Советские авиационные конструкторы

Над созданием газотурбинных двигателей (ГТД) работала и группа инженеров под руководством В. В. Уварова, которая в тридцатые годы вначале в лаборатории Военно-воздушной академии им, Н. Е. Жуковского, а затем на заводе создавала опытные образцы ГТД.

В этот же период конструкторы получили задание на проектирование мощных паровых турбин для тяжелых бомбардировщиков А. Н. Туполева. Однако в конце 1937 г. стала очевидной нецелесообразность такого рода разработок, а конструктор А. М Люлька предложил схемы одноконтурного и двухконтурного воздушно-реактивных двигателей. Построенные под его руководством образцы были поставлены на стендовые испытания, но дальнейшей работе помешала война. Тем не менее проведенные исследования позволили продолжить конструкторские разработки газотурбинных двигателей. Начиная с 1945 г. в них участвовали коллективы А. М. Люльки, А. А. Микулина, В. Я. Климова и других. В целях ознакомления с иностранными газотурбинными двигателями сначала использовались трофейные немецкие двигатели, получившие наименование РД-10 и РД-20, и закупленные английские двигатели, названные РД-45 и РД-500. Немецкие двигатели были установлены на некоторых отечественных реактивных опытных самолетах, но никакого технического интереса не представляли. При малой силе тяги они имели большую массу и значительный расход топлива. Поэтому вскоре от них пришлось отказаться. Двигатели же РД-45 и РД-500 постепенно улучшались и модернизировались, так как их тяга была недостаточной для самолетов, в которых нуждалась наша страна.

В 1946 г. начались работы по созданию более мощных, с лучшими удельными параметрами отечественных двигателей, к которым в первую очередь можно отнести двигатель ТР-1 с тягой 1300 кгс, созданный А. М. Люлькой Это был первый отечественный двигатель, прошедший официальные испытания. В 1947 г. конструкторское бюро А. А. Микулина создало крупноразмерный двигатель ТК ВРД-1 с тягой 3780 кгс. Создание этого двигателя явилось началом развития реактивных двигателей с осевым компрессором, одним из которых являлся широко известный двигатель РД-ЗМ, Двигателей с подобной силой тяги (до 11500 кгс) в то время в мировой практике не существовало.

Исследования по газодинамике, термодинамике, сверхзвуковым компрессорам, а также по жаропрочным сплавам позволили создавать отечественные двигатели различного класса с хорошими удельными параметрами. Кроме того, появилась возможность увеличивать тягу двигателя на короткие промежутки времени за счет дожигания топлива за турбиной в форсажной камере.

В 1952 г. в КБ А. А. Микулина был построен двигатель АМ-5 с осевым компрессором тягой 2000 кгс, применявшийся на самолете-перехватчике Як-25. Двумя годами раньше закончилась разработка двигателя АЛ-5 с силой тяги 5000 кгс, несколько позже - двигателя ТР-7 (АЛ-7), Этот экспериментальный двигатель имел уже сверхзвуковые ступени компрессора, что позволило значительно уменьшить габариты и массу двигателя за счет уменьшения количества ступеней компрессора. Двигатели В. Я. Климова обладали принципиально новыми качествами вследствие форсирования тяги форсажной камерой, которая явилась необходимой принадлежностью всех отечественных и иностранных турбореактивных двигателей, установленных в первую очередь на военных самолетах. Однако двигатели этого типа (с центробежным компрессором) могли применяться только на легких самолетах, так как тяга их ограничивалась низкой производительностью компрессора.

Как в свое время отошли в прошлое поршневые двигатели, так и турбореактивные двигатели с центробежными компрессорами постепенно теряли свое значение, поскольку не обеспечивали высокие степени сжатия и большие расходы воздуха, без чего невозможны современные мощные и экономичные газотурбинные двигатели. Создание их потребовало разработки высоконапорных компрессоров и применения новых жаропрочных сплавов для камер сгорания, лопаток и дисков турбин. С введением форсажных камер возникла необходимость устанавливать регулируемые выходные реактивные сопла.

В пятидесятые годы в конструкторском бюро, возглавляемом С. К. Туманским, был создан двигатель РД-9 с форсажной камерой. Он обладал рекордно низкой удельной массой и отличался малым расходом топлива. В фюзеляже самолета МиГ-19 устанавливались два таких двигателя, что в значительной степени обусловило сверхзвуковые летные характеристики этой машины. Дальнейший прогресс в развитии реактивной авиации определялся изысканием оптимальных; размеров компрессоров и турбин и достижением лучших коэффициентов полезного действия. Кроме того, необходимо было увеличивать температуру газа перед турбиной. Все это в конечном счете привело к созданию силовой установки, благодаря которой самолет достигал скорости, значительно превышавшей 2000 км/ч. Такой установкой явится двигатель РИФ-300. Применялся он на самолете МиГ-21 и получил широкую известность не только в нашей стране.

