Реактивный двигатель (РД) — двигатель, создающий необходимую для движения силу тяги посредством преобразования внутренней энергии топлива в кинетическую энергию реактивной струи рабочего тела.
Рабочее тело с большой скоростью истекает из двигателя, и, в соответствии с законом сохранения импульса, образуется реактивная сила, толкающая двигатель в противоположном направлении. Для разгона рабочего тела может использоваться как расширение газа, нагретого тем или иным способом до высокой температуры (так называемые тепловые реактивные двигатели), так и другие физические принципы, например, ускорение заряженных частиц в электростатическом поле (см. ионный двигатель). Реактивный двигатель сочетает в себе собственно двигатель с движителем, то есть он создаёт тяговое усилие только за счёт взаимодействия с рабочим телом, без опоры или контакта с другими телами. По этой причине чаще всего он используется для приведения в движение ракет, ракетопланов, самолётов, космопланов и космических аппаратов.
История
Разработки по созданию ракетоплана (аэроплана с реактивным двигателем) велись ещё в XIX столетии. 27 августа 1867 года отставной капитан русской артиллерии Н. А. Телешов запатентовал во Французской республике свои изобретения — проект аэроплана «Дельта» и спроектированный для него воздушно-реактивный пульсирующий двигатель, который был назван «теплородный духомёт» и являлся прототипом аналогичных современных двигателей[1]. Румынский изобретатель-любитель Александру Чурку со своим французским коллегой Жюстом Бюсиссоном в 1886 году на реке Сена испытали первую в мире лодку на реактивном двигателе, предполагая установку такого двигателя в дальнейшем на самолёты.
Реактивный двигатель был изобретён Гансом фон Охайном (Dr. Hans von Ohain) и выдающимся английским инженером-конструктором Фрэнком Уиттлом (Sir Frank Whittle).
Первый патент на работающий газотурбинный двигатель был получен в 1930 году Фрэнком Уиттлом. Однако первую рабочую модель собрал именно Охайн.
2 августа 1939 года в нацистской Германии в небо поднялся первый реактивный самолёт — Хейнкель He 178, оснащённый двигателем HeS 3, разработанный Охайном.
Особенности реактивных двигателей
- Сила тяги реактивного двигателя не зависит от наличия окружающей среды[2].
- Сила тяги реактивного двигателя не зависит от скорости движения ракеты[2].
- Полезная мощность реактивного двигателя пропорциональна скорости ракеты[2].
- При скорости ракеты, большей, чем половина скорости истечения газов двигателя, полезная мощность реактивного двигателя становится больше полной мощности (парадокс силы тяги реактивного двигателя)[2].
Классы реактивных двигателей
Существует два основных класса реактивных двигателей:
- Воздушно-реактивные двигатели — тепловые двигатели, которые используют энергию окисления горючего кислородом воздуха, забираемого из атмосферы. Рабочее тело этих двигателей представляет собой смесь продуктов горения с остальными компонентами забранного воздуха.
- Ракетные двигатели — содержат все компоненты рабочего тела на борту и способны работать в любой среде, в том числе и в безвоздушном пространстве.
Предшественники
История реактивных двигателей восходит к изобретению эолипила примерно в 150 г. до н. э. В этом устройстве использовалась сила пара, направляемая через два сопла, чтобы заставить сферу быстро вращаться вокруг своей оси.[1] Насколько известно, оно не использовалось для получения механической энергии, и потенциальные практические применения этого изобретения не были признаны. Оно просто считалось диковинкой.
Архит, основоположник математической механики, как сказано в трудах Авла Геллия, написанных через пять столетий после него, был известен тем, что сконструировал и построил первое искусственное самодвижущееся летательное устройство. Это устройство представляло собой модель в форме птицы, приводимую в движение, вероятно, струей пара, и, как говорят, оно пролетело около 200 метров.
Говорят, что османский Лагари Хасан Челеби в 1633 году взлетел на ракете конусообразной формы, а затем, расправив крылья, успешно приземлился, заняв место в османской армии. Однако, по сути, это был трюк. Проблема заключалась в том, что ракеты на низких скоростях просто слишком неэффективны для использования в авиации общего назначения.
