Турбовентиляторный двигатель Rolls-Royce Pegasus: история разработки и применения

Введение

Британский турбовентиляторный авиационный двигатель 1950-х годов Rolls Royce Pegasus – британский турбовентиляторный двигатель, первоначально разработанный компанией Bristol Siddeley. Производство осуществлялось Rolls Royce plc. Этот двигатель способен не только приводить самолет в движение вперед, но и направлять тягу вниз с помощью поворачивающихся сопел. Легкие самолеты, оснащенные этим двигателем, могут маневрировать подобно вертолету, в частности, выполнять вертикальный взлет и посадку. В США двигатель известен как F402. Изначально разработанный Bristol Siddeley Pegasus, он является двигателем для всех модификаций многоцелевых военных самолетов семейства Harrier. Rolls Royce предоставила Pratt & Whitney лицензию на производство Pegasus для американских версий, однако Pratt & Whitney так и не завершили производство ни одного двигателя, и все новые двигатели изготавливались Rolls Royce в Бристоле, Англия. Pegasus также планировалось использовать в ряде авиационных проектов, в том числе в прототипах немецкого военно-транспортного самолета вертикального взлета и посадки Dornier Do 31 VSTOL.

Предыстория

Мишель Вибо, французский конструктор самолетов, предложил использовать векторную тягу для самолетов вертикального взлета и посадки. Эта тяга должна была создаваться четырьмя центробежными вентиляторами, приводимыми в движение турбовинтовым двигателем Bristol Orion, при этом выхлоп из каждого вентилятора направлялся бы путем поворота спирали вентилятора. Хотя идея векторной тяги была достаточно новаторской, предложенный двигатель считался чрезмерно тяжелым. В результате инженер компании Bristol Engine Company, Гордон Льюис, в 1956 году начал изучать альтернативные концепции двигателей, используя, по возможности, существующие компоненты двигателей серий Orpheus и Olympus. Работами руководил технический директор Стэнли Хукер. Одной из перспективных концепций был BE52, который первоначально использовал Orpheus 3 в качестве основной части двигателя и, на отдельном коаксиальном валу, первые две ступени компрессора низкого давления Olympus 21, выполнявшие функцию вентилятора, подающего сжатый воздух к двум соплам векторной тяги в передней части двигателя. На данном этапе проектирования выхлоп от турбины низкого давления выпускался через обычное заднее сопло. Вентилятор и основной компрессор имели отдельные воздухозаборники, поскольку вентилятор не наддувал основной компрессор. Хотя BE.52 представлял собой автономную силовую установку и был легче концепции Вибо, BE.52 все же оставался сложным и тяжелым. В результате, в феврале 1957 года началась работа над концепцией BE.53. В BE.53 ступени Olympus были установлены вплотную к ступеням Orpheus, что упрощало конструкцию воздуховодов. Ступени Olympus теперь наддували основную часть Orpheus, улучшая общее давление, создавая то, что сейчас считается обычной конфигурацией турбовентиляторного двигателя. В течение года Bristol проектировал двигатель изолированно, получая мало обратной связи от различных производителей планера, которым были предоставлены данные. Однако в мае 1957 года команда получила поддерживающее письмо от Сиднея Кэмма из Hawker Aviation, в котором говорилось, что они ищут замену для Hawker Hunter. Конструктор самолетов Ральф Хупер предложил использовать четыре сопла векторной тяги (первоначально предложенные Льюисом), с горячими газами из двух задних сопел. Последующие совместные обсуждения помогли уточнить конструкцию двигателя. Белая книга по обороне 1957 года, которая была сосредоточена на ракетах, а не на пилотируемых самолетах – которые были объявлены "устаревшими", – не была хорошей новостью, поскольку это исключало любую будущую государственную финансовую поддержку разработки не существующих пилотируемых боевых самолетов. Это помешало Министерству обороны оказать официальную финансовую поддержку двигателю или самолету. К счастью, разработка двигателя финансировалась на 75% за счет Программы совместной разработки вооружений, а Verdon Smith из Bristol Siddeley Engines Limited (BSEL), которой Bristol Engines стала после слияния с Armstrong Siddeley, быстро согласился оплатить остальную часть. ВВС не были особо расположены к идее вертикального взлета и посадки и описывали весь проект как игрушку и средство привлечения внимания публики. Первый прототип P1127 совершил жесткую посадку на Парижском авиасалоне в 1963 году. Серийное производство и дальнейшее совершенствование конструкции и разработки двигателя Pegasus для достижения все большей тяги продолжались компанией Bristol Engines и после 1966 года, когда компания была приобретена Rolls Royce Ltd. Связанная конструкция двигателя, Bristol Siddeley BS100 мощностью 39 500 фунтов силы (с форсажной камерой) для сверхзвукового истребителя вертикального взлета и посадки (Hawker Siddeley P.1154), не была доведена до серийного производства, поскольку проект самолета был отменен в 1965 году. Невекторная версия двигателя Pegasus мощностью 26 000 фунтов силы, работающая на жидком водороде (RB.420), была разработана и предложена в 1970 году в ответ на требования NASA к двигателю для космического шаттла при возвращении в атмосферу. В итоге NASA выбрал конструкцию шаттла с использованием немоторизоваемого планирующего возвращения.

