Карл Гильзин - Воздушно-реактивные двигатели
Наибольшие трудности, связанные со сгоранием в прямоточном двигателе, возникают как раз тогда, когда двигатель предназначается для полета с большими скоростями, намного превышающими скорость звука, и на очень больших высотах, что и характерно для использования прямоточного двигателя. Когда растет скорость полета, то обычно увеличивается и скорость воздушного потока в камере сгорания, а вместе с ней растут и трудности стабилизации горения. Большие неприятности часто создают мощные пульсации и колебания воздушного потока в камере сгорания, из-за чего пламя начинает сильно вибрировать. При этом не только резко снижается тяга и увеличивается расход топлива, но сам двигатель может легко выйти из строя. Еще хуже обстоит дело со сгоранием при увеличении высоты полета. А ведь полет со скоростью, в 2—3 раза превышающей скорость звука, возможен только на весьма больших высотах, где воздух крайне разрежен и, следовательно, не оказывает такого большого сопротивления летящему самолету, как на малых высотах. Вблизи земли это сопротивление так велико, что полет со скоростью, в 2—3 раза превышающей скорость звука, становится практически невозможным. Невозможен он еще и потому, что при полете с такими большими скоростями в плотной атмосфере оболочка самолета может сильно разогреться: на больших высотах в разреженном воздухе этого не происходит. Но именно разреженность воздуха создает особые, пока еще до конца не преодоленные трудности в работе камеры сгорания прямоточного, да и других воздушно-реактивных двигателей. Оказывается, что при увеличении высоты полета в работе камеры сгорания двигателя, вполне
удовлетворительно работавшего у земли и на меньших высотах, наступают перебои. Пламя начинает пульсировать, а затем срывается и гаснет. Это объясняется тем, что скорость сгорания топлива при увеличении высоты полета резко уменьшается, так как уменьшаются давление и температура воздуха в камере сгорания двигателя. Мало того, при значительном увеличении высоты полета топливовоздушную смесь в камере сгорания вообще не удается воспламенить.
Обеспечение нормального сгорания топливовоздушной смеси при больших скоростях и высотах полета является в настоящее время основной проблемой развития прямоточных воздушно-реактивных двигателей. Можно не сомневаться в том, что эта проблема будет в недалеком будущем решена. Тем самым для прямоточных двигателей будут открыты именно те области применения, в которых они не имеют себе равных среди всех других авиационных двигателей. Тогда авиация сделает еще один громадный скачок вперед в отношении скоростей и высот полета. Это — дело авиации завтрашнего дня.
Чтобы закончить наш рассказ о сгорании в прямоточном воздушно-реактивном двигателе, следует еще раз подчеркнуть огромное превосходство этого двигателя перед турбореактивным. Это превосходство связано с допустимой температурой сгорания. Мы знаем, что лопатки турбины ограничивают максимальную температуру газов, выходящих из камеры сгорания турбореактивного двигателя. Поэтому в турбореактивном двигателе участвует в сгорании лишь около четверти всего воздуха, протекающего через камеру сгорания. Остальной воздух служит для охлаждения продуктов сгорания — он добавляется к ним уже за зоной горения. В прямоточном двигателе такого ограничения нет, ибо нет и турбины. Здесь для сгорания топлива можно использовать весь кислород, заключенный в воздухе. Поэтому при том же количестве протекающего через двигатель воздуха в прямоточном воздушно-реактивном двигателе удается сжигать в 3—4 раза больше топлива и получить в результате этого соответственно большую тягу с единицы площади «лба» двигателя. А ведь в таком увеличении этой удельной лобовой тяги, а следовательно, и мощности, приходящейся на единицу площади вредной лобовой поверхности двигателя (вредной потому, что именно с ней связано лобовое сопротивление двигателя), и лежит ключ к увеличению скорости полета.
В турбореактивном двигателе газы, выходящие из камеры сгорания, имеют температуру не более 850—900° С. В прямоточном двигателе эта температура превышает 1500—1600° С. Поэтому реактивная струя, вытекающая из сопла турбореактивного двигателя в атмосферу, имеет температуру 600—650° С, тогда как из прямоточного двигателя через сопло вытекают газы с температурой до 1500° С. Это надо всегда иметь в виду при установке двигателя на летательный аппарат. Небрежность конструктора в этом отношении может вызвать непоправимую катастрофу.
