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技术历史、技术、我们身边的事物
涡轮喷气飞机。 发明和生产的历史
喷气式飞机——由喷气发动机（涡轮喷气发动机、冲压发动机、脉冲喷气发动机、液体推进剂发动机等）或火箭发动机驱动的飞机。 喷气式飞机是现代军用和民用航空的基础。
涡轮喷气航空起源于第二次世界大战期间，当时已经达到了以前配备内燃机的螺旋桨驱动飞机的完美极限。 每年，速度竞赛都变得越来越困难，因为即使速度稍有提高，也需要数百马力的额外发动机动力，并自动导致飞机的重量增加。 平均而言，功率增加 1 hp。 导致推进系统（发动机本身、螺旋桨和辅助设备）的质量平均增加了 1 公斤。 简单的计算表明，几乎不可能制造出速度达到 1000 公里/小时的螺旋桨驱动的战斗机。 所需的 12000 马力的发动机功率只有在发动机重量约为 6000 公斤的情况下才能实现。 在未来，事实证明，速度的进一步提高会导致战斗机的退化，将它们变成只能携带自己的车辆。 船上没有空间放置武器、无线电设备、装甲和燃料。 但即使以这个价格，也不可能大幅提高速度。 较重的发动机增加了汽车的总重量，这迫使机翼面积增加，这导致它们的空气阻力增加，为了克服这一点，必须增加发动机功率。 因此，圈子是封闭的，850 km / h 的速度对于配备活塞发动机的飞机来说是可能的最大值。 摆脱这种恶性局面可能只有一种方法 - 有必要创造一种全新的飞机发动机设计，这是在涡轮喷气飞机取代活塞飞机时完成的。 如果我们考虑消防水带的操作，就可以理解简单喷气发动机的工作原理。 加压水通过软管供给软管并流出软管。 软管末端的内部部分朝向末端逐渐变细，因此流出的水射流具有比软管更高的速度。 在这种情况下，背压（反作用力）的力量是如此之大，以至于消防员经常不得不用尽所有力量来将软管保持在所需的方向上。 相同的原理可以应用于飞机发动机。 最简单的喷气发动机是冲压式喷气发动机。
想象一个安装在移动飞机上的带有开口端的管道。 由于飞机的运动，空气进入的管道前部具有扩大的内部横截面。 由于管道的膨胀，进入其中的空气速度降低，压力相应增加。 让我们假设在膨胀部分，燃料被喷射并燃烧到气流中。 这部分管道可以称为燃烧室。 高度加热的气体迅速膨胀并以比气流在入口处的速度快许多倍的速度从狭窄的喷嘴中逸出。 这种速度的增加产生了推动飞机向前的推力。 不难看出，这样的发动机只有在以相当大的速度在空气中运动时才能工作，而在不运动的情况下就无法发挥作用。 具有这种发动机的飞机必须从另一架飞机上起飞或使用特殊的启动发动机加速。 在更复杂的涡轮喷气发动机中克服了这个缺点。
该发动机最关键的元件是燃气轮机 (6)，它驱动与它位于同一轴上的空气压缩机 (2)。 进入发动机的空气首先在进气扩压器 (1) 中压缩，然后在轴流压气机 (2) 中压缩，然后进入燃烧室 (3)。 燃料通常是煤油，通过喷嘴喷入燃烧室。 从燃烧室开始，燃烧产物膨胀，首先到达燃气轮机的叶片，使其旋转，然后到达喷嘴 (7)，在喷嘴中它们被加速到非常高的速度。 燃气轮机仅使用空气-燃气射流的一小部分能量。 其余气体会产生反推力，这是由于燃烧产物从喷嘴高速流出而产生的。 涡轮喷气发动机的推力可以以各种方式被提升，即在短时间内增加。 例如，这可以使用所谓的后燃来完成（在这种情况下，燃料被额外喷射到涡轮后面的气流中，由于燃烧室中没有使用氧气而燃烧）。 加力可以在短时间内将发动机推力在低速时增加 25-30%，在高速时增加 70%。 燃气涡轮发动机始于 1940 年，在航空技术领域进行了一场真正的革命，但其最初的发展出现在十年前。 弗兰克·惠特尔被认为是涡轮喷气发动机之父。 