Карл Гильзин - Воздушно-реактивные двигатели
Несомненные перспективы имеет и так называемый ракетно-прямоточный двигатель. В этой силовой установке прямоточный воздушно-реактивный двигатель сочетается с жидкостным ракетным двигателем, который устанавливается, например, в центральном теле прямоточного (рис. 68). Взлет осуществляется с помощью ракетного двигателя, он же разгоняет летательный аппарат до больших скоростей полета. Затем работают оба двигателя или один прямоточный. Если полет должен совершаться на очень больших высотах, больших 30—40 км, где прямоточный двигатель нельзя использовать работать из-за разреженности воздуха, то там также может работать один ракетный двигатель, не нуждающийся, как известно, для этого в воздухе. Включение ракетного двигателя на больших высотах может оказаться целесообразным также потому, что тяга прямоточного двигателя с увеличением высоты полета уменьшается примерно пропорционально плотности воздуха, тогда как ракетный двигатель на большой высоте развивает даже большую тягу, чем у земли.
Рис. 68. Ракетно-прямоточный двигатель
Однако рассмотренные комбинации прямоточного воздушно-реактивного двигателя с двигателями другого типа (кроме форсажной камеры турбореактивного двигателя, если ее рассматривать в качестве такой комбинации) пока не вышли из стадии экспериментирования. Впрочем, и сам прямоточный воздушно-реактивный двигатель по существу еще не вышел из этой стадии. До сих пор нет ни одного самолета с прямоточным воздушно-реактивным двигателем, который находился бы в эксплуатации. Имеются лишь единичные экспериментальные самолеты, подобные, например, изображенному на рис. 69. Для взлета этот небольшой самолет с прямоточным двигателем устанавливается сверху, «на хребет» другого, тяжелого самолета-матки. Только в воздухе, при достижении самолетом-маткой относительно большой скорости полета, запускается прямоточный воздушно-реактивный двигатель несомого ею самолета, и этот самолет начинает самостоятельный полет. Два летчика этого экспериментального самолета находятся в центральном теле двигателя, корпусом которого служит фюзеляж самолета. На другой модификации этого самолета, кроме прямоточного, установлен и жидкостный ракетный двигатель, так что он в состоянии совершать самостоятельный взлет.
Рис. 69. Самолет с прямоточным воздушно-реактивным двигателем (указаны его примерные размеры и вес): а — общий вид и схема устройства; б — установка самолета на «матке»; в — самолет в самостоятельном полете после отделения от «матки»
Прямоточные воздушно-реактивные двигатели находят применение и на вертолетах. Вертолетами называются летательные аппараты, у которых подъемная сила создается не крылом, а горизонтальным несущим винтом большого диаметра. Вертолеты обладают способностью вертикально взлетать и садиться, а следовательно, для них не нужны большие аэродромы. Они могут неподвижно «висеть» в воздухе, передвигаться с очень малой скоростью, недоступной самолетам, или передвигаться назад, в сторону и т. д. Эти замечательные качества вертолетов обеспечили им быстрое развитие в последние годы.
Рис. 70. Вертолет с реактивным приводом (несущий винт приводится во вращение прямоточными воздушно-реактивными двигателями, установленными на концах лопастей)
В первой летавшей модели, явившейся прообразом вертолета, предложенной более двухсот лет назад великим русским ученым М. В. Ломоносовым, несущий винт приводился во вращение часовой пружиной. На большинстве современных вертолетов для этой цели устанавливаются мощные поршневые авиационные двигатели.
Однако имеются и такие вертолеты, на которых вращение несущего винта осуществляется с помощью воздушно-реактивных двигателей — пульсирующих или прямоточных (рис. 70). Эти двигатели устанавливаются непосредственно на лопастях несущего винта. Вследствие этого отпадает надобность в сложной и тяжелой передаче от двигателя к винту, которая имеется на каждом вертолете с поршневым двигателем. Установка прямоточного или пульсирующего воздушно-реактивного двигателя непосредственно на лопастях несущего винта становится возможной благодаря исключительно малому их весу и сравнительно небольшим размерам. Но расход топлива у этих вертолетов оказывается пока еще значительно большим, чем у обычных вертолетов с поршневыми двигателями. Поэтому реактивные вертолеты выгодно применять в тех случаях, когда важно максимально уменьшить вес вертолета, а продолжительность полета не имеет большого значения. Можно полагать, что в ходе дальнейшего развития вертолетов для привода несущего винта найдут широкое применение как пульсирующие, так и прямоточные воздушно-реактивные двигатели.
