Двигатель-труба: вершина технологии
Труба с компрессором
Появлению турбореактивных двигателей человечество обязано двум государствам: Великобритании и Германии, каковые в течение всех 1930-х годов удачно трудились над данной проблемой. Перед Второй мировой войны войной стало ясно, что классическая поршнево-винтовая авиация подошла к собственному технологическому пределу — как по мощности, так и по скорости. Одной из альтернатив был воздушно-реактивный двигатель.
Принцип его достаточно несложен: представим себе трубу на протяжении летящего самолета; с той стороны, откуда поступает набегающий воздушное пространство, труба неспешно сужается, воздушное пространство в том месте замедляется и его давление возрастает. В данной части в него впрыскивается горючее — в большинстве случаев авиакеросин. По окончании сгорания топливовоздушной смеси раскаленные газы быстро увеличиваются и через сопло с обратной стороны трубы выбрасываются в сторону, противоположную перемещению самолета.
В принципе все легко, за исключением того, что для нужного сжатия воздуха самолет обязан лететь со скоростью, достигающей (либо превышающей) скорость звука. С этими скоростями в начале века летали разве что боеприпасы.
Теоретическое ответ также несложное: дабы двигатель получил на земле, в трубу следовало компрессором принудительно нагнетать воздушное пространство. Во второй половине 20-ых годов XX века молодому британцу Фрэнку Уиттлу пришла мысль, как все это реализовать на практике: объединить на неспециализированном валу компрессор и газовую турбину, которая и приводила бы в воздействие компрессор. За прошедшие 80 лет принципиальная схема газотурбинных двигателей не изменилась.
30 января 1930 года Уиттл подал заявку и спустя 18 месяцев взял патент на конструкцию газотурбинного двигателя (ГТД). Фактически, данный патент и дает Фрэнку Уиттлу право именоваться отцом ГТД.
Германский вопрос
Однако отчизной серийного турбореактивного двигателя суждено было стать совсем второй стране — Германии. В 1935 году германский физик Ханс-Иоахим Пабст фон Охайн взял патент на реактивную самолетную установку, складывающуюся из двухступенчатого компрессора (осевого вентилятора и расположенного за ним центробежного компрессора) и центростремительной турбины.
Такая схема в общем соответствовала изобретению Фрэнка Уиттла, но точно не известно, был ли в то время Пабст фон Охайн знаком с ним. Мысль турбореактивного двигателя витала в воздухе.
Израсходовав на постройку прототипа все собственные накопления, фон Охайн в полной мере имел возможность поделить судьбу сейчас позабытых изобретателей, если бы его университетский доктор наук не представил его Эрнсту Хейнкелю, одному из самых прогрессивных авиапромышленников середины века. Достаточно упомянуть, что компания Хейнкеля уникальная во второй половине 30-х годов двадцатого века проектировала турбореактивные и ракетные самолеты.
Через год Пабст фон Охайн изготовил для Хейнкеля первый двигатель HeS 1, а к середине 1939 года — уже готовую к установке на самолет модель HeS 3. 27 августа 1939 года взлетел He 178 — первый в мире самолет, применявший для полета энергию лишь турбореактивного двигателя. Приступив к разработке собственного двигателя на пять лет позднее Уиттла, фон Охайн поднял собственный самолет в атмосферу практически на два года раньше британца — экспериментальный Gloster E.28/39 с двигателем Уиттла Power Jets W.1 (Whittle N1) взлетел лишь 15 мая 1941 года. Обстоятельство для того чтобы резкого рывка Германии кроется в первую очередь в широкой денежной и организационной помощи авиадвигателестроения со стороны германского правительства.
Но судьба обоих изобретателей сложилась достаточно безрадостно. Не обращая внимания на то, что турбореактивный самолет Хейнкеля взлетел первым в мире, а в первой половине 40-х годов прошлого века компания создала фактически все современные типы турбореактивных двигателей, в серию не отправился ни один двигатель Хейнкеля и фон Охайна — управление рейха сделала вывод, что самолетостроительная компания обязана заниматься самолетами, покинув двигатели двигателестроителям.
