Пульсирующие воздушно реактивные двигатели. Глава пятая пульсирующий воздушно-реактивный двигатель

Испытания детонационного двигателя

FPI_RUSSIA / Vimeo

Специализированная лаборатория «Детонационные ЖРД» научно-производственного объединения «Энергомаш» провела испытания первых в мире полноразмерных демонстраторов технологий детонационного жидкостного ракетного двигателя. Как сообщает ТАСС, новые силовые установки работают на топливной паре кислород-керосин.

Новый двигатель, в отличие от других силовых установок, работающих по принципу внутреннего сгорания, функционирует за счет детонации топлива. Детонацией называется сверхзвуковое горение какого-либо вещества, в данном случае топливной смеси. При этом по смеси распространяется ударная волна, за которой следует химическая реакция с выделением большого количества тепла.

Изучение принципов работы и разработка детонационных двигателей ведется в некоторых странах мира уже больше 70 лет. Первые такие работы начались еще в Германии в 1940-х годах. Правда тогда работающего прототипа детонационного двигателя исследователям создать не удалось, но были разработаны и серийно выпускались пульсирующие воздушно-реактивные двигатели. Они ставились на ракеты «Фау-1».

В пульсирующих воздушно-реактивных двигателях топливо сгорало с дозвуковой скоростью. Такое горение называется дефлаграцией. Пульсирующим двигатель называется потому, что в его камеру сгорания топливо и окислитель подавались небольшими порциями через равные промежутки времени.

Карта давления в камере сгорания ротационного детонационного двигателя. A - детонационная волна; B - задний фронт ударной волны; C - зона смешения свежих и старых продуктов горения; D - область заполнения топливной смесью; E - область несдетонировавшей сгоревшей топливной смеси; F - зона расширения со сдетонировавшей сгоревшей топливной смесью

Детонационные двигатели сегодня делятся на два основных типа: импульсные и ротационные. Последние еще называют спиновыми. Принцип работы импульсных двигателей схож с таковым у пульсирующих воздушно-реактивных двигателей. Основное отличие заключается в детонационном горении топливной смеси в камере сгорания.

В ротационных детонационных двигателях используется кольцевая камера сгорания, в которой топливная смесь подается последовательно через радиально расположенные клапаны. В таких силовых установках детонация не затухает - детонационная волна «обегает» кольцевую камеру сгорания, топливная смесь за ней успевает обновиться. Ротационный двигатель впервые начали изучать в СССР в 1950-х годах.

Детонационные двигатели способны работать в широком пределе скоростей полета - от нуля до пяти чисел Маха (0-6,2 тысячи километров в час). Считается, что такие силовые установки могут выдавать большую мощность, потребляя топлива меньше, чем обычные реактивные двигатели. При этом конструкция детонационных двигателей относительно проста: в них отсутствует компрессор и многие движущиеся части.

Все детонационные двигатели, испытывавшиеся до сих пор, разрабатывались для экспериментальных самолетов. Испытанная в России такая силовая установка является первой, предназначенной для установки на ракету. Какой именно тип детонационного двигателя прошел испытания, не уточняется.

В России испытали пульсирующий детонационный двигатель

Опытно-конструкторское бюро имени Люльки разработало, изготовило и испытало опытный образец пульсирующего резонаторного детонационного двигателя с двухстадийным сжиганием керосиновоздушной смеси. Как сообщает ИТАР-ТАСС , средняя измеренная тяга двигателя составила около ста килограммов, а длительность непрерывной работы ─ более десяти минут. До конца текущего года ОКБ намерено изготовить и испытать полноразмерный пульсирующий детонационный двигатель.

По словам главного конструктора ОКБ имени Люльки Александра Тарасова, в ходе испытаний моделировались режимы работы, характерные для турбореактивного и прямоточного двигателей. Измеренные величины удельной тяги и удельного расхода топлива оказались на 30-50 процентов лучше, чем у обычных воздушно-реактивных двигателей. В ходе экспериментов производилось многократное включение и выключение нового двигателя, а также регулирование тяги.

На основе проведенных исследований, полученных при испытании данных, а также схемно-конструкторского анализа ОКБ имени Люльки намерено предложить разработку целого семейства пульсирующих детонационных авиационных двигателей. В частности, могут быть созданы двигатели с коротким ресурсом работы для беспилотных летательных аппаратов и ракет и самолетные двигатели с крейсерским сверхзвуковым режимом полета.

В перспективе на основе новых технологий могут быть созданы двигатели для ракетно-космических систем и комбинированных силовых установок самолетов, способных выполнять полеты в атмосфере и за ее пределами.

По оценке конструкторского бюро, новые двигатели позволят увеличить тяговооруженность самолетов в 1,5-2 раза. Кроме того, при использовании таких силовых установок дальность полета или масса авиационных средств поражения могут увеличиться на 30-50 процентов. При этом удельный вес новых двигателей будет в 1,5-2 раза меньше аналогичного показателя обычных реактивных силовых установок.

