Принцип работы и классификация реактивных двигателей

Эти летные испытания явились важной ступенью на пути создания скоростного реактивного самолета.

Вскоре советский конструктор  В.Ф.Болховитинов спроектировал самолет, на котором в качестве силовой  установки был использован ЖРД  Л.С.Душкина. Несмотря на трудности  военного времени, уже в декабре 1941 года двигатель был построен. Параллельно создавался и самолет. Проектирование и постройка этого первого в мире истребителя с ЖРД были завершены в рекордно короткий срок:  всего за 40 дней. Одновременно шла подготовка и к летным испытаниям. Проведение первых испытаний в воздухе новой машины, получившей марку “БИ”, было возложено на летчика-испытателя капитана Г.Я.Бахчиванджи.

15 мая 1942 года состоялся первый  полет боевого самолета с ЖРД.  Это был небольшой остроносый  самолет-моноплан с убирающимся  в полете шасси и хвостовым колесом. В носовом отсеке фюзеляжа помещались две пушки калибром 20 мм, боезапас к ним и радиоаппаратура. Далее были расположены кабина пилота, закрытая фонарем, и топливные баки. В хвостовой части находился двигатель. Полетные испытания прошли успешно.

В годы Великой Отечественной войны  советские авиаконструкторы работали и над другими типами истребителей с ЖРД. Конструкторский коллектив, руководимый Н.Н.Поликарповым, создал боевой самолет “Малютка”. Другой коллектив конструкторов во главе с М.К.Тихонравовым разработал реактивный истребитель марки “302”.

Работы по созданию боевых реактивных самолетов широко проводились и  за рубежом.

В июне 1942 года состоялся первый полет немецкого реактивного  истребителя-перехватчика “Ме-163”  конструкции Мессершмитта (рис.6). Только девятый вариант этого самолета был запущен в серийное производство в 1944 году.

Впервые этот самолет с ЖРД был  применен в боевой обстановке в середине 1944 года при вторжении союзни-ческих войск во Францию. Он предназначался для борьбы с бомбардировщиками и истре-бителями противника над немецкой территорией. Само-лет представлял собой моноплан без горизонталь-ного хвостового оперения, что оказалось возможным благодаря большой стрело-видности крыла.

 Фюзеляжу была придана обтекаемая форма. Наружные поверхности самолета были очень гладкие. В носовом отсеке фюзеляжа размещалась ветрянка для привода генератора электросистемы самолета. В хвостовой части фюзеляжа устанавливался двигатель – ЖРД с тягой до 15 кН. Между корпусом двигателя и обшивкой машины имелась огнеупорная прокладка. Баки с горючим были размещены в крыльях, а с окислителями – внутри фюзеляжа. Обычного шасси на самолете не было. Взлет происходил с помощью специальной стартовой тележки и хвостового колеса. Сразу же после взлета эта тележка сбрасывалась, а хвостовое колесо убиралось внутрь фюзеляжа. Управление самолетом производилось посредством руля поворота, установленного, как обычно, за килем, и размещенных в плоскости крыла рулей высоты, которые одновременно являлись и элеронами. Посадка производилась на стальную посадочную лыжу длиной около 1,8 метра с полозом шириной 16 сантиметров. Обычно самолет взлетал, используя тягу установленного на нем двигателя. Однако по замыслу конструктора была предусмотрена возможность использования подвесных стартовых ракет, которые сбрасывались после взлета, а также возможность буксировки другим самолетом до нужной высоты. При работе ЖРД в режиме полной тяги самолет мог набирать высоту почти по вертикали. Размах крыльев самолета составлял 9,3 метра, его длина – около 6 метров. Полетный вес при взлете был равен 4,1 тонны, при посадке – 2,1 тонны; следовательно, за все время моторного полета самолет становился почти вдвое легче – расходовал примерно 2 тонны топлива. Длина разбега была более 900 метров, скороподъемность – до 150 метров в секунду. Высоту в 6 километров самолет достигал через 2,5 минуты после взлета. Потолок машины был 13,2 километра. При непрерывной работе ЖРД полет продолжался до 8 минут. Обычно по достижении боевой высоты двигатель работал не непрерывно, а периодически, причем самолет то планировал, то разгонялся. В результате общая продолжительность полета могла быть доведена до 25 минут и даже более. Для такого режима работы характерны значительные ускорения: при включении ЖРД на скорости 240 километров в час самолет достигал скорости 800 километров в час спустя 20 секунд (за это время он пролетал 5,6 километров со средним ускорением 8 метров в секунду квадрат). У земли этот самолет развивал максимальную скорость 825 километров в час, а в интервале высот 4-12 километров его максимальная скорость возрастала до 900 километров в час.

