Инструкция
1
Они летели на прекрасном самолете АНТ-25, но скорость, которую он развивал, едва превышала 160 километров в час. Сегодня каждый школьник знает, что есть самолеты, которые летают с дозвуковой скоростью (до 1200 километров в час) и сверхзвуковой скоростью (свыше 1200 километров в час). А ракеты, с помощью которых запускают космические корабли, отрываются от земли с первой космической скоростью (8,2 километра в секунду). И если вернуться назад, то о таких скоростях еще только мечтали в очень узком кругу специалистов, занимающихся созданием двигателей для авиации
2
Но вот отгремела вторая мировая война. И наши современники стали свидетелями небывалого в истории техники скачка в развитии самолетного двигателестроения. В разных странах в очень короткое время большими коллективами ученых, инженеров и конструкторов были созданы турбореактивные, турбовинтовые и ракетные двигатели. Появление турбореактивных и турбовинтовых двигателей во многом предрешили работы по созданию газовых турбин. Но не меньшее значение в создании этих двигателей имели и работы в области ракетных двигателей. Исторически это все тесно переплетено. Для лучшего понимания работы турбореактивных и турбовинтовых двигателей необходимо понять принцип действия ракетного двигателя, или просто ракеты, как ее стали называть. Представим себе обыкновенную металлическую трубку, запаянную сверху и открытую с нижнего конца. Если такую трубку заполнить порохом (это может быть и жидкое топливо) и поджечь его, то в результате взрыва внутри трубки образуется большое количество газов, которые стремятся расшириться. Эти газы начинают давить на все стенки трубки равномерно. Но стенки трубки, будучи выполнены из прочного материала, противодействуют, или, как говорят, уравновешивают это давление. Тогда газы, естественно, устремляются наружу через нижний открытый конец трубки. Они вырываются из нее с большой силой, а сама трубка в это время летит в противоположную сторону.
3
Это и есть принцип реактивного движения. Иногда думают, что реактивный снаряд или ракета летят потому, что выходящая из них струя газа как бы отталкивается от воздуха и движет их вперед. Но тогда возникает вопрос, как же ракеты летают в космосе, где, как известно, воздуха нет? Там безвоздушное пространство. От какого тела они там отталкиваются? Такое представление о работе ракеты ошибочно. Ракета летит потому, что давление газа вверх (на запаянный конец трубки) сильнее давления вниз, куда газ имеет свободный выход (открытый конец трубки). Эта неуравновешенная ничем сила давления (сила реакции вытекающей струи газа) и заставляет ее двигаться. Итак, ракету движет давление газа, заключенное в ней самой, и в отталкивании от чего-либо (например, от воздуха) она совершенно не нуждается. Наоборот, в безвоздушном пространстве она сможет лететь с большей скоростью, так как ей не придется при полете преодолевать сопротивление воздуха. А это, как нам сейчас легко понять, открывало возможности межпланетных полетов. Принцип действия ракеты подсказал идею создания, так называемого воздушно-реактивного двигателя.
4
Одним из первых в нашей стране теорией этого двигателя занимался замечательный ученый, ученик Н. Е. Жуковского Борис Сергеевич Стечкин. В чем же суть идеи создания воздушно-реактивного двигателя, владевшей умами многих авиаконструкторов? Для полета ракеты в космическом пространстве необходим кислород, поддерживающий горение топлива внутри ракеты. Этот кислород должен иметься на борту ракеты (например, в специальных баллонах) или выделяться в процессе горения топлива. А если создать ракету для полетов в пределах атмосферы, где есть воздух, и использовать ее в качестве двигателя для авиации? Тогда напрашивался вопрос — зачем самолету с ракетным двигателем, летящему в воздушном пространстве, возить с собой кислород? Нужно брать его из воздуха, из той среды, в которой самолет летит. Все это означало, что нужна какая-то новая конструкция ракеты, способная стать двигателем самолета, летающего в пределах атмосферы. Так появляется двигатель, получивший название прямоточного воздушно-реактивного двигателя.
