Військово-морські сили США планують у майбутньому провести модернізацію силових газотурбінних установок, які в даний час встановлені на їхніх літаках і кораблях, змінивши звичайні двигуни з циклом Брайтона на ротаційні двигуни, що детонують. За рахунок цього передбачається економія палива на суму близько 400 мільйонів доларів щороку. Однак серійне використання нових технологій можливе, за оцінками експертів, не раніше ніж через десятиліття.
Розробки ротаційних або спинових ротаційних двигунів в Америці проводяться Науково-дослідною лабораторією флоту США. Згідно з початковими підрахунками, нові двигуни володітимуть більшою потужністю, а також приблизно на чверть економічніше звичайних двигунів. При цьому основні принципи роботи силової установки залишаться колишніми – гази від палива, що згоріло, надходитимуть у газову турбіну, обертаючи її лопаті. Згідно з даними лабораторії ВМС США, навіть у відносно далекому майбутньому, коли весь американський флот приводиться в дію за допомогою електрики, за вироблення енергії, як і раніше, відповідатимуть газові турбіни, певною мірою видозмінені.
Нагадаємо, що винахід пульсуючого повітряно- реактивного двигунапосідає кінець дев'ятнадцятого століття. Автором винаходу був шведський інженер Мартін Віберг. Широке поширення нові силові установки набули в роки Другої світової війни, хоча вони значно поступалися своїми технічним характеристикамавіадвигунам, які існували на той час.
Слід зазначити, що на Наразічасу американський флот налічує 129 кораблів, у яких використовується 430 газотурбінних двигуна. Щороку витрати на забезпечення їх паливом становлять близько 2 мільярдів доларів. У майбутньому, коли сучасні двигунибудуть замінені новими, зміняться та обсяги витрат на паливну складову.
Двигуни внутрішнього згоряння, що використовуються в даний час, працюють за циклом Брайтона. Якщо визначити суть даного поняття в кількох словах, то все зводиться до послідовного змішування окислювача та палива, подальшого стиснення отриманої суміші, потім – підпалу та горіння з розширенням продуктів горіння. Це розширення якраз і використовується для руху, переміщення поршнів, обертання турбіни, тобто виконання механічних дій, забезпечуючи постійний тиск. Процес горіння паливної суміші рухається із дозвуковою швидкістю – цей процес зветься дафлаграція.
Що стосується нових двигунів, то вчені мають намір використовувати в них вибухове горіння, тобто детонацію, коли горіння відбувається зі надзвуковою швидкістю. І хоча в даний час явище детонації ще вивчене не повною мірою, проте відомо, що при такому вигляді горіння виникає ударна хвиля, яка поширюючись по суміші палива та повітря викликає хімічну реакцію, наслідком якої є виділення досить великої кількості теплової енергії. Коли ударна хвиля проходить через суміш, відбувається її нагрівання, що призводить до детонації.
У розробці нового двигуна планується використовувати певні напрацювання, отримані в процесі розробки детонаційного пульсуючого двигуна. Його принцип роботи полягає в тому, що попередньо стисла паливна суміш подається в камеру згоряння, де здійснюється її підпал та детонація. Продукти горіння розширюються в соплі, виконуючи механічні дії. Потім цикл повторюється спочатку. Але недоліком пульсуючих двигунів і те, що частота повторення циклів занадто мала. Крім цього, конструкція самих цих двигунів у разі збільшення числа пульсацій стає складнішою. Це пояснюється необхідністю синхронізації роботи клапанів, які відповідають за подачу паливної суміші, а також безпосередньо самими циклами детонування. Пульсуючі двигуни ще й дуже галасливі, для їх роботи необхідна велика кількість палива, а робота можлива тільки при постійному дозованому виприскуванні палива.
Якщо порівнювати детонаційні ротаційні двигуни з пульсуючими, принцип їх роботи трохи відрізняється. Так, зокрема, в нових двигунах передбачена постійна детонація палива в камері згоряння. Подібне явище отримало назву спинова, або детонація, що обертається. Вперше її було описано 1956 року радянським ученим Богданом Войцеховським. А відкрито це явище було набагато раніше, ще 1926 року. Першопрохідцями стали британці, які помітили, що в певних системах виникала яскрава «голова», що світилася, яка рухалася по спіралі, замість детонаційної хвилі, що має плоску форму.
Войцехівський же, використавши фотореєстратор, який сам і сконструював, сфотографував фронт хвилі, яка рухалася в кільцевій камері згоряння в паливній суміші. Спинова детонація відрізняється від плоскої тим, що в ній виникає єдина ударна поперечна хвиля, потім слідує нагрітий газ, який не прореагував, а вже за цим шаром знаходиться зона хімічної реакції. І саме така хвиля запобігає згоранню самої камери, яку Марлен Топчіян обізвав «сплющеним бубликом».
Слід зазначити, що у минулому детонаційні двигуни вже застосовувалися. Зокрема йдеться і про пульсуючий повітряно-реактивний двигун, який використовувався німцями наприкінці Другої світової війни на крилатих ракетах «Фау-1». Виробництво його було досить простим, використання досить легким, проте при цьому цей двигун був не дуже надійним для вирішення важливих завдань.
Далі, в 2008 році, у повітря піднявся Rutang Long-EZ - експериментальний літак, оснащений детонаційним пульсуючим двигуном. Політ тривав лише десять секунд на висоті тридцяти метрів. За цей час силова установка розвинула потяг близько 890 ньютонів.
Експериментальний зразок двигуна, представлений американською лабораторією ВМС США, це кільцева конусоподібна камера згоряння, що має діаметр 14 сантиметрів з боку подачі палива і 16 сантиметрів з боку сопла. Між стінами камери відстань становить 1 сантиметр, при цьому трубка має довжину 17,7 сантиметрів.
Суміш повітря та водню використовується як паливна суміш, яка подається під тиском 10 атмосфер в камеру згоряння. Температура суміші складає 27,9 градусів. Зазначимо, ця суміш визнана найзручнішою для вивчення явища спинової детонації. Але, як стверджують вчені, у нових двигунах цілком можна буде використовувати паливну суміш, що складається не тільки з водню, але й з інших горючих компонентів та повітря.
Експериментальні дослідження ротаційного двигунапоказали його велику ефективність та потужність у порівнянні з двигунами внутрішнього згоряння. Ще одна перевага – значна економія палива. У той же час, в ході проведення експерименту було виявлено, що згоряння паливної суміші в ротаційному пробному двигуні відбувається неоднорідно, тому необхідно оптимізувати конструкцію двигуна.
Продукти горіння, які розширюються в соплі, можна зібрати в один газовий струмінь за допомогою конуса (це так званий ефект Коанда), а потім цей струмінь відправляти в турбіну. Під дією цих газів турбіна обертатиметься. Таким чином, частково роботу турбіни можна буде використовувати для руху кораблів, а частково – для вироблення енергії, яка необхідна для корабельного обладнання та різних систем.
Самі двигуни можна виробляти без рухомих частин, що значно спростить їхню конструкцію, що, у свою чергу, знизить вартість силової установки в цілому. Але це лише у перспективі. Перед тим, як запускати нові двигуни в серійне виробництво, необхідно вирішити чимало непростих завдань, одним із яких є підбір міцних термостійких матеріалів.
Зазначимо, що зараз ротаційні детонаційні двигуни вважаються одними з найбільш перспективних двигунів. Розробками їх займаються вчені з Техаського університету в Арлінгтоні. Силову установку, яку було створено, було названо «двигуном безперервної детонації». У тому ж університеті проводяться дослідження з підбору різних діаметрів кільцевих камер та різних паливних сумішей, До складу яких входять водень і повітря або кисень у різних пропорціях.
У Росії також ведуться розробки у цьому напрямі. Так, у 2011 році, за словами керуючого директора науково-виробничого об'єднання «Сатурн» І.Федорова, силами вчених Науково-технічного центру імені Люльки ведуться розробки пульсуючого повітряного реактивного двигуна. Робота ведеться паралельно із розробками перспективного двигуна, який отримав назву «Виріб 129» для Т-50 Крім цього, Федоров також сказав, що об'єднання проводить дослідження зі створення перспективних літаків наступного етапу, які, як передбачається, будуть безпілотними.
При цьому керівник не уточнив, про який саме вид пульсуючого двигуна йдеться. На даний момент відомі три типи таких двигунів – безклапанний, клапанний та детонаційний. Загальноприйнятим, тим часом, визнано факт, що пульсуючі двигуни є найбільш простими та дешевими у виробництві.