В тот же период в ряде стран велись интенсивные работы по созданию воздушно-реактивных двигателей (ВРД) различных типов  и конструкций. В Советском Союзе, как уже говорилось, испытывался прямоточный ВРД, установленный на самолете-истребителе.

В Италии в августе 1940 года был совершен первый 10-минутный полет реактивного  самолета-моноплана “Кампини-Капрони СС-2” (рис.7). На этом самолете был установлен так называемый мотокомпрессорный ВРД (этот тип ВРД не рассматривался в обзоре реактивных двигате-лей, так как он оказался невыгодным и распространения не получил). Воздух входил через специальное отверстие в передней части фюзеляжа в трубу переменного сечения, где поджимался компрессором, который получал вращение от расположенного позади звез-дообразного поршневого авиа-мотора мощностью 440 лошади-ных сил.

  Затем поток сжатого воздуха  омывал этот поршневой мотор  воздушного охлаждения и несколько  нагревался. Перед поступлением в камеру сгорания воздух смешивался с выхлопными газами от этого мотора. В камере сгорания, куда впрыскивалось топливо, в результате его сжигания температура воздуха повышалась еще больше.

Газовоздушная смесь, вытекавшая из сопла в хвост-овой части фюзеляжа, созда-вала реактивную тягу этой силовой установки. Площадь выходного сечения реактивно-го сопла регулировалась пос-редством конуса, могущего перемещаться вдоль оси сопла. Кабина пилота распо-лагалась вверху фюзеляжа над трубой для потока воздуха, проходящей через весь фюзе-ляж. В ноябре 1941 года на этом самолете был совершен перелет из Милана в Рим (с промежуточной посадкой в Пизе для заправки горючим), длившийся 2,5 часа, причем средняя скорость полета составила 210 километров в час.

 Как видим, реактивный самолет  с двигателем, выполненным по  такой схеме, оказался неудачным:  он был лишен главного качества  реактивного самолета – способности  развивать большие скорости. К  тому же расход горючего у  него был весьма велик.

В мае 1941 года в Англии состоялся первый испытательный полет экспериментального самолета Глостер “Е-28/39” с ТРД с центробежным компрессором конструкции Уиттла (рис.8).

 При 17 тысячах оборо-тов в  минуту этот двигатель развивал  тягу около 3800 ньютонов. Экспериментальный самолет представлял собой одноместный истребитель с одним ТРД, расположенным в фюзеляже позади кабины пило-та. Самолет имел убирающееся в полете трехколесное шасси.

Полтора года спустя, в октябре 1942 года, было проведено первое летное испытание американского реактивного самолета-истребителя “Эркомет” Р-59А с двумя ТРД конструкции Уиттла (рис.9). Это был моноплан со среднерасположенным крылом и с высокоустановленным хвостовым оперением.

Носовая часть фюзеляжа была сильно вынесена вперед. Самолет был оснащен трехко-лесным шасси; полетный вес машины составлял почти 5 тонн, потолок – 12 километ-ров. При летных испытаниях была достигнута скорость 800 километров в час.

Среди других самолетов с ТРД  этого периода следует отметить истребитель Глостер “Метеор”, первый полет которого состоялся в 1943 году. Этот одноместный цельнометаллический моноплан оказался одним из наиболее удачных реактивных самолетов-истребителей того периода. Два ТРД были установлены на низкорасположенном свободнонесущем крыле. Серийный боевой самолет развивал скорость 810 километров в час. Продолжительность полета составляла около 1,5 часов, потолок – 12 километров. Самолет имел 4 автоматические пушки калибра 20 миллиметров. Машина обладала хорошей маневренностью и управляемостью на всех скоростях.

