Прямоточные двигатели будущего
Долгий полет во много раз быстрее звука сулит много плюсов; путь к нему лежит через создание эффективного прямоточного двигателя. Но этот орешек необычайно тверд, и расколоть его крайне непросто. К решению сложнейшей задачи разработчики идут разными путями с нескольких направлений. Об их шагах сегодня расскажет наш материал.
Работа прямоточного двигателя
Прямоточный воздушно-реактивный двигатель, ПВРД — открытая труба, узкая в середине, где горит огонь. Мы уже говорили о нем в материале «Гиперзвуковая крылатая ракета и ее скачки». Летящий в двигатель встречный воздух не знает лопаток компрессора; лишь скоростной напор гонит поток внутрь. Сужение входного канала сжимает воздух до нужных для горения параметров. Дальше в него добавляется и сжигается топливо. Полученный сильный, на пару тысяч градусов, разогрев потока работает дальше, внутри реактивного сопла, разгоняя струю для реактивной силы тяги.
Сжатие входящего потока — вот условие горения. А трудно ли сжать воздух? Как он сжимается скоростью? Оказывается, по-разному. И отличия эти не в разы, а в десятки и сотни раз. Линией перемены характера сжатия воздуха пролегает скорость звука в нем. Именно в этом конкретном воздухе, ведь скорость звука не постоянна. В жару она растет, в морозе падает; поэтому границей смены характера сжатия берут местную скорость звука для данных условий.
Все, что быстрее нее,— сверхзвуковое, все медленнее — дозвуковое: течение, скорость полета, тело, конструкция. Дозвуковой поток, обтекая препятствие, сжимается на нем мало. На низких скоростях воздух обтекает тело почти не сжимаясь. При половине скорости звука поток сжимается на 30–50%, а при 0,8 скорости звука сжатие достигает 70–80%. Но за скоростью звука воздух словно теряет упругость и начинает сжиматься многократно, в разы и многие десятки раз. Сверхзвук — мощный сжиматель, уплотняющий поток без ограничений.
Зачем сжимать воздух в двигателе? Литр сжатого воздуха содержит больше кислорода. И в нем можно сжечь больше горючего и получить больше тепла. В обильном кислороде многократно сжатого воздуха отлично горят самые разные топлива (так, по-авиационному, мы дальше будем называть горючее).
Дозвуковые прямоточники мало эффективны из‑за слабого сжатия. Гораздо лучше сверхзвуковые прямоточные двигатели: входящий поток может сжаться в разы и десятки раз. Была бы достаточная скорость и сужающаяся конфигурация входящей части — конфузора.
Входящий воздух втискивается, вжимается силами инерции в его воронку, и это замедляет поток. Сжатие его идет за счет уменьшения скорости и кинетической энергии потока. Часть ее переходит в потенциальную энергию сжатия и тепловую энергию нагрева. Чем больше замедление, тем сильнее сжатие и нагрев. Минус неизбежные газодинамические потери, всегда уменьшающие реальные сжатие и нагрев ниже расчетных для идеального газа.
Сверхзвуковой воздухозаборник врезается в поток острыми кромками, за которыми косо тянутся внутрь и наружу скачки уплотнения. В них воздух мгновенно сжимается и дальше течет уже сжатым. Эффективно, если в горловину воздухозаборника попадает лишь сжатый этими скачками воздух. Угол, под которым они отклоняются назад, зависит от скорости полета. Поэтому ее изменение затронет и картину сжатия в конфузоре. Чтобы оптимально подстраивать сжатие под изменившуюся скорость полета, сверхзвуковой воздухозаборник должен быть управляемым. Как это действует технически, оставим за рамками рассказа. Отметим, что управление геометрией входа поддерживает нужные параметры потока в двигателе при слегка разных режимах движения, неизбежных в реальном полете.
Итак, сверхзвуковой поток тормозится в конфузоре. Он может замедлиться ниже скорости звука. Тогда течение в этой части двигателя станет дозвуковым. В нем будут отлично работать обычные самолетные камеры сгорания и дальше сопло обычного турбореактивного двигателя. В сужении сопла поток вернется к скорости звука, затем станет сверхзвуковым и разгонится в расширении сопла. Сверхзвуковая струя создаст реактивную тягу. Это СПВРД — сверхзвуковой прямоточный воздушно-реактивный двигатель, со сверхзвуком на входе и выходе и дозвуком в середине.
Он работает в сверхзвуковых ракетах, зенитных и крылатых. Выгодно отличаясь от дозвукового ПВРД эффективным сверхзвуковым сжатием, он проигрывает другому двигателю. У которого нет дозвуковой области, а поток в любом месте проточной части сверхзвуковой, хотя и разной скорости.
Дозвуковая зона СПВРД создает главный минус: ее начало — прямой (перпендикулярный течению) и мощный скачок уплотнения, завершающий зону сверхзвука. В нем наибольшие газодинамические потери энергии потока, снижающие эффективность двигателя. Физически это понятно: перевод сверхзвукового течения в дозвук и затем опять разгон до сверхзвука похож на топтание на месте.
Если скорость входящего потока вырастет до 6–7 скоростей звука, до гиперзвуковых скоростей, то нужное для горения сжатие в двигателе получится при еще сверхзвуковом течении внутри. Сильнее сжимать и тормозить поток незачем. Остается сжечь в нем топливо и разогнать горячий газ в раструбе сверхзвукового сопла. Такой двигатель называют гиперзвуковым прямоточным воздушно-реактивным двигателем, или ГПВРД.
И тут скажется потеря главного плюса дозвуковой зоны СПВРД: в ней факел за форсункой горит хорошо и устойчиво. Физика горения базируется на обычной теплопроводности и турбулентности, вместе передающих нагрев и огонь слоям топливовоздушной смеси. Это позволяет в целом легко управлять горением и работой двигателя.
Сверхзвуковое горение другое. Сверхзвук безжалостно сносит по потоку привычные формы пламени. Теплопроводность от факела не успевает нагреть слои смеси для зажигания, они улетают в сопло несгоревшими. Вверх по сверхзвуковому потоку идет лишь детонация, ударноволновая форма горения. Скачок уплотнения сверхзвуковой ударной волны нагревает смесь сжатием до зажигания. Топливо сгорает сразу за скачком. Уравняв скорости потока и волны, можно «закрепить» волну в одном участке канала, который станет камерой сгорания.
Проблемы устойчивости горения и работы ГПВРД
Управлять таким горением весьма непросто. Виной этому сверхзвуковая скорость потока, очень короткое пребывание смеси в камере сгорания и время горения, десятитысячная доля секунды и меньше. А управлять горением нужно еще быстрее. То есть поддерживать нужные значения комплекса взаимосвязанных параметров потока: скорость, плотность, давление, температуру и концентрацию топлива.