Германский прорыв

Как же Германия опередила всех, даже США, безусловного лидера в авиационном моторостроении 1930‑х гг. и разработчика передовых систем турбонаддува, в создании реактивных двигателей? Конечно, неслучайно. Хотя первые патенты на газотурбинный и прямоточный воздушно‑реактивные двигатели получили французские инженеры Жиллом (Charles Guillaume) в 1923 г. и Лоран в 1913 г. (в 1933 г. французский инженер Ледюк запатентовал схему авиационного прямоточного двигателя), по традиции все еще демонстрируя уже уходящее первенство Франции в авиации, огромная реальная работа по «оседланию» начинающейся новой инновационной волны была сделана именно в Германии. Происшедшая смена поколений инженеров, стремление Германии и ее интеллектуальной элиты к возврату былой мощи, большой научный задел в аэродинамике, государственная программа поддержки авиационных инноваций как ключевого фактора победы в будущей войне, грамотно выстроенное (чрезвычайно компетентное) управление ограниченными ресурсами – все эти факторы обеспечили успех. Наконец, поражение всегда лучше учит, чем победа. Технология организации этого прорыва представляет интерес и сегодня как пример успешного проектного подхода при ограниченных ресурсах. Минимум бюрократии, максимум творчества, командная работа. Нечто подобное мы наблюдали в СССР при создании ракетных двигателей в 1960‑е гг., чему автор был свидетелем, в частности, в Воронежском конструкторском бюро химавтоматики (так оно называлось по конспиративным соображениям) под руководством Косберга.

Ретроспективно кажется естественным переход от поршневого к турбореактивному двигателю. Ведь поршневые моторы четвертого поколения с турбонаддувом фактически уже были турбопоршневыми: воздух последовательно проходил через центробежный компрессор, затем через поршневую группу и далее через лопатки турбины, приводящей компрессор. Казалось, чего проще: заменить поршневую группу на турбокомпрессор с камерой сгорания – и все дела. В этом случае такты термодинамического цикла поршневой группы функционально и пространственно разделяются: сжатие «поручается» компрессору, горение – камере сгорания, а расширение и произведение работы‑турбине. Но конструкторы‑поршневики считали, что возможности поршневых моторов еще не исчерпаны. Можно создать еще более мощные моторы пятого поколения. И такие моторы были созданы, например 4000 л.с. мощности 28‑цилиндровый мотор ОКБ Швецова АШ‑2К, четырехрядная «звезда» со спирально расположенными друг относительно друга рядами цилиндров. Но эти «динозавры» оказались настолько сложны в производстве и доводке и в довершение к этому тяжелы, что всем стало ясно, что эра боевых поршневых авиамоторов закончилась.

А турбореактивными двигателями первыми начали заниматься инженеры совсем другого поколения (рождения 1910‑х гг.): Охайн в Германии, Уиттл в Великобритании, Ендрассик в Венгрии, Люлька в СССР. Удивительно, что в США в 1930‑е гг. эти работы не велись вообще.

Тому способствовал анализ Национальной академии наук США о бесперспективности установки газовых турбин на самолеты из‑за их большого веса (?!) [68], сделанный в январе 1941 г., когда первые самолеты с реактивными двигателями были уже сделаны в «железе». И в Великобритании отсутствовала государственная поддержка развития этого направления по сходной причине: еще в 1419 г. по заказу Министерства авиации был проведен анализ возможности применения газовых турбин в авиации. Результатом был так называемый «доклад Стерна», в котором отмечалось, что «на настоящей стадии развития турбины внутреннего сгорания не подходят для самолетов по весу и расходу топлива» [66]. Пионеры авиационного турбостроения не имели никакого отношения ни к разработке поршневых моторов, ни к официальной системе – они вышли совсем из другой среды.

Как же все начиналось в Германии? После Первой мировой войны небольшую государственную поддержку исследовательским проектам оказывало Министерство связи (!). Первый контракт на исследования пульсирующего воздушно‑реактивного двигателя (ПуВРД) получил в 1931 г. инженер Пауль Шмидт. Пульсирующий двигатель тоже кажется естественным переходным звеном от поршневого мотора с горением топлива при постоянном объеме (поршневой камере) к воздушно‑реактивному двигателю непрерывного процесса горения при постоянном давлении. Пульсирующий двигатель – это комбинация горения в отдельной камере сгорания при постоянном объеме (для чего необходимы в ней клапаны, рудимент поршневого мотора с его поршнем‑синтезатором всех функций обеспечения цикла) и раздельных функций сжатия в компрессоре и расширения в турбине. Кстати, как мы увидим далее, эта схема двигателя (ПуВРД) имеет тенденцию к возрождению сегодня, разумеется, с новым содержанием – созданием высокоэффективного детонационного двигателя.

После прихода Гитлера к власти для эффективного управления авиапромышленностью и исследованиями в 1933 г. создается Министерство авиации во главе с Герингом. К 1935 г. сложилось полноценное управление авиационными разработками в виде отдельной структурной единицы Технического управления минавиации, имевшего пять отделов: исследований, разработок, производства, контрактов и испытаний. В 1936 г. во главе Технического управления стал Эрнст Удет, летчик, инженер, авторитет в области авиации. Было создано семь испытательных центров, старейшим и наиболее известным из которых был Е‑Штелле‑Рехлин под командованием майора Беренса.

