Текст книги "В небе завтрашнего дня"
Автор книги: Карл Гильзин
сообщить о нарушении
Текущая страница: 2 (всего у книги 16 страниц)
В результате сгорания добавочного топлива температура газов сильно повышается, и они устремляются в последнюю часть форсажной камеры – реактивное сопло. Здесь газы расширяются, скорость их увеличивается, и они покидают форсажную камеру, создавая реактивную тягу.
Форсажная камера имеет относительно небольшой вес, если учесть увеличение тяги, которое она дает. Это увеличение даже при работе двигателя на стоянке составляет примерно одну треть от тяги двигателя без форсажной камеры, а в полете с высокой скоростью оно еще более возрастает, так что исходная тяга двигателя почти удваивается.
Значит ли это, что применение форсажной камеры снимает задачу создания высокотемпературной турбины?
Конечно, нет. Увеличение тяги с помощью форсажной камеры очень невыгодно, так как приводит к большому перерасходу топлива. Ведь даже повышение температуры газов перед турбиной, как об этом уже говорилось, при современных скоростях связано с увеличением удельного расхода топлива, а следовательно, и уменьшением дальности полета. Что же говорить об увеличении температуры газов за турбиной, когда топливо сгорает при значительно меньшем давлении, чем в камере сгорания двигателя! 7*
[Закрыть].
Естественно, что перерасход топлива при работе форсажной камеры получается гораздо большим, и сколько-нибудь продолжительная работа ее поэтому недопустима. Форсажная камера служит лишь для кратковременного значительного увеличения тяги двигателя, или его так называемого форсажа. Конечно, и для форсажа сжигание добавочного топлива в камере сгорания двигателя, то есть перед турбиной, было бы гораздо выгоднее, чем за ней, в форсажной камере. Однако при условии очень кратковременной работы перерасход топлива не столь значителен. Поэтому форсажная камера и получила применение на военных самолетах, как истребителях, так и бомбардировщиках. Она используется в случаях, когда требуется кратковременное значительное увеличение скорости полета: в воздушном бою, на подходе к цели бомбометания и т. д. Форсажная камера и позволила реактивным самолетам перешагнуть через «звуковой барьер». Не будь ее, эта победа была бы отодвинута на значительное время.
Вот летит бомбардировщик с двумя турбореактивными двигателями необычной длины – это двигатели с форсажной камерой. Камеры поневоле должны быть длинными, иначе не удастся сжигать в них топливо, впрыскиваемое в газовый поток.
Бомбардировщик летит очень быстро, как бы вонзаясь своим стреловидным крылом в небо. Но вдруг из обоих двигателей блеснули длинные языки пламени, и самолет резко увеличил скорость, будто брошенный чьей-то могучей рукой. Это летчик включил форсажные камеры. С оглушительным грохотом, значительно более сильным, чем обычный гул работающего турбореактивного двигателя, самолет исчез за горизонтом. Легко понять, сколь спасительной может оказаться такая скорость, если самолет попадет под ураганный зенитный огонь…
5* По журналу «Эркрафт инжиниринг», № 395, 1962 г.
6*По журналу «Флайт», 1 августа 1963 г.
7*Чем меньше давление, при котором происходит подвод тепла к газу (в данном случае – сгорание), тем менее выгоден этот подвод, так как тем меньшая доля тепла переходит в работу при последующем расширении газа.
Работает турбореактивный двигатель с форсажной камерой.
Форсажная камера получила широкое распространение уже сейчас, а в ближайшее время она станет обязательной частью любого скоростного реактивного самолета. Это объясняется не только тем, что с помощью форсажной камеры проще достигнуть сверхзвуковых скоростей полета, но и тем, что при увеличении скорости полета форсажная камера становится, как об этом уже говорилось, все более выгодной (точнее говоря – все менее невыгодной). С большой степенью вероятности можно считать, что в области скоростей полета от звуковой до вдвое и даже, может быть, втрое (а по некоторым высказываниям – даже вчетверо) превосходящей звуковую, основным двигателем военной авиации будет турбореактивный с форсажной камерой. А при еще больших скоростях?
Глава III. Летающие топки
Из этой главы читатель узнает об одном из авиационных двигателей будущего – прямоточном, его достоинствах, недостатках и перспективах применения в авиации завтрашнего дня.
Какой двигатель будет наивыгоднейшим при сверхзвуковых скоростях полета? Ответ на этот вопрос связан с одной из самых замечательных особенностей развития современной скоростной авиации.
