Из полученного е-mail (копия оригинала):

«Уважаемый Виталий!Ни магли бы Вы нимного больше рассказать

о модельных ТРД, что это ваабще такое и с чем их едят?»

Начнём с гастрономии, турбины ни с чем не едят, ими восхищаются! Или, перефразируя Гоголя на современный лад: «Ну какой же авиамоделист не мечтает построить реактивный истребитель?!».

Мечтают многие, но не решаются. Много нового, еще больше непонятного, много вопросов. Часто читаешь в различных форумах, как представители солидных ЛИИ и НИИ с умным видом нагоняют страха и пытаются доказать, как это всё сложно! Сложно? Да, может быть, но не невозможно! И доказательство тому - сотни самодельных и тысячи промышленных образцов микротурбин для моделизма! Надо только подойти к этому вопросу философски: всё гениальное - просто. Поэтому и написана эта статья, в надежде поубавить страхов, приподнять вуаль неизвестности и придать вам больше оптимизма!

Что такое турбореактивный двигатель?

Турбореактивный двигатель (ТРД) или газотурбинный привод основан на работе расширения газа. В середине тридцатых годов одному умному английскому инженеру пришла в голову идея создания авиационного двигателя без пропеллера. По тем временам - просто признак сумасшествия, но по этому принципу работают все современные ТРД до сих пор.

На одном конце вращающегося вала расположен компрессор, который нагнетает и сжимает воздух. Высвобождаясь из статора компрессора, воздух расширяется, а затем, попадая в камеру сгорания, разогревается там сгорающим топливом и расширяется ещё сильней. Так как деваться этому воздуху больше некуда, он с огромной скоростью стремится покинуть замкнутое пространство, протискиваясь при этом сквозь крыльчатку турбины, находящейся на другом конце вала и приводя её во вращение. Так как энергии этой разогретой воздушной струи намного больше, чем требуется компрессору для его работы, то ее остаток высвобождается в сопле двигателя в виде мощного импульса, направленного назад. И чем больше воздуха разогревается в камере сгорания, тем он быстрее стремится её покинуть, ещё сильнее разгоняя турбину, а значит и находящийся на другом конце вала компрессор.

На этом же принципе основаны все турбонагнетатели воздуха для бензиновых и дизельных моторов, как двух, так и четырёхтактных. Выхлопными газами разгоняется крыльчатка турбины, вращая вал, на другом конце которого расположена крыльчатка компрессора, снабжающего двигатель свежим воздухом.

Принцип работы - проще не придумаешь. Но если бы всё было так просто!

ТРД можно четко разделить на три части.

• А. Ступень компрессора
• Б. Камера сгорания
• В. Ступень турбины

Мощность турбины во многом зависит от надёжности и работоспособности её компрессора. В принципе бывают три вида компрессоров:

• А. Аксиальный или линейный
• Б. Радиальный или центробежный
• В. Диагональный

А. Многоступенчатые линейные компрессоры получили большое распространение только в современных авиационных и промышленных турбинах. Дело в том, что достичь приемлемых результатов линейным компрессором можно, только если поставить последовательно несколько ступеней сжатия одну за другой, а это сильно усложняет конструкцию. К тому же, должен быть выполнен ряд требований по устройству диффузора и стенок воздушного канала, чтобы избежать срыва потока и помпажа. Были попытки создания модельных турбин на этом принципе, но из-за сложности изготовления, всё так и осталось на стадии опытов и проб.

Б. Радиальные, или центробежные компрессоры . В них воздух разгоняется крыльчаткой и под действием центробежных сил компримируется - сжимается в спрямительной системе-статоре. Именно с них начиналось развитие первых действующих ТРД.

Простота конструкции, меньшая подверженность к срывам воздушного потока и сравнительно большая отдача всего одной ступени были преимуществами, которые раньше толкали инженеров начинать свои разработки именно с этим типом компрессоров. В настоящее время это основной тип компрессора в микротурбинах, но об этом позже.

В. Диагональный , или смешанный тип компрессора, обычно одноступенчатый, по принципу работы похож на радиальный, но встречается довольно редко, обычно в устройствах турбонаддувов поршневых ДВС.

Развитие ТРД в авиамоделизме

Среди авиамоделистов идёт много споров, какая же турбина в авиамоделизме была первой. Для меня первая авиамодельная турбина, это американская TJD-76. В первый раз я увидел этот аппарат в 1973 году, когда два полупьяных мичмана пытались подключить газовый баллон к круглой штуковине, примерно 150 мм в диаметре и 400 мм длинной, привязанной обыкновенной вязальной проволокой к радиоуправляемому катеру, постановщику целей для морской пехоты. На вопрос: «Что это такое?» они ответили: «Это мини мама! Американская… мать её так, не запускается…».

Намного позже я узнал, что это Мини Мамба, весом 6,5 кг и с тягой примерно 240 N при 96000 об/мин. Разработана она была ещё в 50-х годах как вспомогательный двигатель для лёгких планеров и военных дронов. Особенность этой турбины в том, что в ней использовался диагональный компрессор. Но в авиамоделизме она широкого применения так и не нашла.