О том, что в России ведутся работы по созданию пульсирующего детонационного двигателя, сообщалось в марте 2011 года. Об этом заявил тогда Илья Федоров, управляющий директор научно-производственного объединения «Сатурн», в состав которого входит ОКБ имени Люльки. О каком именно типа детонационного двигателя шла речь, Федоров не уточнил.

В настоящее время известны три вида пульсирующих двигателей ─ клапанные, бесклапанные и детонационные. Принцип работы этих силовых установок заключается в периодической подаче в камеру сгорания топлива и окислителя, где происходит воспламенение топливной смеси и истечение продуктов сгорания из сопла с образованием реактивной тяги. Отличие от обычных реактивных двигателей заключается в детонационном горении топливной смеси, при котором фронт горения распространяется быстрее скорости звука.

Пульсирующий воздушно-реактивный двигатель был изобретен еще в конце XIX века шведским инженером Мартином Вибергом. Пульсирующий двигатель считается простым и дешевым в изготовлении, однако из-за особенностей горения топлива ─ малонадежным. Впервые новый тип двигателя был использован серийно во время Второй мировой войны на немецких крылатых ракетах Фау-1. На них устанавливался двигатель Argus As-014 компании Argus-Werken.

В настоящее время несколько крупных оборонных фирм мира занимаются исследованиями в области создания высокоэффективных пульсирующих реактивных двигателей. В частности, работы ведут французская компания SNECMA и американские General Electric и Pratt & Whitney. В 2012 году Научно-исследовательская лаборатория ВМС США объявила о намерении разработать спиновый детонационный двигатель, который должен будет заменить на кораблях обычные газотурбинные силовые установки.

Спиновые детонационные двигатели отличаются от пульсирующих тем, что детонационное горение топливной смеси в них происходит непрерывно ─ фронт горения перемещается в кольцевой камере сгорания, в которой топливная смесь постоянно обновляется.

Опытно-конструкторское бюро имени Люльки разработало, изготовило и испытало опытный образец пульсирующего резонаторного детонационного двигателя с двухстадийным сжиганием керосиновоздушной смеси. Как сообщает ИТАР-ТАСС, средняя измеренная тяга двигателя составила около ста килограммов, а длительность непрерывной работы ─ более десяти минут. До конца текущего года ОКБ намерено изготовить и испытать полноразмерный пульсирующий детонационный двигатель.

По словам главного конструктора ОКБ имени Люльки Александра Тарасова, в ходе испытаний моделировались режимы работы, характерные для турбореактивного и прямоточного двигателей. Измеренные величины удельной тяги и удельного расхода топлива оказались на 30-50 процентов лучше, чем у обычных воздушно-реактивных двигателей. В ходе экспериментов производилось многократное включение и выключение нового двигателя, а также регулирование тяги.

На основе проведенных исследований, полученных при испытании данных, а также схемно-конструкторского анализа ОКБ имени Люльки намерено предложить разработку целого семейства пульсирующих детонационных авиационных двигателей. В частности, могут быть созданы двигатели с коротким ресурсом работы для беспилотных летательных аппаратов и ракет и самолетные двигатели с крейсерским сверхзвуковым режимом полета.

В перспективе на основе новых технологий могут быть созданы двигатели для ракетно-космических систем и комбинированных силовых установок самолетов, способных выполнять полеты в атмосфере и за ее пределами.

По оценке конструкторского бюро, новые двигатели позволят увеличить тяговооруженность самолетов в 1,5-2 раза. Кроме того, при использовании таких силовых установок дальность полета или масса авиационных средств поражения могут увеличиться на 30-50 процентов. При этом удельный вес новых двигателей будет в 1,5-2 раза меньше аналогичного показателя обычных реактивных силовых установок.

О том, что в России ведутся работы по созданию пульсирующего детонационного двигателя, сообщалось в марте 2011 года. Об этом заявил тогда Илья Федоров, управляющий директор научно-производственного объединения «Сатурн», в состав которого входит ОКБ имени Люльки. О каком именно типе детонационного двигателя шла речь, Федоров не уточнил.

В настоящее время известны три вида пульсирующих двигателей ─ клапанные, бесклапанные и детонационные. Принцип работы этих силовых установок заключается в периодической подаче в камеру сгорания топлива и окислителя, где происходит воспламенение топливной смеси и истечение продуктов сгорания из сопла с образованием реактивной тяги. Отличие от обычных реактивных двигателей заключается в детонационном горении топливной смеси, при котором фронт горения распространяется быстрее скорости звука.

Пульсирующий воздушно-реактивный двигатель был изобретен еще в конце XIX века шведским инженером Мартином Вибергом. Пульсирующий двигатель считается простым и дешевым в изготовлении, однако из-за особенностей горения топлива ─ малонадежным. Впервые новый тип двигателя был использован серийно во время Второй мировой войны на немецких крылатых ракетах Фау-1. На них устанавливался двигатель Argus As-014 компании Argus-Werken.

