История реактивного двигателя

Дополнительная информация: Хронология реактивной мощности.

Прекурсоры

Реактивные двигатели можно отнести к изобретению эолипила около 150 г. до н.э. В этом устройстве использовалась энергия пара, направляемая через два сопла, чтобы заставить сферу быстро вращаться вокруг своей оси. Насколько известно, он не использовался для подачи механической энергии, и потенциальные практические применения этого изобретения не были признаны. Это считалось просто диковинкой.

Считалось, что Архит , основатель математической механики, описанной в трудах Авла Геллия пять столетий спустя после него, спроектировал и построил первое искусственное самоходное летательное устройство. Это устройство представляло собой модель в форме птицы, приводившуюся в движение струей, вероятно, пара, и, как говорят, на самом деле пролетело около 200 метров.

Говорят, что османский Лагари Хасан Челеби взлетел в 1633 году на ракете конусообразной формы, а затем спланировал на крыльях и успешно приземлился, завоевав позицию в османской армии . Однако по сути это был трюк. Проблема заключалась в том, что ракеты слишком неэффективны на низких скоростях, чтобы их можно было использовать в авиации общего назначения.

Первый работающий импульсный реактивный двигатель был запатентован в 1906 году русским инженером В. В. Караводиным, который в 1907 году завершил работу над рабочей моделью. Французский изобретатель Жорж Марконне запатентовал свой бесклапанный импульсный воздушно-реактивный двигатель в 1908 году, а Рамон Казанова из Риполя , Испания, запатентовал импульсный воздушно-реактивный двигатель в Барселоне в 1917 году, сконструировав его в 1913 году. Роберт Годдард изобрел импульсно-реактивный двигатель в 1931 году и продемонстрировал его на велосипед с реактивным двигателем. Инженер Пауль Шмидт первым разработал более эффективную конструкцию, основанную на модификации впускных клапанов (или закрылков), за что получил государственную поддержку от Министерства авиации Германии в 1933 году.

Рамон Казанова и импульсный реактивный двигатель, который он сконструировал и запатентовал в 1917 году.

Некоторые ранние попытки создания воздушно-реактивных двигателей представляли собой гибридные конструкции, в которых внешний источник энергии сначала сжимал воздух, который затем смешивался с топливом и сжигался для создания реактивной тяги. В одной из таких систем, названной термореактивной Secondo Campini , но чаще моторной , воздух сжимался вентилятором, приводимым в движение обычным поршневым двигателем . Примеры включают Caproni Campini N.1 и японский двигатель Tsu-11, предназначенный для оснащения самолетов-камикадзе Ohka к концу Второй мировой войны . Ни один из них не оказался полностью успешным, и CC.2 оказался медленнее, чем аналогичная конструкция с традиционной комбинацией двигателя и воздушного винта .

В 1913 году французский аэрокосмический инженер Рене Лорен запатентовал конструкцию первого в мире прямоточного воздушно-реактивного двигателя , но разработать работающий прототип не удалось, поскольку ни один существующий самолет не мог достичь достаточной скорости для его эксплуатации, и поэтому концепция оставалась теоретической.

Инженеры в 1930-х годах поняли, что максимальная производительность поршневых двигателей ограничена. поскольку двигательная эффективность снижалась по мере того, как кончики лопастей приближались к скорости звука . Чтобы производительность двигателя превысила этот барьер, необходимо найти способ радикально улучшить конструкцию поршневого двигателя или разработать совершенно новый тип силовой установки. Это могут сделать газотурбинные двигатели, обычно называемые «реактивными».

Ключом к практическому реактивному двигателю была газовая турбина, которая использовалась для извлечения энергии из самого двигателя и привода в действие компрессора . Газовая турбина не была идеей, разработанной в 1930-х годах: патент на стационарную турбину был выдан Джону Барберу в Англии в 1791 году. Первая газовая турбина, которая успешно работала автономно, была построена в 1903 году норвежским инженером Эгидиусом Эллингом . Ограничения в конструкции, практическом машиностроении и металлургии не позволили таким двигателям дойти до производства. Основными проблемами были безопасность, надежность, вес и особенно долговечность.

В Венгрии . Альберт Фоно в 1915 году разработал решение для увеличения дальности действия артиллерии, включающее артиллерийский снаряд, который должен был быть объединен с прямоточным воздушно-реактивным двигателем Это должно было позволить получить большую дальность стрельбы при низких начальных скоростях пули, что позволило бы вести стрельбу тяжелыми снарядами из относительно легких орудий. Фоно представил свое изобретение австро-венгерской армии, но это предложение было отклонено. В 1928 году он подал заявку на патент Германии на самолет со сверхзвуковыми прямоточными воздушно-реактивными двигателями, который был выдан в 1932 году.

