ОРУЖИЕ

 Начальник лаборатории поднимает голову от бумаг, обводит глазами комнату. Потом встает и с несколько смущенным видом подходит к инженеру, сидящему у окна. Мне не слышно, о чем они говорят, но по их жестам и мимике я понимаю, что начальник просит выполнить какую-то неприятную работу, а инженер решительно отказывается.

- ... Вы же знаете мои сроки, долетает до меня. - ...Каждая минута на счету... А тут занимайся этим бредом...

- Ну почему же обязательно бред... Ведь случается иногда... Нельзя зажимать изобретателей...

- Их зажмешь, как же! восклицает инженер. - Они сами кого хочешь зажмут. - Потом незаметно кивает в мою сторону.

 Начальник вздыхает и направляется ко мне.

- Вот пожалуйста. Нужно написать отзывы на изобретения. Просили к завтрашнему утру.

 Я работаю всего второй месяц - мне отказываться не положено. Поморщившись, начинаю разбирать оставленные бумаги. Примитивные чертежи каких-то фантастических двигателей. Пояснения, написанные от руки на листках в косую линейку. Грамматические ошибки.

 Эти изобретения - творчество любителей техники. Среди авторов: пенсионеры и школьники, водители автобусов и певцы, матросы дальнего плавания и очень редко - инженеры. Все они посылают свои идеи в Государственный комитет по изобретениям. Все, что относится к газовым турбинам, Комитет пересылает в нашу лабораторию в Центральном котлотурбинном институте на отзыв. Почему-то особенно густой поток изобретений бывает весной.

 Даже мне, начинающему специалисту, с первого взгляда ясно, что все присланное совершенно нереально. Больше всего мне хочется написать на каждом листке это самое словечко: «бред». Но так нельзя. Надо по каждому составить сжатый и ясный отзыв, объяснить, почему «бред». А это вовсе нелегко. Когда-то, например, предлагали запрягать в воздушный шар дрессированных голубей! Попробуйте в двух словах доказать, что это невозможно.

 Я сижу час, другой. Мои соседи уходят на обед, возвращаются с обеда. Заглядывают через мое плечо.

 Вот уж действительно, слышу я сочувственные реплики. - Верно говорится, что один дурак может задать такой вопрос, что сто умных не ответят.

 Конечно, приятно числить себя среди умных. Но отзывы написать все же необходимо. То, что я так долго вожусь с ними, говорит лишь о том, что у меня самого мысль еще слишком разбросана, что я не умею сразу взглянуть в корень и выявить ошибку. С другой стороны, ведь бывает среди изобретений одно из тысячи, из десяти тысяч, заслуживающее того, чтобы автору был выдан патент. Новые идеи! Ох, как они нужны во всякой молодой, развивающейся отрасли техники. И уж конечно, в нашей, в газотурбостроении.

 Ведь оно существует всего лишь тридцать лет.

 «На решение проблемы газовой турбины уже затрачена громадная умственная работа, и не только изобретателями и учеными, но и производственными фирмами; для развития этого типа машин принесены также громадные финансовые жертвы, но пока не достигнуто никакого практического результата».

 Так написала в 1934 году наша Техническая энциклопедия.

 Конечно, это не значило, что газовые турбины к тому времени вообще не существовали. Принцип их работы был давно известен: подавать на лопатки турбины не сжатый пар, а сжатый воздух. Продукты сгорания (газы) будут обтекать турбинные лопатки и вращать вал машины, а уж от вала вращение можно передать чему угодно - электрическому генератору, колесам локомотива, пропеллеру или винту корабля.

 Однако построить газовую турбину, которая могла бы соперничать с машинами иных типов, никак не удавалось.

 В малых мощностях господствовали двигатели внутреннего сгорания. Они были компактны, легки в запуске, потребляли мало топлива. В энергетике соперничать с паровой турбиной было почти невозможно: ее коэффициент полезного действия перевалил к тому времени за 30% и продолжал возрастать. Лучшие же газотурбинные установки едва достигали 15%. Кто же при таком соотношении КПД станет колебаться в выборе машины для электростанции? Конечно, всякий разумный человек предпочтет паровую турбину. Ведь электростанция в этом случае будет выдавать ту же мощность, расходуя вдвое меньше топлива.