По окончании того как турбореактивными двигателями действительно заинтересовалось правительство Англии и запахло солидными деньгами, дни компании Уиттла Power Jets были сочтены. По распоряжению кабмина документация на все разработки Уиттла была передана компаниям Rover, Rolls-Royсe и de Havilland, а его компания личным указом Черчилля была национализирована и преобразована в Национальный газотурбинный исследовательский центр.
Примечательно, что два легендарных изобретателя финиш собственной судьбы провели в США, так и не погасив в себе эмоции обиды, а также стали в том месте громадными приятелями. В Америке их ожидало огромное количество и всемирное признание разнообразных наград и премий, а также премия за разработку имени Чарльза Старка Дрейпера — американского эксперта в области навигационного приборостроения и аэронавтики, — которую они совместно взяли в первой половине 90-ых годов двадцатого века.
Первый серийный
Создание турбореактивного двигателя в конце 1930-х было необычным хобби германских компаний. В данной области отметились фактически все узнаваемые сейчас торговые марки: кроме уже упоминавшегося Heinkel, BMW, Daimler-Benz, Focke-Wulf, Walter а также Porsche. Однако главные лавры достались компании Junkers и ее первому в мире серийному турбореактивному двигателю 109−004 (такое вот незамысловатое наименование), устанавливаемому на первый же в мире турбореактивный самолет Me 262.
Основанная в 1913 году легендарным авиаконструктором и двигателистом Гуго Юнкерсом компания Junkers к началу 1940-х была единственной германской компанией с одинаково сильными как самолетостроительными, так и двигателестроительными промышленными мощностями и традициями. Собственные первые газотурбинные двигатели инженеры Юнкерса начали разрабатывать еще в 1935 году, но по экзотической схеме со свободнопоршневым турбокомпрессором, которая была тупиковой.
К 1938 году над проектами турбореактивных двигателей в Junkers трудилось более 30 инженеров под управлением врача Ансельма Франца. К 1939 году Франц отказался от всех разрабатывавшихся ранее схем двигателей и принялся с нуля конструировать двигатель, потом взявший обозначение Jumo 109−004.
Ансельм Франц остановился на осевом компрессоре, что если сравнивать с более распространенными в то время центробежными компрессорами снабжал более прямое прохождение нагнетаемого воздуха через двигатель и разрешал создать двигатель с меньшей лобовой площадью. Было решено применять шесть отдельных трубчатых камер сгорания вместо единой кольцевой, поскольку трубчатые камеры было несложнее разрабатывать и испытывать. Главным направлением Ансельма Франца был курс на большое упрощение конструкции кроме того в ущерб чертям, дабы не появились проблемы с серийным производством и освоением двигателя.
И данный подход себя всецело оправдал. Дело в том, что первоначально планировалось устанавливать на Me 262 более идеальный двигатель BMW 109−003. Но баварские инженеры не смогли довести двигатель к нужному сроку — вместо 1940 года он готовься к летным опробованиям лишь в октябре 1943-го. К этому времени умелые Me 262 (с 18 июля 1942 года) вовсю летали на двигателях Jumo 109−004A, каковые изначально рассматривались как резервные.
Кроме того, в июне 1943 года с фабрик Юнкерса стали выходить пускай еще и «сырые», но уже серийные двигатели Jumo 109−004 B-1. В первый раз в мире.
Трофейные разработки
В качестве трофеев союзникам досталось огромное количество двигателей Jumo 109−004 — как установленных на Me 262, так и обнаруженных захваченных фабриках. Кроме того, рядом с германскими фирмами воинов союзных армий обычно встречали целые их запчастей и свалки двигателей — компании Junkers так и не удалось до конца войны всецело довести двигатель, и большая часть продукции уходила в брак.
