Вильгельм Гюндерманн «Разработка компанией Heinkel реактивных двигателей в 1936-1939 годы»

Данный материал был переведен уважаемым коллегой NF. Перевод был выполнен в октябре 2015 года.

27 августа 1939 года в Росток-Мариэнэ (Rostock-Marienehe) совершил свой первый полет Heinkel He 178 – первый в мире самолет с реактивной силовой установкой – с турбореактивным двигателем Heinkel HeS 3B, который был разработан доктором Гансом фон Охайном (Hans Joachim Pabst von Ohain). Этот исторический полет состоялся на полтора года раньше полета английского экспериментального самолета Gloster E28/39 с реактивным двигателем Уиттла.

О создании турбореактивных силовых установок в период с 1936 по 1939 годы может рассказать принимавший участие в их разработке Вильгельм Гюндерманн (Wilhelm Gundermann). 

* * *

В начале рассказа я хотел бы процитировать «Исторические очерки» (Geschichtlichen Abriß) доктора Ганса фон Охайна, написанные им в 1975 году. Доктор фон Охайн писал:

«В 1934 году во время работы в Геттингенском Физическом Институте (Göttinger Physikalischen Institut) над докторской диссертацией (аналог кандидатской диссертации в СССР) (научный руководитель профессор Поль [Pohl]) я дополнительно занимался и общими теоретическими размышлениями и расчетами турбореактивных двигателей. После того как я разработал простую форму конструкции и добился положительных результатов, у меня возникла идея запатентовать эту разработку и разработать на основе данного патента опытный образец. В конце 1934-го – начале 1935-го годов в Геттингене на собственные средства я решил построить подобный двигатель в гараже и ремонтной мастерской «Bartels & Becker».

Я знал об этом гараже и был знаком с его главным механиком и машинистом Максом Ханом (Max Hahn) задолго до того как начал разрабатывать турбореактивные двигатели. Я ставил мой маленький Opel в этом гараже, благодаря чему имел возможность вести долгие разговоры с Максом Ханом.

В конце 1934 года я обсуждал с Максом Ханом возможность постройки моего опытного изделия и издержки его изготовления. Макс Хан предложил ряд значимых упрощений, которые делали возможными изготовление двигателя при помощи станков ремонтной мастерской «Bartels & Becker» и существенно снижали его себестоимость…

В небольшом боксе, который служил кладовой, я занимался двигателем и совместно в Ханом провел ряд предварительных испытаний.

Я довел до сведения профессора Поля результаты моих теоретических исследований, сделанные выводы и сообщил об идее разработки такого агрегата. Реакция профессора была очень позитивной. Он великодушно разрешил мне использовать в моих исследованиях оборудование и помещения, расположенные на территории института. Я сумел произвести важные замеры давления и температуры и получить значительный объем результатов. К сожалению, процесс горения протекал очень плохо. Выяснилось, что процесс горения в основном был сосредоточен в турбине ротора и за ней. Самостоятельно агрегат не был способен работать, но при этом было получено значительное снижение нагрузки на приводной двигатель.

Эти эксперименты позволили мне прийти к выводу, что необходимы основательные исследования процесса сгорания. Для этих исследований необходимо было потратить много времени и средств. И снова мне на помощь пришел профессор Поль, который в очень дружественном разговоре сообщил, что он был убежден в правильном направлении работ и в будущем реактивных силовых установок. Но для этого необходима помощь промышленности. Поль сказал мне, что он готов написать рекомендательное письмо о проводимых мною исследованиях компании, которую я выберу по своему усмотрению. Интуитивно я решил что для моих целей более всего подойдет компания Heinkel, поскольку ее руководитель отличался нетрадиционными идеями и был всем известен как человек, проявлявший огромный интерес к скоростным самолетам».

Разработка в компании Heinkel

В середине апреля 1936 года доктор фон Охайн и Макс Хан прибыли на предприятие компании Heinkel, расположенное в Росток-Мариэнэ. Я был выделен им в качестве  первого сотрудника компании Heinkel. При этом я опирался на свои знания в области самолетостроения и авиационного двигателестроения (и факультативный предмет «турбомашины»), полученные мной еще в те времена, когда я был студентом, а также на дипломную работую под руководством профессора Фёттингера (Föttinger). В итоге в компании был создан отдел особых разработок II (Sonderentwicklung II).

