С вами небесный вестник

Уважаемый читатель, наверняка ты летал в своей жизни на самолетах, а даже если и не летал, то видел их, и может быть они тебе даже симпатичны, как и мне. И если так, то сегодня мы попробуем популярно разобраться в том, что заставляет их двигаться.

Итак, самые первые самолеты использовали для движения воздушный винт. Принцип его действия крайне прост - он захватывает воздух спереди самолета и отбрасывает его назад, таким образом сам он как бы отталкивается от воздуха вперед. Примерно то же самое делаем мы, когда скажем плаваем в бассейне, только с водой.

Винт может быть тянущим если расположен спереди (на большинстве самолетов именно так и сделано) или же толкающим если его установили сзади. Бывают, конечно случаи, когда у самолёта есть и тянущие и толкающие винты, но это уже экзотика (вроде самолета Максим Горький). Чем больше лопастей у винта тем больше воздуха он может «протолкнуть» за один оборот, однако и тем больше сопротивление движению такого винта. В авиации обычно используют винты с числом лопастей от 1 (да-да, однолопастной воздушный винт - такое бывает) до 8. Также на загруженность влияет шаг винта.

Шаг винта - это воображаемое расстояние, пройденное поступательно винтом, ввинчивающимся в твёрдую среду, за один полный оборот. Чем оно больше, тем больше шаг винта и, можно сказать, тем сильнее винт отталкивается от воздуха. Сначала винты изготавливались с постоянным шагом, но затем на смену им пришли винты изменяемого шага (ВИШ) (рис. 1) . И, надо сказать, винты изменяемого шага - это просто прекрасно!

Рис. 1. Винт изменяемого шага в зафлюгерованном положении.
Рис. 1. Винт изменяемого шага в зафлюгерованном положении.

Во-первых, они позволяют поддерживать оптимальным эффективность винта вне зависимости от скорости движения, во-вторых, изменять тягу винта на противоположную без изменения направления вращения винта. То есть делать реверс — то, чем винтовые самолеты тормозят после посадки. Ну и в-третьих, если у самолета в полете отказал двигатель, то изменяемый шаг позволяет зафлюгеровать винт – сделать так, чтобы при движении самолета он не вращался, таким образом очень существенно снизить его аэродинамическое сопротивление. В случае, если при отказе двигателя зафлюгеровать винт не получается, – это уже почти катастрофа. Незафлюгерованный винт будет вращаться в режиме авторотации (или не будет, что еще хуже, если его, скажем, заклинило) и создаст таким образом настолько высокое сопротивление движению самолета, что он далеко не улетит, даже если у него есть еще один вполне исправный двигатель.

На самом деле винт – это очень хороший движитель, по моему мнению вообще самый лучший, почти идеальный, однако у него есть свои минусы. И главный - это эффект запирания винта. Он возникает при больших скоростях самолета (порядка 700 км/ч) и обусловлен тем, что скорость движения воздуха, относительно концов лопастей, приближается к скорости звука. Будем надеяться, что в будущем таки изобретут сверхзвуковой винт, а пока, увы, самый быстрый самолет с винтами - это Ту-95 (рис. 2), он может развивать скорость до 950 км/ч (что меньше скорости звука, хотя скорость концов лопастей относительно воздуха у него уже сверхзвуковая). Но он уникален, и ухищрения, на которые пришлось пойти конструкторам, чтобы бороться с запиранием винта, тоже весьма непросты. Для обычных винтовых самолетов 700 км/ч - это предел.

Рис. 2. Ту-95. Самый быстрый винтовой самолёт в мире
Рис. 2. Ту-95. Самый быстрый винтовой самолёт в мире

Что же делать если хочется летать быстрее? На помощь приходит реактивное движение! Принцип действия реактивного двигателя тоже крайне прост и значительно более универсален чем у винта, потому что если винту нужна среда, от которой он может отталкиваться, то реактивному двигателю не нужно вообще ничего.

Итак, принцип крайне прост, даже кальмары понимают, как это работает, ну или пользуются им (рис 3). Все дело в законе сохранения импульса, если самолет, кальмар или лично ты, бросаешь что-нибудь назад, то возникает сила, которая двигает тебя вперед. Причем, чем больше масса того, что бросают назад и чем больше его скорость, тем больше будет сила, толкающая тебя/кальмара/самолет вперед.

