Средняя степень двухконтурности

Большая степень двухконтурности

Рис. 27. Турбовентиляторные двигатели.

Второй закон Ньютона утверждает: каждому действию соответствует равное и обратно направленное противодействие. Как ракетный, так и реактивный двигатели целиком опираются на этот закон. Ракетный двигатель несет с собой и жидкое горючее, и окислитель. При сгорании горючего в камере сгорания выделяется огромное количество тепла и образуются большие объемы газа. Газ расширяется с большой скоростью и выходит из камеры сгорания наружу через единственный выход: сопло в хвостовой части ракеты. В результате значительная масса газа непрерывно выбрасывается с ускорением из хвостовой части ракеты, что можно сравнить с непрерывным потоком пуль, выстреливаемых из ружья. Каждый, кто стрелял из ружья, знаком с явлением действия и противодействия при отдаче ружья, приводящим к болезненному удару в плечо после каждого выстрела. Если бы ружье стреляло непрерывно, удар превратился бы в постоянную силу, действующую на плечо стреляющего. Эта сила и есть в чистом виде сила противодействия, или реакция на действие выталкивания пули. Подобным же образом при выталкивании массы выхлопного газа из ракетного двигателя создается реактивная сила, и именно эта реакция сообщает движение ракете.

Реактивный двигатель, в сущности, тот же ракетный двигатель, но несущий с собой не весь запас необходимого газа, а использующий окружающий газ, то есть воздух. У простого турбореактивного двигателя, как и у ракетного, имеются камеры сгорания и выхлопное сопло, через которое газы вырываются с ускорением, создавая реактивную тягу. Горячий газ образуется так же, как и в камере сгорания поршневого двигателя: к воздуху под давлением добавляется распыленное горючее и смесь зажигается. Но в турбореактивном двигателе этот процесс происходит непрерывно; для сжатия воздуха применяется компрессор — весьма сложный многолопастный, многоступенчатый осевой вентилятор. с последовательно расположенными ступенями; горючее впрыскивается в камеру непрерывно, поступая в нее одновременно со сжатым воздухом, так что после запуска двигателя зажигание осуществляется самопроизвольно и непрерывно. Для приведения в действие компрессора позади камеры сгорания устанавливается газовая турбина, которая отбирает часть энергии расширяющихся газов для вращения компрессора. Турбина похожа на обращенный вентилятор или на ветряную мельницу хитроумной конструкции; сидя на том же валу, что и компрессор, она вращает его.

Шум турбореактивного двигателя имеет несколько источников. Наибольший шум создает турбулентное перемешивание скоростной струи газа с окружающим атмосферным воздухом. Снова на сцене вихри — наши старые знакомые, и теперь мы достаточно освоились с ними, чтобы понять, каким образом струя газа производит шум. Интересно, что, создавая с помощью специального устройства поток холодного воздуха, во всех отношениях, кроме температуры, подобный струе турбореактивного двигателя, мы услышим почти такой же шум. Источники звука расположены не в сопле, а несколько ниже по течению газа, в так называемой «зоне смешения», где скоростная турбулентная струя смешивается с атмосферным воздухом. Можно было бы предположить, что стационарный турбореактивный двигатель должен производить больше шума, чем движущийся, ввиду большей скорости газового потока относительно окружающего воздуха. До известной степени это верно; однако в действительности все обстоит гораздо сложнее, и может оказаться, что во втором случае высокочастотный шум больше.

Выходящая из сопла струя излучает шум в разных направлениях с различной интенсивностью. Львиная доля шума идет назад и диаграмма направленности имеет сердцевидную форму: наибольший уровень шума наблюдается позади двигателя приблизительно под углом 40° к его оси.

На втором месте в создании шума турбореактивного двигателя стоит компрессор. Первая ступень в обычном двигателе — это венец направляющих лопаток, затем следует первая вращающаяся ступень, потом — снова чередующиеся ступени лопаток статоров и роторов. Число тех и других ступеней может доходить до пятнадцати. Взаимодействие роторов и статоров создает шум высокой частоты, сходный со звуком сирены, который, как обычно, сопровождается гармониками и излучается вперед. Это и есть тот свист, который самолет издает при посадке. Если лопасти компрессора изготовлены из обычных металлов, в них возникают резонансы, которые увеличивают шум. И, как всегда, если резонансные частоты или гармоники лопастей совпадают с частотой взаимодействия ротор — статор, шум усиливается.

