Текст книги "Воздушно-реактивные двигатели"

Автор книги: Карл Гильзин

сообщить о нарушении

Текущая страница: 1 (всего у книги 11 страниц)

К. А. Гильзин
Воздушно-реактивные двигатели

Введение

Последние полтора десятилетия ознаменованы бурным развитием реактивной техники. Идеи, которые в течение многих лет были уделом лишь одиночек-изобретателей и ученых, энтузиастов реактивной техники, стали стремительно воплощаться в жизнь. Реактивные двигатели различных типов и конструкций нашли широкое применение в авиации и артиллерии. Это дало возможность за короткое время достигнуть таких замечательных успехов, главным образом в борьбе за скорость и высоту полета, о которых раньше можно было только мечтать. Но это только начало. Впереди еще более замечательные перспективы, еще более увлекательная борьба за новые достижения.

В настоящее время один за другим отметаются различные «пределы» и «потолки» в развитии авиации и артиллерии, которые выдвигались в прошлом некоторыми учеными. Уже оставлен позади таинственный «звуковой порог», или «звуковой барьер», который еще совсем недавно волновал авиаторов. Ныне реактивные самолеты летают на недосягаемых ранее высотах. Ракеты поднимаются на высоты, измеряемые сотнями километров, залетают в самые верхние слои атмосферы, в ионосферу, достигают границ океана мирового пространства. Теперь уже решается задача создания искусственного спутника Земли, второй Луны – первого искусственного небесного тела; рассматриваются проекты посылки ракет на Луну.

Невиданные возможности открывает стремительно развивающаяся реактивная техника, и неудивительно, что к ней проявляют самый живой интерес широкие круги советских людей.

С каждым днем множится количество типов различных реактивных двигателей, находящих применение в авиации и артиллерии. Появляются новые двигатели, обладающие замечательными характеристиками. Различна судьба этих двигателей. Одни из них появляются на свет для того, чтобы лишь немного расширить область применения реактивной техники или улучшить достигнутые ею результаты; другие занимают ведущее положение, на долгие годы становясь основными, главными двигателями. Наконец, третьи сначала вовсе не находят применения. Это – двигатели будущего, двигатели еще невиданных скоростей полета, при которых они не только получат право на существование, но по своим характеристикам оставят далеко позади те двигатели, которые сегодня занимают ведущее положение в авиации.

Семья реактивных двигателей многочисленна. Но все они делятся на две группы в зависимости от того, нужен ли для работы двигателя атмосферный воздух или не нужен.

Одна группа реактивных двигателей для своей работы не нуждается в атмосферном воздухе. Двигатели, принадлежащие к этой группе, могут работать на очень больших высотах, где воздух крайне разрежен, под водой и в безвоздушном пространстве.

Такие двигатели обычно называются ракетными. К ним относятся и пороховые двигатели реактивных снарядов-мин, которыми вели огонь наши прославленные гвардейские реактивные минометы «катюши», и изобретенные К. Э. Циолковским жидкостные ракетные двигатели – двигатели сверхдальних и высотных ракет, ракетных самолетов и космических кораблей, и гидрореактивные двигатели подводных торпед.

Но в настоящей книге речь идет не о ракетных двигателях. Им посвящены другие книги [1]1
  См., например, книгу К. А. Гильзина «От ракеты до космического корабля», Оборонгиз, 1954.


[Закрыть].

Настоящая книга посвящена реактивным двигателям, которые относятся к другой группе. Это так называемые воздушно-реактивные двигатели. Они не могут работать без воздуха, вне атмосферы; для них воздух жизненно необходим, так как в нем содержится кислород, без которого в двигателе не может сгорать топливо.

Воздушно-реактивными двигателями являются турбореактивные двигатели, которые применяются на современных реактивных самолетах, и пульсирующие двигатели, применяющиеся на беспилотных самолетах-снарядах и на некоторых вертолетах, и прямоточные двигатели – двигатели сверхзвукового полета, двигатели завтрашнего дня в авиации.