В 1937 г. в отдел исследований был направлен квалифицированный инженер Гельмут Шельп для руководства уже давно идущими программами разработки ПуВРД Шмидта и ракетного двигателя Вальтера. Шельп годом ранее получил звание магистра при обучении в США, а также прошел специальный курс в Германском авиационном экспериментальном институте (DVL) в Берлине для подготовки руководителей авиапромышленности. Этот курс включал в себя и пилотирование самолета. Забегая вперед, можно сказать, что во многом именно благодаря Шельпу германская реактивная авиация достигла таких успехов. Он начал с фундаментальной постановки целей проектирования. Изучая проблему определения оптимальной скорости полета дозвуковых самолетов, он пришел к выводу исходя из законов аэродинамики, что максимальная скорость оптимального самолета должна соответствовать числу М (отношению скоростей полета и распространения звука), равному 0,82, т. е. 850–900 км/час. Этот вывод является фундаментальным и не устарел до сих пор: современные дозвуковые транспортные самолеты летают именно с такой скоростью. После этого Шельп начал изучать проблему силовой установки: какой тип двигателя способен обеспечить требуемую скорость самолета с приемлемым весовым совершенством? Так созрело понимание необходимости разработки Реактивных двигателей: известно, что максимальную удельную (на единицу веса) мощность обеспечивает газовая турбина. Однако, как это часто бывает, окружающие этого не видели.

Шельп уходит из отдела общих исследований в отдел разработки двигателей и находит там союзника в лице Ганса Мауха, отвечающего за ракетные двигатели. Одновременно Шельп и Маух проводят консультации с ведущими моторными фирмами «БМВ», «Даймлер‑Бенц», моторным отделением «Юнкерс». Однако конструкторы‑поршневики с «БМВ» и «Даймлер‑Бенца» придерживаются консервативной позиции, считая потенциал поршневых моторов далеко не исчерпанным. Спустя короткое время они об этом пожалели потенциал у этих фирм был высокий, и при наличии исторического времени (хотя бы пяти лет) и «БМВ» и «Даймлер‑Бенц» смогли бы создать уникальные газотурбинные двигатели. Так, БМВ проектировала двигатель тягой 13 000 (!) кг, а «Даймлер‑ Бенц» создала первый в мире работающий двухконтурный двигатель. Откликнулось на план Шельпа моторное отделение «Юнкерса», и это неслучайно.

Именно Шельп принимает решение, определившее облик современного турбореативного двигателя – осевой тип компрессора как создающий минимальный лоб двигателя и соответственно лобовое сопротивление. Инновационность этого решения можно оценить только ретроспективно после многих лет создания авиационных осевых компрессоров. Как показывает опыт, авиационный осевой компрессор определяет успех или неудачу всего двигателя и хороший компрессор создается годами. Кроме того, течение в осевом многоступенчатом компрессоре плохо поддается расчетам даже сегодня при наличии развитых трехмерных газодинамических моделей. Доводка компрессора требует множества экспериментов как для отдельных ступеней, так и их последующего согласования при работе в системе. Короче, для того времени это был очень смелый и рискованный шаг. Неслучайно и Охайн, и Уиттл для своих первых двигателей выбрали более простые одноступенчатые центробежные компрессоры, по которым был накоплен большой опыт еще при создании нагнетателей.

На что же рассчитывал Шельп, выбирая осевой компрессор для будущего двигателя? Он рассчитывал на передовую научную школу в аэродинамике, сложившуюся к тому времени в Германии. Достаточно назвать лишь некоторые имена ученых первого ряда: Прандтль, Шлихтинг, фон Карман, работавшие в то время в Германии, чтобы понять, что надежды Шельпа были построены не на песке. К этим великим именам следует прибавить и имена доктора Энке и Бетца, специалистов по компрессорам, работавшим в Экспериментальном аэродинамическом институте в Геттингене. Так что обоснованные на первый взгляд опасения оппонентов Шельпа парировались имеющимся научным заделом. Но реально работающего авиационного осевого компрессора действительно не было!

В качестве разработчиков первого турбореактивного двигателя (ТРД) с осевым компрессором были выбраны фирмы «БМВ» и моторное отделение «Юнкерса». Была составлена и первая классификация (матрица) проектируемых типов ТРД, представленная ниже.

Как видно из таблицы, уже тогда задумывалась целая гамма реактивных двигателей, включая и турбовинтовые (ТВД). Предусматривалась и разработка промежуточного (между ТВД и ТРД) класса реактивных двигателей – двухконтурного (ТРДД). Но на него не обратили тогда серьезного внимания и это было понятно: в самостоятельный класс этот вид двигателей оформился позже, когда технологический прогресс позволил сильно поднять температуру газа перед турбиной. Как и в случае с поршневым мотором воздушного охлаждения, именно двухконтурный двигатель является настоящим авиационным газотурбинным двигателем: нигде, кроме авиации, он не применяется. Далее мы увидим, почему.

Управление Шельпа провело большой объем исследовательских работ и по перспективному высокоэкономичному турбовинтовому двигателю с теплообменником для дальнего самолета, летающего со скоростью 1000 км/ч на высоте 10 000 м. План работ по реактивным двигателям был составлен на… 16 лет! Несомненно, к 1950 г. Германия могла иметь передовую, непревзойденную авиацию в мире.

Параллельно с разработкой двигателей в Техническом управлении Министерства авиации в его самолетном отделе велась и разработка планера под новый двигатель. Работы над будущим реактивным самолетом (им оказался Ме‑262) велись совместно с фирмой «Мессершмитт».

Пока Министрество авиации определялось со своей структурой, кадрами, планами, выпускник Геттингенского университета факультета прикладной физики и аэродинамики Ганс‑Иоахим Пабстфон Охайн увлекся идеей реактивного двигателя и в 1935 г. даже получил патент на изобретение одной из разновидностей двигателя, близкий к патенту Уиттла, полученного им в 1930 г. Одержимый идеей создать такой двигатель, Охайн привлек к этому инженера‑механика гаража Bartels und Becker, обслуживавшего его спортивный кар, Макса Хана. Как говорил позже фон Охайн: «Я как физик не имел понятия, что такое болты и гайки». За 1000 марок собственных денег Охайн и Хан сделали «гаражную модель» первого в мире турбореактивного двигателя. Эта модель впечатляла своей простотой: к диску с одной стороны были приклепаны радиальные «лопатки» центробежного компрессора, а с другой – центростремительной турбины. Камера сгорания располагалась над колесом.

