Карл Гильзин - Воздушно-реактивные двигатели
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 N в лошадиных силах равна произведению силы тяги Р в килограммах на скорость полета V в метрах в секунду, т. е.
(деление на 75 связано с переходом от килограммометров к лошадиным силам). Если, например, скорость полета самолета V равна 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 V увеличится 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?
