Текст книги "В небе завтрашнего дня"

Автор книги: Карл Гильзин

сообщить о нарушении

Текущая страница: 1 (всего у книги 16 страниц)

Карл Александрович Гильзин
В небе завтрашнего дня

Издание второе, дополненное

Обложка Г. Алимова

Эта книга представляет собой живой, увлекательный рассказ об авиации, ракетной технике и космонавтике, их настоящем и будущем. Она вводит юного читателя в мир необычных летательных аппаратов атмосферной и заатмосферной авиации. Сегодня эти аппараты еще только рождаются в замыслах ученых и конструкторов, на чертежных досках и экспериментальных аэродромах, но именно им принадлежит будущее.

В 1959 году книга «В небе завтрашнего дня» удостоена второй премии на конкурсе Министерства просвещения РСФСР на лучшую книгу о науке и технике для детей.

Автор книги – ученый-специалист и талантливый популяризатор науки. Созданные им книги («Путешествие к далеким мирам» и др.) переизданы во многих странах мира.

Вступление

Немногим более полувека прошло с тех пор, как в воздух поднялись первые смельчаки на громоздких и неуклюжих сооружениях из полотна и жердочек. Но сколько теперь нужно воображения, чтобы в этих «летающих этажерках» и «летающих гробах», с тарахтением поднимавшихся в небо над толпами изумленных людей, узнать прообразы современных самолетов, молниями пронизывающих небосвод!

Можно ли сегодня рассказать, какой будет авиация через десять, двадцать, пятьдесят лет? Сделать это, пожалуй, труднее, чем говорить о будущем любой другой отрасли техники. Ведь ни одна область техники не знает такого бурного прогресса, таких высоких темпов развития, как авиация.

Особенно это заметно с тех пор, как началась предсказанная Циолковским эра реактивной авиации. Все новые и новые самолеты поднимаются в воздух, все быстрее, выше и дальше летают они. Далеко позади остался казавшийся непреодолимым «звуковой барьер», и авиация вышла на просторы сверхзвуковых скоростей. Не за горами время, когда обычными станут скорости полета в две, три, четыре тысячи километров в час, а потом и еще больше…

Быстро растет не только скорость полета, но и его дальность и высота. Уже сейчас самолеты проникают в преддверие космоса, авиация теснит свою младшую сестру – астронавтику, всерьез претендуя на околоземное космическое пространство.

Авиационная и космическая техника завтрашнего дня рождается уже сегодня в лабораториях и кабинетах ученых, в светлых залах конструкторских бюро, на зеленой глади и бетонных полосах опытных аэродромов, в ажурных переплетах пусковых башен космодромов. О ней, об этой технике, о будущем авиации и астронавтики, о замечательных реактивных двигателях, потому что именно они прокладывают путь в будущее, и рассказывается в нашей книге.

Конечно, не все будет так, как мы предполагаем. Невозможно предвидеть точные сроки и угадать детали. Могут быть – и наверняка будут – неожиданные повороты в развитии и авиации, и астронавтики. Впереди много неизведанных трудностей, да и кто предусмотрит еще не сделанные открытия! И все же наука позволяет с уверенностью заглянуть в будущее, хотя бы ближайшее, различить в нем основное, главное, потому что и сейчас, как много лет назад, пророчески справедливо изречение великого Жуковского: « Человек… полетит, опираясь не на силу своих мускулов, а на силу своего разума».

Часть первая. Двигатели фантастических скоростей

Глава I. На дальних подступах

В этой главе рассказывается о последних успехах поршневых авиационных двигателей и закате их славы, о том, почему они не смогли преодолеть «звуковой барьер» и навсегда потеряли свое былое значений в авиации.

Это было в 1934 году. Все страны облетела сенсация – установлен новый абсолютный мировой рекорд скорости полета. Летчик Аджелло на итальянском гоночном гидроплане «Макки Кастольди» пролетел три километра с огромной, невиданной для того времени скоростью – 709 километров в час.

