Текст книги "Воздушно-реактивные двигатели"

Автор книги: Карл Гильзин

сообщить о нарушении

Текущая страница: 8 (всего у книги 11 страниц)

Проведенное выше рассмотрение даже простейших процессов, протекающих в дозвуковом прямоточном воздушно-реактивном двигателе, показывает, что эти процессы, несмотря на чрезвычайную конструктивную простоту двигателя, оказываются далеко не такими простыми. Поэтому неудивительно, что теория прямоточных воздушно-реактивных двигателей считается исключительно сложной.

Но еще большую сложность представляет изучение процессов, происходящих в прямоточном воздушно-реактивном двигателе, рассчитанном на сверхзвуковой полет.

Конечно, принципиально процессы в сверхзвуковом прямоточном воздушно-реактивном двигателе должны быть такими же, как и в дозвуковом: сначала происходит сжатие воздуха в диффузоре, затем сгорание и, наконец, расширение нагретого воздуха (газов) в сопле. Особых осложнений не было бы, если бы торможение сверхзвукового потока в диффузоре можно было бы осуществить так же просто, как и дозвукового. На самом деле торможение сверхзвукового потока имеет принципиально отличный характер по сравнению с торможением потока дозвукового.

Можно ли осуществить постепенное, плавное торможение воздушного потока, имеющего сверхзвуковую скорость, подобно тому, как в обычном дозвуковом диффузоре, о котором шла речь выше, осуществляется торможение дозвукового потока? Теоретически – да, возможно. Правда, по форме такой сверхзвуковой диффузор должен был бы отличаться от дозвукового. Первая часть сверхзвукового диффузора должна представлять собой в противоположность дозвуковому не расширяющуюся, а, наоборот, суживающуюся трубу (рис. 54).

Рис. 54. Теоретическая схема сверхзвукового прямоточного двигателя. Показан характер изменения давления и скорости воздуха в двигателе такой схемы

Это объясняется тем, что при торможении сверхзвукового потока сильно проявляется сжимаемость воздуха. Плотность воздуха в результате сжатия начинает по мере его торможения быстро увеличиваться, причем рост плотности происходит даже быстрее, чем уменьшается скорость течения. Поэтому для протекания одного и того же количества воздуха по мере торможения потока требуются все меньшие проходные сечения.

Другое дело, когда скорость потока меньше скорости звука; плотность воздуха при торможении растет в этом случае медленнее, чем уменьшается скорость течения воздуха. Вот почему при этом воздух часто считают вообще несжимаемым. Вследствие этого дозвуковой диффузор представляет собой расширяющуюся трубу. Очевидно, что в сверхзвуковом диффузоре такая расширяющаяся труба должна быть во второй его части. Действительно, когда скорость воздуха в первой, сужающейся части сверхзвукового диффузора, постепенно уменьшаясь, сравняется со скоростью звука в воздухе, то для дальнейшего торможения воздуха понадобится дозвуковой диффузор. Поэтому сверхзвуковой диффузор представляет собой трубу, как бы составленную из двух труб: сначала сужающейся, а потом расширяющейся. В самой узкой части трубы, называемой горловиной диффузора, скорость движения воздуха должна в точности равняться скорости звука в этом воздухе.

Легко видеть, что такую же форму должна иметь труба, в которой мы захотели бы осуществить обратный процесс – разогнать дозвуковой поток до сверхзвуковой скорости. Такое сверхзвуковое сопло (соплом называют устройство для увеличения скорости течения газа) тоже должно было бы иметь вначале сужающуюся часть, а затем расширяющуюся. В сужающейся части скорость потока постепенно будет расти, пока в самой узкой части – горловине сопла – не станет в точности равной скорости звука. Дальнейшее увеличение скорости выше скорости звука будет происходить в расширяющейся части. Такие сверхзвуковые сопла – их называют обычно соплами Лаваля по имени известного шведского конструктора паровых турбин – широко применяются в технике. Находят они применение и в реактивной технике, где часто встречаются сверхзвуковые скорости течения газов. В частности, таким должно быть, очевидно, и сопло сверхзвукового прямоточного двигателя. Поэтому сверхзвуковой прямоточный воздушно-реактивный двигатель иногда и рисуют схематически в виде цилиндрической трубы, имеющей спереди сверхзвуковой диффузор в виде двух конусов (сужающегося и расширяющегося), а сзади – сверхзвуковое сопло такой же формы (см, рис. 54).