Первый рабочий пульсирующий двигатель был запатентован в 1906 году русским инженером В. В. Караводиным, который в 1907 году создал действующую модель. Французский изобретатель Жорж Марконне в 1908 году запатентовал свой бесклапанный пульсирующий двигатель, а Рамон Казанова в Риполье, Испания, в Барселоне в 1917 году запатентовал пульсирующий двигатель, сконструировав его в 1913 году. Роберт Годдард изобрел пульсирующий двигатель в 1931 году и продемонстрировал его на велосипеде с реактивным двигателем.[2] Инженер Пол Шмидт разработал более эффективную конструкцию, основанную на модификации впускных клапанов (или заслонок), за что в 1933 году получил государственную поддержку от Министерства авиации Германии.[3]
Некоторые ранние разработки воздушно-реактивных двигателей представляли собой гибридные конструкции, в которых внешний источник питания сначала сжимал воздух, который затем смешивался с топливом и поджигался для создания реактивной тяги. В одной из таких систем, названной термореактивным двигателем Секондо Кампини, но более известной как моторный реактивный двигатель, воздух сжимался вентилятором, приводимым в движение обычным поршневым двигателем. Примерами могут служить Капрони Кампини N.1 и японский Цу-11, предназначенные для установки на самолеты-камикадзе «Ока» в конце Второй мировой войны. Ни один из них не был полностью успешным, и CC.2 оказался медленнее, чем та же модель с традиционным двигателем и воздушным винтом.
В 1913 году французский аэрокосмический инженер Рене Лорин запатентовал конструкцию первого в мире прямоточного реактивного двигателя, но разработать рабочий прототип не удалось, поскольку ни один существующий самолет не мог развить достаточную скорость для его работы, и, таким образом, концепция оставалась теоретической.
Инженеры в 1930-х годах поняли, что максимальная производительность поршневых двигателей была ограничена,[4] так как эффективность тяги снижалась по мере приближения лопастей к скорости звука. Для того чтобы производительность двигателя преодолела этот барьер, необходимо было найти способ радикально усовершенствовать конструкцию поршневого двигателя или разработать совершенно новый тип силовой установки. Газовые турбинные двигатели, обычно называемые «реактивными» двигателями, могли это сделать.
Ключевым элементом практического применения реактивного двигателя была газовая турбина, используемая для извлечения энергии из самого двигателя для приведения в действие компрессора. Газовая турбина не была новой идеей, разработанной в 1930-х годах: патент на стационарную турбину был выдан Джону Барберу в Англии в 1791 году. Первая газовая турбина, которая успешно работала в автономном режиме, была создана в 1903 году норвежским инженером Эгидиусом Эллингом. Ограничения, связанные с конструкцией, практическим применением и металлургией, препятствовали производству таких двигателей. Основными проблемами были безопасность, надежность, вес и особенно продолжительная эксплуатация.
В Венгрии Альбертом Фоно в 1915 году было разработано решение для увеличения дальности стрельбы артиллерии, включающее в себя снаряд, запускаемый из пушки, который должен был быть соединен с реактивным двигателем. Это должно было позволить получить большую дальность стрельбы при низкой начальной скорости снаряда, что позволяло стрелять тяжелыми снарядами из относительно легких орудий. Фоно представил свое изобретение австро-венгерской армии, но оно было отклонено. В 1928 году он подал заявку на получение немецкого патента на самолет, оснащенный сверхзвуковым прямоточным воздушно-реактивным двигателем, и патент был выдан в 1932 году.[5][6][7]
Первый патент на использование газовой турбины для приведения в движение летательного аппарата был получен в 1921 году французом Максимом Гийомом. [8] Его двигатель представлял собой турбореактивный двигатель осевого типа.
В 1923 году Эдгар Бакингем из Национального бюро стандартов США опубликовал доклад [9], в котором выразил скептическое отношение к тому, что реактивные двигатели будут экономически конкурентоспособными по сравнению с винтовыми самолетами на малых высотах и скоростях, характерных для того периода: «в настоящее время не существует никаких перспектив того, что реактивные двигатели, о которых здесь идет речь, когда-либо будут иметь практическое значение, даже для военных целей».
Вместо этого к 1930-м годам поршневой двигатель во множестве своих разновидностей (роторный и радиальный, с воздушным и жидкостным охлаждением) стал единственным типом силовой установки, доступным для авиаконструкторов. Это было приемлемо до тех пор, пока требовались только маломощные самолеты, да и вообще все, что было доступно.
До Второй мировой войны
В 1928 году курсант Крэнвеллского колледжа Королевских ВВС [10] Фрэнк Уиттл официально представил руководству свои идеи по созданию турбореактивного двигателя. В октябре 1929 года он развил свои идеи дальше.[11] 16 января 1930 года в Англии Уиттл получил свой первый патент (выданный в 1932 году).[12] В патенте был описан двухступенчатый осевой компрессор, питающий одноступенчатый центробежный компрессор. Практические осевые компрессоры стали возможны благодаря идеям А. А. Гриффита, изложенным в основополагающей статье 1926 года («Аэродинамическая теория конструкции турбин»). Позже Уиттл сосредоточился на более простом центробежном компрессоре по целому ряду практических причин. Первый двигатель Уиттла был запущен в апреле 1937 года. Он работал на жидком топливе и включал в себя автономный топливный насос. Команда Уиттла была близка к панике, когда двигатель не останавливался, ускоряясь даже после отключения подачи топлива. Оказалось, что топливо просочилось в двигатель и скопилось в резервуарах.