Первый «народный» летающий двигатель разработал праотец всех микротурбин Курт Шреклинг в Германии. Начав больше двадцати лет назад работать над созданием простого, технологичного и дешевого в производстве ТРД, он создал несколько образцов, которые постоянно совершенствовались. Повторяя, дополняя и улучшая его наработки, мелкосерийные производители сформировали современный вид и конструкцию модельного ТРД.

Но вернёмся к турбине Курта Шреклинга. Выдающаяся конструкция с деревянной крыльчаткой компрессора, усиленной углеволокном. Кольцевая камера сгорания с испарительной системой впрыска, где по змеевику длинной примерно в 1 м подавалось топливо. Самодельное колесо турбины из 2,5 миллиметровой жести! При длине всего в 260 мм и диаметре 110 мм, двигатель весил 700 грамм и выдавал тягу в 30 Ньютон! Это до сих пор самый тихий ТРД в мире. Потому как скорость покидания газа в сопле двигателя составляла всего 200 м/с.

На основе этого двигателя было создано несколько вариантов наборов для самостоятельной сборки. Самым известным стал FD-3 австрийской фирмы Шнайдер-Санчес.

Ещё 10 лет назад авиамоделист стоял перед серьёзным выбором - импеллер или турбина?

Тяговые и разгонные характеристики первых авиамодельных турбин оставляли желать лучшего, но имели несравненное превосходство перед импеллером - они не теряли тягу с нарастанием скорости модели. Да и звук такого привода был уже настоящим «турбинным», что сразу очень оценили копиисты, а больше всего публика, непременно присутствующая на всех полётах. Первые Шреклингские турбины спокойно поднимали в воздух 5-6 кг веса модели. Старт был самым критическим моментом, но в воздухе все остальные модели отходили на второй план!

Авиамодель с микротурбиной тогда можно было сравнить с автомобилем, постоянно двигающимся на четвёртой передаче: ее было тяжело разогнать, но зато потом такой модели не было уже равных ни среди импеллеров, ни среди пропеллеров.

Надо сказать, что теория и разработки Курта Шреклинга способствовали к тому, что развитие промышленных образцов, после издания его книг, пошло по пути упрощения конструкции и технологии двигателей. Что, в общем то, и привело к тому, что этот тип двигателя стал доступным для большого круга авиамоделистов со средним размером кошелька и семейного бюджета!

Первые образцы серийных авиамодельных турбин были JPX-Т240 французской фирмы Vibraye и японская J-450 Sophia Precision. Они были очень похожи как по конструкции, так и по внешнему виду, имели центробежную ступень компрессора, кольцевую камеру сгорания и радиальную ступень турбины. Французская JPX-Т240 работала на газе и имела встроенный регулятор подачи газа. Она развивала тягу до 50 N, при 120.000 оборотах в минуту, а вес аппарата составлял 1700 гр. Последующие образцы, Т250 и Т260 имели тягу до 60 N. Японская София работала в отличие от француженки на жидком топливе. В торце ее камеры сгорания стояло кольцо с распылительными форсунками, это была первая промышленная турбина, которая нашла место в моих моделях.

Турбины эти были очень надёжными и несложными в эксплуатации. Единственным недостатком были их разгонные характеристики. Дело в том, что радиальный компрессор и радиальная турбина относительно тяжелы, то есть имеют в сравнении с аксиальными крыльчатками большую массу и, следовательно, больший момент инерции. Поэтому разгонялись они с малого газа на полный медленно, примерно 3-4 секунды. Модель реагировала на газ соответственно ещё дольше, и это надо было учитывать при полётах.

Удовольствие было не дешевым, одна София стоила в 1995 году 6.600 немецких марок или 5.800 «вечно зелёных президентов». И надо было обладать очень хорошими аргументами, что бы доказать супруге, что турбина для модели намного важнее, чем новая кухня, и что старое семейное авто может протянуть ещё пару лет, а вот с турбиной ждать ну никак нельзя.

Дальнейшим развитием этих турбин является турбина Р-15, продаваемая фирмой Thunder Tiger.

Отличие её в том, что крыльчатка турбины у неё теперь вместо радиальной - аксиальная. Но тяга так и осталась в пределах 60 N, так как вся конструкция, ступень компрессора и камера сгорания, остались на уровне позавчерашнего дня. Хотя по своей цене она является настоящей альтернативой многим другим образцам.

В 1991 году два голландца, Бенни ван де Гур и Хан Еннискенс, основали фирму AMT и в 1994 г выпустили первую турбину 70N класса - Pegasus. Турбина имела радиальную ступень компрессора с крыльчаткой от турбонагнетателя фирмы Garret, 76 мм в диаметре, а также очень хорошо продуманную кольцевую камеру сгорания и аксиальную ступень турбины.

После двух лет тщательного изучения работ Курта Шреклинга и многочисленных экспериментов они добились оптимальной работы двигателя, установили пробным путём размеры и форму камеры сгорания, и оптимальную конструкцию колеса турбины. В конце 1994 года на одной из дружеских встреч, после полётов, вечером в палатке за бокалом пива, Бенни в разговоре хитро подмигнул и доверительно сообщил, что следующий серийный образец Pegasus Mk-3 «дует» уже 10 кг, имеет максимальные обороты 105.000 и степень сжатия 3,5 при расходе воздуха 0,28 кг/с и скорости выхода газа в 360 м/с. Масса двигателя со всеми агрегатами составляла 2300 г, турбина была 120 мм в диаметре и 270 мм длиной. Тогда эти показатели казались фантастическими.