 Для увеличения КПД газовой турбины было лишь одно средство: поднимать температуру газа перед лопатками. Если бы ее удалось повысить, скажем, до 1500 С, паровые турбины остались бы далеко позади. Но при таких температурах металл отказывается служить. Даже самая жаростойкая сталь теряет свою прочность, «ползет», деформируется. И в первую очередь не выдерживают турбинные лопатки, находящиеся при вращении все время под действием мощных центробежных и изгибающих сил.

 Каких только проектов не предлагали изобретатели всего мира для охлаждения турбинных лопаток - воздухом, водой, даже жидким натрием! Изобретения рассматривались, лучшие из них включались в патентные справочники, но дело не двигалось с места. Осуществить все эти идеи не удавалось. Знаменитый словацкий ученый и инженер Аурель Стодола (1859 - 1942), всю свою жизнь посвятивший турбинам, сумел построить в 1940 году лучшую по тому времени ГТУ (газотурбинную установку) из жаропрочных сталей, выдерживавших 600 - 650 С. Но и у этой установки КПД достигал всего лишь 18%.

 Судьбы машин иногда напоминают судьбы людей. Бывает, что кого-нибудь с детства готовят в музыканты, мучают уроками, расстраиваются, когда ничего не выходит, не замечают отсутствия способностей и наконец добиваются своего: выпускают в свет еще одного плохого музыканта, который, быть может, мог бы стать отличным шофером или врачом.

 Нечто похожее происходило и с газовой турбиной.

 Пока все требовали от нее КПД и только КПД, она оставалась нелюбимой падчерицей энергетики, от которой никто не мог добиться проку. Тех достоинств, которые были скрыты в ней, не замечали. Ведь для того, чтобы они проявились, нужно было затратить много времени на специальные исследования и, конечно же, денег. А вдруг все пропадет зря? Никто не хотел рисковать.

 «Заморским принцем», раскрывшим достоинства этой «падчерицы», явилась авиация.

 В борьбе за скорость самолетостроители постепенно заходили в тупик. Им нужны были все более и более мощные моторы, а они уже почти исчерпали все возможности поршневых двигателей внутреннего сгорания. Чем мощнее мотор, тем больше его вес и размеры, тем труднее самолету лететь с ним. Лишняя мощность уходила на преодоление избыточного сопротивления воздуха, появлявшегося при увеличении размеров, - никакого приращения скорости не получалось. Потолок полета тоже был достигнут. Забраться выше, где разреженный воздух меньше сопротивлялся бы полету, не удавалось именно потому, что мотор начинал «задыхаться» в разреженном воздухе на больших высотах. Нужен был двигатель принципиально иной конструкции.

 Тут-то и явилась на сцену газовая турбина.

Реактивный истребитель ЯК-15

 Когда первые самолеты с турбореактивными двигателями появились на наших аэродромах, летчики с недоверием поглядывали на машину, у которой вместо привычного пропеллера спереди зияло черное отверстие.

- Неужели эта дырка полетит? - спрашивали они друг у друга.

 Но она полетела. Да как!

 Произошел один из самых стремительных переворотов в технике ХХ века.

 За какие-нибудь пять послевоенных лет почти все мировое самолетостроение перешло с двигателей внутреннего сгорания на двигатель газотурбинный. О низком КПД уже никто не говорил - этот недостаток полностью затмевался блеском преимуществ, раскрывшихся только в воздухе. Газовая турбина может служить эмблемой современной авиации даже с большим правом, чем пропеллер.

 При всем многообразии газотурбинных двигателей, используемых сейчас на самолетах, основная схема их остается всюду одна и та же.

 На одном валу закреплены турбина и компрессор. Компрессор служит для сжатия воздуха, для повышения давления, то есть выполняет примерно ту же роль, что насос, подающий воду в котел паротурбинной установки. Вот пилот нажал кнопку «пуск» - стартер начинает вращать вал. Вращение пока слабое, недостаточное для того, чтобы воздух начал поступать в камеры сгорания. Теперь можно пустить топливо. Вспыхивает искра, и сразу мощные факелы зажигаются во всех камерах. С ревом устремляется поток горячего воздуха на лопатки турбины и начинает вращать ее диск. Стартер больше не нужен он автоматически отключается. Турбина сама вращает компрессор. Самолет некоторое время не двигается с места идет прогрев двигателей. Но вот дано разрешение на взлет. Пилот прибавляет расход топлива - шум моторов резко возрастает. Теперь уже на вращение компрессора тратится лишь часть энергии сжатого и нагретого воздуха. Значительная часть этой энергии, не будучи израсходованной на лопатках турбины, остается в виде высокой температуры и давления газов, находящихся за турбиной. Она-то и обеспечит реактивную тягу двигателя.