Michel Wibault, the French aircraft designer, had the idea to use vectored thrust for vertical take off aircraft. This thrust would come from four centrifugal blowers shaft driven by a Bristol Orion turboprop, the exhaust from each blower being vectored by rotating the blower scrolls. Although the idea of vectoring the thrust was quite novel, the engine proposed was considered to be far too heavy. As a result, an engineer at Bristol Engine Company, Gordon Lewis, began in 1956 to study alternative engine concepts, using, where possible, existing engine components from the Orpheus and Olympus engine series. The work was overseen by the Technical Director Stanley Hooker. One concept which looked promising was the BE52, which initially used the Orpheus 3 as the engine core and, on a separate coaxial shaft, the first two stages of an Olympus 21 LP compressor, which acted as a fan, delivering compressed air to two thrust vectoring nozzles at the front of engine. At this point in the design exercise, the exhaust from the LP turbine discharged through a conventional rear nozzle. There were separate intakes for the fan and core compressor because the fan did not supercharge the core compressor. Although the BE.52 was a self contained power plant and lighter than Wibault's concept, the BE.52 was still complicated and heavy. As a result, work on the BE.53 concept started in February 1957. In the BE.53 the Olympus stages were fitted close to the Orpheus stages; thus simplifying the inlet ducting. The Olympus stages now supercharged the Orpheus core, improving the overall pressure ratio, creating what is now considered a conventional turbofan configuration. For a year Bristol designed the engine in isolation, with little feedback from the various airframe manufacturers furnished with data. However, in May 1957 the team received a supportive letter from Sydney Camm of Hawker Aviation stating they were looking for a Hawker Hunter replacement. The aircraft designer, Ralph Hooper, suggested having the four thrust vectoring nozzles (originally suggested by Lewis), with hot gases from the rear two. Further joint discussions helped to refine the engine design. The 1957 Defence White Paper, which focused on missiles, and not crewed aircraft – which were declared 'obsolete' was not good news, because it precluded any future government financial support for development of not already extant crewed combat aircraft. This prevented any official financial support for the engine or aircraft from the Ministry of Defence. Fortunately, engine development was financially supported to the tune of 75% from the Mutual Weapons Development Program, Verdon Smith of Bristol Siddeley Engines Limited (BSEL), which Bristol Engines had by then become on its merger with Armstrong Siddeley, quickly agreeing to pay the remainder. The RAF was not much of a convert to the VTOL idea, and described the whole project as a toy and a crowd pleaser. The first prototype P1127 made a very heavy landing at the Paris Air Show in 1963. Series manufacture and design and development improvement to the Pegasus to produce ever higher thrusts were continued by Bristol engines beyond 1966, when Rolls Royce Ltd bought the Company. A related engine design, the 39,500 lbf (with reheat) Bristol Siddeley BS100 for a supersonic VTOL fighter (the Hawker Siddeley P.1154) was not developed to production as the aircraft project was cancelled in 1965. A non vectored 26,000 lb thrust derivative of the Pegasus running on liquid hydrogen, the RB.420, was designed and offered in 1970 in response to a NASA requirement for an engine to power the projected Space Shuttle on its return flight through the atmosphere. In the event, NASA chose a shuttle design using a non powered gliding return.