На сьогоднішній день деякі великі оборонні фірми займаються проведенням досліджень у сфері створення високоефективних пульсуючих реактивних двигунів. Серед цих фірм – американські Pratt & Whitney та General Electric та французька SNECMA.
Таким чином, можна зробити певні висновки: створення нового перспективного двигуна має певні труднощі. Головна проблема в даний момент полягає в теорії: що саме відбувається при русі ударної хвилі детонації по колу, відомо лише в загальних рисах, а це значною мірою ускладнює процес оптимізації розробок. Тому нова технологія, хоч і має дуже велику привабливість, але в масштабах промислового виробництва вона малореалізована.
Однак, якщо дослідникам вдасться розібратися з теоретичними питаннями, можна буде говорити про справжній прорив. Адже турбіни використовуються не лише на транспорті, а й у енергетичній сфері, в якій підвищення ККД може мати ще сильніший ефект.
Використані матеріали:
http://science.compulenta.ru/719064/
http://lenta.ru/articles/2012/11/08/detonation/
Історія авіації характеризується безперервною боротьбою за підвищення швидкості польоту літаків. Перший офіційно зареєстрований світовий рекорд швидкості, встановлений у 1906 році, становив лише 41,3 кілометри на годину. До 1910 року швидкість найкращих літаків зросла до 110 кілометрів на годину. Побудований на Російсько-Балтійському заводі ще в початковий період першої світової війни літак-винищувач РБВЗ-16 мав максимальну швидкість польоту - 153 кілометри на годину. А до початку Другої світової війни вже не окремі машини – тисячі літаків літали зі швидкостями, що перевищували 500 кілометрів на годину.
З механіки відомо, що потужність, необхідна забезпечення руху літака, дорівнює добутку сили тяги з його швидкість. Таким чином, потужність зростає пропорційно до куба швидкості. Отже, щоб збільшити швидкість польоту гвинтомоторного літака вдвічі необхідно підвищити потужність його двигунів у вісім разів. Це веде до зростання ваги силової установки та значного збільшення витрати пального. Як показують розрахунки, для подвоєння швидкості літака, що веде до збільшення його ваги та розмірів, потрібно підвищити потужність поршневого двигунау 15-20 разів.
Але починаючи зі швидкості польоту 700-800 кілометрів на годину і при наближенні її до швидкості звуку опір повітря збільшується ще різкіше. Крім того, коефіцієнт корисної дії повітряного гвинта досить високий лише за швидкостей польоту, що не перевищують 700-800 кілометрів на годину. З подальшим зростанням швидкості він різко знижується. Тому, незважаючи на всі старання авіаконструкторів, навіть у найкращих літаків-винищувачів із поршневими моторами потужністю 2500-3000 кінських силмаксимальна швидкість горизонтального польоту не перевищувала 800 кілометрів на годину.
Як бачимо, для освоєння великих висот та подальшого збільшення швидкості був потрібен новий авіаційний двигун, Потяг і потужність якого зі збільшенням швидкості польоту не падали б, а зростали.
І такий двигун було створено. Це – авіаційний реактивний двигун. Він був значно потужнішим і легшим за громіздкі гвинтомоторні установки. Використання цього двигуна врешті-решт дозволило авіації переступити звуковий бар'єр.
Принцип роботи та класифікація реактивних двигунів
Щоб зрозуміти принцип роботи реактивного двигуна, пригадаємо, що відбувається під час пострілу з будь-якої вогнепальної зброї. Кожному, хто стріляв із рушниці чи пістолета, відома дія віддачі. У момент пострілу порохові гази з величезною силою поступово тиснуть на всі боки. Внутрішні стінки стовбура, дно кулі або снаряда і дно гільзи, що утримується затвором, зазнають цього тиску.
Сили тиску на стінки ствола взаємно врівноважуються. Тиск порохових газів на кулю (снаряд) викидає її з гвинтівки (зброї), а тиск газів на дно гільзи є причиною віддачі.
Віддачу легко зробити і джерелом безперервного руху. Уявимо собі, наприклад, що ми поставили на легкий візок верстатний піхотний кулемет. Тоді при безперервній стрільбі з кулемета вона покотиться під впливом поштовхів віддачі у бік, протилежний до напрямку стрільби.
На такому принципі і ґрунтується дія реактивного двигуна. Джерелом руху в реактивному двигуні є реакція або віддача газового струменя.
У закритій посудині знаходиться стислий газ. Тиск газу рівномірно розподіляється на стінки судини, яка при цьому залишається нерухомою. Але якщо видалити одну з торцевих стінок судини, то стислий газ, прагнучи розширитися, почне швидко витікати з отвору назовні.
Тиск газу на протилежну до отвору стінку вже не буде врівноважуватися, і посудина, якщо він не закріплений, почне рухатися. Важливо відзначити, що чим більший тиск газу, тим більша швидкість його закінчення, і тим швидше рухатиметься судина.
Для роботи реактивного двигуна достатньо спалювати в резервуарі порох чи іншу горючу речовину. Тоді надлишковий тиск у посудині змусить гази безперервно витікати у вигляді струменя продуктів згоряння в атмосферу зі швидкістю тим більшою, чим вищий тиск усередині самого резервуара і чим менший тиск зовні. Витік газів з судини відбувається під впливом сили тиску, що збігається з напрямком виходить через отвір струменя. Отже неминуче з'явиться й інша сила рівної величини та протилежного спрямування. Вона і змусить резервуар рухатися.
Ця сила має назву сили реактивної тяги.
Усі реактивні двигуни можна поділити на кілька основних класів. Розглянемо угруповання реактивних двигунів за родом використовуваного в них окислювача.
У першу групу входять реактивні двигуни з власним окислювачем, звані ракетні двигуни. Ця група у свою чергу складається з двох класів: ПРД – порохових реактивних двигунів та ЗРД – рідинних реактивних двигунів.
У порохових реактивних двигунах паливо одночасно містить пальне і необхідний його згоряння окислювач. Найпростішим ПРД є добре всім відома феєрверкова ракета. У такому двигуні порох згоряє протягом декількох секунд або навіть часток секунди. Реактивна тяга, що розвивається при цьому, досить значна. Запас палива обмежений об'ємом камери згоряння. 
У конструктивному відношенні ПРД винятково простий. Він може застосовуватися як нетривало працююча, але створює все ж таки досить велику силу тяги установка.
У рідинних реактивних двигунах до складу палива до складу палива входить будь-яка горюча рідина(зазвичай гас або спирт) і рідкий кисень або якась кисневмісна речовина (наприклад, перекис водню або азотна кислота). Кисень або речовина, що його замінює, необхідне для спалювання пального, прийнято називати окислювачем. Працюючи ЗРД пальне і окислювач безперервно надходять у камеру згоряння; продукти згоряння вивергаються назовні через сопло.
Рідинний та пороховий реактивні двигуни, на відміну від інших, здатні працювати в безповітряному просторі.
Другу групу утворюють повітряно-реактивні двигуни – ВРД, які використовують окислювач із повітря. Вони у свою чергу поділяються на три класи: прямоточні ВРД (ПВРД), пульсуючі ВРД (ПуВРД) та турбореактивні двигуни (ТРД).
У прямоточному (або без компресорному) ВРД пальне спалюється в камері згоряння в атмосферному повітрі, стиснутому своїм власним швидкісним натиском. Стиснення повітря здійснюється згідно із законом Бернуллі. Відповідно до цього закону, при русі рідини або газу по каналу, що розширюється, швидкість струменя зменшується, що веде до підвищення тиску газу або рідини.
Для цього в ПВРД передбачений дифузор - канал, що розширюється, по якому атмосферне повітря потрапляє в камеру згоряння.
Площа вихідного перерізу сопла зазвичай значно більша за площу вхідного перерізу дифузора. Крім того, по поверхні дифузора тиск розподіляється інакше і має більші значення, ніж на стінках сопла. Внаслідок дії всіх цих сил виникає реактивна тяга.
ККД прямоточного ВРД за швидкості польоту 1000 кілометрів на годину дорівнює приблизно 8-9%. А при збільшенні цієї швидкості в 2 рази ККД часом може досягти 30% - вище, ніж у поршневого авіадвигуна. Але треба зауважити, що ПВРД має істотний недолік: такий двигун не дає тяги на місці і не може, отже, забезпечити самостійний зліт літака.
Складніше влаштований турбореактивний двигун (ТРД). У польоті зустрічне повітря проходить через передній вхідний отвір компресора і стискається в кілька разів. Стиснене компресором повітря потрапляє в камеру згоряння, куди впорскується рідке пальне (зазвичай гас); гази, що утворюються при згорянні цієї суміші, подаються до лопаток газової турбіни.