Нельзя было не залюбоваться грациозным гидропланом. Его узкое, стремительно вытянутое тело было высоко приподнято над ножевидными поплавками и напоминало гигантскую стрекозу, опустившуюся на гладь моря. Даже неспециалист видел, сколько инженерного искусства понадобилось для создания этого самолета: в нем не было ни одного грамма лишнего веса, ни одного кубического сантиметра лишнего объема. В изящном фюзеляже с совершенными аэродинамическими очертаниями конструктор скупо отмерил место для летчика – все остальное было занято двумя мощнейшими для того времени поршневыми двигателями, по 1600 лошадиных сил каждый. Они стояли друг за другом, и их объединенная мощность использовалась для вращения общего винта. Все было подчинено только одному – поставить рекорд во что бы то ни стало. Пусть на этом самолете потом нельзя будет летать, пусть перенапряженные двигатели выйдут из строя, лишь бы поставить рекорд!

Мировые рекорды скорости самолетов (начиная с 1945 г., все рекорды установлены реактивными самолетами).

И вот цель достигнута. Старый рекорд, установленный год назад, превзойден на 27 километров. Это означало увеличение скорости на 4 процента – большой скачок за год.

Отчего же вслед за этим некоторые специалисты стали высказывать мрачные прогнозы, заговорили о тупике, о «кризисе» авиации? Почему десятки научных работ доказывали, что эта последняя победа авиации – пиррова победа, что у авиации нет будущего в борьбе за скорость? Ученые писали, что самые невероятные усилия смогут лишь ничтожно продвинуть авиацию на пути к недостижимой мечте – скорости звука.

Шли годы, и казалось, действительность подтверждает взгляды самых мрачных скептиков.

Ученые и инженеры выжали все, что можно, из аэродинамики, облагородив внешние формы самолета. Машина с двумя крыльями – биплан, – прочная, хорошо проверенная, маневренная, уступила свое место самолету с одним крылом – моноплану – главным образом потому, что моноплан обладает меньшим лобовым сопротивлением и позволяет летать быстрее. Была осуществлена давнишняя мечта авиаконструкторов – убирающееся шасси. Теперь ничто не выступало за контуры летящего самолета, ничто не мешало ему лететь со все большей скоростью.

Вместе с этим широкое применение получили так называемые высотные авиационные двигатели – двигатели с наддувом, сохраняющие постоянную мощность до высоты в несколько километров. Это позволило летать с максимальной скоростью на значительной высоте, где воздух разрежен и оказывает меньшее сопротивление. У двигателей без наддува мощность стремительно падает с высотой – почти так же, как и плотность атмосферного воздуха, – на высоте 5 километров она примерно вдвое меньше, чем у земли. Двигатель с наддувом снабжен нагнетателем, который сжимает воздух, так что в цилиндры все время поступает воздух постоянного давления независимо от высоты полета.

Можно было считать, что сделано все для максимального повышения скорости полета. Тем не менее рекорд итальянского гидроплана оставался непревзойденным. Только через пять лет, в 1939 году, немецкий летчик Ванд ель на самолете «Мессершмитт» побил наконец этот рекорд.

Снова, как и прежде, конструкторы сделали все, что могли, для достижения наибольшей скорости. Так, например, один из топливных баков самолета был наполнен не бензином, а водой. Почему же это привело к увеличению скорости на несколько десятков километров в час? Обычно на самолетах вода, охлаждающая двигатель, протекает через радиатор, который обдувается встречным потоком воздуха. Тепло, полученное в двигателе, вода отдает этому воздуху и снова поступает в двигатель, циркулируя в замкнутом контуре. Но сопротивление радиатора сильно уменьшает скорость полета. На рекордном самолете радиатор был отключен, и охлаждающая вода свободно испарялась в атмосферу. Вот для этого-то она и была запасена в баке.

Рекорд итальянца был побит на 46 километров в час. За пять лет бурного технического прогресса скорость возросла на 6,5 процента, то есть всего по 1,3 процента в год. Немногим более одного процента, – и это ценой колоссальных усилий ученых, конструкторов, рабочих, инженеров, высокого мастерства летчиков!

Видно, не без основания заговорили в свое время о барьере на пути развития авиации. Сейчас это волновало ученых и специалистов во всех странах. Но почему «звуковой барьер» упоминался в те годы не иначе, как непреодолимая преграда? Почему так встревожились ученые и конструкторы еще на далеких подступах к нему? Ведь скорость звука в воздухе равна примерно 1225 километрам в час, а последний рекорд равнялся всего лишь 755 километрам в час.

Это объяснялось двумя причинами.

Одна из них связана с физическими явлениями, происходящими в воздухе при полете с большой скоростью, другая – с особенностями «сердца» самолета – поршневого двигателя.