早在 1928 年，作为克兰威尔航空学校的学生，惠特尔就提出了第一个配备燃气轮机的喷气发动机的设计。 1930年，他获得了一项专利。 当时的国家对其发展不感兴趣。 但惠特尔得到了一些私人公司的帮助，1937 年，根据他的设计，英国汤姆森-休斯顿制造了历史上第一台涡轮喷气发动机，并获得了“U”的称号。 之后空军部才开始关注惠特尔的发明。 为了进一步改进其设计的引擎，创建了电力公司，该公司得到了国家的支持。 同时，惠特尔的思想也为德国的设计思想提供了营养。 1936 年，当时是哥廷根大学学生的德国发明家奥海恩开发了他的涡轮喷气发动机并申请了专利。 它的设计与惠特尔的设计几乎没有什么不同。 1938 年，聘请 Ohain 的 Heinkel 公司在他的领导下开发了 HeS-3B 涡轮喷气发动机，该发动机安装在 He-178 飞机上。 27年1939月XNUMX日，这架飞机首飞成功。
He-178 的设计很大程度上预示了未来喷气式飞机的设计。 进气口位于机身前部。 空气分流，绕过驾驶舱直接进入发动机。 热气体流过尾部的喷嘴。 这架飞机的机翼仍然是木制的，但机身是由硬铝制成的。 该发动机安装在驾驶舱后面，使用汽油运行，推力为 500 公斤。 飞机的最高速度达到了700 km / h。 1941 年初，奥海恩研制出更先进的 HeS-8 发动机，推力为 600 公斤。 其中两台发动机安装在下一架 He-280V 飞机上。 它的测试于同年 925 月开始并显示出良好的结果 - 飞机的速度达到了 8 公里/小时。 然而，由于发动机仍然不可靠，这款战斗机的批量生产从未开始（总共制造了 XNUMX 架）。 与此同时，英国汤姆森休斯顿公司生产了 W1.X 发动机，专为英国第一架涡轮喷气飞机格洛斯特 G40 设计，该飞机于 1941 年 1 月首飞（当时飞机配备了改进的惠特尔 W.480 发动机） . 英国的长子与德国人相差甚远。 它的最高速度为1943 km / h。 40 年，第二辆格洛斯特 G500 配备了更强大的发动机，最高时速可达 XNUMX 公里。 在其设计中，格洛斯特令人惊讶地让人联想到德国亨克尔。 G40 采用全金属结构，前机身有进气口。 进气道被分开并绕着两侧的驾驶舱走。 气体通过机身尾部的喷嘴流出。 虽然 G40 的参数不仅没有超过当时的高速螺旋桨飞机，而且明显逊色于它们，但喷气发动机的使用前景却是如此广阔，以至于英国航空公司国防部决定开始批量生产涡喷拦截战斗机。 公司“格洛斯特”收到了开发这种飞机的订单。 在随后的几年里，几家英国公司立即开始生产惠特尔涡轮喷气发动机的各种改进型。 在W.1发动机的基础上，罗孚开发了W2B/23和W2B/26发动机。 然后这些发动机被劳斯莱斯收购，并在此基础上创建了自己的模型 - Welland 和 Derwent。 然而，历史上第一架系列涡轮喷气飞机不是英国格洛斯特，而是德国梅塞施密特 Me-262。 总共制造了大约 1300 架经过各种改装的此类飞机，配备了容克斯 Yumo-004B 发动机。 该系列的第一架飞机于 1942 年进行了测试。 它有两个发动机，推力为 900 公斤，最高时速为 845 公里/小时。
英国生产的飞机“格洛斯特 G41 流星”出现在 1943 年。 配备两台推力为 900 kg 的 Dervent 发动机，Meteor 的速度高达 760 km / h，飞行高度高达 9000 m。后来，安装了推力更强大的 Dervent，推力约为 1600 kg在飞机上，将速度提高到 935 公里/小时。 这架飞机被证明是优秀的，因此 G41 的各种修改的生产一直持续到 40 年代末。 美国在喷气航空的发展起初远远落后于欧洲国家。 直到第二次世界大战，根本没有尝试制造喷气式飞机。 