Битва за скорость

И здесь нужно сказать несколько слов о том, в чем же заключается функция главного конструктора двигателей. Безусловно, двигатель является продуктом коллективного труда множества специалистов. Но есть вопросы и решения, прерогатива которых находится в компетенции главного конструктора и никого более. Главный конструктор определяет облик будущего двигателя: размерность, газодинамическую схему и уровень предельных параметров. Эти параметры главный конструктор выбирает исходя из своих представлений о двух взаимно противоречивых требованиях: перспективности будущего двигателя и степени риска его создания за ограниченное время. Очевидно, что чем перспективнее проектируемый двигатель, тем больше степень риска его создания к сроку. И наоборот, чем меньше риски создания двигателя, тем менее перспективным он будет. Никакая теория не может дать здесь решение — все полностью зависит от интуиции, опыта главного конструктора. Успехи и провалы, которыми усеян путь авиационного моторостроения, обусловлены как раз оказавшимися верными или неверными оценками соотношения перспективности и риска.

Социальный статус генеральных конструкторов двигателей был велик: они назначались и освобождались от работы по постановлению ЦК КПСС, а не простым приказом министра. Благодаря этому статусу генеральные конструкторы были относительно независимы, имели прямую телефонную связь с оборонным отделом ЦК, руководством Минобороны и ВВС. В бытность, когда министром обороны был влиятельный член Политбюро Д. Ф. Устинов (в просторечии «дядя Дима»), генеральный конструктор мог обращаться к нему напрямую. Формально подчиняясь министру, генеральные конструкторы находились на одном с ним уровне.

В чем же количественно выражается перспективность авиационного двигателя? Коэффициент полезного действия, т. е. степень преобразования хаотического движения молекул (тепло) в упорядоченное (работу), выражается в виде термического кпд

для идеального термодинамического цикла Карно. Здесь минимальная температура рабочего тела — это температура окружающей среды, а максимальная температура — это максимальная температура газа в начале расширения, т. е., перед турбиной. Таким образом, главный параметр, отражающий технический прогресс в газотурбостроении, — это уровень температуры газа перед турбиной. Здесь температура отсчитывается по термодинамической шкале, где за 0 принят уровень -273 градуса Цельсия. Смысл этой шкалы заключается в том, чтобы исключить отрицательные значения температур, неудобные для термодинамических вычислений. Из выражения кпд теплового двигателя видно, что даже в случае отсутствия потерь, например, на трение, идеальный кпд никогда не достигает 1, т. е. 100 %.

Так, при Т_маж=1800К и T_min=288K (что соответствует +15 град. Цельсия) кпд двигателя составит только 84 %. То есть 16 % располагаемой внутренней энергии в работу превратить не удается из-за остающегося непревращенным в работу хаотического движения молекул при Т=288К. Если же учесть все потери работы, превращающейся в тепло в процессе преобразования энергии, т. е. потери на трение газа о поверхность лопаток, недоиспользование тепла в пределах габаритов двигателя (выхлоп в атмосферу с повышенной температурой) и т. п., то уровень кпд реального газотурбинного двигателя составит 40 %. Это — если мы используем газотурбинный двигатель в качестве привода, например, электрогенератора. Если же газовая турбина применяется на самолете, то полученную в термодинамическом цикле преобразования тепла работу необходимо еще превратить в тяговую мощность.

Здесь мы тоже не можем осуществить процесс преобразования со 100 % кпд. Этот вид кпд носит название тягового, или полетного, и выражается в виде:

где W — скорость истечения газов из сопла двигателя, а V — скорость полета самолета. Как видно из выражения полетного кпд, он может быть равен 1, или 100 %, при условии равенства скорости истечения и скорости полета. Но это невозможно, так как тяга двигателя по закону Ньютона

равна разности выходного и входного импульса, т. е. пропорциональна секундной массе рабочего тела через двигатель, умноженной на приращение скорости рабочего тела в двигателе. Собственно, работа, полученная при преобразовании тепла в двигателе, как раз и идет на приращение скорости рабочего тела. Таким образом, стремясь к максимальному полетному кпд (т. е. W(V), мы должны компенсировать уменьшение тяги двигателя (из-за уменьшения прироста скорости) увеличением секундной массы рабочего тела. В реальном двигателе — это увеличение размеров (диаметра компрессора, а следовательно, и двигателя).