Большая тайна маленьких турбин. Неизвестный ВРД или некоторые примеры применения мотокомпрессорного двигателя Микро турбореактивный двигатель

Холодний Максим Віталійович

Національний аерокосмічний університет імені М. Є.Жуковського "Харківський авіаційний інститут"

Микро-ГТД

7.1. Авиация та космонавтика

Рисунки зменшені адміністрацією конкурсу, можуть бути надані в оригінальному розмірі на вимогу експерта.

Введение

Актуальность темы исследований. Миниатюризация бортовой аппаратуры, создание систем управления и целевой нагрузки с массой в сотни граммов, позволяет создавать беспилотные летательные аппараты (БЛА) со взлетным весом в единицы килограммов, оснащенного системами спутниковой навигации и радиосвязи, с возможностью действовать практически в любом районе земного шара в составе комплекса дистанционно-управляемой авиационной системы (ДУАС).

Одной из важнейших проблем при создании всепогодных БЛА является создание двигательной установки (ДУ), обеспечивающей, с одной стороны, высокую крейсерскую скорость полета БЛА, а с другой – достаточную продолжительность полета. Требования преодоления ветрового сноса, полета в условиях приземной турбулентности, оперативности получения информации выдвигают необходимость обеспечения крейсерской скорости полета на уровне М=0,5 и продолжительности полета не менее 30 мин.

Учитывая падение чисел Рейнольдса, а также рост площади, омываемой потоком, по отношению к объему и массе по мере уменьшения физических размеров ЛА, задача достижения высоких скоростей полета осложняется непропорциональным ростом потребной тяги при уменьшении размерности БЛА. Применение в качестве двигательной установки воздушно-реактивного двигателя (ВРД) открывает возможность обеспечения высоких скоростных характеристик, однако создание микро-ВРД традиционных схем с тягой до 50-200 H, пригодного для установки на сверхлегкий БЛА, наталкивается на значительные трудности, связанные прежде всего с масштабным вырождением рабочего процесса.

Таким образом, задача создания ВРД малых тяг (ВРД МТ) представляется актуальной.

Проблематикой создания воздушно-реактивных двигателей малых тяг на основе ТРД занимаются частные фирмы: Франции - Vibraye (JPX-t240…), Японии - Sophia-Precision (J-450…), Германии - JetCat (P-80…),Австрии - Schneidtr-Sanchez (FD-3). Перечисленные выше двигатели фирм предназначены для авиамоделей, но, по-видимому, за неимением лучшего, они применяются в гражданской и военной беспилотной авиации.

Несмотря на кажущуюся простоту конструкций микро-ГТД по сравнению с полноразмерными, их изготовление так же сопряжено с производсьвенными трудностями в связи с тем, что они содержат те же основные конструктивные элементы, что и полномасштабные аналоги: компрессор, сопловой аппарат, турбину (работающую при температуре свыше 700 градусов по шкале Цельсия и периферийных окружных скоростях 500 м/с).

При таких высоких значениях температур и окружных скоростей, в корневой части лопатки напряжения разрыва могут достигать 700 МПа и выше. Из чего можно сделать простой вывод: для изготовления турбин этих образцов ВРД использовались жаропрочные стали или сплавы - аналоги отечественных сталей: ХН62БМКТЮ с временным сопротивлением 520-550 МПа при рабочей температуре 700 градусов по Цельсию, ХН50ВМКТСР -540 МПа при 900 градусах, что и определяет высокую конечную стоимость ДУ.

В нашей стране ГТД малых тяг, пригодные для установки на БЛА с взлётной массой до 100кг, не производят.

Задачей исследования явилась разработка ДУ для БЛА на основе микро-ТРД.

При разработке в качестве аналога был выбран серийный двигатель фирмы АМТ-Olimpus с тягой 230Н и диаметром 130мм.

Таблица. Характеристики двигателя авторской разработки и серийного аналога

Характеристики	AMT Olympus	ТРД с ЦБК
Диаметр ДУ (мм) Длина ДУ (мм) Диаметр компрессора (мм) Диаметр турбины (мм) Частота вращения (об/мин) Степень сжатия Расход топлива (мл/мин) Массовый расход воздуха (кг/с)

По причине дороговизны и дефицитности выше перечисленных сталей было принято решение использовать доступные материалы и снизить максимальные окружные скорости с 475м/с (аналога) до 300м/с, что неминуемо при том же миделевом сечении ДУ, влекло за собой снижение расхода воздуха и, как следствие, при той же скорости истечения из сопла - снижение лобовой тяги.

В стремлении разработать двигатель с той же лобовой тягой, но с меньшими окружными скоростями на периферии лопаток турбины и на основании опыта создания полномасштабных ГТД с центробежным компрессором выбор был остановлен на двухстороннем центробежном компрессоре (ЦБК), что является новшеством в классе микро-ГТД. Это конструктивное решение позволяет удвоить расход воздуха без увеличения диаметра диффузора.

Новизна - состоит в новом конструктивно-технологическом решении, позволяющем максимально отехнологичить самый сложный узел ТРД с ЦБК - диффузор, и полностью отказаться от болтовых и сварных соединений (рис.3, 6).

Методами исследования являлись численное моделирование рабочих процессов в авиационных воздушно-реактивных двигателях на основе комплексных моделей рабочего процесса и проведение натурных испытаний работоспособного образца ГТД.

Сборка ротора: кок, двухсторонний центробежный турбо-компрессор, вал, турбина.

Турбина –активно-реактивная осевая одноступенчатая со степенью реактивности 0,5.

Представлен один из вариантов диска, расчёт на прочность выполнялся с помощью пакета CosmosWorks – рис. 9.

3D модель турбины в сборе представлена на рис 10. Видны отдельные сегменты лопаточного венца. Один из трёх сегментов выделен тёмным тоном. Данная конструкция лопаточного венца позволяет, в отличие от цельнолитого, применить в различных зонах нагружения необходимые стали, что позволяет экономить материал. В зонах стыка сегментированного венца имеются деформационные швы, снижающие предварительные напряжения в диске. При отливке сегмента наблюдается практически полное отсутствие усадочных раковин, по сравнению с цельнолитым диском, в связи с меньшими относительными толщинами. Подобная конструкция турбины в микро-ГТД малых тяг разработана впервые.

Технологическая оснастка, использовавшаяся при изготовлении двигателя представлена на рис. 10-11. Отдельные стадии технологических процессов приведены на рис. 13.

Компрессор – одноступенчатый центробежный двухсторонний с колесом полуоткрытого типа.

Некоторые элементы технологического процесса изготовления турбокомпрессора рис. 15-18.

Камера сгорания – кольцевого типа, прямоточная. На рис.19,20.

https://pandia.ru/text/79/124/images/image007_8.jpg" width="624" height="162 src=">

Шестерённый насос с плавающими втулками сам по себе стоит отдельного описания, не уступает промышленным образцам, используемым в автомобильной промышленности, обеспечивает перепад давлений до 1 МПа при расходе всего 20 мл/с, частота вращения 12000 об/мин.

Огневые испытания.

Реализация проектных решений. Общий вид спроектированного микро-ГТД и отдельных его узлов представленных на рисунках. Все элементы конструкции выполнены лично автором статьи.

Выводы. На сегодняшний день применение микро-ГТД на аппаратах с взлетным весом порядка 100 кг и выше представляется наиболее разумной перспективой. С уровнем тяг 200-300 Н микро-ГТД могут обеспечить высокие дозвуковые скорости полета БЛА легкого класса. С точки зрения массового совершенства двигательная установка с малоразмерным ГТД привлекательна. Низкий удельный вес микро-ГТД особенно ярко проявляется при небольшой продолжительности полета (до 30 мин.). При ограничении продолжительности полета до 15-20 мин. на основе микро-ГТД может быть создан высокоманевренный БЛА с тяговооруженностью более 0.5.

Список использованных источников

1. . Теория авиационных двигателей. – Оборонгиз. –1958г.

2. . Численное моделирование теплофизических процессов в двигателестроению. –Харьков, ХАИ. –2005г.

3. , . Радиально-осевые турбины малой мощности. –Москва, Машгиз. –1963г.

4. . Воздушные микротурбины. – Москва, Машиностроение. –1970г.

5. , Боровский и расчёт агрегатов питания жидкостных ракетных двигателей. –Москва, Машиностроение. –1986г.

6. , . Испытания авиационных воздушно – реактивных двигателей. –Москва, Машиностроение. –1967г.

7. Артёменко Н. П., и др. Гидростатические опоры роторов быстроходных машин. –Харьков, Основа. –1992г.

8. . Теория, расчёт и проектирование авиационных двигателей и энергетических установок. –Москва, Машиностроение. –2003г.

9. , . Расчёт турбин авиационных двигателей. –Москва, Машиностроение. –1974г.

10. Силовые установки вертолётов// под ред. . –Оборонгиз, Москва. –1959г.

11. Заготовительно – обрабатывающие технологии в производстве аэрокосмических летательных аппаратов// Учебное пособие, и др. –Харьков, ХАИ. –1999г.

12. Конструкция авиационных газотурбинных двигателей// под ред. . –Москва, Воениздат. –1961г.

Пилотирование самолетов стало увлечением, объединившим взрослых и детей со всего мира. Но с развитием данного развлечения развиваются и движители для мини самолетов. Самый многочисленный двигатель для самолетов такого типа является электрический. Но с недавних пор на арене двигателей для RC авиамоделей появились реактивные двигатели (РД).

Они постоянно дополняется всевозможными инновациями и придумками конструкторов. Задача перед ними стоит довольно сложная, но возможная. После создания одной из первых моделей уменьшенного двигателя, которая стала значимой для авиамоделирования, в 1990-х годах изменилось многое. Первый ТРД был 30 см в длину, около 10 см в диаметре и весом в 1,8 кг, но за десятки лет, у конструкторов получилось создать более компактную модель. Если основательно взяться за рассмотрение их строения, то можно поубавить сложностей и рассмотреть вариант создания собственного шедевра.

Устройство РД

Турбореактивные двигатели (ТРД) работают благодаря расширению нагретого газа. Это самые эффективные двигатели для авиации, даже мини работающие на углеродном топливе. С момента появления идеи создания самолета без пропеллера, идея турбины стала развиваться во всем обществе инженеров и конструкторов. ТРД состоит из следующих компонентов:

• Диффузор;
• Колесо турбины;
• Камера сгорания;
• Компрессор;
• Статор;
• Конус сопла;
• Направляющий аппарат;
• Подшипники;
• Сопло приема воздуха;
• Топливная трубка и многое другое.

Принцип работы

В основе строения турбированного двигателя лежит вал, который крутится при помощи тяги компрессора и нагнетает быстрым вращением воздух, сжимая его и направляя из статора. Попав в более свободное пространство, воздух сразу же начинает расширяться, пытаясь обрести привычное давление, но в камере внутреннего сгорания он подогревается топливом, что заставляет его расшириться еще сильней.

Единственный путь для выхода воздух под давлением - выйти из крыльчатки. С огромной скоростью он стремится на свободу, направляясь в противоположную от компрессора сторону, к крыльчатке, которая раскручивается мощным потоком, и начинает быстро вращаться, придавая тяговой силы всему движку. Часть полученной энергии начинает вращать турбину, приводя в действие компрессор с большей силой, а остаточное давление освобождается через сопло двигателя мощным импульсом, направленным в хвостовую часть.

