Глава восьмая Рождение прямоточного двигателя

Глава восьмая

Рождение прямоточного двигателя

Прямоточный двигатель — это двигатель сверхзвукового полета, двигатель завтрашнего дня в авиации и реактивной артиллерии. Мы имеем все основания гордиться тем вкладом, который внесла наша страна в дело создания этого замечательного двигателя.

В нашей стране впервые в истории были созданы и испытаны прямоточные двигатели. Эти двигатели были построены профессором Ю. А. Победоносцевым в 1933 г. Правда, они не были предназначены для установки на самолете, но с ними велись различные исследования.

В нашей стране был совершен и первый в мире полет самолета с прямоточными двигателями. В ясный зимний день 25 января 1940 г. с московского аэродрома им. Фрунзе взмыл в воздух самолет, пилотируемый летчиком П. Е. Логиновым (рис. 64). Это был хорошо известный всему миру советский истребитель, один из лучших истребителей того времени И-15. Но на этом самолете под крылом были установлены какие-то два сигарообразных тела. Это и были испытуемые прямоточные двигатели конструкции И. А. Меркулова. Проект этих двигателей был разработан еще в 1936 г., затем двигатель был построен и подвергнут различным испытаниям. В частности, в мае 1939 г. двигатель был испытан в воздухе, для чего его установили на ракете; между прочим, такой метод испытания прямоточных двигателей стал затем применяться и в других странах. Так была доказана возможность установки прямоточного двигателя на самолете. И вот теперь наступил момент первого полета самолета с прямоточными двигателями. В данном случае прямоточные двигатели играли лишь вспомогательную роль, они помогали основному, поршневому двигателю самолета увеличить скорость полета. Длина каждого из двух двигателей, установленных на этом самолете, равнялась 1,5 м, диаметр — 0,4 м, а вес — всего 12 кг.

Рис. 64. Самолет И-15 с установленными на нем прямоточными воздушно-реактивными двигателями

С оглушительным ревом проносится истребитель над головами присутствующих на аэродроме. И вдруг словно какая-то могучая сила швыряет самолет вперед, заставляет его мчаться с еще большей скоростью — это заработали включенные летчиком прямоточные воздушно-реактивные двигатели. Огненные струи хлещут из сопел обоих двигателей — приборы показывают увеличение скорости полета на 21 км/час.

Это был первый в мире полет самолета с воздушно-реактивными двигателями. Он состоялся, в частности, за 8 месяцев до разрекламированного за рубежом полета итальянского самолета Кампини, на котором был установлен так называемый мотокомпрессорный воздушно-реактивный двигатель, не нашедший потом практического применения.

Позднее испытания прямоточных двигателей Меркулова были произведены на самолетах-истребителях «Чайке» и Як-7. При этом прирост скорости полета достигал 53 км/час.

Так произошло рождение прямоточного воздушно-реактивного двигателя. Он заявлял свое право на жизнь. Начались годы напряженной работы по его усовершенствованию.

Экспериментальные исследования прямоточного воздушно-реактивного двигателя связаны с исключительными трудностями, так как через него ежесекундно протекают с огромной скоростью десятки и сотни кубических метров воздуха. Чтобы создать такой поток воздуха при испытании, нужны грандиозные воздуходувные установки мощностью в десятки и сотни тысяч лошадиных сил. Такие установки — аэродинамические трубы сверхзвуковых скоростей непрерывного действия — созданы, но они являются уникальными. Иногда для испытаний прямоточных воздушно-реактивных двигателей применяются и более простые установки, так называемые трубы периодического действия. В этом случае воздух заранее нагнетается под давлением в громадный бак — ресивер, откуда он во время испытаний подается в аэродинамическую трубу. Но относительная простота этих установок (в действительности же они не так просты) покупается дорогой ценой — часами накачивается ресивер для того, чтобы потом можно было провести минутное испытание.

