Вся мощность, получаемая на валу поршневого авиационного двигателя, затрачивается на вращение воздушного винта. Большая часть этой мощности расходуется на создание тяги, т. е. на отбрасывание воздуха винтом. Другая, меньшая часть мощности расходуется на завихрение воздуха, закрутку воздушного потока за винтом и другие виды потерь. Эти потери учитываются коэффициентом полезного действия винта (к. п. д.), который показывает, какая доля мощности, получаемой на валу поршневого авиационного двигателя, затрачивается полезно, т. е. на создание тяги. Коэффициент полезного действия воздушного винта в обычных условиях достигает 80— 85%; остальные 15—20% мощности двигателя — это энергия, теряемая воздушным винтом без совершения полезной работы.
Если, допустим, мощность двигателя, передаваемая им винту, равна 1000 л. с., а к. п. д. винта равен 80%, то мощность, равная 200 л. с., теряется винтом бесполезно, а 800 л. с. затрачивается на полезную работу винта. Когда этот двигатель с винтом установлен на самолете, то полезной работой его в полете является работа продвижения самолета в окружающей воздушной среде, т. е. работа, затрачиваемая на преодоление воздушного сопротивления. Как известно, работа есть произведение силы на пройденный в направлении ее действия путь, а мощность, являющаяся секундной работой, может быть представлена как произведение силы на скорость движения. В нашем случае силой, производящей работу, является сила тяги. Поэтому полезная мощность N в лошадиных силах равна произведению силы тяги Р в килограммах на скорость полета V в метрах в секунду, т. е.
(деление на 75 связано с переходом от килограммометров к лошадиным силам). Если, например, скорость полета самолета V равна 100 м/сек, т. е. 360 км/час, то полезная мощность может быть выражена формулой
Значит, сила тяги Р, развиваемая винтом, будет равна
Если же скорость полета V увеличится до 200 м/сек, т. е. станет вдвое большей (720 км/час), то при той же полезной мощности 800 л. с. сила тяги винта будет равна
т. е. уменьшится вдвое.
Таким образом, тяга, развиваемая воздушным винтом, приводимым во вращение поршневым авиационным двигателем, и тяга, потребная для осуществления полета самолета, с ростом скорости полета меняются неодинаково, как это нужно было бы для непрерывного роста скорости. Мало того, их изменения оказываются диаметрально противоположными: потребная тяга быстро растет, а тяга воздушного винта падает.
Это расхождение между тягой, развиваемой воздушным винтом, и тягой, потребной для полета, и является той причиной, вследствие которой поршневой авиационный двигатель оказывается малопригодным для полета на больших скоростях. Чтобы получить большую тягу, потребную при увеличении скорости полета, на самолете необходимо установить и более мощные двигатели.
Но увеличение мощности двигателя скоростного самолета возможно лишь за счет значительного увеличения его размеров и веса. При этом неизбежно увеличиваются и размеры самолета, растет его сопротивление и, как следствие, снова увеличивается потребная тяга.
Поэтому установка нового, более мощного двигателя на самолете сравнительно немного увеличивает скорость его полета. Чем больше скорость полета, тем труднее, с помощью поршневого авиационного двигателя добиться нового увеличения скорости. Но еще хуже обстоит дело, когда скорость полета приближается к скорости звука. Из-за потерь, связанных со сжимаемостью воздуха при скоростях полета, близких к скорости звука, сопротивление летящему самолету увеличивается уже пропорционально не квадрату, а пятой и даже шестой степени скорости полета. Это значит, что для увеличения скорости полета всего на 10% винт должен развивать тягу, увеличенную почти на 80°/о. А так как мощность двигателя, как указывалось выше, при неизменном к. п. д. винта пропорциональна произведению тяги на скорость полета, то она должна при этом возрасти примерно в 2 раза!
Кроме того, следует учесть, что при значительном увеличении скорости полета и винт также начинает работать хуже. Это объясняется тем, что при движении лопасти винта с околозвуковой скоростью появляются известные нам неприятности, связанные с сжимаемостью воздуха. В результате при той же тяге на вращение винта приходится затрачивать большую мощность — к. п. д. винта падает.
Следовательно, при увеличении скорости полета на 10% мощность двигателя должна возрасти более чем в 2 раза. При этом размеры и вес двигателя должны остаться прежними, иначе потребная тяга увеличится и весь расчет придется начинать сначала.
Понятно, почему увеличение скорости полета и приближение ее к скорости звука оказались роковым для поршневого двигателя. Пробить «звуковой барьер» (рис. 6) поршневому двигателю не под силу. Для решения этой задачи потребовался двигатель принципиально другого типа. Слава поршневого двигателя как основного двигателя авиации закатилась.
