1

Рассмотрена проблема разработки импульсных детонационных двигателей. Перечислены основные научные центры, ведущие исследования по двигателям нового поколения. Рассмотрены основные направления и тенденции развития конструкции детонационных двигателей. Представлены основные типы таких двигателей: импульсный, импульсный многотрубный, импульсный с высокочастотным резонатором. Показано отличие в способе создания тяги по сравнению с классическим реактивным двигателем, оснащенным соплом Лаваля. Описано понятие тяговой стенки и тягового модуля. Показано, что импульсные детонационные двигатели совершенствуются в направлении повышения частоты следования импульсов, и это направление имеет свое право на жизнь в области легких и дешевых беспилотных летательных аппаратов, а также при разработке различных эжекторных усилителей тяги. Показаны основные сложности принципиального характера в моделировании детонационного турбулентного течения с использованием вычислительных пакетов, основанных на применении дифференциальных моделей турбулентности и осреднения уравнений Навье–Стокса по времени.

детонационный двигатель

импульсный детонационный двигатель

1. Булат П.В., Засухин О.Н., Продан Н.В. История экспериментальных исследований донного давления // Фундаментальные исследования. – 2011. – № 12 (3). – С. 670–674.

2. Булат П.В., Засухин О.Н., Продан Н.В. Колебания донного давления // Фундаментальные исследования. – 2012. – № 3. – С. 204–207.

3. Булат П.В., Засухин О.Н., Продан Н.В.. Особенности применения моделей турбулентности при расчете течений в сверхзвуковых трактах перспективных воздушно-реактивных двигателей // Двигатель. – 2012. – № 1. – С. 20–23.

4. Булат П.В., Засухин О.Н., Усков В.Н. О классификации режимов течения в канале с внезапным расширением // Теплофизика и Аэромеханика. – 2012. – № 2. – С. 209–222.

5. Булат П.В., Продан Н.В. О низкочастотных расходных колебаниях донного давления // Фундаментальные исследования. – 2013. – № 4 (3). – С. 545–549.

6. Ларионов С.Ю., Нечаев Ю.Н., Мохов А.А. Исследование и анализ «холодных» продувок тягового модуля высокочастотного пульсирующего детонационного двигателя // Вестник МАИ. – Т.14. – № 4 – М.: Изд-во МАИ-Принт, 2007. – С. 36–42.

7. Тарасов А.И., Щипаков В.А. Перспективы использования пульсирующих детонационных технологий в турбореактивных двигателя. ОАО «НПО «Сатурн» НТЦ им. А. Люльки, Москва, Россия. Московский авиационный институт (ГТУ). – Москва, Россия. ISSN 1727-7337. Авиационно-космическая техника и технология, 2011. – № 9 (86).

Проекты по детонационному горению в США включены в программу разработок перспективных двигателей IHPTET. В кооперацию входят практически все исследовательские центры, работающие в области двигателестроения. Только в NASA на эти цели выделяется до 130 млн $ в год. Это доказывает актуальность исследований в данном направлении.

Обзор работ в области детонационных двигателей

Рыночная стратегия ведущих мировых производителей направлена не только на разработку новых реактивных детонационных двигателей, но и на модернизацию существующих путем замены в них традиционной камеры сгорания на детонационную. Кроме того, детонационные двигатели могут стать составным элементом комбинированных установок различных типов, например, использоваться в качестве форсажной камеры ТРДД, в качестве подъемных эжекторных двигателей в СВВП (пример на рис. 1 - проект транспортного СВВП фирмы «Боинг»).

В США разработки детонационных двигателей ведут многие научные центры и университеты: ASI, NPS, NRL, APRI, MURI, Stanford, USAF RL, NASA Glenn, DARPA-GE C&RD, Combustion Dynamics Ltd, Defense Research Establishments, Suffield and Valcartier, Uniyersite de Poitiers, University of Texas at Arlington, Uniyersite de Poitiers, McGill University, Pennsylvania State University, Princeton University.

Ведущие позиции по разработке детонационных двигателей занимает специализированный центр Seattle Aerosciences Center (SAC), выкупленный в 2001 г. компанией Pratt and Whitney у фирмы Adroit Systems. Большая часть работ центра финансируется ВВС и NASA из бюджета межведомственной программы Integrated High Payoff Rocket Propulsion Technology Program (IHPRPTP), направленной на создание новых технологий для реактивных двигателей различных типов.

Рис. 1. Патент US 6,793,174 В2 фирмы «Боинг», 2004 г.

