История реактивного двигателя - History of the jet engine
Прекурсоры
Реактивные двигатели могут быть датированы изобретением эолипила около 150 г. до н.э. В этом устройстве использовалась энергия пара, направляемая через два сопла, чтобы сфера быстро вращалась 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 архитас , основатель математической механики, описанный в трудах Авла Геллия через пять веков после него, разработал и построил первое искусственное самоходное летательное устройство. Это устройство представляло собой модель в форме птицы, которую приводила в движение струя пара, которая, как говорят, на самом деле пролетела около 200 метров.
Османский Лагари Хасан Челеби, как говорят, взлетел в 1633 году на ракете, имеющей форму конуса, а затем совершил успешное приземление на крыльях и занял позицию в османской армии . Однако по сути это был трюк. Проблема заключалась в том, что ракеты просто слишком неэффективны на малых скоростях, чтобы быть полезными для авиации общего назначения.
Первый рабочий импульсный двигатель был запатентован в 1906 году русским инженером В. В. Караводиным, который завершил рабочий образец в 1907 году. Французский изобретатель Жорж Марконне запатентовал свой бесклапанный импульсный двигатель в 1908 году, а Рамон Казанова из Риполя , Испания, запатентовал импульсный двигатель в Барселоне в 1917 году. , построив один из них в 1913 году. Роберт Годдард изобрел импульсный двигатель в 1931 году и продемонстрировал его на реактивном велосипеде. Инженер Пауль Шмидт разработал более эффективную конструкцию, основанную на модификации впускных клапанов (или заслонок), что в 1933 году принесло ему государственную поддержку Министерства авиации Германии.
Некоторые ранние попытки создания воздушно-реактивных двигателей были гибридными конструкциями, в которых внешний источник энергии сначала сжимал воздух, который затем смешивался с топливом и сжигался для создания реактивной тяги. В одной из таких систем, которую Secondo Campini называет термоструйным двигателем , но чаще - моторным , воздух сжимался вентилятором, приводимым в действие обычным поршневым двигателем. Примеры включают Caproni Campini N.1 и японский двигатель Tsu-11, предназначенный для двигателей камикадзе Ока в конце Второй мировой войны . Ни один из них не был полностью успешным, и CC.2 оказался медленнее, чем та же конструкция с традиционной комбинацией двигателя и гребного винта .
В 1913 году французский аэрокосмический инженер Рене Лорин запатентовал конструкцию первого в мире прямоточного воздушно-реактивного двигателя , но разработать рабочий прототип не удалось, поскольку ни один из существующих самолетов не мог развивать скорость, достаточную для работы, и поэтому концепция оставалась теоретической.
В 1930-х годах инженеры поняли, что максимальная производительность поршневых двигателей ограничена, так как тяговая эффективность снижалась по мере приближения кончиков лопастей к скорости звука . Чтобы характеристики двигателя превысили этот барьер, необходимо было найти способ радикально улучшить конструкцию поршневого двигателя или разработать совершенно новый тип силовой установки. Газотурбинные двигатели, обычно называемые «реактивными» двигателями, могли это сделать.
Ключом к практическому реактивному двигателю была газовая турбина, используемая для извлечения энергии из самого двигателя для привода компрессора . Газовая турбина не была идея , разработанная в 1930 - х годах: патент на стационарной турбины был предоставлен Джон Барбер в Англии в 1791 году первой газовой турбины успешно работать самостоятельно sustainingly был построен в 1903 году норвежский инженер Эгидий Эллинг . Ограничения в конструкции и практическом машиностроении и металлургии не позволили таким двигателям добраться до производства. Основными проблемами были безопасность, надежность, вес и особенно длительная работа.
В Венгрии , Альберт фоно в 1915 г. разработал решение для увеличения дальности артиллерии, содержащее пистолет запущен снаряд , который должен был быть объединен с прямоточной двигательной установки. Это должно было позволить получить большую дальность с низкими начальными дульными скоростями, позволяя стрелять тяжелыми снарядами из относительно легких орудий. Фоно представил свое изобретение австро-венгерской армии, но предложение было отклонено. В 1928 году он подал заявку на получение немецкого патента на самолет со сверхзвуковыми прямоточными воздушно-реактивными двигателями, который был выдан в 1932 году.
Первый патент на использование газовой турбины для привода самолета был подан в 1921 году французом Максимом Гийомом . Его двигатель был осевым турбореактивным.
В 1923 году Эдгар Бэкингем из Национального бюро стандартов США опубликовал отчет, в котором выражался скептицизм в отношении того, что реактивные двигатели будут экономически конкурентоспособными с воздушными судами с винтовыми двигателями на малых высотах и скоростях полета того периода: «в настоящее время, похоже, нет никаких перспектива того, что этот реактивный двигатель, который мы рассматриваем здесь, когда-либо будет иметь практическую ценность, даже для военных целей ".
