Мотор

Рис. 20. Авиационный мотор воздушного охлаждения с расположением цилиндров в виде звезды.

Необычайно возросла мощность авиации. Если на первых самолётах стоял моторчик в несколько десятков лошадиных сил, то двигатель современного самолёта нередко имеет мощность свыше 2000 лошадиных сил.

Нагнетатели подкачивают воздух в цилиндры современных двигателей, чтобы самолёт мог подняться на высоту до 15–17 километров, где в разрежённом воздухе нехватает кислорода для горения. Теперь не редкость, что самолёты пролетают без посадки свыше 10 тысяч километров.

У нас, в Советском Союзе, есть прекрасные самолётостроители: А, С. Яковлев, А. Н. Туполев, Н. Н. Поликарпов, С. В. Ильюшин и замечательные конструкторы моторов: А. А. Микулин, А. Д. Швецов и В. Я. Климов. Дружной работой вместе со всемирно прославленными лётчиками они принесли нашей авиации заслуженную славу.

О силе моторов нашей авиации красноречиво говорят полёты советских лётчиков через Северный полюс, знаменитые перелёты Валерия Чкалова, замечательные рекорды нашей авиации, подвиги наших лётчиков-героев на войне.

10. Газовая турбина

Существует ещё один тип двигателя внутреннего сгорания, о котором следует рассказать. Это — газовая турбина. Предшественником газовой турбины является паровая турбина.

В паровой турбине действует пар высокого давления, поступающий из парового котла. Газовая турбина работает за счёт струи раскалённых газов, получаемых от сжигания горючего в камере сгорания самой турбины.

Любая турбина имеет один или несколько дисков с лопатками наподобие детской игрушки-мельницы. Пар или газ при своём стремительном движении в турбине обтекает эти лопатки и вращает диски, посаженные на вал двигателя.

Так без поступательного движения поршней, преобразуемого коленчатым валом и маховиком во вращение вала мотора, мы сразу получаем круговое вращение вала турбины.

Газовая турбина (рис. 21) состоит из дисков турбины и компрессора, установленных на одном валу. Турбина работает так: воздух нагнетается компрессором в камеру сгорания турбины, куда затем впрыскивается жидкое горючее. Горючая смесь сгорает при очень высокой температуре, газы расширяются, устремляются к выхлопному отверстию, по пути попадают на лопатки турбины и приводят их во вращение. При огромной скорости своего движения газы раскручивают диск с лопатками, подобно тому, как вертушка вращается в руках бегущего ребёнка под действием набегающей струи воздуха. Нередко число оборотов дисков доходит до 16 тысяч в минуту! При этом температура входящих газов достигает тысячи градусов. Даже трудно представить себе — нагретые почти до красного каления лопатки турбины несут на себе очень большую нагрузку. Их разрывает огромная центробежная сила как раз в момент наибольшей их слабости — тогда, когда они накалены. Ни один из обычных материалов не может выдержать такой нагрузки. Это долгое время сдерживало внедрение газовых турбин; конструкторы не могли подобрать соответствующего материала для лопаток: лопатки быстро сгорали.

Рис. 21. Схема работы современной газовой турбины.

Лишь несколько лет назад была, наконец, найдена специальная сталь, подходящая для таких условий работы. Это — жароупорная сталь; она не теряет свою прочность при высоких температурах. Теперь газовая турбина входит в практику.

Области применения газовой турбины определяются её особенностями: исключительной лёгкостью, простотой, отсутствием вспомогательных устройств вроде котла и т. п.

Газовая турбина не может соперничать с крупной установкой — паровой или дизельной; в этих условиях турбина «съедает» больше горючего. Но как дополнение к этой установке она вполне оправдывает себя. Поэтому газовая турбина очень часто работает на отходящих газах нефтяных, паросиловых и дизельных установок в качестве вспомогательной машины.

Совершенно особое место заняла газовая турбина в авиации благодаря своему весьма малому весу при значительной мощности. Однако соединить вал газовой турбины с воздушным винтом необходимо через коробку шестерён, снижающую число оборотов. Газовая турбина вращается значительно быстрее, чем это необходимо винту.

С успехом осуществлены опыты применения газовых турбин для турболокомотивов и для морских турбоходов.