Это не значит, конечно, что поршневые двигатели стали вовсе непригодными для авиации. Они все еще находят широкое применение и будут применяться в авиации долгое время. Но их применение ограничится самолетами с малой скоростью и главным образом большой продолжительностью полета. При этих условиях поршневые авиационные двигатели сохраняют свои достоинства.
Таким образом, поршневые авиационные двигатели уже не только перестали быть единственными двигателями авиации, какими они были в течение почти полувека ее развития, но и не занимают в ней ведущего положения, они отошли на второй план. Основное внимание уделяется теперь не им, а тем новым двигателям, которые пришли им на смену.
Рис. 6. «Звуковой барьер» — непреодолимое препятствие для самолетов с поршневыми двигателями (с увеличением высоты температура воздуха понижается, поэтому скорость звука уменьшается)
Что же это за двигатели, вызвавшие техническую революцию в авиации?
Это — реактивные двигатели.
Глава втораяНовая эра в развитии авиации
Еще четверть века назад, когда поршневой авиационный двигатель занимал в авиации монопольное положение, каш соотечественник, замечательный ученый и изобретатель, основоположник теории реактивного движения Константин Эдуардович Циолковский утверждал, что будущее в авиации принадлежит не поршневому, а реактивному двигателю. В одной из своих работ, относящихся к 1930 г., он писал: «За эрой аэропланов винтовых должна следовать эра аэропланов реактивных».
В те годы во многих странах к созданию реактивных самолетов относились, как к делу столь далекого будущего, что говорить об этом считалось равносильно утопическим мечтаниям. Но прошло всего одно десятилетие после пророческого заявления Циолковского, и в воздух взлетели первые реактивные самолеты. А спустя еще одно десятилетие появились тысячи реактивных самолетов, с каждым годом отвоевывая у обычных «поршневых» самолетов все новые и новые позиции.
Преимущества реактивных самолетов перед самолетами с поршневыми двигателями настолько очевидны и бесспорны, что теперь нет ни малейшего сомнения в том, что именно реактивной авиации принадлежит будущее. Сейчас можно с полным основанием говорить о том, что применение реактивных двигателей вызвало подлинную техническую революцию в авиации.
В данном случае речь идет не о каких-нибудь технических усовершенствованиях, пусть даже коренных, а именно о революционных преобразованиях. Эти преобразования имеют такое же значение для борьбы человека за покорение воздушного океана, как и само начало моторного летания, положенное историческим полетом самолета Александра Федоровича Можайского.
Вся история развития авиации до появления реактивных самолетов была историей дозвуковых скоростей полета. Скорость полета неизменно росла, но по мере приближения к скорости звука этот рост замедлялся. Перешагнуть через «звуковой барьер» самолет с поршневым двигателем оказался не в состоянии.
Но этот «звуковой барьер» был преодолен в первое же десятилетие новой эры, эры реактивной авиации. Авиация вышла на простор сверхзвуковых скоростей полета. Теперь уже скорость полета будет непрерывно и быстро возрастать.
Конечно, с развитием реактивной авиации по мере увеличения скорости полета будут меняться и типы реактивных двигателей. Будут претерпевать радикальные изменения и конструктивные формы летательных аппаратов и, может быть, сама методика осуществления полета. Нет сомнения в том, что широкое применение в авиации будущего получит атомная энергия, — это откроет новые замечательные перспективы развития авиации. Но основным двигателем авиации останется двигатель реактивный.
В настоящее время широкое применение в авиации нашли реактивные двигатели только одного типа — турбореактивные. Другие типы реактивных двигателей применяются пока еще в очень ограниченных размерах.
Как и в других областях реактивной техники, большие заслуги в области создания и развития реактивной авиации принадлежат ученым и изобретателям нашей страны. Это в полной мере относится и к турбореактивному двигателю.
Первый в мире патент на турбореактивный двигатель был взят в нашей стране инженером Н. Герасимовым в 1909 г. Еще за много лет до этого в нашей стране высказывались различные оригинальные и смелые идеи использования принципа реактивного движения в воздухоплавании и авиации. Эти идеи принадлежали И. М. Третесскому, Н. С. Соковнину, Н. И. Кибальчичу и другим энтузиастам реактивной техники, не говоря уже о классических работах К. Э. Циолковского. Но именно в патенте Н. Герасимова впервые нашли отражение основные принципы турбореактивного двигателя. По существу это было изобретением турбореактивного двигателя.
Однако еще раньше, в 1892 г., выдающийся русский инженер и изобретатель П. Д. Кузьминский предложил, а затем в 1897 г. построил и испытал первый в мире газотурбинный двигатель. Этот двигатель предназначался для использования не в авиации, а в быстроходном надводном флоте. Он был испытан на Неве, для чего изобретатель установил его на катере, предполагая впоследствии установить подобный двигатель и на самолете.