Дизайн

Турбовентилятор Pegasus с управляемым вектором тяги имеет двухвальную конструкцию с тремя ступенями компрессора низкого давления (LP) и восемью ступенями компрессора высокого давления (HP), приводимыми в движение двумя ступенями турбины LP и двумя ступенями турбины HP соответственно. Это первый турбовентилятор, в котором вентилятор расположен перед передним подшипником вала низкого давления. Это позволило отказаться от необходимости в опорных распорках перед вентилятором и связанной с ними опасности обледенения. Необычно, что валы LP и HP вращаются в противоположных направлениях, что значительно снижает гироскопические эффекты, которые в противном случае могли бы вызвать проблемы с управлением самолетом на малых скоростях. Лопатки LP и HP изготовлены из титана. Вентилятор имеет трансзвуковую конструкцию, а расход воздуха составляет 432 фунт/с. Сопла поворачиваются с помощью цепей мотоциклетного типа, приводимых в действие воздушными двигателями, работающими на сжатом воздухе от компрессора HP. Диапазон поворота сопел составляет 98,5 градусов.

Впрыск воды

Максимальная взлетная тяга двигателя Pegasus ограничена, особенно при высоких температурах окружающей среды, температурой лопаток турбины. Поскольку эту температуру невозможно надежно измерить, рабочие пределы определяются по температуре в реактивной трубе. Для увеличения скорости вращения двигателя и, следовательно, тяги при взлете, в камеру сгорания и турбину впрыскивается вода для поддержания температуры лопаток на допустимом уровне. Вода для системы впрыска хранится в резервуаре, расположенном между разветвленной частью заднего (горячего) выхлопного тракта. В резервуаре содержится до 500 фунтов (227 кг, 50 имперских галлонов) дистиллированной воды. Расход воды для необходимого снижения температуры турбины составляет примерно 35 галлонов в минуту (имперских) в течение максимальной продолжительности около 90 секунд. Количество перевозимой воды достаточно и соответствует конкретной оперативной задаче самолета. Выбор режимов работы двигателя с водяным впрыском (Взлет с впрыском / Короткий взлет с впрыском) приводит к увеличению предельных значений скорости вращения двигателя и температуры в реактивной трубе по сравнению с соответствующими режимами без впрыска (Взлет без впрыска / Короткий взлет без впрыска). После исчерпания запаса воды в резервуаре предельные значения возвращаются к "сухим" значениям. Предупредительная лампа в кабине пилота заблаговременно предупреждает пилота об истощении запаса воды.

