Карл Гильзин - Воздушно-реактивные двигатели
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?
Советские ученые нашли правильное решение, открывшее широкие возможности улучшения характеристик прямоточного воздушно-реактивного двигателя. Оказывается, когда в сверхзвуковом потоке движется тело, имеющее спереди острый носок или острую переднюю кромку, то прямого скачка не возникает вовсе. В этом случае на острие носка, как говорят, «садится» косой скачок, тем больше «заостренный», чем больше скорость полета (рис. 58). Что же нужно сделать для того, чтобы и прямоточный двигатель имел впереди такой же острый носок?
Для этого достаточно разместить внутри диффузора двигателя какое-нибудь тело, имеющее длинный, выступающий вперед носок. Так во всех случаях и поступают при проектировании сверхзвукового прямоточного воздушно-реактивного двигателя — внутри его диффузора помещают так называемое «центральное тело». Поэтому сверхзвуковой прямоточный воздушно-реактивный двигатель легко отличить от дозвукового — из диффузора сверхзвукового двигателя всегда выглядывает направленное вперед острие центрального тела. Но, может быть, центральное тело, загораживая проходное сечение двигателя, уменьшает количество протекающего через него воздуха и, значит, тягу? Нет, так не получается: для этого угол конусности диффузора уменьшается, диффузор делается более пологим. Некоторое же увеличение веса двигателя, связанное с установкой центрального тела, вполне окупается выигрышем в тяге и удельном расходе топлива. Кроме того, центральное тело наряду с основным назначением, т. е. созданием косого скачка перед входом в двигатель, служит еще для размещения внутри него различных вспомогательных агрегатов, необходимых для работы двигателя (рис. 59). Как можно судить по рис. 59, прямоточный воздушно-реактивный двигатель прост только по принципиальной схеме, в действительности он является довольно сложной машиной. Все агрегаты — регуляторы, насосы для подачи топлива, агрегаты системы зажигания и другие — удобнее всего размещать внутри двигателя, а не снаружи, где они привели бы к увеличению габаритов двигателя и, следовательно, к увеличению его сопротивления, что особенно недопустимо при сверхзвуковом полете. Имеются даже попытки разместить в центральном теле прямоточного воздушно-реактивного двигателя, установленного на самолете, летчика этого самолета; об этом будет рассказано ниже.
Рис. 59. Конструктивная схема прямоточного воздушно-реактивного двигателя. Центральное тело используется для размещения вспомогательных агрегатов:
1 — центральное тело; 2 — регулятор; 3 — подача топлива; 4 — пневмотурбина; 5 — топливная форсунка; 6 — реактивное сопло; 7 — горелка; 8 — запальная свеча; 9 — воздушный патрубок; 10 — генератор; 11 — насос; 12 — прибор зажигания; 13 — топливный бак
Но простая замена прямого скачка перед входом в двигатель косым, оказывается, не до конца решает задачу уменьшения потерь при торможении и сжатии воздуха, поступающего в двигатель. Если косой скачок мало наклонен по отношению к направлению поступающего в двигатель воздушного потока, т. е. близок к прямому скачку, то и потери в таком скачке будут близкими к потерям в прямом скачке. Если же косой скачок будет сильно наклонен к направлению потока, то потери в нем будут малыми, но такой скачок не решит задачи, так как скорость потока за ним будет все еще очень большой, значительно превышающей скорость звука (см. скачок 1 на рис. 57); поэтому в потоке за этим скачком снова возникнет прямой скачок с большими потерями.
При детальном теоретическом и экспериментальном исследовании задачи о том, как осуществить с наименьшими потерями торможение и сжатие воздуха, поступающего в прямоточный двигатель, оказалось, что наивыгоднейший способ торможения зависит от скорости полета. Если скорость полета превышает скорость звука не более чем в 1,5 раза, то вполне допустим простой прямой скачок: потери в нем в этом случае не так велики. При дальнейшем увеличении скорости полета до скоростей, в два раза превышающих скорость звука, должна быть применена — двухскачковая система, т. е. косой скачок с последующим прямым. Чем больше скорость полета, тем сложнее должна быть система скачков на входе в двигатель — воздушный поток должен пройти через два или три косых скачка, а затем через завершающий прямой скачок. Поэтому выступающий вперед носок центрального тела снабжают специальными уступами, от которых берут свое начало последующие косые скачки, возникающие вслед за первым косым скачком, «садящимся» на самое острие носка (рис. 60). Замыкающий слабый прямой скачок располагается обычно на самом входе в диффузор, так что по диффузору воздух течет с дозвуковой скоростью. Вследствие этого диффузор сверхзвукового двигателя имеет обычно такую же форму расширяющейся трубы, как и диффузор дозвукового двигателя.
Описанный выше так называемый многоскачковый диффузор оказывается гораздо более выгодным, чем диффузор с одним прямым скачком перед ним. Вот, например, какое давление будет внутри двигателя, летящего со скоростью, вчетверо превышающей скорость звука (на высоте 20 км):
в случае прямого скачка — 1,2 кг/см2;
в случае одного косого и одного прямого скачка — 2,5 кг/см2;
в случае двух косых и одного прямого скачка — 4,0 кг/см2;
в случае трех косых и одного прямого скачка — 5,0 кг/см2.
В случае же постепенного, плавного торможения без потерь давление в камере сгорания двигателя достигло бы 8,3 кг/см2. Мы видим, что при указанной скорости полета система из трех и в особенности четырех скачков обеспечивает достаточно выгодное сжатие.
Такое большое внимание использованию скоростного напора встречного потока воздуха в прямоточном воздушно-реактивном двигателе уделяется неслучайно. Ведь в этом двигателе сжатие воздуха за счет использования скоростного напора, или динамическое сжатие, как его называют, заменяет сжатие с помощью компрессора в турбореактивном двигателе. От степени же повышения давления при сжатии воздуха прямо зависит и величина тяги, и экономичность двигателя, т. е. расход топлива.
Рис. 60. Так устраивается диффузор сверхзвукового прямоточного двигателя. Сверху — двухскачковая система (для скорости полета, в 1,5 раза превышающей скорость звука), снизу — трехскачковая система (для скорости полета, в 2—3 раза превышающей скорость звука)
На рис. 61 показано, как меняется коэффициент полезного действия различных авиационных двигателей в зависимости от скорости полета. Кривые, помещенные на этом рисунке, интересны не только тем, что по ним можно определить значения к. п. д. авиационных двигателей при разных скоростях полета. Пользуясь этими кривыми, можно сравнить экономичность двигателей различного типа и установить, когда выгодно применять тот или иной двигатель. Судя по рис. 61, прямоточные воздушно-реактивные двигатели имеют превосходство в отношении к. п. д. при скорости полета, от 2 до 8 раз превышающей скорость звука. В этом диапазоне скоростей нет ни одного авиационного двигателя, обладающего экономичностью прямоточного.
Рис. 61. Сравнение коэффициентов полезного действия различных авиационных двигателей при разных скоростях полета
Значит ли это, что тем самым устанавливается область возможного и целесообразного применения прямоточных двигателей?
Нет, такое заключение было бы поспешным. Экономичность является далеко не единственным критерием качества авиационного двигателя; решающими могут оказаться другие факторы. Так именно и обстоит дело в данном случае. Оказывается, с ростом скорости полета тяга, развиваемая прямоточным двигателем, начиная с некоторой скорости, уменьшается и, наконец, становится равной нулю.
