В погоне за скоростью (часть I)
В погоне за скоростью
История авиации характеризуется непрекращающейся борьбой за повышение скорости полета самолетов. Первый официально зарегистрированный мировой рекорд скорости, установленный в 1906 году, составлял всего 41,3 километра в час. К 1910 году скорость лучших самолетов возросла до 110 километров в час. Построенный на Русско-Балтийском заводе еще в начальный период первой мировой войны самолет-истребитель РБВЗ-16 обладал максимальной скоростью полета — 153 километра в час. А к началу второй мировой войны уже не отдельные машины — тысячи самолетов летали со скоростями, превышавшими 500 километров в час.
Один из самых скоростных предвоенных самолетов — истребитель МиГ-3
Из механики известно, что мощность, необходимая для обеспечения движения самолета, равна произведению силы тяги на его скорость. Таким образом, мощность растет пропорционально кубу скорости. Следовательно, чтобы увеличить скорость полета винтомоторного самолета в два раза, необходимо повысить мощность его двигателей в восемь раз. Это ведет к возрастанию веса силовой установки и к значительному увеличению расхода горючего. Как показывают расчеты, для удвоения скорости самолета, ведущего к увеличению его веса и размеров, нужно повысить мощность поршневого двигателя в 15…20 раз, но примерно с уровня скорости полета 700…800 километров в час и по мере приближения ее к скорости звука сопротивление воздуха увеличивается еще более резко. Кроме того, коэффициент полезного действия воздушного винта достаточно высок лишь при скоростях полета, не превышающих 700–800 километров в час. С дальнейшим ростом скорости он резко снижается. Поэтому, несмотря на все старания авиаконструкторов, даже у лучших самолетов-истребителей с поршневыми моторами мощностью 2500–3000 лошадиных сил максимальная скорость горизонтального полета не превышала 800 километров в час.
Для освоения больших высот и дальнейшего увеличения скорости был нужен новый авиационный двигатель, тяга и мощность которого с увеличением скорости полета не падали бы, а возрастали. И такой двигатель был создан. Это – авиационный реактивный двигатель.
Изобретение реактивного авиационного двигателя предопределило резкий скачок в развитии авиации. Новые самолеты с реактивными силовыми установками были значительно быстрее и мощнее своих аналогов, оснащенных поршневыми авиамоторами.
Реактивный двигатель позволил самолетам преодолеть звуковой барьер, что было практически неосуществимо при использовании поршневых авиамоторов. Современные реактивные самолеты способны двигаться со скоростями, в несколько раз превышающими скорость звука.
В наш век бурного развития авиации мы часто забываем, что все достигнутое в последние годы в области создания авиационных силовых установок является в основном результатом воплощения очень старых идей — их практического применения на базе более высокого уровня развития техники.
Считается, что первые реактивные самолеты поднялись в воздух около 70 лет тому назад. Однако это не совсем так: сама идея самолета с реактивным двигателем насчитывает более полутора веков, а впервые реактивная тяга оторвала самолет от взлетной полосы … в 1910 г.
Первый реактивный самолет "Коанда-1910"
Однако только в 30-х годах настоящего столетия реактивные двигатели стали серьезно рассматриваться как основные силовые установки для самолетов. Реактивные двигатели нельзя приписать одному изобретателю, их создание является результатом исследований и экспериментов, начатых одновременно и независимо в ряде стран. Тем не менее история первого реактивного самолета начинается с того, что румынскому инженеру Анри Коанда в 1910 году удалось создать и испытать самолет Coanda-1910 на котором стоял мотокомпрессорный воздушно-реактивный двигатель.
Мотокомпрессорный ВРД – двигатель, у которого для привода компрессора используется поршневой двигатель. Воздух входит через специальное отверстие в передней части фюзеляжа в трубу переменного сечения, где поджимается компрессором, который приводится в движение поршневым авиамотором, одновременно выполняющим функцию камеры сгорания. Затем поток сжатого воздуха омывает этот поршневой мотор воздушного охлаждения и несколько нагревается. Перед поступлением в камеру сгорания воздух смешивается с выхлопными газами от этого мотора. В дополнительной (форсажной) камере сгорания, куда впрыскивается топливо, в результате его сжигания температура воздуха повышается еще больше. Газовоздушная смесь, вытекающая из сопла в хвостовой части фюзеляжа, создает реактивную тягу этой силовой установки. Площадь выходного сечения реактивного сопла регулируется посредством конуса, способного перемещаться вдоль оси сопла.