Этот самолет был первым реактивным истребителем, применявшемся в боевых воздушных операциях союзной  авиации в борьбе против немецких самолетов-снарядов “V-1” в 1944 году. В ноябре 1941 года на специальном  рекордном варианте этой машины был  установлен мировой рекорд скорости полета – 975 километров в час.

 Это был первый офици-ально  зарегистрированный рекорд, установленный  на реактивном самолете. Во время  этого рекордного полета ТРД  развивали тягу примерно по 16 килоньютонов каждый, а потребление горю-чего соответствовало расходу приблизительно 4,5 тысячи литров в час.

В годы второй мировой войны несволько  типов боевых самолетов с ТРД  было разработано и испытано в  Германии. Укажем на двухмоторный истребитель  “Ме-262” (рис.10), развивавший максимальную скорость 850-900 километров в час (в зависимости от высоты полета) и четырехмоторный бомбардировщик “Арадо-234” (рис.11).

Истребитель “Ме-262” был наиболее отработанной и доведенной конструкцией среди многочисленных типов немецких реактивных машин периода второй мировой вой-ны. Боевая машина была вооружена четырьмя автома-тическими пушками калибром 30 миллиметров.

 На заключительном этапе  Великой Отечественной войны  в феврале 1945 года трижды Герой  Советского Союза И.Кожедуб в  одном из воздушных боев над территорией Германии впервые сбил реактивный самолет врага – “Ме-262”. В этом воздушном поединке решающим оказалось преимущество в маневренности, а не в скорости (максимальная скорость винтового истребителя “Ла-5” на высоте 5 километров была равна 622 километра в час, а реактивного истребителя “Ме-262” на той же высоте – около 850 километров в час).

Интересно отметить, что первые немецкие реактивные самолеты оснащались ТРД  с осевым компрессором, причем максимальная тяга двигателя была менее 10 килоньютонов. В то же время английские реактивные истребители были оборудованы ТРД с центробежным компрессором, развивающим примерно вдвое большую тягу.

Уже в начальный пе-риод развития реактивных машин прежние знакомые формы самолетов претер-певали более  или менее значительные изменения. Весьма необычно выглядел, например, английский ре-активный истребитель “Вампир” (рис.12) двухба-лочной конструкции.

 Еще более непривычным для  глаза был экспериментальный  английский реактивный самолет  “Летающее крыло” (рис.13). Этот бесфюзеляжный и бесхвостый самолет был выполнен в виде крыла, в котором размещались экипаж, горючее и т.д. Органы стабилизации и управления также были установлены на самом крыле. Достоинством этой схемы является минимальное лобовое сопротивление. Известные трудности представляет решение проблемы устойчивости и управляемости “Летающего крыла”.

 При разработке этого самолета  ожидалось, что стреловидность  крыла позволит добиться большой  устойчивости в полете при  одновременном существенном уменьшении  сопротивления. Английская авиационная фирма “Де-Хевиленд”, построившая самолет, предполагала использовать его для изучения явлений сжимаемости воздуха и устойчивости полета при больших скоростях. Стреловидность крыла этого цельнометаллического самолета составляла 40 градусов. Силовая установка состояла из одного ТРД. На концах крыльев в специальных обтекателях находились противоштопорные парашюты.

В мае 1946 года самолет “Летающее  крыло” быс впервые испытан в  пробном полете. А в сентябре того же года во время очередного испытательного полета он потерпел аварию и разбился. Пилотировавший его летчик трагически погиб.

В нашей стране в годы Великой  Отечественной войны начались обширные исследовательские работы по созданию боевых самолетов с ТРД. Война  ставила задачу – создать самолет-истребитель, обладающий не только большой скоростью, но и значительной продолжительностью полета: ведь разработанные реактивные истребители с ЖРД имели весьма малую продолжительность полета – всего 8-15 минут. Были разработаны боевые самолеты с комбинированной силовой установкой – винтомоторной и реактивной. Так, например, истребители “Ла-7” и “Ла-9” были снабжены реактивными ускорителями.

