Кіріспе

Pratt & Whitney J58 (компания белгілемесі JT11D 20) – Lockheed A-12 ұшағын, содан кейін YF-12 және SR-71 ұшақтарын қуаттандырған американдық реактивті қозғалтқыш. Бұл жоғары жылдамдықтарда итермелеуді арттыратын, арнайы компрессордан сорғыш арқылы күйдіргішке берілетін, күйдіруші турбореактивті қозғалтқыш. Ұшақтың жылдамдық диапазоны кең болғандықтан, қозғалтқышқа жерде тұрған күйден бастап биіктіктегі жылдамдыққа дейін өту үшін екі жұмыс режимі қажет болды. Ол ұшып көтерілу және 2 Мах жылдамдыққа дейін үдеу үшін дәстүрлі күйдіруші турбореактивті қозғалтқыш ретінде жұмыс істеді, ал 2 Мах жоғары жылдамдықтарда күйдіргішке тұрақты компрессордан сорғыш қолданды. Круиздік режимдегі қозғалтқыштың жұмыс принципі оны «турбореактивті-рамалық қозғалтқыш сияқты жұмыс істейді» деп сипаттауға әкелді. ЦРУ және АҚШ Әуе күштерінің көп жылдық миссиялық талаптарын қанағаттандырған қозғалтқыштың өнімділігі кейіннен НАСА-ның тәжірибелік жұмыстары үшін (ұшақтың үстіне сыртқы жүктерді тасымалдау) сәл жақсартылды, бұл үшін ұшақтың жоғары қарсылығын жеңу үшін көбірек итермелеу қажет болды. JT11 АҚШ Әскери-теңіз күштеріне J58 белгісімен ұсынылды, Martin P6M реактивті дирижаблін қуаттандыру үшін. P6M бастапқыда Allison J71A-4 қозғалтқыштарымен жабдықталған, бірақ J58 әзірлеу кешіккендіктен Pratt & Whitney J75 қозғалтқыштарына ауыстырылды. P6M жобасы тоқтатылғаннан кейін, ол Convair Kingfish және Lockheed A-12, YF-12A және SR-71 ұшақтары үшін таңдалды. Басқа дереккөздер оның шығу тегін АҚШ Әуе күштерінің WS-110A, болашақ XB-70 Valkyrie үшін күштік қондырғыға деген қажеттілігімен байланыстырады.

Мах 3.2 үшін қайта жобалау

J58 бастапқы машинасының жұмысын талдау көрсеткендей, 2.5 Мах жылдамдығында 3 мәселе туындады: "эскеп қысымы кіріс қысымына тең болды, компрессор терең соққыға ұшырады және жаққышқа салқындату үшін жеткілікті салқын ауа болмады, нәтижесінде ол еріді". Бірінші мәселе компрессордың шамадан тыс беру температурасынан туындады, бұл газ генераторынан итеру күшін алу үшін қозғалтқыштың жану камерасында жеткілікті энергия жинауға мүмкіндік бермеді. Мұзды құбырдың барлық итеру күші газ генераторынан емес, сондай-ақ тағысы газ генераторы сияқты, мұзды құбырдан келді. Итеру үшін отынды тек жаққышқа қосуға болды, ол қозғалтқыштың жалғыз күш көзіне айналды. Газ генераторы күш өндірмейтін жылдамдық 2.5 Махтан шамамен 3 Махқа дейін патенттелген конструкциялық өзгерістер арқылы көтерілді. Бұл жылдамдықтан асып кеткенде, газ генераторы 3.2 Мах жылдамдығында 0.9 қысым коэффициентімен кедергі тудыратын элементке айналды. Тіпті ең аз жаққыш та осы кедергіні теңестіре алмады. Lockheed кіріс конструкторы Дэвид Кэмпбелл бұл әсерді сапалық тұрғыдан былай сипаттады: "Ең аз жаққышпен қозғалтқыш жоғары Мах сандарымен қозғалтқыш тіректеріне сүйреледі". Екінші мәселе (компрессор терең соққыға ұшырауы) компрессордың "номиналды емес" деп белгілі компрессор картасының бір аймағында тым төмен түзетілген жылдамдықпен жұмыс істеуге тырысуынан туындады. Үшінші мәселе жаққыш құбырының тым ыстық турбина газымен салқындатылуынан туындады. Бұл өзгерістер қозғалтқыштың мүмкіндіктерін 3.2 Махқа дейін кеңейтуге мүмкіндік берді. Оларға компрессордың 4-ші сатысынан кейін компрессорға кіретін ауаның 20%-ын тікелей алты сыртқы түтік арқылы жаққышқа бағыттау кірді. Бұл компрессордың жеткілікті соққы маржасымен дұрыс жұмыс істеуіне және компрессорға ауа ағынының артуына мүмкіндік берді. Ағынның бір бөлігі 4-ші сатыстан кейін компрессордан жаққышқа бағытталған байпас ретінде шығып, ал қалғаны соңғы компрессор сатысынан бұрын тұншықтырылған аймақтан шықты.