Диск турбіни закріплений на одному валу з колесом компресора, тому гарячі гази, що проходять через турбіну, обертають разом з компресором. З турбіни гази потрапляють у сопло. Тут їх тиск падає, а швидкість зростає. Газовий струмінь, що виходить з двигуна, створює реактивну тягу.
На відміну від прямоточного ВРД, турбореактивний двигун здатний розвивати тягу і при роботі на місці. Він може самостійно забезпечити зліт літака. Для запуску ТРД застосовуються спеціальні пускові пристрої: електростартери та газотурбостартери.
Економічність ТРД на звукових швидкостях польоту набагато вища, ніж прямоточного ВРД. І лише на надзвукових швидкостях близько 2000 кілометрів на годину витрата пального для обох типів двигунів стає приблизно однаковою.
Коротка історія розвитку реактивної авіації
Найвідомішим і найпростішим реактивним двигуном є порохова ракета, багато століть тому винайдена у стародавньому Китаї. Природно, що порохова ракета виявилася першим реактивним двигуном, який спробували використовувати як авіаційну силову установку.
На початку 1930-х років у СРСР розгорнулися роботи, пов'язані зі створенням реактивного двигуна для літальних апаратів. Радянський інженер Ф.А.Цандер ще 1920 року висловив ідею висотного ракетного літака. Його двигун “ОР-2”, який працював на бензині та рідкому кисні, призначався для встановлення на досвідчений літак.
У Німеччині за участю інженерів Вальє, Зенгера, Опеля і Штаммера починаючи з 1926 систематично проводилися експерименти з пороховими ракетами, що встановлювалися на автомобіль, велосипед, дрезину і, нарешті, на літак. У 1928 року було отримано перші практичні результати: ракетний автомобіль показав швидкість близько 100 км/год, а дрезина – до 300 км/год. У червні того ж року було здійснено перший політ літака із пороховим реактивним двигуном. На висоті 30 м. Цей літак пролетів 1,5 км, протримавшись у повітрі лише одну хвилину. Через трохи більше року політ був повторений, причому було досягнуто швидкість польоту 150 км/год.
До кінця 30-х років нашого століття різних країнахвелися дослідницькі, конструкторські та експериментальні роботи зі створення літаків з реактивними двигунами.
У 1939 році в СРСР відбулися льотні випробування прямоточних повітряно-реактивних двигунів(ПВРД) літаком “І-15” конструкції Н.Н.Поликарпова. ПВРД конструкції І.А.Меркулова були встановлені на нижніх площинах літака як додаткові мотори. Перші польоти проводив досвідчений льотчик-випробувач П. Є. Логін. На заданій висоті він розганяв машину до максимальної швидкості та включав реактивні двигуни. Тяга додаткових ПВРД збільшувала максимальну швидкість польоту. У 1939 році було відпрацьовано надійний запуск двигуна в польоті та стійкість процесу горіння. У польоті льотчик міг неодноразово вмикати та вимикати двигун та регулювати його тягу. 25 січня 1940 року після заводського відпрацювання двигунів та перевірки їх безпеки у багатьох польотах відбулося офіційне випробування – політ літака з ПВРД. Стартувавши з Центрального аеродрому імені Фрунзе в Москві, льотчик Логінов увімкнув на невеликій висоті реактивні двигуни і зробив кілька кіл над районом аеродрому.
Ці польоти льотчика Логінова у 1939 та 1940 роках були першими польотами літаком з допоміжними ПВРД. Слідом за ним у випробуванні цього двигуна взяли участь льотчики-випробувачі Н.А.Сопоцко, А.В.Давидов та А.І.Жуков. Влітку 1940 року ці двигуни були встановлені та випробувані на винищувачі І-153 "Чайка" конструкції Н.Н.Полікарпова. Вони збільшували швидкість літака на 40-50 км/годину.
Однак при швидкостях польоту, які могли розвивати гвинтові літаки, додаткові безкомпресорні ВРД витрачали дуже багато пального. Є у ПВРД ще один важливий недолік: такий двигун не дає тяги на місці і не може, отже, забезпечити самостійний зліт літака. Це означає, що літак з подібним двигуномповинен бути обов'язково забезпечений якоюсь допоміжною стартовою силовою установкою, наприклад гвинтомоторною, інакше йому не піднятися в повітря.
Наприкінці 30-х – початку 40-х років нашого століття розроблялися та випробовувалися перші літаки з реактивними двигунами інших типів.
Один із перших польотів людини на літаку з рідинним реактивним двигуном (ЗРД) був також здійснений в СРСР. Радянський льотчик В.П.Федоров у лютому 1940 року випробував у повітрі ЖРД вітчизняної конструкції. Літним випробуванням передувала велика підготовча робота. Спроектований інженером Л.С.Душкіним ЖРД із регульованою тягою пройшов всебічні заводські випробування на стенді. Потім його встановили на планер конструкції С.П.Корольова. Після того, як двигун успішно пройшов наземні випробування на планері, почали льотні випробування. Реактивний літак відбуксували звичайним гвинтовим літаком на висоту 2 км. На цій висоті льотчик Федоров відчепив трос і, відлетівши на деяку відстань від літака-буксирувальника, увімкнув ЖРД. Двигун стійко працював до витрачання палива. Після закінчення моторного польоту льотчик успішно спланував і приземлився на аеродромі.
Ці льотні випробування стали важливим щаблем на шляху створення швидкісного реактивного літака.
Невдовзі радянський конструктор В.Ф.Болховитинов спроектував літак, у якому як силової установки використали ЖРД Л.С.Душкина. Незважаючи на труднощі воєнного часу, вже в грудні 1941 двигун був побудований. Паралельно створювався і літак. Проектування та будівництво цього першого у світі винищувача з ЖРД було завершено в рекордно короткий термін: лише за 40 днів. Одночасно йшла підготовка до льотних випробувань. Проведення перших випробувань у повітрі нової машини, Що отримала марку "БІ", було покладено на льотчика-випробувача капітана Г.Я.Бахчіванджі.
15 травня 1942 року відбувся перший політ бойового літака із ЗРД. Це був невеликий гостроносий літак-моноплан з шасі, що забирався в польоті, і хвостовим колесом. У носовому відсіку фюзеляжу містилися дві гармати калібром 20 мм, боєзапас до них та радіоапаратура. Далі були розташовані кабіна пілота, закрита ліхтарем, та паливні баки. У хвостовій частині був двигун. Польотні випробування пройшли успішно.
У роки Великої Вітчизняної війнирадянські авіаконструктори працювали над іншими типами винищувачів з ЖРД. Конструкторський колектив, керований М. Н. Полікарповим, створив бойовий літак "Малютка". Інший колектив конструкторів на чолі з М.К.Тихонравовим розробив реактивний винищувач марки "302".
Роботи зі створення бойових реактивних літаків широко проводилися за кордоном.
У червні 1942 року відбувся перший політ німецького реактивного винищувача-перехоплювача Ме-163 конструкції Мессершмітта. Лише дев'ятий варіант цього літака було запущено у серійне виробництво 1944 року.
Вперше цей літак із ЗРД був застосований у бойовій обстановці в середині 1944 при вторгненні союзницьких військ до Франції. Він призначався для боротьби з бомбардувальниками та винищувачами супротивника над німецькою територією. Літак був монопланом без горизонтального хвостового оперення, що виявилося можливим завдяки великій стрілоподібності крила.
