воде в обе стороны «усов», возникающих при быстром движении катера или глиссера?

Но эта аналогия с движением по воде может быть продлена и дальше. Если по воде движется не букашка, а быстроходный катер, то он, рассекая воду, поднимает перед собой мощную волну, водяной вал. По обе стороны от носа катера встают высокие водяные буруны, два водяных вала, которые постепенно, на сравнительно большом расстоянии от катера, превращаются в упомянутые выше обычные «усы».

Нечто похожее происходит и при движении со сверхзвуковой скоростью в воздухе не «точки», а какого-нибудь большого тела. Перед ним возникает мощный воздушный «вал», волна уплотненного воздуха, переходящая в два воздушных «буруна» по обе стороны от тела, и уже только на значительном расстоянии эти «буруны» превращаются в обычный конус возмущения. В синем воздушном океане мы увидим резко очерченную, темную-темную переднюю, или головную, как ее называют, волну, постепенно светлеющую по обе стороны и переходящую в светлую, а значит, слабую коническую волну возмущения.

Вот такая же головная волна возникает и перед движущимся со сверхзвуковой скоростью прямоточным двигателем (рис. 56). Струи воздуха, мчащегося со сверхзвуковой скоростью, наталкиваются на эту волну, на стену уплотненного воздуха. Происходит удар, как о всякую преграду, — не зря эта волна носит название ударной волны. Почти внезапно, на ничтожно коротком расстоянии, давление воздуха резко увеличивается, воздух сжимается, уплотняется. Поэтому ударную волну и называют часто скачком уплотнения. Скорость воздуха в скачке резко уменьшается, и по другую сторону скачка она становится дозвуковой. В зеленом воздушном океане, чувствительном к скорости движения воздуха, цвет невозмущенного океана перед скачком темный-темный, а затем знакомая нам резко очерченная граница отделяет его от светлозеленого воздуха — за скачком воздух движется со скоростью, меньшей скорости звука. Чем больше была скорость до скачка, тем меньше она становится после него, значит, тем резче, сильнее, или, как говорят, интенсивнее, этот скачок.

Какое же влияние оказывает образование скачка уплотнения перед диффузором на работу прямоточного воздушно-реактивного двигателя?




Рис. 56. Перед диффузором двигателя, летящего со сверхзвуковой скоростью, образуется головная волна:

а — схема волны; б — фотоснимок волны, полученный в сверхзвуковой аэродинамической трубе




Оказывается, образование скачка уплотнения воздуха перед диффузором приводит к значительному ухудшению характеристик прямоточного (как и любого другого) воздушно-реактивного двигателя. Это объясняется тем, что сжатие в скачке очень невыгодно, оно связано с большими потерями энергии, так как струя воздуха, проходящая через скачок, претерпевает удар. Всякий же удар, как известно, все равно, твердых тел или жидких и газообразных веществ, представляет собой резкое, мгновенное уменьшение скорости движения. При ударе часть кинетической энергии движущегося тела переходит в тепло и, таким образом, теряется, так как не может быть использована для совершения механической работы. Это тепло, например, расплавляет свинцовую пулю, ударившуюся о стальную броню, или испаряет ворвавшийся с огромной скоростью в земную атмосферу небесный камень, в результате чего образуется метеор — падающая звезда. То же происходит и с воздушной струей, проходящей через скачок уплотнения. Чем интенсивнее скачок, т. е. чем сильнее уменьшается в нем скорость потока, тем больше эта потеря энергии в скачке.

Так как часть кинетической энергии воздушного потока в скачке уплотнения переходит в тепло, то давление в струе за скачком будет меньше, чем было бы при условии постепенного торможения до этой же скорости, т. е. в случае, когда вся кинетическая энергия затрачивается на сжатие воздуха.

Особенно велики потери в так называемом прямом скачке уплотнения, т. е. в таком, который располагается перпендикулярно направлению струи. А такой скачок и возникает перед диффузором движущегося со сверхзвуковой скоростью воздушно-реактивного двигателя, в передней части головной волны. Насколько велики эти потери, видно из того, что при скорости полета, вдвое превосходящей скорость звука, давление за скачком будет примерно на 30% меньше, чем при плавном торможении до той же скорости. А при скорости полета, равной четырем скоростям звука, давление в скачке увеличится в 20 раз, тогда как при плавном, постепенном торможении без потерь оно выросло бы в 150 раз, т. е. в 7,5 раза сильнее!

Мы видим, что особенно велики потери в скачке в тех случаях, когда велика скорость потока перед скачком, т. е. при больших скоростях полета. А ведь именно для этих скоростей, как указывалось выше, и предназначены главным образом прямоточные двигатели. Поэтому проблема уменьшения потерь при сжатии воздуха приобретает для прямоточных воздушно-реактивных двигателей первостепенное значение — от решения этой проблемы в большой степени зависит будущее этих двигателей. Ведь уменьшение давления внутри прямоточного двигателя означает уменьшение его тяги и увеличение расхода топлива. Достаточно указать, например, что при скорости полета, равной утроенной скорости звука, потери в скачке уменьшают тягу двигателя в четыре раза и увеличивают удельный расход топлива на 1 кг тяги более чем на 70%.

Но как можно уменьшить эти потери, если нельзя устранить их причину, т. е. скачок перед двигателем?

Ключ к такому уменьшению потерь при сжатии воздуха, поступающего в двигатель при сверхзвуковой скорости полета, был найден советскими учеными — академиком С. А. Христиановичем, членом-корреспондентом Академии наук СССР Г. И. Петровым и другими. Он заключается в замене прямого скачка перед двигателем косым скачком, т. е. таким скачком, который располагается под углом к направлению потока.

Теория и опыт показывают, что потери энергии в косом скачке оказываются меньшими, чем в прямом. Это связано с особенностями течения воздуха через косой скачок. Для того чтобы понять эти особенности, используем следующий прием (рис. 57). Разложим скорость потока на две составляющие, используя правило параллелограмма скоростей. Одна из этих составляющих будет направлена перпендикулярно плоскости скачка, а другая — параллельно ей. И вот оказывается, что при течении воздуха через косой скачок этот скачок скажется лишь на той составляющей истинной скорости потока, для которой он является, прямым, т. е. на составляющей, перпендикулярной скачку. Вторая составляющая, параллельная скачку, не изменится вовсе. Так бывает и в случае удара твердых тел — прямой удар камня или пули о стенку будет всегда более сильным, чем косой, рикошетирующий.

Это обстоятельство приводит к двум важным следствиям. Во-первых, направление потока при переходе через косой скачок изменится, тогда как прямой скачок направления потока не изменяет, уменьшая лишь величину скорости. Направление же потока за косым скачком изменится так, что угол между потоком и скачком уменьшится. Во-вторых, и это для нас самое главное, интенсивность косого скачка будет меньшей чем прямого. А ведь чем интенсивнее скачок, чем больше разница скоростей до скачка и после него, чем круче получается эта ступенька изменения скорости, тем больше потери в скачке.




Рис. 57. Интенсивность косого скачка меньше, чем прямого:

а — прямой скачок; б—косой скачок; 1 — скорость после скачка сверхзвуковая; 2 — скорость после скачка дозвуковая




Почему же косой скачок менее интенсивен, чем прямой при одинаковой скорости перед скачком? Да именно потому, что косой скачок — это скачок не для всей скорости потока, а только для одной его составляющей, меньшей, чем вся скорость. А когда скорость перед скачком уменьшается, то за скачком она становится больше, чем раньше, т. е. интенсивность скачка уменьшается, уменьшаются и потери.




