Проекты реактивных самолетов 1930-х годов в контексте развития высотной авиации

Размещено на http://www.allbest.ru/

Проекты реактивных самолетов 1930-х годов в контексте развития высотной авиации

На рубеже 1920-х - 30-х гг. начались серьезные практические работы по реализации идеи использования на самолете реактивного (первоначально - ракетного) двигателя, были созданы и успешно летали первые ракетные планеры. К этому же периоду относится начало серьезных практических работ по реализации идеи стратосферного самолета, в частности, появление первых специализированных высотных самолетов с гермокабинами (ГК) - т.н. стратопланов. Оба эти направления преследовали одну и ту же цель - создание в недалеком будущем авиации для полетов с огромными скоростями на больших высотах.

В 1920-е гг. темпы развития летных характеристик самолетов были ниже, чем в другие периоды истории авиации. Достигнутые в рекордных полетах 1920-х гг. скорости и высоты незначительно отражались на улучшении характеристик обычных самолетов. Например, рекордные скорости с 1920-го по 1931 г. возросли с 275 до 655 км/ч (на 138%), в то же время путевые скорости воздушного транспорта с 1923 по 1930 гг. увеличились только со 135 до 220 км/ч (на 63%) [9, с. 224]. Скорость истребителей за 10 послевоенных лет увеличилась примерно на 80 км/ч, разведчиков - на 60 км/ч, бомбардировщиков - на 50 км/ч [13, с. 103]. Потолок истребителей 1920-х гг. относительно уровня конца Первой мировой войны несколько возрос и составлял, в среднем, около 7500 м, потолок бомбардировщиков практически не изменился. Не изменилась и высота полета при перевозке пассажиров, значительно ограниченная отсутствием ГК. Обычно она зависела от дальности беспосадочного полета и не превышала 3000 м. При этом еще в 1923 г. рекордное значение высоты превысило 11000 м.

И хотя во второй половине 1920-х гг. потенциал совершенствования авиационной техники в отношении увеличения скорости и высоты полета был еще далеко не исчерпан (о чем говорит, в частности, разница между рекордными и «эксплуатационными» значениями скорости и высоты), продолжалось увеличение мощности двигателей при одновременном снижении их удельного веса, совершенствовались нагнетатели, улучшалась аэродинамика самолетов, эффективность воздушных винтов и т.д., конструкторы осознавали ряд проблем, неизбежно возникнущих в будущем в связи с дальнейшим ростом скорости и высоты полета.

Так, мощность, необходимая на преодоление аэродинамического сопротивления, пропорциональна квадрату скорости. При этом тяга винта обратно пропорциональна скорости. Таким образом, потребная мощность винтомоторной силовой установки растет пропорционально кубу скорости; чем больше скорость, тем больше мощности требуется для одного и того же прироста скорости.

При состязаниях на кубок Шнейдера за достижение наибольшей скорости на гидросамолетах (которым принадлежали абсолютные рекорды конца 1920-х - начала 30-х гг., т.к. они могли иметь большую нагрузку на крыло ввиду неограниченности длины разбега и пробега) с 1923 по 1934 гг. рекордная скорость возросла с 285,4 до 709,209 км/ч (в 2,48 раза), в то время как мощность двигателя - с 465 до 2800 л.с. (в 6 раз) [2, с. 74]. С увеличением мощности двигателя возрастают его размеры (и, как следствие, аэродинамическое сопротивление) и вес, увеличивается удельный расход топлива (который примерно пропорционален мощности), что требует большего запаса топлива, а это также ведет к увеличению веса и размеров (аэродинамического сопротивления) самолета. Если для гоночного самолета, способного лишь кратковременно развивать скорость 700 км/ч, требовался двигатель огромной мощности, то для достижения такой скорости самолетом, предназначенным для практического применения (который мог бы лететь на ней с грузом продолжительное время), требовалась бы мощность силовой установки, недостижимая для техники того времени.