Как у нас в стране, так и за рубежом велась разработка неизвестного в авиационной технике турбовинтового двигателя (ТВД), который по своей экономичности для небольших скоростей полета значительно превосходил турбореактивный двигатель. Такие двигатели, созданные в конструкторских бюро Н. Д. Кузнецова и А. Г. Ивченко, получили широкое распространение на самолетах с дозвуковыми скоростями полета. Одним из наиболее экономичных двигателей этого типа является НК-12, установленный на самолетах Ан-22 и Ту-114. Созданный еще в начале пятидесятых годов, он и в настоящее время эксплуатируется на военных и гражданских самолетах. Двигатель развивает эквивалентную мощность до 15000 л. с. На тяжелых 01ечествеипых самолетах, снабженных ТВД НК-12, установлен ряд мировых рекордов.

С другой стороны, вследствие падения коэффициента полезного действия винта на больших скоростях этот двигатель имеет ограничения по скорости. Сложна в нем также передача энергии от турбины через редуктор на винт. Все это вынуждало искать новые силовые установки.

В последние годы конструкторскими бюро созданы турбовентиляционные двухконтурные двигатели (ТРДД). Они создают меньше шума, чем ТРД и ТВД, и в настоящее время широко применяются как на пассажирских и транспортных (Ту-111, Ту-154, Ил-62, Як-40, Ил-76), так и на военных самолетах.

Особо трудной задачей явилось создание силовой установки для самолета, совершающего взлет и посадку вертикально. Трудность обусловлена прежде всего необходимостью иметь малую массу двигателя и менять направление тяги в зависимости от режима полета, так как в горизонтальном полете тяга должна быть направлена по продольной оси машины, а при взлете и посадке выходящие газы должны иметь вертикальное направление и создавать тягу, необходимую для поддержания самолета до перехода его в горизонтальный полет или до посадки. Исследования, проводившиеся в нашей стране, а также ознакомление с подобными двигателями иностранных авиационных компаний давали достаточно материала для обсуждения вопросов о схеме силовой установки для самолета указанного типа. Большой вклад в создание такого двигателя внесло ОКБ С. К. Туманского. В результате в 1967 г. на воздушном параде в Домодедово демонстрировался самолет с силовой установкой, вертикальная и горизонтальная тяги которой создавались поворотом струи газов, выходящих из реактивного сопла.

Турбореактивные двигатели, появившиеся в конце второй мировой войны, были значительно усовершенствованы в основном за счет улучшения конструкций. Широкие научно-исследовательские и экспериментальные работы, проведенные в последние 25 - 30 лет, позволили существенно повысить к.п.д. компрессоров и турбин и повысить максимальную температуру газа в двигателе. Достигалось это разработкой более жаропрочных конструкционных материалов и использованием более совершенных систем охлаждения турбин, и в первую очередь лопаток. Если в двигателях начала пятидесятых годов температура газа перед турбиной равнялось 850° С, то сейчас она достигает 1400 - 1450° С. Столь значительные усовершенствования привели к соответствующему улучшению характеристик двигателей, и прежде всею к увеличению удельной тяги (тяги, получаемой с единицы массы газа) и уменьшению удельного расхода топлива. За эти же годы расход топлива снизился с 1,35 до 0,6 кг топл./кгс-ч (на дозвуковом режиме), а удельная масса (отношение массы к тяге) двигателя уменьшилась с 0,4 до 0,12 кг/кгс. Габариты двигателя в результате уменьшения числа ступеней компрессора и турбины уменьшились примерно в три раза. Вместе с тем срок службы двигателей между ремонтами возрос в десять раз и более.

Однако, по данным иностранной печати, улучшение характеристик двигателей привело к их значительному удорожанию. Так, например, стоимость двигателя американского самолета "Сейбр" пятидесятых годов составляла примерно 5 млн. франков, французского "Мираж-3" шестидесятых годов - 8 млн. франков, а шведского "Вигген" конца шестидесятых годов - 14 млн. франков. Иначе говоря, за 20 лет стоимость двигателя возросла почти в три раза. Справедливо замечается, что, если не принять мер, будет наблюдаться дальнейший рост стоимости двигателей. Применение композиционных материалов, армированных высокопрочными волокнами, а также все более сложных и более эффективных систем охлаждения турбинных лопаток позволит достичь большей температуры газа на входе в турбину и, значит, улучшить характеристики двигателя (тягу, удельный расход топлива, удельную массу). Однако его удельная и абсолютная стоимость, по-видимому, также значительно возрастет.

Во главе коллективов, создающих авиационную технику, стоят генеральные и главные конструкторы. Они не только руководят коллективами конструкторских бюро, но и объединяют результаты труда многих научных институтов и смежных организаций, участвующих в создании самолетов, вертолетов и двигателей, используют в разработках все новое, передовое, созданное наукой и техникой.

Автор книги прослужил в Военно-воздушных силах 66 лет и имел непосредственное отношение к созданию советской авиации, многие годы тесно сотрудничал с выдающимися отечественными авиационными конструкторами.