Фюзеляжу надали обтічна форма. Зовнішні поверхні літака були дуже гладкими. У носовому відсіку фюзеляжу розміщувалася вітрянка для приводу генератора електросистеми літака. У хвостовій частині фюзеляжу встановлювався двигун - ЗРД з тягою до 15 кН. Між корпусом двигуна та обшивкою машини була вогнетривка прокладка. Баки з пальним були розміщені в крилах, а з окислювачами – усередині фюзеляжу. Звичайного шасі літаком не було. Зліт відбувався за допомогою спеціального стартового візка та хвостового колеса. Відразу після зльоту цей візок скидався, а хвостове колесо забиралося всередину фюзеляжу. Управління літаком проводилося за допомогою керма повороту, встановленого, як завжди, за кілем, і розміщених у площині крила кермів висоти, які одночасно були і елеронами. Посадка проводилася на сталеву лижу для посадки довжиною близько 1,8 метра з полозом шириною 16 сантиметрів. Зазвичай літак злітав, використовуючи тягу встановленого у ньому двигуна. Однак за задумом конструктора було передбачено можливість використання підвісних стартових ракет, які скидалися після зльоту, а також можливість буксирування іншим літаком до потрібної висоти. Працюючи ЗРД у режимі повної тяги літак міг набирати висоту майже з вертикалі. Розмах крил літака складав 9,3 метри, його довжина – близько 6 метрів. Політна вага при зльоті дорівнювала 4,1 тонни, при посадці - 2,1 тонни; отже, за весь час моторного польоту літак ставав майже вдвічі легшим – витрачав приблизно 2 тонни палива. Довжина розбігу була понад 900 метрів, скоропідйомність – до 150 метрів за секунду. Висоту 6 кілометрів літак досягав через 2,5 хвилини після зльоту. Стеля машини була 13,2 кілометра. При безперервній роботіЖРД політ тривав до 8 хвилин. Зазвичай після досягнення бойової висоти двигун працював не безперервно, а періодично, причому літак планував, то розганявся. В результаті загальна тривалість польоту могла бути доведена до 25 хвилин і навіть більше. Для такого режиму роботи характерні значні прискорення: при включенні ЗРД на швидкості 240 кілометрів на годину літак досягав швидкості 800 кілометрів на годину за 20 секунд (за цей час він пролітав 5,6 кілометрів із середнім прискоренням 8 метрів на секунду квадрат). Біля землі цей літак розвивав максимальну швидкість 825 кілометрів на годину, а в інтервалі висот 4-12 кілометрів його максимальна швидкість зростала до 900 кілометрів на годину.
У той же період у низці країн велися інтенсивні роботи зі створення повітряно-реактивних двигунів (ВРД) різних типівта конструкцій. У Радянському Союзі, як уже говорилося, випробовувався прямоточний ВРД, встановлений літаком-винищувачем.
В Італії в серпні 1940 року був здійснений перший 10-хвилинний політ реактивного літака-моноплана Кампіні-Капроні СС-2. На цьому літаку було встановлено так званий мотокомпресорний ВРД (цей тип ВРД не розглядався в огляді реактивних двигунів, оскільки він виявився невигідним і не отримав поширення). Повітря входило через спеціальний отвір у передній частині фюзеляжу в трубу змінного перерізу, де підтискалося компресором, який отримував обертання від розташованого за зіркоподібним поршневим авіамотором потужністю 440 кінських сил.
Потім потік стиснутого повітряомив цей поршневий двигун повітряного охолодження і трохи нагрівався. Перед надходженням в камеру згоряння повітря змішувалося з вихлопними газамивід цього двигуна. У камері згоряння, куди впорскувалося паливо, внаслідок його спалювання температура повітря підвищувалася ще більше.
Газо-повітряна суміш, що витікала із сопла в хвостовій частині фюзеляжу, створювала реактивну тягу цієї силової установки. Площа вихідного перерізу реактивного сопла регулювалася за допомогою конуса, що може переміщатися вздовж осі сопла. Кабіна пілота розташовувалась угорі фюзеляжу над трубою для потоку повітря, що проходить через весь фюзеляж. У листопаді 1941 року на цьому літаку було здійснено переліт з Мілана до Риму (з проміжною посадкою в Пізі для заправки пальним), який тривав 2,5 години, причому Середня швидкістьпольоту становила 210 кілометрів на годину.
Як бачимо, реактивний літак із двигуном, виконаним за такою схемою, виявився невдалим: він був позбавлений головної якості реактивного літака – здатності розвивати великі швидкості. До того ж витрата пального в нього була дуже велика.
У травні 1941 року в Англії відбувся перший випробувальний політ експериментального літака Глостер "Е-28/39" з ТРД з відцентровим компресором конструкції Віттла.
За 17 тисяч обертів за хвилину цей двигун розвивав тягу близько 3800 ньютонів. Експериментальний літак був одномісний винищувач з одним ТРД, розташованим у фюзеляжі за кабіною пілота. Літак мав триколісне шасі, що прибиралося в польоті.
Через півтора роки, у жовтні 1942 року, було проведено перше льотне випробування американського реактивного літака-винищувача “Еркомет” Р-59А з двома ТРД конструкції Уіттла. Це був моноплан із середньорозташованим крилом і з високо встановленим хвостовим оперенням.
Носову частину фюзеляжу було сильно винесено вперед. Літак був оснащений триколісним шасі; політна вага машини становила майже 5 тонн, стеля – 12 кілометрів. При льотних випробуваннях було досягнуто швидкості 800 кілометрів на годину.
Серед інших літаків із ТРД цього періоду слід зазначити винищувач Глостер "Метеор", перший політ якого відбувся 1943 року. Цей одномісний суцільнометалевий моноплан виявився одним із найвдаліших реактивних літаків-винищувачів того періоду. Два ТРД були встановлені на низько розташованому вільнонесучому крилі. Серійний бойовий літак розвивав швидкість 810 кілометрів на годину. Тривалість польоту складала близько 1,5 години, стеля – 12 кілометрів. Літак мав 4 автоматичні гармати калібру 20 мм. Машина мала хорошу маневреність і керованість на всіх швидкостях.
Цей літак був першим реактивним винищувачем, який застосовувався у бойових повітряних операціях союзної авіації у боротьбі проти німецьких літаків-снарядів "V-1" у 1944 році. У листопаді 1941 року на спеціальному рекордному варіанті цієї машини було встановлено світовий рекорд швидкості польоту – 975 кілометрів на годину.
То був перший офіційно зареєстрований рекорд, встановлений на реактивному літаку. Під час цього рекордного польоту ТРД розвивали тягу приблизно по 16 кілоньютонів кожен, а споживання пального відповідало витраті приблизно 4,5 тисячі літрів на годину.
У роки Другої світової війни кілька типів бойових літаків з ТРД було розроблено та випробувано у Німеччині. Вкажемо на двомоторний винищувач “Ме-262”, який розвивав максимальну швидкість 850-900 кілометрів на годину (залежно від висоти польоту) та чотирьох моторний бомбардувальник “Арадо-234”.
Винищувач “Ме-262” був найбільш відпрацьованою та доведеною конструкцією серед численних типів німецьких. реактивних машинперіоду Другої світової війни. Бойову машину було озброєно чотирма автоматичними гарматами калібром 30 міліметрів.
На заключному етапі Великої Вітчизняної війни у лютому 1945 року Герой тричі. Радянського СоюзуІ.Кожедуб в одному з повітряних боїв над територією Німеччини вперше збив реактивний літак ворога – “Ме-262”. У цьому повітряному поєдинку вирішальним виявилася перевага в маневреності, а не в швидкості (максимальна швидкість гвинтового винищувача "Ла-5" на висоті 5 кілометрів дорівнювала 622 кілометри на годину, а реактивного винищувача "Ме-262" на тій же висоті - близько 850 кілометрів за годину).
Цікаво відзначити, що перші німецькі реактивні літакиоснащувалися ТРД з осьовим компресором, причому максимальна тяга двигуна була менше 10 кілоньютонів. У той же час англійські реактивні винищувачі були обладнані ТРД із відцентровим компресором, що розвиває приблизно вдвічі більшу тягу.
Вже в початковий період розвитку реактивних машин колишні знайомі форми літаків зазнавали більш менш значних змін. Незвичайно виглядав, наприклад, англійський реактивний винищувач "Вампір" двох балочної конструкції.
Ще більш незвичним для ока був експериментальний англійський реактивний літак "Літаюче крило". Цей біс фюзеляжний і безхвостий літак був виконаний у вигляді крила, в якому розміщувалися екіпаж, пальне і т.д. Органи стабілізації та управління також були встановлені на самому крилі. Перевагою цієї схеми є мінімальний лобовий опір. Відомі труднощі представляє вирішення проблеми стійкості та керованості "Літаючого крила".
При розробці цього літака очікувалося, що стрілоподібність крила дозволить досягти великої стійкості в польоті при одночасному суттєвому зменшенні опору. Англійська авіаційна фірма "Де-Хевіленд", яка побудувала літак, передбачала використовувати його для вивчення явищ стисливості повітря та стійкості польоту при великих швидкостях. Стріловидність крила цього суцільнометалевого літака складала 40 градусів. Силова установка складалася з одного ТРД. На кінцях крил у спеціальних обтічниках були протиштопорні парашути.
У травні 1946 року літак "Літаюче крило" був вперше випробуваний у пробному польоті. А у вересні того ж року під час чергового випробувального польоту він зазнав аварії та розбився. Пілотуючий його льотчик трагічно загинув.