Рис. 58. Угол косого скачка зависит от скорости движения




Но как можно заменить прямой скачок перед диффузором прямоточного воздушно-реактивного двигателя косым? Ответ на это мы найдем, если внимательно рассмотрим картину сверхзвукового обтекания какого-нибудь тела, хотя бы того же прямоточного двигателя. Об этой картине мы уже говорили выше (см. рис. 56). Непосредственно перед телом возникает головная волна, которая в средней части представляет собой прямой скачок. Далее, с обеих сторон эта головная волна переходит в косой скачок и, наконец, в обычную границу слабых, т. е. звуковых возмущений. Вспомните глиссер на реке: там спереди возникает мощный вал, затем буруны по бокам и только потом образуются обычные «усы».

Как неудачно получается, что именно перед входным отверстием двигателя располагается невыгодный прямой скачок! Если можно было бы заставить воздух, втекающий в двигатель, проходить не через этот прямой скачок, а в стороне от него, где скачок становится уже косым, то потери значительно уменьшились бы. Но как можно это сделать?

Советские ученые нашли правильное решение, открывшее широкие возможности улучшения характеристик прямоточного воздушно-реактивного двигателя. Оказывается, когда в сверхзвуковом потоке движется тело, имеющее спереди острый носок или острую переднюю кромку, то прямого скачка не возникает вовсе. В этом случае на острие носка, как говорят, «садится» косой скачок, тем больше «заостренный», чем больше скорость полета (рис. 58). Что же нужно сделать для того, чтобы и прямоточный двигатель имел впереди такой же острый носок?

Для этого достаточно разместить внутри диффузора двигателя какое-нибудь тело, имеющее длинный, выступающий вперед носок. Так во всех случаях и поступают при проектировании сверхзвукового прямоточного воздушно-реактивного двигателя — внутри его диффузора помещают так называемое «центральное тело». Поэтому сверхзвуковой прямоточный воздушно-реактивный двигатель легко отличить от дозвукового — из диффузора сверхзвукового двигателя всегда выглядывает направленное вперед острие центрального тела. Но, может быть, центральное тело, загораживая проходное сечение двигателя, уменьшает количество протекающего через него воздуха и, значит, тягу? Нет, так не получается: для этого угол конусности диффузора уменьшается, диффузор делается более пологим. Некоторое же увеличение веса двигателя, связанное с установкой центрального тела, вполне окупается выигрышем в тяге и удельном расходе топлива. Кроме того, центральное тело наряду с основным назначением, т. е. созданием косого скачка перед входом в двигатель, служит еще для размещения внутри него различных вспомогательных агрегатов, необходимых для работы двигателя (рис. 59). Как можно судить по рис. 59, прямоточный воздушно-реактивный двигатель прост только по принципиальной схеме, в действительности он является довольно сложной машиной. Все агрегаты — регуляторы, насосы для подачи топлива, агрегаты системы зажигания и другие — удобнее всего размещать внутри двигателя, а не снаружи, где они привели бы к увеличению габаритов двигателя и, следовательно, к увеличению его сопротивления, что особенно недопустимо при сверхзвуковом полете. Имеются даже попытки разместить в центральном теле прямоточного воздушно-реактивного двигателя, установленного на самолете, летчика этого самолета; об этом будет рассказано ниже.




Рис. 59. Конструктивная схема прямоточного воздушно-реактивного двигателя. Центральное тело используется для размещения вспомогательных агрегатов:

1 — центральное тело; 2 — регулятор; 3 — подача топлива; 4 — пневмотурбина; 5 — топливная форсунка; 6 — реактивное сопло; 7 — горелка; 8 — запальная свеча; 9 — воздушный патрубок; 10 — генератор; 11 — насос; 12 — прибор зажигания; 13 — топливный бак




Но простая замена прямого скачка перед входом в двигатель косым, оказывается, не до конца решает задачу уменьшения потерь при торможении и сжатии воздуха, поступающего в двигатель. Если косой скачок мало наклонен по отношению к направлению поступающего в двигатель воздушного потока, т. е. близок к прямому скачку, то и потери в таком скачке будут близкими к потерям в прямом скачке. Если же косой скачок будет сильно наклонен к направлению потока, то потери в нем будут малыми, но такой скачок не решит задачи, так как скорость потока за ним будет все еще очень большой, значительно превышающей скорость звука (см. скачок 1 на рис. 57); поэтому в потоке за этим скачком снова возникнет прямой скачок с большими потерями.

При детальном теоретическом и экспериментальном исследовании задачи о том, как осуществить с наименьшими потерями торможение и сжатие воздуха, поступающего в прямоточный двигатель, оказалось, что наивыгоднейший способ торможения зависит от скорости полета. Если скорость полета превышает скорость звука не более чем в 1,5 раза, то вполне допустим простой прямой скачок: потери в нем в этом случае не так велики. При дальнейшем увеличении скорости полета до скоростей, в два раза превышающих скорость звука, должна быть применена — двухскачковая система, т. е. косой скачок с последующим прямым. Чем больше скорость полета, тем сложнее должна быть система скачков на входе в двигатель — воздушный поток должен пройти через два или три косых скачка, а затем через завершающий прямой скачок. Поэтому выступающий вперед носок центрального тела снабжают специальными уступами, от которых берут свое начало последующие косые скачки, возникающие вслед за первым косым скачком, «садящимся» на самое острие носка (рис. 60). Замыкающий слабый прямой скачок располагается обычно на самом входе в диффузор, так что по диффузору воздух течет с дозвуковой скоростью. Вследствие этого диффузор сверхзвукового двигателя имеет обычно такую же форму расширяющейся трубы, как и диффузор дозвукового двигателя.

Описанный выше так называемый многоскачковый диффузор оказывается гораздо более выгодным, чем диффузор с одним прямым скачком перед ним. Вот, например, какое давление будет внутри двигателя, летящего со скоростью, вчетверо превышающей скорость звука (на высоте 20 км):

в случае прямого скачка — 1,2 кг/см


;

в случае одного косого и одного прямого скачка — 2,5 кг/см


;

в случае двух косых и одного прямого скачка — 4,0 кг/см


;

в случае трех косых и одного прямого скачка — 5,0 кг/см


.

В случае же постепенного, плавного торможения без потерь давление в камере сгорания двигателя достигло бы 8,3 кг/см


. Мы видим, что при указанной скорости полета система из трех и в особенности четырех скачков обеспечивает достаточно выгодное сжатие.

Такое большое внимание использованию скоростного напора встречного потока воздуха в прямоточном воздушно-реактивном двигателе уделяется неслучайно. Ведь в этом двигателе сжатие воздуха за счет использования скоростного напора, или динамическое сжатие, как его называют, заменяет сжатие с помощью компрессора в турбореактивном двигателе. От степени же повышения давления при сжатии воздуха прямо зависит и величина тяги, и экономичность двигателя, т. е. расход топлива.




Рис. 60. Так устраивается диффузор сверхзвукового прямоточного двигателя. Сверху — двухскачковая система (для скорости полета, в 1,5 раза превышающей скорость звука), снизу — трехскачковая система (для скорости полета, в 2—3 раза превышающей скорость звука)




На рис. 61 показано, как меняется коэффициент полезного действия различных авиационных двигателей в зависимости от скорости полета. Кривые, помещенные на этом рисунке, интересны не только тем, что по ним можно определить значения к. п. д. авиационных двигателей при разных скоростях полета. Пользуясь этими кривыми, можно сравнить экономичность двигателей различного типа и установить, когда выгодно применять тот или иной двигатель. Судя по рис. 61, прямоточные воздушно-реактивные двигатели имеют превосходство в отношении к. п. д. при скорости полета, от 2 до 8 раз превышающей скорость звука. В этом диапазоне скоростей нет ни одного авиационного двигателя, обладающего экономичностью прямоточного.