Вся «квадратная» (диаметр был примерно равен длине двигателя) конструкция была выполнена из листовых заготовок. По сравнению со сложной кинематикой и динамикой поршневых моторов этот «гадкий утенок» должен был просто ошеломить самолетных инженеров. Так оно и вышло. Автор видел двигатель Охайна в музее авиации в Мюнхене – в сравнении с тяжеленными поршневыми этот мотор кажется игрушкой. Когда автор этих строк поступил в МАИ в 1957 г. и, естественно, услышал о пионерах эры реактивных двигателей, авиация уже прошла огромный путь развития и вся стала реактивной. Казалось, что Охайн давно умер, а его изобретение и образец мотора, судя по чертежам и описанию патента, принадлежит древней истории техники, как вертолет Леонардо да Винчи – настолько ушли вперед конструкции двигателей. А между тем Охайн был не только жив (ему в 1957 г. было всего 46 лет!), но и активно работал в США, куда он перебрался после войны. Но об этом нам никто юг да не говорил, а альтернативных источников информации не было.

Между тем начались испытания «гаражной» модели и появились неизбежные дефекты, в первую очередь связанные с горением. Деньги быстро кончились, надо было искать спонсора. Профессор Роберт В. Поль, хорошо знавший Охайна, в феврале 1936 г. написал рекомендательное письмо Эрнсту Хейнкелю, известному владельцу и конструктору самолетной фирмы. Эрнст Хейнкель (1888–1958), которому в это время еще не было и пятидесяти лет, принадлежал уже к другому поколению инженеров, нежели Гуго Юнкерс. Не имея никакого опыта в разработке авиамоторов, Хейнкель тем не менее всегда следил за новинками в области моторостроения, включая ракетные двигатели. После встречи Охайна с инженерами Хейнкеля первый в том же 1936 г. был приглашен к нему на фирму на работу. Вскоре там же оказался и Макс Хан. Позднее Охайн вспоминал: «Когда я впервые пришел к Хейнкелю, инженеры посчитали меня сумасшедшим специалистом‑физиком, который не учитывал проблем, связанных с материалами, их обработкой, литьем и т. п. Меня очень волновали пробелы в моем обучении, и я очень много работал над их устранением, с тем, чтобы стать полноценным инженером. Через два года я уже знал все теоретические вопросы проектирования (как ему казалось. – А.В.) и инженеры Хейнкеля уже не могли сказать мне ничего нового об этом предмете (Кей, с. 20).

Работы по созданию первого в мире турбореактивного двигателя HeS 1 (Heinkel‑Strahltriebwerk 1 – реактивный двигатель Хейнкеля‑1) велись в отдельном помещении под Ростоком и были строго засекречены. Над проектом работала группа опытных инженеров‑конструкторов в количестве восьми человек и такая же по количеству группа опытных слесарей под руководством Хана. Благодаря листовой конструкции мотора его быстро изготовили на местном… судозаводе. К марту 1937 г. демонстрационный HeS 1 был готов и испытан, правда, вместо обычного углеводородного авиационного топлива на первых испытаниях использовался чистый водород из‑ за проблем с организацией горения. В то время все было внове – и в том числе аэродинамическая схема стабилизации горения с помощью зоны обратных токов, ставшая позднее классической. Ведь в прямоточном потоке воздуха, который имеет место в турбореактивном двигателе, из‑за большой разницы скоростей потока и распространения пламени стабилизация пламени невозможна без специальных устройств – пламя будет «сдуваться».

Тут же началась работа по усовершенствованию двигателя, получившего обозначение HeS 3. Это был уже «деловой» двигатель, над которым работало много специалистов. Модификация двигателя Охайна HeS ЗЬ к лету 1939 г. была готова к летным испытаниям. В июле начались летные испытания на «летающей лаборатории» – самолете Не‑118, одномоторном моноплане, конкуренте пикирующего бомбардировщика Ю‑87. Двигатель Охайна был подвешен под фюзеляжем. Самолет пилотировал капитан ВВС Эрих Варзитц. Двигатель запускался после взлета самолета с помощью поршневого мотора. В августе уже был готов специально спроектированный планер самолета Не‑178 для установки на него второго экземпляра двигателя. Первый в мире реактивный самолет Хейнкеля представлял собой одноместный моноплан с верхним расположением крыла и размещением двигателя в фюзеляже с длинным выхлопным каналом. По сравнению с тогдашними самолетами он был необычного вида – отсутствовал винт. Позже, правда, двигатели размещали на самолете в отдельных гондолах.

24 августа 1939 г., буквально накануне Второй мировой войны, состоялся исторический полет первого реактивного самолета, вначале только пролетом вдоль взлетной полосы, а уже 27 августа – полный полет, оставлявшего за собой голубой цвет продуктов сгорания бензина. Максимальная скорость самолета с этим двигателем достигла 600 км/ч. Несомненно, удачная демонстрация реактивного самолета перед официальными лицами Министерства авиации подтолкнула работы в этом направлении. Казалось, что, вырвавшись вперед, фирма Хейнкеля с Охайном сможет занять монопольное положение в этой области. Но были и ограничения, которые не позволили этому тандему выйти на серийное производство реактивных самолетов и занять лидирующее положение.