Сначала мы пытались установить, почему созданный нами в Геттингене опытный агрегат не мог самостоятельно работать. Помимо неудачного процесса сгорания неподходящими оказались малый диаметр рабочего ротора турбины и отсутствие направляющих лопаток. Ротор турбины следовало значительно увеличить в диаметре по сравнению с ротором компрессора, поскольку горячие газы после камеры сгорания требовали значительно больше места, чем холодный воздух в компрессоре.

Я обдумывал, нужно ли вместо центробежной турбины применить осевой ротор, так как радиальные турбины до сих пор использовались только для жидкостей. О четырехступенчатом компрессоре тогда нечего было и думать. При изучении документации мы обнаружили патент Уиттла 1935 года, который предусматривал использование осевых турбин. Мы считали, что сделанный нами выбор в пользу радиальных турбин (Radialturbine) предпочтительнее, поскольку такие турбины значительно проще в изготовлении. Кроме того, данные турбины позволили воплотить в себя желание Эрнста Хейнкеля первыми добиться положительного результата и осуществить полет на самолете с таким двигателем.

Эрнст Хейнкель был нетерпелив и хотел добиться успеха в кратчайшие сроки. Он всеми силами поддерживал программу разработок частым посещением отдела и испытательного стенда и знал о каждом сделанном нами шаге. Нашу команду следовало увеличить. Макс Хан в различных цехах находил лучших механиков и приглашал их на работу в наш отдел, что вызывало сожаление владельцев этих мастерских. Я в свою очередь получал новых конструкторов и чертежников.

Демонстрационный агрегат [1] получил обозначение HeS 2, и после девяти месяцев затраченных на его разработку и постройку, он мог быть использован для испытаний на стенде. На испытательном стенде он развивал расчетную тягу и хорошо набирал обороты. Благодаря демонстрации данного агрегата вся программа его разработки получила более прочные позиции. Эрнст Хейнкель и некоторые посвященные в данные работы сотрудники его компании уже более не имели сомнений в возможности реализации реактивной силовой установки, которая могла бы развивать статическую тягу 500 кг.

Эрнст Хейнкель сильно торопил с разработкой подобного пригодного для полетов двигателя, но ему приходилось ждать результатов исследований протекания процесса сгорания. Эти исследования начались лишь в мае 1937 года, и примерно только через год после их начала удалось выявить оптимальную форму камеры сгорания. Макс Хан предложил использовать остававшееся свободным пространство перед радиальным компрессором и при помощи намеренного изменения направления потока топливовоздушной смеси получить достаточно длинный путь. Перемещаясь по данному пути, смесь топлива и воздуха становилась более равномерной и процесс сгорания протекал лучше. В конце 1937 года Макс Хан зарегистрировал на свое имя соответствующий патент.

Макс Хан разработал форсунки, которые после испытаний в аэродинамической трубе компании Heinkel можно было использовать на самолетах. При исследованиях процессов сгорания мы быстро и основательно рассмотрели вопросы использования водорода в виде газа (переход на бензин и дизельное топливо все время создавал проблемы). Было установлено, что распространение по камере сгорания топливовоздушной смеси, в составе которой было испарившееся жидкое топливо требовало слишком много времени. При такой скорости распространения топливовоздушной смеси путь от диффузора на выходе из компрессора через камеру сгорания должен быть более длинным, чем в случае, когда использовался водород. И позднее уже на двигателях, с которыми самолеты выполняли полеты, при их запуске приходилось использовать водород.

Heinkel HeS 3

Теперь все усилия были направлены на создание силового агрегата, с которым самолеты могли бы летать. В отделе особых разработок I, где в 1938 году был разработан и построен небольшой самолет Heinkel He 176 с ракетным двигателем, с середины 1938 года под руководством Вальтера Гюнтера (Walter Günter) разрабатывался новый самолет He 178.