Выходом могло стать увеличение высоты полета. На больших высотах большим скоростям соответствуют значительно меньшие потребные мощности, чем тем же скоростям при полете у земли (Табл. 1) [14, с. 85]. Также увеличение скорости полета на большой высоте в меньшей степени ограничено влиянием сжимаемости воздуха. По одной из оценок пределом скорости у земли было значение 800-850 км/ч (для схематизированного облегченного рекордного самолета с двигателем мощностью 2300 л.с.), однако на высоте эта скорость могла быть значительно выше.

Таблица. 1. Результаты расчета, показывающие преимущество высотных полетов (меньшую потребную мощность, необходимую для увеличения скорости)

Понимание того, что скорость полета самолета с обычной винтомоторной силовой установкой имеет пределы, достижимые в обозримом будущем, вынуждала конструкторов искать новые пути развития авиации. По названным выше причинам решение этой проблемы было связано с необходимостью увеличения высоты полета. Направление развития авиации, предполагавшее скоростные полеты в верхней части тропосферы (около 10 км) получило название «гиперавиация», полеты в стратосфере с еще большими скоростями - «суперавиация» [9, с. 224].

Для осуществления полноценных стратосферных полетов было необходимо решить две основные задачи: 1) обеспечить экипажу нормальные жизненные условия в высотном полете; 2) обеспечить высотность силовой установки.

Первая задача была решена сравнительно легко: в 1930 г. была построена герметичная гондола для аэростата, в 1931 г. поднялся в воздух первый удачный самолет с ГК. Наибольшие технические трудности были связанны с обеспечением высотности двигателя.

Разумеется, наиболее простой путь заключался в совершенствовании уже существующего типа силовой установки, например разработке новых типов нагнетателей. Например, в 1930-е гг. советские инженеры А. В. Шепелявый и А. П. Розанов предлагали конструкцию нагнетателя с паровой турбиной, вращавшейся от испарявшегося жидкого воздуха, запасенного на борту [11, д. 863]. В НИИ ВВС исследовалось «приспособление» двигателей (М-25, М-34) «к работе на кислороде, без доступа окружающего воздуха (т.н. «Замкнутый цикл»)» для установки на высотные самолеты [12, д. 1268, л. 108].

Более радикальными были пути, связанные с использованием других типов двигателей (нетрадиционных для авиации того времени), - прежде всего, паровых (с паровой турбиной) и реактивных (ракетных), на работе которых в меньшей степени сказывались бы условия полета на большой высоте. Так, если в середине 1930-х гг. максимально возможная высота полета при использовании поршневого двигателя внутреннего сгорания (ДВС) оценивалась в 20-22 км, то в случае применения парового двигателя она составляла уже порядка 30 км, при использовании ракетного двигателя - более 30 км (была не ограничена).

Применение парового двигателя на самолете не было ново - этот тип силовой установки господствовал на заре авиации, но оказался вытеснен более легким поршневым двигателем внутреннего сгорания. Вновь обратить внимание на возможность использование парового двигателя на самолете позволило то обстоятельство, что его мощность с подъемом на высоту практически не снижается, а по некоторым оценкам даже увеличивается [5, с. 297-299].

Так, необходимость в высотной силовой установке, лишенной присущих ДВС недостатков, позволила рассматривать удачный полет самолета с паровым двигателем братьев Дж. и В. Беслер (США) как практический шаг на пути к созданию паровых стратосферных самолетов [16].

Работы по созданию паровых авиационных двигателей велись в 1930-е гг. во многих странах, в т.ч. и в СССР, однако они так и не вышли за рамки экспериментальных [5, с. 264-295]. Причиной тому было наличие множества нерешенных вопросов, в частности, при использовании парового двигателя сохранялась проблема винта, который не мог эффективно работать на большой высоте или скорости.

Этой проблемы были лишены реактивные (ракетные) двигатели, применение которых в авиации также предлагалось еще в XIX в. (первые работы отечественных изобретателей в этом направлении освящены в работе [8]). В то время речь еще не шла о возможности достижения как можно большей высоты благодаря ракете. Решавшейся задачей было создание удачного самолета, а реактивный (ракетный) двигатель был лишь одним из возможных типов силовой установки.

