Юный техник, 2001 № 05

В 20-е годы конструкторам казалась едва достижимой прибавка к скорости очередной сотни км/ч, а теоретики уже думали о сверхзвуковых скоростях. Но знали: винт и поршневой двигатель придется чем-то заменять. И вот почему.

Пока скорость много меньше скорости звука, воздух расступается перед движущимся телом и сопротивление возникает сравнительно небольшое. По мере приближения к скорости звука воздух становится все плотнее, сжимается, сопротивление растет.

Не на всех частях винтовых самолетов это сказывалось в равной мере. При скоростях 700–800 км/ч крылья, например, еще работают неплохо. И сопротивление их невелико, и подъемная сила достаточна. С винтом же все иначе. Винт, по существу, то же крыло, только вращающееся. Собственная скорость его лопастей складывается (по правилу параллелограмма) со скоростью полета. В точках на концах лопастей скорость относительно воздуха оказывается значительно больше скорости звука. Здесь возникает область сжатия — и тяга винта падает.

Видя это, некоторые авиаконструкторы, например советский изобретатель П.Гроховский, хотели применить вместо винта центробежный вентилятор. Полагая при этом, что самолету с таким движителем крылья не нужны (рис. 1).

Другие изобретатели, анализируя положение, отмечали, что линейная скорость различных частей винта неодинакова. Она велика только на концах и мала в середине как неизбежное следствие вращательного движения. Из этого делался логичный вывод. Винт можно заменить крылом, движущимся параллельно самому себе с умеренной скоростью.

Так возродилась бытовавшая на заре воздухоплавания идея воздушного гребного колеса (рис. 2).

Рис. 2

Размышляя в этом направлении, некоторые додумались даже до крыльев параллельного взмаха.

Но идея, безупречная с точки зрения чистой логики, оказалась технически не осуществима. Несмотря на кажущуюся простоту, в этих механизмах возникали сложные процессы, ставившие инженеров в тупик…

Однако вернемся к теории.

Тяга винта создается за счет реактивной силы отбрасывания масс воздуха назад по ходу полета. Совершить это можно и без помощи механизмов. Например, работавший в США русский инженер А.Н.Прокофьев-Северский предлагал отбрасывать воздух электрическим полем, что привело бы к появлению экологически чистых бесшумных «ионокрафтов» (рис. 3).

Рис. 3

Другие изобретатели, начиная с К.Э.Циолковского, предлагали воздушно-реактивные двигатели (ВРД), создающие тягу за счет сжигания в камере сгорания топлива. Именно их и использует современная реактивная авиация.

В двигателе Циолковского при помощи компрессора, работающего от поршневого мотора, сжимался воздух. В него впрыскивалось и сжигалось топливо. Образующиеся продукты сгорания, с большой скоростью вытекая из сопла, создают реактивную тягу (рис. 4).

Поскольку современные ВРД используют газовые турбины, часто думают, что идея Циолковского оказалась не вполне работоспособна. Но это не так. Первый самолет с двигателем такого типа (их называют моторно-компрессорными) был построен в 1940 году в Италии (рис. 5).

Рис. 5

Скорость опытного образца была еще невелика — 330 км/ч. В 1943 году та же фирма построила моторно-компрессорный истребитель, но испытать его из-за поражения в войне не успела. Аналогичный самолет, построенный у нас в 1946 году, развил 800 км/ч.

Хотя поршневой двигатель экономичнее и дешевле турбины, от него отказались. И вот почему.

Выходящие из нее продукты лишь часть своей энергии отдают лопаткам турбины. Покидая их, они имеют высокую скорость и за счет этого создают реактивную тягу.

Первый самолет с газотурбинным ВРД был построен в Германии в 1939 году (рис. 6).

К 1950 году скорость самолетов, оснащенных такими двигателями, превысила скорость звука. Но военным требовались скоростные самолеты дальнего действия. Расход же топлива с газотурбинным ВРД был непомерно велик. С одной стороны, это было вызвано низким термическим КПД газовых турбин того времени. Но имелась и иная причина. Дело в том, что энергия реактивной струи только тогда полностью идет на создание тяги, когда скорость ее истечения равна скорости самолета. А она у этих двигателей была почти в два раза больше, чем скорости, реально освоенные в авиации. Поэтому полученная энергия использовалась лишь наполовину.

Избежать этого можно было, лишь минуя уменьшение скорости истечения продуктов сгорания при одновременном увеличении их массы. Сделать это без изменения конструкции двигателя, например, подмешивая к топливу побольше воздуха, было нельзя. От этого падал бы и без того низкий термический КПД турбины. Он был ниже, чем у паровых машин прошлого века.

То, что такая ситуация может возникнуть, предвидели давно. В 1937 году советский изобретатель Л.М.Люлька (впоследствии генеральный конструктор) предложил реактивный двигатель (рис. 7), имевший одно, казалось бы, незначительное отличие.

Первые ступени компрессора были несколько увеличены и могли засасывать гораздо больше воздуха, чем его было нужно для сгорания топлива. Излишек направлялся по внешнему контуру в обход камер сгорания. Обтекая горячие стенки, смешиваясь в дальнейшем с продуктами сгорания, он подогревался, увеличивая свою скорость. Такие двигатели называют двухконтурными. На больших дозвуковых скоростях они сократили расход топлива в два раза. Стали возможны даже перелеты через океан.

Сегодня все самолеты, рассчитанные на дальние полеты, имеют подобные двигатели. Первые ступени их компрессоров называют вентиляторами. Это они увеличивают массу отбрасываемого воздуха и делают двигатель экономичным.

Но, в сущности, их можно рассматривать как многопластовые воздушные винты в скрытой форме. Они расположены за входным диффузором, там, где скорость набегающего потока значительно снижена. Лопасти их относительно коротки. Скорость на концах лопастей мало отличается от скорости остальных точек. Не об этом ли мечтали те, кто предлагал заменить винт на экзотическую конструкцию типа гребного колеса?

Итак, подведем итог. На смену винтовым аэропланам в 40-е годы пришли, как предсказывал Циолковский, аэропланы реактивные. Их на время сменили аэропланы, имеющие в скрытой форме винты. Когда освоение больших сверхзвуковых скоростей станет экономически рентабельным, неизвестно. Но лишь тогда начнется эра аэропланов чисто реактивных.

А.ИЛЬИН

ВЕСТИ С ПЯТИ МАТЕРИКОВ

КОРАБЛЬ-НЕВИДИМКА для десанта построен в США. Он представляет собой катамаран прямоугольной формы, выполненный по технологии «стеллс». Той, что используется в авиации на самолетах F-117 и В-2. Как полагают, новое судно сможет практически незамеченным доставлять десантников до самого берега. Впрочем, опыт эксплуатации самолетов-невидимок показал, что они далеко не всегда оправдывают возлагавшиеся надежды…