Это был чистый экспериментальный самолет с размахом крыла 7,2 метра, площадью 9,1 м² и со взлетным весом примерно 2000 кг. Я предложил Эрнсту Хейнкелю самолет с двумя двигателями –аналогичный более позднему Не 280. Самолет с одним турбореактивным двигателем типа HeS 3 в фюзеляже, как это имело место у истребителя с поршневым двигателем и воздушным винтом He 100, был не оптимальным решением, так как в этом случае пришлось бы использовать длинный воздуховод перед силовой установкой и длинное сопло после него. Однако Эрнст Хейнкель из-за необходимости выполнить работы в как можно более короткие сроки решил все же выбрать именно такой вариант компоновки. В итоге у He 178 потери тяги силовой установки составляли примерно 15 %. Форсунки сопла с регулируемым поперечным сечением, размещение которого было запланировало в хвостовой части самолета, хотя и было задумано, но дальше стадии предварительного проекта не пошло.

Схематическое продольное сечение турбореактивного двигателя HeS 3B показывает основные узлы силовой установки и некоторые отдельные элементы. Изготовленный из дюралюминия осевой предшественник имел 8 лопаток. Радиальный компрессор с шестнадцатью лопатками Лаваля был изготовлен из жаростойкого дюралюминия марки W. Диффузор был изготовлен из этого же материала.

Поток выходящего из диффузора воздуха разделялся на три неравных части: первая из этих трех частей служила для охлаждения внешних стенок камеры сгорания, вторая часть перед 16-ю горелками направлялась внутрь для охлаждения внутренней стенки камеры, в которой происходило смешивание топливовоздушной смеси, и для охлаждения камеры сгорания. И только третья часть потока воздуха после компрессора поступала в камеру сгорания. Для испарения топлива служили трубы, подогревавшиеся за счет его сгорания. Очень важным было обеспечить равномерное распределение топлива по форсункам. После выхода топлива из охлаждающего кожуха роликового подшипника оно через топливопроводы, находящиеся в корпусе, и через одинаковые по форме изгибы должно было поступать к горелкам. Направляющие элементы камеры сгорания были изготовлены из жаропрочной стали в которой содержалось 38 % никеля.

В 14 лопатках ротора Лаваля и шайбах на входе в турбину вместо еще не готовой к использованию жаростойкой стали должна была использоваться уже применявшаяся для турбонагнетателей сталь типа Р 193 производства концерна Krupp. Кок вала и картер турбины были отлиты из жаропрочной стали.

Значительные сложности возникали при смазке высоконагруженных подшипников. Между осевой ступенью и радиальным колесом спереди шарикового подшипника с разделенным внешним кольцом смазка осуществлялась маслом из находившегося под давлением масляного бака. За центробежной турбиной располагался один роликовый подшипник с особенно большим зазором по длине порядка 8-10 мм. Этот подшипник смазывался густой смазкой, поступавшей через шпиндель, и кроме этого охлаждался поступавшим к форсункам топливом, которое, охлаждая подшипник, одновременно несколько подогревалось.

Перед торцом основного вала за обтекателем на месте отсутствующего каркаса силовой установки (Geräteträger) устанавливался электрический счетчик для замера оборотов, который вращался с такими же оборотами, как и вал силовой установки и показания этого счетчика выводились на индикатор в кабине пилота. Расположенный за турбиной термоэлемент производил замеры температуры потока газов на ее выходе. Результаты измерений также отображались на индикаторе, установленном в кабине пилота.

Так как каркас силовой установки, предназначавшийся для экспериментального самолета, не был своевременно изготовлен, то оба насоса Grätzin, служивших для подачи бензина, приводились при помощи маленького электродвигателя, питание к которому поступало от бортовой аккумуляторной батареи.

Эти насосы постоянно подавали максимальное количество топлива. При подаче газа топливопроводы к силовой установке открывались и через параллельно работавший второй запорный клапан излишки топлива возвращались в топливный бак. При прекращении подачи газа линия обратного хода открывалась противоположным способом: открывался запорный клапан данного трубопровода, а клапан прямого хода закрывался, и в результате топливо, находившееся в этом топливопроводе полностью или частично, возвращалось назад в бак.