В Испании пилот и инженер Вирджилио Лерет Руис получил патент на конструкцию реактивного двигателя в марте 1935 года. Республиканский президент Мануэль Асанья организовал первоначальное строительство на авиазаводе Испано-Сюиза в Мадриде в 1936 году, но Лере был казнен несколько месяцев спустя франкистскими марокканскими войсками после безуспешной защиты своей базы гидросамолетов в первые дни гражданской войны в Испании. Его планы, скрытые от франкистов, были тайно переданы британскому посольству в Мадриде несколько лет спустя его женой, Карлотой О’Нил, после ее освобождения из тюрьмы.[13][14] В 1935 году Ханс фон Охайн начал работу над конструкцией, аналогичной конструкции Уиттла в Германии, и часто утверждается, что он не знал о работе Уиттла.[15] Охейн сказал, что не читал патент Уиттла, и Уиттл ему поверил (Фрэнк Уиттл, 1907-1996). Однако патент Уиттла находился в немецких библиотеках, и у сына Уиттла были подозрения, что Охейн читал или слышал о нем.
Спустя годы фон Охайн признался в своей автобиографии [16], что так оно и было. Автор Маргарет Коннер пишет: «Патентный поверенный фон Охайна случайно наткнулся на патент Уиттла в те годы, когда разрабатывались патенты фон Охайна». Сам фон Охайн сказал следующее: «Мы чувствовали, что это похоже на патент на идею. Мы думали, что над ней серьезно не работали». Поскольку патент Охайна был подан только в 1935 году, это признание ясно показывает, что он ознакомился с патентом Уиттла и даже подробно раскритиковал его, прежде чем подать свой собственный патент, и примерно за 2 года до того, как заработал его собственный двигатель.
ФОН ОХАЙН: «Наши патентные притязания пришлось ограничить по сравнению с притязаниями Уиттла, потому что Уиттл продемонстрировал определенные вещи». «Когда я увидел патент Уиттла, я был почти уверен, что он имеет какое-то отношение к комбинации всасывания пограничного слоя. У него был двухпоточный радиальный компрессор с двойным входом, который с точки зрения двигателя выглядел просто чудовищно. Изменение направления потока выглядело для нас нежелательным, но оказалось, что это не так уж плохо, хотя и вызывало небольшие проблемы с нестабильностью».
Его первое устройство было чисто экспериментальным и могло работать только от внешнего источника питания, но ему удалось продемонстрировать основную концепцию. Затем Охайна представили Эрнсту Хейнкелю, одному из крупнейших авиационных промышленников того времени, который сразу же оценил перспективность конструкции. Хейнкель недавно приобрел компанию по производству двигателей Hirth, и Охайн вместе со своим главным механиком Максом Ханом основали там новое подразделение компании Hirth. К сентябрю 1937 года они запустили свой первый HeS 1 центробежный двигатель. В отличие от конструкции Уиттла, Охайн использовал водород в качестве топлива, подаваемого под внешним давлением. Их последующие разработки привели к созданию HeS 3 с бензиновым двигателем мощностью 1100 фунтов (5 кН), который был установлен на простой и компактный He 178 планер Хейнкеля и испытан Эрихом Варсицем ранним утром 27 августа 1939 года на аэродроме Росток-Мариенехе, что было впечатляюще коротким сроком для разработки.[редакторская вставка] He 178 был первым в мире самолетом с турбореактивным двигателем, совершившим полет.[17]
Первым в мире турбовинтовым двигателем был Jendrassik Cs-1, разработанный венгерским инженером-механиком Дьердем Ендрашиком. Он производился и испытывался на заводе Ganz в Будапеште с 1938 по 1942 год. Планировалось установить на двухмоторный разведывательный бомбардировщик Varga RMI-1 X / H, разработанный Ласло Варгой в 1940 году, но программа была отменена. Джендрашик также спроектировал небольшой турбовинтовой двигатель мощностью 75 кВт в 1937 году.
