«Чудо-оружие» для заклятого врага или «Юнкерсы» под серпом и молотом. История реактивного двигателя Jumo 022
Статья Хольгера Лоренца из февральского выпуска 2021 года журнала «Flugzeug Classic», посвященная истории создания турбореактивного двигателя Jumo 022 и отражающая немецкий взгляд на влияние работ немецких специалистов на советские послевоенные тяжелые бомбардировщики и мощные реактивные двигатели.
Содержание:
Предисловие редакции: Превосходный дальний стратегический бомбардировщик долгое время был несбыточной мечтой немецкой авиации. Однако с турбовинтовыми двигателями Jumo 022 реализация этой мечты была в пределах досягаемости. В конце концов, турбовинтовые двигатели в принципе не имеют ограничений по мощности, если воздушный винт способен развивать в воздухе мощность 5000 и более лошадиных сил. Об истории создания турбореактивного двигателя Jumo 022 рассказывает Хольгер Лоренц.
В 1939 году реактивный двигатель с создающей тягу струей исходящих газов произвел абсолютную революцию в понимании полета, потому что никто не мог представить себе летательный аппарат с двигателем и без воздушного винта. До сих пор умами авиаконструкторов владел пропеллер. Теперь пропеллер должен устареть? Но инженер, знакомый с термодинамикой, быстро понял, что так называемый реактивный двигатель будет иметь очень низкую эффективность, потому что, в конце концов, он выдувал из своего выходного сопла газовую смесь, которая так сильно нагревалась при очень высоких температурах. Таким образом, энергия этих горячих газов была потеряна для движения. Однако, если бы эти газы больше использовались на последующих ступенях турбины, энергия отдачи (реактивная струя) уменьшилась, но эта энергия, в свою очередь, могла бы привести в действие воздушный винт.
Этот должно было убить сразу двух зайцев: во-первых, резко снизился бы расход топлива, а во-вторых, компрессор этого оснащенного воздушным винтом двигателя работал бы все более эффективно с увеличением высоты, в отличие от поршневого двигателя, потому что с высотой в нем увеличивается перепад давления. Единственным недостатком будет ограничение скорости по сравнению с чистым реактивным двигателем – примерно до менее одного Маха. Но, впрочем, до таких быстрых самолетов было еще далеко. Ближе и важнее были большие дальности полета, короткие взлетные дистанции и максимальная скорость около 800 км/ч. Для достижения этих характеристик было достаточно турбовинтовых двигателей (т.н. пропеллерных турбин) при условии наличия соответствующих мощных воздушных винтов.
Вопрос о воздушных винтах имел центральное значение при разработке турбовинтовых двигателей. По этой причине в компании Junkers начали решать связанные с этим проблемы на ранней стадии, разрабатывая турбовинтовой двигатель 022 на базе одноконтурного турбореактивного двигателя 012 и проявляя терпение в ожидании полностью работоспособного ТРД Jumo 012. Для скорости полета до 1000 км/ч (M = 0,94) толщину лопастей пропеллера пришлось бы уменьшить до четырех-двух процентов в зависимости от профиля и используемого материала. Поскольку в компании Junkers рассматривали возможность создания боевых самолетов с турбовинтовыми двигателями, то необходимо было достичь крейсерской скорости 800 км/ч с соответствующим воздушным винтом.
На скорости 540 км/ч винты с изменяемым шагом достигают максимальной эффективности около 82 процентов. На скорости 720 км/ч эффективность пропеллеров оставалась все еще высокой и составляла 77 процентов, однако на скорости близкой к скорости звука она резко падала до 32 процентов. Для тяжелого стратегического бомбардировщика на высоте от восьми до двенадцати километров идеальная крейсерская скорость могла бы составлять 750 км/ч, а скорость ухода от цели – 900 км/ч.