Чем больше воздуха нагревается и сжимается, тем сильней нагнетаемое давление, и температура внутри камер. Образовываемые выхлопные газы раскручивают крыльчатку, вращают вал и дают возможность компрессору постоянно получать свежие потоки воздуха.

Виды управления ТРД

Существует три вида управления двигателем:

Виды двигателей для авиамоделей

Реактивные двигатели на авиамодели бывают нескольких основных типов и двух классов: воздушно-реактивные и ракетные . Некоторые из них устарели, другие слишком затратные, но азартные любители управляемых авиамоделей пытаются опробовать новый двигатель в действии. Со средней скоростью полета в 100 км/час авиамодели становятся только интересней для зрителя и пилота. Популярнейшие типы двигателя отличаются для управляемых и стендовых моделей, в силу разного КПД, веса и тяги. Всего типов в авиамоделировании немного:

• Ракетный;
• Прямоточный воздушно-реактивный (ПРВД);
• Пульсирующий воздушно-реактивный (ПуРВД);
• Турбореактивный (ТРД);

Ракетный используется только на стендовых моделях, и то довольно редко. Его принцип работы отличается от воздушно-реактивного. Основным параметром здесь выступает удельный импульс. Популярен из-за отсутствия необходимости взаимодействия с кислородом и возможности работы в невесомости.

Прямоточный сжигает воздух из окружающей среды, который всасывается из входного диффузора в камеру сгорания. Воздухозаборник в этом случае направляет кислород в двигатель, который благодаря внутреннему строению заставляет нагнетать давление у свежего потока воздуха. Во время работы, воздух подходит к воздухозаборнику со скоростью полета, но во входном сопле она резко уменьшается в несколько раз. За счет замкнутого пространства нагнетается давление, которое при смешивании с топливом выплескивает из обратной стороны выхлоп с огромной скоростью.

Пульсирующий работает идентично прямоточному, но в его случае сгорание топлива непостоянное, а периодичное. При помощи клапанов топливо подается только в необходимые моменты, когда в камере сгорания начинает падать давление. В своем большинстве реактивный пульсирующий двигатель совершает от 180 до 270 циклов впрыскивания топлива в секунду. Чтобы стабилизировать состояние давления (3,5 кГ/см2), используется принудительная подача воздуха с помощью насосов.

Турбореактивный двигатель, устройство которого вы рассматривали выше, обладает самым скромным расходом топлива, за счет чего и ценятся. Единственным их минусов является низкое соотношение веса и тяги. Турбинные РД позволяют развить скорость модели до 350 км/ч, при этом холостой ход двигателя держится на уровне 35 000 оборотов в минуту.

Технические характеристики

Важным параметром, заставляющим авиамодели летать, является тяга. Она обеспечивает хорошую мощность, способную поднимать в воздух большие грузы. Тяга у старых и новых двигателей отличается, но у моделей, созданных по чертежам 1960-х годов, работающих на современном топливе, и модернизированных современными приспособлениями, КПД и мощность существенно возрастают.

В зависимости от типа РД, характеристики, как и принцип работы, могут отличаться, но всем им для запуска необходимо создать оптимальные условия. Запускаются двигатели при помощи стартера — других двигателей, преимущественно электрических, которые прикрепляются к валу двигателя перед входных диффузором, либо запуск происходит раскручиванием вала с помощью сжатого воздуха, подаваемого на крыльчатку.

двигателя GR-180

На примере данных из технического паспорта серийного турбореактивного двигателя GR-180 можно увидеть фактические характеристики рабочей модели:
Тяга: 180N при 120 000 об/мин, 10N при 25 000 об/мин
Диапазон оборотов: 25 000 — 120 000 об/мин
Температура выхлопного газа: до 750 C°
Скорость истечения реактивной струи: 1658 км/ч
Расход топлива: 585мл/мин (при нагрузке), 120мл/мин (холостой ход)
Масса: 1.2кг
Диаметр: 107мм
длина: 240мм

Использование

Основной сферой применения была и остается авиационная направленность . Количество и размер разных типов ТРД для самолетов ошеломляет, но каждый из них особенный и применяется при необходимости. Даже в авиамоделях радиоуправляемых самолетов время от времени появляются новые турбореактивные системы, которые представляются на всеобщий обзор зрителям выставок и соревнований. Внимание к его использованию позволяет существенно развивать способности двигателей, дополняя принцип работы свежими идеями.
В последнее десятилетие парашютисты и спортсмены экстремального вида спорта вингсьют, интегрируют мини ТРД как источник тяги для полета с применением костюм-крыло из ткани для вингсьюта, в этом случае двигатели крепятся к ногам, или жесткого крыла , надеваемого как рюкзак на спину, к которому и крепятся двигатели.
Еще одним перспективным направлением использования являются боевые беспилотники для военных , на данный момент их активно используют в армии США.

Самым перспективным направлением использования мини ТРД — беспилотники для транспортировки товаров между городами и по миру.

Установка и подключение

Установка реактивного двигателя и его подключение к системе - процесс сложный. В единую цепь необходимо подключить топливный насос, перепускные и регулировочные клапана, бак и температурные датчики. В силу воздействия высоких температур, обычно используются соединения и топливные трубки с огнеупорным покрытием. Закрепляется все самодельными фитингами, паяльником и уплотнениями. Так как трубка может быть по размеру с головку иголки, соединение должно быть плотным и изолированным. Неправильное подключение может привести к разрушению или взрыву двигателя. Принцип соединения цепи на стендовых и летающих моделях отличается и должен выполняться согласно рабочим чертежам.

Преимущества и недостатки РД

Преимуществ у всех типов реактивных двигателей множество. Каждый из типов турбин применяется для определенных целей, которым не страшны его особенности. В авиамоделировании использование реактивного двигателя открывает двери в преодоление высоких скоростей и возможности маневрирования независимо от многих внешних раздражителей. В отличие от электро- и ДВС реактивные модели более мощные и позволяют проводить самолету в воздухе больше времени.
Выводы
Реактивные двигатели для авиамоделей могут иметь различную тягу, массу, структуру и внешний вид. Для авиамоделизма они всегда останутся незаменимы из-за высокой производительности и возможности применять турбину с использование разного топлива и принципа работы. Выбирая определенные цели, конструктор может корректировать номинальную мощность, принцип образования тяги и т. д., применяя разные виды турбин к разным моделям. Работа двигателя на сгорании топлива и нагнетании давления кислорода делает его максимально эффективным и экономичным от 0,145 кГ/л до 0,67 кГ/л, чего всегда добивались авиаконструкторы.

То сделать? Купить или сделать своими руками

Данный вопрос не простой. Так как турбореактивные двигатели, будь они полномасштабными или уменьшенными моделями, но они технически сложные устройства. Сделать из — задача не из простых. С другой стороны мини ТРД производят исключительно в США или странах Европы, поэтому и цена у них в среднем 3000 долларов, плюс минус 100 баксов. Так что покупка готового турбореактивного двигателя вам обойдется с учетом пересылки и всех сопутствующих патрубков и систем 3500 долларов. Цену мощете сами посмотреть, достаточно загуглить «турбореактивный двигатель Р180-RX»

Поэтому в современных реалиях лучше подойти к этому делу следующим образом — что называется сделать своими руками. Но это не совсем верная трактовка, скорее отдать работу подрядчикам. Двигатель состоит из механической и электронной части. Компоненты для электронной части движителя покупаем в Китае, механическую часть заказываем у местных токарей, но для этого необходимы чертежи или 3D модели и в принципе механическая часть у вас в кармане.

Электронная часть

Контроллер поддержания режимов двигателя можно собрать на Arduino. Для этого нужен прошитый Arduino чип, датчики — датчик оборотов и датчик температуры и исполнительные механизмы, регулируемая электроникой заслонка подачи топлива. Чип можно прошить самому, если знаете языки программирования, либо обратиться на форум для ардуинщиков за услугой.

Механическая часть

С механикой все интереснее все запчасти в теории вам могут изготовить токаря и фрезеровщики, проблема вся в том, что для этого нужно их специально искать. Не проблема найти токаря, который изготовит вал и втулку вала, а вот все остальное. Самая сложная деталь в изготовлении — это колесо центробежного компрессора. Оно изготовляется либо отливкой. либо на 5 координатном фрезерном станке. Самый простой способ заполучить крыльчатку центробежного насоса это ее купить, как зап часть для турбонагнетателя ДВС автомобиля. И уже под нее ориентировать все остальные детали.

На вопросы «Завтра» отвечает Сергей Журавлёв, руководитель проекта создания газотурбинного двигателя сверхмалого размера.

«ЗАВТРА». Сергей, при взгляде на вашу микротурбину кажется, что это - небольшой реактивный двигатель. Который, наверное, ставят на какие-то сверхмалые самолёты, беспилотные летательные аппараты…

Сергей ЖУРАВЛЁВ. Внешний вид обманчив, и, несмотря на то, что несколько человек из нашей команды имеют прямое отношение к авиации, мы вообще-то делали совсем иное. Микротурбина - сердце нашего проекта автономного дома. Мы считаем, что дом в России должен быть изначально энергоактивным, то есть производить энергии больше, чем потреблять. И за счёт этого он должен быть автономным, то есть не иметь жёсткого подключения к внешним монопольным сетям.

«ЗАВТРА». Есть западная концепция: ставим на крышу солнечные батареи, а во двор - ветряк. Но у нас, извините, в стране нет ни толкового солнца, ни ветра, поскольку мы - в середине северного континента. В чём состоит ваш подход?

Сергей ЖУРАВЛЁВ. Автономный дом создать сегодня несложно, технологии это позволяют. Весь вопрос состоит в стоимости, потому что, конечно, можно поставить солнечные батареи и летом накапливать энергии более чем достаточно, а потом использовать её зимой. Но стоимость аккумулирования этой энергии будет близкой к космической - даже если ставить современные аккумуляторы, перекачивать воду по системе разновысотных прудов или же запасать тепловую энергию с помощью тепловых насосов или расплавленной теплоёмкой соли.

Чтобы таким образом запасти энергии на всю зиму, надо потратить целое состояние на систему аккумулирования. Поэтому мы исходим из концепции комбинирования разных источников энергии, которые позволяют закрывать все потребности. Электроэнергию сегодня бессмысленно накапливать в аккумуляторах, первичную энергию надо накапливать в химической форме, например - в виде горючих газов.

То есть приходим к тому, что надо ускорять процессы «метаболизма здания», производя горючие газы из тех отходов и мусора, что образуются в самом автономном доме. Есть несколько принципиальных способов получения и водорода или метана, но нам важен тот факт, что горючий газ, производимый самим домохозяйством, позволяет легко закрыть им генерацию электроэнергии и тепла на протяжении всей зимы. Отсюда и возникла идея микрогазотурбинной установки. У турбин есть много преимуществ по сравнению с обычными газопоршневыми агрегатами, то есть обычными и привычными для нас двигателями внутреннего сгорания.

У небольших газотурбинных двигателей уже достигнут очень высокий КПД, их, в отличие от газопоршневых двигателей, легко звукоизолировать, они почти не шумят и занимают малый объём. Неоспоримым их преимуществом является и то, что они легко работают на плохом, некачественном газе, который может генерировать домохозяйство из своих бытовых отходов.

«ЗАВТРА». Здесь надо сказать, что мы все привыкли к чистому, почти 100% метану, который нам поставляет по газовой трубе «Газпром», тот самый монополист, от которого вы хотите уйти, - а вы предлагаете получать прямо в доме пусть и менее чистый, но уже «свой», автономный метан?