Однако в действительности таких двигателей не существует. Объясняется это тем, что осуществить постепенное, плавное торможение сверхзвукового потока с помощью сверхзвукового диффузора пока еще не удалось. Опыт показывает, что сверхзвуковую струю не удается «заманить» в такой диффузор. Оказывается, что в сверхзвуковой струе еще перед диффузором возникает так называемый скачок уплотнения,или ударная волна, в которой происходит резкое, скачкообразное торможение потока и переход от сверхзвуковой к дозвуковой скорости. В результате этого в диффузор входит воздух, имеющий уже дозвуковую скорость.

Образование скачка уплотнения перед входом в сверхзвуковой прямоточный воздушно-реактивный двигатель играет такую большую роль в теории этих двигателей, так сильно сказывается на их характеристиках, что стоит подробнее рассмотреть физические явления, происходящие в скачке.

Физическая природа скачка уплотнения связана с особенностями распространения возмущений, т. е. изменений давления в воздухе или в любом другом газе. Представьте себе снова, что нас окружает синий воздушный океан, окраска которого меняется в зависимости от изменения давления. Если в этом океане нет источников возмущений, в результате которых изменяется давление воздуха, то цвет океана всюду ровный, светлый, давление везде одинаково. Но вот внезапно в этом океане появилось небольшое темное пятно. Это значит, что в этом месте внезапно повысилось давление, например, в результате сгорания ничтожной крупинки пороха. И тотчас же во все стороны от этого пятна начнет распространяться по ранее невозмущенному океану темная волна повышающегося давления. Точно в очаге возмущения вдруг забил синий фонтан, заливающий все вокруг. Даже в местах, далеко отстоящих от этого «фонтана», цвет океана потемнеет, когда туда дойдет возмущение в виде волны повышенного давления.

Мы на каждом шагу в повседневной жизни встречаемся с этими волнами возмущения в воздухе, только мы их не видим, а... слышим. В самом деле, если бы в окружающем нас воздухе не распространялись возмущения, то мы лишились бы всего царства звуков, мир стал бы безмолвным. Звук – это и есть возмущение, очень небольшое по величине. Когда это возмущение доходит до нашего уха, то оно действует на барабанную перепонку и воспринимается нами как звук. На высоте в сотни километров, где воздух крайне разрежен, мы не услышали бы артиллерийского выстрела даже в том случае, если бы пушка стреляла на расстоянии одного метра от нашего уха – там не по чему распространяться возмущениям.

Скорость звука, т. е. скорость распространения небольших возмущений в воздухе, зависит только от температуры воздуха – летом она больше, чем зимой, на большой высоте меньше, чем у уровня моря. За одну секунду звуковая волна проходит путь в 330—350 м.Вот почему, зная скорость звука, можно установить, например, как далеко от нас бушует гроза: свет от молнии доходит до глаза практически сразу, а громовой раскат доносится лишь через некоторое время, в зависимости от расстояния.

Теперь представьте себе, что источник звука, допустим самолет, сам начал двигаться. Пусть, например, он движется издалека по направлению к нам со скоростью, меньшей скорости звука. Услышим ли мы звук приближающегося самолета? Безусловно, услышим, это каждому известно. Чем ближе к нам самолет, тем громче звук. Наконец, самолет с ревом промчался над нами. Но вот показался другой самолет. Он стремительно приближается к нам, но на этот раз мы его не слышим, он мчится к нам совершенно бесшумно. Все ближе к нам таинственный «бесшумный» самолет, вот он уже над нашей головой, еще мгновение – и мы оглушены мощным ревом. Почему же мы не слышали приближения этого самолета, хотя звук, издаваемый им, сильнее, чем звук, которым сопровождался полет первого самолета?

Объясняется это просто. Когда скорость движения источника звука больше, чем скорость распространения самого звука в воздухе, то звук не обгоняет источника, он движется вместе с ним. Вот почему так неожиданно и бесшумно обычно появляются у нас над головой реактивные самолеты – их скорость близка к скорости звука.

Поэтому и англичане, жители Лондона, до сих пор вспоминают «бесшумные» ракеты Фау-2, которыми немцы бомбили Лондон в конце минувшей войны: эти ракеты летали со скоростью, значительно большей скорости звука.

