Явления в воздушном потоке, обтекающем быстродвижущееся тело, изучались во многих странах еще задолго до того, как самолеты стали летать с такими скоростями. Исследования установили, что при больших скоростях движения воздух становится как бы иным по своим физическим свойствам. В потоке, набегающем на самолет с малой скоростью, развиваются столь ничтожные избыточные давления, что, несмотря на сжимаемость воздуха, его сжатие практически отсутствует. Иначе обстоит дело при полете со скоростью звука — в этом случае давления уже становятся значительными и, естественно, под их действием воздух сжимается, уплотняется; сопротивление, которое он оказывает самолету, резко возрастает.
Но известно, что сжимаемость начинает серьезно сказываться лишь при скорости воздушного потока, близкой к скорости звука. Почему же «звуковой барьер» стал ощущаться еще на дальних подступах к нему, при скоростях полета, составляющих лишь 2/з от скорости звука?
Здесь никакой загадки, конечно, нет. Скорость потока, обтекающего самолет, в особенности его крыло, на некоторых участках поверхности может быть значительно больше, чем скорость полета. Вот почему некоторые участки поверхности крыла как бы «летят» с гораздо большей скоростью, чем весь самолет. Понятно, что здесь-то и начинаются беды, связанные со сжимаемостью воздуха, хотя самолет летит еще со скоростью, далекой от звуковой. В этом «смешанном» обтекании, когда одни части самолета омываются дозвуковым, а другие — сверхзвуковым потоком, заключается причина главных неприятностей, причиняемых «звуковым барьером».
Так «звуковой барьер» напоминает о себе еще при скоростях полета, достаточно далеких от скорости звука. Чем ближе к этой скорости, тем сильнее добавочное сопротивление летящему самолету, связанное со сжимаемостью воздуха (это сопротивление часто называют волновым). Как будто какая-то могучая рука упирается в нос самолета и мешает лететь быстрее.
Но если сопротивление воздуха быстро растет по мере приближения к «звуковому барьеру», то очевидно, это предъявляет повышенные требования к силовой установке самолета. Ведь она и существует, чтобы преодолевать это сопротивление, точнее говоря — чтобы развивать тягу, необходимую для полета.
Неудивительно, что все взоры обратились к силовой установке, то есть к поршневому двигателю с винтом.
Как известно, тяга непосредственно создается воздушным винтом. Он отбрасывает огромные массы воздуха, как гребной винт теплохода — воду. Отдача отбрасываемого воздуха, или реакция, и есть та сила тяги, которая заставляет лететь самолет. Для вращения винта нужно, конечно, затрачивать работу — ее совершает двигатель. Но не вся мощность двигателя расходуется винтом полезно, то есть на создание тяги. Часть ее теряется на завихрение воздуха, закрутку отбрасываемой струи и т. д. — это вредные потери. Оказывается, с ростом скорости полета эти потери увеличиваются — все из-за той же сжимаемости воздуха. Значит, винт только осложняет задачу двигателя: с ростом скорости его мощность должна расти еще быстрее 1*.
Вот здесь-то и сказалась решающая слабость поршневого двигателя, заставившая специалистов говорить о кризисе и тупике авиации. Свойства поршневого двигателя тактов л, что его мощность вовсе не растет с увеличением скорости, она практически остается неизменной. Если нужна новая, увеличенная мощность, то нужен и новый, более мощный двигатель. Но такой двигатель обязательно будет и большим по размерам и более тяжелым, а это потребует увеличения размеров самолета — значит, снова возрастет потребная мощность двигателя. Так поршневой авиационный двигатель, несмотря на свое исключительное совершенство, оказался не в состоянии решить задачу дальнейшего роста скорости полета.
Нужен был двигатель нового типа, способный развивать гораздо большую мощность при тех же размерах и весе.
1* Это не значит, что винт не может применяться при больших, даже сверхзвуковых скоростях полета. Здесь, как и в случае с самолетом, сказывается смешанный режим обтекания, когда на одни части лопасти устремляется сверхзвуковой воздушный поток, а на другие — дозвуковой. Ведь каждому из этих режимов отвечает свой, наивыгоднейший профиль сечения лопасти.