В настоящее время несколько крупных оборонных фирм мира занимаются исследованиями в области создания высокоэффективных пульсирующих реактивных двигателей. В частности, работы ведут французская компания SNECMA и американские General Electric и Pratt & Whitney. В 2012 году Научно-исследовательская лаборатория ВМС США объявила о намерении разработать спиновый детонационный двигатель, который должен будет заменить на кораблях обычные газотурбинные силовые установки.

Научно-исследовательская лаборатория (NRL) ВМС США намерена разработать ротационный, или спиновый, детонационный двигатель (Rotating Detonation Engine, RDE), который в перспективе сможет заменить на кораблях обычные газотурбинные силовые установки. Как сообщает NRL, новые двигатели позволят военным снизить потребление топлива, одновременно повысив энергетическую отдачу силовых установок.

В настоящее время ВМС США используют 430 газотурбинных двигателей (ГТД) на 129 кораблях. Ежегодно они потребляют топлива на два миллиарда долларов. По оценке NRL, благодаря RDE военные смогут экономить на топливе до 400 миллионов долларов в год. RDE смогут вырабатывать на десять процентов больше энергии, чем обычные ГТД. Прототип RDE уже создан, однако когда такие двигатели начнут поступать на флот, пока неизвестно.

В основу RDE легли наработки NRL, полученные при создании пульсирующего детонационного двигателя (Pulse Detonation Engine, PDE). Работа таких силовых установок основана на устойчивом детонационном горении топливной смеси.

Спиновые детонационные двигатели отличаются от пульсирующих тем, что детонационное горение топливной смеси в них происходит непрерывно ─ фронт горения перемещается в кольцевой камере сгорания, в которой топливная смесь постоянно обновляется.

Пульсирующий воздушно-реактивный двигатель (ПуВРД) – это одна из трех основных разновидностей воздушно-реактивных двигателей (ВРД), особенностью которой является пульсирующий режим работы. Пульсация создает характерный и очень громкий звук, по которому легко узнать эти моторы. В отличие от других типов силовых агрегатов ПуВРД имеет максимально упрощенную конструкцию и небольшой вес.

Строение и принцип действия ПуВРД

Пульсирующий воздушно-реактивный двигатель – это полый канал, открытый с двух сторон. С одной стороны – на входе – установлен воздухозаборник, за ним – тяговый узел с клапанами, дальше расположена одна или несколько камер сгорания и сопло, через которое выходит реактивный поток. Поскольку работа двигателя циклична, можно выделить основные ее такты:

• такт впуска, во время которого входной клапан открывается, и в камеру сгорания под действием разряжения в ней попадает воздух. В это же время через форсунки впрыскивается топливо, в результате чего образуется топливный заряд;
• полученный топливный заряд воспламеняется от искры свечи зажигания, в процессе горения образуются газы с высоким давлением, под действием которого закрывается впускной клапан;
• при закрытом клапане продукты сгорания выходят через сопло, обеспечивая реактивную тягу. Вместе с тем в камере сгорания при выходе отработанных газов образуется разряжение, входной клапан автоматически открывается и впускает во внутрь новую порцию воздуха.

Входной клапан двигателя может иметь разные конструкции и внешний вид. Как вариант, он может быть выполнен в виде жалюзи – прямоугольных пластин, закрепленных на раме, которые под действием перепада давления открываются и закрываются. Другая конструкция имеет форму цветка с металлическими «лепестками», расположенными по кругу. Первый вариант более эффективный, зато второй более компактный и может использоваться на небольших по размеру конструкциях, например, при авиамоделизме.

Подача топлива осуществляется форсунками, которые имеют обратный клапан. Когда давление в камере сгорания снижается, подается порция топлива, когда же давление увеличивается за счет горения и расширения газов, подача топлива прекращается. В некоторых случаях, например на маломощных моторах от авиамоделей, форсунок может и не быть, а система подачи топлива при этом напоминает карбюраторный двигатель.

Свеча зажигания расположена в камере сгорания. Она создает серию разрядов, и когда концентрация топлива в смеси достигает нужного значения, топливный заряд воспламеняется. Поскольку двигатель имеет небольшие размеры, его стенки, выполненные из стали, в процессе работы быстро нагреваются и могут поджигать топливную смесь не хуже свечи.

Нетрудно понять, что для запуска ПуВРД нужен первоначальный «толчок», при котором первая порция воздуха попадет в камеру сгорания, то есть такие двигатели нуждаются в предварительном разгоне.