Рис. 3. Принцип реактивного движения
Рис. 3. Принцип реактивного движения

Святые коти, до чего же прекрасна математика, она позволяет записать все, что я хотел сказать, в одной формуле F=d(m*v)/dt вместо двух многословных предложений, но нам нельзя, у нас тут, понимаешь, популярная статья, поэтому будем считать, что формулы вы не видели.

В этом и состоит принцип реактивного движения. Кальмар отбрасывает назад воду, а самолет и ракета - разгоряченные продукты сгорания. Так как кальмар не является самолетом - мы оставим его в покое. А вот с ракетой и самолетом разберемся подробнее. Конечно, совсем тру реактивным двигателем обладает именно ракета, там все просто - в одном баке окислитель, в другом топливо. В камере сгорания происходит воспламенение этой смеси и через сопло раскаленные продукты сгорания покидают ракету с просто гигантской скоростью, а ракета, в свою очередь, получает такой же импульс, только противоположный по направлению (рис. 4).

Рис. 4. Истекание  продуктов сгорания (рабочего тела)
Рис. 4. Истекание продуктов сгорания (рабочего тела)

Однако, так ведет себя ракета, самолеты так не делают (кроме Ме-163, БИ-1 и аналогичных аппаратов). Самолеты, как правило, используют турбореактивные двигатели. Главное отличие здесь в том, что окислитель самолет с собой не возит, а берет его из атмосферы (имеется ввиду кислород, взять из атмосферы перекись водорода или амил затруднительно). Однако просто «взять» его недостаточно, его еще нужно сжать. Конечно, можно обойтись и без сжатия и тогда у вас получится ПуВРД – Пульсреактивный двигатель, страшная хреновина, которую в принципе можно сварить самостоятельно в гараже, очень простая, но крайне неэффективно расходующая топливо. Из широкоизвестных примеров - пульсреактивные двигатели стояли на немецком самолете-снаряде ФАУ-1 (рис. 5).

Рис. 5. Пульсреактивный двигатель на самолёте-снаряде ФАУ-1.
Рис. 5. Пульсреактивный двигатель на самолёте-снаряде ФАУ-1.

Однако, нормальные реактивные двигатели все-таки предпочитают предварительно воздух сжать, что сильно повышает КПД всего процесса. И агрегат, который сжимает воздух, называется компрессор. Сжатие воздуха происходит ещё в воздухозаборнике двигателя, причем, если разогнаться до скорости порядка двух скоростей звука (около 2500 км/ч), оно будет настолько эффективным, что не потребует компрессора вовсе. На таком принципе работает прямоточный реактивный двигатель (ПВРД). Однако его особо не применяют, ведь пока самолет не разогнался до такой скорости ПВРД не может работать. Короче, пришло время смириться с необходимостью компрессора и точка!

Компрессор может быть разным, но, как правило, на современных самолетах используется осевой компрессор - это то, что мы увидим, заглянув спереди в двигатель любого пассажирского самолета. Если сильно упростить, то он представляет из себя нечто вроде серии винтов с очень большим количеством лопастей или лопаток, половина из которых вращается, а половина неподвижна. Он сжимает воздух, который подается в камеру сгорания, и туда же подается топливо. Происходит воспламенение смеси, взрыв, температура и давление резко возрастают, и раскаленные продукты сгорания стремятся куда-нибудь вырваться. Вырываться они будут через сопло, но сначала их пропустят через турбину, отнимая у них часть энергии. И, наконец, пройдя турбину, раскаленные газы добираются до сопла и улетают восвояси. Сопло делают сужающимся, чтобы увеличить скорость выброса газов (для простоты изложения, будем думать, что скорость истечения газов из сопла дозвуковая). Газы летят назад, а самолет, соответственно, вперед- порядок! (рис. 6).

Рис. 6. Схема турбореактивного двигателя.
Рис. 6. Схема турбореактивного двигателя.

Конечно, приличные современные самолеты имеют двухконтурный реактивный двигатель, который устроен сложнее, да и вообще - много деталей было опущено. О них мы еще отдельно поговорим в отдельной статье, может быть, завтра. И, если вы дочитали досюда, спасибо вам за внимание!