Реактивтік ұшақтар тарихы және түрлері

Кіріспе

Реактивті қозғалтқыштармен жұмыс істейтін ұшақ класы

Реактивті ұшақ (немесе қарапайым реактивті ұшақ) – бір немесе бірнеше реактивті қозғалтқыштармен қоздырылатын ұшақ (көбінесе тұрақты қанатты ұшақ). Бұрандалы ұшақтардың қозғалтқыштары көбінесе төмен жылдамдықтарда және биіктікте максималды тиімділікке жетеді, ал реактивті қозғалтқыштар дыбыс жылдамдығына жақын немесе одан да жоғары жылдамдықтарда максималды тиімділікке қол жеткізеді. Реактивті ұшақтар әдетте 0,8 Мах жылдамдығымен және одан жоғары биіктікте ең тиімді түрде ұшады. Реактивті қозғалтқыш идеясы жаңа емес еді, бірақ техникалық қиындықтарды шешу 1930 жылдарға дейін мүмкін болмады. Ағылшын өнертапқышы және RAF офицері Фрэнк Уитл 1928 жылы қолдануға жарамды реактивті қозғалтқышты әзірлеуді бастады, ал Германиядағы Ханс фон Охайн 1930 жылдардың басында тәуелсіз түрде жұмыс істей бастады. 1939 жылдың тамызында әлемдегі алғашқы реактивті ұшақ – турбореактивті Heinkel He 178 алғашқы рейсін жасады. Әскери және азаматтық мақсаттарға арналған реактивті ұшақтардың көптеген түрлері бар.