История создания

Первые официально зарегистрированные разработки ПуВРД относятся ко второй половине XIX века. В 60-е годы сразу двое изобретателей независимо друг от друга сумели получить патенты на новый тип двигателя. Имена этих изобретателей – Телешов Н.А. и Шарль де Луврье. В то время их разработки не нашли широкого применения, но уже в начале ХХ века, когда для самолетов подыскивали замену поршневым двигателям, на ПуВРД обратили внимание немецкие конструкторы. Во время Второй мировой войны немцы активно использовали самолет-снаряд ФАУ-1, оснащенный ПуВРД, что объяснялось простотой конструкции этого силового агрегата и его дешевизной, хотя по своим рабочим характеристикам он уступал даже поршневым двигателям. Это был первый и единственный раз в истории, когда этот тип двигателя использовался в массовом производстве самолетов.

После окончания войны ПуВРД остались «в военном деле», где нашли применение в качестве силового агрегата для ракет типа «воздух-поверхность». Но и здесь со временем они утратили свои позиции из-за ограничения по скорости, необходимости первоначального разгона и низкой эффективности. Примерами использования ПуВРД являются ракеты Fi-103, 10Х, 14Х, 16Х, JB-2. В последние годы наблюдается возобновление интереса к этим двигателям, появляются новые разработки, направленные на его усовершенствование, так что, возможно, в скором будущем ПуВРД вновь станет востребованным в военной авиации. На данный момент пульсирующий воздушно-реактивный двигатель возвращают к жизни в области моделирования, благодаря использованию в исполнении современных конструкционных материалов.

Особенности ПуВРД

Главной особенностью ПуВРД, которая отличает его от его «ближайших родственников» турбореактивного (ТРД) и прямоточного воздушно-реактивного двигателя (ПВРД), является наличие впускного клапана перед камерой сгорания. Именно этот клапан не пропускает обратно продукты сгорания, определяя их направление движения через сопло. В других типах моторов нет необходимости в клапанах – там воздух поступает в камеру сгорания уже под давлением за счет предварительно сжатия. Этот, на первый взгляд, незначительный нюанс играет огромную роль в работе ПуВРД с точки зрения термодинамики.

Второе отличие от ТРД – это цикличность работы. Известно, что в ТРД процесс сжигания топлива проходит практически беспрерывно, что и обеспечивает ровную и равномерную реактивную тягу. ПуВРД работает циклично, создавая колебания внутри конструкции. Для достижения максимальной амплитуды необходимо синхронизировать колебания всех элементов, чего можно добиться путем подбора нужной длины сопла.

В отличие от прямоточного воздушно реактивного двигателя пульсирующий воздушно реактивный двигатель может работать даже на низких скоростях и находясь в неподвижном положении, то есть когда нет встречного потока воздуха. Правда, его работа в таком режиме не способна обеспечить величину реактивной тяги, необходимой для пуска, поэтому самолеты и ракеты, оснащенные ПуВРД, нуждаются в первоначальном ускорении.

Маленькое видео запуски и работы ПуВРД.

Типы ПуВРД

Кроме обычного ПуВРД в виде прямолинейного канала с входным клапаном, что описывались выше, есть и его разновидности: бесклапанный и детонационный.

Бесклапанный ПуВРД, как понятно по его названию, не имеет входного клапана. Причиной его появления и использования стал тот факт, что клапан является довольно уязвимой деталью, которая очень быстро выходит из строя. В этом же варианте «слабое звено» устранено, поэтому и срок службы мотора продлен. Конструкция бесклапанного ПуВРД имеет форму буквы U с концами, направленными назад по ходу реактивной тяги. Один канал длиннее, он «отвечает» за тягу; второй короче, по нему поступает воздух в камеру сгорания, а при горении и расширении рабочих газов часть их выходит через этот канал. Такая конструкция позволяет осуществлять лучшую вентиляцию камеры сгорания, не допускает утечки топливного заряда через входной клапан и создает дополнительную, пусть и незначительную, тягу.

без клаппаный вариант исполнения ПуВРД
без клапанный U-образный ПуРВД

Детонационный ПуВРД предполагает сжигание топливного заряда в режиме детонации. Детонация предусматривает резкое повышение давления продуктов горения в камере сгорания при постоянном объеме, а сам объем увеличивается уже при движении газов по соплу. В этом случае повышается термический КПД двигателя в сравнении не только с обычным ПуВРД, но и с любым другим двигателем. На данный момент этот тип моторов не используется, а находится на стадии разработок и исследований.

детонационный ПуРВД

Достоинства и недостатки ПуВРД, сфера применения

Основными преимуществами пульсирующих воздушно-реактивных двигателей можно считать их простую конструкцию, что тянет за собой их невысокую стоимость. Именно эти качества и стали причиной их использования в качестве силовых агрегатов на военных ракетах, беспилотных самолетах, летающих мишенях, где важны не долговечность и сверхскорость, а возможность установки простого, легкого и дешевого мотора, способного развить нужную скорость и доставить объект к цели. Эти же качества принесли ПуВРД популярность среди любителей авиамоделизма. Легкие и компактные двигатели, которые при желании можно сделать самостоятельно или же купить по приемлемой цене, прекрасно подходят для моделей самолетов.

