Для успешного проведения испытаний соорудим специальную установку, показанную на рис. 50. Из трубы большого диаметра вытекает воздух, который затем поступает в наш испытуемый двигатель. Скорость движения воздуха, подаваемого мощным вентилятором, можно менять путем изменения числа оборотов вентилятора; этим мы можем имитировать изменение скорости полета. Чтобы можно было измерить тягу, развиваемую двигателем, укрепим его на испытательном станке, устройство которого легко понять из рисунка.
Рис. 50. На этой установке мы будем проводить наши «исследования» прямоточного воздушно-реактивного двигателя
Для того чтобы не произошло ошибки при измерении тяги, нам придется пойти еще на одно ухищрение.
Поток воздуха, обтекающего двигатель снаружи, естественно, действует на его внешнюю поверхность и создает силу, направленную против полета. Вследствие этого измеренная тяга окажется меньше действительной. Чтобы избавиться от вредного влияния внешнего потока, поставим перед двигателем щиток, который отклонит воздушный поток, так что он не будет обтекать двигатель снаружи.
Теперь, когда все подготовительные работы закончены, можно начинать наш эксперимент. Не запуская двигатель (не включая подачу топлива), запустим вентилятор. Из трубы начнет вытекать струя воздуха — она будет иметь более темный цвет, чем окружающий нашу испытательную установку светлозеленый океан; это понятно — океан неподвижен, а воздух в струе движется.
Как только струя воздуха поступит внутрь двигателя, с ней сейчас же начнут происходить изменения. Чем дальше продвигается воздушный поток по переднему расходящемуся конусу двигателя, тем светлее становится его цвет; это свидетельствует о том, что скорость потока уменьшается. В синем океане мы увидели бы противоположную картину: в нем по мере движения внутри переднего конуса цвет воздуха становится все более темным; следовательно, давление его увеличивается. Так оно и должно быть, ибо когда скорость воздуха в потоке уменьшается, то давление его увеличивается — таков вывод закона Бернулли.
В этом и заключается назначение входного конуса двигателя — в нем осуществляется торможение воздушного потока и сжатие воздуха. Следовательно, именно эта часть прямоточного воздушно-реактивного двигателя, называющаяся диффузором, и выполняет функции компрессора. Чтобы сжатие воздуха происходило без больших потерь, угол конусности диффузора должен быть возможно меньшим; поэтому диффузор обычно имеет большую длину.
В цилиндрической средней части двигателя состояние воздуха не изменяется, так как сгорания пока не происходит и воздух движется здесь с постоянной скоростью, при неизменном давлении.
Изменения начнутся снова, как только воздух поступит в выходной конус двигателя. В зеленом океане цвет потока в этом конусе будет темнеть, а в синем, очевидно, светлеть. Это значит, что в выходном конусе скорость движения воздуха увеличивается, а давление его падает. Значит, в этой части двигателя воздух расширяется; работа расширения затрачивается на разгон потока. Именно таково назначение этой важной части двигателя, называющейся реактивным соплом. Без сопла скорость истечения и, следовательно, тяга двигателя будут небольшими.
Пока внутри двигателя не происходит сгорания топлива, он, конечно, не будет развивать тяги. Действительно, скорость истечения воздуха из двигателя будет в этом случае такой же, как и скорость входящего в него воздуха[3]. А ведь тяга прямоточного двигателя, как известно, зависит от разности скоростей движения воздуха на выходе из двигателя и на входе в него; когда эта разность равна нулю, то и тяга также равна нулю. Это понятно — нет ускорения воздуха в двигателе, нет и силы реакции.
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.
3
В действительности скорость истечения воздуха будет даже меньше скорости входящего воздуха из-за сопротивления, которое воздух преодолевает, протекая внутри двигателя. Поэтому двигатель не только не будет развивать тяги, но его тяга будет «отрицательной», она будет направлена против полета. Но мы этими потерями внутри двигателя пренебрежем, рассматривая упрощенную схему явлений.