Идея мотокомпрессорного двигателя принадлежит нашему соотечественнику инженеру Горохову, а уже чуть позже, независимо от него, такую же идею высказал французский инженер Рене Лорэн (Lorin), который в 1908 г. предложил конструкцию своего двигателя.
Реактивный двигатель — это двигатель, создающий необходимую для движения силу тяги путём преобразования исходной энергии в кинетическую энергию реактивной струи рабочего тела; в результате истечения рабочего тела из сопла двигателя образуется реактивная сила в виде реакции (отдачи) струи, перемещающая в пространстве двигатель и конструктивно связанный с ним аппарат в сторону, противоположную истечению струи. В кинетическую (скоростную) энергию реактивной струи в реактивном двигателе могут преобразовываться различные виды энергии (химическая, ядерная, электрическая, солнечная). Реактивный двигатель (двигатель прямой реакции) сочетает в себе собственно двигатель с движителем, т. е. обеспечивает собственное движение без участия промежуточных механизмов, например таких, как воздушный винт.
Хотя создатель первого реактивного самолета Анри Коанда по образованию был инженером-артиллеристом, он больше интересовался проблемами воздухоплавания. В 1905 году он сконструировал самолёт для румынской армии. В 1907—1908 годах он продолжил обучение в Институте Монтефиори в Льеже, где познакомился с Джанни Капрони. В 1908 году Коанда вернулся в Румынию для прохождения службы офицером во Втором артиллерийском полку. Однако вскоре он обратился за разрешением выйти в отставку, и, после получения разрешения, совершил автомобильный рейд в Исфахан и далее в Тибет. По возвращении в Европу поступил в Париже во вновь открывшуюся Высшую национальную школу инженеров и авиаконструкторов (сейчас Высшая национальная школа авиации и космоса). В 1910 году он закончил её, став первым в своём классе и получив специальность авиаконструктора.
При поддержке инженера Гюстава Эйфеля и математика и пионера авиации Поля Пенлеве, Коанда начал эксперименты по аэродинамике. В 1910 году в мастерской Джанни Капрони Коанда сконструировал первый прототип реактивного самолёта — самолет Coandа-1910 с мотокомпрессорным двигателем — и представил его на Втором воздухоплавательном салоне в Париже. Самолёт использовал четырёхцилиндровый 50-сильный бензиновый мотор Clerget, нагнетавший воздух в две камеры сгорания, расположенные по бокам фюзеляжа, в которых воздух смешивался с топливом и сгорал, создавая реактивную тягу. Коанда запатентовал эту технологию во Франции в 1910 году и в Великобритании и Швейцарии в 1911 году (В некоторых источниках информация о работе Анри Коанда (Coanda), дает несколько другое наименование аэроплана, оснащенного реактивной установкой – "Турбо-Пропульзер" (Turbo-Propulseur).
МкВРД самолета "Соанда-1910" тягой 220 кГс
Аппарат совершил свой первый и последний полёт в октябре 1910, при огромном стечении публики (ранее в этом же месяце Коанда продемонстрировал своё изобретение на Парижском авиасалоне). За штурвалом находился сам конструктор. Для защиты хвоста от выхлопа двигателя Коанда применил закругленные дефлекторы. В полете дефлекторы отклонили пламя из двигателя на хвост самолёта. Хвостовое оперение сгорело, и потерявший управление самолёт врезался в амбар. По легенде Коанда тогда впервые обратил внимание на это явление, названное впоследствии "эффектом Коанда". К сожалению, дальнейшие работы по самолету были прекращены, автор сосредоточился на разработке обычных самолетов и исследованиях открытого им явления.
Идея создания пульсирующих воздушно-реактивных двигателей (ПуВРД) была запатентована в 1906 г. русским инженером В.В. Караводиным, а год спустя француз Марконне (Marconnet) сформулировал основную идею и приобрел патент на реактивный двигатель с внешним компрессором. В 1913 году, незадолго до Первой мировой войны, во французском журнале "Ле Аэрофиль" (Le Aerophile) появилась статья инженера Рене Лорэна (Lorin). Он описывал гипотетический летательный аппарат с двигателем, не имевшим каких-либо движущихся частей и состоявшим из впускного диффузора с примыкающей камерой сгорания и следующим за ней реактивным соплом. Рене Лорэн предположил, что скорость такого самолета будет лежать за пределами звукового барьера. В то время такое предположение выглядело фантастическим; сегодня же это устройство, известное как прямоточный воздушно-реактивный двигатель (ПВРД), находит широкое практическое применение в виде форсажной камеры сгорания в сочетании с турбореактивным двигателем (ТРД). В 1944 году немецкий инженер профессор Ойген Зенгер (Eugen Sänger) предложил подобное усовершенствование для двигателей Me 262, в результате чего их мощность могла кратковременно повышаться.