По существу, все сегодняшние образцы копируют и повторяют в той или иной степени, заложенные в этой турбине агрегаты.

В 1995 году, вышла в свет книга Томаса Кампса «Modellstrahltriebwerk» (Модельный реактивный двигатель), с расчётами (больше заимствованными в сокращённой форме из книг К. Шреклинга) и подробными чертежами турбины для самостоятельного изготовления. С этого момента монополия фирм-производителей на технологию изготовления модельных ТРД закончилась окончательно. Хотя многие мелкие производители просто бездумно копируют агрегаты турбины Кампса.

Томас Кампс путём экспериментов и проб, начав с турбины Шреклинга, создал микротурбину, в которой объединил все достижения в этой области на тот период времени и вольно или невольно ввёл для этих двигателей стандарт. Его турбина, больше известная как KJ-66 (KampsJetеngine-66mm). 66 мм – диаметр крыльчатки компрессора. Сегодня можно увидеть различные названия турбин, в которых почти всегда указан либо размер крыльчатки компрессора 66, 76, 88, 90 и т.д., либо тяга - 70, 80, 90, 100, 120, 160 N.

Где-то я прочитал очень хорошее толкование величины одного Ньютона: 1 Ньютон – это плитка шоколада 100 грамм плюс упаковка к ней. На практике часто показатель в Ньютонах округляют до 100 грамм и условно определяют тягу двигателя в килограммах.

Конструкция модельного ТРД

1. Крыльчатка Компрессора (радиальная)
2. Спрямительная система Компрессора (статор)
3. Камера сгорания
4. Спрямительная система турбины
5. Колесо турбины (аксиальная)
6. Подшипники
7. Туннель вала
8. Сопло
9. Конус сопла
10. Передняя крышка Компрессора (диффузор)

С чего начать?

Естественно у моделиста сразу возникают вопросы: С чего начать? Где взять? Сколько стоит?

1. Начать можно с наборов (Kit-ов). Практически все производители на сегодняшний день предлагают полный ассортимент запасных частей и наборов для постройки турбин. Самыми распространёнными являются наборы повторяющие KJ-66. Цены наборов, в зависимости от комплектации и качества изготовления колеблются в пределах от 450 до 1800 Евро.
2. Можно купить готовую турбину, если по карману, и вы умудритесь убедить в важности такой покупки супругу, не доводя дело до развода. Цены на готовые двигатели начинаются от 1500 Евро для турбин без автостарта.
3. Можно сделать самому. Не скажу что это самый идеальный способ, он же не всегда самый быстрый и самый дешёвый, как на первый взгляд может показаться. Но для самодельщиков самый интересный, при условии, что есть мастерская, хорошая токарно-фрезерная база и прибор для контактной сварки также имеется в наличии. Самым трудным в кустарных условиях изготовления является центровка вала с колесом компрессора и турбиной.

Я начинал с самостоятельной постройки, но в начале 90-х просто не было такого выбора турбин и наборов для их постройки как сегодня, да и понять работу и тонкости такого агрегата удобней при его самостоятельном изготовлении.

Вот фотографии самостоятельно изготовленных частей для авиамодельной турбины:

Кто желает поближе ознакомится с устройством и теорией Микро-ТРД, тому я могу только посоветовать следующие книги, с чертежами и расчётами:

• Kurt Schreckling. Strahlturbine fur Flugmodelle im Selbstbau. ISDN 3-88180-120-0
• Kurt Schreckling. Modellturbinen im Eigenbau. ISDN 3-88180-131-6
• Kurt Schreckling. Turboprop-Triebwerk. ISDN 3-88180-127-8
• Thomas Kamps Modellstrahltriebwerk ISDN 3-88180-071-9

На сегодняшний день мне известны следующие фирмы, выпускающие авиамодельные турбины, но их становится всё больше и больше: AMT, Artes Jet, Behotec, Digitech Turbines, Funsonic, FrankTurbinen, Jakadofsky, JetCat, Jet-Central, A.Kittelberger, K.Koch, PST- Jets, RAM, Raketeturbine, Trefz , SimJet, Simon Packham, F.Walluschnig, Wren-Turbines. Все их адреса можно найти в Интернете.

Практика использования в авиамоделизме

Начнём с того, что турбина у вас уже есть, самая простая, как ей теперь управлять?

Есть несколько способов заставить работать ваш газотурбинный двигатель в модели, но лучше всего сначала построить небольшой испытательный стенд наподобие этого:

Ручной старт (Manual start ) - cамый простой способ управления турбиной.