Варианты

Pegasus 1 (BE53 2) Два прототипа двигателей были демонстрационными образцами, разработанными на испытательном стенде. Ни один из двигателей не был установлен на P.1127. Pegasus 2 (BE53 3) Использовался в первых серийных P.1127,
Pegasus 3 Использовался на прототипах P.1127,
Pegasus 5 (BS.53 5) Применялся на самолете оценки Hawker Siddeley Kestrel в
Pegasus 6 (Mk.101) Для первых серийных Harrier в , совершил первый полет в 1966 году и поступил на вооружение в 1969 году.
Pegasus 10 (Mk.102) Для модернизации первых Harrier с увеличенной мощностью и использовался на AV 8A, поступив на вооружение в 1971 году.
Pegasus 11 (Mk.103) Двигатель Pegasus 11 оснащал Harrier первого поколения, британский Hawker Siddeley Harrier GR.3, американский USMC AV 8A и позднее морской Sea Harrier. Pegasus 11 развивал мощность и поступил на вооружение в 1974 году.
Pegasus 14 (Mk.104) Морская версия Pegasus 11 для Sea Harrier, идентичная 11, но с использованием коррозионностойких материалов для некоторых компонентов и отливок двигателя. Pegasus 11 21 (Mk.105 / Mk.106) 11 21 был разработан для Harrier второго поколения, USMC AV 8B Harrier II и BAE Harrier II. Оригинальная модель обеспечивала дополнительную тягу. Британские Harrier поступили на вооружение с 11 21 Mk.105, AV 8B – с F402 RR 406. В зависимости от временных ограничений и использования водяного впрыска, доступна тяга от (максимальная непрерывная при 91% оборотов) до (15 секунд с впрыском при 107% оборотов) на уровне моря (с учетом потерь на рассеивание при 90°). Разработка Mk.106 была выполнена для модернизации Sea Harrier FA2 и обеспечивает тягу .
Pegasus 11 61 (Mk.107) 11 61 (также известный как 408) – это последняя и самая мощная версия двигателя Pegasus, обеспечивающая. Это эквивалентно увеличению тяги до 15 процентов при высоких температурах окружающей среды, что позволяет модернизированным Harrier возвращаться на авианосец без сброса неиспользованного вооружения, а также снижает затраты на техническое обслуживание и общую стоимость эксплуатации двигателя. Этот последний двигатель Pegasus также устанавливается на AV 8B+. Королевские ВВС и флот находились в процессе модернизации парка GR7 до стандарта GR9, сначала в рамках Совместной программы модернизации и технического обслуживания (JUMP), а затем – по Контракту на обеспечение готовности платформы Harrier (HPAC). Ожидалось, что все самолеты GR7 будут модернизированы к апрелю 2010 года. Частью этого процесса была модернизация двигателей Mk.105 до стандарта Mk.107. Эти самолеты получили обозначения GR7A и GR9A.

Pegasus 1 (BE53 2) The two prototype engines were demonstrator engines which developed about on the test bed. Neither engine was installed in a P.1127. Pegasus 2 (BE53 3) Used in the initial P.1127s,
Pegasus 3 Used on the P.1127 prototypes,
Pegasus 5 (BS.53 5) Used for the Hawker Siddeley Kestrel evaluation aircraft at
Pegasus 6 (Mk.101) For initial production Harriers at , first flown in 1966 and entered service 1969
Pegasus 10 (Mk.102) For updating first Harriers with more power and used for the AV 8A, , entering service in 1971.
Pegasus 11 (Mk.103) The Pegasus 11 powered the first generation Harriers, the RAF's Hawker Siddeley Harrier GR.3, the USMC AV 8A and later the Royal Navy's Sea Harrier. The Pegasus 11 produced and entered service in 1974.
Pegasus 14 (Mk.104) Navalised version of the Pegasus 11 for the Sea Harrier, same as the 11 but some engine components and castings made from corrosion resistant materials. Pegasus 11 21 (Mk.105 / Mk.106) The 11 21 was developed for the second generation Harriers, the USMC AV 8B Harrier II and the BAE Harrier IIs. The original model provided an extra The RAF Harriers entered service with the 11 21 Mk.105, the AV 8Bs with F402 RR 406. Depending on time constraints and water injection, between (max. continuous at 91% RPM) and (15 s wet at 107% RPM) of lift is available at sea level (including splay loss at 90°). The Mk.106 development was produced for the Sea Harrier FA2 upgrade and generates Pegasus 11 61 (Mk.107) The 11 61 (aka 408) is the latest and most powerful version of the Pegasus, providing This equates to up to 15 percent more thrust at high ambient temperatures, allowing upgraded Harriers to return to an aircraft carrier without having to dump any unused weapons which along with the reduced maintenance reduces total cost of engine use. This latest Pegasus is also fitted to the AV 8B+. The RAF/RN was in the process of upgrading its GR7 fleet to GR9 standard, initially through the Joint Upgrade and Maintenance Programme (JUMP) and then through the Harrier Platform Availability Contract (HPAC). All GR7 aircraft were expected to have been upgraded by April 2010. Part of this process was the upgrade of the Mk.105 engines to Mk.107 standard. These aircraft were known as GR7As and GR9As.