Воздушно-реактивные двигатели - Карл Гильзин

Мы не можем видеть того, как создается тяга винтом, ибо окружающий нас воздух прозрачен. Однако, если захотим, мы можем почувствовать это. Станьте позади работающего винта — на вас тотчас обрушится стремительный поток воздуха, сильнее любого урагана. Но сделайте два шага в сторону, и вы выйдете из сферы действия воздушного потока — «ураган» исчезнет. Этот «ураган» создается винтом. Оказывается, винт — это мощный вентилятор. Он засасывает спереди окружающий неподвижный воздух и с огромной скоростью отбрасывает его назад.

Если бы мы могли сделать воздух видимым, например, окрашенным в зеленый цвет, причем не просто окрашенным, а так, что по мере ускорения движения воздуха окраска его становилась бы все темнее, то мы увидели бы необыкновенно красивое зрелище.

Вот в светлозеленом океане начал вращаться воздушный винт. Взволновался океан перед винтом, и со всех сторон — спереди, сбоку, сверху, снизу — стали притекать к прозрачному диску вращающегося винта воздушные струйки, образуя огромную зеленую воронкообразную чашу. Чем ближе к винту, тем уже и темнее эта чаша. Вот струйки прошли через едва различимую преграду — диск вращающегося винта; за ним огромная воздушная воронка стала темнозеленой. Воздушный поток — «ураган» — стал видимым. Винт оказался работающим внутри образованной им в воздушном океане своеобразной «аэродинамической трубы», заполненной быстро движущимся воздухом (рис. 3).

Рис. 3. Такую невидимую воздушную струю образует воздушный винт

Вот, оказывается, в чем заключается действие винта — он неустанно отбрасывает назад воздух так же, как мы с вами могли бы бросить камень или мяч.

Но ведь «бросить» —это значит толкнуть. Чем тяжелее камень и чем большую скорость он приобретает при толчке, тем большей должна быть сила толчка. Винт отбрасывает каждую секунду сотни и тысячи килограммов воздуха со скоростью в десятки метров в секунду, поэтому он действует на воздух с огромной силой в сотни и тысячи килограммов.

Но в природе всегда и неразрывно связаны между собой действие и противодействие — силы, равные по величине друг другу, но противоположно направленные. Так и гласит один из основных законов механики, установленный создателем этой науки — Ньютоном (третий закон Ньютона): действие равно противодействию.

Следуя этому закону, воздух сопротивляется действию винта, оказывает ему противодействие. Если винт толкает воздух, то воздух с такой же силой толкает винт.

Вот это противодействие воздуха, т. е. та сила, с которой отбрасываемый воздух действует на винт, и есть движущая сила винта, его тяга. Значит, тяга винта — это сила реакции отбрасываемого им воздуха (по латыни «реакция» и есть противодействие). Мы здесь встречаемся, следовательно, с движущим устройством, использующим принцип реактивной отдачи.

Так как вращающийся воздушный винт непрерывно отбрасывает с большой скоростью огромную массу воздуха, то легко видеть, что для вращения его нужно затрачивать большую работу. «Ураган», бушующий за винтом, обходится недешево.

Для приведения во вращение воздушного винта и устанавливается на самолете авиационный поршневой двигатель. Вместе они образуют силовую установку, без которой самолет не может совершать полет. Двигатель развивает необходимую для совершения полета мощность, а воздушный винт использует эту мощность для создания силы тяги, движущей самолет.

Понятно, какое огромное значение имеет для самолета совершенство установленного на нем двигателя. Не зря говорят, что двигатель — это сердце самолета. Чем надежнее, мощнее, легче и меньше по размерам двигатель, чем меньше топлива он расходует, тем быстрее, выше и дальше может летать самолет.

Наши ученые, конструкторы, инженеры и рабочие авиационной промышленности настойчиво развивали и совершенствовали авиационные двигатели, обеспечивая высокое качество советской авиации.

Три четверти века назад был создан авиационный поршневой двигатель внутреннего сгорания. С тех пор этот двигатель прошел замечательный путь развития. Современные поршневые авиационные двигатели так же не похожи на первые двигатели, как и современные самолеты не похожи на «летающие этажерки» и «летающие гробы» начала нашего века.

Вот перед нами на взлетной полосе аэродрома стоит готовый к взлету самолет с поршневым двигателем (рис. 4). Уже получено разрешение на взлет; сейчас летчик «даст газ» — передвинет рычаг управления вперед, двигатель перейдет на полную мощность и самолет начнет разбег для взлета.