У нашій країні роки Великої Великої Вітчизняної війни почалися великі дослідницькі роботи зі створення бойових літаків з ТРД. Війна ставила завдання – створити літак-винищувач, який володіє не тільки великою швидкістю, Але й значною тривалістю польоту: адже розроблені реактивні винищувачі із ЗРД мали дуже малу тривалість польоту – всього 8-15 хвилин. Були розроблені бойові літаки з комбінованою силовою установкою – гвинтомоторною та реактивною. Так, наприклад, винищувачі "Ла-7" та "Ла-9" були забезпечені реактивними прискорювачами.
Робота над одним із перших радянських реактивних літаків розпочалася ще у 1943-1944 роках.
Ця бойова машина створювалася конструкторським колективом, очолюваним генералом інженерно-авіаційної служби Артемом Івановичем Мікояном. То був винищувач "І-250" з комбінованою силовою установкою, що складалася з поршневого авіадвигуна рідинного охолодженнятипу "ВК-107 А" з повітряним гвинтом та ВРД, компресор якого отримував обертання від поршневого мотора. Повітря надходило в повітрозабірник під валом гвинта, проходило каналом під кабіною льотчика і надходило в компресор ВРД. За компресором були встановлені форсунки для подачі палива та запальна апаратура. Реактивний струмінь виходив через сопло у хвостовій частині фюзеляжу. Свій перший політ "І-250" здійснив ще у березні 1945 року. Під час льотних випробувань було досягнуто швидкості, що значно перевищує 800 кілометрів на годину.
Невдовзі цей колектив конструкторів створив реактивний винищувач “МИГ-9”. На ньому встановлювалися два ТРД типу "РД-20". Кожен двигун розвивав тягу до 8800 ньютонів при 9,8 тисяч обертів за хвилину. Двигун типу “РД-20” з осьовим компресором та регульованим соплом мав кільцеву камеру згоряння з шістнадцятьма пальниками навколо форсунок для упорскування палива. 24 квітня 1946 року льотчик-випробувач А.Н.Грінчик здійснив літаком “МИГ-9” перший політ. Як і літак "БІ", ця машина мало відрізнялася за конструктивною схемою від поршневих літаків. І все ж заміна поршневого двигуна реактивним двигуном підвищила швидкість приблизно на 250 кілометрів на годину. Максимальна швидкість "МІГ-9" перевищувала 900 кілометрів на годину. Наприкінці 1946 року ця машина була запущена у серійне виробництво.
У квітні 1946 року здійснено перший політ на реактивному винищувачі конструкції А.С.Яковлева. Для полегшення переходу до виробництва цих літаків з ТРД був використаний серійний гвинтовий винищувач Як-3, у якого передня частина фюзеляжу і середня частина крила були перероблені під установку реактивного двигуна. Цей винищувач застосовувався як реактивний тренувальний літак наших ВПС.
У 1947-1948 роках пройшов льотні випробування радянський реактивний винищувач конструкції А.С.Яковлева "Як-23", який мав вищу швидкість.
Це було досягнуто завдяки встановленню на ньому турбореактивного двигуна типу "РД-500", який розвивав тягу до 16 кілоньютонів при 14,6 тисяч обертів за хвилину. "Як-23" являв собою одномісний суцільнометалевий моноплан із середньорозташованим крилом.
Під час створення та випробування перших реактивних літаків наші конструктори зіткнулися з новими проблемами. Виявилося, що одного збільшення тяги двигуна ще недостатньо для здійснення польоту зі швидкістю, наближеною до швидкості розповсюдження звуку. Дослідження стисливості повітря та умов виникнення стрибків ущільнення проводилися радянськими вченими починаючи з 30-х років. Особливо великого розмаху вони набули у 1942-1946 роках після льотних випробувань реактивного винищувача “БІ” та інших наших реактивних машин. В результаті цих досліджень вже до 1946 року було поставлено питання про докорінну зміну аеродинамічної схеми високошвидкісних реактивних літаків. Постало завдання створення реактивних літаків зі стрілоподібним крилом та оперенням. Поруч із виникли і суміжні завдання – знадобилася нова механізація крила, інша система управління тощо.
Наполеглива творча робота науково-дослідних, конструкторських та виробничих колективів мала успіх: нові вітчизняні реактивні літаки ні в чому не поступалися світовій авіаційній техніці того періоду. Серед швидкісних реактивних машин, створених у СРСР у 1946-1947 роках, виділяється своїми високими льотно-тактичними та експлуатаційними характеристикамиреактивний винищувач конструкції А.І.Мікояна та М.І.Гуревича “МИГ-15”, зі стрілоподібним крилом та оперенням. Застосування стрілоподібного крила та оперення підвищило швидкість горизонтального польоту без істотних змін його стійкості та керованості. Збільшенню швидкості літака багато в чому сприяло також підвищення його енергоозброєності: на ньому було встановлено новий ТРД з відцентровим компресором "РД-45" з тягою близько 19,5 кілоньютонів при 12 тисяч обертів за хвилину. Горизонтальна та вертикальна швидкості цієї машини перевершували все досягнуте раніше на реактивних літаках.
У випробуваннях та доведенні літака брали участь льотчики-випробувачі Герої Радянського Союзу І.Т.Іващенко та С.Н.Анохін. Літак мав хороші льотно-тактичні дані та був простий в експлуатації. За виняткову витривалість, простоту в технічному обслуговуванні та легкість в управлінні він отримав прізвисько “літак-солдат”.
Конструкторське бюро, що працює під керівництвом С. А. Лавочкіна, одночасно з випуском "МІГ-15" створило новий реактивний винищувач "Ла-15". Він мав стрілоподібне крило, розташоване над фюзеляжем. На ньому було потужне бортове озброєння. З усіх існуючих тоді винищувачів зі стрілоподібним крилом "Ла-15" мала найменшу політну вагу. Завдяки цьому літак "Ла-15" з двигуном "РД-500", що мав меншу тягу, ніж двигун "РД-45", встановлений на "МІГ-15", мав приблизно такі ж льотно-тактичні дані, як і "МІГ- 15”.
Стріловидність та спеціальний профіль крил та оперення реактивних літаків різко зменшили опір повітря при польотах зі швидкістю поширення звуку. Тепер на хвильовій кризі опір зростав уже не у 8-12 разів, а лише у 2-3 рази. Це підтвердили перші надзвукові польоти радянських реактивних літаків.
Застосування реактивної техніки у цивільній авіації
Незабаром реактивні двигуни стали встановлюватись і на літаках цивільної авіації.
1955 року за кордоном почав експлуатуватися багатомісний пасажирський реактивний літак "Комета-1". Ця пасажирська машиназ чотирма ТРД мала швидкість близько 800 кілометрів на годину на висоті 12 кілометрів. Літак міг перевозити 48 пасажирів.
Дальність польоту складала близько 4 тисячі кілометрів. Вага з пасажирами та повним запасом пального становила 48 тонн. Розмах крил, що мають невелику стрілоподібність та відносно тонкий профіль, – 35 метрів. Площа крил – 187 квадратних метрів, довжина літака – 28 метрів. Однак після великої аварії цього літака у Середземному морі його експлуатацію було припинено. Невдовзі почав використовуватися конструктивний варіант цього літака - "Комета-3".
Цікаві дані про американський пасажирський літак з чотирма турбогвинтовими двигунами Локхід "Електра", розрахований на 69 осіб (включаючи екіпаж з двох пілотів і бортінженера). Число пасажирських місцьмогло бути доведено до 91. Кабіна герметизована, вхідні двері подвійні. Крейсерська швидкістьцієї машини – 660 кілометрів на годину. Вага порожнього літака – 24,5 тонн, політна вага – 50 тонн, у тому числі 12,8 тонн пального для рейсу та 3,2 тонни запасного пального. Заправка та обслуговування літака на проміжних аеродромах займали 12 хвилин. Випуск літака було розпочато у 1957 році.
Американська фірма "Боїнг" з 1954 року проводила випробування літака "Боїнг-707" з чотирма ТРД. Швидкість літака – 800 кілометрів на годину, висота польоту – 12 кілометрів, дальність – 4800 кілометрів. Цей літак був призначений для використання у військовій авіації як "повітряний танкер" - для заправки бойових літаків пальним у повітрі, але міг бути переобладнаним і для застосування в цивільній транспортній авіації. В останньому випадку на машині могло бути встановлене 100 пасажирських місць.