Пока скорость полета оставалась сравнительно небольшой, еще достаточно далекой от скорости звука, авиацию устраивал один-единственный тип двигателя – поршневой. Штурм «звукового барьера» потребовал, как мы видели выше, применения двигателя нового типа– турбореактивного. Переход к реактивным двигателям является принципиальным, революционным переворотом в авиации, ибо с их помощью (конечно, для этого потребуются двигатели особых типов) стали возможны любые, сколь угодно большие скорости полета, вплоть до приближающихся к максимально возможной в природе – скорости света в вакууме, то есть 300 тысяч километров в секунду. Однако это вовсе не означает, что турбореактивный двигатель займет теперь место монополиста в авиации, принадлежавшее ранее поршневому двигателю. В сверхзвуковой области полета таково монополиста вообще быть не может. Разные по величине сверхзвуковые скорости требуют реактивных двигателей различного типа – так проявляется упомянутая выше особенность развития сверхзвуковой авиации.
Эта особенность заключается в большом, принципиальном влиянии скорости не только на полет самолета, но и на работу любого воздушно-реактивного двигателя, установленного на быстролетящем самолете. С таким влиянием практически не встречались, когда на самолетах устанавливали поршневые двигатели, и, конечно, оно не имеет места при установке на самолете ракетного двигателя, не использующего для своей работы атмосферный воздух. Это влияние характерно для двигателей воздушно-реактивных, к числу которых принадлежат и турбореактивные двигатели современной авиации. В чем же проявляется влияние скорости полета на работу турбореактивного двигателя?
Тот, кто прыгал с парашютом, не забудет мгновений, когда пролетаешь первые метры после отделения от самолета. Рука уже выдернула кольцо, и вот-вот прозвучит чудесной музыкой шелест раскрывающегося шелкового купола. Затем последует толчок, и начнется медленный спуск с заоблачных высот, когда сердце переполняется восторгом и с уст сама собой рвется песня… А пока – лишь свист рассекаемого воздуха, который неожиданно становится таким неподатливым, таким упругим.
Впрочем, нет нужды быть парашютистом, чтобы ощутить эту необычную упругость воздуха. Подобное ощущение знакомо лыжнику, стремительно спускающемуся с высокой горы, мотоциклисту, мчащемуся по гладкому шоссе, или спортсмену, прыгающему с вышки в воду. Да и каждый может испытать его – достаточно высунуть руку из быстро идущего поезда или автомобиля или пойти навстречу сильному ветру.
Та же сила, что бьет в этих случаях с размаху в грудь и лицо, но лишь многократно увеличенная, опрокидывает железнодорожные вагоны и вырывает с корнем деревья во время урагана.
Эта сила – скоростной напор воздушного потока, остановленного неожиданным препятствием. Вся кинетическая, скоростная энергия воздуха затрачивается в данном случае на его сжатие, на повышение давления. Повышенное, избыточное давление воздуха и создает силу, ощущаемую нами при быстром движении и оказывающуюся такой страшной при ураганах.
Но ведь реактивный самолет движется в воздухе со скоростью, во много раз большей, чем скорость самого сильного урагана. С какой же силой должен обрушиваться встречный поток воздуха на поверхность самолета! 8*
[Закрыть]
Тормозится воздух и перед всасывающим отверстием турбореактивного двигателя, установленного на летящем с большой дозвуковой скоростью самолете. Ведь на двигатель встречный поток устремляется со скоростью, близкой к скорости звука; внутри же двигателя эта скорость уменьшается раза в три-четыре, а то и больше. Мы не видим этого процесса торможения, ибо воздух прозрачен. Но если как– нибудь окрасить воздух, то можно было бы заметить перед всасывающим отверстием двигателя огромную воронку, расширяющуюся по мере приближения к двигателю. Воздух, текущий через эту воронку, тормозится, его скорость уменьшается, а давление возрастает.
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*
[Закрыть]. 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
[Закрыть]* 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*
[Закрыть].
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.
Принципиальное преимущество прямоточного двигателя перед турбореактивным в том, что из-за отсутствия турбины температура газов в прямоточном двигателе зависит только от возможностей топлива. Поэтому-то и скорость истечения, а вместе с ней и тяга оказываются значительно большими, чем у турбореактивных двигателей тех же размеров при одинаковой, достаточно большой, конечно, скорости полета. Ведь если максимальная температура газов в турбореактивном двигателе не превышает в настоящее время, как правило, 900–950°, то в прямоточном она может достигать 1500–1800° и более.
8*При движении самолета с большой скоростью на его поверхность действует не только избыточное давление там, где воздух тормозится, но и разрежение в тех местах, где воздух движется с очень большой скоростью. Вот так же при урагане стремительно мчащийся воздух создает разрежение над крышами домов и этим срывает крыши. Такое же разрежение приводит и к срыву обшивки быстролетящего самолета. Недаром обшивка крыла современных скоростных самолетов делается неизмеримо более толстой и прочной, чем на самолетах сравнительно не очень далекого прошлого.
