Глава вторая Новая эра в развитии авиации

Глава вторая

Новая эра в развитии авиации

Еще четверть века назад, когда поршневой авиационный двигатель занимал в авиации монопольное положение, каш соотечественник, замечательный ученый и изобретатель, основоположник теории реактивного движения Константин Эдуардович Циолковский утверждал, что будущее в авиации принадлежит не поршневому, а реактивному двигателю. В одной из своих работ, относящихся к 1930 г., он писал: «За эрой аэропланов винтовых должна следовать эра аэропланов реактивных».

В те годы во многих странах к созданию реактивных самолетов относились, как к делу столь далекого будущего, что говорить об этом считалось равносильно утопическим мечтаниям. Но прошло всего одно десятилетие после пророческого заявления Циолковского, и в воздух взлетели первые реактивные самолеты. А спустя еще одно десятилетие появились тысячи реактивных самолетов, с каждым годом отвоевывая у обычных «поршневых» самолетов все новые и новые позиции.

Преимущества реактивных самолетов перед самолетами с поршневыми двигателями настолько очевидны и бесспорны, что теперь нет ни малейшего сомнения в том, что именно реактивной авиации принадлежит будущее. Сейчас можно с полным основанием говорить о том, что применение реактивных двигателей вызвало подлинную техническую революцию в авиации.

В данном случае речь идет не о каких-нибудь технических усовершенствованиях, пусть даже коренных, а именно о революционных преобразованиях. Эти преобразования имеют такое же значение для борьбы человека за покорение воздушного океана, как и само начало моторного летания, положенное историческим полетом самолета Александра Федоровича Можайского.

Вся история развития авиации до появления реактивных самолетов была историей дозвуковых скоростей полета. Скорость полета неизменно росла, но по мере приближения к скорости звука этот рост замедлялся. Перешагнуть через «звуковой барьер» самолет с поршневым двигателем оказался не в состоянии.

Но этот «звуковой барьер» был преодолен в первое же десятилетие новой эры, эры реактивной авиации. Авиация вышла на простор сверхзвуковых скоростей полета. Теперь уже скорость полета будет непрерывно и быстро возрастать.

Конечно, с развитием реактивной авиации по мере увеличения скорости полета будут меняться и типы реактивных двигателей. Будут претерпевать радикальные изменения и конструктивные формы летательных аппаратов и, может быть, сама методика осуществления полета. Нет сомнения в том, что широкое применение в авиации будущего получит атомная энергия, — это откроет новые замечательные перспективы развития авиации. Но основным двигателем авиации останется двигатель реактивный.

В настоящее время широкое применение в авиации нашли реактивные двигатели только одного типа — турбореактивные. Другие типы реактивных двигателей применяются пока еще в очень ограниченных размерах.

Как и в других областях реактивной техники, большие заслуги в области создания и развития реактивной авиации принадлежат ученым и изобретателям нашей страны. Это в полной мере относится и к турбореактивному двигателю.

Первый в мире патент на турбореактивный двигатель был взят в нашей стране инженером Н. Герасимовым в 1909 г. Еще за много лет до этого в нашей стране высказывались различные оригинальные и смелые идеи использования принципа реактивного движения в воздухоплавании и авиации. Эти идеи принадлежали И. М. Третесскому, Н. С. Соковнину, Н. И. Кибальчичу и другим энтузиастам реактивной техники, не говоря уже о классических работах К. Э. Циолковского. Но именно в патенте Н. Герасимова впервые нашли отражение основные принципы турбореактивного двигателя. По существу это было изобретением турбореактивного двигателя.

Однако еще раньше, в 1892 г., выдающийся русский инженер и изобретатель П. Д. Кузьминский предложил, а затем в 1897 г. построил и испытал первый в мире газотурбинный двигатель. Этот двигатель предназначался для использования не в авиации, а в быстроходном надводном флоте. Он был испытан на Неве, для чего изобретатель установил его на катере, предполагая впоследствии установить подобный двигатель и на самолете.

Двигатель П. Д. Кузьминского, названный им «газопарородом», не являлся реактивным двигателем. Этот двигатель вращал гребной винт катера, однако он имел те же основные части, которые имеют и современные турбореактивные двигатели, также являющиеся двигателями газотурбинными.