У 1959 році почалася експлуатація французького пасажирського літака "Каравелла". У літака був круглий фюзеляж діаметром 3,2 метри, в якому обладнано герметизований відсік довжиною 25,4 метра. У цьому відсіку містилася пасажирська кабіна на 70 місць. Літак мав стрілоподібне крило, скошене назад під кутом 20 градусів. Злітна вага літака – 40 тонн. Силова установка складалася з двох ТРД із тягою по 40 кілоньютонів кожен. Швидкість літака була близько 800 кілометрів на годину.
У СРСР вже 1954 року на одній із повітряних авіаліній доставка термінових вантажів та пошти здійснювалася швидкісними реактивними літаками “Іл-20.
З весни 1955 року реактивні поштово-вантажні літаки “Іл-20” почали курсувати повітряної трасі Москва-Новосибірськ. На борту літаків – матриці столичних газет. Завдяки використанню цих літаків жителі Новосибірська отримували московські газети одного дня з москвичами.
На авіаційному святі 3 липня 1955 року на Тушинському аеродромі під Москвою вперше було показано новий реактивний пасажирський літак конструкції А.Н.Туполєва “ТУ-104.
Цей літак із двома ТРД тягою по 80 кілоньютонів кожен мав відмінні аеродинамічні форми. Він міг перевозити 50 пасажирів, а у туристичному варіанті – 70. Висота польоту перевищувала 10 кілометрів, польотна вага – 70 тонн. Літак мав чудову звуко- та теплоізоляцію. Машина була герметична, повітря в салон відбиралося від компресорів ТРД. У разі відмови одного ТРД літак міг продовжувати політ іншим. Дальність безпосадкового перельоту становила 3000-3200 км. Швидкість польоту могла досягати 1000 кілометрів на годину.
15 вересня 1956 літак Ту-104 здійснив перший регулярний рейс з пасажирами по трасі Москва-Іркутськ. Через 7 годин 10 хвилин льотного часу, подолавши з посадкою в Омську 4570 км, літак приземлився в Іркутську. Час у дорозі порівняно з польотом на поршневих літаках скоротився майже втричі. 13 лютого 1958 року літак Ту-104 стартував у перший (технічний) рейс авіалінією Москва-Владивосток – однією з найдовших у нашій країні.
"ТУ-104" отримав високу оцінку і в нашій країні, і за кордоном. Іноземні фахівці, виступивши у пресі, заявили, що розпочавши регулярне перевезення пасажирів на реактивних літаках "ТУ-104", Радянський Союз на два роки випередив США, Англію та інші західні країни з масової експлуатації пасажирських турбореактивних літаків: американський реактивний літак "Боїнг-707" » та англійська «Комета-IV» вийшли на повітряні лінії лише наприкінці 1958 року, а французький «Каравелла» – у 1959 році.
У цивільній авіації також використовувалися літаки із турбогвинтовими двигунами (ТВД). Ця силова установка пристрою схожа на ТРД, але в ній на одному валу з турбіною і компресором з передньої сторони двигуна встановлений повітряний гвинт. Турбіна тут влаштована таким чином, що розпечені гази, що надходять із камер згоряння в турбіну, віддають їй більшу частину своєї енергії. Компресор споживає потужність значно меншу за ту, яку розвиває газова турбінаа надмірна потужність турбіни передається на вал гвинта.
ТВД – проміжний тип авіаційної силової установки. Хоча гази, що виходять з турбіни, і випускаються через сопло та їх реакція породжує деяку тягу, основна тяга створюється гвинтом, як у звичайного гвинтомоторного літака.
ТВД не набув поширення в бойовій авіації, оскільки він не може забезпечити таку швидкість руху, як суто реактивні двигуни. Також він непридатний на експресних лініях цивільної авіації, де вирішальним фактором є швидкість, а питання економічності та вартості польоту відходять на другий план. Але турбогвинтові літаки доцільно використовувати на трасах різної протяжності, рейси якими відбуваються зі швидкостями близько 600-800 кілометрів на годину. При цьому слід враховувати, що, як показав досвід, перевезення на них пасажирів на відстань 1000 кілометрів обходиться на 30% дешевше, ніж гвинтові літаки з поршневими авіадвигунами.
У 1956-1960 роках у СРСР з'явилося багато нових літаків із ТВД. Серед них "ТУ-114" (220 пасажирів), "Ан-10" (100 пасажирів), "Ан-24" (48 пасажирів), "Іл-18" (89 пасажирів).
GE Aviation розробляє революційно новий реактивний двигун, який поєднує у собі найкращі риситурбореактивних і турбовентиляторних двигунів, при цьому має надзвукову швидкість і ефективно використовує паливо, повідомляє zitata.org.
В даний час в рамках проекту USAF ADVENT розробляються нові двигуни, які економлять паливо на 25 відсотків і мають нові можливості.
В авіації існують два основні види реактивних двигунів: турбовентиляторні з низьким ступенем двоконтурності, як правило, їх називають турбореактивними двигунами та ТРД з високим ступенем двоконтурності. Турбореактивні двигуни з низьким ступенем двоконтурності оптимізовані для високої продуктивності, штовхаючи різні винищувачі, але використовуючи неймовірно багато палива. Результат продуктивності стандартного турбореактивного залежить від кількох елементів (компресор, камера згоряння, турбіни та сопла).
Навпаки, ТРД з високим ступенем двоконтурності є потужними пристроями цивільної авіації, оптимізованими для надпотужних поштовхів з ефективним використанням палива, але погано зарекомендували себе на надзвукових швидкостях. Звичайний турбореактивний двигун низького тиску одержує повітряний потік від вентилятора, що приводиться в дію реактивною турбіною. Потім, потік повітря, що надходить від вентилятора, обходить камери згоряння, діючи як великий пропелер.
У ADVENT (ADaptive VERsitile ENgine Technology) двигуні з'явився третій, зовнішній байпас, який може бути відкритий та закритий залежно від умови польоту. При зльоті зменшення ступеня двоконтурності третій байпас закритий. В результаті цього для збільшення тяги генерується великий потік повітря через компресор високого тиску. При необхідності відкривається третій байпас збільшення ступеня двоконтурності і зниження витрати палива.
Додатковий обхідний канал розташований уздовж верхньої та нижньої частини двигуна. Це третій канал буде відкритий або закритий як частина змінного циклу. Якщо канал відкритий – ступінь двоконтурності зростатиме, знижуючи витрату палива та підвищуючи звуковий діапазон до 40 відсотків. Якщо канали закриті, додаткове повітря проходить через компресора високого та низького тиску, що безумовно підвищує тягу, збільшує поштовх і забезпечує надзвукову продуктивність при зльоті.
Конструкція двигуна ADVENT заснована на нових технологіях виробництва, таких як 3D друк складних компонентів охолодження та суперпотужних, але легких керамічних композитів. Вони дозволяють виробляти високоефективні реактивні двигуни, що працюють при температурі вище за температуру плавлення сталі.
Інженери розробили новий двигундля легких польотів "Ми хочемо, щоб двигун був неймовірно надійним і дозволив пілоту зосередитися на його місії", - говорить Abe Levatter, керівник проекту GE Aviation. Ми взяли на себе відповідальність і розробили двигун, оптимізований для будь-яких польотів».
В даний час GE тестує основні компоненти двигуна та планує запустити його в середині 2013 року. На відео, розташованому нижче, можна побачити новий двигун ADVENT у дії.
Тут і так то літаєш із якимось побоюванням, і весь час оглядаєшся в минуле, коли літаки були маленькі і могли запросто планувати за будь-якої неполадки, а тут все більше й більше. Почитаємо та подивимося на такий авіаційний двигун.
Американська компанія General Electricзараз проводить тестування найбільшого у світі реактивного двигуна. Новинка розробляється спеціально для нових Boeing 777X.
Реактивний двигун-рекордсмен отримав ім'я GE9X. Враховуючи те, що перші Боїнги з цим дивом техніки піднімуться в небо не раніше 2020 року, компанія General Electric може бути впевнена у їхньому майбутньому. Адже зараз загальна кількість замовлень на GE9X перевищує 700 одиниць.
А тепер увімкніть калькулятор. Один такий двигун коштує $29 мільйонів. Що стосується перших тестів, то вони проходять на околицях містечка Піблс, штат Огайо, США. Діаметр лопаті GE9X становить 3,5 метра, а вхідний отвір у габаритах дорівнює 5,5 м х 3,7 м. Один двигун зможе видавати реактивну тягу на 45,36 тонни.
За словами GE, жоден із комерційних двигунів у світі не має такої високий ступіньстиснення (ступінь стиснення 27:1), як GE9X.
У конструкції двигуна активно використовуються композиційні матеріали, що витримують температури до 1,3 тисяч градусів Цельсія. Окремі деталі агрегату створені за допомогою 3D-друку.