В общей сложности, начиная с 1992 г., специалистами центра SAC осуществлено свыше 500 стендовых испытаний экспериментальных образцов. Работы по пульсирующим детонационным двигателям (PDE) с потреблением атмосферного кислорода Центр SAC ведет по заказу ВМС США. Учитывая сложность программы, специалисты ВМС привлекли к ее реализации практически все организации, занимающиеся детонационными двигателями. Кроме компании Pratt and Whitney, в работах принимают участие Исследовательский центр United Technologies Research Center (UTRC) и фирма Boeing Phantom Works.

В настоящее время в нашей стране над этой актуальной проблемой в теоретическом плане работают следующие университеты и институты Российской академии наук (РАН): Институт химической физики РАН (ИХФ), Институт машиноведения РАН, Институт высоких температур РАН (ИВТАН), Новосибирский институт гидродинамики им. Лаврентьева (ИГиЛ), Институт теоретической и прикладной механики им. Христиановича (ИТМП), Физико-технический институт им. Иоффе, Московский государственный университет (МГУ), Московский государственный авиационный институт (МАИ), Новосибирский государственный университет, Чебоксарский государственный университет, Саратовский государственный университет и др.

Направления работ по импульсным детонационным двигателям

Направление № 1 - Классический импульсный детонационный двигатель (ИДД). Камера сгорания типичного реактивного двигателя состоит из форсунок для смешения топлива с окислителем, устройства поджигания топливной смеси и собственно жаровой трубы, в которой идут окислительно-восстановительные реакции (горение). Жаровая труба заканчивается соплом. Как правило, это сопло Лаваля, имеющее сужающуюся часть, минимальное критическое сечение, в котором скорость продуктов сгорания равна местной скорости звука, расширяющуюся часть, в которой статическое давление продуктов сгорания снижается до давления в окружающей среде, насколько это возможно. Очень грубо можно оценить тягу двигателя как площадь критического сечения сопла, умноженную на разность давления в камере сгорания и окружающей среде. Поэтому тяга тем выше, чем выше давление в камере сгорания.

Тяга импульсного детонационного двигателя определяется другими факторами - передачей импульса детонационной волной тяговой стенке. Сопло в этом случае вообще не нужно. Импульсные детонационные двигатели имеют свою нишу - дешевые и одноразовые летательные аппараты. В этой нише они успешно развиваются в направлении повышения частоты следования импульсов.

Классический облик ИДД - цилиндрическая камера сгорания, которая имеет плоскую или специально спрофилированную стенку, именуемую «тяговой стенкой» (рис. 2). Простота устройства ИДД - неоспоримое его достоинство. Как показывает анализ имеющихся публикаций , несмотря на многообразие предлагаемых схем ИДД, всем им свойственно использование в качестве резонансных устройств детонационных труб значительной длины и применение клапанов, обеспечивающих периодическую подачу рабочего тела.

Следует отметить, что ИДД, созданным на базе традиционных детонационных труб, несмотря на высокую термодинамическую эффективность в единичной пульсации, присущи недостатки, характерные для классических пульсирующих воздушно-реактивных двигателей, а именно:

Низкая частота (до 10 Гц) пульсаций, что и определяет относительно невысокий уровень средней тяговой эффективности;

Высокие тепловые и вибрационные нагрузки.

Рис. 2. Принципиальная схема импульсно-детонационного двигателя (ИДД)

Направление № 2 - Многотрубный ИДД. Основной тенденцией при разработках ИДД является переход к многотрубной схеме (рис. 3). В таких двигателях частота работы отдельной трубы остается низкой, но за счет чередования импульсов в разных трубах разработчики надеются получить приемлемые удельные характеристики. Такая схема представляется вполне работоспособной, если решить проблему вибраций и асимметрии тяги, а также проблему донного давления , в частности, возможных низкочастотных колебаний в донной области между трубами.

Рис. 3. Импульсно-детонационный двигатель (ИДД) традиционной схемы с пакетом детонационных труб в качестве резонаторов

Направление № 3 - ИДД с высокочастотным резонатором. Существует и альтернативное направление - широко разрекламированная в последнее время схема с тяговыми модулями (рис. 4), имеющими специально спрофилированный высокочастотный резонатор. Работы в данном направлении ведутся в НТЦ им. А. Люльки и в МАИ . Схема отличается отсутствием каких-либо механических клапанов и запальных устройств прерывистого действия.

Тяговый модуль ИДД предлагаемой схемы состоит из реактора и резонатора. Реактор служит для подготовки топливно-воздушной смеси к детонационному сгоранию, разлагая молекулы горючей смеси на химически активные составляющие. Принципиальная схема одного цикла работы такого двигателя наглядно представлена на рис. 5.

Взаимодействуя с донной поверхностью резонатора как с препятствием, детонационная волна в процессе соударения передает ей импульс от сил избыточного давления.

