Мотор

11. Реактивный двигатель

Казалось бы, в лице бензинового мотора авиация получила могучее и надёжное «сердце», которое в состоянии обеспечить большие скорости самолётов.

Однако действительность говорит иное.

На очень больших скоростях, порядка 800–900 километров в час, которые уже достигнуты современными самолётами, воздушный винт — движущий орган машины — перестаёт надёжно тянуть самолёт. Какую бы большую мощность мы ни подводили от мотора к винту, он на больших скоростях всё равно не потянет самолёт быстрее. Воздушный винт и обычный поршневой бензиновый мотор не в состоянии обеспечить самолёту очень больших скоростей.

На помощь авиации приходит совершенно новый двигатель — реактивный.

У нас, в России, были впервые разработаны основные типы реактивных двигателей и произведены теоретические исследования их работы и полёта в пределах и за пределами атмосферы.

Впервые наиболее чётко о возможности применения реактивного двигателя в авиации сказал в 1881 году в своём завещании приговорённый к смертной казни за изготовление бомбы, убившей Александра II, революционер-народник Николай Иванович Кибальчич.

Заключённый в каземат Петропавловской крепости, за несколько дней до своей смерти Кибальчич составил «Проект воздухоплавательного прибора» — первый проект реактивного летательного аппарата. «Находясь в заключении, — писал он, — за несколько дней до своей смерти, я пишу этот проект. Я верю в осуществимость моей идеи, и Эта вера поддерживает меня в моём ужасном положении».

Не желая унести в могилу тайну своего замечательного изобретения, революционер просил устроить ему перед смертью свидание с кем-либо из учёных, чтобы передать свой проект потомкам. В свидании Кибальчичу отказали.

После Великой Октябрьской революции этот замечательный проект ракетоплана, который мог перемещаться в воздухе и в безвоздушном пространстве, был найден среди особо секретных дел царской охранки.

Но ещё до того, как был извлечён из архивов охранки проект Кибальчича, с идеей реактивного полёта выступил великий русский учёный Константин Эдуардович Циолковский.

В 1903 году в журнале «Научное обозрение» появилась его статья «Исследование мировых пространств реактивными приборами». В этой работе Циолковский пошёл значительно дальше Кибальчича; он дал не только строго научное обоснование возможности использования реактивного двигателя для полётов, но и разработал первые конструкции ракетопланов.

Великий русский учёный К. Э. Циолковский (родился в 1857 г., умер в 1935 г.).

Непрерывно совершенствуя свои изыскания, углубляя их, великий «фантаст и мечтатель», как его называли в те дни, занимался вполне реальным делом.

Увлечённый мыслью о межпланетных полётах, Циолковский сорок пять лет назад создал проект жидкостного реактивного двигателя, который по принципу своему явился предшественником современных жидкостных реактивных двигателей самолётов и реактивных снарядов.

В те годы, когда воздухоплавание только ещё утверждалось, Циолковский уже говорил: «За эрой аэропланов винтовых должна следовать эра аэропланов реактивных или аэропланов стратосферы».

Что же представляет собой реактивный двигатель? Как он работает?

С давних пор передвижение по земле в нашем сознании прочно связано с вращающимся колесом. Вращение — основа современной техники. И когда мы говорим о двигателе — будь то паровой, внутреннего сгорания или электрический, — мы знаем, что его работа заключается во вращении; мотор вращает колёса автомашины, винт корабля, винт самолёта, которые сообщают в конечном итоге поступательное движение тому или иному виду транспорта.

Реактивный двигатель не имеет ни колёс, ни винтов; он создаёт тягу, как бы отталкиваясь от газов, которые в нём самом образуются.

Основное преимущество реактивной техники — простота. Взгляните на современный бензиновый авиамотор в разрезе. Какое обилие механизмов, колёс, поршней и многих других частей упрятано в этот двигатель. Реактивный же двигатель очень прост. Имея ту же мощность, реактивный двигатель в три-четыре раза легче поршневого авиамотора. Кроме того, он имеет малый размер, а это позволяет придать самолёту обтекаемую форму, необходимую для уменьшения сопротивления воздуха в полёте. По управлению своему и по обслуживанию новый тип двигателя также проще обычных авиамоторов.

Рис. 22. При выстреле пушка откатывается назад реактивной силой.

Как же работает такой двигатель?

В начале книги мы приводили сравнение между пушкой и двигателем внутреннего сгорания. Посмотрим внимательно ещё раз, как стреляет пушка. Мы поджигаем порох. Он взрывается. Снаряд вылетает из ствола-цилиндра под давлением газов. Но в это же мгновение сама пушка под давлением тех же газов откатывается в противоположную сторону (рис. 22). Почему это происходит? Газы, образующиеся при выстреле в стволе пушки, давят во все стороны одинаково. При этом давление газов о днище ствола пушки не уравновешивается противоположным давлением со стороны ядра, так как ядро вылетело и никакой жёсткой стенки для газов уже нет. Это давление газов о днище ствола и откатывает пушку назад. Если из пушки продолжать стрелять непрерывно и не закреплять её, она будет непрерывно катиться под действием силы отдачи или, как её называют, реактивной силы в сторону, обратную направлению выстрела. На этом и основана работа реактивного двигателя. Для получения реактивной тяги в таком двигателе необходимо, чтобы из него вытекала непрерывная струя газов в сторону, противоположную движению самого двигателя.