С этими предпосылками Макс Лоренцен (Max Lorenzen) приступил к разработке воздушных винтов. Размышляя о конструкции будущих винтов Лоренцен сделал вывод, что для ожидаемой большой мощности на валу в районе около 4500 лошадиных сил лучше всего подходят соосные винты противоположного вращения. Во-первых, для того, чтобы иметь возможность развивать путевую скорость свыше 750 км/ч, а во-вторых, чтобы огромные крутящие моменты компенсировали друг друга. В свою очередь последнее обеспечило и другие преимущества: меньшая масса планера, снижение вибрационных нагрузок и более длительный срок службы самолета. Однако в апреле 1945 года все изменилось…
Лидер среди стран с собственным авиастроением
Для инженеров компании Junkers конец войны наступил внезапно. Заводы были захвачены, и у них больше не было работы. В этой ситуации, когда главным для сотрудников компании стал вопрос выживания, Брунольф Бааде, взял на себя инициативу и в июле 1945 года, когда в Дессау американцев сменили русские, предложил советской стороне сотрудничество. На мощностях компании Junkers ее персонал должен был завершить изготовление всех начатых самолётов и двигателей, получая взамен зарплату и хлеб, со своей стороны СССР не только получал требуемую конструкторскую документацию, но и готовые самолеты. В свою очередь сотрудники компании Junkers могли убедиться в эффективности созданных ими самолетов, чем с помощью теоретических расчетов и конструкторской документации.
Новое начало в Дессау
Советская сторона согласилась с предложением Брунольфа Бааде, и компания Junkers была преобразована в акционерное общество СССР. Теперь сотрудники компании Junkers могли продолжать работать в напряженном режиме. Самое большое внимание было уделено турбореактивному двигателю Jumo 012, поскольку данными двигателями должны были оснащаться два первых в мире самолета со стреловидным крылом: Ju 287 (отрицательная стреловидность 20 градусов) и Ju/EF 132B (положительная стреловидность 35 градусов). С этими двумя самолетами и двигателями Jumo 012 со статической тягой 3000 кгс Советский Союз мог занять лидирующее положение среди стран с собственным авиастроением. В то же самое время Jumo 012 стал отправной точкой для разработки турбовинтового двигателя 022.
Осенью 1945 года в расположенный в Дессау завод компании вновь вернулась жизнь. Вся деятельность, в том числе и связанная с авиастроением, была перенесена на защищенный завод по разработке двигателей. Советское командование требовало скорейшего завершения изготовления Ju 287, EF 126 и EF 132. Наибольшее значение придавалось самой передовой разработке EF 132 а также его двигателю Jumo 012. Истребитель-перехватчик EF 126 с пульсирующим воздушно-реактивных двигателем Argus 109 (данный двигатель использовался в Fieseler Fi 103) был скорее диковинкой. Что касается Ju 287, то эти машины могли быть легко достроены, поскольку работы над прототипами с Ju 287 V3 по Ju 287 V6 продвинулись достаточно далеко. Уже 12 августа 1946 года первый Ju 287 V1, выполняя рулежечные испытания и испытания двигателей, совершил пробежки по взлетно-посадочной полосе. Даная полоса имела длину 2510 метров и располагалась в Дессау на территории головного предприятия. Сразу после этого советская администрация приказала снова разобрать эту машину и подготовить ее к отправке по железной дороге. Летные испытания должны были проходить в СССР. Дело в том, что Дессау находился непосредственно под траекторией полета западных союзников в Берлин, которые, в свою очередь, использовали полеты для фотографирования территории завода. Позднее в Советский Союз должны были быть отправлены вторая машина и планер для статических испытаний на прочность.
Первый двигатель Jumo 012 поступил на испытания, проводившиеся на заводе Отто Мадера, в июле 1946 года. Но уже 9 августа 1946 года первый прототип V01 получил настолько серьезные повреждения, что был отправлен на свалку. Второй и третий экземпляры пришлось использовать для продолжения программы испытаний. Во время тестирования у этих двигателей также были выявлены серьезные проблемы с потоком, и частота вращения была доведена лишь до 5700 об/мин вместо 6000 об/мин – частоты вращения при полной нагрузке. В этой непростой ситуации был издан тайный приказ полностью перевести работы и немецкий персонал на территорию Советского Союза.