Недостатков у ПуВРД немало: повышенный уровень шума при работе, неэкономный расход топлива, неполное его сгорание, ограниченность по скорости, уязвимость некоторых конструктивных элементов, таки как входной клапан. Но, несмотря на такой внушительный перечень минусов, ПуВРД по-прежнему незаменимы в своей потребительской нише. Они – идеальный вариант для «одноразовых» целей, когда нет смысла устанавливать более эффективные, мощные и экономичные силовые агрегаты.

Глава пятая

Пульсирующий воздушно-реактивный двигатель

На первый взгляд возможность значительного упрощения двигателя при переходе к большим скоростям полета кажется странной, пожалуй, даже невероятной. Вся история авиации до сих пор говорит о противоположном: борьба за увеличение скорости полета приводила к усложнению двигателя. Так было с поршневыми двигателями: мощные двигатели скоростных самолетов периода второй мировой войны значительно сложнее тех двигателей, которые устанавливались на самолетах в первый период развития авиации. То же происходит сейчас с турбореактивными двигателями: достаточно вспомнить о сложной проблеме увеличения температуры газов перед турбиной.

И вдруг такое принципиальное упрощение двигателя, как полное устранение газовой турбины. Возможно ли это? Как же будет приводиться во вращение компрессор двигателя, необходимый для сжатия воздуха, - ведь без такого сжатия не может работать турбореактивный двигатель?

Но так ли необходим компрессор? Нельзя ли обойтись без компрессора и как-нибудь иначе обеспечить необходимое сжатие воздуха?

Оказывается, такая возможность существует. Мало того: этого можно достичь даже не одним способом. Воздушно-реактивные двигатели, в которых применен один такой метод бескомпрессорного. сжатия воздуха, нашли даже практическое применение в авиации. Это было еще в период второй мировой войны.

В июне 1944 г. жители Лондона впервые познакомились с новым оружием немцев. С противоположной стороны пролива, с берегов Франции, на Лондон неслись небольшие самолеты странной формы с громко тарахтевшим двигателем (рис. 39). Каждый такой самолет представлял собой летящую бомбу - на нем находилось около тонны взрывчатого вещества. Летчиков на этих «самолетах-роботах» не было; они управлялись приборами-автоматами и также автоматически, вслепую пикировали на Лондон, сея смерть и разрушения. Это были реактивные самолеты-снаряды.

Реактивные двигатели самолетов-снарядов не имели компрессора, но тем не менее развивали тягу, необходимую для полета с большой скоростью. Как же работают эти так называемые пульсирующие воздушно-реактивные двигатели?

Следует отметить, что еще в 1906 г. русский инженер-изобретатель В. В. Караводин предложил, а в 1908 г. построил и испытал пульсирующий двигатель, похожий на современные двигатели этого типа.

Рис. 39. Реактивный самолет-снаряд. Свыше 8000 таких «самолетов-роботов» было выпущено гитлеровцами во время второй мировой войны для бомбардировки Лондона

Чтобы познакомиться с устройством пульсирующего двигателя, войдем в помещение испытательной станции завода, изготовляющего такие двигатели. Кстати, один из двигателей уже установлен на испытательном станке, скоро начнутся его испытания.

Снаружи этот двигатель прост - он состоит из двух тонкостенных труб, спереди - короткой, большего диаметра, сзади - длинной, меньшего диаметра. Обе трубы соединены конической переходной частью. И спереди, и сзади торцовые отверстия двигателя открыты. Это понятно - через переднее отверстие в двигатель засасывается воздух, через заднее - вытекают в атмосферу горячие газы. Но как же создается в двигателе повышенное давление, необходимое для его работы?

Заглянем в двигатель через его входное отверстие (рис. 40). Оказывается, внутри, сразу за входным отверстием, находится перегораживающая двигатель решетка. Если мы посмотрим внутрь двигателя через выходное отверстие, то увидим вдалеке ту же решетку. Ничего другого внутри двигателя, оказывается, нет. Следовательно, эта решетка заменяет и компрессор, и турбину турбореактивного двигателя? Что же это за такая «всемогущая» решетка?

Но нам сигнализируют через окно наблюдательной кабины - нужно уходить из бокса (так обычно называют помещение, в котором находится испытательная установка), сейчас начнутся испытания. Займем место у пульта управления рядом с инженером, ведущим испытания. Вот инженер нажимает пусковую кнопку. В камеру сгорания двигателя через форсунки начинает поступать топливо - бензин, который сразу воспламеняется электрической искрой, и из выходного отверстия двигателя вырывается клубок раскаленных газов. Еще клубок, еще один - и вот уже отдельные хлопки превратились в оглушительное тарахтение, слышное даже в кабине, несмотря на хорошую звукоизоляцию.