1. Турбина сжатым воздухом, феном, электрическим стартером разгоняется до минимальных рабочих 3000 об/мин.
2. В камеру сгорания подаётся газ, а на свечу накаливания - напряжение, происходит воспламенение газа и турбина выходит на режим в пределах 5000-6000 об/мин. Раньше мы просто поджигали воздушно-газовую смесь у сопла и пламя «простреливало» в камеру сгорания.
3. На рабочих оборотах включается регулятор хода, управляющий оборотами топливного насоса, который в свою очередь подаёт в камеру сгорания горючее - керосин, дизельное топливо или отопительное масло.
4. При наступлении стабильной работы подача газа прекращается, и турбина работает только на жидком топливе!

Смазка подшипников ведётся обычно с помощью топлива, в которое добавлено турбинное масло, примерно 5%. Если смазочная система подшипников раздельная (с масляным насосом), то питание насоса лучше включать перед подачей газа. Отключать его лучше в последнюю очередь, но НЕ ЗАБЫВАТЬ выключить! Если вы считаете, что женщины это слабый пол, то посмотрите, во что они превращаются при виде струи масла, вытекающей на обивку заднего сиденья семейного автомобиля из сопла модели.

Недостаток этого самого простого способа управления - практически полное отсутствие информации о работе двигателя. Для измерения температуры и оборотов нужны отдельные приборы, как минимум электронный термометр и тахометр. Чисто визуально можно только приблизительно определить температуру, по цвету каления крыльчатки турбины. Центровку, как у всех крутящихся механизмов, проверяют по поверхности кожуха монетой или ногтем. Прикладывая ноготь к поверхности турбины, можно почувствовать даже мельчайшие вибрации.

В паспортных данных двигателей всегда даются их предельные обороты, например 120.000 об/мин. Это предельно допустимая величина при эксплуатации, пренебрегать которой не следует! После того как в 1996 году у меня разлетелся самодельный агрегат прямо на стенде и колесо турбины, разорвав обшивку двигателя, пробило насквозь 15-ти миллиметровую фанерную стенку контейнера, стоящего в трёх метрах от стенда, я сделал для себя вывод, что без приборов контроля разгонять самопальные турбины опасно для жизни! Расчёты по прочности показали потом, что частота вращения вала должна была лежать в пределах 150.000. Так что лучше было ограничить рабочие обороты на полном газу до 110.000 – 115.000 об/мин.

Ещё один важный момент. В схему управления топливом ОБЯЗАТЕЛЬНО должен быть включен аварийный закрывающий вентиль, управляемый через отдельный канал! Делается это для того, что бы в случае вынужденной посадки, морковно-внепланового приземления и прочих неприятностей прекратить подачу топлива в двигатель во избежание пожара.

Start c ontrol (Полуавтоматический старт).

Что бы неприятностей, описанных выше, не произошло на поле, где (ни дай бог!) ещё и зрители вокруг, применяют довольно хорошо зарекомендовавший себя Start control . Здесь управление стартом - открытие газа и подачу керосина, слежение за температурой двигателя и оборотами ведёт электронный блок ECU (E lectronic- U nit- C ontrol) . Ёмкость для газа, для удобства, уже можно расположить внутри модели.

К ECU для этого подключены температурный датчик и датчик оборотов, обычно оптический или магнитный. Кроме этого ECU может давать показания о расходе топлива, сохранять параметры последнего старта, показания напряжения питания топливного насоса, напряжение аккумуляторов и т.д. Всё это можно потом просмотреть на компьютере. Для программирования ECU и снятия накопленных данных служит Manual Тerminal (терминал управления).

На сегодняшний день самое большое распространение получили два конкурирующих продукта в этой области Jet-tronics и ProJet. Какому из них отдать предпочтение - решает каждый сам, так как тяжело спорить на тему что лучше: Мерседес или БМВ?

Работает все это следующим образом:

1. При раскручивании вала турбины (сжатый воздух/фен/электростартер) до рабочих оборотов ECU автоматически управляет подачей газа в камеру сгорания, зажиганием и подачей керосина.
2. При движении ручки газа на вашем пульте сначала происходит автоматический вывод турбины на рабочий режим с последующим слежением за самыми важными параметрами работы всей системы, начиная от напряжения аккумуляторов до температуры двигателя и величины оборотов.

Автоматический старт (Automatic start)

Для особо ленивых процедура запуска упрощена до предела. Запуск турбины происходит с пульта управления тоже через ECU одним переключателем. Здесь уже не нужен ни сжатый воздух, ни стартер, ни фен!

1. Вы щёлкаете тумблером на вашем пульте радиоуправления.
2. Электростартер раскручивает вал турбины до рабочих оборотов.
3. ECU контролирует старт, зажигание и вывод турбины на рабочий режим с последующим контролем всех показателей.
4. После выключения турбины ECU ещё несколько раз автоматически прокручивает вал турбины электростартером для снижения температуры двигателя!

Самым последним достижением в области автоматического запуска стал Керостарт. Старт на керосине, без предварительного прогрева на газе. Поставив свечу накаливания другого типа (более крупную и мощную) и минимально изменив подачу топлива в системе, удалось полностью отказаться от газа! Работает такая система по принципу автомобильного обогревателя, как на «Запорожцах». В Европе пока только одна фирма переделывает турбины с газового на керосиновый старт, не зависимо от фирмы производителя.