Рис. 61. Сравнение коэффициентов полезного действия различных авиационных двигателей при разных скоростях полета




Значит ли это, что тем самым устанавливается область возможного и целесообразного применения прямоточных двигателей?

Нет, такое заключение было бы поспешным. Экономичность является далеко не единственным критерием качества авиационного двигателя; решающими могут оказаться другие факторы. Так именно и обстоит дело в данном случае. Оказывается, с ростом скорости полета тяга, развиваемая прямоточным двигателем, начиная с некоторой скорости, уменьшается и, наконец, становится равной нулю.

Разумеется, даже самый высокоэкономичный двигатель никому не нужен, если он развивает ничтожную тягу. В чем же здесь дело?

Секрет этого ухудшения характеристик прямоточного двигателя при очень больших скоростях полета связан с увеличением температуры воздуха, сжимаемого под действием скоростного напора. Сам по себе этот нагрев при сжатии совершенно естественен — вспомните, как нагревается даже простой велосипедный насос, когда им энергично накачивают шину. Но при тех огромных скоростях полета, о которых в данном случае идет речь, воздух, поступающий в двигатель, может оказаться нагретым на многие сотни и даже тысячи градусов. Так, если температура атмосферного воздуха равна 15° С, то при полете со скоростью 50 м/сек заторможенный воздух окажется нагретым до 17° С, т. е. всего на 2° С. Если же скорость полета будет вдвое превышать скорость звука, то температура заторможенного воздуха достигнет 245° С. При полете со скоростью, в 10 раз превышающей скорость звука, воздух, поступающий внутрь двигателя, будет иметь температуру выше 5000° С.

Совершенно очевидно, что из-за этого нагрева воздуха существует какая-то предельно допустимая скорость полета; при большей скорости прямоточный двигатель работать не сможет, так как его стенки расплавятся. Какова же эта предельная скорость, при которой наступит «тепловая смерть» двигателя?

Естественно, она определяется жаропрочностью материала, из которого изготовлен двигатель. При сгорании топлива в атмосферном воздухе температура газов достигает 2000—2100° абс. Эту температуру можно считать предельно допустимой для двигателя. Но значит ли это, что такая температура допустима для воздуха, поступающего в двигатель? Нет, конечно, ибо при сгорании топлива температура воздуха должна повышаться, иначе двигатель не будет развивать тяги.

Следовательно, по мере увеличения скорости полета и соответственно температуры воздуха, поступающего в двигатель, нагрев воздуха при сгорании топлива должен становиться все меньшим и меньшим, если мы хотим, чтобы максимальная температура в двигателе не превосходила определенного значения. Но это значит, что по мере роста скорости полета в двигателе можно сжигать все меньше топлива. В конце концов, очевидно, будет достигнута такая предельная скорость полета, при которой вообще сжигание топлива будет исключено, так как уже сам воздух, поступающий в двигатель, будет иметь максимально допустимую температуру. Очевидно, что при этой предельной скорости двигатель уже не сможет развивать никакой тяги.




Рис. 62. Так тяга прямоточного воздушно-реактивного двигателя зависит от скорости полета (предельно допустимая температура газов в камере сгорания принята равной 2000° абс.)




На рис. 62 показано, как изменяется величина тяги прямоточного двигателя в зависимости от скорости полета у земли при максимально допустимой температуре газов 2000° абс. Размеры этого двигателя определяются тем, что площадь горловины его сопла равна 0,5 м


. Как видно из рис. 62, чем больше потери при торможении воздуха, поступающего в двигатель, тем меньше максимальная тяга, развиваемая двигателем, и тем меньше предельная скорость полета, при которой тяга становится равной нулю. Конечно, если предельно допустимая температура воздуха увеличивается, то растет и тяга двигателя и диапазон возможных скоростей полета.

Из этого рисунка видно также, что предельной скоростью полета, при которой возможно применение прямоточного двигателя, является скорость, в 4—5,5 раз превосходящая скорость звука. Это и определяет область наивыгоднейшего использования прямоточных двигателей. Можно считать, что этой областью является диапазон изменения скорости полета от 2—3 до 4—5 скоростей звука.

Кстати сказать, по рис. 62 можно судить и о величине мощности, которую в состоянии развивать прямоточные двигатели — ведь мощность есть произведение тяги на скорость полета. Так двигатель, для которого подсчитаны кривые, показанные на рис. 62, при полете со скоростью, в 4 раза превышающей скорость звука, может развить тягу более 100 т. Этому соответствует мощность около 2 миллионов лошадиных сил!




Глава седьмая

Проблема, которую еще нужно решить


Сжатие воздуха — важнейший, но не единственный процесс, происходящий в прямоточном воздушно-реактивном двигателе. После того как воздух сжат, его необходимо нагреть — без этого двигатель не может развивать тягу. А для нагревания воздуха в двигателе нужно сжечь топливо. Средняя цилиндрическая часть двигателя, в которую поступает воздух из диффузора и где происходит сгорание топлива, поэтому и называется камерой сгорания.

Сгорание топлива в прямоточном воздушно-реактивном двигателе является самой сложной частью протекающего в нем рабочего процесса. Со сгоранием связаны, пожалуй, наибольшие трудности, которые возникают и перед ученым, исследующим прямоточный двигатель, и перед конструктором, создающим новый образец такого двигателя, и перед экспериментатором, испытывающим его на стенде или в полете.

Правда, так обстоит дело не только в случае прямоточного двигателя. Сгорание представляет собой обычно наименее изученную часть рабочего процесса едва ли не любого теплового двигателя. Это относится и к таким широко распространенным двигателям, как поршневые двигатели внутреннего сгорания — автомобильные, тракторные, авиационные, судовые и другие. Но если недостаточная изученность процесса сгорания в этих двигателях не мешает их успешному использованию, то иначе обстоит дело с прямоточным двигателем. По существу именно сгорание главным образом и представляет собой ту основную трудность, которую предстоит еще преодолеть ученым и конструкторам на пути освоения прямоточного воздушно-реактивного двигателя с тем, чтобы он получил полноправную путевку в жизнь.

Неудивительно, что сгорание топлива в прямоточном воздушно-реактивном двигателе представляет собой столь сложную проблему. Ведь это сгорание должно происходить в необычайно трудных условиях, каких нет ни в одном из других тепловых двигателей.

Каждый по своему опыту знает, как трудно зажечь спичку на сильном ветру. К каким только ухищрениям не прибегают опытные курильщики, чтобы прикурить на улице, когда дует ветер. Поворачиваются спиной к ветру, прячут дрожащее пламя спички под полу пальто или в согнутую крендельком ладонь руки. И все же далеко не всегда удается зажечь спичку. Что же говорить о камере сгорания прямоточного воздушно-реактивного двигателя, где «дует» не просто ветер, а невиданной силы ураган?

Несмотря на то, что воздух, стремительно набегающий на двигатель, тормозится в диффузоре, скорость его в камере сгорания прямоточного воздушно-реактивного двигателя все же больше, чем скорость самого сильного урагана. Ветер, дующий со скоростью в несколько десятков метров в секунду, — это ураган страшной, невиданной силы, а скорость воздуха в камере сгорания прямоточного двигателя превосходит 100 м/сек. Когда мы говорим о торможении воздуха в диффузоре, то имеем, конечно, на это право, ибо скорость воздуха уменьшается при этом в несколько раз. Тем не менее в камере сгорания воздух движется с невиданной в природе скоростью.