Несмотря на то, что создание ЛА тяжелее воздуха с твердотопливным ракетным двигателем было на рубеже XIX-XX вв. технически осуществимо, из-за малой продолжительности работы такой силовой установки (не более нескольких десятков секунд), делавшей невозможным практическое применение самолета, тогда данное направление развития не получило [7].

Вновь интерес к идее реактивного самолета возник во многом благодаря тому, что тяга ракетного двигателя практически не зависит от высоты полета. В связи с этим первые практические работы по созданию ракетных ЛА, начавшиеся в Германии в конце 1920-х гг., рассматривались как шаги к стратосферной авиации, а ракетные планеры немецких конструкторов иногда назывались прообразами будущих стратопланов [9, с. 225]. Например, в сообщении о полете 1 октября 1929 г. инженера Ф. Опеля на ракетном ЛА отмечалось, что «ракетный двигатель может оказать неоценимую услугу при перенесении воздушных путей на высоту свыше 15 тыс. м» [4, с. 104].

Термин «суперавиация» часто связывался именно с применением на самолетах реактивных двигателей. Так как именно проблема высотности силовой установки являлась наиболее серьезной из стоявших на пути освоения больших высот и скоростей, применение реактивной (ракетной) силовой установки виделось главным направлением будущего развития стратосферной авиации. Это иллюстрирует, в частности, классификация стратопланов (в данном случае под стратопланами понимаются ЛА тяжелее воздуха для полетов в стратосфере), приведенная в [9].

Согласно ей, «первую» группу стратопланов составляют самолеты с винтомоторной силовой установкой (в т.ч. с паровой турбиной, электрическим двигателем и т.д.). К этой группе относятся построенные в 1930-е гг. стратосферные самолеты (Юнкерс Ju 49 и др.).

Во «вторую» группу входят перспективные самолеты с винтомоторной группой и реактивным двигателем. Винт предполагалось использовать на небольших высотах и скоростях, реактивный двигатель - в стратосфере, тем самым реализуя преимущества каждого из типов двигателей. Подобные схемы силовой установки рассматривали Р. Годдард [17], К. Э. Циолковский [1, д. 66], М. Валье [15].

Данную группу можно рассматривать как переходную стадию, когда в техническом средстве используется как старый, так и новый элемент. Доля последнего при этом постоянно возрастает, что, в конечном итоге, приводит к следующему этапу, когда новый элемент играет уже основную роль - стратопланам «третьей» группы (Рис. 1).

«Третью группу стратопланов составляют аэропланы без винтомоторной группы. В них двигателем служит ракета обычного типа на жидком или твердом топливе». Серьезной проработкой вопросов, связанных с возможностью создания такого самолета, отличался проект Э. Зенгера (Германия) [6]. Предлагавшийся им ракетный самолет должен был совершать полет в стратосфере, при максимально необходимой дальности (20000 км), максимальная высота не должна была превышать 58 км.

Основная часть пути проходилась планированием с большой высоты. Другим примером может служить выполненный в 1936 г. под руководством С. П. Королева проект двухместного (с экипажем в скафандрах) экспериментального ракетоплана, предназначенного для достижения рекордной высоты (25000 м) и скорости [14, с. 126-127].

Рис. 1. Предложенный М. Валье вариант эволюционного развития от трехмоторного самолета с ДВС к ракете: 1 - два боковых двигателя заменены на ракетные; 2 - четыре ракетных двигателя, меньшее крыло; 3 - шесть ракетных двигателей (ДВС отсутствует), меньшее крыло, наличие ГК; 4 - ракетный аппарат, крыло отсутствует

реактивный самолет двигатель

Наконец, рассматривались и варианты перспективных ЛА, представлявших собой ракету в чистом виде. Например, предлагавшаяся Ф. Гефтом пассажирская ракета (правда, с несущим корпусом), поднявшись за пределы атмосферы, должна была пересекать Атлантику за полчаса [3, с. 279-283].