Во‑первых, на фирме Хейнкеля не было производственных мощностей для серийного производства двигателей, во‑вторых, достаточного количества опытных инженеров‑мотористов для решения проблем доводки, а в‑третьих, генеральным направлением развития турбореактивных двигателей Гельмут Шельп определил применение осевых компрессоров, имеющих меньший «лоб». Первую проблему удалось решить, присоединив в 1941 г. к «Хейнкелю» известную фирму «Хирт» – Hirth Motoren GmbH (объединенная фирма стала называться «Хейнкель‑Хирт»), занимавшуюся производством нагнетателей. Этому (приобретению контрольного пакета акций «Хирта» «Хейнкелем» через банк) помог Эрнст Удет незадолго до своей гибели. Кроме того, осенью 1939 г. коллектив инженеров «Хейнкеля» существенно усилился: к Хейнкелю – после выбора проекта Юмо‑004 (109–004) и подписания госконтракта на его разработку перешел со своим альтернативным проектом из моторного отделения «Юнкерса» возможно, самый выдающийся конструктор турбореактивных двигателей, Макс Адольф Мюллер вместе с большой командой инженеров. Скорее всего, его просто выжили руководитель «Юнкерс Моторен» Отто Мадер и руководитель проекта 109–004 Ансельм Франц. Как известно, все талантливые люди неуживчивы, скорее всего, Мюллер принадлежал к их числу.

Исторический момент: летчик‑испытатель Варзитц, Эрнст Хейнкель и фон Охайн после первого в мире полета реактивного истребителя (август 1939 г.).

Следующие модификации двигателя Охайна имели обозначения HeS 6 и HeS 8. Последний, наконец, получил господдержку и соответственно индекс 109–001. Как и первенец Охайна, этот двигатель имел центробежный компрессор: Охайну вообще поручили развивать направление двигателей с центробежными компрессорами, оказавшееся в конечном счете тупиковым. Частично такое разделение было обусловлено и тем, что на самолетной фирме Хейнкеля не было испытательных стендов для исследования и доводки осевых компрессоров. Стенд мощностью 14 Мвт в Ростоке начали строить, но до конца войны закончить строительство не удалось.

HeS 8 предназначался для двухмоторного истребителя Не‑280, первый полет которого состоялся в апреле 1941 г. в присутствии официальных лиц – Удета и Шельма. Это был аэродинамически очень красивый самолет: двигатели на этом истребителе устанавливались под крыльями в обтекаемых гондолах, а хвостовое оперение имело два киля. Однако только к началу 1943 г. было изготовлено достаточное количество двигателей. К тому времени вперед уже вырвался Ме‑262 с двигателем «Юнкерса» 109–004. И фон Охайн и перешедший к Хейнкелю из «Юнкерса» Мюллер трудились в Ростоке. Последний с 1938 г. работал над проектом 109–006 (или по принятой на «Хейнкеле» системе обозначений – HeS 30), который был задуман еще на «Юнкерсе» и составлял альтернативу двигателю HeS 8. Этот турбореактивный двигатель Мюллера с инновационным осевым компрессором (ступени со степенью реакции 0,5 вместо 1 в компресcopax Энке, что существенно повышало кпд компрессора – проект Рудольфа Фридриха с «Юнкерса») был самым совершенным турбореактивным двигателем до конца 1940‑х гг., включая и минимальное лобовое сопротивление, что особенно важно для внешнего по отношению к фюзеляжу расположению двигателей. Однако недостаток производственных мощностей на фирме Хейнкеля, субъективизм Шельпа и в довершение конфликт Мюллера с Хейнкелем привели к тому, что этот замечательный двигатель опоздал. В этом классе тяг (до 1000 кг) к этому времени (начало 1943 г.) уже существовал серийный, ставший знаменитым двигатель 109–004. Его конкурент 109–006 в серию так и не пошел, хотя его испытания шли до конца войны.

И Мюллер, и Охайн не были «поршневиками»: в то время как Мюллер был специалистом по турбонагнетателям и его приход в турбореактивную тематику был естествен, то Охайн, как мы видели, пришел вообще из университетской среды – от чистой идеи такого типа двигателя.

Летом 1941 г. Техническое управление Шельпа выдало техзадание на разработку бомбардировщика с двумя турбовентиляторными двигателями. Шельп лично принимал участие в формировании облика будущего двигателя, в котором предполагалось реализовать много инноваций. В частности, двигатель должен был иметь два компрессора, каждый из которых приводился своей турбиной и камерой сгорания, а третья, силовая турбина приводила закапотированный воздушный винт. То есть это был инновационный проект трехвального турбовинтового двигателя с промежуточным подогревом между турбинами. Этот проект не был тогда реализован; спустя десять лет после войны подобный двигатель (только без второй камеры сгорания) реализовали англичане – турбовинтовой «Тайн» («Tyne»). Но тем не менее основу этого двигателя (т. н. газогенератор, или по англ. core ‑ядро, сердечник), представляющей собой схему обычного турбореактивного двигателя (компрессор+камера сгорания+турбина) было решено сделать на фирме «Хейнкель‑Хирт». Шельп был ярым приверженцем промежуточной (между осевым и центробежным) схемы компрессора, а именно – диагональной, несмотря на имеющиеся отрицательные результаты. Этому были свои причины – Шельп ожидал повышения надежности компрессора при попадании посторонних предметов на входе, засасываемых при взлете. Тонкие, «слабые» лопатки осевого компрессора, как известно, очень чувствительны к этому и сегодня.

Проект с его помощью получил господдержку, ему был присвоен индекс 109–011, и работы начались на заводе Хирт в Штутгарте. Туда же переехал и Охайн, соединившись с группой Мюллера – фирме «Хейнкель‑Хирт» было приказано сосредоточиться только на этом проекте – это был проект турбореактивного двигателя, который должен был иметь тягу 1300 кг (т. е. свыше 1000 кг, в следующем классе по классификации Шельпа). Как оказалось, это был самый мощный турбореактивный двигатель, реализованный в металле до конца войны. Фирма «Хирт», как уже отмечалось, имела опыт работы над турбонагнетателями, в частности для проекта поршневого двигателя «Даймлер‑Бенц» DB.605G для повышения его высотности до 15 км.