Двигатель П. Д. Кузьминского можно считать прототипом так называемых турбовинтовых двигателей, которые уже применяются в авиации и имеют несомненное будущее.

Первый газотурбинный двигатель, предназначенный для самолета, был разработан в 1914 г. лейтенантом флота М. Н. Никольским.

В 1924 г. советский инженер-конструктор В. И. Базаров предложил схему авиационного газотурбинного двигателя, который почти во всех основных чертах приближается к современным двигателям этого типа.

В 1930—1932 гг. проекты авиационных газотурбинных двигателей, в том числе и турбореактивного, были предложены К. Э. Циолковским, который наряду с разработкой двигателей для межпланетных кораблей работал также и над реактивными двигателями для самолетов.

Заслуга создания первых авиационных турбореактивных двигателей принадлежит известному советскому авиаконструктору лауреату Сталинской премии А. М. Люлька. Свою работу над этими двигателями он начал еще в 1934 г. и к 1937 г. разработал проекты турбореактивных двигателей двух типов.

Ученым нашей страны принадлежит приоритет в области теории воздушно-реактивных двигателей.

Основоположником теории реактивных двигателей является знаменитый русский ученый, отец русской авиации Николай Егорович Жуковский. В ряде своих классических работ, относящихся к 1882, 1886 и 1908 годам, Жуковский привел выведенную им формулу для определения силы тяги реактивного двигателя. Для получения этой формулы, которая в настоящее время широко используется во всем мире, Жуковскому пришлось теоретически исследовать те усилия, которые оказывает на сосуд, движущийся в жидкой среде (ведь воздух это тоже жидкость), втекающая и вытекающая из него жидкость.

Основываясь на работах Жуковского, его ученик, ныне лауреат Сталинской премии академик Б. С. Стечкин в 1929 г. опубликовал работу «Теория воздушно-реактивного двигателя», которая стала основным трудом в области реактивного двигателестроения.

Советский Союз благодаря теоретическим исследованиям и практической работе коллективов наших авиаконструкторов, мощных научно-исследовательских институтов и заводов авиационной промышленности обладает совершенными турбореактивными двигателями, занимая ведущее место в развитии реактивной авиации.

* * *

1946 год. Прошел всего один год после победоносного завершения Великой Отечественной войны с гитлеровской Германией. Страна праздновала свой первый послевоенный Первомай. В этот день над колоннами демонстрантов высоко в небе Москвы с огромной скоростью пронеслись невиданные до сих пор самолеты. Они и были похожи на обычные самолеты, и многим отличались от них. Вместо привычного рокота двигателей — мощный гул, переходящий иногда в свист; высоко расположенное необычное хвостовое оперение; узкие, отогнутые назад крылья, придававшие этим самолетам вид стремительно летящих стрел; как будто обрубленные спереди и сзади фюзеляжи. Но самое главное — трудно было понять, что заставляет эти самолеты лететь с такой огромной скоростью, что тянет их вперед. На самолетах не было видно ни на фюзеляже, ни на крыле того сверкающего диска, который образует вращающийся с большим числом оборотов воздушный винт; а ведь именно воздушный винт заставляет лететь обычный самолет.

Это были реактивные самолеты. На каждом из них внутри фюзеляжа был установлен турбореактивный двигатель — он-то и создавал необходимую для полета тягу, издавая при этом так поразивший москвичей мощный гул. Теперь этот звук работающего турбореактивного двигателя хорошо знаком не только москвичам, но и всем гражданам нашей Родины, являющимся свидетелями быстрого развития советской реактивной авиации.

Через год с небольшим после этого первого группового полета реактивных самолетов над Москвой, в день традиционного праздника советской авиации 3 августа 1947 года, сотни тысяч москвичей, собравшихся на Тушинском аэродроме, были свидетелями захватывающего по красоте зрелища: советский летчик полковник И. П. Полунин впервые в мире продемонстрировал выполнение фигур высшего пилотажа на реактивном самолете. А в следующем году авиационный праздник был ознаменован блестящим выполнением первого в мире группового высшего пилотажа на реактивных самолетах. Пятерка советских летчиков во главе с генералом Е. Я. Савицким демонстрировала свое замечательное мастерство — следовавшие одна за другой фигуры высшего пилотажа образовывали стремительный каскад, все пять самолетов, казалось, управлялись единой волей, так согласованы были их движения.