Для запуска силовой установки применялся сжатый воздух, подававшийся через жиклер на заднюю кромку лопаток турбины. При запуске холодной силовой установки испарительные трубки форсунок подогревались водородом до тех пор, пока они не нагревались до такой температуры, которая позволяла превращать топливо в газообразную смесь. Только после этого в силовую установку поступал бензин.

27 августа 1939 года

Первоначально были изготовлены два прототипа турбореактивного двигателя. Первое испытание ТРД HeS 3A было проведено на летающей лаборатории Не 118. Данный самолет имел длинные основные стойки шасси, что обеспечивало большой просвет между поверхностью аэродрома и фюзеляжем. После одной из посадок двигатель прогорел, после чего второй – HeS 3B –был сразу же установлен на Не 178.

На Не 178, также как и ранее на Не 176, летал пилот Эрих Варзитц (Erich Warsitz). Исторический полет, состоявшийся 27 августа 1939 года, был краеугольным камнем и началом времени реактивных силовых установок.

В техническом департаменте Имперского министерства авиации (Reichsluftfahrtministerium – RLM; генерал-инженеры Айзенлор [Eisenlohr], Ганс Маух [Hans Mauch] и Гельмут Шелп [Helmut Schelp]) были не согласны со взглядами Эрнста Хейнкеляя и его команды и не оценили в полной мере передовой разработки. Напротив, в RLM считали, что

• • компания Heinkel должна заниматься постройкой самолетов, которые были крайне необходимы для только что начавшейся войны,
• • компании BMW, Jumo и Daimler-Benz, производившие авиационные двигатели, сами должны были заниматься разработкой реактивных силовых установок;
• • после того как удастся довести реактивные двигатели этих компаний, они должны были производиться большими сериями.

Официальное представление Не 178 высшему руководству RLM: Мильху, Удету и Лихту состоялось 1 ноября 1939 года, т.е. вскоре после окончания Польской кампании. Во время ознакомления с этим самолетом высших руководителей ВВС произошла поломка силовой установки, из-за чего его старт состоялся несколькими часами позже. Во время первой неудачной попытки взлета у Не 178 вышел из строя задний подшипник и его необходимо было заменить. Но затем, когда самолет продемонстрировали представителям ВВС, он произвел на них очень положительное впечатление.

Значение реактивных силовых установок в RLM было признано с некоторым запозданием, и только позднее разработка в компании Heinkel турбореактивных двигателей получила полную поддержку. Реактивные двигатели типа HeS 8 были установлены на прототипе истребителя Heinkel He 280, который совершил свой первый полет 30 марта 1941 года. После ряда промежуточных и опытных вариантов реактивных силовых установок был создан новый двигатель HeS 011 с диагональным компрессором (Diagonalverdichter) и двухступенчатой осевой турбиной с охлаждаемыми лопатками, которая более не применялась на самолетах.

Вне сомнения активность и инициатива Эрнста Хейнкеля оказалась решающей и благодаря ему в Германии довольно большое количестве компаний стало заниматься разработкой реактивных силовых установок.

ТЕХНИЧЕСКИЕ ДАННЫЕ

Тип: HeS 3B

Назначение: одновальный турбореактивный двигатель, радиальный компрессор с осевой предварительной ступенью, одноступенчатая радиальная турбина, кольцевая камера сгорания с изгибами топливопроводов и с 16-ю форсунками

Размеры:

диаметр корпуса 1,05 м
длина 1,04 м

Вес: 360 кг

Технические характеристики:

статическая тяга 4,4 кН (450 кг)
количество оборотом 11 000 об/мин
степень сжатия компрессора 2,8:1
расход воздуха: 12 кг/с
расход топлива: 0,16 кг/кН (1,6 кг/кг тяги)
температура на входе в турбину: 697 °C

Фотографии:

• • Deutsches Museum,
• • Luftfahrt International,
• • MTU,
• • Hermann

1. этот экспериментальный двигатель предположительно обозначался HeS 1. В пользу данного предположения говорит тот факт, что представленный в Геттингене агрегат, по-видимому, позднее не должен был получать какое-либо дополнительное обозначение (примечание редакции)

источник: Wilhelm Gundermann «Die Entwicklung des Strahltriebwerks bei Heinkel von 1936 bis 1939» «Luftfahrt international» 07/81