Сергей ЖУРАВЛЁВ. Да, сейчас в деталях проработана практика получения конечного газового продукта, смеси горючих газов из большого спектра бытовых отходов - начиная от бумаги или дерева и заканчивая, извините за подробности, помётом птиц или навозом домашних животных.

Именно поэтому микротурбины сейчас - очень актуальное направление разработок. В том числе - и на Западе, где несколько компаний активно над этим работают. Понятно, что там концепция очень похожа на нашу: микротурбина становится «энергетическим сердцем» семьи или предприятия, когда всё производство многих бытовых предметов потребления, в первую очередь - продуктов питания концентрируется в самом домохозяйстве. И это, конечно, тот самый образ совсем иного будущего, когда мы получаем целый пласт «новых производителей», эдаких «крестьян XXI века», которые уже очень мало зависят от внешнего мира, обеспечивая себя всем необходимым и даже создавая излишки продукции.

«ЗАВТРА». Да, дай Бог, чтобы мы смогли возродить наши российские просторы благодаря такой уникальной технологии. А что у вас в ближайших планах?

Сергей ЖУРАВЛЁВ. Да, автономный дом - это будущее. Сегодня же возможность для применения микротурбин раскрывается в уже упомянутой нами авиации. В прошлом эволюция двигателей в авиации обошла микродвигатели стороной - по той простой причине, что они подходили только для авиамоделизма, имели очень малый ресурс. Микродвигатели в авиации были «бабочками-подёнками», были короткоживущими и рассматривались только как подобия, копии настоящих, «взрослых» авиадвигателей. Но сегодня, наконец, эволюция двигателестроения в размере микротурбины привела нас к тому, что возможности технологии и запросы авиации сошлись в одну точку - и мы можем сейчас сделать хорошую микротурбину для авиации.

«ЗАВТРА». Посмотрим на этот небольшой агрегат. Выглядит как настоящий двигатель, а что эта малютка сегодня выдаёт, если перевести в сухие цифры мощности или тяги?

Сергей ЖУРАВЛЁВ. На максимальных оборотах эта микротурбина выдаёт 200 ньютонов. Если же говорим о мощности - то это порядка 12 кВт. Достаточно мощный двигатель для своего скромного размера.

«ЗАВТРА». Для сравнения: насколько помню, обычная квартира даже на пике мощности потребляет сегодня 1,5-2 кВт электроэнергии, а в среднем - сотни ватт?

Сергей ЖУРАВЛЁВ. Да, такой малютки вполне хватит на десяток квартир в многоквартирном доме. Сейчас все параметры посчитаны на скорости микротурбины около 100 тысяч оборотов в минуту. Но при форсированном варианте турбины можно достичь и 150 тысяч оборотов в минуту, хотя это и не рационально.

«ЗАВТРА». Это ведь отнюдь не обороты двигателя внутреннего сгорания! Получается, что в турбине используются высокотехнологичная подвеска, специализированные подшипники, точный вал?

Сергей ЖУРАВЛЁВ. Да, в турбине стоят качественные, долговечные подшипники. В авиамоделизме для похожих турбин используют подшипники попроще, но они живут недолго, а для бытовой микротурбины самая главная проблема - создать систему смазки и балансировки двигателя, вала, которая бы позволяла ему долго послужить.

Современные флагманы отрасли уже имеют ресурс микротурбин порядка 100 тысяч часов, то есть около десяти лет, и при регулярном обслуживании турбины один раз в год. Мы не ставим такой задачи, хотя уже просчитали компоновку системы охлаждения на пять тысяч часов. А эта машина сможет работать не менее пятисот часов - это первый, но важный рубеж. Мы сейчас только переходим в стадию тестовых испытаний с промышленными образцами. Поэтому какой нам выдаст результат машина, мы пока не загадываем, но говорим: «не менее», - и это уже примерно впятеро больше, чем самый хороший авиамодельный двигатель.

Сергей ЖУРАВЛЁВ. Пока что, на первом этапе, мы начинаем работу именно с авиацией, немного упрощая себе первый шаг на пути к конечной цели. Авиация пока что всё-таки использует качественный керосин, а не бытовой газ, который по своим параметрам даже хуже магистрального. А задача когенерирующей микротурбинной установки, как я уже сказал, - это и наша мечта, и наша стратегическая цель.

«ЗАВТРА». Когенерация - это комбинированное получение тепла и электроэнергии, то, к чему надо всегда стремиться в нашей холодной стране. А были ли какие-то аналоги такого подхода, создания таких миктротурбин в советской, в российской истории? Насколько эта вещь уникальна?

Сергей ЖУРАВЛЁВ. В России не производятся двигатели такого типоразмера. Делают только двигатели для военных целей, это двигатели обычно более простые - для крылатых ракет, например. Но это подход одноразового использования, вида «выстрелил и забыл». Крылатая ракета при этом должна пролететь свой час до цели - и, соответственно, весь двигатель рассчитан на то, чтобы она этот час летела гарантированно.

Мы же говорим о совсем другом рынке, гражданского применения. Соответственно, всем способным произвести продукт на такой ёмкий рынок я желаю только успеха. Места и работы хватит всем. Поэтому мы, в общем, не опасаемся жёсткой конкуренции на рынке - в малой энергетике всё в России ещё только начинается.

«ЗАВТРА». Скажите, а какие следующие этапы вы планируете для микротурбины? Как вы её будете испытывать и совершенствовать?

Сергей ЖУРАВЛЁВ. К сожалению, у нас не так много средств, чтобы построить качественный испытательный стенд. Сейчас мы занимаемся этой работой, готовимся к тестовым испытаниям опытного образца. Наша текущая задача - произвести промышленный образец, создать производственную кооперацию, отработать технологические процессы и применяемые материалы. Дальше будет стадия доводочных испытаний. Но кое-что мы делаем и заранее, не дожидаясь, когда двигатель обретёт окончательный вид, - например, мы приступили к эскизной разработке гибридной силовой установки, как для целей будущей когенерации, так и для использования в беспилотных летательных аппаратах. Гибридный двигатель - это наиболее современная схема квадрокоптеров и конвертопланов, которые используют электропривод винта, но могут питаться и от микротурбины, а не от аккумуляторов, как сегодня.

«ЗАВТРА». Да, я был в своё время поражён тем, насколько далеко ушёл прогресс за последние десять лет развития беспилотной авиации, но знаю, какая критическая масса проблем возникла с БПЛА именно из-за того, что современные аккумуляторы накладывают ограничения на дальность и скорость беспилотников.

Сергей ЖУРАВЛЁВ. Беспилотные аппараты - очень сложные агрегаты, мы и не претендуем на их конструирование или производство. Наша задача - сделать качественную силовую установку, применимую в разных типах летательных аппаратов. Микротурбину можно встроить в любой авиадвигатель: турбореактивный, турбовентиляторный, турбовинтовой и уже упомянутый электрический двигатель для БПЛА. Микротурбина для них - компактный и мощный источник энергии. Выдавая реактивную струю и вращая вал, микротурбина создаёт электроэнергию, достаточную для полёта летательного аппарата.

«ЗАВТРА». Скажите, Сергей, а в какой части микротурбина собрана из российских комплектующих? С чем вы столкнулись при разработке своего аппарата, и какие задачи вы решили, а какие остались пока нерешёнными?

Сергей ЖУРАВЛЁВ. Не буду рассказывать обо всех тонкостях и нюансах наших операционных изысканий. В целом же скажу, что Россия за последние годы накопила очень серьёзный парк передового оборудования в так называемых аддитивных технологиях. Этот двигатель произведён на 70% в рамках аддитивных технологий, то есть запрограммированным «выращиванием» металлических конструкций. Аддитивные технологии - это использование 3D-принтера, который сразу делает готовое изделие прямо из аморфного металла.

«ЗАВТРА». То есть вся ваша микротурбина буквально «напечатана» из металла?

Сергей ЖУРАВЛЁВ. Да, всё напечатано - кроме болтиков и гаечек. Болтики печатать незачем, на них есть стандарт. На токарном станке тут выточены только вал и корпус вала двигателя. Ну, и немного деталей выполнено фрезеровками на пятикоординатных станках, но это тоже - самое современное оборудование.

Соответственно, утверждать, что мы сегодня «отсталая страна» - это несусветная глупость. Есть лишь ряд технологических потребностей, пока что не решённых в российской промышленности. Например, уже упомянутые «долгоиграющие» керамические подшипники нашей микротурбины. В то же время мы видим, что российская научно-производственная база готова к производству и таких изделий, здесь вопрос лишь в экономике. Чтобы построить производство керамической продукции такого уровня для нашего изделия, это производство должно выпускать несопоставимо больший объём, чтобы сделать приемлемую стоимость. Прежде всего это вопрос конкуренции, грубо говоря - китайскую, японскую или немецкую продукцию купить пока намного дешевле, чем произвести здесь; нельзя поставить суперстанок только ради того, чтобы сделать четыре подшипника на опытную турбину.

«ЗАВТРА» . Ну, это проблема всех компаний-инноваторов. На западе изобретателям тоже приходится выкручиваться в такой ситуации.

Сергей ЖУРАВЛЁВ . Да, надо учитывать «эффект инновации». Например, если наша оборонная промышленность заинтересована в получении профессиональных двигателей в небольшом типоразмере, причём с применением самых современных материалов, этот процесс будет ускоряться вне зависимости от того, хотим мы этого или нет. Это видно просто по тому, как за последние 3-4 года армия вдруг обогатилась современной техникой.

«ЗАВТРА ». Скажите, а кто вам помогает и что вам мешает в вашей работе?

Сергей ЖУРАВЛЁВ. Вы знаете, мешают, скорее, производственные традиции, которые в России всё-таки достаточно косные. С одной стороны, это хорошо, потому что традиции позволяют делать меньше ошибок, но они же часто тормозят инновации.

Простой пример. Мы производим моделирование двигателей в компьютерной 3D-среде, то есть компонуем корпус двигателей со всеми деталями прямо в виртуальной 3D-модели. Эта же модель является исходным кодом для станка с ЧПУ или 3D-принтера, никаких чертежей, современное оборудование сразу «понимает» такой двоичный код. Но часть российских производств почему-то до сих пор требует перевести нашу 3D-модель в десяток ГОСТовских чертежей. А потом эти же чертежи их собственные конструкторы снова переводят уже в свою 3D-модель, чтобы «скормить» тем же станкам с ЧПУ!

Всё это тормозит и усложняет процесс и служит источником ошибок. Как говорят, «два переезда равны одному пожару», так вот - две переделки чертежей создают очень похожий эффект… И мы сегодня таких производителей переучиваем, приучаем к тому, чтобы они действовали, исходя из изменившихся реалий.

В итоге, из-за такой «притирки» смежников кооперация по производству этого двигателя заняла почти полгода. Кооперация в том смысле, что мы передавали готовое модельное решение со всеми необходимыми параметрами. И наши партнёры, надо отдать им должное и сказать огромное спасибо, брались за эти микропартии, экспериментальные, по сути, изделия, так как всё-таки в России есть удивительно нежное отношение к новому, уникальному, что мы и почувствовали, работая со своими смежниками по созданию нашей турбины. Ведь аддитивные технологии сегодня всё-таки только осваиваются российской промышленностью, и сделать просто «влёт» ту или иную деталь - это довольно сложно. Но наши партнёры активно включались и делали всё, что могли - в самых непростых условиях.