5
Этот двигатель по своей конструкции чрезвычайно прост. Настолько прост, что конструкторы в шутку называют его «свистулькой». Представьте себе летящую с большой скоростью трубу. Через переднее отверстие внутрь трубы врывается воздух, давление которого по мере продвижения в трубе нарастает. Примерно в середине трубы устроено расширение — камера сгорания, куда в стремительно движущийся поток воздуха впрыскивается топливо и электрической искрой производится его воспламенение. Образовавшиеся газы расширяются и стремятся выйти через оба отверстия трубы. Но в переднее отверстие они выйти не могут, так как наталкиваются на входящий поток воздуха. И тогда они устремляются наружу через второе отверстие трубы, выполненное в виде расширяющегося сопла. Возникающая реактивная сила заставляет лететь двигатель и все, что с ним конструктивно связано, то есть самолет, в сторону, противоположную выходящему потоку газа.
6
Проще двигателя нет. В нем нет никаких вращающихся или перемещающихся частей, и вместе с тем он способен развивать необходимую для современной высокоскоростной авиации мощность. Чем больше скорость полета, тем лучше работает такой двигатель. Но как же с помощью этого двигателя поднять самолет в воздух? Ведь необходимый для его работы воздушный поток возникает при полете самолета с большой скоростью. А как быть на земле, когда самолет стоит на взлетной полосе и в его двигателе-трубе в лучшем случае гуляет легкий ветерок? Тогда-то и пришли к мысли об искусственном воздушном потоке. Надо в трубе поставить сильный воздушный компрессор, он будет сжимать воздух и мощным потоком гнать его через камеру сгорания. Для вращения компрессора можно применить турбину, использующую для работы часть выходящих из камеры сгорания газов. Кроме того, нужно предусмотреть еще пусковой электродвигатель, с помощью которого осуществляется пуск (разворачивание) компрессора и турбины. Таким образом, искусственно создали мощный воздушный поток, необходимый для работы воздушно-реактивного двигателя. Но какой ценой? В его простейшую конструкцию внесли известную газовую турбину. Получился так называемый турбореактивный двигатель.
7
Все, кто летал или видел вблизи самолет ТУ-104, могли обратить внимание, что два его турбореактивных двигателя внешне по форме действительно очень просты и напоминают суживающиеся трубы. Но, соединяя воздушно-реактивный двигатель с газовой турбиной, можно поступить иначе. Можно не маленькую часть, а значительно большую долю энергии выходящих газов использовать для вращения турбины. Тогда турбина станет гораздо сильнее, чем это нужно для вращения компрессора в турбореактивном двигателе, и сможет передать свою мощность тянущему винту, посаженному на один вал с турбиной. Такой двигатель получил название турбовинтового двигателя. На самолете ИЛ-18, например, установлено четыре таких двигателя. Каждый из двигателей — турбореактивный и турбовинтовой выгодны и целесообразны для разных классов самолетов. Для самолетов, летающих со скоростью до 800—900 километров в час, оказываются наиболее экономичными двигатели с винтом — турбовинтовые. Кстати, для небольших самолетов по-прежнему наиболее экономичными остаются поршневые двигатели внутреннего сгорания с винтом.
8
Турбореактивные двигатели оказываются наиболее экономичными для самолетов, летающих со скоростями от 900 до 2000 километров в час. На самом деле турбореактивный и турбовинтовой двигатели — это очень сложные машины. Если посмотреть на эти двигатели, когда с них снята обшивка (она-то и придает им простейший вид трубы), то мы увидим, что все они опутаны множеством трубок, проводов, приборов и других всевозможных вспомогательных устройств, обеспечивающих их надежную работу. Ведь этим двигателям вручает свою жизнь человек, когда садится в самолет. Здесь требует разъяснения еще один вопрос. Основным тормозом в их широком распространении является отсутствие жаропрочных, долговечных сталей для изготовления лопаток и других частей. Известно, что лопатки плохо выдерживают высокие температуры и быстро выходят из строя. Несколько сот часов — вот срок их службы. Газовая турбина пока еще недостаточно надежная и долговечная машина, поэтому ее применение в промышленности ограничено. И, несмотря на это именно газовую турбину поставили на самолет. Не допущена ли здесь ошибка? Нет, ошибки не произошло. Только несколько сот часов и работает сегодня самолетный двигатель. Дальше его положено менять. Вот почему газовая турбина, не найдя еще достойного применения на земле, начала свою жизнь в небе и завоевала его.