ИДД с высокочастотными резонаторами имеют право на успех. В частности, они могут претендовать на модернизацию форсажных камер и доработку простых ТРД, предназначенных опять же для дешевых БПЛА. В качестве примера можно привести попытки МАИ и ЦИАМ модернизировать таким образом ТРД МД-120 за счет замены камеры сгорания реактором активации топливной смеси и установкой за турбиной тяговых модулей с высокочастотными резонаторами. Пока работоспособную конструкцию создать не удалось, т.к. при профилировании резонаторов авторами используется линейная теория волн сжатия, т.е. расчеты ведутся в акустическом приближении. Динамика же детонационных волн и волн сжатия описывается совсем другим математическим аппаратом. Использование стандартных численных пакетов для расчета высокочастотных резонаторов имеет ограничение принципиального характера . Все современные модели турбулентности основаны на осреднении уравнений Навье-Стокса (базовые уравнения газовой динамики) по времени. Кроме того, вводится предположение Буссинеска, что тензор напряжения турбулентного трения пропорционален градиенту скорости. Оба предположения не выполняются в турбулентных потоках с ударными волнами, если характерные частоты сопоставимы с частотой турбулентной пульсации. К сожалению, мы имеем дело именно с таким случаем, поэтому тут необходимо либо построение модели более высокого уровня, либо прямое численное моделирование на основе полных уравнений Навье-Стокса без использования моделей турбулентности (задача, неподъемная на современном этапе).

Рис. 4. Схема ИДД с высокочастотным резонатором

Рис. 5. Схема ИДД с высокочастотным резонатором: СЗС - сверхзвуковая струя; УВ - ударная волна; Ф - фокус резонатора; ДВ - детонационная волна; ВР - волна разрежения; ОУВ - отраженная ударная волна

ИДД совершенствуются в направлении повышения частоты следования импульсов. Это направление имеет свое право на жизнь в области легких и дешевых беспилотных летательных аппаратов, а также при разработке различных эжекторных усилителей тяги.

Рецензенты:

Усков В.Н., д.т.н., профессор кафедры гидроаэромеханики Санкт-Петербургского государственного университета, математико-механический факультет, г. Санкт-Петербург;

Емельянов В.Н., д.т.н., профессор, заведующий кафедрой плазмогазодинамики и теплотехники, БГТУ «ВОЕНМЕХ» им. Д.Ф. Устинова, г. Санкт-Петербург.

Работа поступила в редакцию 14.10.2013.

Библиографическая ссылка

Булат П.В., Продан Н.В. ОБЗОР ПРОЕКТОВ ДЕТОНАЦИОННЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ. ИМПУЛЬСНЫЕ ДВИГАТЕЛИ // Фундаментальные исследования. – 2013. – № 10-8. – С. 1667-1671;
URL: http://fundamental-research.ru/ru/article/view?id=32641 (дата обращения: 05.03.2019). Предлагаем вашему вниманию журналы, издающиеся в издательстве «Академия Естествознания»

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.

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.

ИМПУЛЬСНЫЙ РЕАКТИВНЫЙ ДВИГАТЕЛЬ. Предлагаю на суд читателей журнала "САМИЗДАТ" еще один возможный двигатель для космических аппаратов, успешно похороненный ВНИИГПЭ в конце 1980 года. Речь идёт о заявке N 2867253/06 на "СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ИМПУЛЬСНОЙ РЕАКТИВНОЙ ТЯГИ ПРИ ПОМОЩИ УДАРНЫХ ВОЛН". Изобретатели разных стран предлагали целый ряд способов для создания реактивных двигателей с импульсной реактивной тягой. В камерах сгорания и у буферных плит этих двигателей детонационно предлагалось сжигать разные виды топлива, вплоть до взрывов атомных бомб. Моё предложение позволяло создать, своего рода двигатель внутреннего сгорания с максимально возможным использованием кинетической энергии рабочего тела. Конечно, выхлопные газы предлагаемого двигателя мало походили бы на выхлоп автомобильного мотора. Не походили бы они и на мощные струи пламени, бьющие из сопел современных ракет. Чтобы читатель мог получить представление о предложенном мной способе получения импульсной реактивной тяги, и о отчаянной борьбе автора за своё, так и не рождённое детище, ниже приводится почти дословное описание и формула заявки, (но, увы, без чертежей), а также одно из возражений заявителя на очередное отказное решение ВНИИГПЭ. Мною даже это краткое описание, несмотря на то, что прошло уже около 30 лет, воспринимается, как детектив, в котором убийца-ВНИИГПЭ хладнокровно расправляется с еще не рождённым ребёнком.

СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ИМПУЛЬСНОЙ РЕАКИВНОЙ ТЯГИ

ПРИ ПОМОЩИ УДАРНЫХ ВОЛН. Изобретение относится к области реактивного двигателестроения и может быть использовано в космической, ракетной и авиационной технике. Известен способ получения постоянной или пульсирующей реактивной тяги путём преобразование различных видов энергии в кинетическую энергию движения непрерывной или пульсирующей струи рабочего тела, которое выбрасывают в окружающую среду в направлении противоположном направлению получаемой реактивной тяги. Для этого широко применяют химические источники энергии, одновременно являющиеся и рабочим телом. В этом случае преобразование источника энергии в кинетическую энергию движения непрерывной или пульсирующей струи рабочего тела в одной или нескольких камерах сгорания с критическим (уменьшенным) выходным отверстием, переходящим в расширяющееся коническое или профилированное сопло (смотри, например, В.Е. Алемасов: "Теория ракетных двигателей", стр. 32; М.В. Добровольский: "Жидкостные ракетные двигатели", стр. 5; В. Ф. Разумеев, Б. К. Ковалёв: "Основы проектирования ракет на твёрдом топливе", стр. 13). Наиболее распространённой характеристикой, отражающей экономичность получения реактивной тяги, служит удельная тяга, которую получают отношением тяги к секундному расходу топлива (смотри, например, В.Е. Алемасов: "Теория ракетных двигателей", стр. 40). Чем выше удельная тяга, тем меньше требуется топлива для получения одной и той же тяги. В реактивных двигателях, использующих известный способ получения реактивной тяги с применением жидких топлив, данная величина достигает значения более 3000 нхсек/кг, а с применением твёрдых топлив -- не превышает 2800 нхсек/кг (смотри М. В. Добровольский: "Жидкостные ракетные двигатели, стр.257; В. Ф. Разумеев, Б.К. Ковалёв: "Основы проектирования баллистических ракет на твёрдом топливе", стр. 55, таблица 33). Существующий способ получения реактивной тяги неэкономичен. Стартовая масса современных ракет, как космических, так и баллистических на 90% и более состоит из массы топлива. Поэтому любые способы получения реактивной тяги, увеличивающие удельную тягу, заслуживают внимания. Известен способ получения импульсной реактивной тяги при помощи ударных волн путём последовательных взрывов непосредственно в камере сгорания или около специальной буферной плиты. Способ с применением буферной плиты реализован, например, в США в экспериментальном устройстве, которое летало за счёт энергии ударных волн, получаемых при последовательных взрывах зарядов тринитротолуола. Устройство было разработано для экспериментальной проверки проекта "Орион". Указанный выше способ получения импульсной реактивной тяги не получил распространения, так как он оказался не экономичным. Усреднённая удельная тяга, согласно литературному источнику, не превышала 1100 нхсек/кг. Это объясняется тем, что более половина энергии взрывчатого вещества в данном случае сразу уходит вместе с ударными волнами, не участвуя в получении импульсной реактивной тяги. Кроме того, значительная часть энергии ударных волн, бьющих по буферной плите, тратилась на разрушение и на испарение аблирующего покрытия, пары которого предполагалось использовать в качестве дополнительного рабочего тела. К тому же буферная плита значительно уступает камерам сгорания с критическим сечением и с расширяющимся соплом. В случае создания ударных волн непосредственно в таких камерах, образуется пульсирующая тяга, принцип получения которой не отличается от принципа получения известной постоянной реактивной тяги. Кроме того, прямое воздействие ударных волн на стенки камеры сгорания или на буферную плиту требует их чрезмерного усиления и специальной защиты. (Смотри "Знание" N 6, 1976 год, стр. 49, серия космонавтика и астрономия). Целью данного изобретения является устранение указанных недостатков путём более полного использования энергии ударных волн и значительного уменьшения ударных нагрузок на стенки камеры сгорания. Поставленная цель достигается тем, что преобразование источника энергии и рабочего тела в последовательные ударные волны происходит в небольших детонационных камерах. Затем ударные волны продуктов горения тангенциально подаются в вихревую камеру вблизи от торцевой (передней) стенки и закручиваются с большой скоростью внутренней цилиндрической стенкой относительно оси этой камеры. Возникающие при этом колоссальные центробежные силы, усиливают сжатие ударной волны продуктов горения. Суммарное давление этих мощных сил передаётся и на торцевую (переднюю) стенку вихревой камеры. Под воздействием