Но задержим самолет на взлетной полосе, положив под его колеса деревянные колодки. Теперь, сколько ни будет «газовать» летчик, самолет не тронется с места. Воспользуемся возможностью и познакомимся с двигателем самолета.

Рис. 4. Самолет Як-18 перед взлетом

Двигатель установлен в передней части фюзеляжа. Его совсем не видно, так как он укрыт капотом — обтекателем, создающим самолету плавные обтекаемые формы. Из-под капота наружу выглядывают только небольшие выхлопные патрубки, из которых вырываются языки голубоватого пламени. Это выбрасываются в атмосферу из цилиндров двигателя раскаленные газы, продукты сгорания бензина, на котором работает двигатель.

В цилиндрах двигателя происходят очень сложные процессы. Много раз в секунду осуществляется в каждом из них рабочий цикл: засасывается свежий воздух, который на пути в цилиндры перемешивается с топливом — бензином; бензовоздушная смесь сжимается и мгновенно сгорает, при этом образуются раскаленные газы высокого давления. В этих-то газах и заключена вся тепловая энергия, выделившаяся при сгорании топлива, в них источник той силы, которая неутомимо вращает воздушный винт. Но путь энергии от газов к винту весьма сложен. Газы расширяются и давят на поршни, движущиеся вверх-вниз в цилиндрах; поршни связаны шатунами с коленчатым валом. Так с помощью сложного кривошипно-шатунного механизма энергия расширяющихся газов сообщается коленчатому валу двигателя. От коленчатого вала двигателя, обычно через шестеренчатую передачу — редуктор, получает вращение воздушный винт.

Если бы капот самолета и стенки двигателя были стеклянными, то мы все равно не смогли бы разобраться в том, что происходит внутри двигателя. Протекающие в нем различные процессы чередуются так быстро, что потребовалась бы «лупа времени», замедленная киносъемка для того, чтобы уловить направление движения частей двигателя или разобраться в последовательности происходящих в нем явлений.

Рис. 5. Отечественный поршневой авиационный двигатель АШ-82

Современный поршневой авиационный двигатель (рис. 5) состоит из тысяч различных деталей. Он развивает мощность до нескольких тысяч лошадиных сил, способен работать десятки часов подряд, даже в разреженной атмосфере, на высотах в 15 км и более, выдерживает огромную нагрузку, которой подвергается в полете при выполнении фигур высшего пилотажа или в воздушном бою. И вместе с тем он во много раз легче и меньше любого другого двигателя внутреннего сгорания такой же мощности.

Поршневой авиационный двигатель — это сложнейшая машина, исключительно точная, изготовленная из особо высококачественных материалов; в нем воплощены достижения различных отраслей пауки и техники. Только страны с высокоразвитой тяжелой индустрией в состоянии строить такие машины.

Десятилетия служил поршневой двигатель авиации, завоевав всеобщее признание, достигнув вершины славы. И тем стремительнее было падение этого двигателя, хотя неизбежный закат его славы ученые предсказывали еще тогда, когда она находилась в самом зените.

Что же послужило причинами этому падению?

Таких причин было по существу две, хотя обе они касаются одного и того же.

Дело в том, что поршневой авиационный двигатель не смог решить задачу резкого увеличения скорости полета, задачу, которая поставлена перед авиацией всем ходом ее развития. И в то же время появился новый двигатель, который обеспечивает решение этой задачи.

Нет ничего удивительного в том, что именно борьба за скорость полета решила участь поршневого двигателя.

Увеличение скорости полета — одно из важнейших направлений развития авиации. Весь опыт, накопленный авиацией за полвека ее развития, подтверждает правильность слов, ставших за последнее время крылатыми: кто быстрее в воздухе, тот и сильнее в воздухе.

Но почему же именно дальнейшее увеличение скорости стало неразрешимой задачей для поршневого двигателя? Ведь этот двигатель выдержал немало испытаний еще совсем в недалеком прошлом; он одержал немало побед и в борьбе за скорость полета. Непрерывное усовершенствование двигателя было одной из причин непрерывного увеличения скорости полета самолетов. К концу минувшей войны истребители с поршневыми двигателями обладали скоростью полета 700—750 км/час — это в 15 раз больше скорости полета самолетов начала нашего века. Замечательный успех! Ни в одном другом виде транспорта не было таких темпов роста скоростей движения.