Переезд в Советский Союз
22 октября 1946 года около тысячи инженеров и квалифицированных рабочих компании Junkers были вынуждены собрать свои вещи и вместе с членами своих семей выехать в СССР. В результате этой злополучной акции был потерян почти год опытно-конструкторских работ, поскольку в Советском Союзе все приходилось кропотливо перепроектировать. Таким образом, сроки выпуска Ju 287 и EF 132, разумеется, резко сместились вправо, что означало, что от EF 132 B-2 было решено отказаться, а Ju 287 был вынужден прозябать в качестве летающей лаборатории для испытаний для новых советских реактивных двигателей.
Спасение для разработок компании Junkers
Разработка двигателя также зашла в тупик: сама конструкция Jumo 012 не хотела работать. К счастью, весной 1947 года к моторостроителям компании Junkers присоединился Фердинанд Бранднер. Бранднер не только разработал поршневой двигатель Jumo 222, но позднее в Мюльденштайне был техническим руководителем серийного производства реактивных двигателей Jumo 004. Вместо невезучего Альфреда Шайбе советская администрация руководителем разработки двигателя назначила Фердинанда Бранднера, и новый начальник сразу же приказал полностью перепроектировать Jumo 012, вместо того чтобы продолжать ломать голову над тем, что с этим двигателем не так. Новый двигатель, получивший обозначение Jumo 012 B (более раннему варианту было присвоено обозначение Jumo 012A), сразу стал успешным. Математик Ганс-Иоахим Шрёдер (Hans-Joachim Schröder), заслуживающий за свои работы самой неизбывной и непреходящей благодарности полностью пересчитал конструкцию компрессора и разработал новый метод расчета течения в трубе с использованием сил трения при прохождении потока через систему лопаток. Рассчитанная таким образом область характеристик нагнетания была гораздо ближе к реальности, чем при использовании метода AVA, Геттинген.
Кроме того, команда инженеров компании Junkers разработала новую камеру сгорания, которая представляла собой комбинацию отдельных камер сгорания на входе и кольцевой камеры сгорания на выходе пламени. Инженеры компании также смогли повысить эффективность двухступенчатой турбины. От расположенного в реактивном сопле двигателя тела в форме луковицы () было решено отказаться. Вместо 2750 кгс статической тяги новый Jumo 012B теперь развивал тягу 3000 кгс; масса двигателя была снижена с 2141 до 1350 килограммов, и, как показали испытания, Jumo 012B плавно проходил сквозь весь диапазон изменения частоты вращения вала. В конце 1948 года Jumo 012B был наконец готов к 100-часовым стендовым испытаниям. На тот момент это был первый реактивный двигатель, способный развивать статическую тягу 3000 кгс!
Однако что касается практического применения Jumo 012B, то этот двигатель опоздал. Программа создания дальнего бомбардировщика EF 132 B была закрыта, в воздух поднялся истребитель МиГ-15, оснащенный ТРД ВК-1 – копией британского двигателя Rolls-Royce Nene, – а на чертежных досках советских инженеров-моторостроителей уже появились двигатели, способные развивать статическую тягу 5000 кгс. Однако никто из советских конструкторов не разрабатывал турбовинтовой двигатель, и немецкие специалисты увидели в этом свой шанс, поскольку первоначальные планы использования турбовинтового двигателя в качестве силовой установки для высотных дальних бомбардировщиков. В конце 1948 года перед немецкими моторостроителями была поставлена задача приступить к разработке турбовинтового двигателя Jumo 022, способного развивать мощность 5000 э.л.с..
Гигантский бомбардировщик EF 151
Одновременно с ТВД 022 возглавляемой Брунольфом Бааде команде самолетостроителей была поставлена задача создать замену EF 132 B-2, характеристики которого уже не соответствовали требованиям времени. Брунольф Бааде и его конструкторы имели богатый опыт разработки бомбардировщиков, начиная с Ju 88 и Ju 288 и заканчивая оснащенным крылом с обратной стреловидностью Ju 287, широкофюзеляжных самолетов от G 38 до Ju 90/290 и Ju 390 и гермокабин. Задача была поставлена перед ними в тот момент, когда самый главный конкурент их заказчиков – компания Boeing – еще находился на этапе эскизного проектирования своего B-52.