О всех этих воздушно-реактивных двигателях и будет идти речь в настоящей книге. В ней будет рассказано, как закатилась слава поршневого авиационного двигателя, занимавшего монопольное положение в авиации с момента ее рождения до последних лет; как с развитием авиации был достигнут такой рубеж, когда возникла острая необходимость в новом авиационном двигателе, способном обеспечить полет со скоростями, близкими к скорости звука, а потом и перешагнуть через эту невидимую «звуковую» границу; о том, как появился такой двигатель – реактивный и как с его помощью авиация за короткое время достигла невиданных успехов, о технической революции, произведенной в авиации реактивным двигателем.

В книге будет рассказано также о том, какие интересные и сложные физические процессы происходят при работе воздушно-реактивных двигателей и как ученые и инженеры овладевают и управляют этими процессами, вписывая блестящие страницы в историю борьбы за овладение силами природы и покорение их человеком; о том, как устроены различные воздушно-реактивные двигатели, каковы их характеристики и их место в авиации настоящего и будущего; о тех замечательных перспективах, которые открываются перед реактивной авиацией будущего, и о том, как ученые и конструкторы борются сегодня за то, чтобы возможное стало действительным.

Автору хочется верить, что среди тех, кто прочтет эту небольшую книгу, может быть, впервые знакомящую их с новой, замечательной отраслью науки и техники, найдутся читатели, которые заинтересуются ею, станут читать все новые и новые книги об этой технике и, может быть, решат связать с ней свою жизнь.

Глава первая
Закат славы поршневого авиационного двигателя

Ноябрь 1935 года. Известный советский летчик Владимир Коккинаки поднимает свою стальную птицу на высоту 14 575 ж, установив этим новый мировой рекорд высоты. Безотказно работает двигатель его самолета на огромной высоте, в крайне разреженном воздухе, в условиях, в которых не пришлось еще побывать ни одному другому двигателю в мире.

Июнь 1937 года. Весь мир, затаив дыхание, следит за небывалым полетом краснозвездного самолета Валерия Чкалова через Северный полюс из Советского Союза в Америку (рис. 1). 63 часа летит самолет над неисследованными просторами ледяных полей Арктики, сквозь туман и снег, сквозь штормы и непогоду. И все это время неутомимо, как часы, работает двигатель самолета, радуя экипаж своим мощным, ровным гулом.

– Замечательный мотор! – говорит Чкалов после посадки.

Тысячи километров без посадки пролетели советские самолеты в известных дальних перелетах Чкалова, Громова, Коккинаки, Гризодубовой и других советских летчиков. Эти победы советской авиации были бы невозможны без совершенных, мощных и экономичных авиационных двигателей, созданных отечественной авиационной промышленностью.

В годы Великой Отечественной войны советская авиация покрыла себя неувядаемой славой в борьбе за свободу и независимость нашей Родины. Десятки тысяч самолетов Военно-воздушных сил нашей страны громили тогда в воздухе фашистских стервятников. На этих самолетах были установлены поршневые авиационные двигатели различных типов, построенные на советских авиационных заводах.

Неудивительно, что поршневой авиационный двигатель стяжал себе большую славу и обеспечил авиации столько замечательных побед. В результате полувекового развития этот двигатель стал высокосовершенной машиной.

Рис. 1. Маршруты дальних перелетов В. П. Чкалова

Представьте себе, что вы находитесь на зеленом ковре Тушинского аэродрома в один из традиционных дней авиации еще в предвоенный период.

Вот над вашей головой стремительно пронесся истребитель, наполнив воздух густым, могучим ревом. Мгновение – и высоко в небе вы видите только серебристую точку, которая вскоре сливается с общим голубым фоном. Там, в бездонной глубине неба, в четком строю проплывают какие-то большие самолеты. Это летят воздушные «линкоры» – тяжелые бомбардировщики. Даже большая высота не скрывает огромных размеров этих многотонных машин.

Что же это за могучая сила, которая поднимает в воздух на многокилометровую высоту воздушные корабли весом в несколько десятков тонн и делает кажущуюся такой неповоротливой на земле машину похожей на стремительную птицу, молнией пересекающую голубой купол небосвода?

Эта сила создается воздушным винтом. Он вращается с огромной скоростью, совершая каждую минуту более тысячи оборотов: его лопасти сливаются в один сверкающий диск (рис. 2).

Рис. 2. Лопасти вращающихся винтов сливаются в сплошные диски (советский тяжелый бомбардировщик в период Великой Отечественной войны в полете)

Каким же образом воздушный винт создает движущую силу, или тягу, как ее называют? Почему он способен служить «движителем», т. е. устройством, создающим движущую силу?