 С огромной скоростью вырывается из выходного сопла в атмосферу плотная струя воздуха. Ее реактивная сила все возрастает, пилот прибавляет топливо, растут обороты турбокомпрессорного вала. И вот под действием реактивных сил самолет страгивается с места и, стремительно набирая скорость, устремляется вперед по взлетной полосе. Через несколько минут гул его моторов, постепенно удаляясь, доносится уже с неба.

 Какие же достоинства позволили газотурбинному двигателю добиться такого стремительного успеха?

 Во-первых, огромная мощность при небольших размерах.

 И в поршневом и в турбореактивном двигателе полезную работу производит воздух, нагретый сгоревшим в нем топливом. Чем больше воздуха пропускать через двигатель за одну секунду, тем больше можно сжечь топлива, тем выше будет мощность. Но в поршневой двигатель воздух проникает с трудом: через узкие щели клапанов много не пропустишь. В турбореактивном же через широкие промежутки между турбинными лопатками воздух несется сплошным потоком в огромном количестве.

 Во-вторых, при огромной мощности ничтожно малый вес двигателя. Так как давление внутри двигателя относительно невелико (не больше десяти атмосфер), корпус можно делать довольно тонким. Вообще все детали выглядят почти ажурными.

 В-третьих, способность хорошо работать на больших высотах (даже лучше, чем на низких). Ведь стоит только увеличить обороты вала, и компрессор начнет засасывать больше воздуха, чтобы компенсировать его разреженность.

 В-четвертых, увеличение мощности, а значит и размеров двигателя, почти не увеличивает его лобовое сопротивление.

 Поначалу это кажется совершенной нелепостью. Но дело в том, что входное отверстие турбореактивного двигателя - не просто круглая труба. Внутри оно сделано расширяющимся. Форма расширения рассчитана и испытана в аэродинамической лаборатории. Благодаря этой форме скоростной напор встречного воздуха превращается в давление. Входное сопло как бы берет на себя часть работы компрессора. От этого необходимая работа турбины уменьшается, и больше энергии топлива остается для реактивной струи. Турбореактивный двигатель, в отличие от двигателя внутреннего сгорания, умеет использовать напор встречного потока воздуха.

 Есть, конечно, и недостатки. С ними идет упорная борьба.

 Действительно, оставляет желать лучшего КПД. Огромное количество тепловой энергии выбрасывается из выходного отверстия прямо в атмосферу вместе с отработанными газами. Пользы от этих газов уже никакой, если не считать красивых следов, которые мы часто видим на небе. Поэтому там, где очень большая скорость не нужна, начали использовать турбовинтовые двигатели - ТВД. В таких двигателях на вал турбины насаживается не только компрессор, но и обычный пропеллер. Энергия топлива, которая раньше использовалась в реактивном сопле, теперь тратится на вращение пропеллера. Самолет летит не так быстро, зато тратит меньше горючего. А малый вес двигателей и способность лететь на большой высоте - это все у ТВД остается.

 Другой путь повышения КПД - все то же увеличение температуры газов перед лопатками турбины. Уже созданы стали, позволяющие выдерживать 800 С, а для турбины с коротким сроком службы до 950. Подняться выше можно было бы при помощи искусственного охлаждения. Но как подвести охлаждающую жидкость или газ к лопаткам, вращающимся с бешеной скоростью в самой сердцевине огненного потока? Быть может, делать их полыми и подавать охлаждающий воздух внутрь? Или давать ему вытекать из щелей на поверхности лопатки? Или высверливать внутри отверстия от корня до верхушки и заполнять их жидкостью?

 Проблема искусственного охлаждения - одна из самых злободневных в газотурбостроении. Однако, если вам, ребята, и придут какие-нибудь идеи по этому поводу, не спешите посылать их в Государственный комитет по изобретениям. Помните, что над охлаждением сейчас работают десятки лучших специалистов в лабораториях разных институтов. Вряд ли вы так с ходу сможете предложить что-нибудь такое, чего бы они не рассмотрели, не обдумали и не опробовали со всех сторон.

 С введением газотурбинных двигателей скорость самолетов резко подскочила. Но при всех замечательных свойствах этого двигателя авиация не смогла бы уйти далеко вперед, если бы аэродинамика не помогла ей преодолеть новую, смертельно опасную преграду - так называемый звуковой барьер.