Справка "Профиля": история развития двигателей для самолетов

Содержание:

• Паровая машина
• Поршневой двигатель
• Ракетный двигатель
• Турбореактивный двигатель
• Турбовинтовой двигатель
• Ядерная силовая установка
• Электродвигатель

Паровая машина

Изобретатели веками пытались создать летающую машину тяжелее воздуха. Но только в 1843 году английские изобретатели Уильям Хенсон и Джон Стрингфеллоу запатентовали первый в мире проект, который содержал все основные элементы самолета. Его должна была поднять в воздух паровая машина.

Самолет Хенсона и Стрингфеллоу не летал даже в виде масштабных моделей. Неудачи преследовали и других изобретателей паровых самолетов – Александра Можайского в России, Феликса дю Тампля и Клемента Адера во Франции. Их машины подпрыгивали, отрываясь от земли, и даже пролетали некоторое расстояние после запуска с катапульты – но мощности даже лучших паровых двигателей XIX века для полета не хватало.

Эффективный паровой двигатель для самолета удалось создать в США братьям Джорджу и Уильяму Бесслерам и их коллеге Натану Прайсу только в 1933 году. Но такая силовая установка была уже не нужна – заводы по всему миру делали тысячи более дешевых и мощных двигателей внутреннего сгорания.

Поршневой двигатель

Первый официально зарегистрированный полет самолета состоялся 17 декабря 1903 года. Оснащенный поршневым двигателем Wright Flyer американцев Орвилла и Уилбура Райтов с трудом взлетал на 3 м и пролетал за один раз не больше четверти километра, но и это было огромным достижением.

Первый удачный авиационный двигатель сделал за шесть недель Чарльз Тейлор, механик из мастерской братьев Райт. Это был компактный и легкий четырехцилиндровый мотор весьма совершенной для начала XX века конструкции, с отлитым из алюминия блоком цилиндров и системой водяного охлаждения. При массе около 90 кг он развивал 12 л. с. на 1025 оборотах в минуту. Он передавал тягу на два толкающих пропеллера.

Вместе с развитием самолетов началась и гонка авиадвигателей. 10 лет спустя, 15 марта 1913 года в воздух поднялся первый в мире многомоторный самолет "Гранд" российского конструктора Игоря Сикорского. На нем стояла пара немецких моторов Argus As I. Это по-прежнему был четырехцилиндровый рядный двигатель воздушного охлаждения. Но он, будучи всего на две трети тяжелее мотора Тейлора, при сопоставимых оборотах выдавал мощность в восемь с лишним раз больше. И даже такого прогресса было мало. Усовершенствованная версия "Гранда", "Русский витязь", летала на четырех таких моторах.

Конструкция моторов постоянно усложнялась. С двигателями с водяным охлаждением начали соперничать более легкие моторы воздушного охлаждения. В серию шли курьезные, но эффективные решения – например ротативный двигатель, у которого блок цилиндров, картер и воздушный винт крутятся вокруг жестко закрепленного коленчатого вала. Конструкция получалась легкой и компактной, но управлять таким самолетом из-за гироскопического эффекта было тяжело.

Большой стимул развитию авиадвигателей дала Первая мировая война. К ее концу серийно выпускались 12-цилиндровые V-образные моторы, выдававшие 400 л. с. и даже больше.

Многие авиадвигатели даже спускались с небес на землю. Мощный и компактный мотор можно было поставить и на скоростной катер, и на другую техническую новинку эпохи – танк.

По мере роста потребностей заказчиков новых самолетов перед конструкторами авиадвигателей вставали новые вызовы. Один из них – как заставить поршневой двигатель устойчиво работать на большой высоте? Проблему удалось решить с помощью нагнетателей, поддерживающих поступление воздушной смеси даже при очень низком атмосферном давлении. В 1938 году итальянский экспериментальный самолет Caproni Ca.161bis с радиальным 14-цилиндровым двигателем Piaggio P.XI R.C.100/2v поднялся на 17.083 м – результат, который не удалось превзойти до появления ракетных и турбореактивных двигателей.

В 1940-е мощность авиационных поршневых моторов превысила отметку в 2000 л. с. Огромные 18-цилиндровые Wright R-3350 Duplex-Cyclone, которые ставились на стратегические бомбардировщики Boeing B-29 Superfortress, выдавали по 2200 л. с. каждый, поднимая 55-тонный нагруженный бомбами самолет на высоту почти 10 км. Современные энтузиасты выжимают из модифицированных для воздушных гонок R-3350 и по 4500 л. с.

