Реактивный двигатель

До середины 1940-х гг. самолёты летали на ДВС (поршневых двигателях — ПД). Но возможности ПД оказались ограниченны, а развитие авиации требовало всё больших мощностей. Ещё до начала Второй мировой войны технически развитые страны начали финансировать разработку нового типа двигателей — воздушно-реактивных двигателей (ВРД). В 1937 г. ВРД были созданы одновременно в Англии Ф. Уиттлом и в Германии инженером Х.И. Пабстом фон Охайном. В 1939 г. на ВРД Охайна в небо поднялся первый в мире реактивный самолёт.

ВРД современного самолёта

Что толкает самолёт?

Авиационные ДВС вращением своих движителей — винтов — в секунду отбрасывают до 1500 м³ воздушных масс, разгоняя их до высоких скоростей. Согласно третьему закону Ньютона, воздух давит на винт с той же силой, с которой винт давит на воздух. Сила противодействия воздуха винту — реактивная отдача воздуха (лат. «реакция» — противодействие) — это движущая сила, тяга, толкающая самолёт и заставляющая его лететь с определённой скоростью. Винтовой ДВС использует тягу воздуха, а реактивные двигатели — тягу реактивной струи. Реактивная струя создаётся смесью газов, истекающей с большой скоростью из сопел двигателя и «отбрасывающей» двигатель с самолётом в противоположную сторону. Огромная скорость и мощь выброса газов обеспечивается за счёт химической реакции окисления (горения) смеси нагретого воздуха с парами топлива (керосина).

Нагреваясь, газы расширяются, вылетают из направляющего канала двигателя — сопла — и толкают самолёт вперёд с такой мощью, которую не развивает ни один ДВС. Авиационным реактивным двигателям для работы нужен воздух, забираемый из атмосферы и необходимый для сгорания топлива, поэтому они относятся к типу воздушно-реактивных двигателей (ВРД).

Долгая предыстория

В 1791 г. англичанин Дж. Барбер, изучив эолипил Герона Александрийского и паровую турбину Дж. Бранка, создал на основе их идей первый газотурбинный двигатель, который он хотел использовать в качестве привода станков. В этом примитивном двигателе уже прослеживались основные черты будущих ВРД. В XIX — первой половине XX в. реактивный двигатель совершенствовался и «затачивался» под авиацию. Например, поршневые компрессоры Барбера (нагнетатели воздуха) были заменены осевыми компрессорами, посаженными на один вал с турбиной, появилось сопло для формирования реактивной струи.

Теорию создания авиационных реактивных двигателей начали разрабатывать «отец русской авиации» Н.Е. Жуковский в ряде работ 18821908 гг. и ученик К.Э. Циолковского Б.С. Стечкин в книге 1929 г. ««Теория воздушно-реактивного двигателя».

Газотурбинный двигатель Барбера. 1791 г. Горючий газ получали перегонкой угля или нефти в ретортах (1). В камеру сгорания (2) газ нагнетали поршневым компрессором (3), другим компрессором (4) туда также нагнетали воздух, нагревающийся от сжатия. Химическая реакция при смешивании паров газа и горячего воздуха приводила к расширению смеси, и газы с силой вылетали из камеры сгорания через трубку (5), формируя реактивную струю, раскручивающую лопасти турбины (6). Турбина вращала рабочий вал — привод станка. Часть энергии вращения через систему шестерёнок (7) и коромысел (8) приводила в движение поршни компрессоров.

Первый блин комом

Слава создателей ВРД досталась английским и немецким конструкторам. В Германии разработку реактивного двигателя финансировала немецкая авиастроительная компания «Хейнкель». В 1939 г. в небо поднялся первый реактивный самолёт — экспериментальный «Хейнкель» He-178, разработанный фон Охайном. Расчётная скорость Не-178 — 700 км/ч — заметно превосходила скорость самого быстрого самолёта с ДВС Второй мировой войны — американской «Аэрокобры» (580 км/ч). Но He-178 потреблял слишком много топлива, что не только удорожало полёт, но и ограничивало его дальность — топлива на борту хватало всего на 200 км («Аэрокобра» без дозаправки пролетала около 1000 км). Такие ограничения не устроили военных — заказчиков реактивных машин, и проект закрыли. Но технология реактивного двигателя Не-178 позднее использовались на других машинах.

Первый реактивный самолёт «Хейнкель» Не-178. Германия. 1939 г.

Развитие идеи

Немцы в 1944 г. первыми приняли на вооружение самолёты с реактивными двигателями фирмы «Юнкерс» — истребитель Me — 262 и бомбардировщик Ar 34. Великобритания с небольшой задержкой «ответила» истребителем «Глостер Метеор» с двумя ВРД конструкции Уиттла.

В СССР разработку собственного ВРД задержала война, поэтому за основу были взяты трофейные двигатели «Юнкерс». Это позволило весной 1946 г. поднять в воздух первые советские турбореактивные истребители Як — 15 и МиГ-9. Сейчас на ВРД летают почти все военные и «большие» гражданские самолёты.