Но почему нельзя затормозить воздух в диффузоре еще сильнее, так чтобы в камере сгорания его скорость составляла, допустим, всего несколько метров в секунду? Сделать это, конечно, можно, но это чрезвычайно невыгодно. Ведь чем меньше скорость воздуха в камере сгорания, тем больше должно быть поперечное сечение камеры, чтобы пропустить то же количество воздуха. Но диаметр камеры сгорания — это наибольший диаметр двигателя, и его увеличение связано с увеличением лобового сопротивления самолета. Это особенно нежелательно при сверхзвуковых скоростях полета, для которых в первую очередь и предназначены прямоточные воздушно-реактивные двигатели. Поэтому диаметр камеры сгорания прямоточного воздушно-реактивного двигателя должен быть как можно меньшим; при этом скорость течения воздуха в камере получается очень большой.

Как же можно поджечь горючую топливовоздушную смесь в прямоточном двигателе и заставить ее потом непрерывно и устойчиво гореть, если в камере сгорания двигателя бушует искусственный ураган, равных которому по силе не встречается в природе?

В этом и заключается главная трудность обеспечения сгорания топлива в прямоточном двигателе. Горение топлива в камере сгорания прямоточного воздушно-реактивного двигателя — это по сути дела непрерывное, ни на минуту не прекращающееся единоборство пламени с ураганом. В этой борьбе либо побеждает пламя — и тогда двигатель работает, либо победа склоняется на сторону ветра — и тогда пламя начинает пульсировать, двигатель работает неустойчиво, а затем и вовсе останавливается, «глохнет»: пламя срывается и горение прекращается.

Как удается заставить топливо гореть в воздушном потоке, движущемся с такой огромной скоростью?

Впервые эта проблема, имеющая важнейшее значение не для одних только прямоточных двигателей, была подвергнута изучению нашим отечественным ученым — физиком В. А. Михельсоном в конце прошлого века. С тех пор ученые и конструкторы нашей страны раскрыли много загадок, относящихся к сгоранию топлива в потоке, что позволило создать ряд удачных конструкций высокоскоростных камер сгорания, в частности для турбореактивных двигателей. Чтобы понять, как удается решить эту задачу, представим себе камеру сгорания прямоточного двигателя. Из топливных форсунок вытекает под давлением топливо, которым в прямоточных двигателях обычно является бензин. Смешиваясь с воздухом, бензин образует горючую смесь, которая и должна гореть.

Вспомните, как вы поджигаете газовую горелку. Открывая кран, перекрывающий доступ газа к горелке, вы подносите к ней зажженную спичку — газ вспыхивает, образуя светящийся факел пламени. Спичка давно погасла, но газ продолжает гореть. В спокойном воздухе факел совершенно недвижим. Но эта неподвижность обманчива — внутри факела происходят сложные процессы, развивающиеся с большой скоростью. Раскаленные, светящиеся продукты сгорания улетучиваются, поднимаясь кверху, а их место занимают новые порции свежего газа. Они снова смешиваются с воздухом, подогреваются, воспламеняются и сгорают, чтобы так же улетучиться из факела, как и продукты сгорания предыдущих порций.

Значит, неподвижность факела — это не покой, а результат особого равновесия в ходе процесса. Вот так же, например, иногда не меняется уровень воды в водопроводной раковине, хотя из крана хлещет вода: так бывает в тех случаях, когда приток воды в раковину равен количеству воды, которая успевает вытечь из нее. Если мы несколько прикроем водопроводный кран, то уровень воды в раковине понизится, а затем снова наступит равновесие. То же произойдет и в случае, если мы, наоборот, откроем кран сильнее. Только на этот раз новый равновесный уровень воды в раковине будет более высоким.

Попробуем проделать такой же опыт с факелом. Уменьшим подачу свежего газа. Тотчас же светящийся конус пламени уменьшится. Почему? Очевидно, установилось новое равновесие аналогично тому, как это происходит при изменении уровня воды в раковине. Точно так же новое равновесие установится, если мы увеличим подачу газа — факел станет большим.

Возвратимся снова к раковине. Если мы чрезмерно откроем водопроводный кран, то уровень воды в раковине поднимется настолько, что вода начнет переливаться через край. Это будет пределом возможного смещения равновесия в одну сторону, в сторону повышения уровня. Другого предела мы достигнем в том случае, если прикроем кран настолько, что вода будет литься из него тонкой струйкой, так что в раковине воды вовсе не будет, она будет сразу выливаться из нее.

Явления в горящем факеле, конечно, гораздо сложнее, чем в нашем примере с водопроводной раковиной. Не так просто понять, какие факторы обусловливают равновесие факела, и установить пределы, ограничивающие это равновесие. Опыт показывает, что такие пределы существуют. Если сильно подуть на горящий факел или, например, сильно повысить давление и, следовательно, скорость выходящего газа, то факел оторвется от горелки и погаснет.

Оказывается, главное условие того, чтобы факел был устойчивым и непрерывно горел, — это непрерывное поджигание новых порций газа, выходящих из горелки. Эти порции воспламеняются уже горящими частицами газа. Горение распространяется от горящей смеси к свежей с определенной скоростью — она так и называется скоростью сгорания. Легко видеть, что если скорость, с которой горящая смесь уносится от горелки, станет очень большой, то горение просто не успеет распространиться, факел оторвется от горелки и затем погаснет. Чем больше скорость сгорания, тем больше и та предельная скорость подачи газа, при которой факел еще сохраняет устойчивость.

Явления, происходящие в камере сгорания прямоточного воздушно-реактивного двигателя, еще сложней, чем в факеле газовой горелки, так как в камеру поступает не газообразное, а жидкое топливо. Значит, до сгорания его необходимо распылить, т. е. образовать облако мельчайших капелек, перемешать эти капельки равномерно с воздухом, а затем испарить. Эти процессы подготовки топливовоздушной смеси к сгоранию сильно усложняют картину явлений, происходящих в камере сгорания двигателя.

Однако главным и здесь остается поджигание новых порций топлива. В отличие от пламени газовой горелки факел в камере сгорания прямоточного двигателя обдувается стремительным потоком воздуха. Скорость этого воздушного потока во много раз превышает скорость, с которой распространяется по потоку сгорание. Вследствие этого пламя не может удержаться в камере, оно срывается и уносится потоком; двигатель перестает работать, «глохнет».

Как же все-таки в таких условиях удается поджигать топливо и обеспечивать тем самым устойчивое горение в прямоточном двигателе? Для этого используются разные методы, но все они преследуют одну и ту же цель — подвести раскаленные газы (продукты сгорания) к основанию факела с тем, чтобы они подожгли топливовоздушную смесь. В одном случае для этого топливо впрыскивается в камеру сгорания двигателя не по направлению воздушного потока, а против него; горящие газы меняют затем свое направление и омывают основание факела. По другому методу воздух, омывающий факел, закручивается штопором, образуя настоящий небольшой смерч; для этой цели он пропускается через особый завихритель, имеющий расположенные по спирали лопатки. В результате такого завихрения воздуха внутри воздушного вихря образуется область пониженного давления, в которую поступают раскаленные газы (продукты горения), меняя свое направление на обратное. Так создается постоянная зона обратного тока раскаленных газов, поджигающих топливо. Наконец, в третьем случае в камере сгорания устанавливаются специальные стабилизаторы пламени — экраны. Воздух, обтекающий эти экраны, которым придают обычно неудобообтекаемую форму, создает за ними застойные вихревые зоны, куда также проникают раскаленные продукты горения, поджигая факел.

На рис. 63 изображен прямоточный воздушно-реактивный двигатель, в котором использован один из описанных способов стабилизации пламени в камере сгорания. Горелки и стабилизирующие устройства располагаются обычно в передней части камеры, сразу за диффузором, образуя так называемое фронтовое устройство, или регистр. В дозвуковых прямоточных двигателях одно только это фронтовое устройство и можно видеть внутри двигателя, если заглянуть в него через торцовые отверстия. В сверхзвуковых двигателях, как указывалось выше, обычно имеется еще центральное тело.