Тяга реактивного мотора тем больше, чем больше газов выходит из двигателя и чем больше скорость их истечения.

Но как заставить выходить из двигателя постоянный мощный поток газов?

Каждый, наверное, видел обыкновенную паяльную лампу. В горелку этой лампы поступают бензиновые пары. Они смешиваются с воздухом и сгорают. Голубой язык пламени с рёвом вырывается из горелки, вытягиваясь далеко вперёд. Кажется, что вся лампа содрогается от раскалённого потока вылетающих газов.

Паяльная лампа и напоминает современный реактивный двигатель. Поток значительной массы газов может быть получен за счёт сгорания большой массы топлива. В технике для этой цели могут служить керосин, бензин, бензол, спирт и т. д. Чем больше тепла они дают при сгорании, тем больше скорость истечения образующихся газов и тем сильнее тяга двигателя.

Для горения необходим кислород. Он применяется либо в виде окислителей, например азотной кислоты, перекиси водорода, либо в чистом виде: в виде жидкого кислорода или кислорода из воздуха.

В зависимости от того, в каком виде используется в двигателе кислород, они разделяются на жидкостные и воздушные.

Жидкостный реактивный двигатель (или кратко ЖРД) прост по конструкции и не отличается от двигателя, предложенного и разработанного Циолковским (рис. 23). Он состоит из камеры сгорания, в которую из специальных баков вводятся горючее и окислитель. Так как в камере сгорания развивается давление до 20 атмосфер, горючее накачивается в камеру насосами.

Современный ЖРД при сжигании одного килограмма топлива в секунду даёт толкающее усилие, равное примерно 200 килограммам.

Ввиду большого расхода горючего действие этого двигателя на самолётах пока ещё непродолжительно, практически не превышает 10–15 минут. Зато мощность ЖРД не ограничена и не зависит от высоты полёта самолёта, а лишь от того, сколько топлива сгорает в данный момент.

ЖРД применяется в авиации как двигатель для разгона тяжело нагружённых самолётов при взлёте, а также в скоростных истребителях-перехватчиках и ракетных снарядах.

ЖРД — это пока единственный двигатель, который может практически работать в безвоздушном пространстве. Лишь упомянутый недостаток его — большой расход топлива — задерживает широкое использование этого двигателя в авиации.

Рис. 23. Схема жидкостного реактивного двигателя (ЖРД).

Как же увеличить продолжительность работы реактивного двигателя?

Попробуем отказаться возить с собой окислитель в виде жидкого кислорода, азотной кислоты и т. д., а будем забирать его прямо из воздуха. Самолёты с воздушно-реактивными двигателями (ВРД) берут с собой только горючее, кислород же засасывается с воздухом. Воздушно-реактивные двигатели для обычных скоростей современных самолётов экономичнее жидкостных примерно в 10 раз.

В настоящее время существует несколько систем ВРД.

Посмотрим, как работает пульсирующий воздушно-реактивный двигатель (ПуВРД). Он представляет собой цилиндрическую трубу с установленными внутри неё клапанными решётками и форсунками (рис. 24). Через переднее отверстие в двигателе сквозь открытые решётки клапанов воздух попадает в камеру сгорания, В это же мгновение туда с помощью форсунок впрыскивается горючее и поджигается. Клапанные решётки сами захлопываются от внутреннего давления газов. Теперь двигатель напоминает ствол пушки, закрытый с одного конца. Газы вырываются из заднего отверстия, как из ствола, создавая реактивную тягу. В следующий момент новая порция воздуха врывается сквозь клапанные решётки, снова впрыскивается горючее и опять происходит взрыв.

Рис. 24. Схема пульсирующего воздушно-реактивного двигателя (ПуВРД).

Рис. 25. Схема прямоточного воздушно-реактивного двигателя (ПВРД).

Двигатель работает отдельными толчками, создавая тягу самолёту.

Но можно построить ВРД и без решёток — это так называемый прямоточный воздушно-реактивный двигатель (ПВРД). Он имеет цилиндрический корпус (рис. 25). Переднее отверстие в корпусе несколько меньше заднего, откуда выходят реактивные газы. При большой скорости самолёта сквозь переднее отверстие врывается воздух, который служит окислителем для горючего, поступающего из форсунки. Газы, образующиеся от сгорания горючего в сильной воздушной струе, проходящей через двигатель, нагревают этот воздух, и он от этого стремится расшириться и с огромной силой вырывается через заднее отверстие двигателя. Поэтому грубо можно сказать, что тяга этого двигателя получается как бы только за счёт «разгона воздуха», который входит в двигатель и покидает его в сильно разогретом состоянии.