В 1916 году еще один француз Огюст Рато (Rateau) создал турбокомпрессор. Устройство представляло собой турбину, которая приводилась в действие выхлопными газами. Использовалось оно поначалу в качестве высотного воздушного нагнетателя с поршневым двигателем. Разработки Рато "довел до ума" американец д-р Стэнли Мосс (Moss). 19 июня 1918 года двигатель "Либерти" с "турбокомпрессором доктора Мосса" на соответствующей высоте показал повышенную мощность – 366 л.с. вместо обычных 230 л.с. Стоит отметить, что компрессор реактивного двигателя Jumo 004 производства фирмы Юнкерс также появился в результате исследовательских работ над турбокомпрессором для поршневого двигателя.
И, наконец, в 1921 году изобретение состоялось окончательно: опять-таки во Франции Максим Гийом (Guillaume) подал заявку на получение патента на двигатель, который обладал всеми признаками современной турбореактивной силовой установки. Гийом поместил камеру сгорания между ступенчатым компрессором и многоступенчатой турбиной. Струя нагретого воздуха, вырываясь из камеры, приводила в движение турбину и связанный с ней турбокомпрессор. Правда, на рисунке патента нельзя рассмотреть реактивное сопло; возможно, Гийом предполагал построить двигатель, известный сегодня под названием "турбовинтовой". Таким образом, уже к 20-м годам XX века появилась (пока еще в форме патентов) возможная альтернатива поршневым авиационным моторам. В Германии была сделана попытка построить реактивный двигатель еще одного вида – ракетный. Основываясь на работах Макса Валье (Valier), Александр Липпиш (Lippisch) разработал самолет типа "утка", оснащенный твердотопливным ракетным двигателем (ТТРД) или, проще говоря, пороховым двигателем пиротехника Зандера (Sander). 11 июня 1928 года в районе Рена Фрицу Штамеру (Stamer) удалось осуществить первый пилотируемый полет на ракетоплане. Правда, очень скоро выяснилось, что ракетный двигатель в соединении с планером не имеет никаких преимуществ перед поршневым мотором, и до сих пор область применения ракетного двигателя в авиации ограничивается лишь несколькими специальными областями.
В Англии в середине 20-х годов XX в. реактивным двигателем занимался А.А. Гриффит (Griffith) из управления RAF (Королевских воздушных сил). А в 1930 году офицер британских ВВС Фрэнк Уиттл (Whittle) подал заявку на изобретение турбореактивного двигателя и получил патент за номером 347206, однако его проект поначалу также не был замечен.В середине 30-х годов XX в. явно обозначился кризис винтовой авиации. С 30 сентября по 6 октября 1935 года в Риме под председательством Алессандро Вольта (Volta) проходил международный конгресс "Высокая скорость в авиации" ("Le alte velocite in aviazione"). Этот так называемый "Конгресс Вольта" представлял собой научную конференцию по вопросам о возможностях сверхзвуковых самолетов. На нем, среди прочего, профессор Адольф Буземанн (Busemann) в качестве средства для уменьшения сопротивления при высоких скоростях предложил свой проект стреловидного крыла. Но главное, на этой конференции каждому ученому стало ясно, что самолету с поршневым двигателем никогда не удастся перешагнуть звуковой барьер.А всего лишь через месяц после конгресса, 10 ноября 1935 года, доктор наук Геттингенского университета Ганс Йоахим Пабст фон Охайн (von Ohain) получил секретный патент за номером 317/38 на турбореактивный двигатель, который он разработал еще в период своего обучения. В апреле 1936 года авиапромышленник Эрнст Хейнкель приглашает фон Охайна к себе и обеспечивает его всем необходимым для успешной работы.
Схемы ТРД из патентов Ф. Уиттла и Г. фон Охайна
Не умаляя роли передовых промышленных стран, таких как Германия и Англия, следует отметить достойный вклад русских ученых и инженеров в создание и развитие авиационной газотурбинной техники.
