Воздушно-реактивные двигатели

в случае прямого скачка — 1,2 кг/см²;

в случае одного косого и одного прямого скачка — 2,5 кг/см²;

в случае двух косых и одного прямого скачка — 4,0 кг/см²;

в случае трех косых и одного прямого скачка — 5,0 кг/см².

В случае же постепенного, плавного торможения без потерь давление в камере сгорания двигателя достигло бы 8,3 кг/см². Мы видим, что при указанной скорости полета система из трех и в особенности четырех скачков обеспечивает достаточно выгодное сжатие.

Такое большое внимание использованию скоростного напора встречного потока воздуха в прямоточном воздушно-реактивном двигателе уделяется неслучайно. Ведь в этом двигателе сжатие воздуха за счет использования скоростного напора, или динамическое сжатие, как его называют, заменяет сжатие с помощью компрессора в турбореактивном двигателе. От степени же повышения давления при сжатии воздуха прямо зависит и величина тяги, и экономичность двигателя, т. е. расход топлива.

Рис. 60. Так устраивается диффузор сверхзвукового прямоточного двигателя. Сверху — двухскачковая система (для скорости полета, в 1,5 раза превышающей скорость звука), снизу — трехскачковая система (для скорости полета, в 2—3 раза превышающей скорость звука)

На рис. 61 показано, как меняется коэффициент полезного действия различных авиационных двигателей в зависимости от скорости полета. Кривые, помещенные на этом рисунке, интересны не только тем, что по ним можно определить значения к. п. д. авиационных двигателей при разных скоростях полета. Пользуясь этими кривыми, можно сравнить экономичность двигателей различного типа и установить, когда выгодно применять тот или иной двигатель. Судя по рис. 61, прямоточные воздушно-реактивные двигатели имеют превосходство в отношении к. п. д. при скорости полета, от 2 до 8 раз превышающей скорость звука. В этом диапазоне скоростей нет ни одного авиационного двигателя, обладающего экономичностью прямоточного.

Рис. 61. Сравнение коэффициентов полезного действия различных авиационных двигателей при разных скоростях полета

Значит ли это, что тем самым устанавливается область возможного и целесообразного применения прямоточных двигателей?

Нет, такое заключение было бы поспешным. Экономичность является далеко не единственным критерием качества авиационного двигателя; решающими могут оказаться другие факторы. Так именно и обстоит дело в данном случае. Оказывается, с ростом скорости полета тяга, развиваемая прямоточным двигателем, начиная с некоторой скорости, уменьшается и, наконец, становится равной нулю.

Разумеется, даже самый высокоэкономичный двигатель никому не нужен, если он развивает ничтожную тягу. В чем же здесь дело?

Секрет этого ухудшения характеристик прямоточного двигателя при очень больших скоростях полета связан с увеличением температуры воздуха, сжимаемого под действием скоростного напора. Сам по себе этот нагрев при сжатии совершенно естественен — вспомните, как нагревается даже простой велосипедный насос, когда им энергично накачивают шину. Но при тех огромных скоростях полета, о которых в данном случае идет речь, воздух, поступающий в двигатель, может оказаться нагретым на многие сотни и даже тысячи градусов. Так, если температура атмосферного воздуха равна 15° С, то при полете со скоростью 50 м/сек заторможенный воздух окажется нагретым до 17° С, т. е. всего на 2° С. Если же скорость полета будет вдвое превышать скорость звука, то температура заторможенного воздуха достигнет 245° С. При полете со скоростью, в 10 раз превышающей скорость звука, воздух, поступающий внутрь двигателя, будет иметь температуру выше 5000° С.

Совершенно очевидно, что из-за этого нагрева воздуха существует какая-то предельно допустимая скорость полета; при большей скорости прямоточный двигатель работать не сможет, так как его стенки расплавятся. Какова же эта предельная скорость, при которой наступит «тепловая смерть» двигателя?

Естественно, она определяется жаропрочностью материала, из которого изготовлен двигатель. При сгорании топлива в атмосферном воздухе температура газов достигает 2000—2100° абс. Эту температуру можно считать предельно допустимой для двигателя. Но значит ли это, что такая температура допустима для воздуха, поступающего в двигатель? Нет, конечно, ибо при сгорании топлива температура воздуха должна повышаться, иначе двигатель не будет развивать тяги.