直到 1941 年，当从英国收到 Whittle 发动机的样品和图纸时，这些工作才全速开始。 通用电气基于惠特尔的模型开发了 IA 涡轮喷气发动机，该发动机安装在美国第一架喷气式飞机 P-59A Ercomet 上。 这位美国长子于 1942 年 59 月首次飞行。 它有两个发动机，放置在靠近机身的机翼下方。 它仍然是一个不完美的设计。 据测试这架飞机的美国飞行员说，P-33 的飞行性能很好，但它的飞行性能仍然不重要。 事实证明，发动机的动力太弱了，所以它更像是滑翔机而不是真正的战斗机。 总共制造了 660 台这样的机器。 他们的最高速度为14000 km / h，飞行高度高达XNUMX m。 美国第一架系列涡轮喷气战斗机是洛克希德 F-80 流星，配备通用电气 I-40 发动机（修改 IA）。 直到 40 年代末，生产了大约 2500 架各种型号的这些战斗机。 他们的平均速度约为900公里/小时。 然而，在 80 年 19 月 1947 日，这架 XF-1000B 飞机的改装之一在历史上首次达到了 XNUMX 公里/小时的速度。
在战争结束时，喷气式飞机在许多方面仍然不如经过验证的螺旋桨驱动飞机模型，并且有许多自身的特定缺点。 总的来说，在第一架涡轮喷气飞机的建造过程中，各国的设计师都面临着重大困难。 不时地，燃烧室烧毁，涡轮和压缩机的叶片破裂，并与转子分离，变成炮弹，压碎发动机箱、机身和机翼。 但是，尽管如此，喷气式飞机与螺旋桨驱动的飞机相比具有巨大的优势——速度随着涡轮喷气发动机功率的增加而增加，而且它的重量比活塞式发动机快得多。 这决定了高速航空未来的命运——它变成了无处不在的喷气式飞机。 速度的提高很快导致飞机外观发生了彻底的变化。 在跨音速下，机翼的旧形状和轮廓被证明无法承载飞机 - 它开始用鼻子“啄”并进入无法控制的俯冲状态。 空气动力学测试的结果和飞行事故的分析逐渐将设计者引导到一种新型机翼 - 一种薄而后掠的机翼。 这种形式的机翼第一次出现在苏联战斗机上。 尽管苏联开始制造涡轮喷气飞机的时间比西方国家晚，但苏联设计师很快就设法制造出高级战车。 第一架投入生产的苏联喷气式战斗机是Yak-15。 它出现在 1945 年底，是一架改装的 Yak-3（战争期间配备活塞发动机的著名战斗机），其上安装了 RD-10 涡轮喷气发动机 - 缴获的带有推力的德国 Yumo-004B 的副本900 公斤。 他开发了大约830 km / h的速度。
1946 年，米格 9 进入苏联军队服役，配备两台 Yumo-004B 涡轮喷气发动机（官方名称 RD-20），1947 年米格 15 出现 - 第一架配备后掠翼战斗机指定推力为 45 公斤的发动机 RD-2200（作为劳斯莱斯“Nin”发动机，经许可购买并由苏联飞机设计师进行现代化改造）。 MiG-15 与它的前辈截然不同，它拥有不同寻常的后倾机翼、巨大的龙骨顶部和相同的后掠稳定器以及雪茄形机身，这让战斗飞行员感到惊讶。 这架飞机还有其他新奇之处：弹射座椅和液压动力转向。 它配备了一门速射加农炮和两挺机枪（在后来的修改中为三门大炮）。 这架战斗机以 1100 km / h 的速度和 15000 m 的升限，多年来一直是世界上最好的战斗机，并引起了极大的兴趣。 （后来，米格15的设计对西方国家的战斗机设计产生了重大影响。）
短时间内，MiG-15 成为苏联最常见的战斗机，也被盟国军队采用。 这架飞机在朝鲜战争期间证明了自己很好。 在许多方面，他都优于美国军刀。 随着米格 15 的问世，涡喷航空的童年时代结束了，其历史上的一个新阶段开始了。 此时，喷气式飞机已经掌握了所有亚音速，并接近音障。 作者：Ryzhov K.V.
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