Основополагающими теоретическими разработками в области реактивного движения и лопаточных машин были еще дореволюционные труды ученых И.В. Мещерского, Н.Е. Жуковского, К.Э. Циолковского. К началу XX века относятся первые проекты ГТД русских инженеров: П. Кузьминского (1900 г.), В. Караводина (1906 г.), Н. Герасимова (1909 г.), А. Горохова (1911 г.), М. Никольского (1914 г.). Изготовление опытного турбовинтового (турборакетного) двигателя мощностью 160 л.с. по проекту М. Никольского было начато в 1914 году на Русско-Балтийском заводе для замены немецкого поршневого двигателя «Аргус» мощностью 140 л.с. на самолете «Илья Муромец». 22 мая 1919 г. в ЦАГИ создано винтомоторное отделение во главе с инженером-механиком Б.C. Стечкиным. Уже в 1929 г. Б.C. Стечкин разработал и опубликовал теорию BPД, получившую всеобщее признание в нашей стране и за рубежом.
B 1923 г. инженер-конструктор B.И. Базаров подал заявку на вполне современную схему одновального ТPД с центробежным компрессором. В 1925 г. преподаватели МBТУ Н.Р. Бриллинг и B.B. Уваров обосновали возможность создания мощного авиационного ТBД.
Конструктивная схема ТРД: а – М.Н. Никольского, б – В.И. Базарова
В Великобритании в марте 1936 года основывается фирма "Пауэр Джетс лтд."; цель предприятия – строительство газовой турбины для летательного аппарата по проекту Фрэнка Уиттла. В то же время в магдебургском филиале фирмы "Юнкереc Моторенверке Дессау АГ" профессор Герберт Вагнер (Wagner) излагает свои предложения относительно реактивного двигателя, а в Мюнхене на фирме "БМВ" и ее филиале в Шпандау специалисты приступают к разработке проектов таких двигателей. Успех будет достигнут, но только к концу войны. В середине марта 1937 года фон Охайн и его сотрудники испытывают модель двигателя на водородном топливе – НеS 2. Конструктор Хейнкель увеличивает темпы разработок. Его цель — скорейшая постройка и испытания реактивного самолета.
Англичанин Фрэнк Уиттл не отстает от немцев: 12 апреля 1937 года он проводит первое испытание своей конструкции. А третьими в этом ряду стали французы Сансо де Лаво (Sensaud de Lavaud) и Бруне (Brunet), которые на своем небольшом опытном двигателе добились силы тяги в 100 кгс. Но начало войны и скорое поражение Франции помешало завершению работы. Что касается других стран, то в 1937 году их было не слишком много: точнее, только в Советском Союзе А.М. Люлька занимался созданием осевого турбореактивного двигателя, его работы также прекратились с началом войны в 1941 году, и только в августе 1945 года первый советский реактивный двигатель был построен. Таким образом, во второй половине 1930-х годов авиаконструкторы ведущих авиационных держав не только обратили, наконец, более пристальное внимание на идею реактивного двигателя, но и приступили к практическим разработкам этой идеи на самолетах.
Ракетоплан Heinkel He.176
Хейнкель He.176 — немецкий реактивный самолёт. Первый в мире самолёт, приводившийся в движение лишь жидкостным реактивным двигателем. Пилотируемый Эрихом Варзитцем (Erich Warsitz), он совершил свой первый полёт 20 июня 1939 года около Варнемюнде. Реактивный самолёт был частным проектом компании «Хейнкель», её директор Эрнст Хейнкель делал акцент на развитие высокоскоростных технологий. Работа над He.176 не была особо выдающейся, но заложила основные принципы развития ракетной техники. Он был оснащен сбрасываемой носовой частью.
Переход к реактивным двигателям действительно был революционным событием в военной авиации. Кризис поршневого мотора наметился уже в 30-е гг. Рекордные самолеты тех лет наглядно продемонстрировали "потолок" развития поршневой авиации. Увеличение мощности двигателя не приводило к пропорциональному увеличению скорости, давая прирост скорости всего на 50–60 км/час. Рекордный самолет Bf.109 V13 11 ноября 1937 г. достиг средней скорости 610,95 км/час.
Полтора года спустя – 30 марта 1939 г. – творение фирмы "Эрнст Хейнкель АГ" Не.100 V8 превысил это достижение более чем на 130 км/час, достигнув 746,606 км/час. Вилли Мессершмитт поднял эту перчатку, и в предпоследний месяц, когда было еще актуально регистрировать рекорды – в июле 1939 г., рекордный Me.209 V1 летал со скоростью 755,14 км/час. Рекордных скоростей удавалось достичь только резким наращиванием мощности двигателя. Мотор DB-601R-III, установленный на "Bf.109V13", развивал мощность 1700 л. с., a DB-601R-V на двух других самолетах – 2770 л. с.