Газовая турбина тоже визжит, но ее шум излучается назад и обычно перекрывается шумом струи.

Корпус — еще один излучатель шума в реактивном двигателе. Шумы, идущие изнутри, а именно шумы сгорания, шумы турбины и компрессора, проникают в корпус и вызывают его колебания, последние в свою очередь излучают шум. Но по сравнению с шумом истечения струи шум корпуса очень слаб.

В настоящее время конструкции реактивных двигателей значительно усовершенствованы, и работа в этом направлении продолжается, а первоначальные модели турбореактивных двигателей уходят в прошлое. Оказалось возможным снизить излучение источников шума этих двигателей; в новых турбовентиляторных двигателях уменьшена скорость струи газа и усовершенствован процесс смешения, В них первая ступень компрессора имеет большие размеры, и воздух обдувает корпус двигателя («двухконтурность», см. гл. 12).

Не так давно, однако, мы все смогли убедиться, что самолетные двигатели отнюдь не единственная причина шумового загрязнения среды. И действительно, совершенно «бесшумный» самолет может создать сложнейшую проблему шума, если он полетит со сверхзвуковой скоростью. «Звуковой хлопок» — новый тип шума, по сравнению с которым остальные кажутся незначительными, и он создает проблемы государственного масштаба. Что же такое «звуковой хлопок?» Когда военные самолеты впервые полетели со сверхзвуковыми скоростями, создатели многих кинофильмов того времени старались запечатлеть «преодоление звукового барьера». Летчики в защитных очках выдвигали вперед челюсть, скрежетали зубами, экран сотрясался, и капли пота сбегали у них со лба, когда, подобно Армаггедону, приближался кульминационный душераздирающий момент и они прорывались сквозь звуковой барьер. Впрочем, специалисты мне объяснили, что можно достичь числа Маха, равного 1, ничего при этом не заметив...

Рис. 28. Волны давления в воздухе при дозвуковой и сверхзвуковой скоростях движения.

На самом деле от звукового хлопка страдают люди, оставшиеся на земле. Когда твердое тело движется в воздухе, непосредственно впереди этого тела возникает повышенное давление. При скорости тела, меньшей скорости звука, это давление остается малым и только дает начало звуковым волнам, отходящим от тела (рис. 28). Но если скорость тела относительно окружающего воздуха больше скорости звука, звуковые волны не успевают отходить от тела и давление накапливается впереди тела, образуя скачок уплотнения (ударная волна) конической формы. Конус расширяется, и ударная волна в конце концов достигает земли, где воспринимается как звук хлопка или гул выстрела. Вопреки весьма распространенным представлениям звуковой хлопок возникает по следу самолета на протяжении всего времени, пока он летит со сверхзвуковой скоростью, а не только в момент «преодоления звукового барьера». Так как с увеличением высоты температура воздуха понижается во всей тропосфере, температурный градиент вызывает изгиб пути ударной волны кверху (гл. 7) и поэтому она не всегда достигает земли. Чтобы ударная волна значительной величины дошла до земли, число Маха у самолета, идущего на высоте 10 000 м, должно превышать 1,3 Ударные волны имеют N-образную форму (рис. 29); они возникают во всех точках, где форма самолета претерпевает изменения, например в местах соединения крыльев с корпусом, у обтекателей мотора, у стабилизаторов и рулей, но все эти второстепенные волны сливаются по мере распространения, так что до земли доходят только два основных удара — от носа и от хвоста, что и придает ударной волне N-образную форму. Вот почему мы слышим звуковой хлопок как два быстро следующих друг за другом удара.

Рис. 29. Звуковой хлопок.

С увеличением высоты полета интенсивность хлопка на земле уменьшается. Следует также иметь в виду, что на высотах, где летают сверхзвуковые самолеты, воздух заметно разрежен и это уменьшает амплитуду волны. Заостренная, подобно игле, форма носа сверхзвуковых самолетов, помимо всего прочего, способствует уменьшению волны давления впереди самолета.

Поиск по сайту: