Воздушно-реактивные двигатели
Шрифт:
Какая же картина предстанет перед нами в этом случае в нашем искусственном синем воздушном океане? Чтобы упростить эту картину, представим себе, что мы наблюдаем движение небольшой звучащей частицы, «звучащей точки» (рис. 55). Вот частица излучила звуковую волну: возникло темное кольцо в светлосинем океане. Это кольцо стало расти, как мыльный пузырь. Но в это время сама частица передвинулась и, так как ее скорость больше скорости звука, то она обогнала это расширяющееся кольцо. В новом положении частица испустила следующую звуковую волну, и так дальше. Конечно, частица может звучать непрерывно, но мы в данном случае фиксируем ее положение через определенные промежутки времени. Через некоторое время мы увидим в светлосинем океане резко очерченный темный конус, в вершине которого будет находиться стремительно движущаяся частица — источник звука. Внутри этого конуса будут заключены
Рис. 55. Так образуется конус возмущения при движении в воздухе какой-нибудь частицы со сверхзвуковой скоростью
Для появления этой картины в нашем синем океане не обязательно, конечно, чтобы двигалась именно звучащаячастица. Мы увидим ту же картину и в том случае, если движущаяся частица будет «молчать». Перед движущимся телом, а значит и перед нашей частицей, воздух немного сжимается, давление его несколько повышается. Это повышение давления, небольшое по величине, будет распространяться во все стороны по тем же законам, что и звук, ибо звук тоже есть небольшое повышение давления. Судя по самой картине, мы даже не сможем сказать, звучит движущаяся частица или она безмолвна. При сверхзвуковом движении «безмолвной» частицы в синем океане появится тот же конус «возмущения». Вне этого конуса воздушный океан не получает никаких сигналов о движении частицы — все возмущения скрыты внутри этого конуса.
Оказывается, чтобы увидеть конус возмущения, вызываемого телом, движущимся со сверхзвуковой скоростью, вовсе не обязательно пользоваться искусственным «синим» воздухом, чувствительным к малейшему изменению давления. С помощью специальных методов можно сфотографировать такой конус и в обычном воздухе, пользуясь тем, что при уплотнении воздуха в волне возмущения меняются его оптические свойства. Эти методы позволяют сделать видимыми невидимые простым глазом явления в реальном прозрачном воздушном океане.
Можно увидеть подобный «сверхзвуковой» конус и простым глазом, но только не в воздухе, а на поверхности воды. Физические причины возникновения конуса возмущения в этом случае оказываются другими, они не связаны со скоростью звука, но сама по себе картина получается в точности такой же. Этой аналогией мы обязаны тем, что по поверхности воды волны тоже движутся с вполне определенной скоростью, как и звук в воздухе. Если по водной глади скользит какая-нибудь букашка со скоростью большей, чем скорость распространения волн, то эта букашка также окажется в вершине конуса возмущения. Все круговые волны, вызванные движением букашки, окажутся заключенными внутри этого конуса, а снаружи его поверхность воды будет попрежнему совершенно гладкой, невозмущенной. Да кто из нас не наблюдал расходящихся по воде в обе стороны «усов», возникающих при быстром движении катера или глиссера?
Но эта аналогия с движением по воде может быть продлена и дальше. Если по воде движется не букашка, а быстроходный катер, то он, рассекая воду, поднимает перед собой мощную волну, водяной вал. По обе стороны от носа катера встают высокие водяные буруны, два водяных вала, которые постепенно, на сравнительно большом расстоянии от катера, превращаются в упомянутые выше обычные «усы».
Нечто похожее происходит и при движении со сверхзвуковой скоростью в воздухе не «точки», а какого-нибудь большого тела. Перед ним возникает мощный воздушный «вал», волна уплотненного воздуха, переходящая в два воздушных «буруна» по обе стороны от тела, и уже только на значительном расстоянии эти «буруны» превращаются в обычный конус возмущения. В синем воздушном океане мы увидим резко очерченную, темную-темную переднюю, или головную, как ее называют, волну, постепенно светлеющую по обе стороны и переходящую в светлую, а значит, слабую коническую волну возмущения.