Двигатель Уиттла становился все более востребованным, и его компания Power Jets Ltd. начала получать деньги от Министерства авиации. В 1941 году летная версия двигателя, получившая название W. 1, с тягой 1000 фунтов (4 кН), была установлена на самолете Gloster E28/39, фюзеляж которого был специально сконструирован для нее, и совершила свой первый полет 15 мая 1941 года в Королевских ВВС Крануэлл.
Британский конструктор авиационных двигателей Фрэнк Хэлфорд, основываясь на идеях Уиттла, разработал «прямоточный» вариант центробежного реактивного двигателя; его разработка стала прототипом двигателя de Havilland Goblin.
Одна из проблем, связанных с обоими этими ранними конструкциями, которые назывались двигателями центробежного типа, заключалась в том, что компрессор работал за счет ускорения потока воздуха, движущегося от центрального воздухозаборника к внешней периферии двигателя, где воздух затем сжимался с помощью расходящегося патрубка, преобразующего его скорость в давление. Преимуществом такой конструкции было то, что она уже была хорошо изучена и применялась в центробежных нагнетателях, широко используемых в то время на поршневых двигателях. Однако, учитывая ранние технологические ограничения по скорости вращения вала двигателя, компрессор должен был иметь очень большой диаметр, чтобы вырабатывать необходимую мощность. Это означало, что двигатели имели большую лобовую площадь, что делало их менее пригодными для использования в качестве авиационных силовых установок из-за сопротивления. Еще одним недостатком более ранних конструкций Уиттла было то, что воздушный поток проходил в обратном направлении через камеру сгорания и снова к турбине и выхлопной трубе, что усложняло конструкцию и снижало эффективность. Тем не менее, эти типы двигателей обладали такими основными преимуществами, как легкий вес, простота и надежность, и их разработка быстро продвигалась к практическому воплощению.
Австриец Ансельм Франц из двигателестроительного подразделения Junkers (Junkers Motoren или Jumo) решил эти проблемы, внедрив осевой компрессор. По сути, это турбина, работающая наоборот. Воздух, поступающий в переднюю часть двигателя, отводится в заднюю часть двигателя ступенью вентилятора (сходящиеся воздуховоды), где он прижимается к набору невращающихся лопастей, называемых статорами (расходящиеся воздуховоды). Этот процесс и близко не сравнится по мощности с центробежным компрессором, поэтому несколько этих пар вентиляторов и статоров расположены последовательно, чтобы обеспечить необходимое сжатие. Даже при всей дополнительной сложности получившийся двигатель намного меньше в диаметре и, следовательно, более аэродинамичен. Jumo присвоили следующий номер двигателя в последовательности нумерации RLM, 4, и в результате получился двигатель Jumo 004. После того, как было решено множество менее серьезных технических трудностей, массовое производство этого двигателя началось в 1944 году в качестве силовой установки для первого в мире реактивного истребителя, Messerschmitt Me 262 (а позже и для первого в мире реактивного бомбардировщика, Arado Ar 234). По целому ряду причин задержка с выпуском двигателя привела к тому, что истребитель прибыл слишком поздно, чтобы решающим образом повлиять на позицию Германии во Второй мировой войне. Тем не менее, это запомнится как первое использование реактивных двигателей в эксплуатации.
В Heinkel-Hirth фирма авиационных силовых установок также пыталась создать более мощный турбореактивный двигатель, Heinkel HeS 011 мощностью почти 3000 фунтов на полной мощности, в самом конце войны, чтобы улучшить варианты силовой установки, доступные для новых немецких военных реактивных самолетов, и улучшить характеристики существующих конструкций. В нем использовалась уникальная «диагональная» компрессорная секция, которая сочетала в себе особенности как центробежной, так и осевой компоновок компрессоров для турбореактивных силовых установок, но оставалась на испытательном стенде, и когда-либо было произведено всего около девятнадцати образцов.
В Великобритании их первый осевой реактивный двигатель Metrovick F.2 был испытан в 1941 году, а первый полет на нем был совершен в 1943 году. Несмотря на то, что в то время он был более мощным, чем центробежные двигатели, Министерство считало его сложность и ненадежность недостатком в военное время. Работа, проведенная в Metrovick, привела к созданию двигателя Armstrong Siddeley Sapphire, который был построен в США как J65.
После Второй мировой войны
После окончания войны немецкие реактивные самолеты и реактивные двигатели были тщательно изучены союзниками-победителями и послужили основой для создания первых советских (см. Архип Люлька) и американских реактивных истребителей. Наследие осевого двигателя проявляется в том, что практически все реактивные двигатели самолетов с неподвижным крылом были созданы под влиянием этой конструкции.