этого суммарного давления ударная волна продуктов горения разворачивается и по винтовой линии, с увеличивающимся шагом, устремляется в сторону сопла. Всё это повторяется при вводе в вихревую камеру каждой очередной ударной волны. Так образуется основная составляющая импульсной тяги. Для еще большего увеличения суммарного давления, образующего основную составляющую импульсной тяги, тангенциальный ввод ударной волны в вихревую камеру вводят под некоторым углом к её торцевой (передней) стенке. С целью получения дополнительной составляющей импульсной тяги в профилированном сопле также используют давление ударной волны продуктов сгорания, усиленное центробежными силами раскрутки. С целью более полного использования кинетической энергии раскрутки ударных волн, а также для устранения крутящего момента вихревой камеры относительно её оси, появляющегося в результате тангенциальной подачи, раскрученные ударные волны продуктов горения перед выходом из сопла подают на профилированные лопатки, которые направляют их по прямой линии вдоль оси вихревой камеры и сопла. Предлагаемый способ получения импульсной реактивной тяги при помощи закрученных ударных волн и центробежных сил раскрутки был проверен в предварительных экспериментах. В качестве рабочего тела в этих экспериментах служили ударные волны пороховых газов, получаемых при детонации 5 -- 6 г дымного промыслового пороха N 3. Порох помещался в трубке, заглушенной с одного конца. Внутренний диаметр трубки был 13 мм. Своим открытым концом она ввёртывалась в тангенциальное резьбовое отверстие в цилиндрической стенке вихревой камеры. Внутренняя полость вихревой камеры имела диаметр 60 мм и высоту 40 мм. На открытый торец вихревой камеры поочерёдно насаживались сменные сопловые насадки: коническая сужающаяся, коническая расширяющаяся и цилиндрическая с внутренним диаметром равным внутреннему диаметру вихревой камеры. Сопловые насадки были без профилированных лопаток на выходе. Вихревая камера, с одной из перечисленных выше сопловых насадок, устанавливалась на специальном динамометре сопловой насадкой вверх. Пределы измерения динамометра от 2 до 200 кг. Так как реактивный импульс был очень краток (около 0,001 сек), то фиксировался не сам реактивный импульс, а сила толчка от получившей движение суммарной массы вихревой камеры, сопловой насадки и подвижной части конструкции самого динамометра. Эта суммарная масса составляла около 5 кг. В зарядную трубку, выполнявшую в нашем эксперименте роль детонационной камеры, набивалось около 27 г пороха. После поджигания пороха с открытого конца трубки (со стороны внутренней полости вихревой камеры) сначала происходил равномерный спокойный процесс горения. Пороховые газы, тангенциально поступая во внутреннюю полость вихревой камеры, закручивались в ней и, вращаясь, со свистом выходили вверх через сопловую насадку. В этот момент динамометр не фиксировал никаких толчков, но пороховые газы, вращаясь с большой скоростью, воздействием центробежных сил давили на внутреннюю цилиндрическую стенку вихревой камеры и перекрывали себе вход в неё. В трубке, где продолжался процесс горения, возникали стоячие волны давления. Когда пороха в трубке оставалось не более 0,2 от первоначального количества, то есть 5 --6 г, происходила его детонация. Возникающая при этом ударная волна, через тангенциальное отверстие, преодолевая центробежное давление первичных пороховых газов, врывалась во внутреннюю полость вихревой камеры, закручивалась в ней, отражалась от передней стенки и, продолжая вращаться, по винтовой траектории с увеличивающимся шагом устремлялась в сопловую насадку, откуда вылетала наружу с резким и сильным звуком, подобным пушечному выстрелу. В момент отражения ударной волны от передней стенки вихревой камеры пружина динамометра фиксировала толчок, наибольшая величина которого (50 --60 кг) была при применении сопловой насадки с расширяющимся конусом. При контрольных сжиганиях 27 г пороха в зарядной трубке без вихревой камеры, а также в вихревой камере без зарядной трубки (тангенциальное отверстие заглушалось) с цилиндрической и с конической расширяющейся сопловой насадкой, ударная волна не возникала, так как в этот момент постоянная реактивная тяга была меньше предела чувствительности динамометра, и он её не фиксировал. При сжигании этого же количества пороха в вихревой камере с конической сужающейся сопловой насадкой (сужение 4: 1) фиксировалась постоянная реактивная тяга 8 --10 кг. Предлагаемый способ получения импульсной реактивной тяги, даже в описанном выше предварительном эксперименте, (с неэффективным промысловым порохом