Сложность и дороговизна экспериментальных исследований прямоточных воздушно-реактивных двигателей являются одной из причин того, что эти двигатели отстают в своем развитии от других реактивных двигателей. Поэтому непрерывно изыскиваются новые методы исследования прямоточных воздушно-реактивных двигателей. В частности, для этого иногда используются ракеты. Передача показаний приборов с летящей ракеты осуществляется при этом по радио при помощи сложной радиотелеметрической системы. Такая же система используется в тех случаях, когда испытания прямоточного воздушно-реактивного двигателя осуществляются путем сбрасывания его с летящего самолета; один из прямоточных двигателей, предназначенных для таких испытаний, показан на рис. 65. Широко применяется также установка прямоточных двигателей на самолете: над фюзеляжем (см. рис. 46), на концах крыльев (рис. 66) и т. д.

Основным недостатком прямоточного воздушно-реактивного двигателя является то, что он способен развивать тягу только в полете с большой скоростью. На малой скорости его тяга ничтожна, а на стоянке она вовсе равна нулю. Чтобы прямоточный двигатель начал работать, нужна скорость полета порядка 250 км/час, а для взлета — не менее 650—700 км/час. Значит, для взлета и разгона самолета (или снаряда) с прямоточным воздушно-реактивным двигателем на нем должен быть установлен одновременно двигатель какого-либо другого типа. Это может быть поршневой двигатель, как, например, было при испытаниях первых прямоточных воздушно-реактивных двигателей. Но поршневой двигатель не пригоден для летательных аппаратов, предназначенных для полета со сверхзвуковыми скоростями. Поэтому в качестве стартового двигателя на скоростных самолетах должен быть установлен какой-нибудь реактивный двигатель: турбореактивный, ракетный или пульсирующий. Этот двигатель разгоняет самолет до необходимой скорости, а затем он выключается и начинает работать прямоточный воздушно-реактивный двигатель.

В некоторых случаях, например на снарядах, стартовый двигатель может вообще отсутствовать. Разгон снаряда до скорости, при которой включается в работу прямоточный воздушно-реактивный двигатель, осуществляется в этом случае с помощью специального стартового устройства — катапульты.

Рис. 65. Сверхзвуковой прямоточный воздушно-реактивный двигатель, предназначенный для сбрасывания с самолета с целью испытания его при скорости полета, в 2,5 раза превышающей скорость звука

Рис. 66. Прямоточные воздушно-реактивные двигатели, установленные на крыльях самолетов:

а — самолет с поршневым двигателем; б — реактивный самолет

Необходимость в добавочном стартовом двигателе заставляет конструкторов и ученых работать над созданием такого двигателя, в котором прямоточный воздушно-реактивный двигатель органически сочетался бы с двигателем другого типа в единой конструкции. Это позволило бы не только осуществить самостоятельный взлет самолета, но и решить задачу наиболее экономичной работы на разных режимах полета. Так, например, если бы удалось сочетать в едином устройстве турбореактивный и прямоточный воздушно-реактивный двигатели, то при взлете и в полете с относительно небольшими скоростями двигатель работал бы как турбореактивный, а при сверхзвуковых скоростях полета — как прямоточный. Естественно, что это привело бы к уменьшению расхода топлива и, таким образом, к увеличению дальности полета.

Как же можно представить себе такое органическое сочетание турбореактивного и прямоточного двигателей? Оказывается, одно возможное решение этой задачи подсказывается самой жизнью, развитием реактивной авиации.

Рис. 67. Форсажная камера. Принципиально ее устройство аналогично устройству прямоточного воздушно-реактивного двигателя

Выше указывалось, что для кратковременного повышения тяги турбореактивного двигателя в настоящее время широко используются так называемые форсажные камеры (см. рис. 37).

Если внимательно присмотреться к форсажной камере, то бросается в глаза большое сходство ее с прямоточным воздушно-реактивным двигателем (рис. 67). Действительно, в передней части камеры обычно имеется диффузор, в котором происходит уменьшение скорости и соответственно увеличение давления газов, выходящих из двигателя, — это необходимо для обеспечения устойчивости сгорания в форсажной камере и для увеличения ее коэффициента полезного действия. За диффузором следует обычно цилиндрическая камера сгорания с горелками. Наконец, последней частью форсажной камеры является реактивное сопло.

Таким образом, форсажная камера имеет основные части прямоточного воздушно-реактивного двигателя. По существу она и представляет собой прямоточный воздушно-реактивный двигатель, поставленный непосредственно за турбореактивным.