Какая же картина предстанет перед нами в этом случае в нашем искусственном синем воздушном океане? Чтобы упростить эту картину, представим себе, что мы наблюдаем движение небольшой звучащей частицы, «звучащей точки» (рис. 55). Вот частица излучила звуковую волну: возникло темное кольцо в светлосинем океане. Это кольцо стало расти, как мыльный пузырь. Но в это время сама частица передвинулась и, так как ее скорость больше скорости звука, то она обогнала это расширяющееся кольцо. В новом положении частица испустила следующую звуковую волну, и так дальше. Конечно, частица может звучать непрерывно, но мы в данном случае фиксируем ее положение через определенные промежутки времени. Через некоторое время мы увидим в светлосинем океане резко очерченный темный конус, в вершине которого будет находиться стремительно движущаяся частица – источник звука. Внутри этого конуса будут заключены все излученные «звучащей точкой» звуковые волны, снаружи же воздушный океан останется совершенно спокойным, невозмущенным. Темная поверхность конуса разделила весь океан на две области – возмущенную и невозмущенную. Внутри конуса нас оглушает рев самолета, вне его царит абсолютное безмолвие.

Рис. 55. Так образуется конус возмущения при движении в воздухе какой-нибудь частицы со сверхзвуковой скоростью

Для появления этой картины в нашем синем океане не обязательно, конечно, чтобы двигалась именно звучащаячастица. Мы увидим ту же картину и в том случае, если движущаяся частица будет «молчать». Перед движущимся телом, а значит и перед нашей частицей, воздух немного сжимается, давление его несколько повышается. Это повышение давления, небольшое по величине, будет распространяться во все стороны по тем же законам, что и звук, ибо звук тоже есть небольшое повышение давления. Судя по самой картине, мы даже не сможем сказать, звучит движущаяся частица или она безмолвна. При сверхзвуковом движении «безмолвной» частицы в синем океане появится тот же конус «возмущения». Вне этого конуса воздушный океан не получает никаких сигналов о движении частицы – все возмущения скрыты внутри этого конуса.

Оказывается, чтобы увидеть конус возмущения, вызываемого телом, движущимся со сверхзвуковой скоростью, вовсе не обязательно пользоваться искусственным «синим» воздухом, чувствительным к малейшему изменению давления. С помощью специальных методов можно сфотографировать такой конус и в обычном воздухе, пользуясь тем, что при уплотнении воздуха в волне возмущения меняются его оптические свойства. Эти методы позволяют сделать видимыми невидимые простым глазом явления в реальном прозрачном воздушном океане.

Можно увидеть подобный «сверхзвуковой» конус и простым глазом, но только не в воздухе, а на поверхности воды. Физические причины возникновения конуса возмущения в этом случае оказываются другими, они не связаны со скоростью звука, но сама по себе картина получается в точности такой же. Этой аналогией мы обязаны тем, что по поверхности воды волны тоже движутся с вполне определенной скоростью, как и звук в воздухе. Если по водной глади скользит какая-нибудь букашка со скоростью большей, чем скорость распространения волн, то эта букашка также окажется в вершине конуса возмущения. Все круговые волны, вызванные движением букашки, окажутся заключенными внутри этого конуса, а снаружи его поверхность воды будет попрежнему совершенно гладкой, невозмущенной. Да кто из нас не наблюдал расходящихся по воде в обе стороны «усов», возникающих при быстром движении катера или глиссера?

Но эта аналогия с движением по воде может быть продлена и дальше. Если по воде движется не букашка, а быстроходный катер, то он, рассекая воду, поднимает перед собой мощную волну, водяной вал. По обе стороны от носа катера встают высокие водяные буруны, два водяных вала, которые постепенно, на сравнительно большом расстоянии от катера, превращаются в упомянутые выше обычные «усы».

Нечто похожее происходит и при движении со сверхзвуковой скоростью в воздухе не «точки», а какого-нибудь большого тела. Перед ним возникает мощный воздушный «вал», волна уплотненного воздуха, переходящая в два воздушных «буруна» по обе стороны от тела, и уже только на значительном расстоянии эти «буруны» превращаются в обычный конус возмущения. В синем воздушном океане мы увидим резко очерченную, темную-темную переднюю, или головную, как ее называют, волну, постепенно светлеющую по обе стороны и переходящую в светлую, а значит, слабую коническую волну возмущения.