К взятым трофеям у союзников было неоднозначное отношение. Мнение специалистов из компании British Power Jets было категоричным: «На этом двигателе чуть ли возможно обучиться чему-либо нужному с позиций разработки газотурбинных двигателей в будущем». Для того чтобы же мнения придерживались и американцы.
СССР и Франция, не имевшие на конец войны какое количество-нибудь больших собственных разработок в данной сфере, главный акцент сделали на копирование германских силовых установок, пускай и в качестве временной, вынужденной меры. Первый французский реактивный самолет Sud-Ouest Triton, вставший в небо 11 ноября 1946 года, был оборудован именно трофейными Jumo 109−004.
СССР подошел к германскому наследию масштабнее: во второй половине 40-ых годов двадцатого века на Волгу в город ГАЗ-19 вблизи Куйбышева были полностью вывезены фабрики Юнкерса из Дессау и Бернберга вместе с германскими и австрийскими инженерами, не успевшими удрать из советской территории оккупации. Под управлением советского конструктора Н.Д. Кузнецова они организовали зимний период 1946−1947 годов выпуск двигателя РД-10 — советского клона Jumo 109−004, которым и оснащались первые советские истребители Як-15, а потом и Як-17, Як-19, Су-9 и т. д. В итоге оказалось, что на двигателях Ансельма Франца взлетел не только первый немецкий, но и первый французский и первый коммунистический самолеты.
Финиш германской эры
Не обращая внимания на поразительно успешный старт в реактивной авиации первого поколения, германские ответы предстоящего развития нигде в мире не взяли, в том числе и в Советском Альянсе. В конце Второй мировой советскому правительству чудесным образом удалось приобрести у Англии новейшие совсем тайные турбореактивные двигатели Rolls-Royce моделей Derwent и Nene, каковые были испытаны и уже на следующий год подготовлены к производству.
Двигатель Derwent копировал Завод №500, а Nene — Завод №45. Соответственно, и двигатели взяли незамысловатые заглавия РД-500 и РД-45. Усовершенствованная копия Nene носила и второе наименование — ВК-1, по имени советского конструктора, курировавшего проект, — Владимира Климова.
В ВК-1 увеличили камеры сгорания, размеры лопаток турбины и установили выходные устройства трубного вида, что содействовало большему забору воздуха.
Будущее РД-500 сложилась не через чур удачно, а вот ВК-1, серийно выпускавшийся до 1958 года, стал бестселлером с тиражом около 20 тысяч экземпляров. Он устанавливался, к примеру, на легендарных Миг-15 и Миг-17, ставших одними из самых лучших турбореактивных истребителей второго поколения в мире, что и продемонстрировали битвы в Юго-Восточной Азии. Больше в мире никто ничьих двигателей не копировал.
Все мировые гиганты пошли собственным методом.
Разнообразие видов
- Турбореактивный двигатель с центробежным компрессором
Хороший турбореактивный двигатель с осевым компрессором. Применение: МиГ-19
Двухконтурный турбореактивный двигатель. Применение: Ту-154М
Турбовентиляторный двигатель. Применение: Ил-76
Турбовинтовой двигатель.
Применение: Ту-95
Турбореактивный двигатель с центробежным компрессором
Один из самых первых типов турбореактивных двигателей. К примеру, по таковой схеме был выполнен двигатель Фрэнка Уиттла Power Jets W.1, установленный на первом британском истребителе Gloster E.28/39. Двигатель также фон Охайна HeS 3, установленный на первом в мире турбореактивном самолете He 178, также был выполнен по подобной схеме, лишь в нем кроме центробежного компрессора стояла и центростремительная турбина.
Совершенно верно такую же схему имели и двигатели Rolls-Royce Nene, прототипы первых советских серийных двигателей РД-45 (ВК-1), каковые устанавливались, к примеру, на легендарные МиГ-15. Главное преимущество центробежных компрессоров — меньшее количество подробностей. Основной недочёт — громадное поперечное сечение, которое ведет к повышенному лобовому сопротивлению воздуха. В авиации эта схема использовалась лишь на самых ранних этапах реактивного самолетостроения.
