Я познаю мир. Авиация и воздухоплавание - Зигуненко Станислав Николаевич - Страница 34

34

Обычный самолет разгоняется при помощи воздушного винта, который вращается двигателем внутреннего сгорания — ДВС. Однако, как показала практика, такой двигатель не может обеспечить ни большой скорости полета, ни большой мощности.

А что, если мы попробуем винтом-пропеллером просто разгонять поток воздуха на входе реактивного двигателя? Благодаря такой догадке появился ТРД — турбореактивный двигатель. Чтобы запустить его, к компрессору подсоединяют стартер. Он раскручивает вал с лопатками, те загребают воздух и направляют его внутрь. Реактивный двигатель начинает работать.

Теперь стартер можно и отключить, поскольку конструкторы предусмотрели такую хитрость. На пути раскаленных газов к соплу они поставили дополнительно газовую турбину и соединили ее единым валом с компрессором. Выходящие газы крутят турбину, соединенный с ней компрессор нагнетает воздушный поток в камеру сгорания, топливновоздушная смесь горит, горячие газы вырываются из сопла, и цикл повторяется снова.

Вроде бы все достаточно просто. Однако такой простоты инженеры добивались не одну сотню лет. Ведь первые газовые турбины были известны еще в Древней Греции. Герон, например, развлекался тем, что выпускал струи пара из сосуда, в котором кипела вода, на крыльчатку, наподобие той, что выставляют мальчишки на ветер. И крыльчатка

Герона исправно крутилась, даже когда никакого ветра не было.

Но должны были пройти многие века, даже тысячелетия, чтобы игрушка превратилась в действительно нужное, полезное изобретение.

"На решение проблемы газовой турбины уже затрачена громадная умственная работа, и не только изобретателями и учеными, но и производственными фирмами; для развития этого типа машин принесены также громадные финансовые жертвы, но пока не достигнуто никакого практического результата".

Так писала техническая энциклопедия еще в 1934 году.

Конечно, какие-то турбины в то время уже существовали. Но именно «какие-то». Скажем, в 1940 году словацкий инженер Аурель Стодола, всю свою жизнь посвятивший турбинам, сумел построить лучший по тому времени агрегат из жаропрочных сталей, выдерживающих нагрев внутри до 650 °С. Но коэффициент полезного действия (КПД) такой турбины составлял всего 18% . Чтобы добиться большего, нужны были еще более жаропрочные материалы.

Лишь когда появились сплавы, могущие сохранять рабочую форму, будучи даже раскаленными добела, когда конструкторы научились охлаждать лопатки во время работы (многие из них теперь умеют «потеть», то есть выделять через крошечные отверстия в теле лопатки охлаждающие газы), когда были разработаны десятки конструкций с более-менее высоким КПД, турбовинтовые двигатели завоевали себе прочное место в авиации.

Теперь даже пропеллеры винтовых самолетов и роторы вертолетов крутят не двигатели внутреннего сгорания, а все те же турбины. Конструкторы догадались продлить вал, соединяющий вентилятор и турбину, еще вперед и насадили на него пропеллер. Он и помогает нагнетать дополнительные порции воздуха внутрь двигателя и создает подъемную силу, обдувая крыло.

Хождение на звук

Однако не думайте, что, получив в свое распоряжение более-менее надежные реактивные двигатели, конструкторы раз и навсегда решили все свои проблемы. С разработкой каждого нового двигателя его создателям приходится как бы вкратце проходить всю историю газовой турбины снова. Заново просчитываются пути прохода газовых потоков внутри двигателя, снова и снова проверяются тепловые режимы, подбираются лучшие стали и сплавы.

Простейший стенд для испытания двигателей: 1 — входной диффузор; 2 — рабочая камера; 3 — выходная часть

Прежде чем поставить новый двигатель на самолет, его работоспособность вновь и вновь проверяют на специальных стендах. Скажем, в Центральном институте авиационного моторостроения — ЦИАМе им. П.И. Баранова— есть специальные комплексы, где можно испытывать двигатели не только в наземных условиях, но и создавая с помощью эксгаустеров (в отличие от компрессоров они не нагнетают воздух, а, напротив, разрежают его, понижая давление) атмосферные условия больших высот. Здесь же моделируются и условия полета в неких экстремальных условиях, например, проверяют, не захлебнется ли экспериментальный двигатель, если самолет попадает в тропический ливень, град и т.д.