Явления в воздушном потоке, обтекающем быстродвижущееся тело, изучались во многих странах еще задолго до того, как самолеты стали летать с такими скоростями. Исследования установили, что при больших скоростях движения воздух становится как бы иным по своим физическим свойствам. В потоке, набегающем на самолет с малой скоростью, развиваются столь ничтожные избыточные давления, что, несмотря на сжимаемость воздуха, его сжатие практически отсутствует. Иначе обстоит дело при полете со скоростью звука – в этом случае давления уже становятся значительными и, естественно, под их действием воздух сжимается, уплотняется; сопротивление, которое он оказывает самолету, резко возрастает.

Но известно, что сжимаемость начинает серьезно сказываться лишь при скорости воздушного потока, близкой к скорости звука. Почему же «звуковой барьер» стал ощущаться еще на дальних подступах к нему, при скоростях полета, составляющих лишь ²/з от скорости звука?

Здесь никакой загадки, конечно, нет. Скорость потока, обтекающего самолет, в особенности его крыло, на некоторых участках поверхности может быть значительно больше, чем скорость полета. Вот почему некоторые участки поверхности крыла как бы «летят» с гораздо большей скоростью, чем весь самолет. Понятно, что здесь-то и начинаются беды, связанные со сжимаемостью воздуха, хотя самолет летит еще со скоростью, далекой от звуковой. В этом «смешанном» обтекании, когда одни части самолета омываются дозвуковым, а другие – сверхзвуковым потоком, заключается причина главных неприятностей, причиняемых «звуковым барьером».

Так «звуковой барьер» напоминает о себе еще при скоростях полета, достаточно далеких от скорости звука. Чем ближе к этой скорости, тем сильнее добавочное сопротивление летящему самолету, связанное со сжимаемостью воздуха (это сопротивление часто называют волновым). Как будто какая-то могучая рука упирается в нос самолета и мешает лететь быстрее.

Но если сопротивление воздуха быстро растет по мере приближения к «звуковому барьеру», то очевидно, это предъявляет повышенные требования к силовой установке самолета. Ведь она и существует, чтобы преодолевать это сопротивление, точнее говоря – чтобы развивать тягу, необходимую для полета.

Неудивительно, что все взоры обратились к силовой установке, то есть к поршневому двигателю с винтом.

Как известно, тяга непосредственно создается воздушным винтом. Он отбрасывает огромные массы воздуха, как гребной винт теплохода – воду. Отдача отбрасываемого воздуха, или реакция, и есть та сила тяги, которая заставляет лететь самолет. Для вращения винта нужно, конечно, затрачивать работу – ее совершает двигатель. Но не вся мощность двигателя расходуется винтом полезно, то есть на создание тяги. Часть ее теряется на завихрение воздуха, закрутку отбрасываемой струи и т. д. – это вредные потери. Оказывается, с ростом скорости полета эти потери увеличиваются – все из-за той же сжимаемости воздуха. Значит, винт только осложняет задачу двигателя: с ростом скорости его мощность должна расти еще быстрее 1*

[Закрыть].

Вот здесь-то и сказалась решающая слабость поршневого двигателя, заставившая специалистов говорить о кризисе и тупике авиации. Свойства поршневого двигателя тактов л, что его мощность вовсе не растет с увеличением скорости, она практически остается неизменной. Если нужна новая, увеличенная мощность, то нужен и новый, более мощный двигатель. Но такой двигатель обязательно будет и большим по размерам и более тяжелым, а это потребует увеличения размеров самолета – значит, снова возрастет потребная мощность двигателя. Так поршневой авиационный двигатель, несмотря на свое исключительное совершенство, оказался не в состоянии решить задачу дальнейшего роста скорости полета.

Нужен был двигатель нового типа, способный развивать гораздо большую мощность при тех же размерах и весе.

1*Это не значит, что винт не может применяться при больших, даже сверхзвуковых скоростях полета. Здесь, как и в случае с самолетом, сказывается смешанный режим обтекания, когда на одни части лопасти устремляется сверхзвуковой воздушный поток, а на другие – дозвуковой. Ведь каждому из этих режимов отвечает свой, наивыгоднейший профиль сечения лопасти.