Традиционно двигатели данной схемы относят к двигателям первого поколения.
Хороший турбореактивный двигатель с осевым компрессором
Как раз по таковой схеме был выстроен первый в мире серийный турбореактивный двигатель Junkers 109−004, созданный австрийским инженером Ансельмом Францем, что в массовом порядке ставился на турбореактивные самолеты Фашисткой германии, включая истребитель Me 262. Одним из недочётов осевого компрессора если сравнивать с центробежным было то, что оптимальная скорость вращения осевого компрессора близка к скорости, на которой появляется помпаж (это вредное явление, характеризующееся происхождением пульсации давления, довольно часто ведет к остановке двигателя), причем на определенной высоте эти скорости смогут совпадать.
По таковой схеме был выстроен и коммунистический двигатель АМ-9Б конструкции ОКБ А.А. Микулина, что устанавливался на МиГ-19. Предстоящее развитие данной схемы, используемое на боевых самолетах, — появление двигателя с форсажной камерой, которая расположена между соплом и турбиной. Сжигание в форсажной камере дополнительного горючего ведет к повышению до 50% тяги двигателя, но и к сильному перерасходу горючего.
Обычный пример для того чтобы двигателя — Р-11Ф, устанавливаемый на МиГ-21.
Двухконтурный турбореактивный двигатель
Мысль сделать турбореактивный двигатель более экономичным привела инженеров-конструкторов к двухконтурной схеме, в первый раз показавшейся на экспериментальных двигателях Эрнста Хейнкеля еще в годы Второй мировой войны. У таких двигателей компрессор начинает делиться на две части: компрессоры низкого и большого давления.
По окончании прохождения через компрессор низкого давления воздушный поток разделяется на два: первый движется по простой схеме через компрессор большого давления в камеру сгорания, второй (холодный) — проходит через внешний контур и на выходе, в смесительной камере, смешивается с горячим, выходящим из турбины. В следствии понижается температура газов на выходе, значительно уменьшается шум двигателя и, основное, понижается расход горючего.
Обычный пример советских двухконтурных двигателей — семейство Д-30, созданное в пермском КБ П.А. Соловьева. Эти двигатели в различных модификациях устанавливались на такие самолеты, как Ту-134, Ту-154 и Ил-76.
В двухконтурных двигателях для боевых самолетов во внешнем контуре либо в смесительной камере размещается форсажная камера. Самый узнаваемый коммунистический двигатель этого типа, АЛ-31Ф, созданный в ОКБ имени А.М. Люльки, устанавливается на истребитель-перехватчик Су-27.
Ответственным показателем таких двигателей есть степень двухконтурности (m): отношение расхода воздуха, проходящего через внешний контур, к расходу воздуха, прокачиваемого через внутренний контур. В одноконтурном турбореактивном двигателе эта степень, соответственно, равна нулю. Двигатели с малой степенью двухконтурности (m2 — для дозвуковых пассажирских и транспортных самолетов.
Турбовентиляторный двигатель
Турбовентиляторные двигатели являются разновидностью двухконтурных турбореактивных двигателей со степенью двухконтурности от 2 до 10. В таковой схеме компрессор низкого давления напоминает более вентилятор, чем турбину, и холодный воздушное пространство фактически не смешивается с горячим. Первым русским турбовентиляторным двигателем считается ПС-90А, устанавливаемый на Ил-96 и Ту-204.
Турбовентиляторы снабжают низкий расход горючего, но имеют ограничения по скорости, исходя из этого используются в дозвуковой авиации. Существуют еще более экономичные схемы при степени двухконтурности m от 20 до 90, так именуемые турбовинтовентиляторные двигатели. Лопасти компрессора низкого давления в таком двигателе имеют саблевидную форму и более напоминают винты, чем лопатки компрессора.