* * *

Вот летит скоростной реактивный бомбардировщик. На его крыле хорошо видны длинные сигарообразные тела с как будто срезанными концами (рис. 7). Это гондолы; в них установлены турбореактивные двигатели, которые создают тягу, необходимую для полета реактивного самолета.

Рис. 7. Реактивный бомбардировщик в полете

Как же создается эта тяга? Ответить на этот вопрос, наблюдая летящий самолет, нелегко: ведь воздух прозрачен и простым глазом не удается видеть происходящие в нем изменения.

Другое дело, если бы самолет совершал свой полет в описанном выше искусственном зеленом воздушном океане. Тогда мы увидели бы живописную картину, очень похожую на ту, при помощи которой мы познакомились с работой воздушного винта.

Попробуем проследить за происходящими в нашем зеленом океане явлениями, начиная с самого момента запуска двигателя. Вот турбореактивный двигатель начал работать, и безмятежный ранее зеленый океан заволновался. Как и к вращающемуся винту, к входному отверстию двигателя со всех сторон — сверху, снизу с боков — начали подтекать струйки воздуха, образуя темнозеленую воронку. Чем ближе к входному отверстию, тем темнее окраска воздуха; помните — это значит, что движение воздуха ускоряется. Следовательно, двигатель подсасывает воздух так же, как это делает воздушный винт. Образующаяся перед входным отверстием двигателя воронка, заметная в нашем зеленом океане по более темной окраске, и есть засасываемый в двигатель воздух. В стороне от этой воронки воздух неподвижен и окраска его там совсем светлозеленая. Все напоминает нам картину, виденную и при работе винта. Разница только в том, что воронка перед двигателем гораздо меньше по размерам, чем перед винтом. Это значит, что через двигатель в каждую секунду проходит воздуха значительно меньше, чем через винт.

Теперь посмотрим, что происходит у выходного отверстия двигателя, через которое засосанный в него воздух выходит в атмосферу.

Оказывается, и за двигателем картина также похожа на ту, которую мы наблюдали за вращающимся воздушным винтом. Из двигателя наружу вытекает мощная струя темнозеленого цвета. Ее окраска гораздо темнее, чем цвет воздуха за винтом. Следовательно, воздух, вытекающий из двигателя (точнее, не воздух, а газы, о чем будет сказано ниже), обладает значительно большей скоростью, чем воздух, отбрасываемый назад воздушным винтом.

Итак, мы убедились в том, что турбореактивный двигатель засасывает воздух из окружающей атмосферы и с большой скоростью отбрасывает его назад (рис. 8) точно так же, как это делает воздушный винт.

Мы пока смогли заметить только одно различие в работе винта и двигателя: воздушный винт отбрасывает ежесекундно значительно больше воздуха, чем турбореактивный двигатель (потому что диаметр воздушного винта больше), но зато турбореактивный двигатель отбрасывает газы со значительно большей скоростью.

Рис. 8. Турбореактивный двигатель создает тягу так же, как и воздушный винт, отбрасывая назад с большой скоростью засасываемый воздух (газы)

Правда, есть и еще одно весьма важное различие. Чтобы его заметить, нам нужно было бы воспользоваться другим искусственным воздушным океаном, таким, у которого цвет меняется при изменении не скорости, а температуры воздуха, — с ростом температуры окраска темнеет. Пусть это будет, например, красный воздушный океан. В этом случае мы установили бы, что цвет океана перед работающим винтом и за ним остается практически одинаковым — светлорозовым, так как температура воздуха, протекающего через прозрачный диск, образуемый воздушным винтом при его вращении, не изменяется. При работе турбореактивного двигателя дело будет обстоять иначе. В двигатель будет поступать светлорозовый поток воздуха, а из двигателя вытекать струя, окрашенная в темнокрасный цвет. Это значит, что температура струи гораздо выше, чем температура окружающей атмосферы. Это и понятно — вытекающие из двигателя газы, представляющие собой, как мы увидим ниже, перемешанные с воздухом продукты сгорания топлива, на котором работает двигатель, нагреты до температуры 600—700° С.