В борьбе газа с паром особенно важным обстоятельством является то, что газовой турбине не нужна вода. Это делает её особенно ценной в безводных пустынных районах.

Недостаток газовой турбины, который, правда, с каждым годом всё более и более преодолевается, — это низкий коэффициент полезного действия турбины. Компрессор газотурбинной установки подаёт в камеру сгорания очень много воздуха. На вращение компрессора уходит много энергии. Первые газовые турбины имели весьма низкий коэффициент полезного действия. В усовершенствованных турбинах производится повышение температуры сжигания топлива, осуществляется охлаждение воздуха в компрессоре и подогрев его отходящими газами в регенераторе перед поступлением в камеру сгорания. Всё это намного повышает коэффициент полезного действия современной газовой турбины.

Дальнейшее улучшение этого, по существу молодого ещё, двигателя сулит ему большие возможности, особенно если газ будет получаться не от сжигания нефти, а от сжигания угля непосредственно под землёй, как это уже и осуществляется в Советском Союзе, претворяя в жизнь предложение великого учёного России Д. Менделеева.

11. Реактивный двигатель

Казалось бы, в лице бензинового мотора авиация получила могучее и надёжное «сердце», которое в состоянии обеспечить большие скорости самолётов.

Однако действительность говорит иное.

На очень больших скоростях, порядка 800–900 километров в час, которые уже достигнуты современными самолётами, воздушный винт — движущий орган машины — перестаёт надёжно тянуть самолёт. Какую бы большую мощность мы ни подводили от мотора к винту, он на больших скоростях всё равно не потянет самолёт быстрее. Воздушный винт и обычный поршневой бензиновый мотор не в состоянии обеспечить самолёту очень больших скоростей.

На помощь авиации приходит совершенно новый двигатель — реактивный.

У нас, в России, были впервые разработаны основные типы реактивных двигателей и произведены теоретические исследования их работы и полёта в пределах и за пределами атмосферы.

Впервые наиболее чётко о возможности применения реактивного двигателя в авиации сказал в 1881 году в своём завещании приговорённый к смертной казни за изготовление бомбы, убившей Александра II, революционер-народник Николай Иванович Кибальчич.

Заключённый в каземат Петропавловской крепости, за несколько дней до своей смерти Кибальчич составил «Проект воздухоплавательного прибора» — первый проект реактивного летательного аппарата. «Находясь в заключении, — писал он, — за несколько дней до своей смерти, я пишу этот проект. Я верю в осуществимость моей идеи, и Эта вера поддерживает меня в моём ужасном положении».

Не желая унести в могилу тайну своего замечательного изобретения, революционер просил устроить ему перед смертью свидание с кем-либо из учёных, чтобы передать свой проект потомкам. В свидании Кибальчичу отказали.

После Великой Октябрьской революции этот замечательный проект ракетоплана, который мог перемещаться в воздухе и в безвоздушном пространстве, был найден среди особо секретных дел царской охранки.

Но ещё до того, как был извлечён из архивов охранки проект Кибальчича, с идеей реактивного полёта выступил великий русский учёный Константин Эдуардович Циолковский.

В 1903 году в журнале «Научное обозрение» появилась его статья «Исследование мировых пространств реактивными приборами». В этой работе Циолковский пошёл значительно дальше Кибальчича; он дал не только строго научное обоснование возможности использования реактивного двигателя для полётов, но и разработал первые конструкции ракетопланов.

Великий русский учёный К. Э. Циолковский (родился в 1857 г., умер в 1935 г.).

Непрерывно совершенствуя свои изыскания, углубляя их, великий «фантаст и мечтатель», как его называли в те дни, занимался вполне реальным делом.

Увлечённый мыслью о межпланетных полётах, Циолковский сорок пять лет назад создал проект жидкостного реактивного двигателя, который по принципу своему явился предшественником современных жидкостных реактивных двигателей самолётов и реактивных снарядов.

В те годы, когда воздухоплавание только ещё утверждалось, Циолковский уже говорил: «За эрой аэропланов винтовых должна следовать эра аэропланов реактивных или аэропланов стратосферы».

Что же представляет собой реактивный двигатель? Как он работает?

