Воздушно-реактивные двигатели

Можно увидеть подобный «сверхзвуковой» конус и простым глазом, но только не в воздухе, а на поверхности воды. Физические причины возникновения конуса возмущения в этом случае оказываются другими, они не связаны со скоростью звука, но сама по себе картина получается в точности такой же. Этой аналогией мы обязаны тем, что по поверхности воды волны тоже движутся с вполне определенной скоростью, как и звук в воздухе. Если по водной глади скользит какая-нибудь букашка со скоростью большей, чем скорость распространения волн, то эта букашка также окажется в вершине конуса возмущения. Все круговые волны, вызванные движением букашки, окажутся заключенными внутри этого конуса, а снаружи его поверхность воды будет попрежнему совершенно гладкой, невозмущенной. Да кто из нас не наблюдал расходящихся по воде в обе стороны «усов», возникающих при быстром движении катера или глиссера?

Но эта аналогия с движением по воде может быть продлена и дальше. Если по воде движется не букашка, а быстроходный катер, то он, рассекая воду, поднимает перед собой мощную волну, водяной вал. По обе стороны от носа катера встают высокие водяные буруны, два водяных вала, которые постепенно, на сравнительно большом расстоянии от катера, превращаются в упомянутые выше обычные «усы».

Нечто похожее происходит и при движении со сверхзвуковой скоростью в воздухе не «точки», а какого-нибудь большого тела. Перед ним возникает мощный воздушный «вал», волна уплотненного воздуха, переходящая в два воздушных «буруна» по обе стороны от тела, и уже только на значительном расстоянии эти «буруны» превращаются в обычный конус возмущения. В синем воздушном океане мы увидим резко очерченную, темную-темную переднюю, или головную, как ее называют, волну, постепенно светлеющую по обе стороны и переходящую в светлую, а значит, слабую коническую волну возмущения.

Вот такая же головная волна возникает и перед движущимся со сверхзвуковой скоростью прямоточным двигателем (рис. 56). Струи воздуха, мчащегося со сверхзвуковой скоростью, наталкиваются на эту волну, на стену уплотненного воздуха. Происходит удар, как о всякую преграду, — не зря эта волна носит название ударной волны. Почти внезапно, на ничтожно коротком расстоянии, давление воздуха резко увеличивается, воздух сжимается, уплотняется. Поэтому ударную волну и называют часто скачком уплотнения. Скорость воздуха в скачке резко уменьшается, и по другую сторону скачка она становится дозвуковой. В зеленом воздушном океане, чувствительном к скорости движения воздуха, цвет невозмущенного океана перед скачком темный-темный, а затем знакомая нам резко очерченная граница отделяет его от светлозеленого воздуха — за скачком воздух движется со скоростью, меньшей скорости звука. Чем больше была скорость до скачка, тем меньше она становится после него, значит, тем резче, сильнее, или, как говорят, интенсивнее, этот скачок.

Какое же влияние оказывает образование скачка уплотнения перед диффузором на работу прямоточного воздушно-реактивного двигателя?

Рис. 56. Перед диффузором двигателя, летящего со сверхзвуковой скоростью, образуется головная волна:

а — схема волны; б — фотоснимок волны, полученный в сверхзвуковой аэродинамической трубе

Оказывается, образование скачка уплотнения воздуха перед диффузором приводит к значительному ухудшению характеристик прямоточного (как и любого другого) воздушно-реактивного двигателя. Это объясняется тем, что сжатие в скачке очень невыгодно, оно связано с большими потерями энергии, так как струя воздуха, проходящая через скачок, претерпевает удар. Всякий же удар, как известно, все равно, твердых тел или жидких и газообразных веществ, представляет собой резкое, мгновенное уменьшение скорости движения. При ударе часть кинетической энергии движущегося тела переходит в тепло и, таким образом, теряется, так как не может быть использована для совершения механической работы. Это тепло, например, расплавляет свинцовую пулю, ударившуюся о стальную броню, или испаряет ворвавшийся с огромной скоростью в земную атмосферу небесный камень, в результате чего образуется метеор — падающая звезда. То же происходит и с воздушной струей, проходящей через скачок уплотнения. Чем интенсивнее скачок, т. е. чем сильнее уменьшается в нем скорость потока, тем больше эта потеря энергии в скачке.

Так как часть кинетической энергии воздушного потока в скачке уплотнения переходит в тепло, то давление в струе за скачком будет меньше, чем было бы при условии постепенного торможения до этой же скорости, т. е. в случае, когда вся кинетическая энергия затрачивается на сжатие воздуха.