Поскольку турбореактивный двигатель непрерывно отбрасывает с большой скоростью газы, то, как и винт, он развивает тягу, необходимую для полета самолета.

Мы видим, что разница между тем, как создает тягу поршневой двигатель с винтом и турбореактивный двигатель, невелика — в обоих случаях тяга создается путем отбрасывания воздуха (для простоты в данном случае можно считать, что из реактивного двигателя вытекают не газы, а раскаленный воздух). Пожалуй, единственная существенная разница в том только и заключается, что винт отбрасывает много воздуха с малой скоростью, а реактивный двигатель — мало воздуха, но с большой скоростью.

Обычный самолет с поршневым двигателем и винтом оставил бы после себя в нашем зеленом океане широкую струю, целую реку воздуха, более темного по своей окраске, чем окружающий океан. Этот воздух двигался бы в сторону, противоположную полету, со сравнительно небольшой скоростью. Если же пролетит реактивный самолет с турбореактивным двигателем, то он оставит за собой сравнительно небольшую по сечению, но темнозеленую струю — это будет уже стремительный поток, мчащийся назад с большой скоростью. Исчезнут из поля зрения, скроются оба самолета, а в зеленом воздушном океане мы все еще будем видеть две темные струи, которые только постепенно размоются, слившись с окружающей средой.

Но если создавать тягу — значит отбрасывать воздух, то нетрудно определить и величину силы тяги, зная, сколько отбрасывается воздух и какую скорость он при этом приобретает. Ведь мы уже знаем, что сила толчка зависит именно от указанных двух величин, — так гласит один из основных законов механики — второй закон Ньютона. На основании этого закона сила тяги турбореактивного двигателя может быть определена по формуле

р = т (W — V),

где Р — сила тяги в кг;

т — отбрасываемая двигателем масса воздуха (газов) в кг * сек² / м;

W — скорость воздуха (газов), вытекающего из двигателя м/сек;

V — скорость полета м/сек.

Эта формула пригодна, конечно, и для определения силы тяги, создаваемой воздушным винтом.

Мы видим, что тяга Р тем больше, чем больше масса отбрасываемого воздуха т и чем больше величина приращения скорости (W—V), которую получает воздух, проходя через двигатель (или винт). Ведь разность скоростей W — V и есть та скорость, с которой отбрасывается воздух (т. е. скорость, которую он приобретает в двигателе).

Так как т = G / 9,81, то формула для силы тяги часто пишется так:

где G — вес воздуха (газов), отбрасываемого за секунду, в кг/сек;

9,81 — величина ускорения свободно падающего тела в м/сек².

Совершенно очевидно, что можно получить ту же тягу, отбрасывая вдесятеро меньшее количество воздуха, но сообщая ему вдесятеро большую скорость. Принципиального различия между этими двумя случаями нет.

Но между поршневым двигателем с винтом и турбореактивным двигателем существует глубоко принципиальное различие. Оно заключается в том, что поршневой двигатель сам по себе тяги не создает, а лишь вращает воздушный винт, который и служит для создания тяги, т. е. является движителем, а турбореактивный двигатель создает тягу непосредственно сам. В этом заключается одна из важнейших особенностей всех без исключения реактивных двигателей — они не нуждаются ни в каких движителях, так как создают тягу сами. Поэтому реактивные двигатели часто называют двигателями прямой реакции, отмечая этим то обстоятельство, что сами эти двигатели непосредственно, «прямо» создают реакцию, реактивную тягу.

Понятно, почему двигатели прямой реакции, предназначенные для того, чтобы развивать реактивную тягу, обычно и характеризуются величиной этой тяги; говорят: двигатель тягой 100 кг или двигатель тягой 1000 кг. Поршневые же двигатели, равно как и другие нереактивные двигатели, оценивают, как известно, по развиваемой ими мощности (двигатель мощностью 100 л. с. или двигатель мощностью 1000 л. с.).

