Воздушно-реактивные двигатели - [41]

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/см²;

в случае одного косого и одного прямого скачка — 2,5 кг/см²;

в случае двух косых и одного прямого скачка — 4,0 кг/см²;

в случае трех косых и одного прямого скачка — 5,0 кг/см².

В случае же постепенного, плавного торможения без потерь давление в камере сгорания двигателя достигло бы 8,3 кг/см². 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/сек заторможенный 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.