С давних пор передвижение по земле в нашем сознании прочно связано с вращающимся колесом. Вращение — основа современной техники. И когда мы говорим о двигателе — будь то паровой, внутреннего сгорания или электрический, — мы знаем, что его работа заключается во вращении; мотор вращает колёса автомашины, винт корабля, винт самолёта, которые сообщают в конечном итоге поступательное движение тому или иному виду транспорта.

Реактивный двигатель не имеет ни колёс, ни винтов; он создаёт тягу, как бы отталкиваясь от газов, которые в нём самом образуются.

Основное преимущество реактивной техники — простота. Взгляните на современный бензиновый авиамотор в разрезе. Какое обилие механизмов, колёс, поршней и многих других частей упрятано в этот двигатель. Реактивный же двигатель очень прост. Имея ту же мощность, реактивный двигатель в три-четыре раза легче поршневого авиамотора. Кроме того, он имеет малый размер, а это позволяет придать самолёту обтекаемую форму, необходимую для уменьшения сопротивления воздуха в полёте. По управлению своему и по обслуживанию новый тип двигателя также проще обычных авиамоторов.

Рис. 22. При выстреле пушка откатывается назад реактивной силой.

Как же работает такой двигатель?

В начале книги мы приводили сравнение между пушкой и двигателем внутреннего сгорания. Посмотрим внимательно ещё раз, как стреляет пушка. Мы поджигаем порох. Он взрывается. Снаряд вылетает из ствола-цилиндра под давлением газов. Но в это же мгновение сама пушка под давлением тех же газов откатывается в противоположную сторону (рис. 22). Почему это происходит? Газы, образующиеся при выстреле в стволе пушки, давят во все стороны одинаково. При этом давление газов о днище ствола пушки не уравновешивается противоположным давлением со стороны ядра, так как ядро вылетело и никакой жёсткой стенки для газов уже нет. Это давление газов о днище ствола и откатывает пушку назад. Если из пушки продолжать стрелять непрерывно и не закреплять её, она будет непрерывно катиться под действием силы отдачи или, как её называют, реактивной силы в сторону, обратную направлению выстрела. На этом и основана работа реактивного двигателя. Для получения реактивной тяги в таком двигателе необходимо, чтобы из него вытекала непрерывная струя газов в сторону, противоположную движению самого двигателя.

Тяга реактивного мотора тем больше, чем больше газов выходит из двигателя и чем больше скорость их истечения.

Но как заставить выходить из двигателя постоянный мощный поток газов?

Каждый, наверное, видел обыкновенную паяльную лампу. В горелку этой лампы поступают бензиновые пары. Они смешиваются с воздухом и сгорают. Голубой язык пламени с рёвом вырывается из горелки, вытягиваясь далеко вперёд. Кажется, что вся лампа содрогается от раскалённого потока вылетающих газов.

Паяльная лампа и напоминает современный реактивный двигатель. Поток значительной массы газов может быть получен за счёт сгорания большой массы топлива. В технике для этой цели могут служить керосин, бензин, бензол, спирт и т. д. Чем больше тепла они дают при сгорании, тем больше скорость истечения образующихся газов и тем сильнее тяга двигателя.

Для горения необходим кислород. Он применяется либо в виде окислителей, например азотной кислоты, перекиси водорода, либо в чистом виде: в виде жидкого кислорода или кислорода из воздуха.

В зависимости от того, в каком виде используется в двигателе кислород, они разделяются на жидкостные и воздушные.

Жидкостный реактивный двигатель (или кратко ЖРД) прост по конструкции и не отличается от двигателя, предложенного и разработанного Циолковским (рис. 23). Он состоит из камеры сгорания, в которую из специальных баков вводятся горючее и окислитель. Так как в камере сгорания развивается давление до 20 атмосфер, горючее накачивается в камеру насосами.

Современный ЖРД при сжигании одного килограмма топлива в секунду даёт толкающее усилие, равное примерно 200 килограммам.

Ввиду большого расхода горючего действие этого двигателя на самолётах пока ещё непродолжительно, практически не превышает 10–15 минут. Зато мощность ЖРД не ограничена и не зависит от высоты полёта самолёта, а лишь от того, сколько топлива сгорает в данный момент.

ЖРД применяется в авиации как двигатель для разгона тяжело нагружённых самолётов при взлёте, а также в скоростных истребителях-перехватчиках и ракетных снарядах.