Рис. 63. Прямоточный воздушно-реактивный двигатель со стабилизатором пламени




Но почему же мы говорили выше о сгорании в прямоточном воздушно-реактивном двигателе, как о сложной проблеме, которую еще нужно решить, если уже существуют прямоточные воздушно-реактивные двигатели с надежным, устойчивым сгоранием?

К сожалению, даже в этих существующих двигателях проблема сгорания решена далеко не до конца. В одних двигателях устойчивость сгорания достигнута ценой слишком больших потерь давления в камере сгорания, что приводит к значительному уменьшению тяги и увеличению расхода топлива. В некоторых двигателях сгорание устойчиво на одних режимах работы, но становится неудовлетворительным на других. Но самое главное заключается в том, что обеспечение сгорания в существующих двигателях осуществлялась и осуществляется даже до сих пор в основном чисто опытным путем, на ощупь, путем длительных испытаний с сопутствующими им переделками камеры сгорания. Вследствие этого доводка прямоточных двигателей, для испытания которых требуются весьма сложные, громоздкие и дорого стоящие установки, затягивается иной раз на годы. Кроме тою, когда конструкторы приступают к созданию нового двигателя, то им из-за отсутствия ясных представлений о процессах, происходящих в камере сгорания, приходится идти все тем же экспериментальным путем. Единственные указания им дает опыт прошлого, но этот опыт, конечно, всегда оказывается недостаточным, когда речь идет о создании нового двигателя, рассчитанного на иные требования и иные условия работы. Так теория, которая должна освещать путь практике, в этом случае пока еще отстает от нее.

Наибольшие трудности, связанные со сгоранием в прямоточном двигателе, возникают как раз тогда, когда двигатель предназначается для полета с большими скоростями, намного превышающими скорость звука, и на очень больших высотах, что и характерно для использования прямоточного двигателя. Когда растет скорость полета, то обычно увеличивается и скорость воздушного потока в камере сгорания, а вместе с ней растут и трудности стабилизации горения. Большие неприятности часто создают мощные пульсации и колебания воздушного потока в камере сгорания, из-за чего пламя начинает сильно вибрировать. При этом не только резко снижается тяга и увеличивается расход топлива, но сам двигатель может легко выйти из строя. Еще хуже обстоит дело со сгоранием при увеличении высоты полета. А ведь полет со скоростью, в 2—3 раза превышающей скорость звука, возможен только на весьма больших высотах, где воздух крайне разрежен и, следовательно, не оказывает такого большого сопротивления летящему самолету, как на малых высотах. Вблизи земли это сопротивление так велико, что полет со скоростью, в 2—3 раза превышающей скорость звука, становится практически невозможным. Невозможен он еще и потому, что при полете с такими большими скоростями в плотной атмосфере оболочка самолета может сильно разогреться: на больших высотах в разреженном воздухе этого не происходит. Но именно разреженность воздуха создает особые, пока еще до конца не преодоленные трудности в работе камеры сгорания прямоточного, да и других воздушно-реактивных двигателей. Оказывается, что при увеличении высоты полета в работе камеры сгорания двигателя, вполне

удовлетворительно работавшего у земли и на меньших высотах, наступают перебои. Пламя начинает пульсировать, а затем срывается и гаснет. Это объясняется тем, что скорость сгорания топлива при увеличении высоты полета резко уменьшается, так как уменьшаются давление и температура воздуха в камере сгорания двигателя. Мало того, при значительном увеличении высоты полета топливовоздушную смесь в камере сгорания вообще не удается воспламенить.

Обеспечение нормального сгорания топливовоздушной смеси при больших скоростях и высотах полета является в настоящее время основной проблемой развития прямоточных воздушно-реактивных двигателей. Можно не сомневаться в том, что эта проблема будет в недалеком будущем решена. Тем самым для прямоточных двигателей будут открыты именно те области применения, в которых они не имеют себе равных среди всех других авиационных двигателей. Тогда авиация сделает еще один громадный скачок вперед в отношении скоростей и высот полета. Это — дело авиации завтрашнего дня.

Чтобы закончить наш рассказ о сгорании в прямоточном воздушно-реактивном двигателе, следует еще раз подчеркнуть огромное превосходство этого двигателя перед турбореактивным. Это превосходство связано с допустимой температурой сгорания. Мы знаем, что лопатки турбины ограничивают максимальную температуру газов, выходящих из камеры сгорания турбореактивного двигателя. Поэтому в турбореактивном двигателе участвует в сгорании лишь около четверти всего воздуха, протекающего через камеру сгорания. Остальной воздух служит для охлаждения продуктов сгорания — он добавляется к ним уже за зоной горения. В прямоточном двигателе такого ограничения нет, ибо нет и турбины. Здесь для сгорания топлива можно использовать весь кислород, заключенный в воздухе. Поэтому при том же количестве протекающего через двигатель воздуха в прямоточном воздушно-реактивном двигателе удается сжигать в 3—4 раза больше топлива и получить в результате этого соответственно большую тягу с единицы площади «лба» двигателя. А ведь в таком увеличении этой удельной лобовой тяги, а следовательно, и мощности, приходящейся на единицу площади вредной лобовой поверхности двигателя (вредной потому, что именно с ней связано лобовое сопротивление двигателя), и лежит ключ к увеличению скорости полета.

В турбореактивном двигателе газы, выходящие из камеры сгорания, имеют температуру не более 850—900° С. В прямоточном двигателе эта температура превышает 1500—1600° С. Поэтому реактивная струя, вытекающая из сопла турбореактивного двигателя в атмосферу, имеет температуру 600—650° С, тогда как из прямоточного двигателя через сопло вытекают газы с температурой до 1500° С. Это надо всегда иметь в виду при установке двигателя на летательный аппарат. Небрежность конструктора в этом отношении может вызвать непоправимую катастрофу.

Мы познакомились в основном с двумя важнейшими частями прямоточного воздушно-реактивного двигателя — диффузором и камерой сгорания, и только вскользь — с соплом, являющимся третьей основной частью двигателя. В сопле газы, выходящие из камеры сгорания, расширяются и скорость их движения соответственно увеличивается, без чего нельзя получить большую тягу двигателя. В дозвуковом прямоточном воздушно-реактивном двигателе реактивное сопло имеет обычно такую же форму конической сходящейся трубы, как и сопло турбореактивного двигателя. Но, оказывается, в прямоточном двигателе можно и вовсе обойтись без сопла. В этом случае прямоточный воздушно-реактивный двигатель станет еще более простым по внешним очертаниям — он превратится в простую цилиндрическую трубу с коническим диффузором спереди, без которого, как уже говорилось выше, обойтись нельзя. Но почему же можно обойтись без сопла, где в этом случае будет происходить необходимое расширение газов и увеличение их скорости движения?

Оказывается, функции сопла можно передать камере сгорания. Выше отмечалось, что при горении топлива в цилиндрической камере сгорания скорость течения газов увеличивается, так как газы расширяются. Можно добиться и того, чтобы это расширение газов в камере сгорания произошло вплоть до атмосферного давления. Тогда, очевидно, и не будет надобности ни в каком сопле.

Иначе обстоит дело в сверхзвуковом прямоточном воздушно-реактивном двигателе. Так как скорость истечения газов из такого двигателя может значительно превосходить скорость звука, то сопло сверхзвукового двигателя тоже должно быть, как правило, сверхзвуковым. Это значит, что оно должно сначала суживаться, а затем расширяться. Наличие на двигателе такого сопла обычно и свидетельствует о том, что он предназначен для сверхзвукового полета.

В сверхзвуковом прямоточном воздушно-реактивном двигателе функции сопла уже не может выполнять камера сгорания.

В цилиндрической камере сгорания может быть достигнута только скорость звука. Перейти через эту скорость в цилиндрической камере невозможно. Поэтому камера сгорания может заменить только первую, сужающуюся часть сверхзвукового сопла, вторая же, расширяющаяся часть в сверхзвуковом воздушно-реактивном двигателе сохраняется. Следовательно, если сопло двигателя представляет собой простую расширяющуюся трубу, то мы имеем дело со сверхзвуковым двигателем, в котором на выходе из камеры сгорания газы имеют скорость звука.




Глава восьмая

Рождение прямоточного двигателя


Прямоточный двигатель — это двигатель сверхзвукового полета, двигатель завтрашнего дня в авиации и реактивной артиллерии. Мы имеем все основания гордиться тем вкладом, который внесла наша страна в дело создания этого замечательного двигателя.

В нашей стране впервые в истории были созданы и испытаны прямоточные двигатели. Эти двигатели были построены профессором Ю. А. Победоносцевым в 1933 г. Правда, они не были предназначены для установки на самолете, но с ними велись различные исследования.

В нашей стране был совершен и первый в мире полет самолета с прямоточными двигателями. В ясный зимний день 25 января 1940 г. с московского аэродрома им. Фрунзе взмыл в воздух самолет, пилотируемый летчиком П. Е. Логиновым (рис. 64). Это был хорошо известный всему миру советский истребитель, один из лучших истребителей того времени И-15. Но на этом самолете под крылом были установлены какие-то два сигарообразных тела. Это и были испытуемые прямоточные двигатели конструкции И. А. Меркулова. Проект этих двигателей был разработан еще в 1936 г., затем двигатель был построен и подвергнут различным испытаниям. В частности, в мае 1939 г. двигатель был испытан в воздухе, для чего его установили на ракете; между прочим, такой метод испытания прямоточных двигателей стал затем применяться и в других странах. Так была доказана возможность установки прямоточного двигателя на самолете. И вот теперь наступил момент первого полета самолета с прямоточными двигателями. В данном случае прямоточные двигатели играли лишь вспомогательную роль, они помогали основному, поршневому двигателю самолета увеличить скорость полета. Длина каждого из двух двигателей, установленных на этом самолете, равнялась 1,5 м, диаметр — 0,4 м, а вес — всего 12 кг.




Рис. 64. Самолет И-15 с установленными на нем прямоточными воздушно-реактивными двигателями




С оглушительным ревом проносится истребитель над головами присутствующих на аэродроме. И вдруг словно какая-то могучая сила швыряет самолет вперед, заставляет его мчаться с еще большей скоростью — это заработали включенные летчиком прямоточные воздушно-реактивные двигатели. Огненные струи хлещут из сопел обоих двигателей — приборы показывают увеличение скорости полета на 21 км/час.

Это был первый в мире полет самолета с воздушно-реактивными двигателями. Он состоялся, в частности, за 8 месяцев до разрекламированного за рубежом полета итальянского самолета Кампини, на котором был установлен так называемый мотокомпрессорный воздушно-реактивный двигатель, не нашедший потом практического применения.

Позднее испытания прямоточных двигателей Меркулова были произведены на самолетах-истребителях «Чайке» и Як-7. При этом прирост скорости полета достигал 53 км/час.

Так произошло рождение прямоточного воздушно-реактивного двигателя. Он заявлял свое право на жизнь. Начались годы напряженной работы по его усовершенствованию.

Экспериментальные исследования прямоточного воздушно-реактивного двигателя связаны с исключительными трудностями, так как через него ежесекундно протекают с огромной скоростью десятки и сотни кубических метров воздуха. Чтобы создать такой поток воздуха при испытании, нужны грандиозные воздуходувные установки мощностью в десятки и сотни тысяч лошадиных сил. Такие установки — аэродинамические трубы сверхзвуковых скоростей непрерывного действия — созданы, но они являются уникальными. Иногда для испытаний прямоточных воздушно-реактивных двигателей применяются и более простые установки, так называемые трубы периодического действия. В этом случае воздух заранее нагнетается под давлением в громадный бак — ресивер, откуда он во время испытаний подается в аэродинамическую трубу. Но относительная простота этих установок (в действительности же они не так просты) покупается дорогой ценой — часами накачивается ресивер для того, чтобы потом можно было провести минутное испытание.

Сложность и дороговизна экспериментальных исследований прямоточных воздушно-реактивных двигателей являются одной из причин того, что эти двигатели отстают в своем развитии от других реактивных двигателей. Поэтому непрерывно изыскиваются новые методы исследования прямоточных воздушно-реактивных двигателей. В частности, для этого иногда используются ракеты. Передача показаний приборов с летящей ракеты осуществляется при этом по радио при помощи сложной радиотелеметрической системы. Такая же система используется в тех случаях, когда испытания прямоточного воздушно-реактивного двигателя осуществляются путем сбрасывания его с летящего самолета; один из прямоточных двигателей, предназначенных для таких испытаний, показан на рис. 65. Широко применяется также установка прямоточных двигателей на самолете: над фюзеляжем (см. рис. 46), на концах крыльев (рис. 66) и т. д.

Основным недостатком прямоточного воздушно-реактивного двигателя является то, что он способен развивать тягу только в полете с большой скоростью. На малой скорости его тяга ничтожна, а на стоянке она вовсе равна нулю. Чтобы прямоточный двигатель начал работать, нужна скорость полета порядка 250 км/час, а для взлета — не менее 650—700 км/час. Значит, для взлета и разгона самолета (или снаряда) с прямоточным воздушно-реактивным двигателем на нем должен быть установлен одновременно двигатель какого-либо другого типа. Это может быть поршневой двигатель, как, например, было при испытаниях первых прямоточных воздушно-реактивных двигателей. Но поршневой двигатель не пригоден для летательных аппаратов, предназначенных для полета со сверхзвуковыми скоростями. Поэтому в качестве стартового двигателя на скоростных самолетах должен быть установлен какой-нибудь реактивный двигатель: турбореактивный, ракетный или пульсирующий. Этот двигатель разгоняет самолет до необходимой скорости, а затем он выключается и начинает работать прямоточный воздушно-реактивный двигатель.

В некоторых случаях, например на снарядах, стартовый двигатель может вообще отсутствовать. Разгон снаряда до скорости, при которой включается в работу прямоточный воздушно-реактивный двигатель, осуществляется в этом случае с помощью специального стартового устройства — катапульты.




Рис. 65. Сверхзвуковой прямоточный воздушно-реактивный двигатель, предназначенный для сбрасывания с самолета с целью испытания его при скорости полета, в 2,5 раза превышающей скорость звука







Рис. 66. Прямоточные воздушно-реактивные двигатели, установленные на крыльях самолетов:

а — самолет с поршневым двигателем; б — реактивный самолет




Необходимость в добавочном стартовом двигателе заставляет конструкторов и ученых работать над созданием такого двигателя, в котором прямоточный воздушно-реактивный двигатель органически сочетался бы с двигателем другого типа в единой конструкции. Это позволило бы не только осуществить самостоятельный взлет самолета, но и решить задачу наиболее экономичной работы на разных режимах полета. Так, например, если бы удалось сочетать в едином устройстве турбореактивный и прямоточный воздушно-реактивный двигатели, то при взлете и в полете с относительно небольшими скоростями двигатель работал бы как турбореактивный, а при сверхзвуковых скоростях полета — как прямоточный. Естественно, что это привело бы к уменьшению расхода топлива и, таким образом, к увеличению дальности полета.

Как же можно представить себе такое органическое сочетание турбореактивного и прямоточного двигателей? Оказывается, одно возможное решение этой задачи подсказывается самой жизнью, развитием реактивной авиации.




