Карл Гильзин - Воздушно-реактивные двигатели

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?