в качестве топлива, без профилированного сопла и без направляющих лопаток на выходе) позволяет получить усреднённую удельную тягу около 3300 нхсек/кг, что превышает значение данного параметра у лучших ракетных двигателей, работающих на жидком топливе. При сравнении же с приведённым прототипом предлагаемый способ позволяет также значительно уменьшить вес камеры сгорания и сопла, а, следовательно, и вес всего реактивного двигателя. Для полного и более точного выявления всех преимуществ предлагаемого способа получения импульсной реактивной тяги необходимо уточнение оптимальных соотношений между размерами камер детонации и вихревой камеры, необходимо уточнение оптимального угла между направлением тангенциальной подачи и передней стенкой вихревой камеры и т. д., то есть, необходимы дальнейшие эксперименты с выделением соответствующих средств и с привлечением разных специалистов. ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ. 1. Способ получения импульсной реактивной тяги при помощи ударных волн, включающий применение вихревой камеры с расширяющимся профилированным соплом, преобразование источника энергии в кинетическую энергию движения рабочего тела, тангенциальную подачу рабочего тела в вихревую камеру, выброс рабочего тела в окружающую среду в направлении обратном направлению получаемой реактивной тяги, отличающийся тем, что с целью более полного использования энергии ударных волн, преобразование источника энергии и рабочего тела в последовательные ударные волны производят в одной или нескольких детонационных камерах, затем ударные волны посредством тангенциальной подачи закручивают в вихревой камере относительно её оси, отражают в закрученном виде от передней стенки и образуют тем самым импульсный перепад давления между передней стенкой камеры и соплом, который создаёт основную составляющую импульсной реактивной тяги в предлагаемом способе и направляет ударные волны по винтовой траектории с увеличивающимся шагом в сторону сопла. 2. Способ получения импульсной реактивной тяги при помощи ударных волн по п. 1 отличающийся тем, что с целью увеличения импульсного перепада давления между передней стенкой вихревой камеры и соплом, тангенциальную подачу ударных волн производят под некоторым углом в сторону передней стенки. 3. Способ получения импульсной реактивной тяги при помощи ударных волн по п. 1 отличающийся тем, что для получения дополнительной импульсной реактивной тяги, в вихревой камере и в расширяющемся профилированном сопле используют давление центробежных сил, возникающих от раскрутки ударных волн. 4. Способ получения импульсной реактивной тяги при помощи ударных волн по п. 1 отличающийся тем, что с целью полного использования кинетической энергии раскрутки ударных волн для получения дополнительной импульсной реактивной тяги, а также устранения крутящего момента вихревой камеры относительно её оси, возникающего при тангенциальной подаче, раскрученные ударные волны перед выходом из сопла подают на профилированные лопатки, которые направляют их по прямой линии вдоль общей оси вихревой камеры и сопла. В государственный комитет СССР по делам изобретений и открытий, ВНИИГПЭ. ВОЗРАЖЕНИЕ НА ОТКАЗНОЕ РЕШЕНИЕ ОТ 16.10.80 ПО ЗАЯВКЕ N 2867253/06 НА "СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ИМПУЛЬСНОЙ РЕАКТИВНОЙ ТЯГИ ПРИ ПОМОЩИ УДАРНЫХ ВОЛН". Изучив отказное решение от 16.10.80, заявитель пришёл к выводу, что экспертиза мотивирует свой отказ о выдаче авторского свидетельства на предлагаемый способ получения реактивной тяги отсутствием новизны (противопоставляется патент Великобритании N 296108, кл. F 11,1972), отсутствием расчёта тяги, отсутствием положительного эффекта по сравнению с известным способом получения реактивной тяги из-за возрастание потерь на трение при развороте рабочего тела и из-за снижения энергетических характеристик двигателя в результате применения твёрдого топлива. На вышеизложенное заявитель считает необходимым ответить следующее: 1. На отсутствие новизны экспертиза ссылается впервые и противоречит сама себе, так как в этом же отказном решении отмечается, что предложенный способ отличается от известных тем, что ударные волны закручиваются вдоль оси вихревой камеры.... На абсолютную же новизну заявитель и не претендует, что доказывается приведённым в заявке прототипом. (Смотри второй лист заявки). В противопоставленном британском патенте N 296108, кл. F 11, 1972, судя по приведённым данным самой экспертизы, продукты горения выбрасываются из камеры сгорания через сопло по прямому каналу, то есть закрутка ударных волн отсутствует. Следовательно, в указанном британском патенте способ получения реактивной тяги в принципе ничем не отличается от известного способа получения постоянной тяги и не может противопоставляться предлагаемому способу. 