Новый EF 151 должен был стать стратегическим атомным бомбардировщиком с межконтинентальной дальностью полета (минимум 7500 километров). Поскольку в то время во время испытательных полетов Ju 287 было возможно достижение максимальной скорости 930 км/ч, то критическое число маха перестало быть неизвестной величиной. Разумеется, EF 151 создавался с учетом опыта разработки EF 132 B-2. Уже на 132-м разработчики отказались от лонжеронного крыла Ju 287 и перешли к крылу монококовой конструкции. Однако, поскольку команда Брунольфа Бааде не могла помочь разработать новый станочный парк, ей пришлось сделать шаг назад и создать максимально простую конструкцию крыла. Простые Z-образные профили склепывались рядом друг с другом, поверх них укладывались гладкие листы обшивки, создавая верхнюю и нижнюю поверхности крыла. Этот простой принцип сохранился и на мясищевском М-4, но у него был большой недостаток, заключающийся в том, что крыло должно было быть оборудовано большим количеством мягких баков. У М-4 в крыле находились 25 мягких топливных баков, которые необходимо было заправлять вместо того, чтобы заливать топливо непосредственно в монококовое крыло.
Четыре варианта
Существовало как минимум четыре различных варианта EF 151. Первым вариантом был высокоплан с четырьмя микулинскими двигателями АМ-3, расположенными в корневых частях крыла, чрезвычайно тонким крылом со стреловидностью 35 градусов и отрицательным углом поперечного V, тандемным шасси и дистанционно управляемыми убирающимися турелями со спаренными пушками. Второй вариант был идентичен по конструкции, но с еще большей стреловидностью крыла – 40 или 45 градусов. Третий вариант вновь имел крыло со стреловидностью 35 градусов, но силовая установка состояла из восьми турбовинтовых двигателей Jumo 022. В этом варианте немецкие инженеры стремились обеспечить невероятную дальность полета 17000 километров при крейсерской скорости 800 км/ч и скорости ухода от цели, вероятно, более 900 км/ч. Этот третий проект вдохновил Андрея Николаевича Туполева на создание своего Ту-95. Единственное, от чего отказался Туполев, так это от тандемного расположения двигателей Jumo 022. В конце концов Туполев потребовал от немецких специалистов соединить два двигателя Jumo 022 параллельно с помощью редуктора, с которыми (спаренные двигатели 2ТВ-2Ф) в воздух поднялся первый прототип «95-1». Затем второй прототип «95-2» получил более мощные 12000-сильные турбовинтовые двигатели Jumo 022K. Параллельное соединение таких двигателей позже привело к созданию известных вертолетов Ми-6 и Ми-8.
Четвертый вариант из-за более слабых двигателей (АЛ-5 вместо АМ-3) имел два дополнительных двигателя, установленных непосредственно под внешними частями консолей крыла по типу Boeing B-47.
До EF 151 Брунольфом Бааде был разработан проект двухмоторного бомбардировщика EF 150. Эта машина имела в своей конструкции множество перспективных технических решений, которые, скорее всего, были включены в конструкцию EF 151. Во-первых, гидромеханические системы управления средствами механизации консолей крыла и хвостового оперения, которые на командных органах обеспечивали пилоту приемлемые усилия и «чувство управления» самолетом. Во-вторых, разделение рулей высоты и направления и элеронов на секции с целью предотвращения их деформации на больших скоростях полета. В-третьих, установка противовихревых тел на законцовки крыла. В-четвертых, тандемное шасси с рулевой муфтой передней стойки и руля направления. В-пятых, опускание задней опоры шасси для улучшения взлетных характеристик и, в-шестых, в качестве абсолютной новинки встроенные фюзеляжные баки с сотовым заполнителем для защиты от обстрела.