Вот такая же головная волна возникает и перед движущимся со сверхзвуковой скоростью прямоточным двигателем (рис. 56). Струи воздуха, мчащегося со сверхзвуковой скоростью, наталкиваются на эту волну, на стену уплотненного воздуха. Происходит удар, как о всякую преграду, — не зря эта волна носит название ударной волны. Почти внезапно, на ничтожно коротком расстоянии, давление воздуха резко увеличивается,
Какое же влияние оказывает образование скачка уплотнения перед диффузором на работу прямоточного воздушно-реактивного двигателя?
Рис. 56. Перед диффузором двигателя, летящего со сверхзвуковой скоростью, образуется головная волна:
а— схема волны; б— фотоснимок волны, полученный в сверхзвуковой аэродинамической трубе
Оказывается, образование скачка уплотнения воздуха перед диффузором приводит к значительному ухудшению характеристик прямоточного (как и любого другого) воздушно-реактивного двигателя. Это объясняется тем, что сжатие в скачке очень невыгодно, оно связано с большими потерями энергии, так как струя воздуха, проходящая через скачок, претерпевает удар. Всякий же удар, как известно, все равно, твердых тел или жидких и газообразных веществ, представляет собой резкое, мгновенное уменьшение скорости движения. При ударе часть кинетической энергии движущегося тела переходит в тепло и, таким образом, теряется, так как не может быть использована для совершения механической работы. Это тепло, например, расплавляет свинцовую пулю, ударившуюся о стальную броню, или испаряет ворвавшийся с огромной скоростью в земную атмосферу небесный камень, в результате чего образуется метеор — падающая звезда. То же происходит и с воздушной струей, проходящей через скачок уплотнения. Чем интенсивнее скачок, т. е. чем сильнее уменьшается в нем скорость потока, тем больше эта потеря энергии в скачке.
Так как часть кинетической энергии воздушного потока в скачке уплотнения переходит в тепло, то давление в струе за скачком будет меньше, чем было бы при условии постепенного торможения до этой же скорости, т. е. в случае, когда вся кинетическая энергия затрачивается на сжатие воздуха.
Особенно велики потери в так называемом прямом скачке уплотнения, т. е. в таком, который располагается перпендикулярно направлению струи. А такой скачок и возникает перед диффузором движущегося со сверхзвуковой скоростью воздушно-реактивного двигателя, в передней части головной волны. Насколько велики эти потери, видно из того, что при скорости полета, вдвое превосходящей скорость звука, давление за скачком будет примерно на 30% меньше, чем при плавном торможении до той же скорости. А при скорости полета, равной четырем скоростям звука, давление в скачке увеличится в 20 раз, тогда как при плавном, постепенном торможении без потерь оно выросло бы в 150 раз, т. е. в 7,5 раза сильнее!
Мы видим, что особенно велики потери в скачке в тех случаях, когда велика скорость потока перед скачком, т. е. при больших скоростях полета. А ведь именно для этих скоростей, как указывалось выше, и предназначены главным образом прямоточные двигатели. Поэтому проблема уменьшения потерь при сжатии воздуха приобретает для прямоточных воздушно-реактивных двигателей первостепенное значение — от решения этой проблемы в большой степени зависит будущее этих двигателей. Ведь уменьшение давления внутри прямоточного двигателя означает уменьшение его тяги и увеличение расхода топлива. Достаточно указать, например, что при скорости полета, равной утроенной скорости звука, потери в скачке уменьшают тягу двигателя в четыре раза и увеличивают удельный расход топлива на 1 кгтяги более чем на 70%.
Но как можно уменьшить эти потери, если нельзя устранить их причину, т. е. скачок перед двигателем?
Ключ к такому уменьшению потерь при сжатии воздуха, поступающего в двигатель при сверхзвуковой скорости полета, был найден советскими учеными — академиком С. А. Христиановичем, членом-корреспондентом Академии наук СССР Г. И. Петровым и другими. Он заключается в замене прямого скачка перед двигателем косым скачком, т. е. таким скачком, который располагается под углом к направлению потока.