Инноваций в этом двигателе было много, включая освоение изготовления диагональной ступени компрессора вместе с лопатками из цельного куска алюминия. Сегодня такая технология называется «блиск» (от совмещения двух английских слов «blade» – лопатка и «disc» – диск) и требует для своей реализации точных пятикоординатных фрезерных станков с управлением от ЭВМ.

И здесь следует упомянуть о главных проблемах создания турбореактивных двигателей, которые сразу проявились, как только двигатели начали реально длительно испытываться. Как всегда в условиях жестких сроков создания двигателя, это оказалось неожиданностью. Далее мы еще увидим множество примеров подобных «промахов» при проектировании двигателей, несмотря на имеющийся опыт. Как уже отмечалось, основой газотурбинного двигателя является лопаточный компрессор. Лопатки эффективного компрессора представляют собой тонкие аэродинамические профили, что обусловливает их малую жесткость и соответственно низкую собственную частоту (первая форма колебаний 100–300 Гц) и склонность к возбуждению колебаний и автоколебаний (флаттер). С подобной проблемой мы уже встречались при описании истории создания воздушных винтов с тонкими стальными аэродинамическими профилями.

В результате, например, при типичной частоте вращения ротора 100–150 об/сек, неоднородность поля скоростей воздуха на входе, генерируемая двумя‑тремя силовыми стойками или боковым ветром, вызывает резонанс периодической вынуждающей силы при прохождении лопатками зон неоднородности и собственной частоты колебаний лопаток, быстро приводящий к их усталостным поломкам. Этот процесс накопления повреждений усиливается в случае забоин на лопатках от посторонних предметов, снижающих их предел выносливости. Не последнюю роль в этом неприятном явлении играет и технологическая наследственность (остаточные напряжения) при их изготовлении. Полностью изжить эти дефекты на газотурбинных двигателях не удается до сих пор, даже после более чем пятидесятилетней истории их создания. Это родовая проблема ГТД. Что же говорить о начале пути? Все немецкие двигатели прошли через это. И здесь выдающуюся роль в решении этой проблемы на двигателях и 109–004 (Юмо), и 109–006 («Хейнкель‑Хирт») сыграл немецкий инженер Макс Бентеле.

Руководителем моторного отделения «Юнкерса», как уже упоминалось, был профессор Отто Мадер (умер в 1943 г.), который первоначально не высказывал энтузиазма по отношению к таким инновационным проектам, как турбореактивные двигатели. Но Шельп «уговорил» Мадера заняться этим делом на государственные деньги, предварительно согласовав с ним в 1938 г. контракт, который в 1939 г. получил законную силу, на будущий двигатель 109–004. Почему‑то (скорее всего, из‑за идеологических соображений – Мадер не любил немцев‑нацистов) руководителем проекта был назначен не уже работавший на «Юнкерсе» Мюллер, а доктор Ансельм Франц, австрийский инженер, специалист по нагнетателям и выхлопным системам поршневых моторов. Шельп порекомендовал», что в условиях госфинансирования означало, по сути, приказ, моторному отделению «Юнкерса» заняться продолжением работ над двигателями Мюллера.

Но с одной стороны, Франц решил начать работу с нули (надо думать, при поддержке Мадера), а с другой – Мадер – сосредоточиться только на одном проекте, что и привело, как мы помним, переходу Мюллера к Хейнкелю. Работы по созданию 109–004 начались с создания испытательной базы: были построены уникальные высотные стенды, т. е. испытательные камеры, воспроизводящие условия полета на высоте до 13 000 метров. Совокупная мощность установок составляла 6,5 Мвт. В этом моторное отделение «Юнкерса» уступало только «БМВ». К 1943 г. в Магдебурге на «Юнкерс Моторен» сформировалось мощное КБ в составе 500 инженеров. Осевой компрессор разрабатывали в Геттингене (Экспериментальный аэродинамический институт), а турбину проектировал профессор Крафт из фирмы AEG (Allgemeine I lektrizitats Gesellschaft – Всеобщая электрическая компания). Вначале решили идти академическим путем – изготовить уменьшенную модель двигателя для отработки системных вопросов. Но вскоре выяснилось, что это приведет к большим затратам времени и не так уж много экономит средств. Поэтому вся доводка проводилась на «натуре». И сейчас делается так же.

15 марта 1942 г. двигатель 109‑004А был впервые испытан в полете на поршневом Ме‑110. Первый реактивный истребитель Ме‑262был уже готов в 1941 г., совершая полеты, пока не готовы реактивные двигатели, на поршневых моторах. Тогда же, в 1941 г., его уже пробовали поднять в воздух с двумя двигателями «Хейнкель‑ Хирт» 109–001 и «БМВ» 109–003, но неудачно. Таким образом, первый реактивный полет Ме‑262 совершил с двумя двигателями «Юмо» 109‑004А тягой 840 кг 18 июля 1942 г. Всего было изготовлено тридцать опытных двигателей 109‑004А, на которых шли интенсивные испытания по доводке узлов и систем. Затем начались модификации. Наиболее массовой была модификация 109–004 В‑1. Запуск в серийное производство Ме‑262 уже в 1943 г. на полгода еще задержал лично Гитлер, требуя, чтобы истребитель мог нести бомбовую нагрузку. Основными дефектами этого турбореактивного двигателя, как и почти всех двигателей этого типа, были резонансные поломки лопаток. В данном случае – это лопатки третьего ряда статора компрессора и роторные лопатки турбины. Собственные частоты лопаток при их возбуждении в приспособлении определяли на слух, для чего был привлечен профессиональный музыкант.