Как видно из приведенных примеров, весьма активно направление, связанное с созданием перспективных реактивных (ракетных) стратопланов, прорабатывалось пионерами ракетно-космической техники. Для них реактивные стратопланы зачастую являлись промежуточным этапом на пути к полетам за пределы атмосферы. Подробный анализ работ пионеров ракетно-космической техники в этом направлении приводится в работе [7].

Однако ракетные двигатели, экспериментальные летные образцы которых в 1930-е гг. уже существовали, были неэкономичны и имели крайне малую продолжительность работы для использования на самолетах, предназначенных для решения большинства практических задач. Например, согласно расчетам Зенгера, «только для достижения сверхзвуковых скоростей нагрузка горючего должна составлять 60% от начального веса в полете» [6, с. 238]. Такие меры, как применение комбинированной силовой установки (с винтом и ракетным двигателем), подъем ракетных ЛА на стратостатах (как, например, предлагал П. И. Гроховский) не могли в полной мере решить эту проблему. Создание же сверхдальнего сверхскоростного ракетного самолета (подобного предлагавшемуся Зенгером) в 1930-е гг. еще не было возможно.

В этой связи для стратосферной авиации будущего (в отличие от зарождавшейся ракетно-космической техники), наиболее подходящим типом силовой установки представлялся воздушно-реактивный двигатель (ВРД): «В настоящее время самым рентабельным двигателем для стратосферной авиации является особый тип реактивных двигателей - не ракетный, а воздушно-реактивный мотор» [10]. Теория ВРД была разработана в 1920-е гг., а в конце 1930-х уже появились первые опытные образцы.

Один из примеров видения в 1930-е гг. скоростного высотного самолета с ВРД - проект, разработанный итальянским инженером С. Кампини (Рис. 2). Самолет (имевший, правда, мотокомпрессорную силовую установку) предназначался для стратосферных полетов со сверхзвуковыми скоростями [18].

Рис. 2. Проект сверхзвукового стратосферного самолета С. Кампини

реактивный самолет двигатель

Учитывая технические предпосылки к активизации на рубеже 1920-х - 30-х гг. работ по реактивной авиации (поиск решения проблемы высотности двигателя), а также позиционирование многих из них в рамках концепции стратоплана (специализированного высотного самолета, способного развивать большую скорость за счет полета в разреженном воздухе), работы 1930-х гг. по реактивным (ракетным) самолетам могут рассматриваться как направление развития высотной авиации.

Список литературы

1.Архив Российской академии наук (Архив РАН). Ф. 555. Оп. 1.

2.Бакурский В. А. Самые быстрые самолеты. М.: ИЛБИ, 2000. 163 с.

3.Валье М. Полет в мировое пространство как техническая возможность. М. - Л.: ОНТИ, 1936. 335 с.

4.Ветров Г. С. С. П. Королев в авиации. Идеи. Проекты. Конструкции. М.: Наука, 1988. 160 с.

5.Дузь П. Д. Паровой двигатель в авиации. М. - Л.: Оборонгиз, 1939. 315 с.

6.Зенгер Е. Техника ракетного полета. М.: Оборонгиз, 1947. 300 с.

7.Михайлов В. С. Анализ развития работ по использованию ракетных двигателей на самолетах: дисс. ... канд. техн. наук. М., 1980.

8.Морозов И. В. К вопросу о зарождении идеи реактивного самолета и ее видении российскими изобретателями второй половины XIX - начала XX в. // Научный вестник МГТУ ГА. 2011. № 172 (10). С. 196-201.

9.Общий курс гражданской авиации / под ред. С. Я. Корф. М. - Л.: ОНТИ НКТП, 1935. 226 с.

10.Проблема развития реактивной авиации // Наука и жизнь. 1935. № 8.

11.Российский государственный архив экономики (РГАЭ). Ф. 8328. Оп. 1.

12.Российский государственный военный архив (РГВА). Ф. 29. Оп. 76.

13.Соболев Д. А. История самолетов. 1919-1945 гг. М.: Росспэн, 1997. 357 с.

Размещено на Allbest.ru