Как вы уже заметили, на моих рисунках в схему включены ещё два агрегата, это клапан управления тормозами и клапан управления уборкой шасси. Это не обязательные опции, но очень полезные. Дело в том, что у «обычных» моделей при посадке, пропеллер на маленьких оборотах является своего рода тормозом, а у реактивных моделей такого тормоза нет. К тому же, у турбины всегда есть остаточная тяга даже на «холостых» оборотах и скорость посадки у реактивных моделей может быть намного выше, чем у «пропеллерных». Поэтому сократить пробежку модели, особенно на коротких площадках, очень помогают тормоза основных колёс.

Топливная система

Второй странный атрибут на рисунках, это топливный бак. Напоминает бутылку кока-колы, не правда ли? Так оно и есть!

Это самый дешевый и надёжный бак, при условии, что используются многоразовые, толстые бутылки, а не мнущиеся одноразовые. Второй важный пункт, это фильтр на конце всасывающего патрубка. Обязательный элемент! Фильтр служит не для того, чтобы фильтровать топливо, а для того, чтобы избежать попадания воздуха в топливную систему! Не одна модель была уже потеряна из-за самопроизвольного выключения турбины в воздухе! Лучше всего зарекомендовали себя здесь фильтры от мотопил марки Stihl или им подобные из пористой бронзы. Но подойдут и обычные войлочные.

Раз уж заговорили о топливе, можно сразу добавить, что жажда у турбин большая, и потребление топлива находится в среднем на уровне 150-250 грамм в минуту. Самый большой расход конечно же приходится на старт, зато потом рычаг газа редко уходит за 1/3 своего положения вперёд. Из опыта можно сказать, что при умеренном стиле полёта трёх литров топлива вполне хватает на 15 мин. полётного времени, при этом в баках остаётся ещё запас для пары заходов на посадку.

Само топливо - обычно авиационный керосин, на западе известный под названием Jet A-1.

Можно, конечно, использовать дизельное топливо или ламповое масло, но некоторые турбины, такие как из семейства JetCat, переносят его плохо. Также ТРД не любят плохо очищенное топливо. Недостатком заменителей керосина является большое образование копоти. Двигатели приходится чаще разбирать для чистки и контроля. Есть случаи эксплуатации турбин на метаноле, но таких энтузиастов я знаю только двоих, они выпускают метанол сами, поэтому могут позволить себе такую роскошь. От применения бензина, в любой форме, следует категорически отказаться, какими бы привлекательными ни казались цена и доступность этого топлива! Это в прямом смысле игра с огнём!

Обслуживание и моторесурс

Вот и следующий вопрос назрел сам собой - обслуживание и ресурс.

Обслуживание в большей степени заключается в содержании двигателя в чистоте, визуальном контроле и проверке на вибрацию при старте. Большинство авиамоделистов оснащают турбины своего рода воздушным фильтром. Обыкновенное металическое сито перед всасывающим диффузором. На мой взгляд - неотъемлемая часть турбины.

Двигатели, содержащиеся в чистоте, с исправной системой смазки подшипников служат безотказно по 100 и более рабочих часов. Хотя многие производители советуют после 50 рабочих часов присылать турбины на контрольное техническое обслуживание, но это больше для очистки совести.

Первая реактивная модель

Ещё коротко о первой модели. Лучше всего, чтобы это был «тренер»! Сегодня на рынке множество турбинных тренеров, большинство из них это модели с дельтовидным крылом.

Почему именно дельта? Потому, что это очень устойчивые модели сами по себе, а если в крыле использован так называемый S-образный профиль, то и посадочная скорость и скорость сваливания минимальные. Тренер должен, так сказать, летать сам. А вы должны концентрировать внимание на новом для вас типе двигателя и особенностях управления.

Тренер должен иметь приличные габариты. Так как скорости на реактивных моделях в 180-200 км/ч - само собой разумеющиеся, то ваша модель будет очень быстро удаляться на приличные расстояния. Поэтому за моделью должен быть обеспечен хороший визуальный контроль. Лучше, если турбина на тренере крепится открыто и сидит не очень высоко по отношению к крылу.

Хорошим примером, какой тренер НЕ ДОЛЖЕН быть, является самый распространённый тренер – «Kangaroo». Когда Фирма FiberClassics (сегодня Composite-ARF) заказывала эту модель, то в основе концепта была заложена в первую очередь продажа турбин "София", и как важный аргумент для моделистов, что сняв крылья с модели, её можно использовать в качестве испытательного стенда. Так, в общем, оно и есть, но производителю хотелось показать турбину, как на витрине, поэтому и крепится турбина на своеобразном «подиуме». Но так как вектор тяги оказался приложен намного выше ЦТ модели, то и сопло турбины пришлось задирать кверху. Несущие качества фюзеляжа были этим почти полностью съедены, плюс малый размах крыльев, что дало большую нагрузку на крыло. От других предложенных тогда решений компоновки заказчик отказался. Только использование Профиля ЦАГИ-8, ужатого до 5% дало более-менее приемлемые результаты. Кто уже летал на Кенгуру, тот знает, что эта модель для очень опытных пилотов.

