Воздушно-реактивные двигатели
Шрифт:
Можно ли осуществить постепенное, плавное торможение воздушного потока, имеющего сверхзвуковую скорость, подобно тому, как в обычном дозвуковом диффузоре, о котором шла речь выше, осуществляется торможение дозвукового потока? Теоретически — да, возможно. Правда, по форме такой сверхзвуковой диффузор должен был бы отличаться от дозвукового. Первая часть сверхзвукового диффузора должна представлять собой в противоположность дозвуковому не расширяющуюся, а, наоборот, суживающуюся трубу (рис. 54).
Рис. 54. Теоретическая схема сверхзвукового
Это объясняется тем, что при торможении сверхзвукового потока сильно проявляется сжимаемость воздуха. Плотность воздуха в результате сжатия начинает по мере его торможения быстро увеличиваться, причем рост плотности происходит даже быстрее, чем уменьшается скорость течения. Поэтому для протекания одного и того же количества воздуха по мере торможения потока требуются все меньшие проходные сечения.
Другое дело, когда скорость потока меньше скорости звука; плотность воздуха при торможении растет в этом случае медленнее, чем уменьшается скорость течения воздуха. Вот почему при этом воздух часто считают вообще несжимаемым. Вследствие этого дозвуковой диффузор представляет собой расширяющуюся трубу. Очевидно, что в сверхзвуковом диффузоре такая расширяющаяся труба должна быть во второй его части. Действительно, когда скорость воздуха в первой, сужающейся части сверхзвукового диффузора, постепенно уменьшаясь, сравняется со скоростью звука в воздухе, то для дальнейшего торможения воздуха понадобится дозвуковой диффузор. Поэтому сверхзвуковой диффузор представляет собой трубу, как бы составленную из двух труб: сначала сужающейся, а потом расширяющейся. В самой узкой части трубы, называемой горловиной диффузора, скорость движения воздуха должна в точности равняться скорости звука в этом воздухе.
Легко видеть, что такую же форму должна иметь труба, в которой мы захотели бы осуществить обратный процесс — разогнать дозвуковой поток до сверхзвуковой скорости. Такое сверхзвуковое сопло (соплом называют устройство для увеличения скорости течения газа) тоже должно было бы иметь вначале сужающуюся часть, а затем расширяющуюся. В сужающейся части скорость потока постепенно будет расти, пока в самой узкой части — горловине сопла — не станет в точности равной скорости звука. Дальнейшее увеличение скорости выше скорости звука будет происходить в расширяющейся части. Такие сверхзвуковые сопла — их называют обычно соплами Лаваля по имени известного шведского конструктора паровых турбин — широко применяются в технике. Находят они применение и в реактивной технике, где часто встречаются сверхзвуковые скорости течения газов. В частности, таким должно быть, очевидно, и сопло сверхзвукового прямоточного двигателя. Поэтому сверхзвуковой прямоточный воздушно-реактивный двигатель иногда и рисуют схематически в виде цилиндрической трубы, имеющей спереди сверхзвуковой диффузор в виде двух конусов (сужающегося и расширяющегося), а сзади — сверхзвуковое сопло такой же формы (см, рис. 54).
Однако в действительности таких двигателей не существует. Объясняется это тем, что осуществить постепенное, плавное торможение сверхзвукового потока с помощью сверхзвукового диффузора пока еще не удалось. Опыт показывает, что сверхзвуковую струю не удается «заманить» в такой диффузор. Оказывается, что в сверхзвуковой струе еще перед диффузором возникает так называемый скачок уплотнения,или ударная волна, в которой происходит резкое, скачкообразное торможение потока и переход от сверхзвуковой к дозвуковой скорости. В результате этого в диффузор входит воздух, имеющий уже дозвуковую скорость.
Образование скачка уплотнения перед входом в сверхзвуковой
Физическая природа скачка уплотнения связана с особенностями распространения возмущений, т. е. изменений давления в воздухе или в любом другом газе. Представьте себе снова, что нас окружает синий воздушный океан, окраска которого меняется в зависимости от изменения давления. Если в этом океане нет источников возмущений, в результате которых изменяется давление воздуха, то цвет океана всюду ровный, светлый, давление везде одинаково. Но вот внезапно в этом океане появилось небольшое темное пятно. Это значит, что в этом месте внезапно повысилось давление, например, в результате сгорания ничтожной крупинки пороха. И тотчас же во все стороны от этого пятна начнет распространяться по ранее невозмущенному океану темная волна повышающегося давления. Точно в очаге возмущения вдруг забил синий фонтан, заливающий все вокруг. Даже в местах, далеко отстоящих от этого «фонтана», цвет океана потемнеет, когда туда дойдет возмущение в виде волны повышенного давления.
Мы на каждом шагу в повседневной жизни встречаемся с этими волнами возмущения в воздухе, только мы их не видим, а... слышим. В самом деле, если бы в окружающем нас воздухе не распространялись возмущения, то мы лишились бы всего царства звуков, мир стал бы безмолвным. Звук — это и есть возмущение, очень небольшое по величине. Когда это возмущение доходит до нашего уха, то оно действует на барабанную перепонку и воспринимается нами как звук. На высоте в сотни километров, где воздух крайне разрежен, мы не услышали бы артиллерийского выстрела даже в том случае, если бы пушка стреляла на расстоянии одного метра от нашего уха — там не по чему распространяться возмущениям.
Скорость звука, т. е. скорость распространения небольших возмущений в воздухе, зависит только от температуры воздуха — летом она больше, чем зимой, на большой высоте меньше, чем у уровня моря. За одну секунду звуковая волна проходит путь в 330—350 м.Вот почему, зная скорость звука, можно установить, например, как далеко от нас бушует гроза: свет от молнии доходит до глаза практически сразу, а громовой раскат доносится лишь через некоторое время, в зависимости от расстояния.
Теперь представьте себе, что источник звука, допустим самолет, сам начал двигаться. Пусть, например, он движется издалека по направлению к нам со скоростью, меньшей скорости звука. Услышим ли мы звук приближающегося самолета? Безусловно, услышим, это каждому известно. Чем ближе к нам самолет, тем громче звук. Наконец, самолет с ревом промчался над нами. Но вот показался другой самолет. Он стремительно приближается к нам, но на этот раз мы его не слышим, он мчится к нам совершенно бесшумно. Все ближе к нам таинственный «бесшумный» самолет, вот он уже над нашей головой, еще мгновение — и мы оглушены мощным ревом. Почему же мы не слышали приближения этого самолета, хотя звук, издаваемый им, сильнее, чем звук, которым сопровождался полет первого самолета?
Объясняется это просто. Когда скорость движения источника звука больше, чем скорость распространения самого звука в воздухе, то звук не обгоняет источника, он движется вместе с ним. Вот почему так неожиданно и бесшумно обычно появляются у нас над головой реактивные самолеты — их скорость близка к скорости звука.
Поэтому и англичане, жители Лондона, до сих пор вспоминают «бесшумные» ракеты Фау-2, которыми немцы бомбили Лондон в конце минувшей войны: эти ракеты летали со скоростью, значительно большей скорости звука.