Первый патент на использование газовой турбины для питания самолета был подан в 1921 году французом Максимом Гийомом . с осевым потоком Его двигатель представлял собой турбореактивный двигатель .

В 1923 году Эдгар Бэкингем из Национального бюро стандартов США опубликовал отчет. выражая скептицизм по поводу того, что реактивные двигатели будут экономически конкурентоспособны с винтокрылыми самолетами на малых высотах и ​​скоростях полета того периода: «там в настоящее время не представляется никакой перспективы, что реактивный двигатель того типа, который здесь рассматривается, когда-либо будет иметь практическое значение, даже для военных целей».

Вместо этого к 1930-м годам поршневой двигатель в его различных формах (роторный и статический радиальный, рядный с воздушным и жидкостным охлаждением) был единственным типом силовой установки, доступным авиаконструкторам. Это было приемлемо до тех пор, пока требовались только самолеты с низкими характеристиками, да и вообще все, что было в наличии.

До Второй мировой войны

Двигатель Whittle W.2 /700 использовался на Gloster E.28/39 , первом британском самолете, летавшем с турбореактивным двигателем, и Gloster Meteor .

В 1928 году колледжа Крэнвелла Королевских ВВС. кадет Фрэнк Уиттл официально представил начальству свои идеи относительно турбореактивного двигателя. В октябре 1929 года он развил свои идеи дальше. 16 января 1930 года в Англии Уиттл подал свой первый патент (выданный в 1932 году). В патенте показан двухступенчатый осевой компрессор, питающий односторонний центробежный компрессор . Практические осевые компрессоры стали возможными благодаря идеям А. А. Гриффита, изложенным в основополагающей статье 1926 года («Аэродинамическая теория конструкции турбин»). Позже Уиттл сосредоточился только на более простом центробежном компрессоре по ряду практических причин. Свой первый двигатель Уиттл запустил в апреле 1937 года. Он работал на жидком топливе и включал автономный топливный насос. Команда Уиттла почти впала в панику, когда двигатель не останавливался, ускоряясь даже после отключения топлива. Выяснилось, что топливо вытекло в двигатель и скопилось в лужах.

Heinkel He 178 — первый в мире самолет, летающий исключительно на турбореактивном двигателе.

В Испании пилот и инженер Вирхилио Лерет Руис получил патент на конструкцию реактивного двигателя в марте 1935 года. -республиканец Президент Мануэль Асанья организовал первоначальное строительство на авиационном заводе Hispano-Suiza в Мадриде в 1936 году, но Лерет был казнен несколько месяцев спустя франкистом. Марокканские войска после безуспешной защиты своей базы гидросамолетов в первые дни гражданской войны в Испании . Его планы, скрытые от франкистов, были тайно переданы британскому посольству в Мадриде несколько лет спустя его женой Карлотой О'Нил после ее освобождения из тюрьмы. В 1935 году Ганс фон Охайн начал работу над дизайном, аналогичным проекту Уиттла в Германии, и часто утверждается, что он не знал о работе Уиттла. Охайн сказал, что он не читал патент Уиттла, и Уиттл ему поверил ( Фрэнк Уиттл, 1907–1996 ). Однако патент Уиттла находился в немецких библиотеках, и сын Уиттла подозревал, что Охайн читал или слышал о нем.

Спустя годы это признал фон Охайн в своей биографии. что это было так. Автор Маргарет Коннер заявляет: «Патентный поверенный Охайна наткнулся на патент Уиттла в те годы, когда формулировались патенты фон Охайна». Цитируется сам фон Охайн, который сказал: « Мы чувствовали, что это было похоже на патент на идею». «Мы думали, что над ним серьезно не работали». Поскольку патент Охайна не был подан до 1935 года, это признание ясно показывает, что он читал патент Уиттла и даже критиковал его в некоторых деталях до подачи своего собственного патента и примерно за два года до того, как создал собственный двигатель. побежал.

ФОН ОХАЙН: «Наши патентные заявки пришлось сузить по сравнению с заявками Уиттла, потому что Уиттл продемонстрировал определенные вещи». «Когда я увидел патент Уиттла, я был почти убежден, что он как-то связан с комбинациями всасывания пограничного слоя. У него был двухпоточный компрессор с радиальным потоком и двойным входом, который выглядел чудовищно с точки зрения двигателя. Реверс потока показался нам нежелательным явлением, но впоследствии оказалось, что это не так уж и плохо, хотя и создавало некоторые незначительные проблемы с нестабильностью».