Приглашенный в качестве эксперта Макс Бентеле определил и источники возбуждения: шесть жаровых труб камеры сгорания и три стойки за турбиной (произведение числа оборотов в секунду – 150 – на количество труб или стоек было как раз равно собственной частоте колебаний лопаток: 450 и 900 герц). Уход от резонанса был осуществлен изменением (снижением на 2,5 %) числа оборотов на длительном режиме работы, а также повышением жесткости лопаток (увеличением собственной частоты). Кроме того, со временем подобрали и правильное соотношение чисел лопаток статора и ротора (35/61): известно еще из опыта паровых турбин, что нужно выбирать простые числа для количества лопаток хотя бы ротора. Как это ни смешно, но на эти «грабли» периодически наступают следующие поколения конструкторов. Где‑то это проходит, а где‑то история с резонансными поломками вновь и вновь повторяется. Особенностью резонансных поломок компрессорных лопаток сегодня является инициация начального повреждения лопатки от попадания постороннего предмета в двигатель (птица, камешек и т. п.). В результате резко снижается ее усталостная долговечность, особенно чувствительны к этому титановые лопатки. Если к тому же существует «окно» резонансных режимов работы лопатки, то – «пиши пропало». Поэтому для первых трех ступеней компрессора, подверженных такого рода повреждениям, в зоне рабочих режимов резонансы по первой изгибной форме недопустимы вообще, несмотря на кажущуюся малую амплитуду возбуждения в нормальных условиях. Как уже отмечалось, источниками возбуждения компрессорных лопаток, имеющих сравнительно малую жесткость (низкую собственную частоту) из‑за их тонких профилей, являются силовые стойки, места отбора воздуха и т. д. Как нарочно, конструкторы, проектирующие эти элементы, тяготеют к окружной симметрии (3 или 6 стоек равномерно по окружности и т. д.), что является потенциальным источником упомянутых проблем с лопатками.

Конечно, межремонтный ресурс этого первого в миро боевого турбореактивного двигателя был небольшой – всего 25 часов, но это был серийный двигатель, и будь у Германии еще немного исторического времени, то, конечно, этот двигатель был бы доведен до совершенства. Двигатель работал устойчиво до высоты 10 000 метров. Сопловые, а вскоре и рабочие (роторные) лопатки турбины двигателя 109–004 уже тогда были сконструированы охлаждаемыми (воздухом). Основная часть лопатки турбины (т. н. «перо») выполнялась полой и ножки не имела, а запрессовывалась и припаивалась к диску. В результате оказалось возможным получать перо лопатки вытяжкой. Для этого Вильямом Примом на фирме его имени в Штольберге был разработан специальный технологический процесс вытяжки тонкостенного пера лопаток турбины на прессах без механической обработки, оказавшийся простым и очень производительным. Начали было строить завод производительностью 300 тыс. (!) лопаток в месяц, но не успели до конца войны. Всего на четырех заводах было выпущено около 6000 двигателей «Юмо» 109–004 до конца войны. Ежемесячное производство этого двигателя начиная с 1945 г., составило около 1000 штук.

В эксплуатацию было принято три типа самолетов: истребитель Ме‑262 А‑1а Schwalbe («Ласточка»), бомбардировщик Ме‑262 А‑2а Sturmvogel («Буревестник») и разведчик и бомбардировщик «Арадо‑234В». К сентябрю 1944 г. первое многоцелевое реактивно‑истребительное подразделение Erprobungkommando 262 завершило этап войсковых испытаний Ме‑262, и было создано спецподразделение для проведения боевых испытаний Арадо‑234 Sonderkommando Gotz. Первым чисто боевым подразделением Люфтваффе, вооруженным реактивными истребителями, стала, как известно, «Команда Новотны». Эта «команда» в составе 12 истребителей вступила в войну 3 октября 1944 г. Однако первые воздушные бои оказались малоудачными – много самолетов было потеряно в авариях, а некоторые были сбиты при сбросе скорости во время подготовки к атаке. Нужно было менять тактику – вместо маневренного боя с применением пушек использовать ракетное вооружение, применяемое с дальней дистанции на большой скорости. Для этого была сформирована специальная группа JG7. Кроме того, занялись и обучением пилотов на двухместных Ме‑262, для чего были созданы учебно‑тренировочные центры. Также в сентябре 1944 г. были сформированы и первые бомбардировочные подразделения Ме‑262 А‑2а: «Команда Шенка» и «Команда Эдельвейс». «Арадо‑234» эффективно использовался в качестве разведчика, беспрепятственно летая над Британскими островами и Северной Италией. Во время Арденнского наступления немцев в декабре 1944 г. несколько «Арадо‑234» из состава эскадры KG 76 впервые отбомбились по союзникам. Ме‑262, будучи неуязвимым, оказался идеальным ближним разведчиком. Всего было построено 1433 Ме‑262, из которых около 200 поступило в боевые части.

Между тем работы по модификациям 109–004 шли непрерывно: вслед за первой серией «А» появились «В», «С», «D», «Е», «F», «G», «Н». Особенно интересными модификациями были «Е» и «Н». Первая модификация была с форсажной камерой за турбиной. А вторая – по сути, новый двигатель с 11 – ступенчатым компрессором (степень сжатия 5) и двухступенчатой турбиной – тягой 1800 кг, т. е. в два раза большей, чем у прототипа.

Последней попыткой немцев переломить ход воздушной войны на Западе, где бомбардировки союзников нанесли катастрофический урон военной промышленности Германии, было создание массового, так называемого «народного» истребителя Хейнкеля «Саламандра», серийно производившегося с 1945 г. Особенностью этого самолета была компоновка двигателя «БМВ» 109–003 на самолете: он располагался на «спине» фюзеляжа подобно пульсирующему двигателю на крылатой ракете Фау‑1.