Мы не можем видеть того, как создается тяга винтом, ибо окружающий нас воздух прозрачен. Однако, если захотим, мы можем почувствовать это. Станьте позади работающего винта – на вас тотчас обрушится стремительный поток воздуха, сильнее любого урагана. Но сделайте два шага в сторону, и вы выйдете из сферы действия воздушного потока – «ураган» исчезнет. Этот «ураган» создается винтом. Оказывается, винт – это мощный вентилятор. Он засасывает спереди окружающий неподвижный воздух и с огромной скоростью отбрасывает его назад.

Если бы мы могли сделать воздух видимым, например, окрашенным в зеленый цвет, причем не просто окрашенным, а так, что по мере ускорения движения воздуха окраска его становилась бы все темнее, то мы увидели бы необыкновенно красивое зрелище.

Вот в светлозеленом океане начал вращаться воздушный винт. Взволновался океан перед винтом, и со всех сторон – спереди, сбоку, сверху, снизу – стали притекать к прозрачному диску вращающегося винта воздушные струйки, образуя огромную зеленую воронкообразную чашу. Чем ближе к винту, тем уже и темнее эта чаша. Вот струйки прошли через едва различимую преграду – диск вращающегося винта; за ним огромная воздушная воронка стала темнозеленой. Воздушный поток – «ураган» – стал видимым. Винт оказался работающим внутри образованной им в воздушном океане своеобразной «аэродинамической трубы», заполненной быстро движущимся воздухом (рис. 3).

Рис. 3. Такую невидимую воздушную струю образует воздушный винт

Вот, оказывается, в чем заключается действие винта – он неустанно отбрасывает назад воздух так же, как мы с вами могли бы бросить камень или мяч.

Но ведь «бросить» —это значит толкнуть. Чем тяжелее камень и чем большую скорость он приобретает при толчке, тем большей должна быть сила толчка. Винт отбрасывает каждую секунду сотни и тысячи килограммов воздуха со скоростью в десятки метров в секунду, поэтому он действует на воздух с огромной силой в сотни и тысячи килограммов.

Но в природе всегда и неразрывно связаны между собой действие и противодействие – силы, равные по величине друг другу, но противоположно направленные. Так и гласит один из основных законов механики, установленный создателем этой науки – Ньютоном (третий закон Ньютона): действие равно противодействию.

Следуя этому закону, воздух сопротивляется действию винта, оказывает ему противодействие. Если винт толкает воздух, то воздух с такой же силой толкает винт.

Вот это противодействие воздуха, т. е. та сила, с которой отбрасываемый воздух действует на винт, и есть движущая сила винта, его тяга. Значит, тяга винта – это сила реакции отбрасываемого им воздуха (по латыни «реакция» и есть противодействие). Мы здесь встречаемся, следовательно, с движущим устройством, использующим принцип реактивной отдачи.

Так как вращающийся воздушный винт непрерывно отбрасывает с большой скоростью огромную массу воздуха, то легко видеть, что для вращения его нужно затрачивать большую работу. «Ураган», бушующий за винтом, обходится недешево.

Для приведения во вращение воздушного винта и устанавливается на самолете авиационный поршневой двигатель. Вместе они образуют силовую установку, без которой самолет не может совершать полет. Двигатель развивает необходимую для совершения полета мощность, а воздушный винт использует эту мощность для создания силы тяги, движущей самолет.

Понятно, какое огромное значение имеет для самолета совершенство установленного на нем двигателя. Не зря говорят, что двигатель – это сердце самолета. Чем надежнее, мощнее, легче и меньше по размерам двигатель, чем меньше топлива он расходует, тем быстрее, выше и дальше может летать самолет.

Наши ученые, конструкторы, инженеры и рабочие авиационной промышленности настойчиво развивали и совершенствовали авиационные двигатели, обеспечивая высокое качество советской авиации.

Три четверти века назад был создан авиационный поршневой двигатель внутреннего сгорания. С тех пор этот двигатель прошел замечательный путь развития. Современные поршневые авиационные двигатели так же не похожи на первые двигатели, как и современные самолеты не похожи на «летающие этажерки» и «летающие гробы» начала нашего века.