Отын

Үш есе дыбыс жылдамдығымен ұшатын кез келген ұшақ, үйкеліс қызуынан және тоқырау кезіндегі қысымның өсуінен болатын қатал жылу ортасында болады. Отын – ұшақтың жалғыз жылуды сіңіретін құрылғысы болды және экипаждан бастап, сораптық сопло аймағының көрсеткішіне дейін барлық бөліктерді жеткілікті түрде салқындатқаннан кейін, ол отын форсундарына жіберілді. Осы жоғары температураға төзу үшін, төмен бу қысымына ие жаңа реактивтік отын әзірленуі керек болды. Оның төмен ұшпақтығына сәйкес, отынды тұтандыру үшін триэтилборанды (ТЭБ) қолданатын химиялық әдіс жасалды. ТЭБ ауамен жанасқанда -5°C жоғары температурада өздігінен тұтанады. Қозғалтқыш пен қосымша күйдіргіш ТЭБ арқылы тұтандырылды, ал қосымша күйдіргіште ыстық турбина газында жарқыраған каталитикалық тұтандырғыш та болды. Әрбір қозғалтқышта азотпен қысылған, кемінде 16 рет іске қосуға, қайта іске қосуға немесе қосымша күйдіргішті тұтандыруға жететін ТЭБ резервуары орналастырылған; бұл сан SR-71 ұшағының ұшу қабілетінің шектеуші факторының бірі болды, себебі әрбір ауада жанармай құюдан кейін қосымша күйдіргіштерді қайта тұтандыру қажет болатын. Ұшқыш газды тоқтатудан бос жүріске ауысқанда, отын қозғалтқышқа ағып, бірден шамамен ТЭБ мөлшері жану камерасына жіберілді, онда ол өздігінен тұтанып, жасыл жарқынмен жанатын болды. Алайда, кейбір жағдайларда, форсунка мұзығындағы кокс шөгінділері ТЭБ ағынын тоқтатып, қайта іске қосуға кедергі келтіретін. ТЭБ резервуарын толтыру қауіпті міндет болды; техникалық қызметкерлер күміс оттан қорғайтын костюм киеді. Керісінше, JP-7 отынын құю өте қауіпсіз болғандықтан, оны құю кезінде ұшақтың кейбір техникалық қызметтерін жүргізуге рұқсат етілді. Сенімділік үшін және механикалық күрделілікті азайту үшін химиялық тұтандыру дәстүрлі тұтандырғышқа қарағанда таңдалды. ТЭБ резервуары айналасынан ағып өтетін отынмен салқындатылады және қысым артық болған жағдайда жарылатын дискке ие, бұл ТЭБ пен азоттың қосымша күйдіргішке шығуына мүмкіндік береді. Бір жылу көзі екі сатылы төмендетуді қажет етті. Отынның жылуды сіңіретін жүйесіне кірмес бұрын, қозғалтқыш компрессорынан шығатын қоршаған ортаны бақылау жүйесінің (ECS) ауасы соншалықты ыстық болғандықтан, алдымен сыртқы ауа қолданылуы керек болды. Бактан қозғалтқыштарға ағып келетін отын, кондиционер жүйелерін, ұшақтың гидравликалық сұйықтығын, қозғалтқыш майын, қосымша жабдықтар жүйесінің майын, ТЭБ резервуарын және қосымша күйдіргіш соплосын басқару желілерін салқындату үшін пайдаланылды.