Учитывая недостатки Кенгуру, был создан спортивный тренер для более динамичных полётов «HotSpot». Эту модель отличает более продуманная аэродинамика, и летает «Огонёк» намного лучше.

Дальнейшим развитием этих моделей стал «BlackShark». Он рассчитывался на спокойные полёты, с большим радиусом разворотов. С возможностью широкого спектра пилотажа, и в то же время, с хорошими парительными качествами. При выходе из строя турбины, эту модель можно посадить как планер, без нервов.

Как видите, развитие тренеров пошло по пути увеличения размеров (в разумных пределах) и уменьшении нагрузки на крыло!

Так же отличным тренером может служить австрийский набор из бальзы и пенопласта, Super Reaper. Стоит он 398 Евро. В воздухе модель выглядит очень хорошо. Вот мой самый любимый видеоролик из серии Супер Рипер: http://www.paf-flugmodelle.de/spunki.wmv

Но чемпионом по низкой цене на сегодняшний день является «Spunkaroo». 249 Евро! Очень простая конструкция из бальзы, покрытой стеклотканью. Для управления моделью в воздухе достаточно всего двух сервомашинок!

Раз уж зашла речь о сервомашинках, надо сразу сказать, что стандартным трехкилограммовым сервам в таких моделях делать нечего! Нагрузки на рули у них огромные, поэтому ставить надо машинки с усилием не меньше 8 кг!

Подведём итог

Естественно у каждого свои приоритеты, для кого-то это цена, для кого-то готовый продукт и экономия времени.

Самым быстрым способом завладеть турбиной, это просто её купить! Цены на сегодняшний день для готовых турбин класса 8 кг тяги с электроникой начинаются от 1525 Евро. Если учесть, что такой двигатель можно сразу без проблем брать в эксплуатацию, то это совсем не плохой результат.

Наборы, Kit-ы. В зависимости от комплектации, обычно набор из спрямляющей системы компрессора, крыльчатки компрессора, не просверленного колеса турбины и спрямляющей ступени турбины, в среднем стоит 400-450 Евро. К этому надо добавить, что всё остальное надо либо покупать, либо изготовить самому. Плюс электроника. Конечная цена может быть даже выше, чем готовая турбина!

На что надо обратить внимание при покупке турбины или kit-ов – лучше, если это будет разновидность KJ-66. Такие турбины зарекомендовали себя как очень надёжные, да и возможности поднятия мощности у них ещё не исчерпаны. Так, часто заменив камеру сгорания на более современную, или поменяв подшипники и установив спрямляющие системы другого типа, можно добиться прироста мощности от нескольких сот грамм до 2 кг, да и разгонные характеристики часто намного улучшаются. К тому же, этот тип турбин очень прост в эксплуатации и ремонте.

Подведём итог, какого размера нужен карман для постройки современной реактивной модели по самым низким европейским ценам:

• Турбина в сборе с электроникой и мелочами - 1525 Евро
• Тренер с хорошими полётными качествами - 222 Евро
• 2 сервомашинки 8/12 кг - 80 Евро
• Приёмник 6 каналов - 80 Евро

Итого, Ваша мечта : около 1900 Евро или примерно 2500 зелёных президентов!

В последнее время в ряде научно-популярных изданий опубликована информация о бурно развивающихся на Западе турбореактивных микродвигателях для авиамоделей, а также о проводимых Международным комитетом по реактивным моделям (IJMC) чемпионатах мира. Так, Российская команда RUSJET на чемпионате мира, проводившемся с 3 по 15 июля 2007 года в Северной Ирландии, на стендовой оценке моделей-копий с турбореактивной силовой установкой набрала наибольшее количество очков, а по результатам полетов заняла второе место в мире! Наконец свершилось то, к чему стремились мы, мечтали и фантазировали в 60-х – 70-х годах прошлого столетия!