Его первое устройство было строго экспериментальным и могло работать только от внешнего источника питания, но он смог продемонстрировать основную концепцию. Затем Охайна познакомили с Эрнстом Хейнкелем , одним из крупнейших авиапромышленников того времени, который сразу увидел перспективность этой конструкции. Хейнкель недавно приобрел компанию по производству двигателей Hirth, и Охайн и его главный машинист Макс Хан основали там новое подразделение компании Hirth. К сентябрю 1937 года у них появился первый центробежный двигатель HeS 1. В отличие от конструкции Уиттла, Охайн в качестве топлива использовал водород , подаваемый под внешним давлением. Их последующие разработки завершились созданием бензинового HeS 3 мощностью 1100 фунтов силы (5 кН), который был установлен на простой и компактный планер Heinkel He 178 и управлялся Эрихом Варзицем ранним утром 27 августа 1939 года с Росток аэродрома -Мариене. впечатляюще короткое время для разработки. He 178 был первым в мире самолетом с турбореактивным двигателем, совершившим полет.

Первым в мире турбовинтовым двигателем стал Jendrassik Cs-1, разработанный венгерским инженером-механиком Дьёрдь Ендрассиком . Он производился и испытывался на заводе Ганца в Будапеште в период с 1938 по 1942 год. Его планировалось установить на двухмоторный бомбардировщик-разведчик Varga RMI-1 X/H, спроектированный Ласло Варгой в 1940 году, но программа была отменена. В 1937 году Йендрасик также спроектировал небольшой турбовинтовой двигатель мощностью 75 кВт.

Двигатель Уиттла начал казаться полезным, и его компания Power Jets Ltd. начала получать деньги от Министерства авиации . В 1941 году летная версия двигателя под названием W.1 , способная развивать тягу 1000 фунтов силы (4 кН), была установлена ​​на Gloster E28/39 специально построенный для него планер и совершила первый полет 15 мая 1941 года на авиабазе RAF Cranwell .

Изображение раннего центробежного двигателя ( DH Goblin II ) в разрезе, демонстрирующего его внутренние компоненты.

Британский конструктор авиационных двигателей Фрэнк Хэлфорд , опираясь на идеи Уиттла, разработал «прямоточную» версию центробежного реактивного двигателя; его дизайном стал de Havilland Goblin .

Одна из проблем обеих этих ранних конструкций, называемых двигателями с центробежным потоком , заключалась в том, что компрессор работал, ускоряя воздух от центрального воздухозаборника к внешней периферии двигателя, где воздух затем сжимался расходящимися воздуховодами. вверх, преобразуя свою скорость в давление. Преимущество этой конструкции заключалось в том, что она уже была хорошо изучена, поскольку была реализована в центробежных нагнетателях , а затем широко использовалась в поршневых двигателях. Однако, учитывая ранние технологические ограничения на скорость вала двигателя, компрессор должен был иметь очень большой диаметр, чтобы производить необходимую мощность. Это означало, что двигатели имели большую лобовую площадь, что делало их менее полезными в качестве силовой установки самолета из-за лобового сопротивления. Еще одним недостатком более ранних конструкций Уиттла было то, что поток воздуха менялся в обратном направлении через секцию сгорания и снова к турбине и выхлопной трубе, что усложняло систему и снижало эффективность. Тем не менее, эти типы двигателей имели такие основные преимущества, как малый вес, простота и надежность, и их разработка быстро перешла к практическим, пригодным к полетам конструкциям.

Двигатель Junkers Jumo 004 в разрезе.

Австрийский Ансельм Франц из Юнкерса моторного подразделения ( Junkers Motoren или Jumo ) решил эти проблемы, представив осевой компрессор . По сути, это турбина наоборот. Воздух, поступающий в переднюю часть двигателя, нагнетается в заднюю часть двигателя с помощью ступени вентилятора (сходящиеся каналы), где он сжимается рядом невращающихся лопастей, называемых статорами (расходящиеся каналы). Этот процесс далеко не такой мощный, как центробежный компрессор, поэтому несколько пар вентиляторов и статоров размещаются последовательно, чтобы получить необходимое сжатие. Даже несмотря на всю добавленную сложность, полученный двигатель имеет гораздо меньший диаметр и, следовательно, более аэродинамичный. Jumo был присвоен следующий номер двигателя в последовательности нумерации RLM , 4, и в результате появился двигатель Jumo 004 . После того, как были решены многие меньшие технические трудности, в 1944 году началось массовое производство этого двигателя в качестве силовой установки для первого в мире реактивного истребителя Ме 262 (а позже и первого в мире реактивного бомбардировщика Ме 262). Арадо Ар 234 ). Множество причин задержали доступность двигателя, из-за этой задержки истребитель прибыл слишком поздно, чтобы решительно повлиять на позицию Германии во Второй мировой войне. Тем не менее, его запомнят как первое применение реактивных двигателей на вооружении.