GE9X компанія GE збирається встановлювати на широкофюзеляжний далекомагістральний літак Boeing 777X. Компанія вже отримала замовлення більш ніж на 700 двигунів GE9X на суму 29 мільярдів доларів від авіакомпаній Emirates, Lufthansa, Etihad Airways, Qatar Airways, Cathay Pacific та інших.
Наразі проходять перші випробування повного двигуна GE9X. Випробування почалися ще 2011 року, коли велася перевірка компонентів. За словами GE, цю відносно ранню перевірку було проведено з метою отримання випробувальних даних та запуску процесу сертифікації, оскільки компанія планує встановити такі двигуни для льотних випробувань вже в 2018 році.
Двигун GE9X розроблений для авіалайнера 777X та буде встановлений на 700 літаках. Це коштуватиме компанії 29 млрд доларів США. Під кожухом двигуна знаходяться 16 лопат четвертого покоління з графітового волокна, які нагнітають повітря в 11-ступінчастий компресор. Останній підвищує тиск у 27 разів. Джерело: "Агентство з інновацій та розвитку",
Камера згоряння та турбіна витримують температури до 1315 °C, що дає змогу більш ефективно використовувати паливо та знизити його викиди.
На додаток GE9X оснащений паливними форсунками, надруковані на 3D-принтері. Цю складну систему аеродинамічних трубта поглиблень компанія зберігає в таємниці. Джерело: "Агентство з інновацій та розвитку"
На GE9X встановлені турбіна компресора низького тиску та редуктор приводу агрегатів. Останній приводить у дію насос для подачі пального, маслонасос, гідравлічний насос для системи керування ЛА. На відміну від попереднього двигуна GE90, який мав 11 осей і 8 допоміжних агрегатів, новий GE9X оснащений 10 осями та 9 агрегатами.
Зменшення кількості осей не тільки знижує вагу, але й зменшує кількість деталей та спрощує логістичну ланцюжок. Другий двигун GE9X планується підготувати для проведення випробувань наступного року
У конструкції двигуна GE9X використано безліч деталей та вузлів, виготовлених з легковагих та термостійких композитних керамічних матеріалів (ceramic matrix composites, CMC). Ці матеріали здатні витримувати температури до 1400 градусів за Цельсієм і це дозволило значно підняти температуру в камері згоряння двигуна.
"Чим більшу температуру можна отримати в надрах двигуна, тим більшу ефективність він демонструє" - розповідає Рік Кеннеді (Rick Kennedy), представник компанії GE Aviation, - "За більш високої температури відбувається більш повне згорянняпалива, воно менше витрачається та зменшуються викиди шкідливих речовину довкілля".
Велике значення при виготовленні деяких вузлів двигуна GE9X відіграли сучасні тривимірні технології друку. З їхньою допомогою були створені деякі деталі, включаючи інжектори палива, настільки складної форми, яку неможливо отримати шляхом традиційної механічної обробки.
"Найскладніша конфігурація паливних каналів - це комерційна таємниця, що ретельно охороняється", - розповідає Рік Кеннеді, - "Завдяки цим каналам паливо розподіляється і розпорошується в камері згоряння найбільш рівномірним способом".
Слід зазначити, що останні випробування є першим разом, коли двигун GE9X був запущений у його повністю зібраному вигляді. А розробка цього двигуна, що супроводжувалась стендовими випробуваннями окремих вузлів, проводилася протягом кількох останніх років.
І на закінчення слід зазначити, що незважаючи на те, що двигун GE9X носить титул найбільшого у світі реактивного двигуна, він не є рекордсменом за силою створюваної ним реактивної тяги. Абсолютним рекордсменом за цим показником є двигун попереднього покоління GE90-115B, здатний розвивати тягу 57.833 тонни (127 500 фунтів).
Ракетні двигуни – одна з вершин технічного прогресу. Матеріали, що працюють на межі, сотні атмосфер, тисячі градусів і сотні тонн тяги - це не може не захоплювати. Але різних двигунів багато, які ж із них найкращі? Чиї інженери піднімуться на п'єдестал пошани? Настав нарешті час з усією прямотою відповісти на це питання.
На жаль, на вигляд двигуна не можна сказати, наскільки він чудовий. Доводиться закопуватись у нудні цифри характеристик кожного двигуна. Але їх багато, яку вибрати?
Потужніше
Ну, напевно, чим потужніший двигун, тим він кращий? Більше ракета, більше вантажопідйомність, Швидше починає рухатися освоєння космосу, хіба не так? Але якщо ми подивимося на лідера в цій галузі, на нас чекає деяке розчарування. Найбільша тяга з усіх двигунів, 1400 тонн, має боковий прискорювач Спейс Шаттла.
Незважаючи на всю міць, твердопаливні прискорювачі складно назвати символом технічного прогресу, тому що конструктивно вони є лише сталевим (або композитним, але це неважливо) циліндром з паливом. По-друге, ці прискорювачі вимерли разом із шатлами у 2011 році, що підриває враження їх успішності. Так, ті, хто стежать за новинами про нову американську надважку ракету SLS, скажуть мені, що для неї розробляються нові твердопаливні прискорювачі, тяга яких складе вже 1600 тонн, але, по-перше, полетить ця ракета ще не скоро, не раніше кінця 2018 року. . А по-друге, концепція «візьмемо більше сегментів з паливом, щоб тяга була ще більшою» є екстенсивним шляхом розвитку, за бажання, можна поставити ще більше сегментів і отримати ще більшу тягу, межа тут поки що не досягнута, і непомітно, щоб цей шлях вів до технічної досконалості.
Друге місце по тязі тримає вітчизняний рідинний двигун РД-171М – 793 тонни.
Чотири камери згоряння – це один двигун. І людина для масштабу
Здавалося б – ось він, наш герой. Але, якщо це найкращий двигун, де його успіх? Гаразд, ракета «Енергія» загинула під уламками Радянського Союзу, що розвалився, а «Зеніт» закінчила політика відносин Росії та України. Але чому США купують у нас не цей чудовий двигун, а вдвічі менший за РД-180? Чому РД-180, що починався як «половинка» РД-170, зараз видає більше половини тяги РД-170 - цілих 416 тонн? Дивно. Не зрозуміло.
Третє та четверте місця по тязі займають двигуни з ракет, які більше не літають. Твердопаливному UA1207 (714 тонн), що стояв на Титані IV, та зірці місячної програми двигуну F-1 (679 тонн) чомусь не допомогли дожити до сьогоднішнього днявидатні показники потужності. Можливо, якийсь інший параметр важливіший?
Ефективніше
Який показник визначає ефективність двигуна? Якщо ракетний двигунспалює паливо, щоб розганяти ракету, те, чим ефективніше він це робить, тим менше палива нам потрібно витратити для того, щоб долетіти до орбіти/місяця/марса/альфи Центавра. У балістиці з метою оцінки такої ефективності є спеціальний параметр - питомий імпульс.Питомий імпульспоказує, скільки секунд двигун може розвивати тягу в 1 Ньютон на одному кілограмі палива
Рекордсмени по тязі виявляються в найкращому випадку, у середині списку, якщо відсортувати його за питомим імпульсом, а F-1 з твердопаливними прискорювачами виявляються глибоко в хвості. Здавалося б, ось вона, найважливіша характеристика. Але подивимось на лідерів списку. З показником 9620 секунд на першому місці розташовується маловідомий електрореактивний двигун HiPEP
Це не пожежа в мікрохвильовій печі, а справжній ракетний двигун. Щоправда, мікрохвильова піч йому все-таки доводиться дуже віддаленим родичем...
Двигун HiPEP розроблявся для закритого проектузонда для дослідження місяців Юпітера, і роботи щодо нього були зупинені у 2005 році. На випробуваннях прототип двигуна, як каже офіційний звіт NASA, розвинув питомий імпульс 9620 секунд, споживаючи 40 кВт енергії.
Друге і третє місця займають електрореактивні двигуни VASIMR (5000 секунд) і NEXT (4100 секунд), що ще не літали, що показали свої характеристики на випробувальних стендах. А двигуни, що літали в космос (наприклад, серія вітчизняних двигунів СПД від ОКБ «Факел») мають показники до 3000 секунд.
Двигуни серії СПД. Хто сказав «класні колонки з підсвічуванням»?