Вот такая же головная волна возникает и перед движущимся со сверхзвуковой скоростью прямоточным двигателем (рис. 56). Струи воздуха, мчащегося со сверхзвуковой скоростью, наталкиваются на эту волну, на стену уплотненного воздуха. Происходит удар, как о всякую преграду, – не зря эта волна носит название ударной волны. Почти внезапно, на ничтожно коротком расстоянии, давление воздуха резко увеличивается, воздух сжимается, уплотняется. Поэтому ударную волну и называют часто скачком уплотнения. Скорость воздуха в скачке резко уменьшается, и по другую сторону скачка она становится дозвуковой. В зеленом воздушном океане, чувствительном к скорости движения воздуха, цвет невозмущенного океана перед скачком темный-темный, а затем знакомая нам резко очерченная граница отделяет его от светлозеленого воздуха – за скачком воздух движется со скоростью, меньшей скорости звука. Чем больше была скорость до скачка, тем меньше она становится после него, значит, тем резче, сильнее, или, как говорят, интенсивнее, этот скачок.

Какое же влияние оказывает образование скачка уплотнения перед диффузором на работу прямоточного воздушно-реактивного двигателя?

Рис. 56. Перед диффузором двигателя, летящего со сверхзвуковой скоростью, образуется головная волна:

а– схема волны; б– фотоснимок волны, полученный в сверхзвуковой аэродинамической трубе

Оказывается, образование скачка уплотнения воздуха перед диффузором приводит к значительному ухудшению характеристик прямоточного (как и любого другого) воздушно-реактивного двигателя. Это объясняется тем, что сжатие в скачке очень невыгодно, оно связано с большими потерями энергии, так как струя воздуха, проходящая через скачок, претерпевает удар. Всякий же удар, как известно, все равно, твердых тел или жидких и газообразных веществ, представляет собой резкое, мгновенное уменьшение скорости движения. При ударе часть кинетической энергии движущегося тела переходит в тепло и, таким образом, теряется, так как не может быть использована для совершения механической работы. Это тепло, например, расплавляет свинцовую пулю, ударившуюся о стальную броню, или испаряет ворвавшийся с огромной скоростью в земную атмосферу небесный камень, в результате чего образуется метеор – падающая звезда. То же происходит и с воздушной струей, проходящей через скачок уплотнения. Чем интенсивнее скачок, т. е. чем сильнее уменьшается в нем скорость потока, тем больше эта потеря энергии в скачке.

Так как часть кинетической энергии воздушного потока в скачке уплотнения переходит в тепло, то давление в струе за скачком будет меньше, чем было бы при условии постепенного торможения до этой же скорости, т. е. в случае, когда вся кинетическая энергия затрачивается на сжатие воздуха.

Особенно велики потери в так называемом прямом скачке уплотнения, т. е. в таком, который располагается перпендикулярно направлению струи. А такой скачок и возникает перед диффузором движущегося со сверхзвуковой скоростью воздушно-реактивного двигателя, в передней части головной волны. Насколько велики эти потери, видно из того, что при скорости полета, вдвое превосходящей скорость звука, давление за скачком будет примерно на 30% меньше, чем при плавном торможении до той же скорости. А при скорости полета, равной четырем скоростям звука, давление в скачке увеличится в 20 раз, тогда как при плавном, постепенном торможении без потерь оно выросло бы в 150 раз, т. е. в 7,5 раза сильнее!

Мы видим, что особенно велики потери в скачке в тех случаях, когда велика скорость потока перед скачком, т. е. при больших скоростях полета. А ведь именно для этих скоростей, как указывалось выше, и предназначены главным образом прямоточные двигатели. Поэтому проблема уменьшения потерь при сжатии воздуха приобретает для прямоточных воздушно-реактивных двигателей первостепенное значение – от решения этой проблемы в большой степени зависит будущее этих двигателей. Ведь уменьшение давления внутри прямоточного двигателя означает уменьшение его тяги и увеличение расхода топлива. Достаточно указать, например, что при скорости полета, равной утроенной скорости звука, потери в скачке уменьшают тягу двигателя в четыре раза и увеличивают удельный расход топлива на 1 кгтяги более чем на 70%.

Но как можно уменьшить эти потери, если нельзя устранить их причину, т. е. скачок перед двигателем?

Ключ к такому уменьшению потерь при сжатии воздуха, поступающего в двигатель при сверхзвуковой скорости полета, был найден советскими учеными – академиком С. А. Христиановичем, членом-корреспондентом Академии наук СССР Г. И. Петровым и другими. Он заключается в замене прямого скачка перед двигателем косым скачком, т. е. таким скачком, который располагается под углом к направлению потока.

