Если мы увеличим скорость полета, что равносильно увеличению скорости воздушного потока, вытекающего из трубы в нашем эксперименте, то зеленая струя, втекающая в двигатель, приобретет более темный цвет. Более темной станет и струя, вытекающая из двигателя. Потемнеет поток и в средней части двигателя — там воздух также будет двигаться с большей скоростью.
Но можно заставить воздух протекать с большей скоростью по средней части двигателя и не увеличивая скорости полета. Легко сообразить, что для этого достаточно укоротить входной и выходной конусы двигателя — диффузор и сопло, т. е. обрезать их так, чтобы сечения входного и выходного отверстий двигателя стали большими. В результате этого торможение и сжатие воздуха в диффузоре уменьшатся и скорость воздушного потока в средней части двигателя увеличится, станет ближе к скорости полета. Конечно, и при этом двигатель еще не будет развивать тяги.
Так, уменьшая или увеличивая площади входного и выходного отверстий, можно воздействовать на воздушный поток, протекающий внутри двигателя, изменять скорость и количество протекающего через двигатель воздуха.
Но продолжим наши эксперименты. Что случится, если площади входного и выходного отверстий двигателя не будут равны между собой?
Пусть, например, площадь входного отверстия будет больше площади выходного. Тогда очевидно, что воздух, который мог бы войти внутрь двигателя через входное отверстие, не сможет выйти из него через суженное выходное отверстие. В этом случае с воздушным потоком происходит то же, что и с воздушным потоком, поступающим в турбореактивный двигатель при увеличении скорости полета. Перед входным отверстием двигателя образуется воздушная воронка, которая своей широкой стороной обращена к двигателю. Мы увидим эту воронку в зеленом океане — она будет светлее окружающей среды, следовательно, здесь происходит торможение, и скорость движения воздуха в воронке уменьшается. В синем же океане эта воронка, очевидно, будет более темной, так как давление воздуха в ней растет. Следовательно, если мы для увеличения входного отверстия укоротим диффузор, обрезав его переднюю часть, то отрезанная часть как бы восстановится в воздушном потоке непосредственно перед двигателем. Сечение же воздушной струи, входящей в двигатель, будет попрежнему равным сечению выходного отверстия двигателя.
Можно стать свидетелями красивой картины, если снабдить двигатель устройством, изменяющим площадь его выходного сечения. Попробуем уменьшать это отверстие, и в зеленом океане перед двигателем появится светлая воронка; чем меньше отверстие, тем светлее эта воронка, тем уже ее горлышко. Если снова увеличивать выходное отверстие, то воронка перед входным отверстием станет темнеть и исчезнет вовсе, когда площадь выходного отверстия станет равной площади входного. При дальнейшем увеличении выходного отверстия воронка появится опять, но теперь она будет обращена к двигателю своим меньшим сечением. Цвет же воронки, наоборот, будет теперь становиться более темным, чем цвет окружающего зеленого океана; это значит, что движение воздуха в ней будет не тормозиться, а ускоряться.
Так при помощи регулируемого сопла можно изменять количество протекающего через двигатель воздуха: чем меньше выходное отверстие сопла, тем меньшее количество воздуха протекает через двигатель. Таким регулируемым соплом иногда снабжаются как турбореактивные, так и прямоточные воздушно-реактивные двигатели.
Теперь, когда мы познакомились с особенностями течения воздуха через неработающий двигатель, давайте запустим его, включив подачу топлива и электрическое зажигание. Из топливных форсунок, установленных в начале средней, цилиндрической части двигателя, начнут под давлением вытекать струи топлива. В стремительно текущем воздухе произойдет распыление струи топлива на миллионы мельчайших капелек, в результате чего оно быстро испарится, образуя с воздухом горючую смесь. Электрическая искра свечи зажигания, установленной в стенке двигателя, воспламенит эту смесь, а затем сгорание, раз начавшись, будет поддерживаться автоматически; новые порции смеси будут воспламеняться раскаленными газами — продуктами сгорания предыдущих порций.
Как только начнется сгорание, ранее неподвижно стоявшая на нуле стрелка динамометра дрогнет и сдвинется с места — это значит, что двигатель начнет развивать тягу. Чем больше будет подаваться топлива, тем горячее будут газы — продукты сгорания и, следовательно, тем больше будет тяга двигателя.
Как же изменится картина протекания воздуха через двигатель, когда начнется сгорание?
Пусть двигатель, имеющий одинаковые входное и выходное отверстия, находится в зеленом воздушном океане. Пока сгорания не происходит, струи воздуха, входящего в двигатель, неразличимы в этом океане, так как они имеют такой же цвет. Но как только сгорание начнется, воздух, входящий в двигатель, станет видимым. Перед двигателем образуется такая же светлая воронка, расширяющаяся по направлению к входному отверстию, какую мы видели, когда уменьшали выходное отверстие. Значит, сгорание топлива действует на поток так же, как уменьшение выходного отверстия: он при этом начинает тормозиться еще перед двигателем. Скорость воздуха, входящего в двигатель, равно как и его количество при этом уменьшаются. Чем больше сгорает топлива, тем меньше воздуха входит в двигатель. Создается такое впечатление, будто какая-то огневая плотина встает на пути входящего воздуха. Это явление так обычно и называется тепловым подпором.
