Воздушно-реактивные двигатели

Гильзин Карл Александрович

Теория и опыт показывают, что потери энергии в косом скачке оказываются меньшими, чем в прямом. Это связано с особенностями течения воздуха через косой скачок. Для того чтобы понять эти особенности, используем следующий прием (рис. 57). Разложим скорость потока на две составляющие, используя правило параллелограмма скоростей. Одна из этих составляющих будет направлена перпендикулярно плоскости скачка, а другая — параллельно ей. И вот оказывается, что при течении воздуха через косой скачок этот скачок скажется лишь на той составляющей истинной скорости потока, для которой он является, прямым,т. е. на составляющей, перпендикулярной скачку. Вторая составляющая, параллельная скачку, не изменится вовсе. Так бывает и в случае удара твердых тел — прямой удар камня или пули о стенку будет всегда более сильным, чем косой, рикошетирующий.

Это обстоятельство

приводит к двум важным следствиям. Во-первых, направление потока при переходе через косой скачок изменится, тогда как прямой скачок направления потока не изменяет, уменьшая лишь величину скорости. Направление же потока за косым скачком изменится так, что угол между потоком и скачком уменьшится. Во-вторых, и это для нас самое главное, интенсивность косого скачка будет меньшей чем прямого. А ведь чем интенсивнее скачок, чем больше разница скоростей до скачка и после него, чем круче получается эта ступенька изменения скорости, тем больше потери в скачке.

Рис. 57. Интенсивность косого скачка меньше, чем прямого:

а— прямой скачок; б—косой скачок; 1— скорость после скачка сверхзвуковая; 2— скорость после скачка дозвуковая

Почему же косой скачок менее интенсивен, чем прямой при одинаковой скорости перед скачком? Да именно потому, что косой скачок — это скачок не для всей скорости потока, а только для одной его составляющей, меньшей, чем вся скорость. А когда скорость перед скачком уменьшается, то за скачком она становится больше, чем раньше, т. е. интенсивность скачка уменьшается, уменьшаются и потери.

Рис. 58. Угол косого скачка зависит от скорости движения

Но как можно заменить прямой скачок перед диффузором прямоточного воздушно-реактивного двигателя косым? Ответ на это мы найдем, если внимательно рассмотрим картину сверхзвукового обтекания какого-нибудь тела, хотя бы того же прямоточного двигателя. Об этой картине мы уже говорили выше (см. рис. 56). Непосредственно перед телом возникает головная волна, которая в средней части представляет собой прямой скачок. Далее, с обеих сторон эта головная волна переходит в косой скачок и, наконец, в обычную границу слабых, т. е. звуковых возмущений. Вспомните глиссер на реке: там спереди возникает мощный вал, затем буруны по бокам и только потом образуются обычные «усы».

Как неудачно получается, что именно перед входным отверстием двигателя располагается невыгодный прямой скачок! Если можно было бы заставить воздух, втекающий в двигатель, проходить не через этот прямой скачок, а в стороне от него, где скачок становится уже косым, то потери значительно уменьшились бы. Но как можно это сделать?

Советские ученые нашли правильное решение, открывшее широкие возможности улучшения характеристик прямоточного воздушно-реактивного двигателя. Оказывается, когда в сверхзвуковом потоке движется тело, имеющее спереди острый носок или острую переднюю кромку, то прямого скачка не возникает вовсе. В этом случае на острие носка, как говорят, «садится» косой скачок, тем больше «заостренный», чем больше скорость полета (рис. 58). Что же нужно сделать для того, чтобы и прямоточный двигатель имел впереди такой же острый носок?

Для этого достаточно разместить внутри диффузора двигателя какое-нибудь тело, имеющее длинный, выступающий вперед носок. Так во всех случаях и поступают при проектировании сверхзвукового прямоточного воздушно-реактивного двигателя — внутри его диффузора помещают так называемое «центральное тело». Поэтому сверхзвуковой прямоточный воздушно-реактивный двигатель легко отличить от дозвукового — из диффузора сверхзвукового двигателя всегда выглядывает направленное вперед острие центрального тела. Но, может быть, центральное тело, загораживая проходное сечение двигателя, уменьшает количество протекающего через него воздуха и, значит, тягу? Нет, так не получается: для этого угол конусности диффузора уменьшается, диффузор делается более пологим. Некоторое же увеличение веса двигателя, связанное с установкой центрального тела, вполне окупается выигрышем в тяге и удельном расходе топлива. Кроме того, центральное тело наряду с основным

назначением, т. е. созданием косого скачка перед входом в двигатель, служит еще для размещения внутри него различных вспомогательных агрегатов, необходимых для работы двигателя (рис. 59). Как можно судить по рис. 59, прямоточный воздушно-реактивный двигатель прост только по принципиальной схеме, в действительности он является довольно сложной машиной. Все агрегаты — регуляторы, насосы для подачи топлива, агрегаты системы зажигания и другие — удобнее всего размещать внутри двигателя, а не снаружи, где они привели бы к увеличению габаритов двигателя и, следовательно, к увеличению его сопротивления, что особенно недопустимо при сверхзвуковом полете. Имеются даже попытки разместить в центральном теле прямоточного воздушно-реактивного двигателя, установленного на самолете, летчика этого самолета; об этом будет рассказано ниже.

Рис. 59. Конструктивная схема прямоточного воздушно-реактивного двигателя. Центральное тело используется для размещения вспомогательных агрегатов:

1— центральное тело; 2— регулятор; 3— подача топлива; 4— пневмотурбина; 5— топливная форсунка; 6— реактивное сопло; 7— горелка; 8— запальная свеча; 9— воздушный патрубок; 10— генератор; 11— насос; 12— прибор зажигания; 13 —топливный бак

Но простая замена прямого скачка перед входом в двигатель косым, оказывается, не до конца решает задачу уменьшения потерь при торможении и сжатии воздуха, поступающего в двигатель. Если косой скачок мало наклонен по отношению к направлению поступающего в двигатель воздушного потока, т. е. близок к прямому скачку, то и потери в таком скачке будут близкими к потерям в прямом скачке. Если же косой скачок будет сильно наклонен к направлению потока, то потери в нем будут малыми, но такой скачок не решит задачи, так как скорость потока за ним будет все еще очень большой, значительно превышающей скорость звука (см. скачок 1на рис. 57); поэтому в потоке за этим скачком снова возникнет прямой скачок с большими потерями.

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/см ²;

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

в случае двух косых и одного прямого скачка — 4,0 кг/см ²;