Карл Гильзин - Воздушно-реактивные двигатели
Но эта аналогия с движением по воде может быть продлена и дальше. Если по воде движется не букашка, а быстроходный катер, то он, рассекая воду, поднимает перед собой мощную волну, водяной вал. По обе стороны от носа катера встают высокие водяные буруны, два водяных вала, которые постепенно, на сравнительно большом расстоянии от катера, превращаются в упомянутые выше обычные «усы».
Нечто похожее происходит и при движении со сверхзвуковой скоростью в воздухе не «точки», а какого-нибудь большого тела. Перед ним возникает мощный воздушный «вал», волна уплотненного воздуха, переходящая в два воздушных «буруна» по обе стороны от тела, и уже только на значительном расстоянии эти «буруны» превращаются в обычный конус возмущения. В синем воздушном океане мы увидим резко очерченную, темную-темную переднюю, или головную, как ее называют, волну, постепенно светлеющую по обе стороны и переходящую в светлую, а значит, слабую коническую волну возмущения.
Вот такая же головная волна возникает и перед движущимся со сверхзвуковой скоростью прямоточным двигателем (рис. 56). Струи воздуха, мчащегося со сверхзвуковой скоростью, наталкиваются на эту волну, на стену уплотненного воздуха. Происходит удар, как о всякую преграду, — не зря эта волна носит название ударной волны. Почти внезапно, на ничтожно коротком расстоянии, давление воздуха резко увеличивается, воздух сжимается, уплотняется. Поэтому ударную волну и называют часто скачком уплотнения. Скорость воздуха в скачке резко уменьшается, и по другую сторону скачка она становится дозвуковой. В зеленом воздушном океане, чувствительном к скорости движения воздуха, цвет невозмущенного океана перед скачком темный-темный, а затем знакомая нам резко очерченная граница отделяет его от светлозеленого воздуха — за скачком воздух движется со скоростью, меньшей скорости звука. Чем больше была скорость до скачка, тем меньше она становится после него, значит, тем резче, сильнее, или, как говорят, интенсивнее, этот скачок.
Какое же влияние оказывает образование скачка уплотнения перед диффузором на работу прямоточного воздушно-реактивного двигателя?
Рис. 56. Перед диффузором двигателя, летящего со сверхзвуковой скоростью, образуется головная волна:
а — схема волны; б — фотоснимок волны, полученный в сверхзвуковой аэродинамической трубе
Оказывается, образование скачка уплотнения воздуха перед диффузором приводит к значительному ухудшению характеристик прямоточного (как и любого другого) воздушно-реактивного двигателя. Это объясняется тем, что сжатие в скачке очень невыгодно, оно связано с большими потерями энергии, так как струя воздуха, проходящая через скачок, претерпевает удар. Всякий же удар, как известно, все равно, твердых тел или жидких и газообразных веществ, представляет собой резкое, мгновенное уменьшение скорости движения. При ударе часть кинетической энергии движущегося тела переходит в тепло и, таким образом, теряется, так как не может быть использована для совершения механической работы. Это тепло, например, расплавляет свинцовую пулю, ударившуюся о стальную броню, или испаряет ворвавшийся с огромной скоростью в земную атмосферу небесный камень, в результате чего образуется метеор — падающая звезда. То же происходит и с воздушной струей, проходящей через скачок уплотнения. Чем интенсивнее скачок, т. е. чем сильнее уменьшается в нем скорость потока, тем больше эта потеря энергии в скачке.
Так как часть кинетической энергии воздушного потока в скачке уплотнения переходит в тепло, то давление в струе за скачком будет меньше, чем было бы при условии постепенного торможения до этой же скорости, т. е. в случае, когда вся кинетическая энергия затрачивается на сжатие воздуха.
Особенно велики потери в так называемом прямом скачке уплотнения, т. е. в таком, который располагается перпендикулярно направлению струи. А такой скачок и возникает перед диффузором движущегося со сверхзвуковой скоростью воздушно-реактивного двигателя, в передней части головной волны. Насколько велики эти потери, видно из того, что при скорости полета, вдвое превосходящей скорость звука, давление за скачком будет примерно на 30% меньше, чем при плавном торможении до той же скорости. А при скорости полета, равной четырем скоростям звука, давление в скачке увеличится в 20 раз, тогда как при плавном, постепенном торможении без потерь оно выросло бы в 150 раз, т. е. в 7,5 раза сильнее!