«ЗАВТРА» . Есть ли интерес к вашим разработкам со стороны отечественной «оборонки», если не заходить в зону государственных секретов? Наше военное ведомство - насколько оно проявляет интерес к такого рода концепциям, как они воспринимают идею микротурбины для авиации, в том числе и для беспилотной?

Сергей ЖУРАВЛЁВ . Давайте я отвечу почти философски. Я туда ещё не ходил, а ко мне ещё официально не приходили. «Товарищ майор» нами ещё не интересовался, но я предполагаю, причём с высокой долей уверенности, что поиск решений в этом направлении осуществляется нашим военным ведомством уже давно и очень активно. Я ведь вижу, как довольно крупные институты работают именно над этой задачей, и рано или поздно мы с этой стороной применения нашего изделия, конечно, столкнёмся.

«ЗАВТРА». То есть либо гора придёт к Магомету, либо всё-таки Магомет придёт к горе?

Сергей ЖУРАВЛЁВ. Вот именно. У нас нет антагонизма по отношению к нашей оборонной промышленности, но и опыта взаимодействия с ней тоже нет. Мы вообще - частная команда. Мы даже юридическое лицо специально под этот проект пока не создавали. В общем, у нас была задача - построить двигатель. И мы её выполнили

«ЗАВТРА». А сколько человеко-часов потребовалось, чтобы сделать эту малютку?

Сергей ЖУРАВЛЁВ. Скажем так, от «идеи, нарисованной на салфетке» и до воплощения двигателя в опытном образце прошло два года, что вылилось в напряжённый труд двух десятков людей, хотя, конечно, и не на полном рабочем дне.

«ЗАВТРА». То есть это достаточно сжатый срок от идеи до образца.

Сергей ЖУРАВЛЁВ. Я считаю, что сегодня производственные компетенции можно обретать очень быстро. Для этого достаточно доступа к источникам технологических знаний и мотивированной, слаженной команды. Сама же высокотехнологическая продукция не является сегодня каким-то табуированным знанием, к которому могут прикасаться только суперпрофессионалы, «избранные или специально обученные люди», как иногда в шутку говорят. Всё в инновациях создаётся поиском, мозговыми штурмами, оценками, перебором вариантов. Это очень непростой процесс, и тут на первый план выходит мотивация.

«ЗАВТРА». Есть мнение, что сейчас инновационное производство построить гораздо легче, чем даже 20 лет тому назад. Например, я слышал, что тот завод, который Советский Союз по АФАР-радарам для своих военных самолётов строил целое десятилетие, сегодня можно за полтора года собрать прямо в чистом поле - и это не будет каким-то стахановским подвигом. Насколько это правда?

Сергей ЖУРАВЛЁВ. Россия и Советский Союз всегда славились прежде всего способностью к мобилизации, к производству невероятного за очень короткие сроки. Поэтому, конечно, даже советские стройки уже были примером высочайших темпов освоения новых технологий и нового знания - и атомный, и космический проект, и менее «громкие» вещи, которые тоже всегда были на мировом уровне. С другой стороны, нынешние технологии в самом деле при желании позволяют производственнику буквально «прыгать через ступеньки», создавая в ещё более сжатые сроки совершенно новые изделия, часто основанные на новых, уникальных подходах. Нынешнее время - настоящая эпоха возможностей для думающих, активных людей. Настоящее «время мечты».

«ЗАВТРА». Касательно вашей мечты хотел задать вопрос. Мы начали наш разговор с «дома будущего». Я тоже истовый фанат будущего, поскольку прекрасно понимаю, что без движения вперёд любое общество медленно сползает назад. Ваше мнение: что общество получит от сегодняшних инноваций, таких, как ваша микротурбина или концепция автономного дома?

Сергей ЖУРАВЛЁВ. Если говорить о мечте или о нашей философии, то я считаю, что любой проект должен исходить из чётких философских оснований, из ясного видения будущего мира, в котором твой проект является важным, критическим элементом. Иначе будешь всю жизнь думать об «инновационной расчёске для волос». Я условно говорю, подчёркивая, что сегодня часто люди пытаются сделать бесполезные вещи, не обижая ни в коем случае разработчиков новых вариантов расчёсок. Просто мне это не интересно, новые расчёски наш мир не изменят. Например, если уж мы строим автономный энергоизбыточный дом, надо себе сказать, что он ничем не привязан к земле, кроме фундамента.

«ЗАВТРА» . То есть захотели в Карелию - полетели в Карелию. Захотели на южный берег Крыма - полетели на южный берег Крыма?

Сергей ЖУРАВЛЁВ . Да, ровно об этом речь: дом должен в некоем идеальном образе будущего стать и вашим транспортным средством. Ничего нереального в этом нет. Но это, конечно, уже совсем другая история, которую не стоит сразу привязывать к нашей скромной микротурбине. Она может стать не более чем маленьким шажком к такому образу будущего.

«ЗАВТРА» . Сергей, большое спасибо за беседу. Я надеюсь, может быть, через два года, может, уже через год увидеть энергетическую установку с вашим «сердцем» - крошечным турбореактивным двигателем, микротурбиной. Пусть даже под грифом «секретно», в виде сообщения, что где-то в России начаты испытания нового БПЛА для нужд Минобороны, с «инновационным турбореактивным двигателем». И, конечно, желаю, чтобы вы не потеряли энтузиазма на длинном пути к вашей мечте.

Сергей ЖУРАВЛЁВ . Энтузиазма точно не потеряем. Надеюсь, его хватит надолго. Как всегда говорят, были бы деньги - было бы и счастье. Но, тем не менее - и находим, и делаем, и сделаем.

Материал подготовил Алексей АНПИЛОГОВ

Турбореактивный двигатель является одним из важнейших механизмов, который изобрели в двадцатом столетии. Поговорим о том, что сопутствовало этому открытию, каковы модели этого устройства сегодня и можно ли изготовить его самостоятельно.

Немного истории

Устройство

Рабочее тело двигателя состоит из:

• компрессора, служащего для сжатия воздуха;
• камеры сгорания для нагревания;
• турбины для расширения.

Охлаждающий эффект обеспечивается атмосферой.

В компрессоре имеются диски из металла, а на их венцах расположены лопатки, которые захватывают воздух снаружи и перемещают внутрь.

От компрессора воздух направляется в камеру сгорания, нагреваясь и смешиваясь с керосином, попадающим туда через ротор.

Далее действие переходит в турбину, где газ раскручивается подобно игрушке-пропеллеру. Обычно турбины имеют три-четыре ступени. Именно на этот механизм приходится наибольшая нагрузка. Турбореактивный двигатель вращается со скоростью до тридцати тысяч оборотов в минуту. Факел, выходящий из камеры сгорания, может иметь температуру до полутора тысяч градусов по Цельсию. Воздух, расширяясь здесь, начинает двигать турбину.

После этого в реактивном сопле рабочее тело достигает скорости большей, чем скорость встречного потока. Таким образом и получается реактивная тяга.

Виды

ТРД или турбореактивный двигатель, принцип работы которого описан выше, относится к классу газотурбинных. Он бывает:

• ТРД с форсажной камерой;
• двухконтурный ТРД;
• двухконтурный ТРД с форсажной камерой.

В настоящее время известно пять поколений турбореактивных двигателей. К первому относятся еще те, которые использовались в годы войны английскими, а также фашистскими силами. Во втором поколении в нем появились осевой компрессор, форсажная камера и воздухозаборник с возможностью регулирования. В третьем — увеличилось сжатие, в четвертом — удалось поднять рабочую температуру. Пятое поколение в отечественной разработке имеет усиленную мощность и лучшую маневренность. Агрегаты, предназначенные для истребителей, выпускаются на уфимском заводе.

Турбореактивный двигатель своими руками

Любителям-моделистам, которые хотят собрать мотор самостоятельно, сегодня предлагается полный ассортимент всех запчастей. В продаже имеются специальные наборы для сборки (например, Kit). Турбину можно приобрести как готовую, так и сделать самим. Последний вариант довольно хлопотный и может также обойтись в копеечку. Это самая сложная часть для тех, кто собирает турбореактивный двигатель своими руками, так как здесь потребуются и токарно-фрезерная установка, и сварочный прибор.

Перед изготовлением стоит изучить теорию по микро-ТРД. Для этого существуют специальные руководства, где приводятся расчеты и чертежи.

А затем, можно начинать путь в авиамоделирование.

Двигатель этого типа в нынешнем классификационном списке авиационных силовых установок не значится и в реальной эксплуатации не используется. Многие люди о нем даже никогда и не слышали. Однако, он, фактически ровесник первых аэропланов, имеет любопытную историю практического применения и может быть интересен для любителей авиации.

Мотокомпрессорная силовая установка самолета И-250.

В транспортном машиностроении уже достаточно давно существует такое понятие, как комбинированная силовая установка . Обычно этот термин означает совмещение в одной конструктивной составляющей двигателей (или принципов их действия) различных типов, чаще всего двух или более.

Для наземной техники хорошим примером могут служить относительно активно использующиеся сейчас автомобили, автобусы и троллейбусы, способные работать с применением поршневых двигателей внутреннего сгорания и электродвигателей в одном, так сказать, комплекте. Для них чаще всего применяется термин «гибридные двигатели».

Авиация тоже не избежала этой участи. Комбинированные силовые установки различных конструкций и принципов работы проектировались и применялись на летательных аппаратах достаточно интенсивно практически с первых шагов самолетостроения.

Делалось все это не от хорошей жизни, а от несовпадения желаемого с имеющимися возможностями. Ведь даже сейчас, существующие и разрабатываемые высокосовершенные авиационные двигатели не могут сделать летательный аппарат абсолютно универсальным, как в плане высоких тяговых характеристик, массового и аэродинамического совершенства, так и в плане высокой топливной экономичности. Каждая из существующих двигательных схем, например винтовая и схемы на реактивной тяге (ВРД), имеет свою наиболее выгодную для нее область применения.

А на первых этапах развития авиации еще не было особого выбора силовых установок, но зато было широкое поле для новаторской деятельности. Принцип реактивного движения, известный, кстати, задолго до возникновения первых аэропланов, казался одной из самых соблазнительных возможностей решения проблем.

И в дальнейшем, с ростом скорости самолетов (особенно в 40-х годах), и соответствующим падением тяговых возможностей воздушного винта, а также мощностных возможностей поршневого двигателя (без роста массы), он становился попросту единственно возможным.

Реактивные ракетные двигатели , как жидкостные, так и твердотопливные, не могли стать основными двигателями самолета из-за кратковременности их работы, некоторых особенностей, усложняющих эксплуатацию (касается ЖРД) и сложности управления (РДТТ). Поэтому применялись они, в основном, на опытных самолетах и в качестве ускорителей. В особенности это касается двигателей на твердом топливе. Об этом написано ().

Довольно быстро стало понятно, что воздушно-реактивный двигатель наиболее приемлем для маршевой силовой установки самолета, а точнее говоря этот двигатель должен быть именно турбореактивным для возможности старта с нулевой скорости, то есть со стоянки.

Вот только приемлемое воплощение этого факта в конкретное техническое устройство, которое могло бы быть плодотворно использовано в качестве силовой установки для атмосферного летательного аппарата запаздывало по известным причинам как научного, так и технического характера. То есть не хватало знаний, не было конкретных теоретических разработок и практического опыта, отсутствовали специальные производства и материалы.

