Рис. 52. Таким должен быть прямоточный двигатель, чтобы давление в его камере сгорания не менялось. Сверху показано изменение давления в двигателе, снизу — изменение скорости
Ошибка эта на первый взгляд незаметна, и надо сказать, что описанный здесь парадокс нередко ставил в тупик начинающих знакомиться с прямоточным двигателем. Разгадка заключается в том, что, оказывается, не весь воздух, поступающий в двигатель спереди, вытекает из него через выходное отверстие. Часть воздуха, попав в двигатель, меняет направление на обратное и вытекает из него вперед через входное отверстие (рис. 53). Соотношение количеств воздуха, вытекающего через входное и выходное отверстия, получается таким, что результирующее воздействие воздуха на двигатель, представляющий собой цилиндрическую трубу, равняется нулю.
Рис. 53. Двигатель без диффузора тяги не создает, так как часть воздуха, попав в двигатель, меняет свое направление на обратное и вытекает вперед, в результате чего результирующее воздействие воздуха на двигатель равно нулю
Проведенное выше рассмотрение даже простейших процессов, протекающих в дозвуковом прямоточном воздушно-реактивном двигателе, показывает, что эти процессы, несмотря на чрезвычайную конструктивную простоту двигателя, оказываются далеко не такими простыми. Поэтому неудивительно, что теория прямоточных воздушно-реактивных двигателей считается исключительно сложной.
Но еще большую сложность представляет изучение процессов, происходящих в прямоточном воздушно-реактивном двигателе, рассчитанном на сверхзвуковой полет.
Конечно, принципиально процессы в сверхзвуковом прямоточном воздушно-реактивном двигателе должны быть такими же, как и в дозвуковом: сначала происходит сжатие воздуха в диффузоре, затем сгорание и, наконец, расширение нагретого воздуха (газов) в сопле. Особых осложнений не было бы, если бы торможение сверхзвукового потока в диффузоре можно было бы осуществить так же просто, как и дозвукового. На самом деле торможение сверхзвукового потока имеет принципиально отличный характер по сравнению с торможением потока дозвукового.
Можно ли осуществить постепенное, плавное торможение воздушного потока, имеющего сверхзвуковую скорость, подобно тому, как в обычном дозвуковом диффузоре, о котором шла речь выше, осуществляется торможение дозвукового потока? Теоретически — да, возможно. Правда, по форме такой сверхзвуковой диффузор должен был бы отличаться от дозвукового. Первая часть сверхзвукового диффузора должна представлять собой в противоположность дозвуковому не расширяющуюся, а, наоборот, суживающуюся трубу (рис. 54).
Рис. 54. Теоретическая схема сверхзвукового прямоточного двигателя. Показан характер изменения давления и скорости воздуха в двигателе такой схемы
Это объясняется тем, что при торможении сверхзвукового потока сильно проявляется сжимаемость воздуха. Плотность воздуха в результате сжатия начинает по мере его торможения быстро увеличиваться, причем рост плотности происходит даже быстрее, чем уменьшается скорость течения. Поэтому для протекания одного и того же количества воздуха по мере торможения потока требуются все меньшие проходные сечения.
Другое дело, когда скорость потока меньше скорости звука; плотность воздуха при торможении растет в этом случае медленнее, чем уменьшается скорость течения воздуха. Вот почему при этом воздух часто считают вообще несжимаемым. Вследствие этого дозвуковой диффузор представляет собой расширяющуюся трубу. Очевидно, что в сверхзвуковом диффузоре такая расширяющаяся труба должна быть во второй его части. Действительно, когда скорость воздуха в первой, сужающейся части сверхзвукового диффузора, постепенно уменьшаясь, сравняется со скоростью звука в воздухе, то для дальнейшего торможения воздуха понадобится дозвуковой диффузор. Поэтому сверхзвуковой диффузор представляет собой трубу, как бы составленную из двух труб: сначала сужающейся, а потом расширяющейся. В самой узкой части трубы, называемой горловиной диффузора, скорость движения воздуха должна в точности равняться скорости звука в этом воздухе.
Легко видеть, что такую же форму должна иметь труба, в которой мы захотели бы осуществить обратный процесс — разогнать дозвуковой поток до сверхзвуковой скорости. Такое сверхзвуковое сопло (соплом называют устройство для увеличения скорости течения газа) тоже должно было бы иметь вначале сужающуюся часть, а затем расширяющуюся. В сужающейся части скорость потока постепенно будет расти, пока в самой узкой части — горловине сопла — не станет в точности равной скорости звука. Дальнейшее увеличение скорости выше скорости звука будет происходить в расширяющейся части. Такие сверхзвуковые сопла — их называют обычно соплами Лаваля по имени известного шведского конструктора паровых турбин — широко применяются в технике. Находят они применение и в реактивной технике, где часто встречаются сверхзвуковые скорости течения газов. В частности, таким должно быть, очевидно, и сопло сверхзвукового прямоточного двигателя. Поэтому сверхзвуковой прямоточный воздушно-реактивный двигатель иногда и рисуют схематически в виде цилиндрической трубы, имеющей спереди сверхзвуковой диффузор в виде двух конусов (сужающегося и расширяющегося), а сзади — сверхзвуковое сопло такой же формы (см, рис. 54).