Глава II. По ту сторону «звукового барьера»

В этой главе речь идет о появлении авиационных двигателей нового типа – турбореактивных, о вызванной ими технической революции в авиации, о том, как с их помощью удалось преодолеть «звуковой барьер», а также о слабостях этих двигателей, препятствующих дальнейшей борьбе за увеличение скорости полета.

Рекорд скорости, установленный в 1939 году, был последним рекордом поршневого двигателя. Дальнейший стремительный прогресс авиационной техники связан уже с двигателем принципиально иного типа – турбореактивным.

Появление турбореактивного двигателя сразу перенесло штурм «звукового барьера» с дальних на ближние подступы. Уже первые появившиеся после войны самолеты с турбореактивными двигателями достигли скорости полета, близкой к 1000 километров в час, а затем и перешагнули этот рубеж.

Секрет успеха турбореактивного двигателя прост – при тех же размерах и весе, что и поршневой, он в состоянии развить в условиях скоростного полета значительно большую (в 10–20 раз) мощность. Более того, с ростом скорости полета мощность турбореактивного двигателя все время возрастает.

В чем же заключается принципиальное отличие турбореактивного двигателя от поршневого?

Оказывается, дело в количестве воздуха, которое может пройти через двигатель данных размеров в единицу времени. Ведь чем больше воздуха проходит через двигатель, тем больше топлива в нем сгорает, больше выделяется тепла и, следовательно, увеличивается мощность двигателя. Но почему через турбореактивный двигатель проходит намного больше воздуха, чем через поршневой? И в этом ничего удивительного нет. Через турбореактивный двигатель воздух течет непрерывно. Кроме того, для этого течения предоставлена большая часть поперечного, или миделевого, как его называют, сечения двигателя. Иначе обстоит дело в поршневом двигателе. В его цилиндры воздух втекает периодически. К тому же сечение впускных отверстий в этом двигателе во много раз меньше его миделевого сечения.

Естественно поэтому, что воздуха в поршневой двигатель поступает в десятки раз меньше, чем в турбореактивный.

Так переход от поршневых к турбореактивным двигателям позволил резко увеличить мощность силовой установки самолета и тем самым повысить скорость полета. Но скорость полета должна непрерывно расти, а это требует увеличения тяги двигателя.

Поэтому борьба за скорость полета для турбореактивного двигателя – это борьба за тягу. Неудивительно, что с момента появления турбореактивных двигателей их тяга непрерывно увеличивается.

Первые турбореактивные двигатели имели тягу 700–800 килограммов, а новейшие реактивные самолеты снабжены двигателями, тяга которых превышает 10 тонн 2*

[Закрыть].

Можно ли увеличить тягу турбореактивного двигателя без значительного увеличения его размеров и веса? Да, можно.

Для этого нужно увеличить либо количество воздуха, проходящего через двигатель в секунду, либо скорость истечения газов из него.

Для увеличения расхода воздуха проще всего, конечно, увеличить диаметр двигателя. Но это более всего нежелательно, если учесть, как вредно лобовое сопротивление при больших скоростях полета. Другой путь – увеличение скорости, с которой воздух входит в двигатель, но это неизбежно приводит к увеличению потерь давления в нем и сильно ухудшает работу двигателя. Да и увеличить эту скорость можно только до определенного предела – до скорости звука.

2*По журналу «Эркрафт инжиниринг», апрель 1963 г., и др.

Воздухозаборное отверстие турбореактивного двигателя почти равно по сечению миделевому.

Наконец, существует и еще один путь, который используется конструкторами, – увеличение сечения для прохода воздуха при том же общем диаметре двигателя. Для этого нужно убрать все, что мешает течь воздуху через двигатель, «расчистить» газовоздушный тракт – вынести оттуда разные агрегаты, уменьшить до минимума диаметр втулки компрессора и пр. В последнее время преимущественное применение получили двигатели с осевым компрессором, а более распространенные ранее двигатели с центробежным компрессором отошли на второй план. Одна из причин этого как раз в том, что через двигатели с осевым компрессором при одинаковом диаметре проходит больше воздуха 3*

[Закрыть].

Но совершенно яснр, что такие возможности увеличения расхода воздуха через двигатель ограничены, хотя именно за этот счет и шло до сих пор главным образом увеличение тяги турбореактивных двигателей.

Очевидно, что для увеличения тяги, без чего нельзя повысить скорость полета, остается лишь вторая возможность – увеличение скорости истечения газов из двигателя.

