Казалось бы, всё просто — отталкиваешь, к примеру, от себя назад некое тело - и плывёшь на лодке вперёд. Так нам объясняют принцип реактивного движения. Реактивный двигатель отбрасывает назад не камень, а поток газа (или жидкости) и этим создаёт тягу. Но ведь это очень поверхностно — двигатель состоит из сотен и даже тысяч деталей! На какую деталь приходится эта сила тяги? На этот вопрос даже многие авиационные специалисты не могут ответить. Сопло наверно. Пришлось проводить расследование.
Как использовать тепло?
Любой тепловой двигатель работает за счёт теплоты, выделяющейся при сгорании топлива — отвечает наука термодинамика. В общем это так. А дальше среди множества непонятных формул у многих возникает подмена элементарных основ. Как будто нужно использовать всё тепло от пламени для совершения работы. И начинается: часть тепла теряется туда, часть теряется на это... Но, подождите, разве можно тогда вот так расточительно жечь керосин прямо "на улицу"?
Итак, что нужно, чтобы дать самолёту силу тяги? Для получения силы нужно оказать давление на какую-то поверхность только с одной стороны. Именно для создания давления нужно получить тепло. А сколько теплоты и куда уйдёт после этого — уже не столь важно. Будет только мешать, нагревать детали, жечь масло на них.
Как работает газотурбинный реактивный двигатель
Об этом уже много где сказано. Наверное, это знают даже дети лет девяти, которым интересна техника. Воздух сжимается компрессором, в него подаётся топливо, сгорает, крутит турбину и выбрасывается через сопло, создавая тягу. И ещё нам показывают такую схему:
И вот тут, подставляя (13) в формулу (9) — продолжает Преподаватель, разгибая умные интегралы, получаем, что при М меньше единицы dv/ds положительно, поэтому газ ускоряется в сужающемся сопле, а при М больше 1 в расширяющемся и, по закону сохранения импульса, на сопле получается тяга двигателя...
— Простите, можно спросить? А почему тогда столь тонкая конструкция сопла не сминается от тяги в двенадцать тонн? Это как на ведро КамАЗ поставить! Да там ещё лопатки как цветок разложатся!
Как я уже показал выше, тяга - это давление, умноженное на площадь. Никакого давления от сгорания топлива не появится, можно только погреться у огня. Чтобы давление появилось, раскрученные стартёром лопатки компрессора загоняют воздух в узкую щель, за которой следует резкое расширение. Давление может нагнетаться до 10 - 15 атмосфер. Скорость потока в камере сгорания падает, иначе он пламя задует. После сгорания распылённого керосина давление не меняется (это просто печка!), но увеличивается объём сжатого воздуха. Вот на это расширение и тратится энергия топлива. Теперь, увеличенный в объёме, он может давить на бОльшую поверхность! Не только на узкое колечко последних лопаток компрессора, а уже на всю площадь сечения двигателя. Правда, турбина это давление немножко уменьшит, иначе какая сила её крутить-то будет? А с другой стороны - выход "на улицу".
Что же у нас получилось? "Бочка" под давлением в несколько атмосфер, открытая с одной стороны. На открытую сторону, без донышка, давление не давит. А закрытая сторона - это компрессор, перед которым разрежение. Перепад давлений на компрессоре и создаёт силу тяги. А что происходит с открытой стороны?
Зачем нужно сопло?
На самом деле совсем без задней стенки нам тоже не обойтись. Без неё воздух из открытой "бочки" под давлением просто будет весь вылетать — давления внутри (и тяги тоже) почти не будет. Когда мы поставим на пути воздуха препятствие, то ему труднее будет выходить, и внутри появится большое давление. И большая тяга соответственно. Но если слишком сильно его перекрывать и "давать больше газу", то компрессор не справится с давлением и оно вырвется через лопатки вперёд со всеми вылетающими, вытекающими и даже взрывающимися последствиями. Это называется "помпаж двигателя".
Получается, что сопло действительно создаёт тягу, но не само по себе, а как-бы перед собой. Тяга упирается в компрессор и ось турбины, а само по себе сопло на самом деле лишь тянет назад.
Поскольку за самолётом атмосферное давление, а в двигателе оно больше, воздух вынужден разгоняться в сопле и вылетает с большой скоростью. Давление его при разгоне снижается и никакого воздействия на самолёт истекающий воздух уже не оказывает. Таким образом самолёт действительно отталкивается от истекающего потока, но внутри двигателя. А высокая скорость выбрасывания потока из сопла является следствием создания тяги, а не его причиной, как нам часто преподносят.
И тем не менее формула тяги верна. Массовый расход воздуха, умноженный на скорость истечения. Зависимость косвенная, но никуда не делась :) И ею пользуются, ведь скорость истечения проще вычислять, чем все давления внутри двигателя и площади их воздействия.
А вся тяга в несколько десятков тонн приходится на неподвижную основу, в котором стоят подшипники турбокомпрессора, а также распределяется на вал турбины и все его уплотнения. В общем - на переднюю стенку камеры с высоким давлением.
Это был лишь один пример, рассмотренный подробно. О других конструкциях и скоростях - в следующей части.