Почему авиационный поршневой двигатель уступил реактивному

Любой, даже мало сведущий в авиации человек знает, что время в котором мы с вами живем – это эра реактивной авиации. Поршневой авиационный двигатель с воздушным винтом хоть и не канул в лету, но позиции свои уже давно сдал. Однако далеко не все задаются вопросом: « А почему, собственно, так произошло? Чем поршневой хуже реактивного?» Ответ достаточно прост, как всегда :-).

Со времен первого полета Братьев Райт авиация совершенствовалась все ускоряющимися темпами. Очень быстро стало ясно, что для войны и армии она имеет очень большое значение. Уже в Первую Мировую пока еще примитивные самолеты достаточно активно участвовали в боевых действиях. А во Второй Мировой роль авиации была просто огромной. Одна из важнейших характеристик военного самолета (хотя в наше время не только военного :-)) – это скорость, и вполне естественно, что задача ее увеличения всегда стояла перед создателями самолетов.

Первоначально эта задача довольно успешно выполнялась. Начиная с 50-ти км/ч для первых аэропланов, она выросла уже в 20-х годах до 320 км/ч. Интересно, что в это время человек на самолете обогнал самую быструю птицу на свете – сокола-сапсана, который не летает быстрее 315-ти км/ч. А уже к началу второй мировой войны максимально достигнутая скорость была порядка 750 км/ч. И вот тут дело, так сказать, застопорилось :-). Несмотря на постоянную работу по модернизации поршневых авиационных двигателей и их движителей винтов, становилось ясно (уже в конце 30-х годов), что они близки к границе своих возможностей.

Основные причины две. Первая – это сам поршневой авиационный двигатель (точнее принцип его действия). Для лучшего понимания позволю все-таки себе привести маленькую формулу :-). Дело в том, что для любого двигателя есть такое понятие, как полезная мощность Р. Она равна произведению тяги двигателя R (создаваемой, как мы помним, воздушным винтом) на скорость движения летательного аппарата (т.е. на его перемещение в единицу времени) V: P = RV. Мощность поршневого двигателя при изменении скорости меняется мало, поэтому из формулы видно, что при увеличении скорости ( то самое, к чему мы стремимся :-)) тяга двигателя будет падать.

Однако это как раз то, что нам совсем не нужно. Ведь с ростом скорости увеличивается сопротивление воздуха и единственное, что мы можем ему противопоставить – это тяга. Надо, чтобы движок «тянул» ( иначе самолет совсем остановится))) Это сопротивление в зоне не очень больших скоростей увеличивается пропорционально квадрату скорости полета, а когда скорость полета приближается к скорости звука, то сопротивление уже растет пропорционально четвертой-шестой степени скорости полета. И для того, чтобы такое сопротивление преодолеть и далее разгонять самолет нужно мощность двигательной установки увеличивать пропорционально скорости полета в пятой-седьмой степени. Например, в околозвуковой области для того, чтобы увеличить скорость всего на 10%, нужно мощность двигателя увеличить вдвое.Но что такое мощность поршневого двигателя? Как бы не изощрялась наука и какие бы новые технологии не придумывались, в конечном итоге мощность зависит от количества цилиндров, площади поршней и т.д. То есть чем больше двигатель, тем он мощнее, а величина — это масса. А масса – это враг авиации. Зачастую при проектировании самолета идет битва чуть ли не за каждый грамм веса, особенно для истребителя. По примерным расчетам для совсем умеренной тяги в 3000 кг и средней скорости в 1000 км/ч масса авиационного поршневого двигателя составила бы примерно 15 тонн. Цифра совсем несуразная :-). Ведь, например, масса пустого истребителя СУ-27 – 16 тонн, МИГ-29, соответственно 10,9 тонны. И летают они с гораздо большей скоростью, чем 1000 км/ч. Думаю, здесь дальнейшие комментарии излишни :-)… Летать на больших скоростях с поршневым двигателем просто невозможно.

Однако считаю нужным упомянуть еще об одной причине, не напрямую, но все же касающейся нашего вопроса. Это воздушный винт. Для поршневого авиационного двигателя – это, к сожалению, единственный «преобразователь мощности в движение», то есть движитель. И у него существует такое неприятное явление, как «эффект запирания». Он выражается в том, что на больших скоростях при увеличении мощности винт уже не в состоянии увеличить тягу. Он как бы«запирается», становится «тормозом» 🙂 . Физика этого явления достаточно сложна, но по простому говоря это объясняется тем, что определенные участки лопастей (особенно близкие к концам) при увеличении скорости вращения (или же увеличении диаметра винта, что равносильно увеличению скорости вращения для концов лопастей) начинают двигаться в воздухе с около- или сверхзвуковой скоростью. А это уже аэродинамика сверхзвука, и законы в ней работают другие. Традиционный винт на таких скоростях уже не может корректно выполнять свое предназначение. Стоит сказать, что довольно давно ведутся работы по созданию сверхзвуковых винтов, но пока ощутимых практических результатов не достигнуто.Вот, пожалуй, и все. Таковы основные причины, из-за которых турбореактивный двигатель сменил поршневой и стал основой современной авиации. Произошло это главным образом из-за того, что поршневой движок проиграл «битву за вес». ТРД при одинаковой мощности несравнимо легче поршневого, и тяга его во всем диапазоне скоростей меняется вобщем–то мало, что значительно повышает его конкурентноспособность. Поршневой авиационный двигатель на малых скоростях конечно гораздо экономичнее, чем ТРД, но многолетняя практика человечества говорит о том, что коэффициент полезного действия не всегда в нашей жизни является определяющим.