Карл Гильзин - Воздушно-реактивные двигатели

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.