В первой части мы рассмотрели, как работает турбореактивный двигатель в общих чертах. Наверняка у внимательного читателя возник вопрос - почему из сопла истекает воздух, а не продукты сгорания топлива - углекислый газ и водяной пар? Ну во-первых 80% азота никуда не делись :) А во -вторых в горении участвует лишь небольшая часть воздуха.
Температура сгорания около 2000 градусов, а турбина столько не выдержит. Ведь прочность лопаток снижается при нагреве, а центробежные нагрузки огромны. Предел для лопаток — около 1000 градусов и достигнут он за многие десятилетия. Чтобы не сжечь турбину, половина воздуха обходит сторонкой камеру сгорания, охлаждая её стенки и затем тщательно смешивается с продуктами сгорания. А ещё почти всегда часть воздуха обходит турбину совсем, что увеличивает экономичность двигателя в ущерб предельным возможностям. Его тяга "на низах" получается лучше, а на максимальной скорости — хуже. Но это уже совсем другая история о двухконтурности...
Чтобы повысить предельные характеристики двигателя и догнать любой ценой противника, нужно сжечь весь воздух в двигателе. Ограничение температуры турбины обойти нельзя. А вот после турбины - сколько угодно! Ещё одна камера сгорания в виде трубы с решёткой форсунок помещается между турбиной и соплом. Если подать туда топливо, его расход возрастёт раза в два - три, а тяга только на треть. Поэтому такой режим назвали форсажем, а вторую камеру сгорания — форсажной камерой. Продуктов сгорания станет так много, что и диаметр сопла нужно будет увеличить. Давление то повышать нельзя, иначе компрессор не справится. Можно только повысить давление перед ним, если воздухозаборник будет расширяться и замедлять поток.
А как разогнаться ещё быстрее?
Те самые хитрые интегралы Преподавателя не годятся для объяснения основ, но с их помощью можно сделать правильные двигатели, и вот спустя десять лет работы футуристический МиГ-19 сам, без снижения превысил скорость звука! Причём уже во втором полёте. Сейчас бы дали так поработать...
За скорость пришлось дорого платить другими качествами, но она не росла так, как должно было получиться. Никак не больше 1,3 скорости звука - дальше тяга падает. Оказалось, что теперь нужно ставить управляемое препятствие потоку не только позади двигателя, но и перед ним, в воздухозаборнике.
Ибо от последнего требовалось уже не просто подать воздух к компрессору - он сам стал важной частью силовой установки.
Что получается при сверхзвуковом полёте?
Скорость звука, около 1200 км/час у земли - это скорость меняющегося давления в воздухе. Теперь появление самолёта неожиданно для воздуха и подобно взрыву. Он не успевает обтекать самолёт заранее, сжимается быстрее, чем может уйти сам. Да ещё и нагревается от сжатия. Запускаются волны давления, расходящиеся в стороны с той самой скоростью звука. Можно даже увидеть их тень. Или окна врагам выбивать.
Помните, мы сделали воздухозаборник расширяющимся? Так вот. Если лететь быстрее звука на форсаже, то на входящий воздух уже не подействует тормозящее давление внутри заборника. Оно просто не успеет отбежать от двигателя и останется внутри, как рыбка перед водопадом.
Поэтому воздух растягивается в расширяющимся канале и давление его уменьшается. А вместе с ним и тяга двигателя. А ещё если вдруг лётчик резко уберёт обороты, то воздухозаборник переполнится остановленным дозвуковым воздухом и оный начнёт выскакивать наружу. Это уже будет помпаж воздухозаборника. И двигателя заодно. На МиГ-19 обоих сразу.
Чтобы всё работало правильно, в расширяющийся воздухозаборник нужно подавать дозвуковой поток. Это можно сделать только одним путём - поставить перед входом наклонную поверхность. Воздух об неё ударится и затормозится. До дозвуковой скорости. А там и внутреннее давление из канала прибежит и всё будет по-прежнему эффективно. Только лучше несколько раз послабее ударить, чтобы после сжатия воздух успевал остыть. Ещё придётся управлять положением тормозящей поверхности так, чтобы воздуха было не слишком много и не слишком мало. В этом помогут перепускные створки и внутрь и наружу.
Получилось быстрее двух скоростей звука! Теперь воздух после торможения сжимается настолько сильно, что расширяющаяся часть воздухозаборника создаёт бОльшую тягу, чем собственно сам двигатель! Турбокомпрессор надо бы совершенно выбросить, ведь он пределом оборотов ограничивает расход воздуха и только лишнее сопротивление создаёт. И получится прямоточный реактивный двигатель. Но тогда не получится взлететь вообще. Ускорители тоже не выход — летать на малой скорости тоже надо. Хотя для крылатой ракеты вроде Бури - в самый раз.
Поэтому на перехватчике Е-150 и его знаменитом потомке МиГ-25 роль турбокомпрессора уменьшили. Его двигатели Р15Б-300 низконапорные. Это значит, что на маленькой скорости давление сжатия маленькое — неэффективно расходуется топливо. Зато на большой скорости ему легче пропускать через себя сжатый заборником воздух! Хрен догонишь и хрен уйдёшь!
Большая скорость даёт опору и на большой высоте в разрежённом воздухе за счёт роста давления в ударных волнах. И тут появляется возможность получить добавку к тяге. Раз уж мы затормозили большой объём сверхзвукового потока воздуха с низким давлением, то сможем и ускорить его до сверхзвуковой скорости. Относительно самолёта конечно :)
Как в первой части говорилось, объём горячих выхлопных газов станет ещё больше, чем был. Площади сопла станет недостаточно. Куда ж ещё больше? И так заняли весь хвост!
Придётся их размер уменьшить и увеличить скорость истечения газов, которая станет сверхзвуковой. Теперь оставшееся избыточное давление газов не сможет проникнуть внутрь двигателя и толкать через него расширение воздушного канала. (Уже не в компрессор, а воздухозаборник изнутри!)
Сверхзвуковой поток под давлением может только лишь оттолкнуть от себя расширяющееся сопло. Это получится сопло Лаваля. Сначала сужается, а потом расширяется. Ну и давление потока будет падать. При этом оно не должно стать меньше, чем снаружи, иначе тяга получится обратная. Нужно регулировать внешний диаметр сопла, что усложняет и утяжеляет его. А вот ещё один вариант:
Такое сопло называется эжекторным. Сверхвуковой поток горячих газов передаёт своё давление через воздух, проходящий снаружи форсажной камеры. Расширяющихся створок сопла просто нету. Такое сопло не требует сложного механизма управления и намного легче, но выгодно далеко не всегда.
А вот ещё один вариант - сопло внешнего расширения:
Эта чудесная птичка летала без форсажа даже на очень сверхзвуковой скорости. Весь полёт! Представляете марофон со скоростью от стометровки? Без форсажа меньше была температура в сопле и поэтому оказалось возможным сделать конус по центру, как в воздухозаборнике МиГ-21. Он работает теперь наоборот :) Через центральные отверстия конуса выходит охлаждающий воздух.
Во всяком случае расширяющаяся часть сопла в создании тяги у самолёта не столь важна, как у ракет. Это связано с меньшим давлением в камере сгорания. На самолёте-аналоге космического корабля Буран (БТС-002) вообще сняли расширяющуюся часть сопла, поскольку на малой скорости и высоте от неё нет толку:
Ну вот. Надеюсь, теперь основы этой сложной и обширной темы стали для вас понятнее :) Всего вам доброго!