Мы познакомились в основном с двумя важнейшими частями прямоточного воздушно-реактивного двигателя — диффузором и камерой сгорания, и только вскользь — с соплом, являющимся третьей основной частью двигателя. В сопле газы, выходящие из камеры сгорания, расширяются и скорость их движения соответственно увеличивается, без чего нельзя получить большую тягу двигателя. В дозвуковом прямоточном воздушно-реактивном двигателе реактивное сопло имеет обычно такую же форму конической сходящейся трубы, как и сопло турбореактивного двигателя. Но, оказывается, в прямоточном двигателе можно и вовсе обойтись без сопла. В этом случае прямоточный воздушно-реактивный двигатель станет еще более простым по внешним очертаниям — он превратится в простую цилиндрическую трубу с коническим диффузором спереди, без которого, как уже говорилось выше, обойтись нельзя. Но почему же можно обойтись без сопла, где в этом случае будет происходить необходимое расширение газов и увеличение их скорости движения?
Оказывается, функции сопла можно передать камере сгорания. Выше отмечалось, что при горении топлива в цилиндрической камере сгорания скорость течения газов увеличивается, так как газы расширяются. Можно добиться и того, чтобы это расширение газов в камере сгорания произошло вплоть до атмосферного давления. Тогда, очевидно, и не будет надобности ни в каком сопле.
Иначе обстоит дело в сверхзвуковом прямоточном воздушно-реактивном двигателе. Так как скорость истечения газов из такого двигателя может значительно превосходить скорость звука, то сопло сверхзвукового двигателя тоже должно быть, как правило, сверхзвуковым. Это значит, что оно должно сначала суживаться, а затем расширяться. Наличие на двигателе такого сопла обычно и свидетельствует о том, что он предназначен для сверхзвукового полета.
В сверхзвуковом прямоточном воздушно-реактивном двигателе функции сопла уже не может выполнять камера сгорания.
В цилиндрической камере сгорания может быть достигнута только скорость звука. Перейти через эту скорость в цилиндрической камере невозможно. Поэтому камера сгорания может заменить только первую, сужающуюся часть сверхзвукового сопла, вторая же, расширяющаяся часть в сверхзвуковом воздушно-реактивном двигателе сохраняется. Следовательно, если сопло двигателя представляет собой простую расширяющуюся трубу, то мы имеем дело со сверхзвуковым двигателем, в котором на выходе из камеры сгорания газы имеют скорость звука.
Глава восьмая
Рождение прямоточного двигателя
Прямоточный двигатель — это двигатель сверхзвукового полета, двигатель завтрашнего дня в авиации и реактивной артиллерии. Мы имеем все основания гордиться тем вкладом, который внесла наша страна в дело создания этого замечательного двигателя.
В нашей стране впервые в истории были созданы и испытаны прямоточные двигатели. Эти двигатели были построены профессором Ю. А. Победоносцевым в 1933 г. Правда, они не были предназначены для установки на самолете, но с ними велись различные исследования.
В нашей стране был совершен и первый в мире полет самолета с прямоточными двигателями. В ясный зимний день 25 января 1940 г. с московского аэродрома им. Фрунзе взмыл в воздух самолет, пилотируемый летчиком П. Е. Логиновым (рис. 64). Это был хорошо известный всему миру советский истребитель, один из лучших истребителей того времени И-15. Но на этом самолете под крылом были установлены какие-то два сигарообразных тела. Это и были испытуемые прямоточные двигатели конструкции И. А. Меркулова. Проект этих двигателей был разработан еще в 1936 г., затем двигатель был построен и подвергнут различным испытаниям. В частности, в мае 1939 г. двигатель был испытан в воздухе, для чего его установили на ракете; между прочим, такой метод испытания прямоточных двигателей стал затем применяться и в других странах. Так была доказана возможность установки прямоточного двигателя на самолете. И вот теперь наступил момент первого полета самолета с прямоточными двигателями. В данном случае прямоточные двигатели играли лишь вспомогательную роль, они помогали основному, поршневому двигателю самолета увеличить скорость полета. Длина каждого из двух двигателей, установленных на этом самолете, равнялась 1,5 м, диаметр — 0,4 м, а вес — всего 12 кг.