Все видели, как из чайника со свистом вырывается струя пара. Почему она появляется только тогда, когда вода закипает? Ответ очевиден: только в этом случае пара образуется так много, что давление внутри чайника повышается и пар, приподнимая крышку, с силой устремляется наружу.

3*Об устройстве и работе различных авиационных двигателей (в частности, о двигателях с осевым и центробежным компрессором) подробнее рассказано в научно– популярной брошюре К. Гильзина «Воздушно-реактивные двигатели», Военгиз, 1956.

Большой и маленький – сравнение размеров мощного турбореактивного двигателя тягой 7–8 тонн и маломощного двигателя тягой примерно 200 килограммов.

Значит, чтобы скорость истечения была высокой, нужно увеличить давление. Поэтому первой напрашивается мысль – для повышения скорости истечения нужно увеличить давление воздуха, выходящего из компрессора, то есть сильнее сжимать воздух в нем.

Однако такой вывод оказывается поспешным. В действительности, если сильнее сжать воздух в компрессоре, то скорость истечения либо увеличится очень незначительно, либо даже… уменьшится. Это объясняется тем, что более сильное сжатие воздуха в компрессоре требует большей затраты работы. Но чтобы турбина двигателя, приводящая компрессор в действие, развивала большую мощность, должно быть большим и расширение газов в ней. Поэтому может оказаться, что давление воздуха после компрессора и, следовательно, давление газов перед турбиной возрастет, а давление и температура газов з а турбиной в результате более сильного расширения в ней не только не возрастут, а даже снизятся. Снизится поэтому и скорость истечения газов, а значит – и тяга. Если все же развитие турбореактивных двигателей связано с непрерывным увеличением сжатия воздуха в компрессоре, то это делается не для повышения тяги, а для снижения расхода топлива на 1 килограмм тяги, то есть для повышения экономичности двигателя.

Для увеличения скорости истечения газов практически остается один путь – повышение их температуры. Чтобы увеличить скорость вдвое, температура газов должна возрасти в четыре раза 4*

[Закрыть]. Чтобы, например, увеличить скорость истечения с 600 до 800 метров в секунду, то есть на одну треть, надо повысить температуру газов перед турбиной с 850 примерно до 1700°.

Такое увеличение тяги на одну треть было бы решающим успехом в штурме «звукового барьера»!

Однако именно в этом направлении за прошедшие годы сделано сравнительно мало – ведь уже в первых турбореактивных двигателях температура газов перед турбиной достигала 800°, а сейчас она все еще не превышает обычно 900–950°. Очевидно, должны быть весьма серьезные причины такого медленного роста.

Может быть, более высокие температуры газов в двигателе вообще не могут быть получены из-за малой калорийности топлива?

Нет. При сгорании керосина в воздухе температура газообразных продуктов горения может достигать и даже превышать 2000°.

Тогда, может быть, причина заключается в невыгодности такого метода увеличения тяги – из-за ухудшения экономичности двигателя, то есть увеличения расхода топлива на килограмм тяги?

И опять нет! Ведь, если это невыгодно в длительном полете, то при кратковременном увеличении тяги, или так называемом форсировании двигателя (нужда в нем часто возникает в летной эксплуатации), расход топлива, естественно, не играет такой большой роли. Более того, при больших сверхзвуковых скоростях полета расход топлива не только не возрастает с ростом температуры газов, но даже уменьшается!

4*Как учит термодинамика – наука о преобразовании тепла в работу, – скорость истечения пропорциональна корню квадратному из абсолютной температуры газов.

Турбинное колесо-«ахиллесова пята» газотурбинного двигателя.

Истинное объяснение связано с одной из основ ных особенностей работы турбореактивного да и любого другого газотурбинного двигателя. Речь идет о важнейшей, еще не преодоленной пока его слабости, его «ахиллесовой пяте» – газовой турбине, точнее – о ее лопатках.

Турбинные лопатки работают в исключительно тяжелых условиях, и в этом отношении вряд ли их можно с чем-нибудь сравнить. Они прикреплены к турбинному диску, диаметр которого в новых мощных турбореактивных двигателях достигает метра. Это колесо делает много тысяч оборотов в минуту, и при работе двигателя на лопатки действует огромная центробежная сила, в десятки тысяч раз превосходящая вес лопатки. Только самые прочные металлы могут выдержать подобные нагрузки.