Войдем снова в бокс. Резкий грохот обрушивается на нас, как только мы открываем дверь. Двигатель сильно вибрирует и, кажется, вот-вот сорвется со станка под действием развиваемой им тяги. Из выходного отверстия вырывается струя раскаленных газов, устремляющаяся в воронку отсасывающего устройства. Двигатель быстро разогрелся. Осторожно, не положите руку на его корпус - обожжете!

Стрелка на большом циферблате прибора для измерения тяги - динамометра, установленного в помещении так, что его показания можно прочесть через окна наблюдательной кабины, колеблется около цифры 250. Значит, двигатель развивает тягу, равную 250 кг. Но понять, как работает двигатель и почему он развивает тягу, нам все же не удается. Компрессора в двигателе нет, а из него с большой скоростью вырываются газы, создавая тягу; значит, давление внутри двигателя повышено. Но как? Чем сжимается воздух?

Рис. 40. Пульсирующий воздушно-реактивный двигатель:

а - принципиальная схема; б - схема установки дефлекторов 1 и входной решетки 2 (на рисунке справа входная решетка снята); в - передняя часть двигателя; г - устройство решетки

На этот раз нам не помог бы даже и зеленый воздушный океан, с помощью которого мы раньше наблюдали за работой винта и турбореактивного двигателя. Если бы мы поместили работающий пульсирующий двигатель с прозрачными стенками в такой океан, то перед нами предстала бы такая картина. Спереди к выходному отверстию двигателя устремляется засасываемый им воздух - перед этим отверстием появляется знакомая нам воронка, которая своим узким и более темным концом обращена к двигателю. Из выходного отверстия вытекает струя, имеющая темнозеленый цвет, свидетельствующий о том, что скорость газов в струе велика. Внутри двигателя цвет воздуха по мере его продвижения к выходному отверстию постепенно темнеет, значит скорость движения воздуха увеличивается. Но почему это происходит, какую роль играет решетка внутри двигателя? Ответить на этот вопрос мы все еще не можем.

Не многим помог бы нам и другой воздушный океан - красный, к помощи которого мы прибегали при изучении работы турбореактивного двигателя. Мы убедились бы только в том, что сразу за решеткой цвет воздуха в двигателе становится темнокрасным, значит в этом месте его температура резко возрастает. Это легко объяснимо, так как здесь, очевидно, происходит сгорание топлива. Темнокрасный цвет имеет и реактивная струя, вытекающая из двигателя, - это раскаленные газы. Но почему эти газы вытекают с такой большой скоростью из двигателя, мы так и не узнали.

Может быть, загадку можно разъяснить, если воспользоваться таким искусственным воздушным океаном, который показывал бы нам, как изменяется давление воздуха? Пусть это будет, например, синий воздушный океан, причем такой, что цвет его становится тем более темносиним, чем больше давление воздуха. Попытаемся при помощи этого океана выяснить, где и как рождается внутри двигателя то повышенное давление, которое заставляет вытекать из него газы с такой большой скоростью. Но увы, и этот синий океан не принес бы нам большой пользы. Поместив в такой воздушный океан двигатель, мы увидим, что за решеткой воздух сразу густо синеет, значит он сжимается и его давление резко повышается. Но как это происходит? Ответа на этот вопрос мы все же не получим. Потом в длинной выходной трубе воздух снова бледнеет, следовательно, в ней он расширяется; благодаря этому расширению скорость истечения газов из двигателя оказывается такой большой.

В чем же все-таки заключается секрет «таинственного» сжатия воздуха в пульсирующем двигателе?

Этот секрет, оказывается, можно разгадать, если применить для изучения явлений в двигателе киносъемку «лупой времени». Если прозрачный работающий двигатель сфотографировать в синем воздушном океане, делая тысячи снимков в секунду, а затем показать получившийся фильм с обычной частотой 24 кадра в секунду, то перед нами на экране медленно развертывались бы процессы, стремительно происходящие в двигателе. Тогда нетрудно было бы понять, почему не удается рассмотреть эти процессы на работающем двигателе, - они так быстро следуют один за другим, что глаз в обычных условиях не успевает следить за ними и фиксирует лишь какие-то усредненные явления. «Лупа времени» позволяет «замедлить» эти процессы и делает возможным их изучение.

Вот в камере сгорания двигателя за решеткой произошла вспышка - впрыснутое топливо воспламенилось и давление резко повысилось (рис. 41). Такого сильного повышения давления не произошло бы, конечно, если бы камера сгорания за решеткой была непосредственно сообщена с атмосферой. Но она соединена с ней длинной, относительно узкой трубой: воздух в этой трубе служит как бы поршнем; пока происходит разгон этого «поршня», давление в камере повышается. Давление повысилось бы еще сильнее, если бы на выходе из камеры имелся какой-нибудь клапан, закрывающийся в момент вспышки. Но этот клапан был бы очень ненадежным - ведь его омывали бы раскаленные газы.