И лишь после серии испытаний на земле, убедившись, что новый двигатель вполне работоспособен, его вывозят на аэродром и прикрепляют к самолету-лаборатории. У него кроме экспериментального есть свои надежные и проверенные двигатели. Они позволят самолету-лаборатории взлететь, выведут на нужный режим, и лишь после этого на определенный срок будет включен экспериментальный мотор. Все особенности его работы зафиксируют на лентах самописцев и в памяти бортовых компьютеров, а потом на земле специалисты дадут заключение, что нужно подправить, чтобы двигатель работал еще лучше. И так шаг за шагом его научат летать.

Есть и еще одна забота у подобных летающих лабораторий. Некоторые типы двигателей в принципе неспособны начать работу на стоянке. Таков, как мы уже говорили, ПВРД — прямоточный воздушный реактивный двигатель. Если в обычном ТРД — турбореактивном двигателе — воздух в камеру сгорания нагнетается специальным компрессором, вращаемым турбиной, то в ПВРД сжатие воздушного потока происходит из-за скорости движения двигателя. Но для этого его, естественно, надо предварительно разогнать. Используют для этого обычно те же ТРД. Они поднимают самолет с аэродрома, разгоняют его до скорости порядка 1 тыс. км/ч, а после этого включают «прямоточку», позволяющую повысить скорость еще в 6—7 раз.

Идею такого двигателя высказал еще в 1907 году французский инженер Рене Лоран, а построили его впервые советские специалисты. Сначала, в 1929 году, тогда еще будущий академик Б.С. Стечкин разработал теорию воздушно-реактивного двигателя, а четыре года спустя в ГИРДе (группе изучения реактивного движения) впервые испытали ПВРД на практике.

Поскольку соответствующих стендов тогда еще не было, конструкторы под руководством Ю.А. Победоносцова придумали такую хитрость. Двигатель разместили в корпусе снаряда 76-миллиметровой пушки и выстрелили им. Испытания показали, что снаряды с ПВРД оказались способны развить скорость более 2 М (М, напоминаем еще раз, — скорость звука в воздухе); быстрее в то время не летал ни один аппарат в мире. Тогда же гирдовцы построили и испытали модель пульсирующего ПВРД — он был экономичнее.

В 40-е годы работы по «прямоточке» велись специалистами ЦИАМа. Ими оснащались некоторые типы экспериментальных летательных аппаратов, в том числе и ракеты. Однако вскоре выяснилось, что на скоростях более 7 М такие двигатели малоэффективны: воздух, попадавший в воздухозаборник, сильно нагревался из-за трения. Кроме того, при таких температурах начинали диссоциировать, распадаться даже молекулы продуктов сгорания, поглощая энергию, и тяга двигателя падала.

Тогда в 1957 году участник первых испытаний Е.С. Щетинков изобрел ГПВРД — гиперзвуковой реактивный двигатель. Благодаря использованию расширяющегося сопла воздушный поток в нем не тормозится, а ускоряется даже на больших скоростях движения.

Несколько позднее за рубежом была предложена схема ГПВРД с внешним горением. У самолета с таким двигателем топливо горит прямо в воздухе, под фюзеляжем летательного аппарата. Тяга при этом, правда, несколько снижается, зато налицо выигрыш в весе и габаритах двигателя.

И вот совсем недавно, в начале 90-х годов, наши конструкторы разработали и испытали ГПВРД нового типа — двухрежимный. При скорости порядка 3 М он работал как обычная «прямоточка», а после 5—6 М как гиперзвуковая.

После стендовых испытаний, проводившихся в ЦИАМе, в качестве гиперзвуковой летающей лаборатории (ГЛЛ) было решено использовать снимаемую с вооружения зенитную ракету. Разгон ГЛЛ осуществлялся с помощью обычных пороховых ускорителей, а затем начинал работать ГПВРД.