Мой авиамодельный стаж начинался где-то в 1959 году под всесотрясающий грохот реактивной авиации и немыслимых ранее ее рекордов. Загадочные сверхзвуковые рекордсмены Е-33, Е-66, Е-166 и т.д. будоражили мозг и душу, заставляя по вырезкам фото из газет и журналов воссоздавать чертежи, по которым в дальнейшем проектировались и строились летающие модели-копии дозвуковых и сверхзвуковых реактивных самолетов с пороховыми ракетными двигателями. Полеты таких моделей вызывали восхищение и восторг молодой части населения и многозначительное неодобрение более зрелых соседей и прохожих. И поделом: нередко реактивные полеты сопровождались возгораниями и даже взрывами.
Осваивать общепризнанные авиамодельные технологии в обеспеченных кружках под руководством взрослого наставника мне не довелось. Однако моя «самоподготовка» в коммунальной квартире обеспечивала самостоятельность и свободу воплощения потока замыслов в реальные конструкции, приучая с юных лет идти малоизведанными путями. Страстное увлечение тех лет авиацией порождало любознательность, трудолюбие, интуицию и смекалку, которые кроме изготовления авиамоделей по выполненным собственными руками чертежам и разработанным технологиям, заставляли усердно рыться на полках библиотек и находить такие дорогие юному сердцу книги по авиационной и ракетно-космической тематике. «С затаенным дыханием» читалось все начиная от журнала «Юный техник» и не всегда оканчиваясь изданиями Оборонгиза. Аэродинамика, конструкция летательных аппаратов, теория и конструкция воздушно-реактивных и ракетных двигателей, авиационное материаловедение и даже устройство авиационных приборов и основы электроники, не по возрасту увлекали, раскрывая юной душе не всегда понятный, но такой необычный и интересный мир техники, мир авиации.
Остатки переработанной и усвоенной школьником информации, уже в 7-м классе, на уроках физики, при изучении 3-го закона Ньютона, позволили преподавателю полностью доверить проведение урока по изучению реактивного движения, принципов и устройства воздушно-реактивных и ракетных двигателей юному авиамоделисту, т.е. мне.
Позднее, во время службы в Вооруженных Силах, основы знаний электроники, приобретенные в школьном возрасте, как и умения собирать свои радиоприемники, позволили с отличием окончить Военную Авиационную Школу механиков, стать первоклассным специалистом-оператором наведения, командиром отделения РЛС и впоследствии офицером.
В 1969 году мной была разработана программа «Рубикон», в соответствии с которой проектировались и строились летающие модели с реактивными силовыми установками и сами двигатели. Мотокомпрессорная СУ: в носовой части модели – импеллер, в хвостовой – камера сгорания с принудительным впрыском топлива; СУ с ракетно-прямоточным реактивным двигателем: взлет на пороховом ракетном двигателе (РДТТ), закрепленном по оси прямоточного воздушно-реактивного двигателя, который после разгона РДТТ должен был обеспечить тягу такому аппарату и т.д. Эти эксперименты не всегда оканчивались успешно, и юная конструкторская мысль продолжала искать более эффективные и надежные пути внедрения реактивной тяги в авиационный моделизм.
В реализации программы «Рубикон» принимал активное участие мой друг и единомышленник Александр Селин – «АС», который, обладая неуемной энергией и богатой фантазией, всегда понимал меня и воодушевлял на все новые «реактивные подвиги». Не без влияния АСа, был использован, как нам тогда казалось, новый высокоэффективный состав топлива, для очередной многократно летавшей реактивной модели. Однако скорость горения этого топлива была столь высока и неконтролируема, что первый же полет окончился взрывом, а лицо бледнолицого АСа породилось мгновенно с негроидной расой. Но и после таких неудач мы не унывали, а думали, анализировали и снова «летали». АС не только плодил идеи и создавал конструкции, но и великолепно пилотировал испытываемые нами аппараты. В 1970 году АС уехал к себе домой в Донецкую область, стал шахтером, и авиация перестала его волновать… Мои творческие порывы без друга поугасли.
Вскоре пришло время выполнять священный долг по защите Родины. По возвращении из Армии, в 1973 году, сфера моих интересов охватила экранопланы, которыми я «болел» до 1976 года, а также учебу в Таганрогском радиотехническом институте (ТРТИ), куда я был направлен после службы в ВС. Однако в 1976 году мой «реактивный синдром» снова начал прогрессировать с воплощением новых технических идей.
К тому времени, на уровне подсознания, в течение многих лет я анализировал творение американской авиамодельной фирмы, которая в 1966 году сообщила миру о создании и поступлении в продажу микротурбодвигателя «Турбокрафт-22».
Эта информация, приводившая к обострению моего «реактивного синдрома», диплом техника-механика по «Самолетостроению», последующая учеба в филиале Московского авиационного института (МАИ) им. С. Орджоникидзе и работа инженером производственно-диспетчерского отдела Таганрогского машиностроительного завода (ныне ОАО ТАНТК им. Г.М. Бериева) сделали свое дело: наконец-то мне удалось разработать и построить турбореактивный микродвигатель ТД-01 с центробежным компрессором, кольцевой камерой сгорания, центробежным впрыском топлива и осевой турбиной диаметром 68 мм, что было также предусмотрено программой «Рубикон». Микро-ТРД, после неоднократных попыток его изготовления еще в школьные годы, удалось построить в заводских условиях, полулегально, только в возрасте 24-х лет.
Необходимые для постройки двигателя жаростойкие, жаропрочные и т.д. материалы выбирались по справочникам и благо, их можно было найти в отходах производства, а дефицита по ним в то время завод не испытывал. Их умели тогда обрабатывать высококлассные специалисты, всегда готовые оказать содействие в моих творческих изысканиях, умевшие, при этом, «держать крепко язык за зубами».