Тарих

Қозғалтқышты ұшқан алғашқы ұшақтан кейін реактивті қозғалтқыштардың көптеген жобалары ұсынылды. Рене Лорин, Моризе, Харрис реактивті ағын жасау жүйелерін ұсынды. Басқа реактивті қозғалтқыштар сынақтан өткеннен кейін румын өнертапқышы Анри Коанда 1910 жылы реактивті қуатпен ұшатын ұшақ құрғанын мәлімдеді, ол Coandă 1910 деп аталды. Алайда, бұл мәлімдемені қолдау үшін ол бастапқыда қолданған суреттерге маңызды өзгерістер енгізуге мәжбүр болды, олар кейіннен жоққа шығарылды. Шын мәнінде, желкенді қозғалтқыш кері соғып, ұшақты бірде-бір ұшуды жасамас бұрын өртке ұшыратты және реактивті қозғалтқышқа қажетті дерлік барлық мүмкіндіктерден құралмады – отын инъекциясының болмауы және ыстық реактивті ағынның өте тұтанғыш мата бетіне бағытталуына қатысты алаңдаушылық. "Энте" бұрын планер ретінде ұшқан. Келесі жылы, 1929 жылы, Opel RAK.1 алғашқы мақсатты зымыранмен ұшатын ұшақ болды. Турбореактивті қозғалтқышты 1930 жылдары Франк Уиттл және кейіннен Ханс фон Охайн тәуелсіз түрде ойлап тапты. 1939 жылдың 27 тамызында Росток қаласында (Германия) фон Охайнның жобасымен жасалған Heinkel He 178 турбореактивті ұшақ алғаш рет ұшты. Бұл көбінесе тұжырымдаманың дәлелі болды, өйткені қозғалтқыш ішіндегі жоғары температурадан туындаған металлдың шаршауы ("жақырау") мәселесі шешілмеген еді және қозғалтқыш тез күйді. Вон Охайнның аксиалды ағынды қозғалтқышы, Виттлдің центробегіштік ағынды қозғалтқышына қарамастан, 1950 жылдары көптеген өндірушілер қабылдады. Реактивті қуатпен ұшқан ұшақтың алғашқы ұшуына көпшілік назар аударған итальяндық Caproni Campini N.1 прототипі 1940 жылдың 27 тамызында болды. Бұл Халықаралық Ауа спорты федерациясы (FAI) мойындаған алғашқы реактивті ұшақ болды (сол кезде неміс He 178 бағдарламасы әлі де құпия сақталған). Кампини реактивті қозғалтқышты 1932 жылы әзірлеуді бастады; ол турбинаны поршеньді қозғалтқышпен қозғалту арқылы, турбина газдарын жаққаннан гөрі нақты турбореактивті қозғалтқыштан ерекшеленді – бұл әлдеқайда күрделі шешім болды. Британдық тәжірибелік Gloster E.28/39 ұшағы алғаш рет 1941 жылдың 15 мамырында сер Фрэнк Уиттлдің турбореактивті қозғалтқышымен ұшты. АҚШ-тың Bell XP 59A ұшағы 1942 жылдың 1 қазанында General Electric компаниясы құрастырған Whittle қозғалтқышының екі нұсқасын пайдаланып ұшты. "Метеор" – алғашқы өндірістік реактивті ұшақ, өндіріс үлгілеріне алғашқы тапсырыстар 1941 жылдың 8 тамызында жасалды, прототипі 1943 жылдың 5 наурызында алғаш рет ұшты және алғашқы өндірістік ұшақ 1944 жылдың 12 қаңтарында ұшты, ал Me 262 ұшағына алғашқы тапсырыстар 1943 жылдың 25 мамырына дейін берілмеді, ал алғашқы өндірістік Me 262 1944 жылдың 28 наурызына дейін ұшпады, Me 262 бағдарламасы "Метеордан" ертерек басталғанмен, Waldemar Voigt жобалық тобы 1939 жылдың сәуір айында жасаған бастапқы жоспарлар бойынша Projekt 1065 ретінде. Messerschmitt Me 262 Германияда екінші дүниежүзілік соғыс кезінде жасалған және 1944 жылдың 19 сәуірінде Аугсбургтен оңтүстікке қарай Лехфельдте Erprobungskommando 262 командасымен қызметке кірген алғашқы жедел реактивті истребитель болды. Me 262 реактивті истребительдің алғашқы ұрыс жеңісін 1944 жылдың 26 шілдесінде бағындырды, британдық Gloster Meteor ұшағының іске қосылуынан бір күн бұрын. Me 262 алғаш рет 1941 жылдың 18 сәуірінде ұшқан, бірақ жаппай өндіріс 1944 жылдың басында ғана басталды, алғашқы