Воздушно-реактивные двигатели

Несмотря на то, что воздух, стремительно набегающий на двигатель, тормозится в диффузоре, скорость его в камере сгорания прямоточного воздушно-реактивного двигателя все же больше, чем скорость самого сильного урагана. Ветер, дующий со скоростью в несколько десятков метров в секунду, — это ураган страшной, невиданной силы, а скорость воздуха в камере сгорания прямоточного двигателя превосходит 100 м/сек. Когда мы говорим о торможении воздуха в диффузоре, то имеем, конечно, на это право, ибо скорость воздуха уменьшается при этом в несколько раз. Тем не менее в камере сгорания воздух движется с невиданной в природе скоростью.

Но почему нельзя затормозить воздух в диффузоре еще сильнее, так чтобы в камере сгорания его скорость составляла, допустим, всего несколько метров в секунду? Сделать это, конечно, можно, но это чрезвычайно невыгодно. Ведь чем меньше скорость воздуха в камере сгорания, тем больше должно быть поперечное сечение камеры, чтобы пропустить то же количество воздуха. Но диаметр камеры сгорания — это наибольший диаметр двигателя, и его увеличение связано с увеличением лобового сопротивления самолета. Это особенно нежелательно при сверхзвуковых скоростях полета, для которых в первую очередь и предназначены прямоточные воздушно-реактивные двигатели. Поэтому диаметр камеры сгорания прямоточного воздушно-реактивного двигателя должен быть как можно меньшим; при этом скорость течения воздуха в камере получается очень большой.

Как же можно поджечь горючую топливовоздушную смесь в прямоточном двигателе и заставить ее потом непрерывно и устойчиво гореть, если в камере сгорания двигателя бушует искусственный ураган, равных которому по силе не встречается в природе?

В этом и заключается главная трудность обеспечения сгорания топлива в прямоточном двигателе. Горение топлива в камере сгорания прямоточного воздушно-реактивного двигателя — это по сути дела непрерывное, ни на минуту не прекращающееся единоборство пламени с ураганом. В этой борьбе либо побеждает пламя — и тогда двигатель работает, либо победа склоняется на сторону ветра — и тогда пламя начинает пульсировать, двигатель работает неустойчиво, а затем и вовсе останавливается, «глохнет»: пламя срывается и горение прекращается.

Как удается заставить топливо гореть в воздушном потоке, движущемся с такой огромной скоростью?

Впервые эта проблема, имеющая важнейшее значение не для одних только прямоточных двигателей, была подвергнута изучению нашим отечественным ученым — физиком В. А. Михельсоном в конце прошлого века. С тех пор ученые и конструкторы нашей страны раскрыли много загадок, относящихся к сгоранию топлива в потоке, что позволило создать ряд удачных конструкций высокоскоростных камер сгорания, в частности для турбореактивных двигателей. Чтобы понять, как удается решить эту задачу, представим себе камеру сгорания прямоточного двигателя. Из топливных форсунок вытекает под давлением топливо, которым в прямоточных двигателях обычно является бензин. Смешиваясь с воздухом, бензин образует горючую смесь, которая и должна гореть.

Вспомните, как вы поджигаете газовую горелку. Открывая кран, перекрывающий доступ газа к горелке, вы подносите к ней зажженную спичку — газ вспыхивает, образуя светящийся факел пламени. Спичка давно погасла, но газ продолжает гореть. В спокойном воздухе факел совершенно недвижим. Но эта неподвижность обманчива — внутри факела происходят сложные процессы, развивающиеся с большой скоростью. Раскаленные, светящиеся продукты сгорания улетучиваются, поднимаясь кверху, а их место занимают новые порции свежего газа. Они снова смешиваются с воздухом, подогреваются, воспламеняются и сгорают, чтобы так же улетучиться из факела, как и продукты сгорания предыдущих порций.

Значит, неподвижность факела — это не покой, а результат особого равновесия в ходе процесса. Вот так же, например, иногда не меняется уровень воды в водопроводной раковине, хотя из крана хлещет вода: так бывает в тех случаях, когда приток воды в раковину равен количеству воды, которая успевает вытечь из нее. Если мы несколько прикроем водопроводный кран, то уровень воды в раковине понизится, а затем снова наступит равновесие. То же произойдет и в случае, если мы, наоборот, откроем кран сильнее. Только на этот раз новый равновесный уровень воды в раковине будет более высоким.

Попробуем проделать такой же опыт с факелом. Уменьшим подачу свежего газа. Тотчас же светящийся конус пламени уменьшится. Почему? Очевидно, установилось новое равновесие аналогично тому, как это происходит при изменении уровня воды в раковине. Точно так же новое равновесие установится, если мы увеличим подачу газа — факел станет большим.