Все слесарные и несложные токарные операции я выполнял своими руками. Фрезерные, сварочные, давильные операции заказывал, но в моем присутствии. Подгонку, сборку, балансировку и т.д. выполнял сам.
Между делом были разработаны и построены три варианта ПуВРД (пульсирующего воздушно-реактивного двигателя), о котором я много читал в детстве, и работу которого первый раз в жизни довелось увидеть при испытании своего ПуВРД. Раскаленная до белого цвета камера сгорания и до вишнево-красного резонансная труба, на фоне режуще-оглушительного звука ПуВРД, быстро охладили мой запал по созданию реактивной модели-копии с ПуВРД, заставив отдавать все большее предпочтение ТРД. Примерно в это же время мной был разработан проект турбореактивного микродвигателя ТД-02 с центробежным компрессором, центростремительной турбиной и насосной подачей топлива через коллектор с форсунками. Но этому микродвигателю уже не суждено было воплотиться в металле.
Приступив к испытаниям моего микро-ТРД в заводской лаборатории отработки реальных авиационных двигателей, ввиду огромной разницы в размерностях объектов испытаний мне приходилось то попадать под перекрестный огонь утверждений высококвалифицированных авторитетных критиков о бесполезности и невозможности создания такого двигателя, то окунаться в волны океана рекомендаций коренной переделки агрегатов ТРД, чтобы они были похожими на агрегаты известных в то время на заводе двигателей: АЛ-7ПБ, РД-45Ф, Вк-1А, Аи-20,ТС-20 и т.п.
Одному ведущему инженеру, сочувствующему моим творческим изысканиям, пришла в голову мысль производить раскрутку вала двигателя не подачей воздуха на крыльчатку компрессора, а тангенциальным подводом воздуха на осевую турбину. Такое решение было опасно тем, что оно могло вывести турбину из строя по причине недостаточной ее прочности. Так и получилось. Без моего согласия в корпус турбины был впаян штуцер, через который по касательной к турбине подавался воздух под давлением около 10 атмосфер, при раскрутке турбины беспощадно «уложивший» все ее лопатки на ступицу. И таких примеров – множество.
И все-таки двигатель заработал, хоть и нестабильно. Его обороты холостого хода составляли примерно 40 000 об/мин. Свист турбины по мере роста оборотов уходил за порог слышимости. Иногда происходил срыв пламени в камере сгорания (КС), и тогда из сопла вырывалась струя воздуха с мелкодисперснораспыленным керосином. Система подачи топлива через центробежные форсунки работала безотказно. Вопросы организации горения керосина в КС малого объема решались установкой завихрителей и стабилизаторов пламени, эффективность которых наблюдалась в довольно узком диапазоне скоростей потока топливо-воздушной смеси. Расширение диапазона скоростей стабильного горения, требовало более качественной предварительной подготовки топлива к сгоранию и увеличения объема КС. Такое увеличение объема КС тянуло, в свою очередь, за собой изготовление нового полого вала двигателя с центробежными форсунками, замену жарового кожуха камеры сгорания и корпуса двигателя. Детали, по тем временам, несложные, но у меня уже не было средств для продолжения работ и настроения для борьбы со скептиками. Стабильное горение в КС мог, вероятно, обеспечить автоматический регулятор подачи топлива по показаниям миниатюрных термодатчиков и датчиков давления воздуха на выходе из компрессора, но такого оснащения с подходящими параметрами на заводе в то время не оказалось. Разработка и изготовление же такого устройства требовали финансовых средств, дополнительных исследований и экспериментов. К сожалению, заинтересованности и поддержки со стороны руководства авиационного КБ в доводке, этой опережающей время, разработки найти тогда так и не удалось.
Когда информация о моем микро-ТРД дошла до Главного конструктора, он сказал: «Мы (Машиностроительный завод. – Ю.В.) – не двигателестроительная фирма, и заниматься такой ерундой нам не к лицу…»
Опыт работ по созданию микро-ТРД, как и опыт работ по реализации более поздних проектов миниатюрных малозатратных летательных аппаратов с электронным оснащением и возможностями БЛА, рожденный трудом и инициативой инженеров и изобретателей города Таганрога, также не востребован и не поддержан. Эти наработки излагаются теперь, только в некоторых патентах на изобретения с правами и обязанностями авторов-патентообладателей, для их возможности входа в инновационную среду и участия в конкурсах инновационных проектов.
Сегодня, такую «ерунду» как микро-ТРД, можно приобрести в специализированных магазинах модельной продукции некоторых западных стран по цене от 3000 до 6000 $, т.е. по цене новой импортной кухни или подержанной иномарки, с целью применения не только для реактивных летающих моделей, но и для беспилотных летательных аппаратов, малогабаритных автономных энергетических установок и даже для новых видов пилотируемых летательных аппаратов с распределенной реактивной тягой.
Следует напомнить, что общепризнанным на Западе создателем микро-ТРД является Курт Шреклинг из Германии, которому якобы в 80-х годах прошлого столетия первым удалось разработать и построить авиамодельный турбореактивный двигатель. Однако по информации журнала «Моделист-Конструктор» №3 1966 года первенство в разработке такого микродвигателя принадлежит американской авиамодельной фирме (двигатель «Турбокрафт-22», который не являлся прототипом при разработке моего ТД-01, а был «катализатором» и подтверждением принципиальной возможности и реальности создания микро-ТРД в 60-х – 70-х годах).
С 1976 г. по совместительству я руководил авиамодельными кружками и лабораториями, где еще долго невостребованным лежало мое «турбореактивное творение», ожидая поддержки и Российского внедрения…

Председатель Координационного
Совета Благотворительного общества научно-технического творчества и экологии «Ювенал» г. Таганрога, инженер, изобретатель

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.

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.

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.