Глава II. По ту сторону «звукового барьера»
В этой главе речь идет о появлении авиационных двигателей нового типа — турбореактивных, о вызванной ими технической революции в авиации, о том, как с их помощью удалось преодолеть «звуковой барьер», а также о слабостях этих двигателей, препятствующих дальнейшей борьбе за увеличение скорости полета.
Рекорд скорости, установленный в 1939 году, был последним рекордом поршневого двигателя. Дальнейший стремительный прогресс авиационной техники связан уже с двигателем принципиально иного типа — турбореактивным.
Появление турбореактивного двигателя сразу перенесло штурм «звукового барьера» с дальних на ближние подступы. Уже первые появившиеся после войны самолеты с турбореактивными двигателями достигли скорости полета, близкой к 1000 километров в час, а затем и перешагнули этот рубеж.
Секрет успеха турбореактивного двигателя прост — при тех же размерах и весе, что и поршневой, он в состоянии развить в условиях скоростного полета значительно большую (в 10–20 раз) мощность. Более того, с ростом скорости полета мощность турбореактивного двигателя все время возрастает.
В чем же заключается принципиальное отличие турбореактивного двигателя от поршневого?
Оказывается, дело в количестве воздуха, которое может пройти через двигатель данных размеров в единицу времени. Ведь чем больше воздуха проходит через двигатель, тем больше топлива в нем сгорает, больше выделяется тепла и, следовательно, увеличивается мощность двигателя. Но почему через турбореактивный двигатель проходит намного больше воздуха, чем через поршневой? И в этом ничего удивительного нет. Через турбореактивный двигатель воздух течет непрерывно. Кроме того, для этого течения предоставлена большая часть поперечного, или миделевого, как его называют, сечения двигателя. Иначе обстоит дело в поршневом двигателе. В его цилиндры воздух втекает периодически. К тому же сечение впускных отверстий в этом двигателе во много раз меньше его миделевого сечения.
Естественно поэтому, что воздуха в поршневой двигатель поступает в десятки раз меньше, чем в турбореактивный.
Так переход от поршневых к турбореактивным двигателям позволил резко увеличить мощность силовой установки самолета и тем самым повысить скорость полета. Но скорость полета должна непрерывно расти, а это требует увеличения тяги двигателя.
Поэтому борьба за скорость полета для турбореактивного двигателя — это борьба за тягу. Неудивительно, что с момента появления турбореактивных двигателей их тяга непрерывно увеличивается.
Первые турбореактивные двигатели имели тягу 700–800 килограммов, а новейшие реактивные самолеты снабжены двигателями, тяга которых превышает 10 тонн 2*.
Можно ли увеличить тягу турбореактивного двигателя без значительного увеличения его размеров и веса? Да, можно.
Для этого нужно увеличить либо количество воздуха, проходящего через двигатель в секунду, либо скорость истечения газов из него.
Для увеличения расхода воздуха проще всего, конечно, увеличить диаметр двигателя. Но это более всего нежелательно, если учесть, как вредно лобовое сопротивление при больших скоростях полета. Другой путь — увеличение скорости, с которой воздух входит в двигатель, но это неизбежно приводит к увеличению потерь давления в нем и сильно ухудшает работу двигателя. Да и увеличить эту скорость можно только до определенного предела — до скорости звука.
2* По журналу «Эркрафт инжиниринг», апрель 1963 г., и др.
Воздухозаборное отверстие турбореактивного двигателя почти равно по сечению миделевому.
Наконец, существует и еще один путь, который используется конструкторами, — увеличение сечения для прохода воздуха при том же общем диаметре двигателя. Для этого нужно убрать все, что мешает течь воздуху через двигатель, «расчистить» газовоздушный тракт — вынести оттуда разные агрегаты, уменьшить до минимума диаметр втулки компрессора и пр. В последнее время преимущественное применение получили двигатели с осевым компрессором, а более распространенные ранее двигатели с центробежным компрессором отошли на второй план. Одна из причин этого как раз в том, что через двигатели с осевым компрессором при одинаковом диаметре проходит больше воздуха 3*.
Но совершенно яснр, что такие возможности увеличения расхода воздуха через двигатель ограничены, хотя именно за этот счет и шло до сих пор главным образом увеличение тяги турбореактивных двигателей.