Так как увеличение тяги с помощью форсажной камеры является невыгодным, то она используется только кратковременно, например, в воздушном бою, при взлете и т. д. Однако с увеличением скорости полета форсажная камера становится все более выгодной. Действительно, в результате скоростного напора на входе в турбореактивный двигатель давление за турбиной и, следовательно, в форсажной камере с ростом скорости полета увеличивается. Поэтому прирост тяги, который создает форсажная камера при сжигании в ней одного и того же количества топлива, с ростом скорости полета увеличивается, а расход топлива на 1 кг тяги, следовательно, уменьшается. Наконец, когда скорость полета становится значительно больше скорости звука, форсажная камера может стать даже выгоднее турбореактивного двигателя, на котором она установлена. В этом случае имеет смысл полностью отключить турбореактивный двигатель и направлять весь воздух в обход его прямо в форсажную камеру. При этом форсажная камера работает уже как самостоятельный прямоточный воздушно-реактивный двигатель.

Самолеты с такой силовой установкой могут оказаться выгодными в весьма широком диапазоне скоростей полета от дозвуковых до скоростей, в 3—4 раза превышающих скорость звука.

Делаются попытки сочетать прямоточный воздушно-реактивный двигатель с пульсирующим — такая силовая установка, как очень легкая и неприхотливая, может быть применена в управляемых снарядах. В этом случае пульсирующий двигатель заключается внутрь прямоточного. На взлете и при малых скоростях полета работает пульсирующий двигатель, с увеличением же скорости в работу включается прямоточный.

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.

Рис. 73. При изменении скорости полета условия работы сверхзвукового диффузора изменяются. В центре — расположение скачка при расчетной скорости полета; слева — расположение скачка при скорости полета меньше расчетной; справа — расположение скачка при скорости полета больше расчетной

Для того чтобы характеристики прямоточного двигателя были наилучшими при всех возможных скоростях полета, необходимо осуществить регулирование двигателя, т. е. изменение его геометрических параметров в зависимости от скорости полета. Задача такого регулирования представляет собой одну из сложнейших проблем создания совершенного прямоточного воздушно-реактивного двигателя, так как скорость полета самолета с этим двигателем может меняться от сотен до тысяч километров в час, высота — от уровня моря до 20—30 км, мощность двигателя — от сотен до сотен тысяч лошадиных сил, расход топлива — от десятых долей килограмма до десятков килограммов в секунду, давление в двигателе — от десятых долей атмосферы до десятков атмосфер и т. д. Трудности регулирования очевидны, но они преодолимы, и нет сомнения в том, что и эта проблема будет решена.

Характеристики прямоточных воздушно-реактивных двигателей позволяют с уверенностью предвидеть разностороннее их применение уже в недалеком будущем в сверхзвуковой авиации и реактивной артиллерии. Уже имеются летательные аппараты с прямоточным воздушно-реактивным двигателем, развивающим скорость полета около 2500 км/час.

Так как даже на экваторе окружная скорость Земли при ее вращении вокруг оси составляет примерно 1670 км/час, то, следовательно, прямоточный двигатель позволяет уже сейчас опередить движение Земли вокруг ее оси и как бы «остановить солнце» или перенестись «во вчерашний день».

С помощью прямоточного двигателя возможны скорости полета до 4000—5000 км/час на высотах до 30—40 км. Это, очевидно, наивысшие возможные достижения для воздушно-реактивных двигателей, т. е. двигателей, использующих для своей работы атмосферный воздух.

Только для ракетных двигателей практически нет границ в отношении увеличения высоты и скорости полета, вплоть до полета к далеким планетам, удаленным от нас на миллионы километров. Впрочем, даже и в решении этой проблемы межпланетных сообщений воздушно-реактивные двигатели могут найти себе применение. В частности, они могут оказаться выгоднее ракетных для установки на первых ступенях многоступенчатого космического корабля.

Таковы перспективы развития воздушно-реактивных двигателей. Нет сомнений, что в будущем воздушно-реактивные двигатели помогут человеку одержать новые победы в его борьбе за покорение природы.