Воздушно-реактивные двигатели

Что же это за могучая сила, которая поднимает в воздух на многокилометровую высоту воздушные корабли весом в несколько десятков тонн и делает кажущуюся такой неповоротливой на земле машину похожей на стремительную птицу, молнией пересекающую голубой купол небосвода?

Эта сила создается воздушным винтом. Он вращается с огромной скоростью, совершая каждую минуту более тысячи оборотов: его лопасти сливаются в один сверкающий диск (рис. 2).

Рис. 2. Лопасти вращающихся винтов сливаются в сплошные диски (советский тяжелый бомбардировщик в период Великой Отечественной войны в полете)

Каким же образом воздушный винт создает движущую силу, или тягу, как ее называют? Почему он способен служить «движителем», т. е. устройством, создающим движущую силу?

Мы не можем видеть того, как создается тяга винтом, ибо окружающий нас воздух прозрачен. Однако, если захотим, мы можем почувствовать это. Станьте позади работающего винта — на вас тотчас обрушится стремительный поток воздуха, сильнее любого урагана. Но сделайте два шага в сторону, и вы выйдете из сферы действия воздушного потока — «ураган» исчезнет. Этот «ураган» создается винтом. Оказывается, винт — это мощный вентилятор. Он засасывает спереди окружающий неподвижный воздух и с огромной скоростью отбрасывает его назад.

Если бы мы могли сделать воздух видимым, например, окрашенным в зеленый цвет, причем не просто окрашенным, а так, что по мере ускорения движения воздуха окраска его становилась бы все темнее, то мы увидели бы необыкновенно красивое зрелище.

Вот в светлозеленом океане начал вращаться воздушный винт. Взволновался океан перед винтом, и со всех сторон — спереди, сбоку, сверху, снизу — стали притекать к прозрачному диску вращающегося винта воздушные струйки, образуя огромную зеленую воронкообразную чашу. Чем ближе к винту, тем уже и темнее эта чаша. Вот струйки прошли через едва различимую преграду — диск вращающегося винта; за ним огромная воздушная воронка стала темнозеленой. Воздушный поток — «ураган» — стал видимым. Винт оказался работающим внутри образованной им в воздушном океане своеобразной «аэродинамической трубы», заполненной быстро движущимся воздухом (рис. 3).

Рис. 3. Такую невидимую воздушную струю образует воздушный винт

Вот, оказывается, в чем заключается действие винта — он неустанно отбрасывает назад воздух так же, как мы с вами могли бы бросить камень или мяч.

Но ведь «бросить» —это значит толкнуть. Чем тяжелее камень и чем большую скорость он приобретает при толчке, тем большей должна быть сила толчка. Винт отбрасывает каждую секунду сотни и тысячи килограммов воздуха со скоростью в десятки метров в секунду, поэтому он действует на воздух с огромной силой в сотни и тысячи килограммов.

Но в природе всегда и неразрывно связаны между собой действие и противодействие — силы, равные по величине друг другу, но противоположно направленные. Так и гласит один из основных законов механики, установленный создателем этой науки — Ньютоном (третий закон Ньютона): действие равно противодействию.

Следуя этому закону, воздух сопротивляется действию винта, оказывает ему противодействие. Если винт толкает воздух, то воздух с такой же силой толкает винт.

Вот это противодействие воздуха, т. е. та сила, с которой отбрасываемый воздух действует на винт, и есть движущая сила винта, его тяга. Значит, тяга винта — это сила реакции отбрасываемого им воздуха (по латыни «реакция» и есть противодействие). Мы здесь встречаемся, следовательно, с движущим устройством, использующим принцип реактивной отдачи.

Так как вращающийся воздушный винт непрерывно отбрасывает с большой скоростью огромную массу воздуха, то легко видеть, что для вращения его нужно затрачивать большую работу. «Ураган», бушующий за винтом, обходится недешево.