Что есть и чего хочется…

Но однажды запущенный процесс развития уже было не остановить. Первый, чисто реактивный самолет с турбореактивным двигателем совершил свой исторический полет 27 августа 1939 года. Это был немецкий самолет Heinkel He 178 , оборудованный двигателем Heinkel HeS 3 , обладавшим максимальной тягой 498 кгс.

Турбореактивный двигатель НеS-3В

Самолет Не 178.

Самолет Не 178.

Этот двигатель был построен к началу 1939 года и в июле опробован в полете на поршневом пикирующем бомбардировщике Heinkel He 118 , использованным в качестве летающей лаборатории. HeS 3 подвесили под его фюзеляж и включали в полете (за исключением взлета и посадки).

Впервые практически использованный для полноценного реактивного полета ТРД был, понятное дело, относительно примитивен, однако, имел все характерные для своего типа узлы, в т.ч. компрессор (центробежный с подпорной осевой ступенью), турбину (радиальную), выходное устройство. И работал он уже как полноценный воздушно-реактивный двигатель. Однако, эксплуатационные характеристики его оставляли желать лучшего.

Таковыми, впрочем, были все ранние ТРД, как проекты, так и построенные в металле. Малая тяга, низкий кпд, мизерный ресурс, невысокая надежность… Понятно, ведь это были только первые шаги, и все достижения на этом пути оставались еще впереди. Однако, так можно говорить сейчас, а тогда совершенно четких перспективы еще не были ясны.

Пожалуй, именно существование на начальном этапе некой неопределенности в дальнейшем развитии турбореактивных двигателей и желание поскорей найти более простую, но при этом полноценную, а главное столь необходимую альтернативу, позволившую бы улучшить характеристики летательных аппаратов, заставляло инженеров рассматривать другие варианты реактивных двигателей.

В одном из таких вариантов и был использован принцип комбинированности (или гибридности). Речь идет о мотокомпрессорном воздушно-реактивном двигателе (МКВРД) . В СССР такой тип двигателя в первой половине 40-х годов получил еще одно наименование — ВРДК (воздушно-реактивный двигатель с компрессором).

За рубежом он имеет несколько названий. Наиболее употребимое — motorjet (для сравнения ТРД – turbojet), менее употребимое (а также применяемое в немецком языке) – termojet. Есть еще несколько малоупотребимых названий — hybrid jets, piston-jets, compound engines, reaction motor, а также аfterburning ducted fan (канальный вентилятор с дожиганием), bypass ducted fan.

В турбореактивном двигателе наиболее нагруженным и сложным узлом является турбина . Она по большей части определяет предельную для конструкции температуру газа в камере сгорания, поскольку сама находится не только под ее воздействием, но еще и под нагрузкой от огромных по величине центробежных сил (рабочие колеса). Температура газа, в свою очередь, напрямую влияет на тягу.

Но при этом турбина в некотором роде второстепенна и саму тягу, так сказать, «не делает». Ее главное предназначение – создать мощность для вращения компрессора. То есть, мало того, что она сложна и в ТРД без нее не обойтись, но, если она сама по себе еще и невысокие характеристики имеет, то и двигатель высокими параметрами обладать не будет. Сплошные проблемы…

Чтобы от них избавиться, «проще всего» избавиться от самой турбины. А это как раз и есть случай мотокомпрессорного двигателя. Очень удобный в том плане, что в 30-х и начале 40-х годов еще не был накоплен опыт создания качественных авиационных турбин с относительно высокими параметрами.

Традиционно классическая мотокомпрессорная силовая установка состоит из трех главных частей : поршневого двигателя внутреннего сгорания (ПД), компрессора и, если так можно сказать, упрощенного воздушно-реактивного двигателя. При этом компрессор приводится от поршневого двигателя (обычно через специальную трансмиссию или вал) и может быть различной типовой конструкции (чаще всего центробежный или осевой).

Компрессор обычно низко-напорный (по конструктивным возможностям). Вместо него также может быть использован высоконапорный вентилятор или, по сути дела, воздушный винт (или несколько) в кольцевой оболочке.

ВРД в этом комплекте действительно очень упрощен по сравнению с ТРД. Он не имеет ни собственного компрессора, ни, соответственно, турбины, и обладает только топливными форсунками (или их коллектором), через которые подводится топливо для нагрева поступающего воздуха, импровизированной камерой сгорания и выходным устройством для выхода газа (соплом). Причем с использованием и наличием камеры сгорания тоже возможны варианты (об этом ниже).

Таким образом, наружный воздух по специальному каналу поступает к внешнему компрессору, который вращается поршневым двигателем. Далее сжатый воздух поступает в камеру сгорания где подогревается сжиганием топлива, и потом энерговооруженная газовая смесь проходит в для разгона и создания реактивной тяги.

В классическом варианте мотокомпрессорного двигателя упрощенный ВРД своим устройством и принципом действия напоминает прямоточный воздушно-реактивный двигатель или даже в большей степени форсажную камеру сгорания для ТРД и ТРДД. Именно при создании мотокомпрессорных двигателей был получен первый опыт, пригодившийся в дальнейшем при разработке ФКС.

По различным источникам вклад камеры сгорания МКВРД в создание тяги (помимо сжатия воздуха компрессором) оценивается от одной трети до половины от общей величины в зависимости от совершенства конструкции. Свой некоторый вклад в зависимости от варианта конструкции могут также вносить выхлопные газы ПД и тепло его корпуса.

Общесамолетная тяга от такой комбинированной силовой установки может быть получена не только за счет реактивной струи газов из ВРД, но и с помощью воздушного винта, приводимого поршневым двигателем (тем же, который вращает компрессор). Существуют различные примеры проектирования и постройки самолетов с МКВРД как с воздушным винтом, так и без него.

При использовании на самолете обоих типов движителей, и воздушного винта и реактивной тяги, прослеживается определенная универсальность. На малых скоростях (высотах) более выгодна работа с использованием воздушного винта, а на больших скоростях (высотах) — с использованием реактивной тяги. Высотно-скоростные возможности летательного аппарата возрастают.

Стоит сказать, что были и другие, уже значительно более совершенные компоновочные варианты мотокомпрессорных двигателей, например, в конце 30-х, в 40-х годах (в основном в Германии), когда они создавались параллельно с турбореактивными и полным ходом шла оценочная деятельность, чтобы понять, какой из двух принципов более приемлем. В такой версии все, традиционно отдельные, элементы классического моторджета объединялись в единый агрегат, внешне очень напоминавший ТРД (о примерах ниже). Однако, несмотря на похожесть, принцип работы оставался неизменен.

В качестве интересного дополнения …

Говоря об общем принципе устройства МКВРД, нельзя не упомянуть один любопытный факт. Вне зависимости от того знают ли люди, что такое мотокомпрессорный двигатель , или нет, практически каждый из них у себя дома имеет, можно сказать, его миниатюрную модель. Маломощную и для движения не предназначенную, но все же…

Это обычный бытовой фен . В нем, хоть и в примитивном виде, есть все необходимые элементы: вентилятор (мини-компрессор), нагреватель (камера сгорания) и даже сужающееся сопло, которое дует иной достаточно интенсивно и горячо:-)…

Направления…

Попытки внедрения «гибридности», приведшие в конечном итоге к постройке реально работающих образцов двигателей мотокомпрессорного типа имели место практически с первых шагов развития авиации, когда «летающие этажерки» более-менее прочно утвердились в воздухе.

При этом можно сказать, что в рамках самого типа существовало несколько направлений и вариантов конструкторских разработок, менявших конструкцию (а иногда и параметры работы), но не менявших основополагающего принципа работы двигателя.

Примером может служить несколько необычный проект двигателя французского инженера Рене Лорина (René Lorin), выполненный им в 1908 году. От упрощенного ВРД, который вроде как должен присутствовать в motorjet-е, в двигателе Лорина осталось только выходное устройство, то есть сопло.

Двигатель Рене Лорина.

Собственная камера сгорания, как, впрочем и отдельный компрессор, у двигателя, как таковые, отсутствовали. В сопло направлялись продукты сгорания после воспламенения топливо-воздушной смеси в цилиндре поршневого двигателя.

То есть это был, по сути дела, каждый цилиндр которого имел собственное сопло для выхода выхлопных газов и, соответственно, генерации реактивной тяги. Понятно, что тяга формировалась импульсами, хотя, конечно, к ПуВРД этот факт отношения не имеет. Подразумевалось, что такие двигатели должны были устанавливаться прямо на крыло самолета.

Следующим по хронологии пожалуй стоит упомянуть известный экспериментальный самолет Coandă 1910 , сконструированный румынским инженером-аэродинамиком и изобретателем Анри Коандэ (румын. Henri Coandă), известным первооткрывателем эффекта Коанда .

Самолет Coanda 1910 на Парижской авиационной выставке в 1910 году.

Схема двигателя Коандэ. Система подачи и зажигания топлива, как и дополнительные КС не показаны. Показан предполагаемый подвод выхлопных газов ПД в поток.

Силовая установка располагалась в носовой части фюзеляжа. Она имела вид кольцевого канала-капота, передняя часть которого была оборудована , сжимающим поступающий воздух, расход которого через фронтальный воздухозаборник регулировался с помощью лепесткового устройства (Коанда назвал его обтюратором).

Компрессор имел скорость вращения около 4000 об/мин и приводился от рядного поршневого мотора Clerget (мощностью 50 л.с.), установленного в верхней части фюзеляжа сразу за воздушным каналом, через специальную трансмиссию.

Сам изобретатель вначале называл такую силовую установку «turbo-propulseur» (слово «turbo» здесь относится именно к компрессору), а впоследствии, когда воздушно-реактивные двигатели уже уверенно заняли ведущее место в авиационном двигателестроении, объявил его воздушно-реактивным мотокомпрессорным двигателем .

Примерно тогда же прозвучало высказывание о том, что Coandă 1910 был первым полетевшим самолетом на реактивной тяге, максимальная величина которой (около 220 кгс) составляла примерно половину от тяги вышеупомянутого Heinkel He 178.

Подразумевалось, что сжатый после компрессора воздух смешивался с топливом, которое сгорало, сообщая самолету увеличенную реактивную тягу. Топливо впрыскивалось в задних боковых частях воздушного канала и там же сгорало. В дальнейшем в некоторых источниках упоминались также некие дополнительные камеры сгорания по бокам фюзеляжа.

Элементы компрессора двигателя Коандэ.

Реплика самолета Coanda 1910. Установленный ПД не соответствует оригиналу.

Еще одна возможная схема двигательной установки самолета Coanda 1910.

Кроме того в патентных заявках оговаривался подвод выхлопных газов от поршневого двигателя на вход в воздушный канал, что могло повысить расход воздуха через двигатель и температуру потока.

Однако, заявления о камерах сгорания фактически появились уже в послевоенный период. Конструкция самолета, в этом плане крайне неудачная, вряд ли позволила бы использовать такую схему без риска пожара, который бы повредил деревянную конструкцию и совершенно незащищенного пилота.

Самолет был представлен на 2-ой Парижской авиационной выставке (октябрь 1910 года) без дополнительных камер сгорания и заявленной системы отвода выхлопных газов поршневого двигателя. Многие исследователи и авиационные специалисты, как в то время, так и в последние годы подвергали большому сомнению сам факт существования системы сжигания топлива в потоке на Coandă 1910.