ЖРД — это пока единственный двигатель, который может практически работать в безвоздушном пространстве. Лишь упомянутый недостаток его — большой расход топлива — задерживает широкое использование этого двигателя в авиации.

Рис. 23. Схема жидкостного реактивного двигателя (ЖРД).

Как же увеличить продолжительность работы реактивного двигателя?

Попробуем отказаться возить с собой окислитель в виде жидкого кислорода, азотной кислоты и т. д., а будем забирать его прямо из воздуха. Самолёты с воздушно-реактивными двигателями (ВРД) берут с собой только горючее, кислород же засасывается с воздухом. Воздушно-реактивные двигатели для обычных скоростей современных самолётов экономичнее жидкостных примерно в 10 раз.

В настоящее время существует несколько систем ВРД.

Посмотрим, как работает пульсирующий воздушно-реактивный двигатель (ПуВРД). Он представляет собой цилиндрическую трубу с установленными внутри неё клапанными решётками и форсунками (рис. 24). Через переднее отверстие в двигателе сквозь открытые решётки клапанов воздух попадает в камеру сгорания, В это же мгновение туда с помощью форсунок впрыскивается горючее и поджигается. Клапанные решётки сами захлопываются от внутреннего давления газов. Теперь двигатель напоминает ствол пушки, закрытый с одного конца. Газы вырываются из заднего отверстия, как из ствола, создавая реактивную тягу. В следующий момент новая порция воздуха врывается сквозь клапанные решётки, снова впрыскивается горючее и опять происходит взрыв.

Рис. 24. Схема пульсирующего воздушно-реактивного двигателя (ПуВРД).

Рис. 25. Схема прямоточного воздушно-реактивного двигателя (ПВРД).

Двигатель работает отдельными толчками, создавая тягу самолёту.

Но можно построить ВРД и без решёток — это так называемый прямоточный воздушно-реактивный двигатель (ПВРД). Он имеет цилиндрический корпус (рис. 25). Переднее отверстие в корпусе несколько меньше заднего, откуда выходят реактивные газы. При большой скорости самолёта сквозь переднее отверстие врывается воздух, который служит окислителем для горючего, поступающего из форсунки. Газы, образующиеся от сгорания горючего в сильной воздушной струе, проходящей через двигатель, нагревают этот воздух, и он от этого стремится расшириться и с огромной силой вырывается через заднее отверстие двигателя. Поэтому грубо можно сказать, что тяга этого двигателя получается как бы только за счёт «разгона воздуха», который входит в двигатель и покидает его в сильно разогретом состоянии.

Рис. 26. Схема турбокомпрессорного воздушно-реактивного двигателя (ТКВРД).

Однако при всей своей простоте прямоточный двигатель будет выгоден только на очень больших скоростях самолёта (2–3 тысячи километров в час), когда воздух будет врываться в переднее отверстие двигателя с огромным давлением.

Эти скорости пока ещё не достигнуты самолётом.

А нельзя ли искусственно увеличить давление входящего в двигатель воздуха? Можно.

Техника реактивных самолётов остановилась в настоящее время на так называемом турбокомпрессорном воздушно-реактивном двигателе (ТКВРД). Это сейчас основной двигатель в реактивной авиации (рис. 26). В нём нагнетание воздуха в двигатель производит компрессор — воздушный насос. Вращается компрессор от газовой турбины, которая установлена в струе реактивных газов и действие которой мы уже разобрали. ТКВРД может развить достаточную тягу при взлёте самолёта, а также на малых скоростях полёта.

Для того чтобы уяснить себе работу наиболее распространённого турбокомпрессорного реактивного двигателя, рассмотрим подробнее процессы, которые в нём протекают, и попытаемся сравнить их с уже известными нам четырьмя тактами двигателя внутреннего сгорания.

В ТКВРД можно проследить следующие четыре процесса: всасывание атмосферного воздуха, сжатие его турбокомпрессором, впрыскивание горючего, горение и, наконец, реактивный выхлоп.

Сравнивая этот двигатель с обычным четырёхтактным двигателем внутреннего сгорания, мы найдём много общего. В каждом цилиндре поршневого двигателя по очереди повторяются такты: всасывание, сжатие, горение и выхлоп.

В турбокомпрессорном реактивном двигателе также происходит некоторое подобие этих процессов. Однако это осуществляется одновременно и непрерывно, но в разных зонах двигателя.