Карл Гильзин - Воздушно-реактивные двигатели
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 м3/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.