Прямоточные воздушно-реактивные двигатели обладают тем преимуществом по сравнению с пульсирующими, что во время работы они не издают такого сильного шума. Однако для запуска прямоточного двигателя несущий винт вертолета нуждается в предварительной раскрутке при помощи какого-нибудь стартера, тогда как при установке пульсирующего двигателя это не является обязательным.
Прямоточный воздушно-реактивный двигатель имеет большие перспективы применения в беспилотной авиации и в так называемых управляемых снарядах. Это объясняется относительной простотой конструкции, малым весом и дешевизной этих двигателей, что очень важно для оружия одноразового применения. На рис. 71 сверху изображен управляемый по радио беспилотный самолет с дозвуковым прямоточным двигателем, предназначенный для использования в качестве «летающей цели» при тренировке летчиков в воздушной стрельбе. Снизу на том же рисунке показан тяжелый сверхзвуковой управляемый зенитный снаряд для борьбы с самолетами противника. Для взлета этот снаряд снабжается жидкостным ракетным двигателем. Скорость полета снаряда достигает почти 2500 км/час.
Рис. 71. Беспилотные самолеты: вверху — беспилотный «самолет-цель» с дозвуковым прямоточным воздушно-реактивным двигателем; внизу — управляемый зенитный снаряд со сверхзвуковым прямоточным воздушно-реактивным и жидкостным ракетным двигателями
Но наиболее полно возможности прямоточного воздушно-реактивного двигателя могут быть реализованы в авиации сверхзвуковых скоростей. В определенном диапазоне сверхзвуковых скоростей полета никакой другой авиационный двигатель не сможет сравниться с прямоточным воздушно-реактивным двигателем по основным техническим характеристикам, что наглядно иллюстрируется графиками, изображенными на рис. 72. В отношении веса, приходящегося на 1 л. с. мощности, прямоточный двигатель при скоростях полета, в 3—4 раза превосходящих скорость звука, слегка уступает только жидкостному ракетному двигателю. При этих скоростях прямоточный двигатель способен развивать 400—500 л. с. на 1 кг своего веса. Это значит, что двигатель мощностью в 100 000 л. с. будет весить всего 200—250 кг, что недостижимо ни для одного другого двигателя, кроме жидкостного ракетного.
Рис. 72. При сверхзвуковых скоростях полета прямоточные двигатели не имеют конкурентов, что иллюстрируется графиками:
а — график зависимости мощности, развиваемой двигателем на 1 кг его веса, от скорости полета; б — график зависимости расхода топлива двигателем на 1 кг развиваемой им тяги от скорости полета; в — график зависимости относительной дальности полета самолетов с различными двигателями от скорости полета
Но жидкостный ракетный двигатель значительно уступает прямоточному воздушно-реактивному двигателю в отношении экономичности, т. е. по расходу топлива. При подобных скоростях полета прямоточный двигатель расходует всего 2 кг топлива в час на каждый килограмм развиваемой им тяги, тогда как жидкостный ракетный двигатель расходует топлива в 8 раз больше! Это, впрочем, неудивительно, так как топливо для ракетного двигателя — это не только горючее, как в прямоточном, но и окислитель, который тоже должен находиться на борту летательного аппарата. Другие воздушно-реактивные двигатели, использующие атмосферный кислород, как и прямоточный, при скорости полета, в 3—4 раза превышающей скорость звука, также намного уступают ему в отношении экономичности.
Дальность полета, достижимая с помощью того или иного двигателя, зависит как от его веса, так и от количества расходуемого им топлива. Неудивительно, что при указанных выше огромных скоростях полета прямоточный двигатель оказывается в состоянии обеспечить наибольшую относительную дальность.
Однако следует оговориться, что кривые, показанные на рис. 72, построены для того случая, когда каждому значению скорости полета соответствует своя, наивыгоднейшая конструкция прямоточного воздушно-реактивного двигателя. Если допустим, что один и тот же двигатель совершает полет во всем диапазоне скоростей, то при скоростях, отличных от расчетной для данного двигателя, его характеристики будут ухудшаться. Это становится очевидным хотя бы из рассмотрения рис. 73, на котором показано, как изменяются условия работы диффузора сверхзвукового прямоточного двигателя при изменении скорости полета. На расчетном режиме, т. е. при полете с определенной расчетной скоростью, косой скачок на входе в двигатель располагается так, как показано на среднем рисунке. Если скорость полета уменьшается, то угол скачка увеличивается, вследствие чего в двигатель начинает поступать меньше воздуха, часть его будет как бы «выплескиваться». Конечно, тяга двигателя из-за этого, а также и из-за увеличения потерь при сжатии уменьшится. Если же скорость полета увеличится по сравнению с расчетной, то угол скачка уменьшится и он переместится внутрь диффузора. Такой режим также приведет к уменьшению тяги из-за увеличения потерь при сжатии воздуха.