Ставился под сомнение даже факт единственного полета этого самолета. Он состоялся 16 декабря 1910 года и закончился неудачно из-за повреждения системы управления (или невнимательности пилота).

По некоторым румынским источникам (и якобы со слов самого Коандэ) полет состоялся случайно. Инженер не собирался взлетать и просто проводил опробование двигателя. Неосторожно сдвинутые рычаги увеличили обороты компрессора и открыли обтюратор. Самолет начал разбег и взлетел.

Неожиданность, большое пламя выхлопа из-под капота и отсутствие опыта в пилотировании привело к потере контроля за скоростью и высотой. Самолет оказался на земле и загорелся. Сам инженер получил некоторые травмы. В дальнейшем из-за отсутствия средств самолет не восстанавливался.

Возможное распространение горячих газов от двигателя на самолете Coanda 1910.

Любопытно, что это происшествие иногда связывают с открытием впоследствии Анри Коандэ явления, названного его именем – эффект Коанда . Струя воздуха, выходящая из кольцевого сопла двигательной установки его самолета вместе с раскаленными газами после сгорания топлива как бы «прилипла» к фюзеляжу и повредила хвостовое оперение. Это якобы натолкнуло инженера на определенные мысли. Однако, так ли все это было на самом деле, мы, похоже, уже никогда не узнаем….

В этом деле есть еще один интересный момент. В то же время, к началу декабря 1910 года в Париже по заказу Великого князя Кирилла Владимировича (двоюродный брат императора Николая II) были построены аэросани , оснащенные двигателем Коандэ (он принимал в этом непосредственное участие), аналогичным по конструкции самолетному. Так вот, на этом устройстве не было дополнительного сжигания топлива, кроме как в самом поршневом двигателе.

Аэросани Великого Князя Кирилла (проект Коандэ).

И тем не менее… Сейчас, видимо, не так уже и важно присутствовала ли система сжигания топлива в воздушном потоке на двигателе Coandă 1910. Если была, то это был хоть и достаточно примитивный, но все же типичный моторджет с полным набором характерных конструктивных узлов. Если же не было, то все равно этот проект был достаточно близок к такому типу двигателей, а точнее к их определенному варианту, создающему так называемую «холодную тягу» .

Мотокомпрессорный двигатель с камерой сгорания, подогревая воздух, создает «гор ячую тягу» . Но если дополнительной камеры сгорания нет, то тяга как раз холодная. В этом случае некоторый подогрев может осуществляться только за счет сжатия воздуха в компрессоре (немного, но все же…), отвода в поток горячих выхлопных газов поршневого двигателя, а также за счет охлаждения корпуса ПД (если оба последних способа предусмотрены конструкцией).

Двигатель самолета Coandă 1910 мог быть достаточно близок к этому «холодному» варианту (если считать, что у него все-таки не было системы сжигания топлива в потоке, или же она не использовалась). Сам принцип расположения агрегатов, когда компрессор расположен впереди поршневого двигателя и обдувает его воздухом, иногда его еще называют «схемой Коанда».

Интересно, что у же в следующем, 1911 году был заявлен исследовательский проект русского инженера А. Горохова. Он представлял из себя классический вариант мотокомпрессорного двигателя с 2-мя камерами сгорания и компрессором приводимым в движение поршневым мотором. То есть двигатель генерировал как раз горячую тягу . При этом сам компрессор также представлял из себя поршневой агрегат, сжимавший воздух в цилиндрах и направлявший его в камеры сгорания.

Проект А.Горохова. 1 - воздухозабоник; 2 - компрессор; 3 - камеры сгорания; 4 - сопла; 5 - поршневой двигатель.

Варианты…

Однако позже, в 30-х и самом начале 40-х годов, существовали достаточно совершенные проекты моторджетов, работавших именно на холодной тяге.

Примером может служить немецкий двигатель HeS 60 , спроектированный объединенной компанией Heinkel-Hirth в 1941 году, как завершающая модель в целой линейке подобных двигателей. Этот агрегат не имел камеры сгорания.

Воздух сжимался (с некоторым повышением температуры) в собственном трехступенчатом осевом компрессоре. Также был организован выход в поток выхлопных газов 32-цилиндрового дизельного двигателя (мощность 2000 л.с.), который вращал компрессор и теплосъем с этого ПД. Далее сжатый воздух направлялся в управляемое створчатое сопло. Расчетная тяга достигала 1250 кгс.

Схема двигателя НеS-60.

На этой модели был предусмотрен отбор, при необходимости, части энергии потока на внутридвигательные нужды через специальную радиальную турбину.

Сам поршневой двигатель «встраивался» внутрь HeS 60. Такая схема была характерна для немецких проектов и в дальнейшем применялась также для проектов МКВРД , использующих горячую тягу (упомянуто ниже).

Принцип создания холодной тяги пробовали использовать, как один из режимов работы мотокомпрессорного двигателя, на различных экспериментальных самолетах, таких, например, как Focke-Wulf Fw 44 .

Схема двигателя BMW Flugmotorenbau для самолета Focke-Wulf Fw 44.

Схема самолета Focke-Wulf Fw 44 с установленным двигателем типа motorjet на холодной тяге.

Самолет Focke-Wulf Fw 44.

На нем специалисты компании BMW Flugmotorenbau в 1938 году вместо штатного двигателя и двухлопастного воздушного винта установили другой двигатель (Bramo 325 , позже 329), четырехлопастной вентилятор и направляющий аппарат с кольцевой оболочкой (по принципу импеллера). Воздух покидал двигатель через сужающиеся каналы кольцевого сопла.

Motorjet инженера Харриса. 1917 год.

В дальнейшем «холодная тяга» нашла свое применение в различных конструкциях реактивных двигателей, главным образом в турбореактивных , в особенности это касается двигателей.

А само понятие «motorjet» впервые было упомянуто еще в 1917 году в запатентованном проекте британского инженера Харриса (H.S. Harris of Esher). Этот проект представлял из себя классический мотокомпрессорный двигатель . В нем центробежный компрессор (А) приводился в движение двухцилиндровым поршневым двигателем (С).

Сжатый воздух направлялся в две боковые камеры сгорания (D), где впрыскивалось и сжигалось топливо (B), после чего газовый поток направлялся в сопла для создания тяги. Здесь Е — дополнительный эжектируемый воздух.

Разнообразие конструкторских разработок моторджетов иллюстрирует интересный проект известного британского конструктора Фрэнка Уиттла (Frank Whittle), созданный им в 1936 году. Свою схему он назвал «dual thermal cycle » (рисунок). В ней были предусмотрены два компрессора. Один, осевой, основной (B) в начале воздушного тракта, а второй, центробежный (F), в его конце. Осевой приводился в движение турбиной (С), которая в свою очередь вращалась от потока воздуха (Н), создаваемого задним центробежным компрессором.

А этот ЦБ компрессор, в свою очередь, приводился от поршневого двигателя (Е), который получал воздух (J) для своей работы от этого же ЦБ компрессора, а выхлопные газы (K) направлял в турбину для ее дополнительной раскрутки. Отработанный воздух из турбины (L) направлялся в канал сопла для получения дополнительной тяги.

Схема мотокомпрессорного двигателя Уиттла «dual thermal cycle».

Немецкие инженеры довольно много экспериментировали до начала 40-х годов на тему мотокомпрессорного двигателя. Существовала даже концепция возможного использования таких двигателей на дальних бомбардировщиках, способных достичь берегов Америки.

Проект двигателя фирмы Junkers «jet reaction plant».

Фирма Junkers разработала свой проект большого двигателя, получивший название «jet reaction plant ». В нем 4-х-ступенчатый осевой компрессор приводился от дизельного двигателя с блоком из 16-ти цилиндров. При этом воздух охлаждал корпус поршневого двигателя (тем самым нагреваясь), а в задней камере сгорания с ним смешивалось и поджигалось топливо, увеличивая конечную тягу.

Первый, реально летающий…

Разработкой мотокомпрессорных двигателей в тот период времени занимались инженеры различных стран. Через год после полета Heinkel He 178, в августе 1940 года в воздух поднялся еще один из числа первых реактивных самолетов. Это был итальянский Caproni Campini N.1/CC2 .

Но несмотря на «реактивность» на нем был установлен не турбореактивный двигатель, а именно классический motorjet . Движителем был сам ВРД, то есть самолет приводился в движение только за счет реактивной тяги, без использования воздушного винта.

Самолет Caproni Campini №1/СС2.

В составе motorjet-а был рядный поршневой двигатель Isotta Fraschini L.121/RC (версия, предусматривающая воздушное охлаждение, мощность 900 л.с.), который приводил трехступенчатый осевой компрессор, располагавшийся в носовой части фюзеляжа. Рабочие лопатки компрессора могли изменять угол установки с помощью гидравлики 1 .

————————

1 Примечание . К сожалению мне не удалось найти однозначную информацию о принципиальной конструкции компрессора. По одним источникам (итальянским) кроме трех ступеней ротора были и три ступени статора. То есть практически полноценный осевой компрессор. По другим статора не было, а были три ступени высоконапорного воздушного винта (вентилятора) изменяемого шага в кольцевой оболочке.

При этом первые две ступени (этого винта) повышали динамическое давление, а третья служила по большей части для «исправления» потока, то есть придания ему осевого направления для возможного уменьшения потерь при турбулизации. Ведь потоку предстояло еще добраться к выходному устройству через весь фюзеляж.

Но для нашей темы в целом суть этой конструкции в общем-то большой роли не играет. Принцип работы в любом случае остается тем же. Меняются только выходные параметры.

———————

Атмосферный воздух поступал в воздухозаборник (диффузорного типа), где тормозился с повышением статического давления. Затем давление (полное либо динамическое) повышалось в компрессоре (вентиляторе), после чего воздух обтекал корпус поршневого двигателя, нагреваясь сам и охлаждая ПД одновременно. При этом поток вбирал в себя его выхлопные газы, тоже с повышенной температурой, и поступал через фюзеляж в его хвостовую часть.

Конструктивная схема самолета Caproni Campini №1/СС2. Рекомендкется смотреть в увеличенном виде (кликабельна дважды).

Стабилизаторы пламени и топливные коллекторы в форсажной камере мотокомпрессорной силовой установки самолета Caproni Campini №1/СС2.

Здесь он, уже нагретый и сжатый, попадал в камеру сгорания, где его температура еще более повышалась и далее выходил в атмосферу через сопло, создавая реактивную тягу. Сопло управлялось посредством перемещения центрального тела с помощью гидравлики.

Сопло мотокомпрессорной силовой установки самолета Caproni Campini №1/СС2. Виден управляемый конус (центральное тело).

Первый (внутренний) контур направлял воздух для нагрева путем охлаждения ПД. Далее воздух смешивался с горячими выхлопными газами и потом с испаряющимся (благодаря температуре этих газов) топливом (бензин), после чего смесь воспламенялась от свечей. Это была так называемая первичная камера сгорания .

Нагретый первичный газ, продвигаясь по оси двигателя, испарял и поджигал подаваемую далее вторичную (или основную) порцию топлива (вторичная или основная КС), смешиваясь при этом с воздухом, подаваемым по второму (внешнему) контуру. Далее общий поток направлялся в реактивное сопло для создания тяги.

Проект самолета Nasa Jake"s Jeep (Кликабельно).