Рис. 67. Форсажная камера. Принципиально ее устройство аналогично устройству прямоточного воздушно-реактивного двигателя




Выше указывалось, что для кратковременного повышения тяги турбореактивного двигателя в настоящее время широко используются так называемые форсажные камеры (см. рис. 37).

Если внимательно присмотреться к форсажной камере, то бросается в глаза большое сходство ее с прямоточным воздушно-реактивным двигателем (рис. 67). Действительно, в передней части камеры обычно имеется диффузор, в котором происходит уменьшение скорости и соответственно увеличение давления газов, выходящих из двигателя, — это необходимо для обеспечения устойчивости сгорания в форсажной камере и для увеличения ее коэффициента полезного действия. За диффузором следует обычно цилиндрическая камера сгорания с горелками. Наконец, последней частью форсажной камеры является реактивное сопло.

Таким образом, форсажная камера имеет основные части прямоточного воздушно-реактивного двигателя. По существу она и представляет собой прямоточный воздушно-реактивный двигатель, поставленный непосредственно за турбореактивным.

Так как увеличение тяги с помощью форсажной камеры является невыгодным, то она используется только кратковременно, например, в воздушном бою, при взлете и т. д. Однако с увеличением скорости полета форсажная камера становится все более выгодной. Действительно, в результате скоростного напора на входе в турбореактивный двигатель давление за турбиной и, следовательно, в форсажной камере с ростом скорости полета увеличивается. Поэтому прирост тяги, который создает форсажная камера при сжигании в ней одного и того же количества топлива, с ростом скорости полета увеличивается, а расход топлива на 1 кг тяги, следовательно, уменьшается. Наконец, когда скорость полета становится значительно больше скорости звука, форсажная камера может стать даже выгоднее турбореактивного двигателя, на котором она установлена. В этом случае имеет смысл полностью отключить турбореактивный двигатель и направлять весь воздух в обход его прямо в форсажную камеру. При этом форсажная камера работает уже как самостоятельный прямоточный воздушно-реактивный двигатель.

Самолеты с такой силовой установкой могут оказаться выгодными в весьма широком диапазоне скоростей полета от дозвуковых до скоростей, в 3—4 раза превышающих скорость звука.

Делаются попытки сочетать прямоточный воздушно-реактивный двигатель с пульсирующим — такая силовая установка, как очень легкая и неприхотливая, может быть применена в управляемых снарядах. В этом случае пульсирующий двигатель заключается внутрь прямоточного. На взлете и при малых скоростях полета работает пульсирующий двигатель, с увеличением же скорости в работу включается прямоточный.

Несомненные перспективы имеет и так называемый ракетно-прямоточный двигатель. В этой силовой установке прямоточный воздушно-реактивный двигатель сочетается с жидкостным ракетным двигателем, который устанавливается, например, в центральном теле прямоточного (рис. 68). Взлет осуществляется с помощью ракетного двигателя, он же разгоняет летательный аппарат до больших скоростей полета. Затем работают оба двигателя или один прямоточный. Если полет должен совершаться на очень больших высотах, больших 30—40 км, где прямоточный двигатель нельзя использовать работать из-за разреженности воздуха, то там также может работать один ракетный двигатель, не нуждающийся, как известно, для этого в воздухе. Включение ракетного двигателя на больших высотах может оказаться целесообразным также потому, что тяга прямоточного двигателя с увеличением высоты полета уменьшается примерно пропорционально плотности воздуха, тогда как ракетный двигатель на большой высоте развивает даже большую тягу, чем у земли.




Рис. 68. Ракетно-прямоточный двигатель




Однако рассмотренные комбинации прямоточного воздушно-реактивного двигателя с двигателями другого типа (кроме форсажной камеры турбореактивного двигателя, если ее рассматривать в качестве такой комбинации) пока не вышли из стадии экспериментирования. Впрочем, и сам прямоточный воздушно-реактивный двигатель по существу еще не вышел из этой стадии. До сих пор нет ни одного самолета с прямоточным воздушно-реактивным двигателем, который находился бы в эксплуатации. Имеются лишь единичные экспериментальные самолеты, подобные, например, изображенному на рис. 69. Для взлета этот небольшой самолет с прямоточным двигателем устанавливается сверху, «на хребет» другого, тяжелого самолета-матки. Только в воздухе, при достижении самолетом-маткой относительно большой скорости полета, запускается прямоточный воздушно-реактивный двигатель несомого ею самолета, и этот самолет начинает самостоятельный полет. Два летчика этого экспериментального самолета находятся в центральном теле двигателя, корпусом которого служит фюзеляж самолета. На другой модификации этого самолета, кроме прямоточного, установлен и жидкостный ракетный двигатель, так что он в состоянии совершать самостоятельный взлет.




Рис. 69. Самолет с прямоточным воздушно-реактивным двигателем (указаны его примерные размеры и вес): а — общий вид и схема устройства; б — установка самолета на «матке»; в — самолет в самостоятельном полете после отделения от «матки»




Прямоточные воздушно-реактивные двигатели находят применение и на вертолетах. Вертолетами называются летательные аппараты, у которых подъемная сила создается не крылом, а горизонтальным несущим винтом большого диаметра. Вертолеты обладают способностью вертикально взлетать и садиться, а следовательно, для них не нужны большие аэродромы. Они могут неподвижно «висеть» в воздухе, передвигаться с очень малой скоростью, недоступной самолетам, или передвигаться назад, в сторону и т. д. Эти замечательные качества вертолетов обеспечили им быстрое развитие в последние годы.




Рис. 70. Вертолет с реактивным приводом (несущий винт приводится во вращение прямоточными воздушно-реактивными двигателями, установленными на концах лопастей)




В первой летавшей модели, явившейся прообразом вертолета, предложенной более двухсот лет назад великим русским ученым М. В. Ломоносовым, несущий винт приводился во вращение часовой пружиной. На большинстве современных вертолетов для этой цели устанавливаются мощные поршневые авиационные двигатели.

Однако имеются и такие вертолеты, на которых вращение несущего винта осуществляется с помощью воздушно-реактивных двигателей — пульсирующих или прямоточных (рис. 70). Эти двигатели устанавливаются непосредственно на лопастях несущего винта. Вследствие этого отпадает надобность в сложной и тяжелой передаче от двигателя к винту, которая имеется на каждом вертолете с поршневым двигателем. Установка прямоточного или пульсирующего воздушно-реактивного двигателя непосредственно на лопастях несущего винта становится возможной благодаря исключительно малому их весу и сравнительно небольшим размерам. Но расход топлива у этих вертолетов оказывается пока еще значительно большим, чем у обычных вертолетов с поршневыми двигателями. Поэтому реактивные вертолеты выгодно применять в тех случаях, когда важно максимально уменьшить вес вертолета, а продолжительность полета не имеет большого значения. Можно полагать, что в ходе дальнейшего развития вертолетов для привода несущего винта найдут широкое применение как пульсирующие, так и прямоточные воздушно-реактивные двигатели.

Прямоточные воздушно-реактивные двигатели обладают тем преимуществом по сравнению с пульсирующими, что во время работы они не издают такого сильного шума. Однако для запуска прямоточного двигателя несущий винт вертолета нуждается в предварительной раскрутке при помощи какого-нибудь стартера, тогда как при установке пульсирующего двигателя это не является обязательным.

Прямоточный воздушно-реактивный двигатель имеет большие перспективы применения в беспилотной авиации и в так называемых управляемых снарядах. Это объясняется относительной простотой конструкции, малым весом и дешевизной этих двигателей, что очень важно для оружия одноразового применения. На рис. 71 сверху изображен управляемый по радио беспилотный самолет с дозвуковым прямоточным двигателем, предназначенный для использования в качестве «летающей цели» при тренировке летчиков в воздушной стрельбе. Снизу на том же рисунке показан тяжелый сверхзвуковой управляемый зенитный снаряд для борьбы с самолетами противника. Для взлета этот снаряд снабжается жидкостным ракетным двигателем. Скорость полета снаряда достигает почти 2500 км/час.