Теория и опыт показывают, что потери энергии в косом скачке оказываются меньшими, чем в прямом. Это связано с особенностями течения воздуха через косой скачок. Для того чтобы понять эти особенности, используем следующий прием (рис. 57). Разложим скорость потока на две составляющие, используя правило параллелограмма скоростей. Одна из этих составляющих будет направлена перпендикулярно плоскости скачка, а другая – параллельно ей. И вот оказывается, что при течении воздуха через косой скачок этот скачок скажется лишь на той составляющей истинной скорости потока, для которой он является, прямым,т. е. на составляющей, перпендикулярной скачку. Вторая составляющая, параллельная скачку, не изменится вовсе. Так бывает и в случае удара твердых тел – прямой удар камня или пули о стенку будет всегда более сильным, чем косой, рикошетирующий.

Это обстоятельство приводит к двум важным следствиям. Во-первых, направление потока при переходе через косой скачок изменится, тогда как прямой скачок направления потока не изменяет, уменьшая лишь величину скорости. Направление же потока за косым скачком изменится так, что угол между потоком и скачком уменьшится. Во-вторых, и это для нас самое главное, интенсивность косого скачка будет меньшей чем прямого. А ведь чем интенсивнее скачок, чем больше разница скоростей до скачка и после него, чем круче получается эта ступенька изменения скорости, тем больше потери в скачке.

Рис. 57. Интенсивность косого скачка меньше, чем прямого:

а– прямой скачок; б—косой скачок; 1– скорость после скачка сверхзвуковая; 2– скорость после скачка дозвуковая

Почему же косой скачок менее интенсивен, чем прямой при одинаковой скорости перед скачком? Да именно потому, что косой скачок – это скачок не для всей скорости потока, а только для одной его составляющей, меньшей, чем вся скорость. А когда скорость перед скачком уменьшается, то за скачком она становится больше, чем раньше, т. е. интенсивность скачка уменьшается, уменьшаются и потери.

Рис. 58. Угол косого скачка зависит от скорости движения

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 1на 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/см ²;

в случае одного косого и одного прямого скачка – 2,5 кг/см ²;

в случае двух косых и одного прямого скачка – 4,0 кг/см ²;

в случае трех косых и одного прямого скачка – 5,0 кг/см ².

В случае же постепенного, плавного торможения без потерь давление в камере сгорания двигателя достигло бы 8,3 кг/см ².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.

Разумеется, даже самый высокоэкономичный двигатель никому не нужен, если он развивает ничтожную тягу. В чем же здесь дело?

Секрет этого ухудшения характеристик прямоточного двигателя при очень больших скоростях полета связан с увеличением температуры воздуха, сжимаемого под действием скоростного напора. Сам по себе этот нагрев при сжатии совершенно естественен – вспомните, как нагревается даже простой велосипедный насос, когда им энергично накачивают шину. Но при тех огромных скоростях полета, о которых в данном случае идет речь, воздух, поступающий в двигатель, может оказаться нагретым на многие сотни и даже тысячи градусов. Так, если температура атмосферного воздуха равна 15° С, то при полете со скоростью 50 м/секзаторможенный воздух окажется нагретым до 17° С, т. е. всего на 2° С. Если же скорость полета будет вдвое превышать скорость звука, то температура заторможенного воздуха достигнет 245° С. При полете со скоростью, в 10 раз превышающей скорость звука, воздух, поступающий внутрь двигателя, будет иметь температуру выше 5000° С.

Совершенно очевидно, что из-за этого нагрева воздуха существует какая-то предельно допустимая скорость полета; при большей скорости прямоточный двигатель работать не сможет, так как его стенки расплавятся. Какова же эта предельная скорость, при которой наступит «тепловая смерть» двигателя?

Естественно, она определяется жаропрочностью материала, из которого изготовлен двигатель. При сгорании топлива в атмосферном воздухе температура газов достигает 2000—2100° абс. Эту температуру можно считать предельно допустимой для двигателя. Но значит ли это, что такая температура допустима для воздуха, поступающего в двигатель? Нет, конечно, ибо при сгорании топлива температура воздуха должна повышаться, иначе двигатель не будет развивать тяги.

Следовательно, по мере увеличения скорости полета и соответственно температуры воздуха, поступающего в двигатель, нагрев воздуха при сгорании топлива должен становиться все меньшим и меньшим, если мы хотим, чтобы максимальная температура в двигателе не превосходила определенного значения. Но это значит, что по мере роста скорости полета в двигателе можно сжигать все меньше топлива. В конце концов, очевидно, будет достигнута такая предельная скорость полета, при которой вообще сжигание топлива будет исключено, так как уже сам воздух, поступающий в двигатель, будет иметь максимально допустимую температуру. Очевидно, что при этой предельной скорости двигатель уже не сможет развивать никакой тяги.