Мясищев принимает руководство программой EF 151
В октябре 1949 года группа из ста человек, возглавляемая Владимиром Михайловичнм Мясищевым, посетила подмосковный городок Подберезье чтобы ознакомиться с вариантами EF 151. Мясищев получил от советского правительства приказ на изготовление EF 151, поскольку маленький завод, на котором работали немецкие специалисты, был не в состоянии это сделать. Коллектив Мясищева уже накопил большой опыт переделки Boeing B-29 в Ту-4. По воле советского руководства EF 151 должен был стать более поздним мясищевским М-4.
В обсуждениях с командой Брунольфа Бааде вариант 1 представлялся лучшим (Туполев создавал Ту-95 с турбовинтовыми двигателями, обеспечивавшими большую дальность полета). Однако для достижения дальности полета 9000 километров EF 151 пришлось несколько увеличить до взлетной массы 190 тонн. По этой причине носовая стойка шасси была заменена на стойку, которая была идентична основной. По крайней мере в 1953 году М-4 был эквивалентным аналогом Boeing B-52, дальность полета которого изначально составляла всего 8200 километров.
Организация Junkers
С 1945 по 1952 год специалисты компании Junkers разработали для Советского Союза двадцать проектов самолетов с высокими летно-техническими характеристиками, передали для испытаний три готовых типа самолётов (EF 126, Ju-287 и EF 150) и три перспективных реактивных двигателя (Jumo 012 B, Jumo 022 в нескольких вариантах мощности и самый мощный в мире турбовинтовой двигатель Jumo 022K, сейчас известный во всем мире под обозначением НК-12 и способный развивать мощность 12000 л.с.). Все это долгое время оставалось в тени. Многие разработанные проекты, а также связанные с ними расчеты и новые элементы конструкции до сих пор остаются в значительной степени неизвестными. Случайно сохранились только EF 131, EF 132 B-2 и необычный для компании Junkers истребитель реданной схемы EF 137 с эскизами и расчетными данными о характеристиках. Вероятно, из-за того, что Брунольф Бааде ранее хранил их у знакомых где-то в Дессау, и они даже не попали в Советский Союз.
Развитие техники пошел дальше этих разработок. Но что советские инженеры помнят и сегодня, так это то, как работали немцы: самостоятельно, без центральных институтов (ЦАГИ, ЦИАМ и др.), но с собственными отделами испытаний, с самостоятельно разработанной теоретической документацией, которую они разрабатывали сами и которая переросла в заводскую библиотеку, с заводскими аэродинамическими трубами, высотными испытательными стендами, своими собственными исследовательскими отделами и так далее. У компании Junkers можно было многому научиться, поскольку до 1945 года компания была Организацией.
ЛЕТНО-ТЕХНИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ
Тип: Junkers Ju/EF 137
Назначение: истребитель
Статус: проект
Экипаж: 1 человек
Силовая установка: два ТРД Jumo 004C с тягой
• с впрыском воды – по 1200 кгс
• при 9000 об/мин – по 1050 кгс
• при 8700 об/мин – по 900 кгс
Размеры:
размах крыла 8,8 м
площадь крыла 22,5 м²
относительное удлинение крыла 3,42
лобовое сопротивление при нулевой подъёмной силе 0,39 м²
Масса:
пустого 3890 кг
топлива 2000 кг
боекомплекта 285 кг
взлетная 6405 кг
Летные характеристики:
максимальная скорость 1000 км/ч *
максимальное время полета (при 85%) 95 мин**
максимальная дальность полета 1290 км**
практический потолок 13 км
Вооружение: 1×37-мм пушка и 2×20-мм пушки
* на уровне моря