Но мало того. Из сопел турбины на лопатки вырывается стремительный поток газов, несущийся со скоростью многих сотен метров в секунду. Под действием этого потока лопатки начинают вибрировать. Они изгибаются, скручиваются, трепещут неизмеримо сильнее, чем кленовые листья на ураганном ветру. Под действием этих колебаний металл и без того сильно перегруженных лопаток «утомляется», не выдерживает – лопатка разрушается. Немало усилий приходится затрачивать, чтобы изменением конструкции двигателе избавить лопатки хотя бы от самых опасных и неприятных колебаний.

Но и это не все. Поток газов, вырывающийся из сопла на лопатки, нагрет до 850–900°. Естественно, что лопатки, представляющие собой, по существу, тонкие длинные полоски металла, быстро раскаляются докрасна, их температура лишь на 100–150° ниже температуры газов. Самые прочные металлы катастрофически теряют прочность при таком нагреве. Неудивительно, что сильно нагруженные, вибрирующие лопатки, даже изготовленные из металлов, обладающих изумительной, ни с чем не сравнимой прочностью, не выдерживают и обрываются. Чтобы сохранить огромную прочность при высоких рабочих температурах, лопатки газовой турбины изготовляют из особых сплавов, в которые входят многие ценные и редкие металлы – вольфрам, кобальт, никель, ванадий, ниобий и другие. Эти металлы придают сплаву не простую прочность, а прочность при высокой температуре, жаропрочность. Но даже и такие сверхжаропрочные лопатки, оказывается, недостаточно хороши для турбореактивных двигателей.

В условиях работы газовых турбин проявляется еще одна слабость металла, еще одна его болезнь – «ползучесть», или крип. Оказывается, под действием громадных центробежных сил раскаленная лопатка постепенно удлиняется, сначала медленно, а затем все быстрее. Эта пластическая деформация может перерасти в грозную опасность для турбины. Достаточно лопатке немного удлиниться, чтобы задеть за корпус, и она немедленно сломается. Ведь радиальный зазор между лопатками и корпусом очень мал: иначе произойдет значительная утечка газов, и турбина будет плохо работать. Иной раз лопатка ломается вследствие ползучести, даже и не задевая за корпус, а просто оттого, что чересчур ослабляется.

Значит, материал для изготовления лопаток должен быть не только сверхжаропрочным, но и крипоустойчивым. Материалов с подобными качествами природа не знала, людям пришлось их создавать. Только замечательные достижения металлургии позволили осуществить давнишнюю мечту инженеров – создать газовую турбину.

Вот почему и кажущееся таким небольшим повышение температуры газов перед турбиной с 800 до 900°, о котором шла речь выше, было в действительности огромной победой техники – ведь повышение температуры на один градус приводит к уменьшению жаропрочности материала примерно на один процент!

Понятно, почему дальнейшее повышение температуры газов перед турбиной оказывается крайне сложным дедом. И все же резервы для такого повышения есть огромные. Мы уже говорили, что при сгорании керосина в воздухе температура газов может достигать и даже превышать 2000°. Чтобы снизить эту температуру до 800–900°, к продуктам сгорания приходится добавлять более холодный воздух. Таким образом, только часть воздуха, выходящего из компрессора, не более 1/3-1/4 от общего количества, участвует в сгорании топлива в современных турбореактивных двигателях. Другая, большая часть служит лишь для охлаждения продуктов сгорания. Если бы лопатки турбины позволили, то в том же двигателе можно было сжигать в 3–4 раза больше топлива, что и привело бы с ростом температуры газов к увеличению тяги двигателя. Но, увы, это пока невозможно.

Стоит подать в камеру сгорания чуть-чуть больше топлива, как температура газов сейчас же увеличится и может превысить максимально допустимую, а это грозит выходом из строя турбинных лопаток и аварией двигателя.

Как же ученые, конструкторы и инженеры пытаются повысить температуру газов в турбореактивном двигателе?

Следует отметить, что эта проблема важна не только для турбореактивного двигателя – еще более важна она для так называемого турбовинтового двигателя, в котором турбина вращает воздушный винт. Оказывается, при повышении температуры газов не только увеличивается мощность турбовинтового двигателя, но и улучшается его. экономичность, то есть уменьшается расход топлива на одну лошадиную силу. А ведь турбовинтовые двигатели привлекают к себе все большее внимание как превосходные двигатели для скоростных пассажирских самолетов, – кто не знает ниши замечательные самолеты «ТУ-114», «ИЛ-18» или «АН-10»? Понятно поэтому то внимание, которое уделяется проблеме создания высокотемпературной авиационной газовой турбины.