У поршневого винтового двигателя есть принципиально важное ограничение. Уже на скорости полета в 700–750 км/ч он из-за особенностей физики газов становится малоэффективен, а достичь скорости звука в горизонтальном полете на нем невозможно. Поэтому во второй половине XX века поршневые двигатели ставятся на те самолеты, для которых экономия топлива, низкая цена мотора, стоимость обслуживания и простота управления важнее полетов со скоростью в несколько раз выше звука, на высоте в 20 км или с грузом в сотню тонн.

Поршневые двигатели по-прежнему господствуют в малой авиации. На самый массовый в мире самолет Cessna 172 ставятся легкие 4–6-цилиндровые моторы, например Continental O-300 или Lycoming O-320.

150–160 л. с. вполне хватает для того, чтобы четырехместный самолет разгонялся до 226 км/ч и мог подняться на 4 км.

Поршневые двигатели в качестве топлива используют различные продукты переработки нефти. Может применяться авиационный керосин, высокооктановый или обычный автомобильный бензин. Дизельные авиационные двигатели большого распространения не получили, хотя и выпускались серийно.

Ракетный двигатель

Ракетный двигатель известен человечеству около 1000 лет. Первые ракеты на черном порохе появились, по разным источникам, примерно в XIII веке.

В 1929 году совершил полет первый в мире ракетоплан – Opel RAK.1 немецкого авиаконструктора Юлиуса Хэтри. В качестве двигателя использовались 16 ракет на черном порохе. 10 лет спустя, 20 июня 1939 года успешно прошли испытания Heinkel He 176 – первого в мире самолета с жидкостным ракетным двигателем.

Но ракетный двигатель, хотя и создает большой удельный импульс, для самолета подходит плохо. Топливо заканчивается так быстро, что о какой-то серьезной продолжительности полета говорить не приходится. У единственного в мире серийного ракетоплана, немецкого истребителя-перехватчика Messerschmitt Me.163 Komet, двигатель работал всего несколько минут. На посадку приходилось заходить уже с выключенным мотором. Вдобавок большинство разновидностей жидкого ракетного топлива крайне ядовиты.

Ракетные двигатели на самолетах не прижились. Зато они остаются единственным известным человечеству способом полета в космос.

Турбореактивный двигатель

В 1921 году французский инженер Максим Гийом запатентовал новый тип двигателя для самолета – турбореактивный. Но только в 1937 году англичанин Фрэнк Уиттл смог создать работоспособный агрегат, в котором газовая турбина успешно сочеталась с реактивным двигателем.

При этом первенство в полете самолета с турбореактивным двигателем оказалось за немцами. 27 августа 1939 года в воздух поднялся Heinkel He 178 – разработка той же фирмы, которая создала первый в мире самолет с жидкостным реактивным двигателем.

Изначально самолеты с турбореактивными двигателями строились из расчета на высокую скорость. Даже "сырые" немецкие, британские или американские двигатели 1940-х годов позволяли первым турбореактивным истребителям разгоняться до 900 км/ч и более. Но уже 27 июля 1949 года первый полет совершил de Havilland DH.106 Comet – первый в мире реактивный авиалайнер. Так началась эпоха гражданской реактивной авиации.

Самолеты с турбореактивными двигателями могут достигать очень высоких характеристик. Пара одновальных двигателей Р15Б-300 позволила советскому рекордному самолету Е-155 (он же Е-266, на самом деле истребитель-перехватчик МиГ-25М) 21 августа 1977 года под управлением Александра Федотова подняться на высоту 37650 м. Выше без применения ракетных двигателей пока никому взлететь не удавалось.

Американский самолет-разведчик Lockheed SR-71 Blackbird, оснащенный двумя двигателями Pratt & Whitney J58, 28 июля 1976 года разогнался до 3529,6 км/ч. А шесть двухконтурных турбореактивных двигателей Д-18Т позволили советскому сверхтяжелому транспортному самолету Ан-225 "Мрия" в 2001 году поднять груз в 253,82 тонны.

Еще один рекорд самолета с турбореактивным двигателем – полет длиной 41.467 км без посадок и дозаправок. Такого результата удалось добиться в феврале 2006 года на экспериментальном Virgin Atlantic GlobalFlyer, оснащенном двигателем Williams FJ44-2.