9*Правда, само сжатие в компрессоре в результате скоростного напора несколько снижается. Так сказывается на работе компрессора повышение температуры входящего в него воздуха, – сжимать нагретый воздух труднее.
10*Конечно, такую тягу он разовьет только при полете у земли, в плотном воздухе. На больших высотах, где подобный высокоскоростной полет только и возможен, тяга будет несравненно меньше.
11*Например, снаряд «Бомарк», США (по журналу «Авиэйшн Уик», 10 ноября 1958 г., и др.).
Возможная силовая установка самолета, состоящая из турбореактивного (вверху) и прямоточного (внизу) двигателей. Показана и заслонка, направляющая воздух в один из двигателей.
Но все же, как и в турбореактивном двигателе, именно температура газов ограничивает возможности использования прямоточного двигателя, именно она ставит предел достигаемой с его помощью скорости полета. Чтобы понять это, достаточно вспомнить, что сжатие воздуха связано с его нагревом. Очевидно, будет нагреваться и воздух, поступающий в прямоточный двигатель в полете, ибо этот воздух тоже сильно сжимается. Но характер такого нагрева оказывается действительно неожиданным: при скорости полета, вдвое превосходящей скорость звука, температура воздуха, поступающего в двигатель, составит примерно 250°, а при пятикратном превышении ее около 1500°! Значит, в прямоточный двигатель будет втекать струя воздуха, раскаленного гораздо сильнее, чем газы, поступающие на лопатки турбореактивного двигателя!
Ясно, что стенки прямоточного двигателя не в состоянии выдержать такую температуру, даже если они будут изготовлены из очень высококачественного жаропрочного материала. Значит, чем больше скорость полета, тем ближе температура входящего в двигатель воздуха к максимально допустимой и тем меньше возможный подогрев воздуха за счет сжигания в нем топлива. Когда температура воздуха приближается к предельной, двигатель может развивать лишь ничтожную тягу: ведь чтобы тяга была большой, в двигателе должно ежесекундно сгорать много топлива.
Как показывают расчеты, применение прямоточного двигателя возможно лишь до скорости полета, примерно в 4–5 раз превышающей скорость звука, то есть до скорости около 6000 километров в час. Большие скорости уже недоступны для него.
Правда, наука ведет поиск и в этом направлении, пытаясь отодвинуть предельную скорость, при которой еще могут найти применение воздушно-реактивные двигатели. В последнее время такая возможность начинает вырисовываться, и, нужно признаться, она кажется на первый взгляд по меньшей мере неожиданной. Действительно, использовать воздушно-реактивный двигатель при еще больших, так называемых гиперзвуковых скоростях полета, например, 10 000 километров в час или даже больше, принципиально можно, но ценой отказа от… воздушно-реактивного двигателя!
Секрет этого парадокса прост: в двигатель превращается в этом случае… крыло самолета. На самом деле, известно, что на нижней поверхности крыла давление всегда относительно повышено. При гиперзвуковых скоростях полета давление и температура воздуха под крылом могут быть очень высокими, гораздо большими, например, чем в камере сгорания обычного прямоточного двигателя. Если впрыснуть в этот раскаленный и сжатый воздух топливо, то оно, естественно, воспламенится. Вот и основа идеи: непосредственно из крыла самолета через форсунку, расположенные в его обшивке, вниз под крыло брызжут струи топлива. Оно воспламеняется и горит, раскаленные газы отбрасываются назад так, что создают реактивную тягу, да, кстати, и подъемную силу, если нужно. Мало похоже такое «горящее крыло», интенсивно исследуемое в настоящее время за рубежом 12*
[Закрыть], на обычный прямоточный двигатель, но тем не менее это такой же полноправный двигатель, как и все другие. Таковы законы развития авиационной реактивной техники – двигатель все полнее сливается с самим самолетом, разделить их более нельзя.
Но и для подобных силовых установок существует предельно возможная скорость полета, связанная с температурными ограничениями. Еще большие скорости уже недоступны для воздушно-реактивных двигателей. Это – удел двигателей, не использующих атмосферный воздух, двигателей, способных работать на любых, самых больших высотах и вне атмосферы, в мировом пространстве.
Это – ракетные двигатели и прежде всего изобретенный К. Э. Циолковским жидкостный ракетный двигатель.
12*Об этом сообщает, например, журнал «Спейскрафт», сентябрь 1963 г., и др.