Вместо этого к 1930-м годам поршневой двигатель во многих его различных формах (роторный и статический радиальный, с воздушным и жидкостным охлаждением рядный) 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
В 1928 году курсант Крэнвеллского колледжа ВВС Великобритании Фрэнк Уиттл официально представил свои идеи турбореактивного двигателя своему начальству. 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 в основополагающей статье 1926 года («Аэродинамическая теория конструкции турбины»). Позже Уиттл сконцентрировался только на более простом центробежном компрессоре по ряду практических причин. В апреле 1937 года Уиттл запустил свой первый двигатель. Он работал на жидком топливе и включал автономный топливный насос. Команда Уиттла испытала почти панику, когда двигатель не останавливался, ускоряясь даже после отключения топлива. Выяснилось, что топливо попало в двигатель и скопилось в лужах.
В 1935 году Ханс фон Охайн начал работу над подобным дизайном 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 фон Охайн признал это в своей биографии. Автор Маргарет Коннер заявляет: «Патентный поверенный Охайна наткнулся на патент Уиттла в те годы, когда были сформулированы патенты фон Охайна». Сам фон Охайн цитирует слова: « Мы чувствовали, что это было похоже на патент на идею» «Мы думали, что над ним серьезно не работали ». Поскольку патент Охайна не был зарегистрирован до 1935 года, это признание ясно показывает, что он читал патент Уиттла и даже критиковал его в некоторых деталях до подачи собственного патента и примерно за 2 года до его собственного двигателя. побежал.
ФОН ОХАЙН: «Наши патентные притязания пришлось сузить по сравнению с Уиттл, потому что Уиттл показал определенные вещи». «Когда я увидел патент Уиттла, я почти убедился, что он имеет какое-то отношение к комбинациям всасывания пограничного слоя. У него был двухпоточный радиальный компрессор с двойным входом, который выглядел чудовищно с точки зрения двигателя. Его реверсирование потока показалось нам нежелательным, но оказалось, что это было не так уж плохо, хотя и дало некоторые незначительные проблемы нестабильности. ″
Его первое устройство было строго экспериментальным и могло работать только от внешнего источника, но он смог продемонстрировать основную концепцию. Затем Охайна познакомили с Эрнстом Хейнкелем , одним из крупнейших авиастроителей того времени, который сразу же увидел перспективность этого дизайна. Хейнкель недавно приобрел моторную компанию Hirth, и Охайн и его главный машинист Макс Хан были созданы там как новое подразделение компании Hirth. К сентябрю 1937 года у них был запущен их первый центробежный двигатель HeS 1. В отличие от конструкции Уиттла, Охайн использовал водород в качестве топлива, подаваемого 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 которым управлял Эрих Варсиц рано утром 27 августа 1939 года с аэродрома Росток- Мариенехе. впечатляюще короткое время для разработки. He 178 был первым в мире самолетом с турбореактивным двигателем.
Первым в мире турбовинтовым двигателем был Jendrassik Cs-1, разработанный венгерским инженером-механиком Дьёрдь Ендрассиком . Он производился и испытывался на заводе Ganz в Будапеште в период с 1938 по 1942 год. Планировалось установить его на двухмоторный бомбардировщик-разведчик Varga RMI-1 X / H, разработанный Ласло Варгой в 1940 году, но программа была отменена. В 1937 году Ендрассик также спроектировал небольшой турбовинтовой двигатель мощностью 75 кВт.
Двигатель Уиттла начал казаться полезным, и его Power Jets Ltd. начала получать деньги Министерства авиации . В 1941 году летающая версия двигателя под названием W.1 , способная развивать тягу в 1000 фунтов силы (4 кН), была установлена на специально построенный для него планер Gloster E28 / 39 и впервые поднялась в воздух 15 мая 1941 года в Королевских ВВС Великобритании в Кранвелле .
Британский конструктор авиадвигателей Фрэнк Хэлфорд , опираясь на идеи Уиттла, разработал «прямоточную» версию центробежного двигателя; его дизайн стал Гоблином де Хэвилленда .
Одна проблема с обеими этими ранними конструкциями, которые называются двигателями с центробежным потоком , заключалась в том, что компрессор работал, ускоряя воздух от центрального впускного отверстия к внешней периферии двигателя, где воздух затем сжимался с помощью набора расходящихся воздуховодов. вверх, преобразовывая его скорость в давление. Преимущество этой конструкции состояло в том, что она была уже хорошо изучена, поскольку была реализована в центробежных нагнетателях , а затем широко использовалась в поршневых двигателях. Однако, учитывая ранние технологические ограничения на частоту вращения вала двигателя, компрессор должен был иметь очень большой диаметр для выработки необходимой мощности. Это означало, что двигатели имели большую лобовую площадь, что делало его менее полезным в качестве силовой установки самолета из-за сопротивления. Еще одним недостатком более ранних конструкций Уиттла было то, что воздушный поток через секцию сгорания реверсивался и снова направлялся в турбину и выхлопную трубу, что усложняло работу и снижало эффективность. Тем не менее, эти типы двигателей обладали основными преимуществами, заключающимися в легком весе, простоте и надежности, и их разработка быстро перешла в практическую летную конструкцию.