Рис. 26. Схема турбокомпрессорного воздушно-реактивного двигателя (ТКВРД).

Однако при всей своей простоте прямоточный двигатель будет выгоден только на очень больших скоростях самолёта (2–3 тысячи километров в час), когда воздух будет врываться в переднее отверстие двигателя с огромным давлением.

Эти скорости пока ещё не достигнуты самолётом.

А нельзя ли искусственно увеличить давление входящего в двигатель воздуха? Можно.

Техника реактивных самолётов остановилась в настоящее время на так называемом турбокомпрессорном воздушно-реактивном двигателе (ТКВРД). Это сейчас основной двигатель в реактивной авиации (рис. 26). В нём нагнетание воздуха в двигатель производит компрессор — воздушный насос. Вращается компрессор от газовой турбины, которая установлена в струе реактивных газов и действие которой мы уже разобрали. ТКВРД может развить достаточную тягу при взлёте самолёта, а также на малых скоростях полёта.

Для того чтобы уяснить себе работу наиболее распространённого турбокомпрессорного реактивного двигателя, рассмотрим подробнее процессы, которые в нём протекают, и попытаемся сравнить их с уже известными нам четырьмя тактами двигателя внутреннего сгорания.

В ТКВРД можно проследить следующие четыре процесса: всасывание атмосферного воздуха, сжатие его турбокомпрессором, впрыскивание горючего, горение и, наконец, реактивный выхлоп.

Сравнивая этот двигатель с обычным четырёхтактным двигателем внутреннего сгорания, мы найдём много общего. В каждом цилиндре поршневого двигателя по очереди повторяются такты: всасывание, сжатие, горение и выхлоп.

В турбокомпрессорном реактивном двигателе также происходит некоторое подобие этих процессов. Однако это осуществляется одновременно и непрерывно, но в разных зонах двигателя.

Таким образом, если четыре такта в цилиндре поршневого двигателя чередуются во времени, то в реактивном двигателе четыре такта как бы чередуются в пространстве — по отдельным зонам двигателя. Правда, и роль этих процессов здесь несколько отлична.

Сложность турбокомпрессорного двигателя в сравнении с другими реактивными двигателями окупается его совершенными качествами: двигатель даёт большую тягу и хорошо работает на всех скоростях самолёта. Изменяя подачу горючего, можно управлять мощностью этого двигателя.

Каждый из рассмотренных нами типов реактивных двигателей находит, или найдёт в ближайшем будущем, своё применение в авиации: ТКВРД — уже применяется для скоростей, достигающих скорость звука (1 200 км в час), ПВРД — для скоростей в 2–3 раза выше скорости звука и ЖРД — для полёта к стратосфере.

И сейчас, когда первые эскадрильи реактивных самолётов (рис. 27) уже летают в воздушном океане, когда на сверхвысоких скоростях полёта поршневой мотор уже уступил своё место реактивному двигателю, хочется ещё раз вспомнить слова Циолковского, сказанные в 1933 году:

«Сорок лет я работал над реактивными двигателями и думал, что прогулка на Марс начнётся лишь через много сотен лет. Но сроки меняются. Я верю, что многие из вас будут свидетелями заатмосферного путешествия».

Рис. 27. Самолёт с воздушно-реактивным двигателем.

Только Советская власть дала учёному веру в реальность своих идей, дала ему веру в силы человеческого творчества. Только Советская власть по-настоящему оценила всю глубину и значимость его трудов и стремлений.

Циолковский видел ту силу, которая способна двигать вперёд развитие человечества. В своём письме товарищу Сталину он писал в 1935 году, в год своей смерти:

«Всю свою жизнь я мечтал своими трудами хоть немного продвинуть человечество вперёд. До революции моя мечта не могла осуществиться. Лишь Октябрь принёс признание трудам самоучки: лишь Советская власть и партия Ленина — Сталина оказали мне действенную помощь. Я почувствовал любовь народных масс, и это давало мне силы продолжать работу уже будучи больным…

Все свои труды по авиации, ракетоплаванию и межпланетным сообщениям передаю партии большевиков и Советской власти — подлинным руководителям прогресса человеческой культуры. Уверен, что они успешно закончат эти труды».

И если раньше казённая царская наука, окружив непроходимой стеной молчания дерзновенные проекты великого учёного, пыталась представить его «калужским чудаком и мечтателем», то освобождённый русский народ понял и воспринял замыслы Циолковского. Знаменитым деятелем науки назвал Циолковского товарищ Сталин.

Наступил день, когда реактивные самолёты поднялись в небо.

И недалеко время, когда первые космические корабли, оснащённые реактивными двигателями, устремятся за пределы земной атмосферы на исследование мировых пространств.