эскадрильялар сол жылы іске қосылды, Екінші дүниежүзілік соғыстың нәтижесіне әсер ету үшін тым кеш болды. Екінші дүниежүзілік соғыста бар болғаны 15 "Метеор" қолданылған, ал 1400 Me 262 шығарылған, 300-і жауынгерлік мақсатқа жеткен. Соғыста тек ракеталық қозғалтқыш Messerschmitt Me 163 Komet жылдам ұшақ болды. Бұл уақытта, 1944 жылдың ортасында, Ұлыбританияның "Метеор" ұшағы Ұлыбританияны V 1 ұшқыш бомбасына қарсы қорғауға пайдаланылды – V 1 өзі пульсжеттік ұшақ және зымыранды зымыранның тікелей ата-бабасы болды, содан кейін соғыстың соңғы айларында Еуропадағы жердегі шабуыл операциялары. 1944 жылы Германия Arado Ar 234 реактивті барлау және бомбалаушы ұшағын пайдалануға берді, бірақ негізінен бұрынғы рөлде пайдаланылды, 1944 жылдың соңында Heinkel He 162 Spatz бір реактивті жеңіл истребитель пайда болды. КСРО 1942 жылы өзінің Bereznyak Isayev BI 1 сынағын өткізді, бірақ 1945 жылы Иосиф Сталин жобаны тоқтатты. Жапон Императорлық Әскери-теңіз флоты 1945 жылы реактивті ұшақтарды да жасады, соның ішінде Накадзима J9Y Kikka, Me 262-нің модификацияланған және сәл кішірек нұсқасы, қанаттары бүгілген. 1945 жылдың аяғында АҚШ өзінің алғашқы реактивті истребителі Lockheed P 80 Shooting Star ұшағын пайдалануға берді, ал Ұлыбритания екінші ұшағын de Havilland Vampire ұшағын пайдалануға берді. АҚШ 1948 жылы өзінің алғашқы реактивті бомбалаушы ұшағы - Солтүстік Американың B 45 Tornado ұшағын пайдалануға берді. Ол ядролық қару алып жүруге қабілетті, бірақ Кореяны барлау үшін пайдаланылды. 1950 жылдың 8 қарашасында Корея соғысы кезінде АҚШ әуе күштері лейтенанты Рассел Дж. Браун F-80 ұшағында Ялу өзенінің жанында екі Солтүстік Кореялық МиГ 15 ұшағын ұшырып түсірді, тарихтағы алғашқы реактивті ұшақтардың жекпе-жек шайқасы. Ұлыбритания 1951 жылы English Electric Canberra ұшағын жеңіл бомбалаушы ретінде пайдалануға берді. Ол кез келген перехватчикке қарағанда биік және жылдам ұшуға арналған. BOAC 1952 жылы Лондоннан Йоханнесбургке de Havilland Comet реактивті лайнерімен алғашқы коммерциялық реактивті рейсті жүзеге асырды. Бұл өте инновациялық ұшақ бұрынғы ұшақтардан әлдеқайда жылдам және биік ұшты, әлдеқайда тыныш, тегіс болды және жасырылған реактивті қозғалтқыштары бар стильді біріктірілген қанаттарына ие болды. Алайда, конструкциялық ақаулықтар мен алюминий қорытпаларын пайдалану салдарынан ұшақ металлдың қатысуынан зардап шекті, бұл бірнеше апаттарға әкелді, бұл Boeing 707 ұшағының 1958 жылы пайдалануына мүмкіндік берді, содан кейін азаматтық авиалайнерлер нарығын басып алды. Қозғалтқыштың жанармай ағуы жағдайында төмен орналасқан қозғалтқыштардың артықшылығы бар екені анықталды, сондықтан 707 Comet-тен өте ерекшеленді: 707 қазіргі заманғы ұшақтардың пішінімен бірдей, мысалы, 737 (фюзеляж) және A340 (бір палуба, қанаттың төменгі бөлігінде төрт қозғалтқыш) сияқты. 1950 және 1960 жылдары әлдеқайда үнемді жанармайды қолданатын турбовентиляторлық ұшақтар пайдалануға түсті және ең көп қолданылатын реактивті ұшақтарға айналды. Tu 144 үстін қозғалтушы көліктің Mach 2.35 жылдамдығымен ең жылдам коммерциялық реактивті ұшағы болды. Ол 1975 жылы пайдалануға түсті, бірақ қысқа уақыттан кейін коммерциялық пайдаланудан алынды. Mach 2 Concorde 1976 жылы пайдалануға түсті және 27 жыл ұшты. Ең жылдам әскери реактивті ұшағы SR 71 Blackbird Mach 3.35 жылдамдығымен болды.