Фирма Heinkel-Hirth, производящая авиационные силовые установки, также попыталась создать более мощный турбореактивный двигатель Heinkel HeS 011 с тягой почти 3000 фунтов на полной мощности, в самом конце войны, чтобы улучшить варианты силовой установки, доступные для новых конструкций немецких военных реактивных самолетов. и улучшить характеристики существующих конструкций. В нем использовалась уникальная «диагональная» компрессорная секция, которая сочетала в себе особенности как центробежных, так и осевых компрессоров турбореактивных силовых установок, но осталась на испытательном стенде, и было выпущено всего около девятнадцати экземпляров.

В Великобритании их первый осевой двигатель Metrovick F.2 был запущен в 1941 году и впервые поднялся в воздух в 1943 году. Хотя он был более мощным, чем центробежные конструкции того времени, министерство считало его сложность и ненадежность недостатком в военное время. Работа в Метровике привела к созданию двигателя Armstrong Siddeley Sapphire , который будет производиться в США как J65.

После Второй мировой войны

После окончания войны немецкие реактивные самолеты и реактивные двигатели были тщательно изучены союзниками-победителями и внесли свой вклад в работу над ранними советскими (см. Архип Люлька ) и американскими реактивными истребителями. Наследие осевого двигателя проявляется в том факте, что практически все реактивные двигатели самолетов с неподвижным крылом в той или иной степени были вдохновлены этой конструкцией.

Двигатели центробежного потока усовершенствовались с момента их появления. Благодаря усовершенствованию технологии подшипников частота вращения вала двигателя была увеличена, что значительно уменьшило диаметр центробежного компрессора. Небольшая длина двигателя остается преимуществом этой конструкции, особенно для использования в вертолетах, где общий размер важнее лобовой площади. Кроме того, поскольку их компоненты двигателя более прочны, они менее подвержены повреждению посторонними предметами , чем двигатели с осевыми компрессорами.

Хотя немецкие конструкции были более совершенными с точки зрения аэродинамики, сочетание простоты и отсутствия необходимых редких металлов для необходимой передовой металлургии (таких как вольфрам , хром и титан ) для компонентов, подвергающихся высоким нагрузкам, таких как лопатки турбин, подшипники и т. д., означало, что Немецкие двигатели более позднего производства имели небольшой срок службы, и их приходилось менять через 10–25 часов. Британские двигатели также широко производились по лицензии в США (см. «Миссия Тизард ») и продавались Советской России, которая перепроектировала их, и Nene впоследствии стал двигателем знаменитого МиГ-15 . Американские и советские конструкции, независимые типы с осевым потоком, по большей части стремились к достижению превосходных характеристик до 1960-х годов, хотя General Electric J47 отлично служил на F-86 Sabre в 1950-х годах.

К 1950-м годам реактивный двигатель стал практически универсальным в боевых самолетах, за исключением грузовых, связных и других специальных типов. К этому моменту некоторые британские разработки уже были разрешены для гражданского использования и появились на ранних моделях, таких как de Havilland Comet и Avro Canada Jetliner . К 1960-м годам все крупные гражданские самолеты также имели реактивные двигатели, в результате чего поршневые двигатели использовались в таких недорогих нишевых функциях, как грузовые полеты.

Топливная эффективность появились двигатели с большим двухконтурным ходом турбореактивных двигателей изначально была хуже, чем у поршневых двигателей, поскольку более высокая скорость менялась на большее количество топлива, но в 1970-е годы в реактивных лайнерах , которые достигли паритета, а затем большей эффективности на больших высотах, что позволило гораздо более длительные прямые полеты. Усовершенствования турбовинтовых двигателей полностью вытеснили поршневые двигатели из массового применения, оставив их для использования только в самых маленьких конструкциях авиации общего назначения и в некоторой степени в беспилотных самолетах .

См. также

• Аэродинамика
• История ракет
• История двигателя внутреннего сгорания
• Машиностроение