Вот перед нами на взлетной полосе аэродрома стоит готовый к взлету самолет с поршневым двигателем (рис. 4). Уже получено разрешение на взлет; сейчас летчик «даст газ» – передвинет рычаг управления вперед, двигатель перейдет на полную мощность и самолет начнет разбег для взлета.

Но задержим самолет на взлетной полосе, положив под его колеса деревянные колодки. Теперь, сколько ни будет «газовать» летчик, самолет не тронется с места. Воспользуемся возможностью и познакомимся с двигателем самолета.

Рис. 4. Самолет Як-18 перед взлетом

Двигатель установлен в передней части фюзеляжа. Его совсем не видно, так как он укрыт капотом – обтекателем, создающим самолету плавные обтекаемые формы. Из-под капота наружу выглядывают только небольшие выхлопные патрубки, из которых вырываются языки голубоватого пламени. Это выбрасываются в атмосферу из цилиндров двигателя раскаленные газы, продукты сгорания бензина, на котором работает двигатель.

В цилиндрах двигателя происходят очень сложные процессы. Много раз в секунду осуществляется в каждом из них рабочий цикл: засасывается свежий воздух, который на пути в цилиндры перемешивается с топливом – бензином; бензовоздушная смесь сжимается и мгновенно сгорает, при этом образуются раскаленные газы высокого давления. В этих-то газах и заключена вся тепловая энергия, выделившаяся при сгорании топлива, в них источник той силы, которая неутомимо вращает воздушный винт. Но путь энергии от газов к винту весьма сложен. Газы расширяются и давят на поршни, движущиеся вверх-вниз в цилиндрах; поршни связаны шатунами с коленчатым валом. Так с помощью сложного кривошипно-шатунного механизма энергия расширяющихся газов сообщается коленчатому валу двигателя. От коленчатого вала двигателя, обычно через шестеренчатую передачу – редуктор, получает вращение воздушный винт.

Если бы капот самолета и стенки двигателя были стеклянными, то мы все равно не смогли бы разобраться в том, что происходит внутри двигателя. Протекающие в нем различные процессы чередуются так быстро, что потребовалась бы «лупа времени», замедленная киносъемка для того, чтобы уловить направление движения частей двигателя или разобраться в последовательности происходящих в нем явлений.

Рис. 5. Отечественный поршневой авиационный двигатель АШ-82

Современный поршневой авиационный двигатель (рис. 5) состоит из тысяч различных деталей. Он развивает мощность до нескольких тысяч лошадиных сил, способен работать десятки часов подряд, даже в разреженной атмосфере, на высотах в 15 кми более, выдерживает огромную нагрузку, которой подвергается в полете при выполнении фигур высшего пилотажа или в воздушном бою. И вместе с тем он во много раз легче и меньше любого другого двигателя внутреннего сгорания такой же мощности.

Поршневой авиационный двигатель – это сложнейшая машина, исключительно точная, изготовленная из особо высококачественных материалов; в нем воплощены достижения различных отраслей пауки и техники. Только страны с высокоразвитой тяжелой индустрией в состоянии строить такие машины.

Десятилетия служил поршневой двигатель авиации, завоевав всеобщее признание, достигнув вершины славы. И тем стремительнее было падение этого двигателя, хотя неизбежный закат его славы ученые предсказывали еще тогда, когда она находилась в самом зените.

Что же послужило причинами этому падению?

Таких причин было по существу две, хотя обе они касаются одного и того же.

Дело в том, что поршневой авиационный двигатель не смог решить задачу резкого увеличения скорости полета, задачу, которая поставлена перед авиацией всем ходом ее развития. И в то же время появился новый двигатель, который обеспечивает решение этой задачи.

Нет ничего удивительного в том, что именно борьба за скорость полета решила участь поршневого двигателя.

Увеличение скорости полета – одно из важнейших направлений развития авиации. Весь опыт, накопленный авиацией за полвека ее развития, подтверждает правильность слов, ставших за последнее время крылатыми: кто быстрее в воздухе, тот и сильнее в воздухе.