** на высоте 10 километров
Серия разработок турбореактивных и турбовинтовых двигателей компании Junkers
Уже Jumo мог привести к созданию мощного турбовинтового двигателя. «K» – это Jumo 022 с улучшенными характеристиками, который позднее прославился как Кузнецов НК-12 в составе силовых установок дальнего бомбардировщика Ту-95 и военно-транспортного самолета Ан-22
Обозначение | Jumo 004B | Jumo 012 | Jumo 012B | Jumo 022 | Jumo »K« (НК-12) |
Дата проектирования | 1939 | 1944 | 1948 | 1948 | 1950 |
Дата изготовления | 1942 | 1946 | 1948 | 1950 | 1952 |
Описание конструкции: | 1-W-PTL14Hv-3Ht | 1-W-PTL14Hv-5Ht | |||
тип | ТРД | ТРД | ТРД | ТВД | ТВД |
одновальный/многовальный | одновальный | одновальный | одновальный | одновальный | одновальный |
однопоточный/многопоточный | однопоточный | однопоточный | однопоточный | однопоточный | однопоточный |
количество ступеней компрессора | 8 | 11 | 12 | 14 | 14 |
количество ступеней турбины | 1 | 2 | 2 | 3 | 5 |
количество камер сгорания | 8 | 8 | 12 (в составе кольцевой камеры сгорания) | 12 (в составе кольцевой камеры сгорания) | 12 (в составе кольцевой камеры сгорания) |
регулировка сопла/винты | подвижный конус в сопле | подвижный конус в сопле | нерегулируемое сопло | соосные воздушные винты противоположного вращения | соосные воздушные винты противоположного вращения |
Статическая тяга, кгс | 900 | 2650 | 3000 | ||
Развиваемая мощность, э.л.с. | 5000 | 12000 | |||
Расход воздуха, кг/с | 20,9 | 63 | 59,4 | 30 | 60 |
Частота вращения, об/мин | 8700 | 6000 | 6200 | 7700 | 8250 |
Температура истекающих газов,°К | 1073 | 1023 | 1028 | 1028 | 1150 |
Степень сжатия компрессора | 3,1 | 5,47 | 5,6 | 6 | 9 |
Удельный расход, кг/кгс×ч (кг/л.с.×ч) | 1,43 | 1,24 | 1,1 | 0,32 | 0,3 |
Площадь фронтальной поверхности, м² | 0,456 | 0,91 | 0,91 | 0,86 | 1,04 |
Лобовая тяга, кгс/м² (л.с./м²) | 1973 | 3022 | 3297 | 5780 | 11538 |
Масса, кг | 720 | 2141 | 1350 | 1650 | 2350 |
Диаметр, м | 0,762 | 1,08 | 1,08 | 1,05 | 1,15 |
Длина, м | 3,8645 | 5,195 | 4,650 | 4,010 | 5,600 |
Количество, экз. | около 6000 | 2+5+? | не менее 13 | 18+? | более 1000 |
Устанавливается в самолетах | Ju 287, Me 262, Ar 234 | планировался для EF-132, МиГ-15 | не принимал участия в летных испытаниях | «95-1», Ан-8 (первый прототип), Ми-6 | Ту-95, Ту-114 |
Замечание | рабочий ресурс до 50 часов | отменен | серийного производства не было | русское обозначение НК-2М | Кодовое обозначение «K» |
Замечание рабочий ресурс до 50 часов отменен серийного производства не было русское обозначение НК-2М Кодовое обозначение «K»
Список литературы
-
-
- Lorenz, Holger: Kennzeichen Junkers -Ingenieure zwischen Faust-Anspruch und Gretchen-Frage, 324 Seiten, Druck- und Verlagsgesellschaft Marienberg, 2005.
- Lorenz, Holger: Start ins Düsenzeitalter -Der Strahlverkehr zwischen Geschwindigkeitsrausch und Kostenexplosion, 264 Sei ten, Erzdruck, 2008.
- Lorenz, Holger: Die Variante II des DDR-Jets Baade-152 — Vom abrupten Ende des letzten Junkers-Flugzeuges am 28. Februar 1961, 208 Seiten, Erzdruck, 2013.
-
ПРИЛОЖЕНИЕ
Первый реактивный стратегический. История создания бомбардировщика М-4. СССР
источник: Holger Lorenz «Technik. Jumo 022. Wunderwaffen für den Erzfeind. Junkers unter Hammer und Sichel» «Flugzeug Classic» 2021-02, Seiten 66-73
перевод впервые опубликован — https://vk.com/@710541705-chudo-oruzhie-dlya-zaklyatogo-vraga-ili-unkersy-pod-serpom-i