Карл Гильзин - Воздушно-реактивные двигатели
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?