Рис. 71. Беспилотные самолеты: вверху — беспилотный «самолет-цель» с дозвуковым прямоточным воздушно-реактивным двигателем; внизу — управляемый зенитный снаряд со сверхзвуковым прямоточным воздушно-реактивным и жидкостным ракетным двигателями




Но наиболее полно возможности прямоточного воздушно-реактивного двигателя могут быть реализованы в авиации сверхзвуковых скоростей. В определенном диапазоне сверхзвуковых скоростей полета никакой другой авиационный двигатель не сможет сравниться с прямоточным воздушно-реактивным двигателем по основным техническим характеристикам, что наглядно иллюстрируется графиками, изображенными на рис. 72. В отношении веса, приходящегося на 1 л. с. мощности, прямоточный двигатель при скоростях полета, в 3—4 раза превосходящих скорость звука, слегка уступает только жидкостному ракетному двигателю. При этих скоростях прямоточный двигатель способен развивать 400—500 л. с. на 1 кг своего веса. Это значит, что двигатель мощностью в 100 000 л. с. будет весить всего 200—250 кг, что недостижимо ни для одного другого двигателя, кроме жидкостного ракетного.




Рис. 72. При сверхзвуковых скоростях полета прямоточные двигатели не имеют конкурентов, что иллюстрируется графиками:

а — график зависимости мощности, развиваемой двигателем на 1 кг его веса, от скорости полета; б — график зависимости расхода топлива двигателем на 1 кг развиваемой им тяги от скорости полета; в — график зависимости относительной дальности полета самолетов с различными двигателями от скорости полета




Но жидкостный ракетный двигатель значительно уступает прямоточному воздушно-реактивному двигателю в отношении экономичности, т. е. по расходу топлива. При подобных скоростях полета прямоточный двигатель расходует всего 2 кг топлива в час на каждый килограмм развиваемой им тяги, тогда как жидкостный ракетный двигатель расходует топлива в 8 раз больше! Это, впрочем, неудивительно, так как топливо для ракетного двигателя — это не только горючее, как в прямоточном, но и окислитель, который тоже должен находиться на борту летательного аппарата. Другие воздушно-реактивные двигатели, использующие атмосферный кислород, как и прямоточный, при скорости полета, в 3—4 раза превышающей скорость звука, также намного уступают ему в отношении экономичности.

Дальность полета, достижимая с помощью того или иного двигателя, зависит как от его веса, так и от количества расходуемого им топлива. Неудивительно, что при указанных выше огромных скоростях полета прямоточный двигатель оказывается в состоянии обеспечить наибольшую относительную дальность.

Однако следует оговориться, что кривые, показанные на рис. 72, построены для того случая, когда каждому значению скорости полета соответствует своя, наивыгоднейшая конструкция прямоточного воздушно-реактивного двигателя. Если допустим, что один и тот же двигатель совершает полет во всем диапазоне скоростей, то при скоростях, отличных от расчетной для данного двигателя, его характеристики будут ухудшаться. Это становится очевидным хотя бы из рассмотрения рис. 73, на котором показано, как изменяются условия работы диффузора сверхзвукового прямоточного двигателя при изменении скорости полета. На расчетном режиме, т. е. при полете с определенной расчетной скоростью, косой скачок на входе в двигатель располагается так, как показано на среднем рисунке. Если скорость полета уменьшается, то угол скачка увеличивается, вследствие чего в двигатель начинает поступать меньше воздуха, часть его будет как бы «выплескиваться». Конечно, тяга двигателя из-за этого, а также и из-за увеличения потерь при сжатии уменьшится. Если же скорость полета увеличится по сравнению с расчетной, то угол скачка уменьшится и он переместится внутрь диффузора. Такой режим также приведет к уменьшению тяги из-за увеличения потерь при сжатии воздуха.




Рис. 73. При изменении скорости полета условия работы сверхзвукового диффузора изменяются. В центре — расположение скачка при расчетной скорости полета; слева — расположение скачка при скорости полета меньше расчетной; справа — расположение скачка при скорости полета больше расчетной




Для того чтобы характеристики прямоточного двигателя были наилучшими при всех возможных скоростях полета, необходимо осуществить регулирование двигателя, т. е. изменение его геометрических параметров в зависимости от скорости полета. Задача такого регулирования представляет собой одну из сложнейших проблем создания совершенного прямоточного воздушно-реактивного двигателя, так как скорость полета самолета с этим двигателем может меняться от сотен до тысяч километров в час, высота — от уровня моря до 20—30 км, мощность двигателя — от сотен до сотен тысяч лошадиных сил, расход топлива — от десятых долей килограмма до десятков килограммов в секунду, давление в двигателе — от десятых долей атмосферы до десятков атмосфер и т. д. Трудности регулирования очевидны, но они преодолимы, и нет сомнения в том, что и эта проблема будет решена.

Характеристики прямоточных воздушно-реактивных двигателей позволяют с уверенностью предвидеть разностороннее их применение уже в недалеком будущем в сверхзвуковой авиации и реактивной артиллерии. Уже имеются летательные аппараты с прямоточным воздушно-реактивным двигателем, развивающим скорость полета около 2500 км/час.

Так как даже на экваторе окружная скорость Земли при ее вращении вокруг оси составляет примерно 1670 км/час, то, следовательно, прямоточный двигатель позволяет уже сейчас опередить движение Земли вокруг ее оси и как бы «остановить солнце» или перенестись «во вчерашний день».

С помощью прямоточного двигателя возможны скорости полета до 4000—5000 км/час на высотах до 30—40 км. Это, очевидно, наивысшие возможные достижения для воздушно-реактивных двигателей, т. е. двигателей, использующих для своей работы атмосферный воздух.

Только для ракетных двигателей практически нет границ в отношении увеличения высоты и скорости полета, вплоть до полета к далеким планетам, удаленным от нас на миллионы километров. Впрочем, даже и в решении этой проблемы межпланетных сообщений воздушно-реактивные двигатели могут найти себе применение. В частности, они могут оказаться выгоднее ракетных для установки на первых ступенях многоступенчатого космического корабля.

Таковы перспективы развития воздушно-реактивных двигателей. Нет сомнений, что в будущем воздушно-реактивные двигатели помогут человеку одержать новые победы в его борьбе за покорение природы.




Что прочитать о реактивной технике


1. Иноземцев Н. В., Россия — родина реактивных двигателей, изд. «Знание», 1952.

2. Гильзин К. А., От ракеты до космического корабля, Оборонгиз, 1954.

3. Ляпунов Б. В., Рассказы о ракетах, Госэнергоиздат, 1955.

4. Смуров Г. С., Полет быстрее звука, изд. «Правда», 1950.

5. Космодемьянский А. А., Знаменитый деятель науки К. Э. Циолковский, Военное издательство, 1954.

6. Баев Л. К., Меркулов И. А., Самолет-ракета (реактивная авиация), Гостехиздат, 1953.


notes



Примечания





1


См., например, книгу К. А. Гильзина «От ракеты до космического корабля», Оборонгиз, 1954.




2


Расход топлива, приходящийся на одну лошадиную силу мощности, развиваемой двигателем, называется удельным расходом топлива.




3


В действительности скорость истечения воздуха будет даже меньше скорости входящего воздуха из-за сопротивления, которое воздух преодолевает, протекая внутри двигателя. Поэтому двигатель не только не будет развивать тяги, но его тяга будет «отрицательной», она будет направлена против полета. Но мы этими потерями внутри двигателя пренебрежем, рассматривая упрощенную схему явлений.