Ниже представлена таблица разработок (это только по госконтрактам, не включая инициативные разработки фирм) воздушно‑реактивных двигателей в Германии менее чем за 10 лет. Такое обилие самых различных вариантов схем двигателей, размерностей и областей их применения возможно только на первой стадии новой инновационной волны. Сегодня, когда инновационная волна авиационных газотурбинных двигателей прошла, появление нового двигателя является довольно редким, по сути, единичным явлением, воплощающим в себе все мировые технологические достижения.

Особо необходимо отметить инновационные работы германских ученых и инженеров в области прямоточных воздушно‑реактивных двигателей, или двигателей Лорана – по имени французского изобретателя. Прямоточный двигатель заманчив своей простотой конструкции – в нем нет роторов, сложных трансмиссий, лопаток с их проблемами. Но этот двигатель имеет и существенный родовой недостаток: для его функционирования как теплового двигателя, т. е. преобразователя тепла в работу расширения рабочего тела и соответственно в движение, необходима начальная скорость. Преобразование скорости в давление (т. е. торможение набегающего потока воздуха) во входном устройстве «прямоточки» с последующим подводом тепла в камере сгорания и расширением газов в сопле позволяет организовать термодинамический цикл и, получив в нем работу, преобразовать ее в тяговую мощность. При этом чем выше скорость, тем эффективнее работает «прямоточка». При числе Маха полета выше 3,5 (область «гиперзвука») степень повышения давления набегающего потока во входном устройстве «прямоточки» настолько превосходит степень повышения давления в компрессоре обычного турбореактивного двигателя, что компрессор становится излишним. Именно поэтому область применения реактивных газотурбинных двигателей ограничена этим предельным числом Маха.

Выше (от М=3,5 до М=6) находится наиболее эффективная область работы прямоточного двигателя. Максимальное число Маха, равное 6, ограничено, в свою очередь, теплотворной способностью топлива (самой энергетической пары водород+воздух): ведь эффективность термодинамического цикла определяется отношением максимальной и минимальной температур в цикле. Поскольку максимальная температура ограничена теплотворной способностью топлива, а температура на входе в камеру сгорания повышается с ростом степени повышения давления, то при числе Мб воздушно‑реактивный двигатель вырождается.

Неслучайно поэтому, что еще в 1937 г. прямоточными двигателями в Германии заинтересовались прежде всего Сухопутные силы. Возникла идея (Вольф Троммсдорф) разработки инновационного, так называемого активно‑реактивного снаряда большой дальности: из артиллерийского ствола выстреливается снаряд, оснащенный «прямоточкой», после достижения определенной скорости включается подача топлива в прямоточную камеру сгорания, и снаряд летит дальше уже с помощью реактивной силы насколько хватит запаса топлива. Ввиду ограниченности массы снаряда, несущего в том числе и заряд взрывчатого вещества, воздушно‑реактивный двигатель, использующий в качестве рабочего тела окружающий воздух, обеспечивает лучшие массовые характеристики снаряда по сравнению с ракетным. К 1938 г. идея Троммсдорфа оформилась в теорию применения снаряда. Ему же была поручена разработка такого снаряда.

Принципиальное различие процессов расширения и сжатия движущегося сверхзвукового потока воздуха заключается в том, что в случае геометрического воздействия на поток (изменением проходного сечения) при расширении (увеличении скорости) волны разрежения расходятся веером, не пересекаясь, а при сжатии (уменьшении скорости) волны сжатия пересекаются, образуя сильные ударные волны. Главной проблемой эффективного преобразования скорости набегающего сверхзвукового потока в давление становится уменьшение интенсивности ударных волн. Если произвести торможение потока в одной ударной волне, то потери давления сведут на нет все преимущества. Таким образом, проектирование оптимального сверхзвукового диффузора становится главной задачей при создании прямоточного реактивного двигателя.

И здесь германская наука вновь оказалась на высоте. Проблемой проектирования сверхзвуковых диффузоров занимался Клаус Осватич под общим руководством Прандтля в Геттингенском авиационном НИИ (Kaiser‑Wilhelm‑ Institut Stromungforschung). Хотя идея многоконусного диффузора с торможением потока в серии последовательных ударных волн слабой интенсивности была не нова, но выбор оптимальной конфигурации потребовал многочисленных экспериментов в аэродинамических трубах. Дело в том, что, как оказалось, оптимальное сочетание (минимальная сумма) внешнего сопротивления и внутренних потерь в ударных волнах реализуется в далеко не очевидной аэродинамической схеме сверхзвукового диффузора, а именно в так называемой «схеме внешнего сжатия с выбитой ударной волной». К 1943 г. Осватич накопил достаточно материалов испытаний, чтобы спроектировать хороший диффузор для «прямоточки», а к концу войны был накоплен задел для проектирования диффузора до гиперзвуковой скорости М=4,4.

В конце 1944 г. КБ Троммсдорфа разработало межконтинентальную крылатую ракету D6000 с прямоточным воздушно‑реактивным двигателем. По проекту ракета начинала свободное падение с высоты 14 км при скорости 720 км/час с самолета‑носителя. Ракета падала с высоты своего пуска до тех пор, пока отстреливаемые ракетные ускорители, расположенные на концах крыльев, не придавали ей ускорение до числа М=2,8. На этой скорости включался прямоточный двигатель, ускоряя ракету до М=4 и выводя ее на высоту 24 км. Затем ракета продолжала полет на расстояние 5000 км и за 300 км до цели начинала снижение. Дефицит топлива даже для опытного самолета‑носителя в конце войны не позволил провести пусковые испытания уже изготовленной крылатой ракеты большой дальности Троммсдорфа.