Образование теплового подпора объясняется следующим.
Когда происходит сгорание топлива, то за счет выделяющегося при этом тепла температура воздуха, протекающего через двигатель, повышается (для простоты мы считаем здесь, как и выше, что сгорание есть простой подогрев воздуха). Но объем горячего воздуха больше, чем холодного, поэтому для прохода того же количества горячего воздуха нужны и большие проходные сечения. Правда, скорость горячего воздуха тоже увеличивается, однако увеличение скорости не компенсирует роста объема воздуха, и потребные проходные сечения с ростом температуры воздуха растут. Так как в действительности площадь выходного отверстия двигателя остается неизменной, то при сгорании оно не может пропускать прежнего количества воздуха. Поэтому при увеличении температуры продуктов сгорания количество воздуха, протекающего через двигатель, уменьшается.
Подвод тепла к потоку воздуха в двигателе вызывает еще одно интересное и важное явление. Так как средняя часть двигателя — камера сгорания — представляет собой цилиндрическую трубу и ее проходное сечение по длине остается неизменным, то по мере увеличения температуры воздуха и, следовательно, его объема скорость движения воздуха вдоль камеры сгорания растет. Но если растет скорость и, следовательно, кинетическая энергия воздушного потока, то должна уменьшаться его потенциальная энергия, т. е. давление воздуха при подводе тепла должно падать (рис. 51). Так и происходит в действительности в двигателе — давление в камере сгорания не остается постоянным, оно уменьшается тем сильнее, чем больше увеличение температуры воздуха (газов) в результате сгорания. Если бы мы хотели сохранить давление в камере сгорания постоянным, то следовало бы сделать ее не цилиндрической, а в виде расширяющейся трубы (рис. 52).
С явлением теплового подпора связан один интересный парадокс, относящийся к прямоточным двигателям. Мы говорили выше о той роли, которую играет в двигателе диффузор — он обеспечивает сжатие воздуха. Но вместе с тем мы знаем, что в результате теплового подпора давление воздуха вследствие его торможения перед двигателем увеличивается. Может быть, это позволит обойтись вообще без диффузора? А может быть, и сопло не нужно — ведь в результате сгорания увеличивается и скорость воздуха, текущего по камере сгорания? Но во что же превратится прямоточный воздушно-реактивный двигатель, если мы лишим его диффузора и сопла? В простую тонкостенную цилиндрическую трубу — камеру сгорания. Может ли такая труба развивать тягу?
Рис. 51. Так меняется давление в работающем (в полете) прямоточном воздушно-реактивном двигателе при разных величинах площади выходного сечения. Кривые показывают отношение избыточного давления в двигателе к скоростному напору набегающего потока воздуха (избыточное давление соответствует знаку +, разрежение — знаку —). Здесь показана и форма потока перед двигателем:
а — сечение входного отверстия таково, что давление воздуха перед двигателем не меняется, б — входное отверстие уменьшено, воздух перед двигателем тормозится! его давление увеличивается, в — входное отверстие увеличено, воздух перед двигателем разгоняется, давление его уменьшается
Конечно, не может.
В самом деле, представьте себе такую трубу. В нее с большой скоростью втекает воздух и с еще большей скоростью, получающейся в результате подогрева, вытекает из нее. Следовательно, в двигателе воздух ускоряется, а это неизбежно связано с образованием реактивной силы Но тогда выходит, что такая труба все-таки может быть двигателем, так как она как будто должна развивать тягу. Однако на самом деле этого не получается. Чтобы со стороны воздуха (газов) на двигатель действовала какая-либо сила, внутри него должна быть такая поверхность, на которую действовало бы избыточное давление воздуха (силами трения воздуха о внутреннюю поверхность двигателя пренебрегаем). В прямоточном воздушно-реактивном двигателе сила тяги создается давлением воздуха, протекающего через двигатель, на внутреннюю поверхность стенки диффузора, именно здесь «приложена» сила тяги этого двигателя. Но в цилиндрической трубе такой поверхности нет. Понятно, что давление на стенки цилиндра не может дать силу тяги, которая должна быть направлена по оси двигателя, т. е. параллельно этим стенкам. Значит, действительно, такая труба не может развивать силу тяги. Где же мы ошибаемся?
Рис. 52. Таким должен быть прямоточный двигатель, чтобы давление в его камере сгорания не менялось. Сверху показано изменение давления в двигателе, снизу — изменение скорости