Рис. 63. Прямоточный воздушно-реактивный двигатель со стабилизатором пламени
Но почему же мы говорили выше о сгорании в прямоточном воздушно-реактивном двигателе, как о сложной проблеме, которую еще нужно решить, если уже существуют прямоточные воздушно-реактивные двигатели с надежным, устойчивым сгоранием?
К сожалению, даже в этих существующих двигателях проблема сгорания решена далеко не до конца. В одних двигателях устойчивость сгорания достигнута ценой слишком больших потерь давления в камере сгорания, что приводит к значительному уменьшению тяги и увеличению расхода топлива. В некоторых двигателях сгорание устойчиво на одних режимах работы, но становится неудовлетворительным на других. Но самое главное заключается в том, что обеспечение сгорания в существующих двигателях осуществлялась и осуществляется даже до сих пор в основном чисто опытным путем, на ощупь, путем длительных испытаний с сопутствующими им переделками камеры сгорания. Вследствие этого доводка прямоточных двигателей, для испытания которых требуются весьма сложные, громоздкие и дорого стоящие установки, затягивается иной раз на годы. Кроме тою, когда конструкторы приступают к созданию нового двигателя, то им из-за отсутствия ясных представлений о процессах, происходящих в камере сгорания, приходится идти все тем же экспериментальным путем. Единственные указания им дает опыт прошлого, но этот опыт, конечно, всегда оказывается недостаточным, когда речь идет о создании нового двигателя, рассчитанного на иные требования и иные условия работы. Так теория, которая должна освещать путь практике, в этом случае пока еще отстает от нее.
Наибольшие трудности, связанные со сгоранием в прямоточном двигателе, возникают как раз тогда, когда двигатель предназначается для полета с большими скоростями, намного превышающими скорость звука, и на очень больших высотах, что и характерно для использования прямоточного двигателя. Когда растет скорость полета, то обычно увеличивается и скорость воздушного потока в камере сгорания, а вместе с ней растут и трудности стабилизации горения. Большие неприятности часто создают мощные пульсации и колебания воздушного потока в камере сгорания, из-за чего пламя начинает сильно вибрировать. При этом не только резко снижается тяга и увеличивается расход топлива, но сам двигатель может легко выйти из строя. Еще хуже обстоит дело со сгоранием при увеличении высоты полета. А ведь полет со скоростью, в 2—3 раза превышающей скорость звука, возможен только на весьма больших высотах, где воздух крайне разрежен и, следовательно, не оказывает такого большого сопротивления летящему самолету, как на малых высотах. Вблизи земли это сопротивление так велико, что полет со скоростью, в 2—3 раза превышающей скорость звука, становится практически невозможным. Невозможен он еще и потому, что при полете с такими большими скоростями в плотной атмосфере оболочка самолета может сильно разогреться: на больших высотах в разреженном воздухе этого не происходит. Но именно разреженность воздуха создает особые, пока еще до конца не преодоленные трудности в работе камеры сгорания прямоточного, да и других воздушно-реактивных двигателей. Оказывается, что при увеличении высоты полета в работе камеры сгорания двигателя, вполне
удовлетворительно работавшего у земли и на меньших высотах, наступают перебои. Пламя начинает пульсировать, а затем срывается и гаснет. Это объясняется тем, что скорость сгорания топлива при увеличении высоты полета резко уменьшается, так как уменьшаются давление и температура воздуха в камере сгорания двигателя. Мало того, при значительном увеличении высоты полета топливовоздушную смесь в камере сгорания вообще не удается воспламенить.
Обеспечение нормального сгорания топливовоздушной смеси при больших скоростях и высотах полета является в настоящее время основной проблемой развития прямоточных воздушно-реактивных двигателей. Можно не сомневаться в том, что эта проблема будет в недалеком будущем решена. Тем самым для прямоточных двигателей будут открыты именно те области применения, в которых они не имеют себе равных среди всех других авиационных двигателей. Тогда авиация сделает еще один громадный скачок вперед в отношении скоростей и высот полета. Это — дело авиации завтрашнего дня.
Чтобы закончить наш рассказ о сгорании в прямоточном воздушно-реактивном двигателе, следует еще раз подчеркнуть огромное превосходство этого двигателя перед турбореактивным. Это превосходство связано с допустимой температурой сгорания. Мы знаем, что лопатки турбины ограничивают максимальную температуру газов, выходящих из камеры сгорания турбореактивного двигателя. Поэтому в турбореактивном двигателе участвует в сгорании лишь около четверти всего воздуха, протекающего через камеру сгорания. Остальной воздух служит для охлаждения продуктов сгорания — он добавляется к ним уже за зоной горения. В прямоточном двигателе такого ограничения нет, ибо нет и турбины. Здесь для сгорания топлива можно использовать весь кислород, заключенный в воздухе. Поэтому при том же количестве протекающего через двигатель воздуха в прямоточном воздушно-реактивном двигателе удается сжигать в 3—4 раза больше топлива и получить в результате этого соответственно большую тягу с единицы площади «лба» двигателя. А ведь в таком увеличении этой удельной лобовой тяги, а следовательно, и мощности, приходящейся на единицу площади вредной лобовой поверхности двигателя (вредной потому, что именно с ней связано лобовое сопротивление двигателя), и лежит ключ к увеличению скорости полета.