Материалдар

J58 ұшағын әзірлеу Pratt & Whitney Aircraft компаниясы бұрын-соңды кездеспеген температурада жұмыс істейтін, жоғары кернеуге және беріктікке ұшырайтын компоненттермен байланысты ең қиын металлургиялық даму мәселелерін қамтыды. Жаңа өндіріс әдістері және жаңа қорытпалар механикалық қасиеттерін жақсартты, ал компоненттерді қорғау үшін жаңа беттік қаптамалар жасау қажет болды. Конвенциялық құю (яғни, эквиақс) арқылы жасалған, ең мықты никель негізіндегі қорытпа – Mar M200-ден жасалған турбиналық қанаттардың мерзімінен бұрын жарылуы, сол материалдан бағытталған қатайту арқылы құйылған бөлшектерді әзірлеу арқылы болдырмалды. Бағытталған қатайту арқылы жасалған Mar M200 осы күнге дейін ең мықты құйма турбина материалы болып табылады және ол өндіріс қозғалтқыштарына енгізілді. Mar M200-ден құйылған, жоғары температураға төзімділікті одан әрі жақсартатын бір кристалл турбиналық қанаттар да J58 қозғалтқыштарында сынақтар жүргізу арқылы әзірленді. Waspaloy қозғалтқышта ең көп қолданылатын қорытпа болды, оның ішінде жоғары энергиялы айналмалы компрессорлық дискілерден бастап, парақтан жасалған компоненттерге дейін. Басқа қозғалтқыштарда турбиналық дискілерде қолданылса да, ол J58 турбиналық дискілері үшін қажетті қасиеттерге ие емес еді. Оның орнына, сол кездегі Батыс әлеміндегі ең мықты никель негізіндегі суперқорытпа – Astroloy қолданылды. Waspaloy бастапқыда диффузор корпусына қолданылды, ол компрессорды жану камерасымен байланыстырады және қозғалтқыштағы ең жоғары қысымды қамтиды. Диффузор корпусының дәнекерлеуінен жарылу пайда болғандықтан, осы бөлік үшін Inconel 718 енгізілді. Қосалқы жану камерасының қаптамасы керамикалық жылу кедергісімен жабылды, ол компрессордан келетін салқындатқыш ауамен бірге, жалын температурасымен үздіксіз пайдалануға мүмкіндік берді. Ұшу аппаратының аэродинамикалық қарсылығының артуын өтеу үшін қозғалтқыштың итеру күші 5%-ға артты. Итеру күшінің артуы газды басқару тұтқасын итеру немесе шығарынды газ температурасын жоғарылату арқылы жүзеге асты. Осы жұмыстағы итеру күшін арттыру туралы зерттеулерде, тотықтырғыш (азот оксиді) инъекциясы арқылы мүмкін болатын қосымша отынның 5%-дық қосымша итеру күші де қарастырылды. Азот оксидінің мөлшері соплоның жылулық тұншығуымен шектелген болар еді.

Мұра

, J58 - бұл жоғары Махтық жылдамдықта максималды сорғышпен үздіксіз жұмыс істеуге арналған жалғыз белгілі ұшақ қозғалтқышы. > J58 тәжірибесі Mach 2.7 және одан жоғары жылдамдықтағы ұшу уақытының көп болуына байланысты Mach 2.7 SST үшін JTF17 қозғалтқышын ұсынуда кеңінен пайдаланылды. Ол сондай-ақ Pratt & Whitney компаниясы әзірлеген коммерциялық және әскери қозғалтқыштарда да қолданылды. Келесі сорғыш қозғалтқыш, F-111 ұшағына орнатылған TF30, SR-71 ұшағында қолданылған сияқты еркін қозғалатын қанаттары бар, ұшақ корпусына орнатылған екінші сорғышты пайдаланды. J58 шығарындылары NASA-ның стратосфералық іздер экспериментінің аясында өлшенді, бұл эксперимент супердыбыстық көліктер үшін сорғыш реактивтік қозғалтқыштарды пайдаланудың қоршаған ортаға тигізетін әсерін зерттеді. Қозғалтқыш биіктік камерасында Mach 3.0 жылдамдығымен және 19.8 км биіктікте толық сорғыш күйінде сынақтан өтті.

Мах 3 ұшу үшін қазіргі заманғы компрессорлық шешімдер

Компрессордың аэродинамикалық өнімділігіне жоғары кіріс температурасының зиянды әсерін күресу үшін ұсынылған баламалы шешімдерді Pratt & Whitney компаниясының патент иесі Роберт Абернети қабылдамады. МиГ-25 ұшағының R 15 қозғалтқыштарында компрессорға дейінгі салқындатудың тағы бір мүмкін шешімі қолданылды. Компрессордың алдында орналасқан шашырату құрылғысынан су/метанол шашыратылып, максималды жылдамдық кезінде қысқа мерзімге кіріс температурасын төмендетуге қол жеткізілді. Компрессорға дейінгі салқындату, сондай-ақ 3 Мах жылдамдығымен барлау жұмыстарын жүзеге асыратын Phantom және 3+ Мах жылдамдығына ие F 106 RASCAL жобалары үшін де ұсынылды.

Қозғалтқыш жүйенің құрылысы

Қозғалту жүйесі сору құрылымы, қозғалтқыш, қанаттық бөлім немесе қосымша ауа ағыны және шығару соплосынан (қозғалту соплосынан) тұрды.

Нацельдің ауа ағыны және экзектордың тұмсығы

Экзектор немесе қосалқы сопло, кіретін соплоның атқаратын қызметіне керісінше, турбинадан шыққан газдарды шамамен 1,0 Мах жылдамдықтан, негізгі соплодан шыққан кезде 3 Махқа дейін үдетті. Газдардың 3 Мах жылдамдығы, газдың температурасының ұшу жылдамдығынан әлдеқайда жоғары болғандықтан, 3 Мах ұшу жылдамдығынан жоғары. Ауа сору құрылысынан келген ауа ағыны экзектор соплосындағы ыстық қозғалтқыш газының кеңеюін бақылады. Бұл ауа қозғалтқыштың сыртынан ағып, оның қызған сыртқы бөліктерін салқындатып, сондай-ақ, қозғалтқыш корпусында отын немесе май ағуы жағдайында жанғыш қоспаларды сыйыртуға да себіліс етті.