Карл Гильзин - Воздушно-реактивные двигатели

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 м2. 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!

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.