Двигатели этого типа до тех пор пока по большей части представлены экспериментальными экземплярами. На Самарском национальном научно-производственном предприятии (СГНПП) «Труд» над турбовентиляторным двигателем НК-93 трудятся уже более десяти лет. Единственный турбовинтовентиляторный двигатель, дошедший до предсерийной стадии — это Д-27 разработки Запорожского КБ «Прогресс», изготовленный объединением «Мотор-Сич» для нового транспортного самолета Ан-70.
Турбовинтовой двигатель
Главное тяговое упрочнение в турбовинтовом двигателе формирует воздушный винт, соединенный через редуктор с валом турбокомпрессора. Для этого употребляется турбина с увеличенным числом ступеней, так что расширение газа в турбинах происходит полностью и лишь 10−15% тяги обеспечивается за счет газовой струи. Никакой второй турбореактивный двигатель не имеет возможности поспорить по экономичности с турбовинтовыми двигателями.
Но возможности воздушных винтов ограничивают скорости самолетов с этими двигателями 600−800 км/ч. Самый известный в мире турбовинтовой двигатель, коммунистический НК-12 с ужасной тягой в 12 000 кгс, устанавливается на стратегические бомбардировщики Ту-95, до сих пор стоящие на вооружении.
Поколения турбореактивных двигателей
В печати довольно часто оперируют понятием «поколения двигателей». Но правильной классификации, по каким параметрам относить двигатель к какому-либо поколению, нигде нет. В этих определениях путаются кроме того эксперты.
Посоветовавшись с двигателистами, мы попытались навести ясность.
К двигателям первого поколения относят германские и британские двигатели времен Второй мировой, и их клоны. К примеру, это германский Jumo 109−004, британские Rolls-Royce Derwent и Nene, коммунистический ВК-1. Отличительной изюминкой двигателей второго поколения стал осевой компрессор, форсажная регулируемый воздухозаборник и камера. Обычные примеры: американский Pratt&Whitney J48-P-6 (F-86 Sabre), французский SNECMA Atar 9C-3 (Mirage III), коммунистический Р-11Ф2С-300 (МиГ-21).
Двигатели третьего поколения характеризуются увеличенной степенью сжатия, что достигалось повышением ступеней компрессора и турбин, и возникновением двухконтурности. Технически это самые сложные двигатели. Появление новых материалов, разрешивших радикально поднять рабочие температуры, стало причиной созданию двигателей четвертого поколения. Это отечественный АЛ-31 (Су-27), американский Pratt&Whitney F100 (F-15 и F-16).
Качественный скачок аэродинамики активное управление и турбин газодинамическим циклом разрешат создать двигатели пятого поколения. Более развитая аэродинамика делает вероятным достигнуть более больших давлений при меньшем количестве ступеней в компрессоре и более компактных размерах. Предположительно Pratt&Whitney F119 (F-22 и F-35).
Коммунистический путь: ТР-1 Архипа Люльки
В СССР разработкой уникальных турбореактивных двигателей самый удачно занимался Архип Люлька, еще в апреле 1940 года запатентовавший собственную схему двухконтурного турбореактивного двигателя, позднее взявшую мировое признание. Но помощи у управления страны Люлька не отыскал, а с началом ВОВ ему по большому счету внесли предложение переключиться на танковые двигатели.
И лишь в то время, когда у немцев показались настоящие летающие самолеты с турбореактивными двигателями, Люльке было приказано в авральном порядке возобновить работы по отечественному турбореактивному двигателю ТР-1. Уже в феврале 1947 года двигатель прошел первые опробования, а 28 мая Герой Советского Союза летчик-испытатель Георгий Шиянов поднял в атмосферу реактивный самолет конструкции Павла Сухого Су-11 с первыми отечественными двигателями ТР-1 конструкции Архипа Люльки.
Причем двигатели Люльки победили в тендере против РД-10, клона Jumo 109−004. Исходя из этого историю уникальных отечественных двигателей принято отсчитывать именно с ТР-1.
Статья размещена в издании «Популярная механика» (№59, сентябрь 2007).
<
h4>