2. Экспертиза утверждает, что величину тяги в предлагаемом способе можно рассчитывать и ссылается при этом на книгу Г. Н. Абрамовича "Прикладная газовая динамика", Москва, Наука, 1969, стр. 109 -- 136. В указанном разделе прикладной газовой динамики даются методы расчёта прямых и косых скачков уплотнения во фронте ударной волны. Прямыми скачки уплотнения называются, если их фронт составляет прямой угол с направлением распространения. Если же фронт скачка уплотнения располагается под некоторым углом "а" к направлению распространения, то такие скачки называются косыми. Пересекая фронт косого скачка уплотнения, газовый поток меняет своё направление на некоторый угол "w". Величины углов "а" и "w" зависят в основном от числа Маха "М" и от формы обтекаемого тела (например, от величины угла клиновидного крыла самолёта), то есть "a" и "w" в каждом конкретном случае являются величинами постоянными. В предлагаемом способе получения реактивной тяги скачки уплотнения во фронте ударной волны, особенно в начальный период её пребывания в вихревой камере, когда воздействием на переднюю стенку создаётся импульс реактивной силы, являются переменными косыми скачками. То есть фронт ударной волны и газовые потоки в момент создания реактивного импульса тяги непрерывно меняют свои углы "a" и "w" по отношению и к цилиндрической, и к передней стенкам вихревой камеры. Кроме того, картина усложняется наличием мощных центробежных сил давления, которые в начальный момент воздействуют и на цилиндрическую, и на переднюю стенки. Следовательно, указанный экспертизой метод расчёта не годится для расчёта сил импульсной реактивной тяги в предлагаемом способе. Не исключено, что метод расчёта скачков уплотнения, приведённый в прикладной газовой динамике Г. Н. Абрамовича, послужит отправной базой для создания теории расчёта импульсных сил в предлагаемом способе, но, согласно положению об изобретениях, в обязанности заявителя разработка подобных теорий пока еще не входит, как не входит в обязанности заявителя и постройка действующего двигателя. 3. Утверждая о сравнительной неэффективности предлагаемого способа получения реактивной тяги, экспертиза игнорирует результаты, полученные заявителем в его предварительных экспериментах, а ведь данные результаты были получены с таким неэффективным топливом, как промысловый порох (смотри пятый лист заявки). Говоря о больших потерях на трение и на разворот рабочего тела экспертиза упускает из виду, что основная составляющая импульсной реактивной тяги в предлагаемом способе возникает почти сразу в тот момент, когда ударная волна врывается в вихревую камеру, потому что входное тангенциальное отверстие расположено около её передней стенки (смотри в заявке фиг. 2), то есть в этот момент время движения и путь скачков уплотнения сравнительно невелики. Следовательно, и потери на трение в предлагаемом способе не могут быть большими. Говоря же о потерях на разворот, экспертиза упускает из виду, что именно при развороте ударной волны, как относительно цилиндрической стенки, так и относительно передней стенки в направлении оси вихревой камеры появляются мощные центробежные силы, которые, суммируясь с давлением в скачках уплотнения, и создают тягу в предлагаемом способе. 4. Необходимо также отметить, что ни в формуле заявки, ни в её описании заявитель не ограничивает получение импульсной реактивной тяги только за счёт твёрдых топлив. Твёрдое топливо (порох) заявитель использовал только при проведении своих предварительных экспериментов. На основании всего вышеизложенного заявитель просит ВНИИГПЭ еще раз пересмотреть своё решение и направить материалы заявки на заключение в соответствующую организацию с предложение провести проверочные эксперименты и только после этого решать, принимать или отклонять предложенный способ получения импульсной реактивной тяги. ВНИМАНИЕ! Автор всем желающим за отдельную плату вышлет по электронной почте фотографии испытаний, описанной выше, экспериментальной установки импульсного реактивного двигателя. Заказ следует сделать по адресу: e-mail: [email protected]. При этом не забудьте сообщить свой электронный адрес. Фотографии будут высланы на ваш электронный адрес сразу, как только вы почтовым переводом вышлите 100 рублей Матвееву Николаю Ивановичу на Рыбинское отделение Сбербанка России N 1576, Сбербанка России АО N 1576/090, на лицевой счёт N 42306810477191417033/34. МАТВЕЕВ, 19.11.80