After the first instance of powered flight, a large number of jet engine designs were suggested. René Lorin, Morize, Harris proposed systems for creating a jet efflux. After other jet engines had been run, Romanian inventor Henri Coandă claimed to have built a jet powered aircraft in 1910, the Coandă 1910. However, to support this claim, he had to make substantial alterations to the drawings which he used to support his subsequently debunked claims. In fact the ducted fan engine backfired, setting the aircraft on fire before any flights were ever made, and it lacked nearly all of the features necessary for a jet engine including a lack of fuel injection, and any concern about hot jet efflux being directed at a highly flammable fabric surface. The Ente had previously been flown as a glider. The next year, in 1929, the Opel RAK.1 became the first purpose built rocket aircraft to fly. The turbojet was invented in the 1930s, independently by Frank Whittle and later Hans von Ohain. The first turbojet aircraft to fly was the Heinkel He 178, on August 27, 1939 in Rostock (Germany), powered by von Ohain's design. This was largely a proof of concept, as the problem of "creep" (metal fatigue caused by the high temperatures within the engine) had not been solved, and the engine quickly burned out. Von Ohain's design, an axial flow engine, as opposed to Whittle's centrifugal flow engine, was eventually adopted by most manufacturers by the 1950s. The first flight of a jet propelled aircraft to come to public attention was the Italian Caproni Campini N.1 motorjet prototype which flew on August 27, 1940. It was the first jet aircraft recognised by the Fédération Aéronautique Internationale (at the time the German He 178 program was still kept secret). Campini began development of the motorjet in 1932; it differed from a true turbojet in that the turbine was driven by a piston engine, rather than combustion of the turbine gases which was a much more complex solution. The British experimental Gloster E.28/39 first flew on May 15, 1941, powered by Sir Frank Whittle's turbojet. The United States Bell XP 59A flew on October 1, 1942, using two examples of a version of the Whittle engine built by General Electric. The Meteor was the first production jet, with the first orders for production examples being made on 8 August 1941, the prototype first flying on 5 March 1943 and the first production aircraft flying on 12 January 1944, while the first orders for production Me 262 aircraft were not issued until 25 May 1943, and the first production Me 262 did not fly until 28 March 1944 despite the Me 262 program having started earlier than that of the Meteor, as Projekt 1065, with initial plans drawn up by Waldemar Voigt's design team in April 1939. The Messerschmitt Me 262 was the first operational jet fighter, manufactured by Germany during World War II and entering service on 19 April 1944 with Erprobungskommando 262 at Lechfeld just south of Augsburg. An Me 262 scored the first combat victory for a jet fighter on 26 July 1944, the day before the British Gloster Meteor entered operational service. The Me 262 had first flown on April 18, 1941, but mass production did not start until early 1944, with the first squadrons operational that year, too late for any effect on the outcome of the World War II. While only around 15 Meteors were operational during WW2, up to 1,400 Me 262 were produced, with 300 entering combat. Only the rocket propelled Messerschmitt Me 163 Komet was a faster operational aircraft during the war. Around this time, mid 1944, the United Kingdom's Meteor was being used for defence of the UK against the V 1 flying bomb – the V 1 itself a pulsejet powered aircraft and direct ancestor of the cruise missile – and then ground attack operations over Europe in the last months of the war. In 1944 Germany introduced the Arado Ar 234 jet reconnaissance and bomber aircraft into service, though chiefly used in the former role, with the Heinkel He 162 Spatz single jet light fighter appearing at the end of 1944. USSR tested its own Bereznyak Isayev BI 1 in 1942, but the project was scrapped by leader Joseph Stalin in 1945. The Imperial Japanese Navy also developed jet aircraft in 1945, including the Nakajima J9Y Kikka, a modified, and slightly smaller version of the Me 262 that had folding wings. By the end of 1945, the US had introduced their first jet fighter, the Lockheed P 80 Shooting Star into service and the UK its second fighter design, the de Havilland Vampire. The US introduced the North American B 45 Tornado, their first jet bomber, into service in 1948. It was capable of carrying nuclear weapons, but was used for reconnaissance over Korea. On November 8, 1950, during the Korean War, United States Air Force Lt. Russell J. Brown, flying in an F 80, intercepted two North Korean MiG 15s near the Yalu River and shot them down in the first jet to jet dogfight in history. The UK put the English Electric Canberra into service in 1951 as a light bomber. It was designed to fly higher and faster than any interceptor. BOAC operated the first commercial jet service, from London to Johannesburg, in 1952 with the de Havilland Comet jetliner. This highly innovative aircraft travelled far faster and higher than propeller aircraft, was much quieter, smoother, and had stylish blended wings containing hidden jet engines. However, due to a design defect, and use of aluminium alloys, the aircraft suffered catastrophic metal fatigue which led to several crashes, which gave time for the Boeing 707 to enter service in 1958 and thus to dominate the market for civilian airliners. The underslung engines were found to be advantageous in the event of a propellant leak, and so the 707 looked rather different from the Comet: the 707 has a shape that is effectively the same as that of contemporary aircraft, with marked commonality still evident today for example with the 737 (fuselage) and A340 (single deck, swept wing, four below wing engines). Turbofan aircraft with far greater fuel efficiency began entering service in the 1950s and 1960s, and became the most commonly used type of jet. The Tu 144 supersonic transport was the fastest commercial jet aircraft at Mach 2.35 It went into service in 1975, but was withdrawn from commercial service shortly afterwards. The Mach 2 Concorde entered service in 1976 and flew for 27 years. The fastest military jet aircraft was the SR 71 Blackbird at Mach 3.35 .