Для приведения во вращение воздушного винта и устанавливается на самолете авиационный поршневой двигатель. Вместе они образуют силовую установку, без которой самолет не может совершать полет. Двигатель развивает необходимую для совершения полета мощность, а воздушный винт использует эту мощность для создания силы тяги, движущей самолет.

Понятно, какое огромное значение имеет для самолета совершенство установленного на нем двигателя. Не зря говорят, что двигатель — это сердце самолета. Чем надежнее, мощнее, легче и меньше по размерам двигатель, чем меньше топлива он расходует, тем быстрее, выше и дальше может летать самолет.

Наши ученые, конструкторы, инженеры и рабочие авиационной промышленности настойчиво развивали и совершенствовали авиационные двигатели, обеспечивая высокое качество советской авиации.

Три четверти века назад был создан авиационный поршневой двигатель внутреннего сгорания. С тех пор этот двигатель прошел замечательный путь развития. Современные поршневые авиационные двигатели так же не похожи на первые двигатели, как и современные самолеты не похожи на «летающие этажерки» и «летающие гробы» начала нашего века.

Вот перед нами на взлетной полосе аэродрома стоит готовый к взлету самолет с поршневым двигателем (рис. 4). Уже получено разрешение на взлет; сейчас летчик «даст газ» — передвинет рычаг управления вперед, двигатель перейдет на полную мощность и самолет начнет разбег для взлета.

Но задержим самолет на взлетной полосе, положив под его колеса деревянные колодки. Теперь, сколько ни будет «газовать» летчик, самолет не тронется с места. Воспользуемся возможностью и познакомимся с двигателем самолета.

Рис. 4. Самолет Як-18 перед взлетом

Двигатель установлен в передней части фюзеляжа. Его совсем не видно, так как он укрыт капотом — обтекателем, создающим самолету плавные обтекаемые формы. Из-под капота наружу выглядывают только небольшие выхлопные патрубки, из которых вырываются языки голубоватого пламени. Это выбрасываются в атмосферу из цилиндров двигателя раскаленные газы, продукты сгорания бензина, на котором работает двигатель.

В цилиндрах двигателя происходят очень сложные процессы. Много раз в секунду осуществляется в каждом из них рабочий цикл: засасывается свежий воздух, который на пути в цилиндры перемешивается с топливом — бензином; бензовоздушная смесь сжимается и мгновенно сгорает, при этом образуются раскаленные газы высокого давления. В этих-то газах и заключена вся тепловая энергия, выделившаяся при сгорании топлива, в них источник той силы, которая неутомимо вращает воздушный винт. Но путь энергии от газов к винту весьма сложен. Газы расширяются и давят на поршни, движущиеся вверх-вниз в цилиндрах; поршни связаны шатунами с коленчатым валом. Так с помощью сложного кривошипно-шатунного механизма энергия расширяющихся газов сообщается коленчатому валу двигателя. От коленчатого вала двигателя, обычно через шестеренчатую передачу — редуктор, получает вращение воздушный винт.

Если бы капот самолета и стенки двигателя были стеклянными, то мы все равно не смогли бы разобраться в том, что происходит внутри двигателя. Протекающие в нем различные процессы чередуются так быстро, что потребовалась бы «лупа времени», замедленная киносъемка для того, чтобы уловить направление движения частей двигателя или разобраться в последовательности происходящих в нем явлений.

Рис. 5. Отечественный поршневой авиационный двигатель АШ-82

Современный поршневой авиационный двигатель (рис. 5) состоит из тысяч различных деталей. Он развивает мощность до нескольких тысяч лошадиных сил, способен работать десятки часов подряд, даже в разреженной атмосфере, на высотах в 15 км и более, выдерживает огромную нагрузку, которой подвергается в полете при выполнении фигур высшего пилотажа или в воздушном бою. И вместе с тем он во много раз легче и меньше любого другого двигателя внутреннего сгорания такой же мощности.