А что же Пауль Шмидт со своим проектом пульсирующего воздушно‑реактивного двигателя? Как мы помним, он начинал самым первым. Долгое время Шмидт работал над проблемой зажигания свежей порции пламени в пульсирующем двигателе: прямоточная схема течения топливовоздушной смеси требовала скорости распространения пламени 100 м/с, чтобы вписаться в приемлемые габариты. Как известно, обычный фронт пламени распространяется с помощью теплопроводного (молекулярного и турбулентного) механизма переноса со скоростью не более 10 м/с, т. е. в десять раз меньше. Шмидт начал экспериментировать с переносом тепла с помощью ударной волны, имеющей существенно большую скорость. К1937 г. Шмидт установил, что отраженная от выхода первоначально инициированная вспышкой ударная волна способна периодически вызывать поджигание свежей смеси без источника зажигания. Так была решена основная проблема пульсирующего (горения с частотой 50 герц) реактивного двигателя.

Проект самолета‑снаряда с ПуВРД, представленный в 1934 г. Шмидтом и Маделунгом Министерству авиации, поначалу не получил одобрения. Шмидту оказали поддержку фон Браун и доктор Дорнбергер, известные специалисты‑ракетчики. В результате проект получил финансовую господдержку, с помощью которой в Мюнхене небольшая группа конструкторов разработала первый самолет‑снаряд. Первый двигатель Шмидта с автоматическим зажиганием с помощью ударной волны прошел испытания в 1938 г. Несмотря на, казалось бы, простую схему пульсирующего реактивного двигателя, при его доводке пришлось решать много сложных задач, оригинальные решения которых нашли отражение в конструкции. Двигатель получил обозначение SR.500, что обозначало инициалы конструкторов (Шмидт и Pop) и диаметр трубы, в которой шло горение, равный 500 мм. В 1942 г. инновационный SR.500 показал на стенде тягу 750 кг, но до летных испытаний дело так и не дошло. Этот двигатель почему‑то «не любили»‑так бывает даже в таком рациональном мире, как авиационные моторы. Правда, к этому были некоторые основания: двигатель неприятно шумел, более того, своим акустическим воздействием он разрушил аэродинамическую трубу. После этого пульсирующие двигатели испытывали только на открытых (без стен) стендах.

К этому времени получавшая большее финансирование фирма «Аргус» продвинулась значительно дальше Шмидта в разработках ПуВРД. Как ни странно, но когда в 1939 г. берлинской фирме «Аргус», занимавшейся производством небольших поршневых моторов и нагнетателей, была поручена разработка ПуВРД, то на этой фирме ничего не знали о работах Шмидта. Работы по созданию пульсирующего двигателя на фирме «Аргус» вел талантливый инженер Гюнтер Дидрих, занимавшийся опытно‑ конструкторскими работами по парогенераторам и применением паровых двигателей на самолетах и автомобилях. Сотрудничество с группой Шмидта начиная с 1940 г. позволило Дидриху решить ряд проблем, в частности использовать шмидтовскую конструкцию клапанов. Первые летные испытания ПуВРД Дидриха тягой 120 кг были проведены в апреле 1941 г., а вскоре в этом же году он ушел с фирмы, считая применение пульсирующих двигателей невозможным при скорости полета выше 600 км/час. Уйдя из КБ, Дидрих создал научно‑исследовательский центр, продолжавший заниматься процессами в ПуВРД. В ходе конкурса на «народный», т. е. дешевый, истребитель были представлены и проекты самолетов (фирмы «Хейнкель», «Юнкерс», «Блом» и «Фосс»), оснащенные доведенными к тому времени (конец 1944 г.) ПуВРД 109–014. Победила, как известно, «Саламандра» Хейнкеля с турбореактивным «БМВ». Пульсирующий ВРД, кроме прочего, оказывал сильное акустическое воздействие на планер самолета, срывая тканевое покрытие планера и повреждая металлические конструкции.

В 1945 г. самолеты‑снаряды Фау‑1 летали уже со скоростью около 800 км/час.

Создание самолета‑снаряда, или, как бы теперь назвали, крылатой ракеты с ПуВРД, было поручено самолетной фирме Герхарда Физелера в городе Касселе. В декабре 1942 г. сам Физелер пролетел на самолете «Фокке‑Вульф‑200» над Пенемюнде и сбросил первый планер Фау‑1, проведя тем самым первое летное испытание без силовой установки. Однако вначале удалось довести и внедрить в серию только Фау‑1, запускаемые с наземных установок – катапульт (т. е. крылатые ракеты «земля – земля»). Назначение этого нового оружия было‑не допустить высадку союзников в Европе. Но союзники высадились раньше (6 июня 1944 г.), чем началось боевое применение этих ракет (первый удар по Лондону был нанесен 13 июня 1944 г.). К 29 июня было выпущено уже 2000 крылатых ракет Фау‑1. Кульминацией был удар по Лондону 2 августа, когда 107 ракет из выпущенных 316 достигли города. После продвижения союзных войск во Франции, когда позиции для запуска ракет были утрачены, главной целью бомбардировок стал голландский порт Антверпен. Всего по Лондону было зафиксировано 2419 ударов, а по Антверпену – 2448 ударов. Из выпущенных по целям ракет достигло цели 25 %. Всего было изготовлено 30 000 крылатых ракет Фау‑1. Вес взрывчатого вещества, транспортируемого этой ракетой, составлял внушительные 850 кг. Так что бомбардировки и Лондона, и Антверпена были серьезные.

Интересна история попыток американцев наладить серийный выпуск Фау‑1 для боевого применения против Японии. В руки союзников попало много неразорвавшихся ракет, которые позволяли их воспроизвести. Был подписан контракт с фирмой «Форд» в Детройте на выпуск 3000 штук. Но в связи со скорой победой над Японией «американский» ПуВРД PJ‑31‑1, как он был обозначен, прекратил свое существование.

Date: 2016-01-20; view: 1001; Нарушение авторских прав