Работа над одним из первых советских  реактивных самолетов началась еще  в 1943-1944 годах. Эта боевая машина создавалась конструкторским коллективом, возглавляемым генералом инженерно-авиационной службы Артемом Ивановичем Микояном. То был истребитель “И-250” с комбинированной силовой установкой, которая состояла из поршневого авиадвигателя жидкостного охлаждения типа  “ВК-107 А” с воздушным винтом и ВРД, компрессор которого получал вращение от поршневого мотора. Воздух поступал в воздухозаборник под валом винта, проходил по каналу под кабиной летчика и поступал в компрессор ВРД. За компрессором были установлены форсунки для подачи топлива и запальная аппаратура. Реактивная струя выходила через сопло в хвостовой  части фюзеляжа. Свой  первый  полет “И-250” совершил еще в марте 1945 года. Во время летных испытаний была достигнута скорость, значительно превышающая 800 километров в час.

Вскоре этот же коллектив конструкторов  создал реактивный истребитель “МИГ-9”. На нем устанавливались два ТРД  типа “РД-20”. Каждый двигатель развивал тягу до 8800 ньютонов при 9,8 тысячах оборотов в минуту. Двигатель типа “РД-20” с осевым компрессором и регулируемым соплом имел кольцевую камеру сгорания с шестнадцатью горелками вокруг форсунок для впрыска топлива. 24 апреля 1946 года летчик-испытатель А.Н.Гринчик совершил на самолете “МИГ-9” первый полет. Как и самолет “БИ”, эта машина мало отличалась по своей конструктивной схеме от поршневых самолетов. И все же замена поршневого мотора реактивным двигателем повысила скорость примерно на 250 километров в час. Максимальная скорость “МИГ-9” превышала 900 километров в час. В конце 1946 года эта машина была запущена в серийное производство.

В апреле 1946 года был совершен первый полет на реактивном истребителе  конструкции А.С.Яковлева. Для облегчения перехода к производству этих самолетов  с ТРД был использован серийный винтовой истребитель “Як-3”, у которого передняя часть фюзеляжа и средняя часть крыла были переделаны под установку реактивного двигателя. Этот истребитель применялся как реактивный тренировочный самолет наших ВВС.

В 1947-1948 годах прошел летные испытания  советский реактивный истребитель конструкции А.С.Яковлева “Як-23” (рис.14), который обладал более высокой скоростью.

Это было достигнуто благодаря  установке на нем турбореактивного двигателя типа “РД-500”, который  раз-вивал тягу до 16 кило-ньютонов при 14,6 тысячах оборотов в минуту. “Як-23” представлял собой одномест-ный цельнометаллический мо-ноплан со среднерасположен-ным крылом.

При создании и испытании первых реактивных самолетов наши конструкторы столкнулись с новыми проблемами. Оказалось, что одного увеличения тяги двигателя еще недостаточно для осуществления полета со скоростью, близкой к скорости распространения звука. Исследования сжимаемости воздуха и условий возникновения скачков уплотнения проводились советскими учеными начиная с 30-х годов. Особенно большой размах они приобрели в 1942-1946 годах после летных испытаний реактивного истребителя “БИ” и других наших реактивных машин. В результате этих исследований уже к 1946 году был поставлен вопрос о коренном изменении аэродинамической схемы высокоскоростных реактивных самолетов. Встала задача создания реактивных самолетов со стреловидным крылом и оперением. Наряду с этим возникли и смежные задачи – потребовалась новая механизация крыла, иная система управления и т.д.

Настойчивая творческая работа научно-исследова-тельских, конструкторских и производственных коллективов увенчалась успехом: новые отечественные реактивные самолеты ни в чем не уступали мировой авиационной технике того периода. Среди скоростных реактивных машин, созданных в СССР в 1946-1947 годах, выделяется своими высокими летно-тактическими и эксплуатационными характеристиками реактивный истребитель конструкции А.И.Микояна и М.И.Гуревича “МИГ-15” (рис.15), со стреловидным крылом и оперением. Применение стреловидного крыла и оперения повысило скорость горизонтального полета без существенных изменений его устойчивости и управляемости. Увеличению скорости самолета во многом способствовало также повышение его энерговооруженности: на нем был установлен новый ТРД с центробежным компрессором “РД-45” с тягой около 19,5 килоньютонов при 12 тысячах оборотов в минуту. Горизонтальная и вертикальная скорости этой машины превосходили все достигнутое ранее на реактивных самолетах.