Но почему же именно дальнейшее увеличение скорости стало неразрешимой задачей для поршневого двигателя? Ведь этот двигатель выдержал немало испытаний еще совсем в недалеком прошлом; он одержал немало побед и в борьбе за скорость полета. Непрерывное усовершенствование двигателя было одной из причин непрерывного увеличения скорости полета самолетов. К концу минувшей войны истребители с поршневыми двигателями обладали скоростью полета 700—750 км/час– это в 15 раз больше скорости полета самолетов начала нашего века. Замечательный успех! Ни в одном другом виде транспорта не было таких темпов роста скоростей движения.

Конечно, достигнутый рубеж в борьбе за скорость полета не является еще пределом для поршневого авиационного двигателя. Настойчивая работа по дальнейшему совершенствованию этого двигателя вместе с совершенствованием самого самолета привела бы к увеличению скорости полета, и достигнутый рубеж можно было бы перейти. И все же предел возможностей поршневого двигателя в борьбе за скорость полета существует; к концу второй мировой войны авиация, выражаясь военным языком, была уже на ближних подступах к этому пределу.

Предел, через который не может перешагнуть самолет с поршневым двигателем, это – полет со скоростью звука.

Еще в прошлом веке русский ученый профессор Н. В. Маиевский указал на тот качественный рубеж, который представляет собой полет со скоростью звука, т. е. с той скоростью, с которой в воздухе распространяются звуковые волны, звуковые колебания. Эта скорость вблизи земли равна примерно 1225 км/час.

В начале нашего века другой русский ученый, глава советской школы аэродинамиков С. А. Чаплыгин в своей магистерской диссертации первым в мире раскрыл суть процессов, происходящих при полете со скоростью, близкой к скорости звука или больше звуковой.

Теперь эти процессы изучены и теоретически, и практически. Хорошо известно, что когда скорость полета приближается к звуковой, то сопротивление, оказываемое воздухом летящему самолету, резко увеличивается. При этом характер обтекания воздушным потоком самолета, прежде всего его крыла, резко изменяется. Секрет этих изменений обусловливается сжимаемостью воздуха.

Когда скорость полета начинает приближаться к звуковой, то в воздухе, обтекающем самолет, появляются зоны сильного местного сжатия и правильное обтекание нарушается. Сопротивление, которое приходится преодолевать летящему самолету, при этом резко увеличивается. Преодолеть такое сопротивление поршневой двигатель с винтом оказывается не в состоянии.

Опыт показывает, что с увеличением скорости полета сопротивление летящему самолету увеличивается пропорционально квадрату скорости, если скорость полета остается значительно меньшей скорости звука; при увеличении скорости вдвое сопротивление возрастает вчетверо и т. д. Но если сопротивление увеличивается пропорционально квадрату скорости, то и тяга, развиваемая винтом, должна расти пропорционально квадрату скорости полета, ибо в установившемся горизонтальном полете тяга равна лобовому сопротивлению самолета. В действительности тяга, развиваемая поршневым двигателем и винтом, с ростом скорости полета не только не увеличивается, а даже, как это будет показано ниже, уменьшается. Уже одно это говорит о том, что поршневой двигатель непригоден для скоростного полета.

Вся мощность, получаемая на валу поршневого авиационного двигателя, затрачивается на вращение воздушного винта. Большая часть этой мощности расходуется на создание тяги, т. е. на отбрасывание воздуха винтом. Другая, меньшая часть мощности расходуется на завихрение воздуха, закрутку воздушного потока за винтом и другие виды потерь. Эти потери учитываются коэффициентом полезного действия винта (к. п. д.), который показывает, какая доля мощности, получаемой на валу поршневого авиационного двигателя, затрачивается полезно, т. е. на создание тяги. Коэффициент полезного действия воздушного винта в обычных условиях достигает 80– 85%; остальные 15—20% мощности двигателя – это энергия, теряемая воздушным винтом без совершения полезной работы.

Если, допустим, мощность двигателя, передаваемая им винту, равна 1000 л. с.,а к. п. д. винта равен 80%, то мощность, равная 200 л. с., теряется винтом бесполезно, а 800 л. с. затрачивается на полезную работу винта. Когда этот двигатель с винтом установлен на самолете, то полезной работой его в полете является работа продвижения самолета в окружающей воздушной среде, т. е. работа, затрачиваемая на преодоление воздушного сопротивления. Как известно, работа есть произведение силы на пройденный в направлении ее действия путь, а мощность, являющаяся секундной работой, может быть представлена как произведение силы на скорость движения. В нашем случае силой, производящей работу, является сила тяги. Поэтому полезная мощность Nв лошадиных силах равна произведению силы  тяги Рв килограммах на скорость полета Vв метрах в секунду, т. е.