Чому ж ці двигуни ще не витіснили всі інші? Відповідь проста, якщо ми подивимося на інші параметри. Тяга електрореактивних двигунів вимірюється, на жаль, у грамах, а в атмосфері вони взагалі не можуть працювати. Тому зібрати на таких двигунах надефективну ракету-носій не вдасться. А в космосі вони вимагають кіловати енергії, що не всякі супутники можуть собі дозволити. Тому електрореактивні двигуни використовуються в основному лише на міжпланетних станціях та геостаціонарних комунікаційних супутниках.
Ну, гаразд, скаже читач, відкинемо електрореактивні двигуни. Хто буде рекордсменом із питомого імпульсу серед хімічних двигунів?
З показником 462 секунди у лідерах серед хімічних двигунів виявляться вітчизняний КВД1 та американський RL-10. І якщо КВД1 літав всього шість разів у складі індійської ракети GSLV, то RL-10 - успішний і шановний двигун для верхніх щаблів та розгінних блоків, що чудово працює вже багато років. Теоретично, можна зібрати ракету-носій цілком з таких двигунів, але тяга одного двигуна в 11 тонн означає, що на перший і другий щабель їх доведеться ставити десятками, і охочих так робити немає.
Чи можна поєднати велику тягу та високий питомий імпульс? Хімічні двигуни вперлися в закони нашого світу (ну не горить водень із киснем із питомим імпульсом більше 460, фізика забороняє). Були проекти атомних двигунів ( , ), але далі проектів це поки що не пішло. Але, загалом, якщо людство зможе схрестити високу тягу з високим питомим імпульсом, це зробить космос доступнішим. Чи є ще показники, якими можна оцінити двигун?
Напруженіше
Ракетний двигун викидає масу (продукти згоряння або робоче тіло), створюючи тягу. Чим більший тиск тиск у камері згоряння, тим більше тяга і, головним чином атмосфері, питомий імпульс. Двигун з більш високим тискомв камері згоряння буде ефективніше двигуна з низьким тиском на тому ж пальному. І якщо ми відсортуємо список двигунів тиску в камері згоряння, то п'єдестал буде окупований Росією/СРСР - у нашій конструкторській школі всіляко намагалися робити ефективні двигуниіз високими параметрами. Перші три місця займає сімейство киснево-гасових двигунів на базі РД-170: РД-191 (259 атм), РД-180 (258 атм), РД-171М (246 атм).
Камера згоряння РД-180 у музеї. Зверніть увагу на кількість шпильок, що утримують кришку камери згоряння, та відстань між ними. Добре видно, як важко утримати атмосфер тиску, що прагнуть зірвати кришку.
Четверте місце у радянського РД-0120 (216 атм), який тримає першість серед воднево-кисневих двигунів та літав двічі на РН «Енергія». П'яте місце теж у нашого двигуна – РД-264 на паливній парі несиметричний диметилгідразин/азотний тетраоксид на РН «Дніпро» працює з тиском 207 атм. І лише на шостому місці буде американський двигун Спейс Шаттла RS-25 із двома сотнями трьома атмосферами.
Надійніше
Яким би не був перспективним за характеристиками двигун, якщо він вибухає через раз, користі від нього небагато. Порівняно недавно, наприклад, компанія Orbital була змушена відмовитися від використання двигунів НК-33, що зберігалися десятиліттями, з дуже високими характеристиками, тому що аварія на випробувальному стенді і феєричний по красі нічний вибух двигуна на РН Antares поставили під сумнів доцільність використання цих двигунів далі. Тепер Antares пересаджуватимуть на російський РД-181.
Велика фотографія за посиланням
Правильне і зворотне - двигун, який не відрізняється визначними значеннями тяги або питомого імпульсу, але надійний, буде популярним. Чим довша історія використання двигуна, тим більше статистика, і тим більше багів у ньому встигли відловити на аваріях, що вже трапилися. Двигуни РД-107/108, що стоять на «Союзі», ведуть свій родовід від тих самих двигунів, які запускали перший супутник і Гагаріна, і, незважаючи на модернізації, мають досить невисокі на сьогоднішній день параметри. Але найвища надійність багато в чому окупає це.
Доступніше
Двигун, який ти не можеш побудувати чи купити, не має тобі жодної цінності. Цей параметр не виразити в числах, але не стає від цього менш важливим. Приватні компанії часто не можуть купити готові двигунизадорого, і змушені робити свої, хай і простіше. Незважаючи на те, що ті не вражають характеристиками, це найкращі двигуни для їх розробників. Наприклад, тиск у камері згоряння двигуна Merlin-1D компанії SpaceX становить лише 95 атмосфер, рубеж, який інженери СРСР перейшли у 1960-х, а США – у 1980-х. Але Маск може робити ці двигуни на своїх виробничих потужностях і отримувати за собівартістю у потрібних кількостях, десятками на рік, і це круто.
Двигун Merlin-1D. Вихлоп із газогенератора як на «Атласах» шістдесят років тому, зате доступно
TWR
Раз вже зайшла мова про спейсексівські «Мерліни», не можна не згадати характеристику, яку всіляко форсили піарники та фанати SpaceX – тяжовооруженность. Тягоозброєність (вона ж питома тяга або TWR) – це відношення тяги двигуна до його ваги. За цим параметром двигуни Merlin з великим відривом попереду, у них він вище 150. На сайті SpaceX пишуть, що це робить двигун «найефективнішим з усіх колись побудованих», і ця інформація розноситься піарниками та фанатами по інших ресурсах. В англійській Вікіпедії навіть йшла тиха війна, коли цей параметр запихався, куди тільки можна, що призвело до того, що в таблиці порівняння двигунів цей стовпець узагалі прибрали. На жаль, у такій заяві набагато більше піару, ніж правди. У чистому вигляді тягоозброєність двигуна можна отримати тільки на стенді, а при старті справжньої ракети двигуни становитимуть менше відсотка від її маси, і різниця в масі двигунів ні на що не вплине. Незважаючи на те, що двигун з високим TWR буде більш технологічним, ніж з низьким, це швидше міра технічної простотита ненапруженості двигуна. Наприклад, за параметром тягоозброєності двигун F-1 (94) перевершує РД-180 (78), але по питомому імпульсу та тиску в камері згоряння F-1 буде помітно поступатися. І підносити тягоозброєність на п'єдестал як найважливішу для ракетного двигуна характеристику щонайменше наївно.Ціна
Цей параметр багато в чому пов'язаний із доступністю. Якщо ви робите двигун самі, то собівартість цілком можна підрахувати. Якщо ж купуєте, цей параметр буде вказано явно. На жаль, за цим параметром не побудувати красиву таблицю, тому що собівартість відома лише виробникам, а вартість продажу двигуна також публікується далеко не завжди. Також на ціну впливає час, якщо у 2009 році РД-180 оцінювався у $9 млн, то зараз його оцінюють у $11-15 млн.Висновок
Як ви вже, напевно, здогадалися, вступ було написано дещо провокаційно (вибачте). Насправді, ракетні двигуни не мають одного параметра, за яким їх можна вибудувати і чітко сказати, який найкращий. Якщо ж намагатися вивести формулу кращого двигуна, то вийде приблизно таке:Найкращий ракетний двигун - це такий двигун, який ви можете зробити/купити, при цьому він матиме тягою в необхідному діапазоні(не занадто великий або маленький) і буде ефективним настільки ( питомий імпульс, тиск у камері згоряння), що його цінане стане непідйомною для вас.
Нудно? Натомість найближче до істини.
І, насамкінець, невеликий хіт-парад двигунів, які особисто я вважаю найкращими:
Сімейство РД-170/180/190. Якщо ви з Росії чи можете купити російські двигуни і вам потрібні потужні двигунина перший щабель, то відмінним варіантомбуде сімейство РД-170/180/190. Ефективні, з високими характеристиками та чудовою статистикою надійності, ці двигуни знаходяться на вістря технологічного прогресу.
Be-3 та RocketMotorTwo. Двигуни приватних компаній, які займаються суборбітальним туризмом, будуть у космосі лише кілька хвилин, але це не заважає захоплюватися красою використаних технічних рішень. Водневий двигун BE-3, що перезапускається і дроселюється в широкому діапазоні, з тягою до 50 тонн і оригінальною схемою з відкритим фазовим переходом, розроблений порівняно невеликою командою - це круто. Що ж до RocketMotorTwo, то при всьому скептицизмі по відношенню до Бренсона і SpaceShipTwo, я не можу не захоплюватися красою і простотою схеми гібридного двигуназ твердим паливом та газоподібним окислювачем.
F-1 та J-2У 1960-х це були найпотужніші двигуни у своїх класах. Та й не можна не любити двигуни, які подарували нам таку красу.