Эта проблема решается двумя различными путями. Металлурги, химики, физики, материаловеды стараются создать новые, более жароупорные конструкционные материалы. Вероятнее всего, это будут уже не металлические сплавы – они одни не в состоянии решить задачу. Только различные комбинации прочных металлов со сверхжароупорной керамикой могут помочь конструктору, создающему высокотемпературную турбину»

Другой путь – охлаждаемая турбина. Если сделать лопатки полыми можно предусмотреть в них каналы для охладителя (воздуха или жидкости), то температуру газов можно значительно повысить, не повышая температуры лопатки. Понятно, что циркулирующий в каналах лопаток охладитель будет уносить с собой часть полезного тепла.

Турбовинтовые двигатели «ТУ-114».

Другая потеря будет связана с затратой работы на проталкивание охладителя через каналы. Однако возможность значительного повышения рабочей температуры газов более чем компенсирует эти потери.

Этим объясняется то, что в самое последнее время в эксплуатации появляются турбореактивные и другие авиационные газотурбинные двигатели с турбинами, имеющими лопатки с воздушным охлаждением. В частности, например, в новом английском турбореактивном двигателе «Спей» 5*

[Закрыть](точнее – этот двигатель является не простым турбореактивным, а так называемым двухконтурным; о подобных двигателях речь будет идти ниже, в главе V) температуру газов перед турбиной удалось повысить таким образом до 1040°. В других зарубежных двигателях этого типа 6*

[Закрыть]температура газов достигает даже 1130°. Большой прогресс!

Одним из весьма перспективных методов охлаждения турбинных лопаток считают, в частности, так называемое проникающее охлаждение. В этом случае лопатки изготовляются методом порошковой металлургии, то есть спеканием мельчайших зерен металла. В стенке лопатки, которая делается полой, образуется множество микроскопических каналов. Через эти каналы изнутри подается под давлением какая-нибудь охлаждающая жидкость. Она выступает на поверхности лопатки, омываемой раскаленными газами, создавая защитный холодный слой. Лопатка в этом случае как бы «потеет», отчего эту систему охлаждения называют иногда «охлаждение выпотеванием». Температура лопатки при таком охлаждении оказывается меньшей, чем при других известных системах охлаждения.

Конечно, проблема создания высокотемпературной турбины будет со временем решена. Но ведь штурмовать «звуковой барьер» надо сейчас. Уже теперь для этого необходимо повышать тягу турбореактивных двигателей. Как же это сделать, если на пути увеличения температуры газов стоят турбинные лопатки?

Сама собой напрашивается мысль: если нельзя повысить температуру газов перед турбиной, то нельзя ли это сделать за ней? Ведь для увеличения скорости истечения газов и, следовательно, тяги нужно увеличить температуру газов, вытекающих из двигателя. А такого повышения температуры достигнуть просто – достаточно сжечь добавочное топливо уже за турбиной, в выхлопной трубе. Эта идея нашла широкое применение в реактивной авиации и помогла одержать победу в штурме «звукового барьера». Конструктивное воплощение она получила в виде так называемой форсажной камеры. В настоящее время форсажная камера является обязательным добавлением почти ко всякому мощному турбореактивному двигателю, установленному на скоростных военных самолетах.

Устройство камеры принципиально очень просто. Газы, выходящие из турбины, попадают в переднюю часть форсажной камеры, которая крепится к задней части двигателя. Эта часть камеры представляет собой расходящуюся коническую трубу. Скорость газов, движущихся в ней, уменьшается, а давление соответственно возрастает. Такое устройство называется диффузором.

Затем газы поступают в следующую часть форсажной камеры, которая носит название камеры сгорания. Здесь установлены топливные форсунки. Через них впрыскивается горючая жидкость – керосин или бензин. Жидкость сразу же воспламеняется и сгорает – ведь газы, вытекающие из двигателя, нагреты до 700–750°. Необходимый же для сгорания кислород всегда в избытке имеется в выхлопных газах (вспомните, сколько воздуха приходится добавлять к продуктам сгорания топлива в основной камере сгорания двигателя, чтобы снизить их температуру).