Центробежные двигатели совершенствовались с момента их изобретения. Благодаря усовершенствованиям в технологии производства подшипников скорость вращения вала двигателя была увеличена, что позволило значительно уменьшить диаметр центробежного компрессора. Небольшая длина двигателя остается преимуществом этой конструкции, особенно при использовании в вертолетах, где габариты имеют большее значение, чем площадь поперечного сечения. Кроме того, поскольку детали двигателя более прочные, они менее подвержены повреждению посторонними предметами, чем двигатели с осевым компрессором.
Несмотря на то, что немецкие разработки были более совершенными с точки зрения аэродинамики, сочетание простоты конструкции и отсутствие редких металлов (таких как вольфрам, хром и титан), необходимых для производства высоконагруженных компонентов, таких как лопасти турбин и подшипники и т. д., означало, что немецкие двигатели, выпущенные позднее, имели небольшой срок службы и требовали замены через 10–25 часов. Британские двигатели также широко производились по лицензии в США (см. Миссия Тизарда) и продавались в Советскую Россию, где они были усовершенствованы с помощью Nene, ставшего основой для знаменитого МиГ-15. Американские и советские разработки, независимые осевые конструкции, по большей части, были направлены на достижение превосходных характеристик вплоть до 1960-х годов, хотя General Electric J47 отлично зарекомендовал себя в F-86 Sabre в 1950-х годах.
К 1950-м годам реактивный двигатель стал практически универсальным для боевых самолетов, за исключением грузовых, связных и других специализированных типов. К этому времени некоторые британские разработки уже были одобрены для использования в гражданской авиации и применялись в ранних моделях, таких как de Havilland Comet и Avro Canada Jetliner. К 1960-м годам все крупные гражданские самолеты также стали оснащаться реактивными двигателями, оставив поршневые двигатели в таких нишевых областях, как грузоперевозки.
Эффективность использования топлива в турбореактивных двигателях изначально была ниже, чем в поршневых двигателях, но в 1970-х годах появились двигатели с высокой степенью двухконтурности в авиалайнерах, которые достигли паритета, а затем и большей эффективности на больших высотах, что позволило совершать гораздо более длительные беспосадочные перелеты.[18] Совершенствование турбовинтовых двигателей полностью вытеснило поршневые двигатели, оставив их только в небольших самолетах общего назначения и в некоторых беспилотных летательных аппаратах.
В.Х. Абианц «Реактивные двигатели»
Стенограмма публичной лекции, прочитанной в Центральном лектории Общества в Москве. Рассматриваются реактивные двигатели, их устройство и применение.
— Классификация реактивных двигателей.
— Из истории развитая реактивной техники.
— Воздушно-реактивные двигатели.
— Жидкостно—реактивные двигатели.
— Будущее реактивного двигателя.
М.: Знание, 1955. — 34 с.
П.К. Казанджан, Л.П. Алексеев, А.Н. Говоров, Н.Е. Коновалов, Ю.Н. Нечаев, В.Ф. Павленко, Р.М. Федоров «Теория реактивных двигателей»
Иноземцев Н.В. Основы теории реактивных двигателей (1952)
В.А. Григорьев, Д.С. Калабухов, В.С. Захарченко, В.А. Зрелов, А.М. Гареев, В.С. Кузьмичев, А.И. Ланшин, А.Б. Прокофьев «Основы теории, расчета и проектирования воздушно-реактивных двигателей»
Б.Т. Ерохин «Теория и проектирование ракетных двигателей»
Читать по теме:
- Нечаев Ю.Н., Федоров Р.М., Котовский В.Н., А.С. Полев «Теория авиационных двигателей»
- В.А. Григорьев, Д.С. Калабухов, В.С. Захарченко, В.А. Зрелов, А.М. Гареев, В.С. Кузьмичев, А.И. Ланшин, А.Б. Прокофьев «Основы теории, расчета и проектирования воздушно-реактивных двигателей»
- П.К. Казанджан, Л.П. Алексеев, А.Н. Говоров, Н.Е. Коновалов, Ю.Н. Нечаев, В.Ф. Павленко, Р.М. Федоров «Теория реактивных двигателей»
- Иноземцев Н.В. Основы теории реактивных двигателей (1952)
- В.Х. Абианц «Реактивные двигатели»
- Б.Т. Ерохин «Теория и проектирование ракетных двигателей»
Вебинар проводят 26 февраля 2026 г. в 20:00 (время московское) Сергей Ткачев и Ирина Дедюхова.
Зарегистрируйтесь для участия в вебинаре, заполнив следующую форму и оплатив участие. Обязательны для заполнения только поля Имя и E-mail.
Оплатить программу вебинаров Яндекс.Деньгами или банковской картой можно в форме ниже:
