В небе завтрашнего дня - Гильзин Карл Александрович. Страница 6
Простой расчет показывает, что даже во время самого страшного урагана скоростной напор ветра не превышает… сотых долей атмосферы. На первый взгляд, это даже несколько неожиданно: такие огромные разрушения — и столь незначительное избыточное давление, в десятки и сотни раз меньше нормального. Во всасывающем отверстии двигателя давление воздуха оказывается в десятки раз большим — ведь скоростной напор порождается кинетической энергией встречного воздушного потока: когда скорость увеличивается вдвое, избыточное давление возрастает вчетверо.
И все же пока скорость полета остается дозвуковой, величина этого избыточного давления невелика сравнительно со сжатием воздуха в компрессоре двигателя. Давление воздуха перед компрессором в результате скоростного напора повышается всего на несколько десятых килограмма на квадратный сантиметр. При дозвуковом полете скоростной напор лишь помогает сжимать воздух. Следует иметь в виду, что всякое увеличение давления перед компрессором сказывается в гораздо более сильном увеличении давления за ним — ведь давление в компрессоре возрастает в несколько раз 9*. Вот почему, кстати сказать, форсажная камера и становится все более выгодной по мере роста скорости полета — давление в ней при этом возрастает.
Но когда скорость полета превышает скорость звука, то влияние скоростного напора на работу двигателя, постепенно увеличиваясь, может стать уже и качественно иным. На самом деле, при скорости полета, в два раза превосходящей скорость звука, давление перед компрессором теоретически может превосходить атмосферное в 7 раз, при трехкратной скорости звука — в 36 раз, а при четырехкратной — даже в 150 раз!
Совершенно очевидно, что при этих условиях отпадает надобность в компрессоре для сжатия воздуха, поступающего в двигатель. Но если не нужен компрессор; то не нужна и турбина с ее перегруженными лопатками. Во что же превращается в этом случае весь двигатель? В одну лишь камеру сгорания, имеющую спереди диффузор для торможения и сжатия набегающего потока воздуха, а сзади — реактивное сопло для разгона газов и увеличения скорости их истечения. Подобный двигатель носит название прямоточного воздушно-реактивного двигателя.
Таково важнейшее следствие влияния растущей скорости полета на работу воздушно-реактивного двигателя самолета. Это следствие, на первый взгляд, несколько неожиданно. На самом деле, борьба за непрерывный рост скорости полета до настоящего времени неизменно приводила к постепенному усложнению турбореактивного двигателя. Достаточно вспомнить хотя бы о той же проблеме повышения температуры газов перед турбиной. И вдруг такое принципиальное, огромное упрощение, как устранение наиболее сложных частей двигателя — компрессора и турбины! Так идет развитие авиации — не плавно, не постепенно, а скачками, когда накапливающиеся постепенные изменения вызывают резкий переход на качественно иную ступень развития. Так было, например, когда поршневой двигатель уступил место турбореактивному; так будет с турбореактивным двигателем, когда при значительно возросших скоростях полета он уступит место прямоточному.
Простота прямоточного воздушно-реактивного двигателя объясняет, почему его часто называют «летающей топкой». Ведь этот двигатель действительно представляет собой как бы одну топку, в которую непрерывно втекает широкой рекой воздух и из которой так же непрерывно вытекают раскаленные газы. И такая примитивная по идее топка, бессмысленная, если она неподвижна, превращается в совершеннейший реактивный двигатель, когда она мчится в воздухе со скоростью, в 3–4 раза превосходящей скорость звука. При этих условиях прямоточный двигатель не имеет себе равных во всем многочисленном семействе реактивных двигателей: он способен развивать наибольшую тягу на килограмм своего веса и вместе с тем меньше всех остальных расходовать топлива на килограмм развиваемой тяги. Расчет показывает, например, что прямоточный двигатель диаметром в один метр способен при скорости 4000–5300 километров в час развивать тягу в 150 и более тонн 10* расходуя в 8 раз меньше топлива, чем жидкостный ракетный двигатель, о котором речь будет идти ниже (это единственный двигатель другой конструкции, способный обеспечить полет с указанной выше скоростью). Неудивительно, что прямоточный двигатель по праву считают двигателем завтрашнего дня.
Конечно, прямоточный двигатель прост лишь по своей принципиальной схеме. В действительности он гораздо сложнее, а рабочий процесс в нем ставит труднейшие задачи перед учеными и конструкторами. К числу этих проблем относятся, например, торможение в диффузоре двигателя стремительно набегающего на него сверхзвукового потока воздуха, сгорание топлива, впрыскиваемого в несущийся с огромной, «сверхураганной» скоростью воздушный поток, регулирование двигателя и многие другие.
И все же главная слабость прямоточного двигателя не в этих проблемах — они хоть и сложны, но их можно решить, — а во взлете самолета.
Как бы ни старались ученые и инженеры, они не смогут заставить прямоточный двигатель осуществить взлет самолета: ведь этот двигатель способен развивать тягу только в полете с большой скоростью. Поэтому на самолете с прямоточным двигателем обязательно нужно иметь какой-нибудь другой двигатель; с его помощью самолет взлетит и наберет скорость, при которой уже целесообразна работа основного, прямоточного двигателя. Можно, конечно, как это иногда предлагается, установить самолет с прямоточным двигателем на другом, тяжелом самолете с двигателями иного типа, например турбореактивными. Этот второй самолет — «носитель» или «матка» — поднимет его в воздух. Только там, при большой скорости полета, будет запущен прямоточный двигатель, и вскоре «носитель» останется далеко позади.
Можно осуществлять взлет самолета и с катапульты. В этом случае он будет просто «выстрелен» в воздух. Правда, такой взлет скорее напоминает запуск управляемого снаряда. Кстати сказать, прямоточный двигатель, простой, дешевый, легкий и высокоэффективный при больших скоростях полета имеет широкие перспективы для применения на управляемых снарядах — этой военной беспилотной авиации разового использования. Уже сейчас некоторые управляемые самолеты-снаряды с прямоточным двигателем достигали скорости полета 3500 километров в час и более 11*.
Но есть и еще один способ преодоления этой слабости прямоточного двигателя. Вы уже, вероятно, обратили внимание на большое принципиальное сходство прямоточного двигателя и форсажной камеры турбореактивного двигателя: рабочий процесс у них одинаков, да и конструктивное выполнение сходно. По существу, форсажная камера является прямоточным двигателем, установленным непосредственно за турбореактивным, так что турбореактивный двигатель с форсажной камерой представляет собой просто сочетание двигателей двух типов — турбореактивного и прямоточного. Так как в настоящее время скорости полета зще сравнительно малы, то прямоточный двигатель в этих условиях невыгоден и потому используется лишь для кратковременного форсажа, то есть как форсажная камера.
С ростом скорости полета положение изменяется: прямоточный двигатель становится все более выгодным, оттесняя даже основной, турбореактивный двигатель. Это позволяет использовать турбореактивный и прямоточный двигатели в различных комбинациях, в зависимости от режимов полета. На сравнительно малых скоростях работает один турбореактивный двигатель, а прямоточный выключен. На околозвуковых и сверхзвуковых скоростях полета, до 2000–3000 километров в час, работают оба двигателя, причем прямоточный может использоваться периодически как форсажная камера. Затем он начинает работать все время — вместе с турбореактивным. Наконец, при еще больших скоростях работает один прямоточный двигатель. Для этого воздух направляется в прямоточный двигатель, минуя турбореактивный. Подобные схемы не только предлагаются, но и разрабатываются. Возможно, они найдут широкое применение в будущем.