Расчеты показали, что для одноместного истребителя, развивающего скорость 1000 км/час, необходим мотор мощностью 12 200 л. с.! Только масса самого двигателя составила бы свыше шести тонн, а вес всей машины – 15 тонн. Проблема была в резко снижающемся на больших скоростях КПД винта. Альтернативой винту была реактивная тяга. Это было понятно еще в то время, когда в бой шли бипланы и самолеты с гофрированной обшивкой. Поэтому задолго до Второй мировой войны началась гонка за создание боевого реактивного самолета. Уже в конце 1938 г. Вилли Мессершмитт получил официальный контракт на истребитель с реактивным двигателем.
Первый в мире летавший турбореактивный самолёт He.178
Заметим, что в 1938 г. не существовало ни одного летающего реактивного самолета, а опытный реактивный двигатель HeS 2A Ханса фон Охайна развивал на стенде «могучую» тягу в 80 кг. Только год спустя в воздух поднялся первый в истории летающий реактивный самолет – одноместный Не.178, оснащенный двигателем HeS 3B с тягой 510 килограммов. Первый исторический полет состоялся в пять утра в воскресенье, 27 августа 1939 г. Он был засекречен настолько, что итальянцы, подняв в воздух в августе 1940 г. реактивный самолет "Капрони-Кампини", громко заявили о своем приоритете в создании реактивной авиации на весь мир.
Компоновка самолета Caproni-Campini N.1
Однако итальянский самолет был реактивным в современном понимании этого слова весьма условно. Компрессор, нагнетавший воздух в камеры сгорания, приводился в действие поршневым мотором, а не газовой турбиной. По тому же пути пытались идти в СССР. Самолет И-250 ОКБ Микояна и Гуревича, а также Су-5 ОКБ Сухого оснащались двигателем ВК-107Р с приводом на воздушный винт и компрессор реактивного двигателя.
Компоновка истребителя И-250
Но для военных самолетов, тем более тогда, это был тупик. Комбинация двух двигателей делала силовую установку тяжелой и неэкономичной. Задачей конструкторов реактивных двигателей тех лет было создание системы, в которой компрессор приводится в действие газовой турбиной, стоящей на пути исходящих из камеры сгорания газов. Такой двигатель, подобно Мюнхгаузену, тащил себя из болота за волосы и требовал раскрутки компрессора от внешнего источника только в период запуска. Фактически, решить надо было две задачи – создать эффективную газовую турбину и реактивный двигатель в целом. Для материаловедения и технологии того времени, задачи были очень сложными. Достаточно вспомнить какие трудности вызвало освоение турбонадува поршневых моторов, а это существенно более простая задача.
Двигатель HeS3B с тягой 450 кгс
Общим для обоих энтузиастов, создававших первые в мире работающие ТРД, было то, что первые расчеты и проекты они сделали еще в студенческие годы — Ф. Уиттл в возрасте 22 лет на четвертом курсе колледжа Королевских ВВС в Крэнуэлле, а затем на курсах инструкторов летной школы в Уиттеринге (1928–29 г.г.), а Г. фон Охайн, также в возрасте 22 лет, при окончании Геттингенского университета (1933–34 г.г.).
Г. фон Охайн с 3 апреля 1936 г. работал по контракту с Э. Хейнкелем. 27 августа 1939 г. на самолете Hе-178 с двигателем его конструкции — HeS3B, был совершен успешный полет. Несмотря на это Г. фон Охайну так и не удалось создать массовый серийный ТРД.
Наибольших успехов при создании первого массового серийного реактивного двигателя (Юмо-004) добился другой немецкий конструктор австрийского происхождения — Ансельм Франц.
Начатую Ф. Уиттлом в инициативном порядке программу создания и развития английских ТРД можно считать (как и немецкую программу Юмо-004) весьма успешной. Уиттл принял удачную концептуальную идею разработки ТРД — центробежный компрессор с П*К = 4 и двухсторонним входом. Это позволило значительно повысить лобовую тягу двигателя.
От первого запуска экспериментального ТРД Ф. Уиттла W.U. (Whittle Unit), состоявшегося 12 апреля 1937 г., до первого полета однодвигательного реактивного самолета Глостер Е28/39 с ТРД W.1 15 мая 1941 г. прошло четыре года. За это время решалось много проблем. Но главной была проблема создания надежной камеры сгорания, которая претерпела ряд изменений — от кольцевой до трубчатой противоточной, а затем и до трубчатой прямоточной.
Продолжение …