Это основное отличие любого реактивного двигателя от любого другого двигателя (парового, двигателя внутреннего сгорания и т. д.) является очень глубоким. Любой из известных двигателей, кроме реактивного, может иметь широкое применение. Например, тот же поршневой авиационный двигатель внутреннего сгорания, установленный на самолете и приводящий во вращение воздушный винт, является действительно авиационным. Но его можно установить и на автомобиле — ведь поршневой авиационный двигатель отличается от обычных автомобильных двигателей главным образом своей большой мощностью. Известно, например, что на некоторых гоночных рекордных автомобилях устанавливались авиационные двигатели. Авиационный двигатель можно установить на танк — ему тоже нужна большая мощность. Впрочем, некоторые танковые двигатели являются очень близкими «родственниками» авиационных. Можно установить авиационный двигатель на быстроходном морском катере — и там нужна большая мощность и малый вес; двигатели этого «москитного флота» тоже обычно «родные братья» авиационных двигателей. Можно установить, при желании, авиационные двигатели и на гигантском теплоходе для привода во вращение его гребных винтов: ведь обычные двигатели теплоходов — тоже поршневые двигатели внутреннего сгорания, только гораздо более тяжелые. Можно установить авиационный поршневой двигатель и на железнодорожном локомотиве — тепловозе, и на тракторе, и на самоходном комбайне. Все это такие машины, на которых, как известно, поршневые двигатели внутреннего сгорания получили самое широкое распространение. Однако эти двигатели находят широкое применение не только в транспорте — воздушном, водном, наземном, но и в стационарных установках. Принципиально можно, например, установить авиационный двигатель на электростанции — он будет приводить во вращение генератор электрического тока. В этом случае мощность, развиваемая двигателем, будет преобразовываться в электрическую энергию. Электростанции с поршневыми двигателями внутреннего сгорания (не авиационными, конечно) имеют довольно широкое применение. Можно также установить поршневой авиационный двигатель и на заводе или фабрике, допустим, текстильной, и тогда мощность двигателя будет затрачиваться на привод в движение ткацких станков. Конечно, этот перечень можно было бы продолжить.

Таким образом мы видим, что поршневой двигатель с успехом можно использовать в различных областях народного хозяйства.

Иное дело двигатель реактивный. Назначение этого двигателя — обеспечивать движение с большой скоростью, возможной лишь в воздухе, значит, в авиации и артиллерии. Конечно, можно и реактивный двигатель, например турбореактивный, установить и на катере, и на автомобиле, и на железнодорожном локомотиве. Но в этом случае от достоинств реактивного двигателя не останется и следа, а его недостатки станут нетерпимыми. Действительно, мы уже знаем, что полезная мощность двигателя есть произведение его силы тяги на скорость движения. Однако в водном и наземном транспорте скорости движения в общем так малы, что реактивный двигатель при этих скоростях может развить лишь очень малую мощность. Но это значит, что когда скорость мала, то реактивный двигатель оказывается невыгодным, так как он расходует чрезмерно много топлива на одну лошадиную силу мощности, гораздо больше, чем обычные двигатели внутреннего сгорания. В этом отношении превосходство на стороне поршневых двигателей; при малых скоростях движения они значительно экономичней. К этому следует добавить еще и те существенные эксплуатационные неудобства, которые представляли бы в наземном транспорте струи раскаленных газов, вытекающие из реактивного двигателя.

Но если в тихоходном транспорте реактивные двигатели все же можно применить, хотя они в этом случае и невыгодны, то совсем невозможно применить эти двигатели в стационарных установках, например, на электростанции или на текстильной фабрике. Использовать в этих случаях реактивную тягу, создаваемую вытекающей из реактивного двигателя струей газов, практически не представляется возможным. Когда реактивный двигатель неподвижен, то он вообще никакой полезной мощности не развивает.

Следовательно, реактивные двигатели—это двигатели, предназначенные для движения, двигатели транспортные. А точнее — это двигатели для движения стремительного, двигатели высокоскоростного транспорта, каким является авиация. При больших скоростях движения реактивным двигателям нет равных.

Как же создает турбореактивный двигатель тягу, необходимую для полета самолета? Чтобы ответить на этот вопрос, разберемся, как устроен этот двигатель. Оказывается, он представляет собой сложную машину, даже несколько сложных машин, составляющих единый комплекс. Что же это за машины?