Австрийский Ансельм Франц из юнкеров разделения двигателя '( Юнкерс Motoren или Jumo ) решает эти проблемы , связанные с введением компрессора осевого потока . По сути, это турбина наоборот. Воздух, поступающий в переднюю часть двигателя, выдувается в направлении задней части двигателя ступенью вентилятора (сходящиеся каналы), где он сталкивается с набором невращающихся лопастей, называемых статорами (расходящиеся каналы). Этот процесс далеко не такой мощный, как центробежный компрессор, поэтому несколько пар вентиляторов и статоров размещены последовательно, чтобы получить необходимое сжатие. Даже при всей дополнительной сложности полученный двигатель стал намного меньше в диаметре и, следовательно, более аэродинамичным. Jumo был присвоен следующий номер двигателя в последовательности нумерации RLM , 4, и в результате появился двигатель Jumo 004 . После того, как были решены многие более мелкие технические трудности, в 1944 году началось серийное производство этого двигателя в качестве силовой установки для первого в мире реактивного истребителя Messerschmitt Me 262 (а позже и первого в мире самолета-бомбардировщика Arado Ar 234 ). Множество причин замедлили доступность двигателя, из-за этой задержки истребитель прибыл слишком поздно, чтобы оказать решающее влияние на позицию Германии во Второй мировой войне. Тем не менее, он останется в памяти как первое использование реактивных двигателей на вооружении.
Хейнкель-Хирт авиационной силовой установки фирмы также пытались создать более мощный турбореактивный двигатель, Хейнкель HeS 011 почти 3000 фунтов тяги на полную мощность, очень поздно в войне , чтобы улучшить возможности двигательные , доступные для новых немецких военных конструкций реактивных самолетов, и улучшить характеристики существующих конструкций. В нем использовалась уникальная «диагональная» компрессорная секция, сочетающая в себе особенности компоновки центробежных и осевых компрессоров для турбореактивных силовых установок, но оставшаяся на испытательном стенде, когда было выпущено всего около девятнадцати экземпляров.
В Великобритании их первый осевой двигатель Metrovick F.2 работал в 1941 году и впервые поднялся в воздух в 1943 году. Хотя в то время он был более мощным, чем центробежные конструкции, министерство сочло его сложность и ненадежность недостатком военного времени. Работа в Metrovick 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 победившими союзниками и внесли свой вклад в разработку первых советских (см. Архип Люлька ) и американских реактивных истребителей. Наследие двигателя с осевым потоком проявляется в том факте, что практически все реактивные двигатели на самолетах с неподвижным крылом были вдохновлены этой конструкцией.
Двигатели с центробежным потоком улучшились 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 габаритные размеры более важны, чем площадь лобовой части. Кроме того, поскольку компоненты их двигателей более прочные, они менее подвержены повреждению посторонними предметами, чем двигатели с осевыми компрессорами.
Хотя немецкие конструкции были более продвинутыми в аэродинамическом отношении, сочетание простоты и отсутствия необходимых редких металлов для необходимой передовой металлургии (таких как вольфрам , хром и титан ) для компонентов с высоким напряжением, таких как лопатки и подшипники турбин и т. Д., Означало, что позже произведенные немецкие двигатели имели непродолжительный срок службы и требовали замены через 10–25 часов. Британские двигатели также широко производились по лицензии в США (см. Миссия Тизарда ) и были проданы Советской России, которая перепроектировала их с помощью Nene, установленного на знаменитом МиГ-15 . Американские и советские конструкции, независимые типы осевого потока, по большей части, будут стремиться достичь превосходных характеристик до 1960-х годов, хотя General Electric J47 отлично зарекомендовал себя в F-86 Sabre в 1950-х.
К 1950-м годам реактивный двигатель был почти универсальным в боевых самолетах, за исключением грузовых, связных и других специальных типов. К этому моменту некоторые из британских моделей 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 были также оснащены реактивными двигателями, в результате чего поршневой двигатель оставался в таких недорогих нишах, как грузовые полеты.
Неуклонные усовершенствования турбовинтового двигателя полностью вытеснили поршневой двигатель (двигатель внутреннего сгорания) из мейнстрима, оставив его служить только самым маленьким конструкциям авиации общего назначения и частично использовать в беспилотных самолетах . На то, чтобы реактивный двигатель стал почти повсеместным применением в самолетах, потребовалось менее двадцати лет.
Однако на этом история еще не закончилась, поскольку эффективность турбореактивных двигателей все еще была хуже, чем у поршневых двигателей, но к 1970-м годам с появлением реактивных двигателей с большим байпасом , нововведения, не предвиденные первыми комментаторами, такими как Эдгар Бэкингем , на высоких скоростях и на большой высоте, которые казались им абсурдными, только тогда топливная эффективность наконец превзошла эффективность лучших поршневых и гребных двигателей, и мечта о быстром, безопасном и экономичном кругосветном путешествии наконец-то осуществилась, и их суровость, если Хорошо обоснованные для того времени предсказания о том, что реактивные двигатели никогда не будут иметь большого значения, были убиты навсегда.