(деление на 75 связано с переходом от килограммометров к лошадиным силам). Если, например, скорость полета самолета Vравна 100 м/сек, т. е. 360 км/час, то полезная мощность может быть выражена формулой

Значит, сила тяги Р, развиваемая винтом, будет равна

Если же скорость полета Vувеличится до 200 м/сек, т. е. станет вдвое большей (720 км/час), то при той же полезной мощности 800 л. с.сила тяги винта будет равна

т. е. уменьшится вдвое.

Таким образом, тяга, развиваемая воздушным винтом, приводимым во вращение поршневым авиационным двигателем, и тяга, потребная для осуществления полета самолета, с ростом скорости полета меняются неодинаково, как это нужно было бы для непрерывного роста скорости. Мало того, их изменения оказываются диаметрально противоположными: потребная тяга быстро растет, а тяга воздушного винта падает.

Это расхождение между тягой, развиваемой воздушным винтом, и тягой, потребной для полета, и является той причиной, вследствие которой поршневой авиационный двигатель оказывается малопригодным для полета на больших скоростях. Чтобы получить большую тягу, потребную при увеличении скорости полета, на самолете необходимо установить и более мощные двигатели.

Но увеличение мощности двигателя скоростного самолета возможно лишь за счет значительного увеличения его размеров и веса. При этом неизбежно увеличиваются и размеры самолета, растет его сопротивление и, как следствие, снова увеличивается потребная тяга.

Поэтому установка нового, более мощного двигателя на самолете сравнительно немного увеличивает скорость его полета. Чем больше скорость полета, тем труднее, с помощью поршневого авиационного двигателя добиться нового увеличения скорости. Но еще хуже обстоит дело, когда скорость полета приближается к скорости звука. Из-за потерь, связанных со сжимаемостью воздуха при скоростях полета, близких к скорости звука, сопротивление летящему самолету увеличивается уже пропорционально не квадрату, а пятой и даже шестой степени скорости полета. Это значит, что для увеличения скорости полета всего на 10% винт должен развивать тягу, увеличенную почти на 80°/о. А так как мощность двигателя, как указывалось выше, при неизменном к. п. д. винта пропорциональна произведению тяги на скорость полета, то она должна при этом возрасти примерно в 2 раза!

Кроме того, следует учесть, что при значительном увеличении скорости полета и винт также начинает работать хуже. Это объясняется тем, что при движении лопасти винта с околозвуковой скоростью появляются известные нам неприятности, связанные с сжимаемостью воздуха. В результате при той же тяге на вращение винта приходится затрачивать большую мощность – к. п. д. винта падает.

Следовательно, при увеличении скорости полета на 10% мощность двигателя должна возрасти более чем в 2 раза. При этом размеры и вес двигателя должны остаться прежними, иначе потребная тяга увеличится и весь расчет придется начинать сначала.

Понятно, почему увеличение скорости полета и приближение ее к скорости звука оказались роковым для поршневого двигателя. Пробить «звуковой барьер» (рис. 6) поршневому двигателю не под силу. Для решения этой задачи потребовался двигатель принципиально другого типа. Слава поршневого двигателя как основного двигателя авиации закатилась.

Это не значит, конечно, что поршневые двигатели стали вовсе непригодными для авиации. Они все еще находят широкое применение и будут применяться в авиации долгое время. Но их применение ограничится самолетами с малой скоростью и главным образом большой продолжительностью полета. При этих условиях поршневые авиационные двигатели сохраняют свои достоинства.

Таким образом, поршневые авиационные двигатели уже не только перестали быть единственными двигателями авиации, какими они были в течение почти полувека ее развития, но и не занимают в ней ведущего положения, они отошли на второй план. Основное внимание уделяется теперь не им, а тем новым двигателям, которые пришли им на смену.

Рис. 6. «Звуковой барьер» – непреодолимое препятствие для самолетов с поршневыми двигателями (с увеличением высоты температура воздуха понижается, поэтому скорость звука уменьшается)

Что же это за двигатели, вызвавшие техническую революцию в авиации?

Это – реактивные двигатели.