Мы видим, что особенно велики потери в скачке в тех случаях, когда велика скорость потока перед скачком, т. е. при больших скоростях полета. А ведь именно для этих скоростей, как указывалось выше, и предназначены главным образом прямоточные двигатели. Поэтому проблема уменьшения потерь при сжатии воздуха приобретает для прямоточных воздушно-реактивных двигателей первостепенное значение — от решения этой проблемы в большой степени зависит будущее этих двигателей. Ведь уменьшение давления внутри прямоточного двигателя означает уменьшение его тяги и увеличение расхода топлива. Достаточно указать, например, что при скорости полета, равной утроенной скорости звука, потери в скачке уменьшают тягу двигателя в четыре раза и увеличивают удельный расход топлива на 1 кг тяги более чем на 70%.
Но как можно уменьшить эти потери, если нельзя устранить их причину, т. е. скачок перед двигателем?
Ключ к такому уменьшению потерь при сжатии воздуха, поступающего в двигатель при сверхзвуковой скорости полета, был найден советскими учеными — академиком С. А. Христиановичем, членом-корреспондентом Академии наук СССР Г. И. Петровым и другими. Он заключается в замене прямого скачка перед двигателем косым скачком, т. е. таким скачком, который располагается под углом к направлению потока.
Теория и опыт показывают, что потери энергии в косом скачке оказываются меньшими, чем в прямом. Это связано с особенностями течения воздуха через косой скачок. Для того чтобы понять эти особенности, используем следующий прием (рис. 57). Разложим скорость потока на две составляющие, используя правило параллелограмма скоростей. Одна из этих составляющих будет направлена перпендикулярно плоскости скачка, а другая — параллельно ей. И вот оказывается, что при течении воздуха через косой скачок этот скачок скажется лишь на той составляющей истинной скорости потока, для которой он является, прямым, т. е. на составляющей, перпендикулярной скачку. Вторая составляющая, параллельная скачку, не изменится вовсе. Так бывает и в случае удара твердых тел — прямой удар камня или пули о стенку будет всегда более сильным, чем косой, рикошетирующий.
Это обстоятельство приводит к двум важным следствиям. Во-первых, направление потока при переходе через косой скачок изменится, тогда как прямой скачок направления потока не изменяет, уменьшая лишь величину скорости. Направление же потока за косым скачком изменится так, что угол между потоком и скачком уменьшится. Во-вторых, и это для нас самое главное, интенсивность косого скачка будет меньшей чем прямого. А ведь чем интенсивнее скачок, чем больше разница скоростей до скачка и после него, чем круче получается эта ступенька изменения скорости, тем больше потери в скачке.
Рис. 57. Интенсивность косого скачка меньше, чем прямого:
а — прямой скачок; б—косой скачок; 1 — скорость после скачка сверхзвуковая; 2 — скорость после скачка дозвуковая
Почему же косой скачок менее интенсивен, чем прямой при одинаковой скорости перед скачком? Да именно потому, что косой скачок — это скачок не для всей скорости потока, а только для одной его составляющей, меньшей, чем вся скорость. А когда скорость перед скачком уменьшается, то за скачком она становится больше, чем раньше, т. е. интенсивность скачка уменьшается, уменьшаются и потери.
Рис. 58. Угол косого скачка зависит от скорости движения
Но как можно заменить прямой скачок перед диффузором прямоточного воздушно-реактивного двигателя косым? Ответ на это мы найдем, если внимательно рассмотрим картину сверхзвукового обтекания какого-нибудь тела, хотя бы того же прямоточного двигателя. Об этой картине мы уже говорили выше (см. рис. 56). Непосредственно перед телом возникает головная волна, которая в средней части представляет собой прямой скачок. Далее, с обеих сторон эта головная волна переходит в косой скачок и, наконец, в обычную границу слабых, т. е. звуковых возмущений. Вспомните глиссер на реке: там спереди возникает мощный вал, затем буруны по бокам и только потом образуются обычные «усы».
Как неудачно получается, что именно перед входным отверстием двигателя располагается невыгодный прямой скачок! Если можно было бы заставить воздух, втекающий в двигатель, проходить не через этот прямой скачок, а в стороне от него, где скачок становится уже косым, то потери значительно уменьшились бы. Но как можно это сделать?
