Карл Гильзин - Воздушно-реактивные двигатели
Образование теплового подпора объясняется следующим.
Когда происходит сгорание топлива, то за счет выделяющегося при этом тепла температура воздуха, протекающего через двигатель, повышается (для простоты мы считаем здесь, как и выше, что сгорание есть простой подогрев воздуха). Но объем горячего воздуха больше, чем холодного, поэтому для прохода того же количества горячего воздуха нужны и большие проходные сечения. Правда, скорость горячего воздуха тоже увеличивается, однако увеличение скорости не компенсирует роста объема воздуха, и потребные проходные сечения с ростом температуры воздуха растут. Так как в действительности площадь выходного отверстия двигателя остается неизменной, то при сгорании оно не может пропускать прежнего количества воздуха. Поэтому при увеличении температуры продуктов сгорания количество воздуха, протекающего через двигатель, уменьшается.
Подвод тепла к потоку воздуха в двигателе вызывает еще одно интересное и важное явление. Так как средняя часть двигателя — камера сгорания — представляет собой цилиндрическую трубу и ее проходное сечение по длине остается неизменным, то по мере увеличения температуры воздуха и, следовательно, его объема скорость движения воздуха вдоль камеры сгорания растет. Но если растет скорость и, следовательно, кинетическая энергия воздушного потока, то должна уменьшаться его потенциальная энергия, т. е. давление воздуха при подводе тепла должно падать (рис. 51). Так и происходит в действительности в двигателе — давление в камере сгорания не остается постоянным, оно уменьшается тем сильнее, чем больше увеличение температуры воздуха (газов) в результате сгорания. Если бы мы хотели сохранить давление в камере сгорания постоянным, то следовало бы сделать ее не цилиндрической, а в виде расширяющейся трубы (рис. 52).
С явлением теплового подпора связан один интересный парадокс, относящийся к прямоточным двигателям. Мы говорили выше о той роли, которую играет в двигателе диффузор — он обеспечивает сжатие воздуха. Но вместе с тем мы знаем, что в результате теплового подпора давление воздуха вследствие его торможения перед двигателем увеличивается. Может быть, это позволит обойтись вообще без диффузора? А может быть, и сопло не нужно — ведь в результате сгорания увеличивается и скорость воздуха, текущего по камере сгорания? Но во что же превратится прямоточный воздушно-реактивный двигатель, если мы лишим его диффузора и сопла? В простую тонкостенную цилиндрическую трубу — камеру сгорания. Может ли такая труба развивать тягу?
Рис. 51. Так меняется давление в работающем (в полете) прямоточном воздушно-реактивном двигателе при разных величинах площади выходного сечения. Кривые показывают отношение избыточного давления в двигателе к скоростному напору набегающего потока воздуха (избыточное давление соответствует знаку +, разрежение — знаку —). Здесь показана и форма потока перед двигателем:
а — сечение входного отверстия таково, что давление воздуха перед двигателем не меняется, б — входное отверстие уменьшено, воздух перед двигателем тормозится! его давление увеличивается, в — входное отверстие увеличено, воздух перед двигателем разгоняется, давление его уменьшается
Конечно, не может.
В самом деле, представьте себе такую трубу. В нее с большой скоростью втекает воздух и с еще большей скоростью, получающейся в результате подогрева, вытекает из нее. Следовательно, в двигателе воздух ускоряется, а это неизбежно связано с образованием реактивной силы Но тогда выходит, что такая труба все-таки может быть двигателем, так как она как будто должна развивать тягу. Однако на самом деле этого не получается. Чтобы со стороны воздуха (газов) на двигатель действовала какая-либо сила, внутри него должна быть такая поверхность, на которую действовало бы избыточное давление воздуха (силами трения воздуха о внутреннюю поверхность двигателя пренебрегаем). В прямоточном воздушно-реактивном двигателе сила тяги создается давлением воздуха, протекающего через двигатель, на внутреннюю поверхность стенки диффузора, именно здесь «приложена» сила тяги этого двигателя. Но в цилиндрической трубе такой поверхности нет. Понятно, что давление на стенки цилиндра не может дать силу тяги, которая должна быть направлена по оси двигателя, т. е. параллельно этим стенкам. Значит, действительно, такая труба не может развивать силу тяги. Где же мы ошибаемся?
Рис. 52. Таким должен быть прямоточный двигатель, чтобы давление в его камере сгорания не менялось. Сверху показано изменение давления в двигателе, снизу — изменение скорости
Ошибка эта на первый взгляд незаметна, и надо сказать, что описанный здесь парадокс нередко ставил в тупик начинающих знакомиться с прямоточным двигателем. Разгадка заключается в том, что, оказывается, не весь воздух, поступающий в двигатель спереди, вытекает из него через выходное отверстие. Часть воздуха, попав в двигатель, меняет направление на обратное и вытекает из него вперед через входное отверстие (рис. 53). Соотношение количеств воздуха, вытекающего через входное и выходное отверстия, получается таким, что результирующее воздействие воздуха на двигатель, представляющий собой цилиндрическую трубу, равняется нулю.
Рис. 53. Двигатель без диффузора тяги не создает, так как часть воздуха, попав в двигатель, меняет свое направление на обратное и вытекает вперед, в результате чего результирующее воздействие воздуха на двигатель равно нулю
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).