Предусматривалось одновременное использование обеих камер сгорания, использование только первичной, либо работа вообще без КС, на упомянутой уже холодной тяге. Это позволяло увеличивать время нахождения самолета в воздухе, а горячую тягу использовать только для форсированного набора скорости.

Этот проект постигла та же судьба, что и основную массу других из области motorjet-ов. Еще на этапе начальной отработки камер сгорания у него были проблемы. Но их решение не повлияло на конечные итоги проводимых работ. Да, видимо, и не могло повлиять, потому что уже существовали работающие и перспективные ТРД. В марте 1943 года программа именно по этой причине была закрыта.

«Летающие» ВРДК…

К середине 40-х реальную практическую конкуренцию (хоть и формально) многим существовавшим на Западе проектам летательных аппаратов с МКВРД составили советские самолеты с комбинированной силовой установкой такого же принципа. В СССР разрабатываемый тип получил еще одно название — ВРДК .

К тому времени все уверенней заявлял о себе турбореактивный двигатель. Создавались все более совершенные и выгодные в эксплуатации образцы. Если в 30-х годах мотокомпрессорными двигателями в различных их вариантах параллельно с другими ВРД достаточно массово занимались немецкие авиационные фирмы, то к 1941 году эта работа была прекращена практически полностью и конструкторы переключились на работу с ТРД, окончательно определив для себя цели в реактивном двигателестроении. Достаточно интенсивно подобного рода работы проводились также в Америке и Англии.

В СССР же работы по мотокомпрессорным двигателям (ВРДК) проводились еще с 1941 года. Примерно в это время в ЦИАМ (Центральный институт авиационного моторостроения) было организовано конструкторское бюро для отработки наивыгоднейшей схемы ВРДК . Бюро руководил известный инженер-конструктор Холщевников К.В .

Однако конструкторская деятельность без определения приоритетов велась достаточно неспешно (как впрочем и в отношении других типов реактивных двигателей). И только в 1944 году, когда в реальных боевых действиях «вдруг» стали появляться немецкие реактивные самолеты, все работы в этой сфере были активизированы. Тогда в системе наркомата авиационной промышленности даже был сформирован научно-исследовательский институт для работы над проблемами реактивного двигателестроения – НИИ-1 .

Истребитель И-250 с ВРДК.

Конструктивная схема самолета И-250. Показано расположение ВРДК.

В конце мая 1944 года КБ П.О.Сухого, а также А.И.Микояна и М.И.Гуревича было выдано задание на проектирование экспериментальных самолетов «с поршневым двигателем и дополнительным воздушно-реактивным двигателем с компрессором». Эти дополнительные «ВРД с компрессором» как раз и получили название ВРДК . Разрабатывались они в ЦИАМ группой Холщевникова.

В результате получились два летающих самолета: И-250 (по некоторым источникам МиГ-13 ) и Су-5 . Они имели принципиально аналогичную конструкцию силовых установок. Главным двигателем был поршневой ВК-107А (для Су-5 первоначально планировался двигатель М-107), от которого через специальный вал приводился осевой компрессор. Воздух в него поступал по каналу из носовой части фюзеляжа.

Камера сгорания являла собой по сути дела , и для постоянной работы не предназначалась. Тепло поршневого двигателя и его выхлопные газы в формировании реактивной тяги не использовались.

Таким образом ВРДК включался только временно, в случае необходимости резкого увеличения тяги, то есть выполнял функции ускорителя (или вспомогательного двигателя). Например для И-250 время его непрерывной работы составляло не более 10 минут. Используемое топливо – авиационный бензин.

Первоначальный проект Су-5ВРДК.

Поздний проект Су-5ВРДК.

При этом планировалась максимальная скорость на высоте около 7500 м для И-250 – 825 км/ч, для Су-5 – 795 км/ч.

Программа Су-5 была закрыта в 1946 году в числе других, признанных неперспективными. Работы по И-250 продолжались, так сказать, не смотря ни на что. И летом 1945 года даже было принято решение о постройке опытной серии из 10 самолетов. Однако, «смотреть-то» как раз было на что…

Камера сгорания (форсажная) ВРДК самолета Су-5.

Реактивное сопло мотокомпрессорного двигателя самолета Су-5.

И-250 по различным причинам крайне тяжело внедрялся в производство и оказался очень неудобен в эксплуатации из-за большого количества недоработок и поломок, касающихся именно ВРДК . К тому времени уже поступали в эксплуатацию реактивные МиГ-9 и Як-15 с ТРД. К концу госиспытаний И-250 полным ходом испытывался ставший впоследствии знаменитым МиГ-15 .

Таким образом судьба И-250 была предрешена. Даже опытная серийная десятка, выпущенная, кстати, с трудом и приключениями, так и не вошла (по некоторым источникам) в боевой состав авиации ВМФ, для которого была предназначена. В 1950 году самолет был официально выведен из эксплуатации.

Проекты ЦАГИ…

В инициативном порядке в ЦАГИ в начале 40-х (до момента образования НИИ-1) также разрабатывались несколько проектов самолетов с ВРДК (не воплощенных в жизнь, к сожалению). Цель этих проектов была задача отработки путей радикального увеличения скорости самолетов. Ее значение особенно возросло с началом Великой отечественной войны.

Некоторые из них…

Проект самолета С-1ВРДК-1 . Оборудован поршневым двигателем М-82 с ВРДК: компрессор осевой, камера сгорания (или форсажная камера), регулируемое сопло с центральным телом. Тяга создавалась только за счет реактивной струи. Воздушный винт не был предусмотрен. В качестве топлива использовался бензин.

Проект С-1ВРДК-1. 3 - компрессор; 5 - ПД; 7 - подача топлива в камеру сгорания; 11 - центральное тело регулируемого сопла.

По расчетам на высоте 4500 м скорость должна была достигать 800 км/ч, на 7500 м – 820 км/ч. По сравнению с винтовыми истребителями самолет обладал повышенной скороподъемностью, лучшими разгонными характеристиками и мог поддерживать стабильную максимальную скорость во всем диапазоне высот.

Для увеличения продолжительности полета использовался вариант холодной тяги . В этом случае топливо в камеру сгорания не подавалось. Воздух подогревался за счет теплосъема с поршневого двигателя и направления его выхлопных газов в общий поток по каналам фюзеляжа и далее в сопло.

В результате, при использовании камеры сгорания не более 15-20 мин за полет (и экономии тем самым горючего) время нахождения в воздухе могло быть увеличено до 3,5 часов, то есть такой самолет мог быть использован в качестве высотного барражирующего истребителя-перехватчика. Рассматривался также вариант двухдвигательного самолета с ВРДК .

Другой проект…. На базе истребителя Як-9 (мотор М-105ф) был разработан проект истребителя с ускорителем типа ВДРК. В хвостовой части установили камеру сгорания и трехступенчатый осевой компрессор, который через приводные валы и промежуточные редукторы приводился от ранее разработанного поршневого двигателя М-105РЕН (с системой дополнительных редукторов).

Проект Як-9ВРДК.

Однако, самолет оказался перетяжеленным из-за установки дополнительного оборудования. Мощность нового двигателя М-105РЕН оказалась ниже исходного М-105ф. Расчетная скорость по сравнению с Як-9 возросла всего на 80 км/ч, при этом боевые возможности уменьшились из-за требуемого демонтажа части вооружения. Проект был признан неудачным, хотя интересен сам факт его существования в плане приобретения практического опыта.

Несколько позже (к концу 1943 года) появился другой, более совершенный проект с ВРДК на базе Як-9. Он должен был оборудоваться высотным поршневым двигателем АМ-39ф , приводившим двухступенчатый компрессор ВРДК, направлявший сжатый воздух в камеру сгорания. По расчетам самолет мог достичь скорости 830 км/ч на высоте около 8100. Время полета при комбинированном использовании холодного и горячего режимов составляло около 2,5 часов, то есть самолет мог быть использован в качестве барражирующего истребителя- перехватчика.

Самолет (от Як-9) с ВРДК. Поршневой двигатель АМ-39Ф

Имел место также проект, предусматривающий установку ВРДК на самолет Ла-5. Здесь в качестве компрессора был использован одноступенчатый вентилятор, установленный перед двигателем (как на немецком поршневом двигателе BMW-801) с добавленным к нему направляющим аппаратом, что позволило сформировать практически полноценную ступень осевого компрессора. Схема проекта представлена на рисунке.

Схема самолета Ла-5ВРДК.

Существовали и другие интересные проекты в различных специализированных советских КБ…

Проводились, например, разработки двигателей, конструктивно несколько отличавшихся от традиционных ВРДК . Это были двигатели, в которых поршневой мотор интегрировался внутрь ВРД, оборудованного своим компрессором, и длинный приводной вал отсутствовал. Такой конструкции агрегаты проектировались в первой половине 40-х немецкими конструкторами (вышеупомянутый двигатель на холодной тяге HeS 60, а также jet reaction plant фирмы Junkers). После окончания войны их опыт и наработки были использованы в СССР.

В 1947 году разрабатывался уже достаточно совершенный двигатель «032» под руководством инженера-конструктора А. Шайбе на так называемом опытном заводе №2 в ОКБ-1 (Куйбышевская область). Это был один из «немецких» заводов, сформированный в 1946 году и занимавшийся газотурбинными двигателями (в частности ТВД), используя оборудование и специалистов, вывезенных из Германии.

Схема двигателя "032".

Двигатель был оборудован 10-ти цилиндровым звездообразным двухрядным встроенным ПД и регулируемым соплом. Расчетная максимальная тяга – 2000 кгс, номинальная — 1800 кгс. Габаритные размеры: длина 4,0 м, диаметр — 1,0 м. Топливо – керосин или газойль. Работы по двигателю были прекращены в том же 1947 году из-за бесперспективности в связи с явным преимуществом ТРД.

Японский вклад в «общее дело»…

Однако была еще одна страна, авиационные инженеры которой уделили определенное внимание внедрению мотокомпрессорных двигателей в эксплуатацию. Это Япония. Здесь все делалось из соображений крайней необходимости и, в общем-то, при существенном дефиците времени. Моторджет был выбран благодаря его простоте и достаточной для существовавших условий тяговой эффективности.

В конечный период 2-ой Мировой войны Япония для борьбы с военными кораблями ВМС союзников СССР (главным образом США) создали и начали использовать самолет-снаряд, управляемый летчиком-камикадзе. Это была модель Yokosuka MXY7 Ohka («Ока» – цветок сакуры).

Самолет-снаряд Ohka 22 c двигателем Tsu 11 (Аэрокосмический музей в Вашингтоне).

Однако этот летательный аппарат (точнее говоря его первоначально существовавший вариант Ohka 11 ) был оборудован ракетными двигателями, обладавшими большим начальным импульсом, но малым временем работы. Поэтому дальность самолета была невысока – около 36 км.

Столь малая дальность была большим недостатком, потому что носители самолетов-снарядов, бомбардировщики-торпедоносцы Mitsubishi G4M2 вынуждены были для запуска Ohka 11 приближаться к корабельным авианосным группам на малые расстояния, тем самым подвергая себя и свой груз риску быть сбитыми истребителями противника.

Такое часто и происходило, при этом погибал не только самолет-снаряд, но и бомбардировщик со всем экипажем. Из-за этих случаев, неоднократно происходивших, Ohka 11 даже получил от американских моряков прозвище Вака , что в японском означает «дурак», «идиот».