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.

Из книги Танк, обогнавший время автора Вишняков Василий Алексеевич

Глава пятая. Гвадалахара, Гвадалахара…По дороге на службу майор Сурин старался не думать о предстоящих служебных делах. Он предпочитал поразмышлять о чем-нибудь более приятном - о женщинах, например. Вспоминал частенько тех из них, в которых когда-то влюблялся или мог бы

Из книги Загадка булатного узора автора Гуревич Юрий Григорьевич

ГЛАВА ПЯТАЯ СТАРЫЕ ЗНАКОМЫЕ Пусть человек пользуется прошедшими веками как материалом, на котором возрастает будущее… Жан Гюйо Наследники булата Холодное оружие давно потеряло ценность, а с ним ушли в прошлое и булаты. Еще раз подчеркнем: в сравнении с высокопрочными и

Из книги НЕТ автора Маркуша Анатолий Маркович

Глава пятая В бледно-синей бездонности яркого, солнечного неба белые вензеля инверсии. Пролетел по прямой – и след словно вытянут по линейке, прям и растекается медленно-медленно, неохотно, будто тает. Выписал вираж, и след – кольцо, громадное, курящееся кольцо, тихонько

Из книги Стрелковое оружие России. Новые модели автора Катшоу Чарли

Из книги Линейный корабль автора Перля Зигмунд Наумович

ГЛАВА ПЯТАЯ ГРАНАТОМЕТЫ С самого момента своего появления гранатометы стали важной неотъемлемой частью основного арсенала пехотинца. Их история началась с отдельных установок, таких, как американский гранатомет М-79; со временем появились гранатометы, устанавливаемые

Из книги Новые космические технологии автора Фролов Александр Владимирович

Глава пятая ЛИНКОРЫ В БОЮ Подвиг „Славы" етом 1915 года немцы наступали по побережью Балтики на территории нынешней Советской Латвии, подошли к начальным, южным излучинам Рижского залива и… остановились. До сих пор их Балтийский флот, свободно черпавший крупные силы из

Из книги Ракетные двигатели автора Гильзин Карл Александрович

Глава 1 Реактивный принцип в замкнутой системе Зададимся простым вопросом: на нашей планете постоянно в движении находятся миллиарды людей, машин и т. п. Все они двигаются реактивным методом, отталкиваясь от поверхности планеты. Каждый из нас движется по дороге в нужном

Из книги Джордж и сокровища вселенной автора Хокинг Стивен Уильям

Как устроен и работает жидкостно-реактивный двигатель Жидкостно-реактивные двигатели применяются в настоящее время в качестве двигателей для тяжелых ракетных снарядов противовоздушной обороны, дальних и стратосферных ракет, ракетных самолетов, ракетных авиабомб,

Из книги Тайна песчинки автора Курганов Оскар Иеремеевич

Глава пятая Джордж так устал за этот долгий день, что чуть не уснул, пока чистил зубы. Покачиваясь, он вошёл в комнату, которую ему предстояло делить с Эмметом. Тот сидел за компьютером и возился со своим тренажёром, запуская один за другим космические корабли.- Эй,

Из книги Сердца и камни автора Курганов Оскар Иеремеевич

Глава пятая Легко сказать - бежать. Побег надо подготовить, продумать, учесть все мельчайшие детали. В случае провала их ждет неминуемая смерть. Комендант лагеря объявил: каждый, кто попытается бежать из лагеря, будет повешен вниз головой.И каждый день на лагерном плацу

Из книги Мост через время автора Чутко Игорь Эммануилович

Глава двадцать пятая Хинт вернулся из Ленинграда в Таллин молчаливым и грустным. Это случалось с ним редко за последнее время, но теперь он задумался над своей жизнью, окружающими его людьми. В поезде, на вокзале, на берегу моря, где он сидел и молчал, Хинт не переставал

Из книги Как стать гением [Жизненная стратегия творческой личности] автора Альтшуллер Генрих Саулович

Глава пятая В шестидесяти километрах от Таллина, на торфяных болотах, немецкие фашисты создали во время войны «лагерь смерти» - люди здесь умирали от голода, болезней, истощения, от нечеловеческих пыток и страшного произвола. Узники лагеря добывали торф, а брикеты его

Из книги автора

Глава двадцать пятая Лехт вернулся из Ленинграда в Таллин молчаливым и грустным. Это случалось с ним редко за последнее время, но теперь он задумался над своей жизнью, над окружающими его людьми. В поезде, на вокзале, на берегу моря, где он сидел и молчал, Лехт не переставал

Из книги автора

Глава пятая После перерыва с содокладом выступил Петр Петрович Шилин. Высокий, худой, с впалыми щеками и каким-то сероватым цветом кожи, он производил впечатление человека болезненного. Но, пожалуй, единственный недуг, которым страдал Шилин, относился к его научным

Из книги автора

Глава пятая 1И вот – первые после войны известия о Гроховском: в книгах М.Н. Каминского и И.И. Лисова, в нескольких журнальных статьях и очерках. Кроме того, по заданию президиума Федерации парашютного спорта авторитетная комиссия написала доклад о зарождении и развитии

Из книги автора

Глава пятая Подлинная человечность, или авантюра самоотречения Разработка по теме качеств творческой личности впервые была начата летом 1984 года в ходе работы конференции по ТРИЗ в рамках СО АН СССР. В первой разработке по выявлению качеств приняли участие Г.С.