Рис. 41. Так работает пульсирующий воздушно-реактивный двигатель:

а - произошла вспышка топлива, клапана решетки закрыты; б - в камере сгорания создалось разрежение, клапана открылись; в - воздух входит в камеру через решетку и через выхлопную трубу; г - так меняется по времени давление в камере сгорания работающего двигателя

Под действием повышенного давления в камере сгорания продукты горения и еще продолжающие гореть газы устремляются с большой скоростью наружу, в атмосферу. Мы видим, как клубок раскаленных газов мчится по длинной трубе к выходному отверстию. Но что это? В камере сгорания позади этого клубка давление понизилось так же, как это происходит, например, за движущимся в цилиндре поршнем; воздух там стал светлосиним. Вот он все светлеет и, наконец, становится светлее окружающего двигатель синего океана. Это значит, что в камере создалось разрежение. Тотчас же лепестки стальных пластинчатых клапанов решетки, служащих для закрывания отверстий в ней, отгибаются под напором атмосферного воздуха. Отверстия в решетке открываются, и внутрь двигателя врывается свежий воздух. Понятно, что если входное отверстие двигателя закрыть, как это изобразил на шуточном рисунке (рис. 42) художник, то двигатель работать не сможет. Следует отметить, что похожие на тонкое лезвие безопасной бритвы стальные клапаны решетки, являющиеся единственными движущимися частями пульсирующего двигателя, обычно и ограничивают срок его службы - они выходят из строя через несколько десятков минут работы.

Рис. 42. Если прекратить доступ воздуха в пульсирующий воздушно-реактивный двигатель, то он моментально заглохнет (Можно «бороться» с самолетами-снарядами и так. Шуточный рисунок, помещенный в одном из английских журналов в связи с применением гитлеровцами самолетов-снарядов для бомбардировки Лондона)

Все дальше движется темносиний «поршень» горячих газов по длинной трубе к выходному отверстию, все больше свежего воздуха поступает через решетку в двигатель. Но вот газы вырвались из трубы наружу. Мы с трудом могли разглядеть клубки раскаленных газов в струе, когда находились в испытательном боксе, так быстро они следовали один за другим. Ночью же в полете пульсирующий двигатель оставляет за собой отчетливо видный светящийся пунктир, образованный клубками раскаленных газов (рис. 43).

Рис. 43. Такой светящийся пунктир оставляет за собой летящий ночью самолет-снаряд с пульсирующим воздушно-реактивным двигателем

Как только газы вырвались из выхлопной трубы двигателя, в нее устремился через выходное отверстие свежий воздух из атмосферы. Теперь в двигателе мчатся навстречу друг другу два урагана, два воздушных потока - один из них вошел через входное отверстие и решетку, другой - через выходное отверстие двигателя. Еще мгновение, и давление внутри двигателя повысилось, цвет воздуха в нем стал таким же синим, как и в окружающей атмосфере. Лепестки клапанов захлопнулись, прекратив этим вход воздуха через решетку.

Но воздух, поступивший через выходное отверстие двигателя, продолжает по инерции двигаться по трубе внутрь двигателя, и в трубу засасываются из атмосферы все новые порции воздуха. Длинный столб воздуха, движущийся по трубе, как поршень, сжимает воздух, находящийся в камере сгорания у решетки; цвет его становится более синим, чем в атмосфере.

Вот что, оказывается, заменяет компрессор в этом двигателе. Но давление воздуха в пульсирующем двигателе значительно ниже, чем в турбореактивном двигателе. Этим, в частности, объясняется то, что пульсирующий двигатель менее экономичен. Он расходует значительно больше топлива на килограмм тяги, чем турбореактивный двигатель. Ведь чем больше повышается давление в воздушно-реактивном двигателе, тем большую полезную работу он совершает при том же расходе топлива.

В сжатый воздух снова впрыскивается бензин, вспышка - и все повторяется сначала с частотой в десятки раз в секунду. В некоторых пульсирующих двигателях частота рабочих циклов достигает ста и более циклов в секунду. Это значит, что весь рабочий процесс двигателя: всасывание свежего воздуха, его сжатие, вспышка, расширение и истечение газов - длится около 1/100 секунды. Поэтому нет ничего удивительного в том, что без «лупы времени» нам не удавалось разобраться в том, как работает пульсирующий двигатель.

Такая периодичность работы двигателя и позволяет обойтись без компрессора. Отсюда возникло и само название двигателя - пульсирующий. Как видно, секрет работы двигателя связан с решеткой на входе в двигатель.