Турбореактивный двигатель – очень сложный в производстве и дорогой в эксплуатации агрегат. Турбореактивные двигатели используются там, где необходимо сочетание высокой скорости, большой высоты полета и высокой тяги. Они устанавливаются на боевые самолеты, авиалайнеры, некоторые транспортные самолеты. Хотя встречаются и курьезы, вроде строившегося в Польше в 1970-е годы сельскохозяйственного реактивного биплана WSK-Mielec M-15. Он оказался настолько неэкономичным, что его пришлось заменять тем же самым поршневым Ан-2, взамен которого его и создали.

Современные турбореактивные двигатели работают на специальном реактивном топливе. Это смеси на основе бензино-лигроиново-керосиновой фракции нефти с различными присадками. Хотя в разговорной речи такое топливо могут называть "авиационным керосином", на самом деле оно им не является.

Турбовинтовой двигатель

Еще один способ использовать турбинную силовую установку для движения самолета – турбовинтовой двигатель. В нем большая часть вырабатываемой турбиной при сгорании топлива энергии тратится на то, чтобы вращать винт. Реактивная струя тоже есть, но она создает лишь малую долю тяги.

Первый в мире турбовинтовой двигатель создал в 1937–1940 годах венгерский инженер Дьёрдь Ендрашик. Но испытать его на самолете не удалось из-за неудачного для Венгрии хода Второй мировой войны.

Пальму первенства в этом отношении завоевала Великобритания. Опытный самолет с турбовинтовыми двигателями Gloster Meteor EE227 (переделанный турбореактивный истребитель) совершил первый успешный полет 20 сентября 1945 года.

Самолеты с турбовинтовыми двигателями могут летать быстрее, чем с поршневыми. При этом их двигатели более экономичные по сравнению с турбореактивными. Основная сфера применения таких самолетов – перевозка пассажиров и грузов. Их нередко используют пассажирские авиалайнеры или для корпоративных перевозок, в военно-транспортной авиации. Самое известное боевое исключение – советский стратегический бомбардировщик Ту-95, оснащенный четырьмя двигателями НК-12, самыми мощными серийными авиамоторами этого класса. Каждый из них развивает мощность до 15.000 л. с.

Ядерная силовая установка

В середине XX века в СССР и США разрабатывались проекты атомолетов – самолетов с ядерной силовой установкой. Предполагалось, что компактный ядерный реактор позволит построить стратегический бомбардировщик или противолодочный самолет с практически неограниченной дальностью полета.

Проводились испытания летающих лабораторий на базе Ту-95 и Convair B-36. Самолеты даже совершили несколько полетов с работающими реакторами на борту. Но уже к середине 1960-х годов стало ясно, что дозаправка в воздухе – более простой, дешевый и безопасный способ увеличить дальность полета тяжелых самолетов. До сих пор ни одного серийного атомолета так и не построили.

Электродвигатель

Первый летательный аппарат с электродвигателем поднялся в воздух гораздо раньше, чем первый самолет. В 1883 году французский ученый Гастон Тиссандье совершил успешный полет на дирижабле La France с электромотором. Но еще долгое время электродвигатели в воздухе оставались экзотикой – не было достаточно емких и легких аккумуляторов.

Первый успешный полет электросамолета состоялся только 23 октября 1973 года. Австрийские конструкторы Фред Милицкий и Хейно Брдичка установили на мотопланер конструкции Брдички электромотор с никель-кадмиевыми аккумуляторами. Их заряда хватало лишь на 12 минут работы двигателя.

С тех пор конструкторы по всему миру стараются создать работоспособные варианты самолета с электродвигателями. В качестве источника энергии используются аккумуляторы, топливные ячейки и даже солнечные батареи. Предполагается, что электросамолеты будут наносить меньший вред окружающей среде по сравнению с турбореактивными или поршневыми аналогами.

Серийные электросамолеты – большая редкость. Небольшие вспомогательные электромоторы нередко ставят на планеры. Малый запас энергии в аккумуляторах для них не проблема, потому что двигатель на планере нужен только для взлета или для помощи в управлении в некоторых сложных ситуациях. Едва ли не единственный серийный электросамолет в начале XXI века – легкий многоцелевой Pipistrel Alpha Electro, производящийся в Словении. Разработчики утверждают, что он дешевле и проще в эксплуатации, чем аналогичные машины с поршневыми двигателями. При этом и скорость, и дальность полета, и грузоподъемность у него невысокие.