Воздушно-реактивные двигатели

Гильзин Карл Александрович

Неудивительно, что сгорание топлива в прямоточном воздушно-реактивном двигателе представляет собой столь сложную проблему. Ведь это сгорание должно происходить в необычайно трудных условиях, каких нет ни в одном из других тепловых двигателей.

Каждый по своему опыту знает, как трудно зажечь спичку на сильном ветру. К каким только ухищрениям не прибегают опытные курильщики, чтобы прикурить на улице, когда дует ветер. Поворачиваются спиной к ветру, прячут дрожащее пламя спички под полу пальто или в согнутую крендельком ладонь руки. И все же далеко не всегда удается зажечь спичку. Что же говорить о камере сгорания прямоточного воздушно-реактивного двигателя, где «дует» не просто ветер, а невиданной силы ураган?

Несмотря

на то, что воздух, стремительно набегающий на двигатель, тормозится в диффузоре, скорость его в камере сгорания прямоточного воздушно-реактивного двигателя все же больше, чем скорость самого сильного урагана. Ветер, дующий со скоростью в несколько десятков метров в секунду, — это ураган страшной, невиданной силы, а скорость воздуха в камере сгорания прямоточного двигателя превосходит 100 м/сек.Когда мы говорим о торможении воздуха в диффузоре, то имеем, конечно, на это право, ибо скорость воздуха уменьшается при этом в несколько раз. Тем не менее в камере сгорания воздух движется с невиданной в природе скоростью.

Но почему нельзя затормозить воздух в диффузоре еще сильнее, так чтобы в камере сгорания его скорость составляла, допустим, всего несколько метров в секунду? Сделать это, конечно, можно, но это чрезвычайно невыгодно. Ведь чем меньше скорость воздуха в камере сгорания, тем больше должно быть поперечное сечение камеры, чтобы пропустить то же количество воздуха. Но диаметр камеры сгорания — это наибольший диаметр двигателя, и его увеличение связано с увеличением лобового сопротивления самолета. Это особенно нежелательно при сверхзвуковых скоростях полета, для которых в первую очередь и предназначены прямоточные воздушно-реактивные двигатели. Поэтому диаметр камеры сгорания прямоточного воздушно-реактивного двигателя должен быть как можно меньшим; при этом скорость течения воздуха в камере получается очень большой.

Как же можно поджечь горючую топливовоздушную смесь в прямоточном двигателе и заставить ее потом непрерывно и устойчиво гореть, если в камере сгорания двигателя бушует искусственный ураган, равных которому по силе не встречается в природе?

В этом и заключается главная трудность обеспечения сгорания топлива в прямоточном двигателе. Горение топлива в камере сгорания прямоточного воздушно-реактивного двигателя — это по сути дела непрерывное, ни на минуту не прекращающееся единоборство пламени с ураганом. В этой борьбе либо побеждает пламя — и тогда двигатель работает, либо победа склоняется на сторону ветра — и тогда пламя начинает пульсировать, двигатель работает неустойчиво, а затем и вовсе останавливается, «глохнет»: пламя срывается и горение прекращается.

Как удается заставить топливо гореть в воздушном потоке, движущемся с такой огромной скоростью?

Впервые эта проблема, имеющая важнейшее значение не для одних только прямоточных двигателей, была подвергнута изучению нашим отечественным ученым — физиком В. А. Михельсоном в конце прошлого века. С тех пор ученые и конструкторы нашей страны раскрыли много загадок, относящихся к сгоранию топлива в потоке, что позволило создать ряд удачных конструкций высокоскоростных камер сгорания, в частности для турбореактивных двигателей. Чтобы понять, как удается решить эту задачу, представим себе камеру сгорания прямоточного двигателя. Из топливных форсунок вытекает под давлением топливо, которым в прямоточных двигателях обычно является бензин. Смешиваясь с воздухом, бензин образует горючую смесь, которая и должна гореть.