Для исправления этого недостатка и увеличения дальности требовался другой двигатель. Так как ни времени, ни особых ресурсов для его разработки уже явно не хватало, то японские инженеры обратили внимание на принцип мотокомпрессорного двигателя.

Камера сгорания двигателя Tsu-11 самолета Ohka-22.

Вид со стороны сопла. Самолет Ohka 22 (музей).

Поршневой двигатель из состава Tsu-11 и воздухозаборники компрессора.

Поршневой двигатель motorjet-а Tsu-11. Воздухозаборник компрессора.

В итоге получился МКВРД Ishikawajima Tsu-11 . Его воздушно-реактивная часть состояла из одноступенчатого осевого компрессора и камеры сгорания с выходным нерегулируемым соплом. Привод компрессора осуществлялся от 4-хцилиндрового перевернутого рядного поршневого двигателя Hitachi Hatsukaze НА-11 (НА-47, лицензия немецкого Hirth HM 504). Вход воздуха осуществлялся через два боковых воздухозаборника в хвостовой части фюзеляжа.

ВРД был очень прост, можно сказать примитивен. Его тяга составляла около 180 кгс, при этом по мнению американских инженеров, изчавших образец этого двигателя, вклад камеры сгорания в общую тягу был невелик. Большая часть тяги формировалась компрессором. Тем не менее дальность полета по сравнению с 11-ой моделью, увеличилась более, чем в три раза. Самолет получил наименование Ohka 22 .

Было произведено достаточно малое количество двигателей Tsu-11. Он так же планировался к установке на самолет Yokosuka MXY9 Shuka , который собирались использовать в качестве тренировочного для летчиков самолета-перехватчика с ракетным двигателем Mitsubishi J8M (морской вариант, Ki-200 – армейский вариант).

Однако, ни один из этих самолетов так и не полетел – война закончилась. Ohka 22 успели построить около 50 штук (11-я модель -755 штук). Один из двигателей Tsu-11 находится в Вашингтоне в Национальном Аэрокосмическом музее (NASM). Он смонтирован на восстановленный Ohka 22.

К концу сороковых интерес к мотокомпрессорным двигателям практически сошел на нет, и они исчезли из практического поля зрения авиационных инженеров. В дальнейшем были отдельные случаи использования его или его принципа работы, чаще всего малоизвестные, единичные и с большой авиацией уже никак не связанные.

Экспериментальная модель самолета (В-208Т) с мотокомпрессорным двигателем (кликабельно).

Двигатель такого типа в порядке эксперимента применялись (применяются и сейчас) в авиамоделировании (имитация ТРД) или разработке небольших беспилотных летательных аппаратов. Примером может служить так называемая программа «Рубикон» (1968-1978 г.г.) в СССР, посвященная разработке микро-двигателей на реактивной тяге и созданная тогда модель самолета В-208Т.

Эта модель была оборудована вентилятором (1) с направляющим аппаратом (2), приводимым во вращение обычным модельным компрессионным поршневым двигателем (3), и камерой сгорания (4).

Или совсем неавиационные разработки. Например, применение выходной газовой струи мотокомпрессорного двигателя для скоростной очистки поверхностей, а конкретней железнодорожных путей ото льда и снега. Это так называемый «Hornet Project» небольшой канадской фирмы Nye Thermodynamics Corporation (1998 год).

В этом устройстве применена жаровая труба от КС серийного и сторонний дизельный компрессор.

Двигательные установки на принципе моторджета иногда применяют сейчас для экзотических транспортных средств в различных автошоу и для рекордных заездов. В качестве компрессора применяют обычно автомобильные турбокомпрессоры или агрегаты им подобные.

Практически уже в наше время имели место идеи использования мотокомпрессорных двигателей на холодной тяге с интегрированными дизельными моторами на для малоразмерных аэротакси. Главным в этих идеях было использование последних достижений в авиационном двигателестроении, которые позволили бы сделать эксплуатацию выгодной и дешевой для рядовых пассажиров.

И все-таки…

И все-таки по факту для авиации эпоха моторджетов к 50-му году завершилась окончательно… Мотокомпрессорный двигатель изначально оказался как бы на рубеже двух эпох в развитии авиационного двигателестроения, на рубеже, где новые технологии приходят на смену старым. В этом состояла и его сила, и его слабость одновременно, и все, казалось бы только что созданные, проекты очень быстро устаревали.

В этот же период времени (30-е годы) на подъеме были и работы по созданию турбокомпрессоров (тurbojet), но все же имевшийся уровень научных знаний, технологий и развития металлургии не давал возможности создать одновременно совершенную, долговечную, мощную и надежную газовую турбину (как в современных ТРД).

При этом идея motorjet-а, как двигателя формирующего воздушно-реактивную тягу оказалась достаточно революционна и имела очевидные преимущества. При хорошем выборе мощности поршневого двигателя, достаточной производительности компрессора (по расходу воздуха и по степени сжатия), правильном подборе и слаженой совместной работе камеры сгорания и сопла тяга мотокомпрессорнного двигателя вполне могла быть больше тяги винта одного поршневого двигателя.

Плюс к этому надо не забывать о факте падения тяги воздушного винта со скоростью, что не свойственно ВРД (а значит и МКВРД).

К тому же, в соответствии со всем этим, первые ТРД имели очень малый эксплуатационный ресурс. Motorjet мог в этом плане также иметь преимущество. Ведь его надежность и долговечность (в сравнении с ТРД) по большей части зависела от хорошо отработанного ПД и достаточно простой камеры сгорания. Поэтому интерес к такому двигателю был вполне закономерен.

Однако, вышеупомянутая переходность двигателя определила и его существенные недостатки, делавшие в конечном итоге (и в особенности после быстрого внедрения ТРД) его дальнейшее использование попросту нецелесообразным.

Рабочие процессы в комбинированной силовой установке, работающей по принципу мотокомпрессорного двигателя , описываются сразу двумя термодинамическими циклами. Поршневой двигатель – это цикл Отто , а для ВРДК – цикл Брайтона .

Как известно, чем выше давление в цикле, тем выше его работа, а значит и получаемая мощность. При высоком давлении более качественно протекают тепловые процессы в камере сгорания, повышается полнота сгорания, а значит снижается потребность в топливе и растет экономичность.

Полноту полезного использования тепла, полученного при сжигании топлива, характеризует термический кпд цикла . Он напрямую зависит от степени сжатия воздуха, поступающего в камеру сгорания. Чем выше степень сжатия, тем выше кпд.

Для поршневого двигателя степень сжатия характеризует такая величина, как «компрессия», а для воздушно-реактивного двигателя с компрессором – это π к , то есть степень повышения давления в компрессоре.

И вот как раз получение высокого π к при помощи компрессора ВРДК оказалось делом затруднительным. Одна из причин тому – несовершенство применяемых компрессоров. Сложность технологий, недостаточный уровень (по сравнению с настоящим временем) инженерных и конструкторских знаний в области создания осевых компрессоров заставлял применять в основном центробежные компрессоры, в некоторых случаях даже вентиляторы (воздушные винты) в кольцевых оболочках.

Осевые компрессоры стали чаще появляться только в немецких проектах конца 30-х, первой половины 40-х. Но и таким агрегатам, чтобы создать большее сжатие надо иметь большее количество ступеней, а значит большие размеры и массу, что не всегда позволительно (еще одна причина низкого π к ).

Одна ступень хорошего ЦБ компрессора в принципе может обеспечить относительно высокую степень повышения давления, однако при этом пропускная способность ее в 2,5- 3 раза меньше, чем у осевого компрессора (при прочих равных условиях). А пропускная способность – это расход воздуха, один из главных параметров любого ВРД. Он прямо пропорционален тяге.

Более того, сжатие – тяжелая работа. Чем большую степень сжатия мы хотим получить и обеспечить больший расход воздуха, тем большую работу должен совершать агрегат, приводящий компрессор.

Для случая ВРДК – это поршневой двигатель, и для него большая мощность напрямую означает большую массу. Масса – один из главных недостатков мотокомпрессорной силовой установки, в которой для привода в общем-то маломощного компрессора применяется совершенно отдельный массивный агрегат (ПД). Вдвойне хуже, если привод компрессора – его единственная функция, то есть воздушный винт не используется.

В этом плане газовая турбина турбореактивных двигателей (особенно современных) находится в значительно более лучшем положении. При относительно малой массе и габаритах (компактна), находясь в составе единого агрегата, она совершает очень большую работу по приводу компрессора (а также часто массивного вентилятора в ), сжимающего и пропускающего через двигатель большие массы воздуха.

В итоге при всех возможных плюсах имеем: невысокая степень сжатия, низкий кпд, низкая экономичность (как впрочем у любой форсажной камеры), достаточно малый расход воздуха и большая масса. Вполне понятно, что конкуренция с турбореактивным двигателем мотокомпрессорному была бы не по плечу. Впрочем ее практически и не было.

Ни один из самолетов, оборудованных motorjet-ом, по сути дела не был в «серьезной» эксплуатации. Все они, даже дошедший до мелкой серии И-250, так, в общем-то, и остались опытными, своего рода демонстраторами иных, к сожалению, не совсем удачных технологий.

Историю, как известно, пишут победители…

В данном случае своего рода победителем стал ТРД, вполне, впрочем, заслуженно. При этом мотокомпрессорный двигатель оказался в некоторой тени, так что, как уже говорилось, даже не все (особенно люди в авиационном смысле неискушенные) о нем знают.

Однако, на самом деле он стал важным звеном в истории развития авиации. Это факт, значение которого нельзя преуменьшать. Практика использования для современных ТРД (ТРДД) берет свое начало, по сути дела, с первых motorjet-ов. Достаточно вспомнить камеру сгорания двигателя самолета Caproni Campini N.1.

Второй контур современных турбовентиляторных двигателей, благодаря которому они высокоэкономичны и малошумны – своего рода воплощение мотокомпрессорных двигателей с так называемой холодной тягой.

Таким образом, вопреки мнению некоторых историков авиации, касающегося примитивности и неактуальности motorjet-ов, представляющих из себя тупиковую ветвь развития ВРД, они все-таки заслуживают уважительного к себе отношения и занимают заметное место в ряду мировых авиационных достижений.

—————-

В заключение еще один ролик от «Hornet Project» и иллюстрации по теме, которые не вошли в основное повествование.

До новых встреч…

Схема расположения силовой установки самолета Caproni Campini №1/СС2.

Проверка работы форсажной камеры двигателя самолета Caproni Campini № 1/CC2. Фюзеляж расстыкован.

Демонстрация включения форсажа на самолете Caproni Campini №1/CC2 при расстыкованном фюзеляже.

Самолет Caproni Campini №1/СС2 в музейной экспозиции.

Турбореактивный двигатель HeS-3.

Схема мотокомпрессорной силовой установки самолета И-250.

Самолет И-250 (МиГ-13).

Самолет-снаряд Ohka 22 в Аэрокосмическом музее.

Процесс монтажа двигателя Tsu-11 на самолет Ohka-22 (аэрокосмический музей).

Воздухозаборник двигателя Tsu-11.Виден компрессор.

Самолет Су-5 с ВРДК.

Еще один проект самолета с мотокомпрессорным двигателем КБ Сухого.

Аэросани с двигателем Коандэ.

Внутреннее устройство аэросаней с двигателем Коандэ.

Камера сгорания, работающая как составляющая мотокомпрессорного двигателя (проект Hornet).

Схема двигателя "032", вид на поршневой двигатель.