Басқа реактивті ұшақтар

Көптеген адамдар "жеттік ұшақ" терминін газ турбиналық ауамен дем алатын реактивті қозғалтқыштарды білдіру үшін қолданады, бірақ зымырандар мен скрамджеттер де реактивті итерумен қозғалады. Круиздік зымырандар – бір реттік пайдаланылатын, пилотсыз жеттік ұшақтар, олар негізінен рамджеттермен, турбоджеттермен немесе кейде турбовентиляторлармен қуаттанады, бірақ бастапқы итеру үшін оларда көбінесе зымырандық қозғалтқыш жүйесі болады. Ең жылдам ауамен дем алатын реактивті ұшақ – пилотсыз X-43 скрамджеті, оның жылдамдығы шамамен 9-10 Мах. Ең жылдам ұшақ – X-15 (6,85 Мах жылдамдықпен). X-43 немесе X-15-тен әлдеқайда жылдам болған "Space Shuttle" көтерілу кезінде ұшақ ретінде қарастырылмады, өйткені ол ауа емес, зымыранның итеру күшімен баллистикалық түрде тасымалданды. Атмосфераға қайта кіргенде ол (глайдер сияқты) қозғалтқышсыз ұшақ ретінде жіктелді. Алғашқы ұшу 1981 жылы өтті. Bell 533 (1964), Lockheed XH-51 (1965) және Sikorsky S-69 (1977-1981) – реактивті тоңазытқыштардың алға бағытталған итеруіне қосылған құрама тікұшақтардың мысалдары. Hiller YH-32 Hornet және Fairey Ultra light Helicopter – роторлары ұшқыштармен қозғалатын көптеген тікұшақтардың қатарында болды. Ұшақ реактивті қозғалтқыштарымен жабдықталған қанатты костюмдер де бар – олар модельдік ұшақтардың реактивті қозғалтқыштарымен қуаттанады, бірақ ұшу уақыты қысқа және оларды биіктіктен ұшыру қажет.

Аэродинамика

Олардың жұмыс істеу принципіне байланысты, реактивтік қозғалтқыштардың әдеттегі шығарылу жылдамдығы дыбыстың жылдамдығынан асып түсетін (трансоникалық) немесе одан да жоғары болады, сондықтан көптеген реактивтік ұшақтар тиімді ұшу үшін жоғары жылдамдықпен – дыбыстың жылдамдығынан асып түсетін (суперқауырттық) немесе оған жақын (трансоникалық) жылдамдықпен ұшуы керек. Сондықтан аэродинамика маңызды фактор болып табылады. Реактивтік ұшақтар көбінесе Уиткомбтың аудандық қағидасын қолдана отырып жобаланады, ол ұшақтың мұртынан бастап кез келген нүктедегі көлденең қимасының жалпы ауданы Sears Haack корпусының ауданымен шамалас болуы тиіс дейді. Мұндай пішін энергияны ысыраптайтын соққы толқындарын азайтуға көмектеседі.

Ұшу ерекшеліктері

Ұшақтар реактивтік қозғалтқыштармен винтті ұшақтардан едәуір өзгеше ұшады. Бір айырмашылығы – реактивтік қозғалтқыштар салыстырмалы түрде баяу жауап береді. Бұл ұшып-қону маневрлерін қиындатады. Атап айтқанда, ұшып көтерілгенде винтті ұшақтардың қозғалтқыштары қанаттарына ауа жіберіп, көтергіштік күшін арттырады және ұшып көтерілу жолын қысқартады. Осы айырмашылықтар BOAC Comet ұшағының алғашқы ұшқыштарын жаңылдырды. Циклдық тиімділік және итеру тиімділігі. Циклдық тиімділік – қозғалтқыш энергия көзінен механикалық энергияға айналдыратын энергияның проценттік көрсеткіші. Реактивтік ұшақтар үшін итеру тиімділігі (негізінен энергия тиімділігі) қозғалтқыш шығаратын газ ағынының жылдамдығы ұшақтың жылдамдығымен бірдей немесе шамамен бірдей болғанда ең жоғары болады. Әдебиетте келтірілген ауамен жұмыс істейтін қозғалтқыштардың нақты формуласы:

мұнда c – газдың шығу жылдамдығы, ал v – ұшақтың жылдамдығы.

Ауқым

Стратосферада ұшатын ұзын қашықтыққа арналған реактивтік ұшақ үшін дыбыс жылдамдығы тұрақты, сондықтан шабуыл бұрышының және Мах сандарының тұрақты болуы ұшақтың жергілікті дыбыс жылдамдығын өзгертпей көтерілуіне себеп болады. Бұл жағдайда:

мұндағы – круиздік Мах саны, ал – жергілікті дыбыс жылдамдығы. Қашықтық теңдеуін былай көрсетуге болады:

Бұл теңдеу француз авиацияның пионері Луи Шарль Бреге атымен аталған Бреге қашықтық теңдеуі деп белгілі.