Вспомните, как вы поджигаете газовую горелку. Открывая кран, перекрывающий доступ газа к горелке, вы подносите к ней зажженную спичку — газ вспыхивает, образуя светящийся факел пламени. Спичка давно погасла, но газ продолжает гореть. В спокойном воздухе факел совершенно недвижим. Но эта неподвижность

обманчива — внутри факела происходят сложные процессы, развивающиеся с большой скоростью. Раскаленные, светящиеся продукты сгорания улетучиваются, поднимаясь кверху, а их место занимают новые порции свежего газа. Они снова смешиваются с воздухом, подогреваются, воспламеняются и сгорают, чтобы так же улетучиться из факела, как и продукты сгорания предыдущих порций.

Значит, неподвижность факела — это не покой, а результат особого равновесия в ходе процесса. Вот так же, например, иногда не меняется уровень воды в водопроводной раковине, хотя из крана хлещет вода: так бывает в тех случаях, когда приток воды в раковину равен количеству воды, которая успевает вытечь из нее. Если мы несколько прикроем водопроводный кран, то уровень воды в раковине понизится, а затем снова наступит равновесие. То же произойдет и в случае, если мы, наоборот, откроем кран сильнее. Только на этот раз новый равновесный уровень воды в раковине будет более высоким.

Попробуем проделать такой же опыт с факелом. Уменьшим подачу свежего газа. Тотчас же светящийся конус пламени уменьшится. Почему? Очевидно, установилось новое равновесие аналогично тому, как это происходит при изменении уровня воды в раковине. Точно так же новое равновесие установится, если мы увеличим подачу газа — факел станет большим.

Возвратимся снова к раковине. Если мы чрезмерно откроем водопроводный кран, то уровень воды в раковине поднимется настолько, что вода начнет переливаться через край. Это будет пределом возможного смещения равновесия в одну сторону, в сторону повышения уровня. Другого предела мы достигнем в том случае, если прикроем кран настолько, что вода будет литься из него тонкой струйкой, так что в раковине воды вовсе не будет, она будет сразу выливаться из нее.

Явления в горящем факеле, конечно, гораздо сложнее, чем в нашем примере с водопроводной раковиной. Не так просто понять, какие факторы обусловливают равновесие факела, и установить пределы, ограничивающие это равновесие. Опыт показывает, что такие пределы существуют. Если сильно подуть на горящий факел или, например, сильно повысить давление и, следовательно, скорость выходящего газа, то факел оторвется от горелки и погаснет.

Оказывается, главное условие того, чтобы факел был устойчивым и непрерывно горел, — это непрерывное поджигание новых порций газа, выходящих из горелки. Эти порции воспламеняются уже горящими частицами газа. Горение распространяется от горящей смеси к свежей с определенной скоростью — она так и называется скоростью сгорания. Легко видеть, что если скорость, с которой горящая смесь уносится от горелки, станет очень большой, то горение просто не успеет распространиться, факел оторвется от горелки и затем погаснет. Чем больше скорость сгорания, тем больше и та предельная скорость подачи газа, при которой факел еще сохраняет устойчивость.

Явления, происходящие в камере сгорания прямоточного воздушно-реактивного двигателя, еще сложней, чем в факеле газовой горелки, так как в камеру поступает не газообразное, а жидкое топливо. Значит, до сгорания его необходимо распылить, т. е. образовать облако мельчайших капелек, перемешать эти капельки равномерно с воздухом, а затем испарить. Эти процессы подготовки топливовоздушной смеси к сгоранию сильно усложняют картину явлений, происходящих в камере сгорания двигателя.

Однако главным и здесь остается поджигание новых порций топлива. В отличие от пламени газовой горелки факел в камере сгорания прямоточного двигателя обдувается стремительным потоком воздуха. Скорость этого воздушного потока во много раз превышает скорость, с которой распространяется по потоку сгорание. Вследствие этого пламя не может удержаться в камере, оно срывается и уносится потоком; двигатель перестает работать, «глохнет».