Битва за скорость. Великая война авиамоторов

Августинович Валерий

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

Тут

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

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

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

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

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

HeS 8 предназначался для двухмоторного истребителя Не-280, первый полет которого состоялся в апреле 1941 г. в присутствии официальных лиц — Удета и Шельпа. Это был аэродинамически очень красивый самолет: двигатели на этом истребителе устанавливались под крыльями в обтекаемых гондолах, а хвостовое оперение имело два киля. Однако только к началу 1943 г. было изготовлено достаточное количество двигателей. К тому времени вперед уже вырвался Ме-262 с двигателем «Юнкерса» 109–004. И фон Охайн и перешедший к Хейнкелю из «Юнкерса» Мюллер трудились в Ростоке. Последний с 1938 г. работал над проектом 109–006 (или по принятой на «Хейнкеле» системе обозначений — HeS 30), который был задуман еще на «Юнкерсе» и составлял альтернативу двигателю HeS 8. Этот турбореактивный двигатель

Мюллера с инновационным осевым компрессором (ступени со степенью реакции 0,5 вместо 1 в компpeccopax Энке, что существенно повышало кпд компрессора — проект Рудольфа Фридриха с «Юнкерса») был самым совершенным турбореактивным двигателем до конца 1940-х гг., включая и минимальное лобовое сопротивление, что особенно важно для внешнего по отношению к фюзеляжу расположению двигателей. Однако недостаток производственных мощностей на фирме Хейнкеля, субъективизм Шельпа и в довершение конфликт Мюллера с Хейнкелем привели к тому, что этот замечательный двигатель опоздал. В этом классе тяг (до 1000 кг) к этому времени (начало 1943 г.) уже существовал серийный, ставший знаменитым двигатель 109–004. Его конкурент 109–006 в серию так и не пошел, хотя его испытания шли до конца войны.

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

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

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

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

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

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