Но, оказывается, пульсирующий двигатель может работать и без решетки. На первый взгляд это кажется невероятным - ведь если входное отверстие не закрыть решеткой, то при вспышке газы потекут в обе стороны, а не только назад, через выходное отверстие. Однако если мы сузим входное отверстие, т. е. уменьшим его сечение, то можно добиться того, что основная масса газов будет вытекать через выходное отверстие. В этом случае двигатель все же будет развивать тягу, правда меньшую по величине, чем двигатель с решеткой. Такие пульсирующие двигатели без решетки (рис. 44, а) не только исследуются в лабораториях, но и устанавливаются на некоторых экспериментальных самолетах, как это изображено на рис. 44, б. Исследуются и другие двигатели этого же типа - в них оба отверстия, и входное и выходное, обращены назад, против направления полета (см. рис. 44, в ); такие двигатели получаются более компактными.

Пульсирующие воздушно-реактивные двигатели значительно проще турбореактивных и поршневых двигателей. В них нет движущихся частей, если не считать пластинчатых клапанов решетки, без которых, как указывалось выше, тоже можно обойтись.

Рис. 44. Пульсирующий двигатель, не имеющий решетки на входе:

а - общий вид (на рисунке показан примерный размер одного из таких двигателей); б - легкий самолет с четырьмя пульсирующими двигателями, подобными двигателю, изображенному выше; в - один из вариантов устройства двигателя без входной решетки

Благодаря простоте конструкции, дешевизне и малому весу пульсирующие двигатели находят применение в таком оружии одноразового действия, как самолеты-снаряды. Они могут сообщить им скорость 700-900 км/час и обеспечить дальность полета в несколько сот километров. Для такого назначения пульсирующие воздушно-реактивные двигатели подходят лучше любых других авиационных двигателей. Если бы, например, на описанном выше самолете-снаряде вместо пульсирующего двигателя решили бы установить обычный поршневой авиационный двигатель, то для получения той же скорости полета (примерно 650 км/час ) понадобился бы двигатель мощностью около 750 л. с. Он расходовал бы примерно в 7 раз меньше топлива, но зато был бы по крайней мере в 10 раз тяжелее и неизмеримо дороже. Следовательно, при увеличении дальности полета пульсирующие двигатели становятся невыгодными, так как увеличение расхода топлива не компенсируется при этом экономией в весе. Пульсирующие воздушно-реактивные двигатели могут найти применение и в легкомоторной авиации, на вертолетах и т. д.

Простые пульсирующие двигатели представляют большой интерес и для установки их на авиамоделях. Изготовить небольшой пульсирующий воздушно-реактивный двигатель для авиамодели под силу любому авиамодельному кружку. В 1950 году, когда в здании Академии наук в Москве, в Харитоньевском переулке, представители научно-технической общественности столицы собрались на вечер, посвященный памяти основоположника реактивной техники Константина Эдуардовича Циолковского, внимание присутствующих привлек крохотный пульсирующий двигатель. Этот двигатель для авиамодели был укреплен на небольшой деревянной подставке. Когда в перерыве между заседаниями «конструктор» двигателя, державший подставку в руках, запустил его, то громкое резкое тарахтение заполнило все углы старинного здания. Быстро разогревшийся до красного каления двигатель неудержимо рвался с подставки, наглядно демонстрируя силу, лежащую в основе всей современной реактивной техники.

Пульсирующие воздушно-реактивные двигатели так просты, что их можно с полным правом назвать летающими топками. В самом деле, установлена на самолете труба, горит в этой трубе топливо, и развивает она тягу, заставляющую лететь с большой скоростью самолет.

Однако с еще большим правом можно назвать летающими топками двигатели другого типа, так называемые прямоточные воздушно-реактивные двигатели. Если пульсирующие воздушно-реактивные двигатели могут рассчитывать лишь на сравнительно ограниченное применение, то перед прямоточными воздушно-реактивными двигателями раскрываются широчайшие перспективы; они являются двигателями будущего в авиации. Это объясняется тем, что с увеличением скорости полета выше 900-1000 км/час пульсирующие двигатели становятся все менее выгодными, так как они развивают меньшую тягу и потребляют больше топлива. Прямоточные двигатели, наоборот, наиболее выгодны именно при сверхзвуковых скоростях полета. При скорости полета в 3-4 раза большей, чем скорость звука, прямоточные двигатели превосходят любые другие известные авиационные двигатели, в этих условиях им нет равных.

Прямоточный двигатель внешне похож на пульсирующий. Он также представляет собой бескомпрессорный воздушно-реактивный двигатель, но отличается от пульсирующего принципиально тем, что работает не периодически. Через него непрерывно течет установившийся, постоянный поток воздуха, как и через турбореактивный двигатель. Как же в прямоточном воздушно-реактивном двигателе осуществляется сжатие поступающего воздуха, если в нем нет ни компрессора, как в турбореактивном двигателе, ни периодических вспышек, как в двигателе пульсирующем?

Оказывается, секрет такого сжатия связан с тем влиянием на работу двигателя, которое оказывает на нее быстро увеличивающаяся скорость полета. Это влияние играет огромную роль во всей скоростной авиации и будет играть все большую роль по мере дальнейшего увеличения скорости полета.