Введение

Высокоскоростной реактивный двигатель Pratt & Whitney J58 (фирменное обозначение JT11D 20) — американский реактивный двигатель, который приводил в движение самолеты Lockheed A-12, а затем YF-12 и SR-71. Это был турбореактивный двигатель с форсажной камерой и уникальной системой отбора воздуха из компрессора в форсажную камеру, обеспечивающей повышенную тягу на высоких скоростях. Из-за широкого диапазона скоростей самолета двигателю требовалось два режима работы: от стационарного состояния на земле до полета на высоте. Для взлета и разгона до скорости Мах 2 использовался обычный турбореактивный двигатель с форсажной камерой, а затем, при превышении скорости Мах 2, применялся постоянный отбор воздуха из компрессора в форсажную камеру. Принцип работы двигателя в крейсерском режиме позволял описывать его как "подобный турбореактивному прямоточному двигателю". Производительность двигателя, отвечавшая требованиям ЦРУ и ВВС США на протяжении многих лет, впоследствии была незначительно улучшена для экспериментальных работ NASA (перевозки внешних грузов на верхней части самолета), которым требовалась большая тяга для преодоления повышенного сопротивления воздуха. JT11 был предложен ВМС США под обозначением J58 для привода планируемого реактивного летающего лодки Martin P6M. Изначально P6M оснащался двигателями Allison J71-A-4, затем был переведен на Pratt & Whitney J75 из-за задержек в разработке J58. После отмены программы P6M двигатель был выбран для Convair Kingfish, а также для Lockheed A-12, YF-12A и SR-71. Другие источники связывают его происхождение с требованиями ВВС США к силовой установке для WS-110A, будущего XB-70 Valkyrie.

Перепроектирование для Маха 3.2

Аналитические расчеты производительности оригинального J58 выявили 3 проблемы на скорости Маха 2,5: "давление выхлопных газов равнялось давлению на входе, компрессор уходил в глубокий срыв, и не поступало холодного воздуха в камеру сгорания послефорсажной трубы, что приводило к её плавлению". Первая проблема была вызвана чрезмерной температурой воздуха на выходе компрессора, которая не позволяла добавлять достаточно энергии в камеру сгорания двигателя для создания тяги газогенератором. Вся создающая тягу сила давления в реактивной трубе возникала за счет набегающего потока, как в прямоточном воздушно-реактивном двигателе, и не от газогенератора. Топливо для создания тяги можно было добавлять только в послефорсажной камере, которая стала единственным источником тяги двигателя. Скорость, при которой газогенератор перестал создавать тягу, была увеличена с примерно Маха 2,5 до примерно Маха 3 благодаря запатентованным изменениям конструкции. При превышении этой скорости газогенератор начинал создавать сопротивление, а при Махе 3,2 его коэффициент давления составлял 0,9. Даже минимального форсажа было недостаточно для компенсации этого сопротивления. Эффект был качественно описан конструктором воздухозаборников Lockheed Дэвидом Кэмпбеллом: "при минимальном форсаже двигатель оказывал нагрузку на опоры двигателя на высоких числах Маха". Вторая проблема (глубокий срыв компрессора) была вызвана попыткой компрессора работать на слишком низкой расчетной скорости в области характеристики компрессора, известной как "вне номинального режима". Третья проблема была вызвана охлаждением канала послефорсажной камеры слишком горячими выхлопными газами турбины. Описанные изменения в конструкции двигателя позволили расширить его возможности до Маха 3,2. Они включали перенаправление 20% воздуха, поступающего в компрессор после 4-й ступени, непосредственно в послефорсажную камеру через шесть внешних труб. Это позволило компрессору работать правильно с достаточным запасом устойчивости и увеличить поток воздуха, поступающий в компрессор. Часть увеличенного потока покидала компрессор после 4-й ступени в качестве байпаса в послефорсажную камеру, а часть – с последней ступени компрессора через ранее дросселированное сечение.

Топливо

Любой самолет, летящий в три раза быстрее скорости звука, находится в экстремальных тепловых условиях, обусловленных как трением, так и эффектом стагнации. Топливо было единственным доступным теплоотводом для самолета, и после поглощения тепла, обеспечивая достаточное охлаждение всего – от кабины экипажа до области выхлопного сопла, – оно подавалось в топливные форсунки. Для борьбы с этими высокими температурами было разработано новое авиационное топливо с низким давлением паров. Для воспламенения топлива был разработан химический метод с использованием триэтилборана (TEB), соответствующий его низкой летучести. ТЭБ самовоспламеняется при контакте с воздухом при температуре выше −5 °C. Двигатель и форсажная камера запускались с помощью ТЭБ, а форсажная камера также имела каталитический зажигатель, который светился в горячих выхлопных газах турбины. Каждый двигатель был оснащен герметичным резервуаром под давлением азота, содержащим ТЭБ, которого хватало как минимум на 16 пусков, перезапусков или включений форсажа; это число являлось одним из факторов, ограничивающих продолжительность полета SR-71, поскольку после каждой дозаправки в воздухе форсажные камеры приходилось повторно запускать. Когда пилот переводил рычаг управления двигателем из положения "стоп" в положение "холостой ход", топливо поступало в двигатель, а вскоре после этого в камеру сгорания впрыскивалось примерно небольшое количество ТЭБ, которое самовоспламенялось и зажигало топливо с зеленой вспышкой. Однако в некоторых случаях поток ТЭБ блокировался коксовыми отложениями на форсунке инжектора, что затрудняло попытки перезапуска. Заправка резервуара ТЭБ была рискованной операцией; технический персонал надевал серебряные огнестойкие костюмы. Напротив, заправка JP-7 была настолько безопасной, что допускалось проведение некоторых работ по техническому обслуживанию во время заправки. Химическое зажигание было выбрано вместо обычного зажигателя из соображений надежности и для упрощения конструкции. Резервуар ТЭБ охлаждался топливом, циркулирующим вокруг него, и содержал разрывной диск, который срабатывал при превышении давления, выпуская ТЭБ и азот в форсажную камеру. Один из источников тепла требовал двухступенчатого снижения температуры. Перед поступлением в систему отвода тепла воздух, выходящий из компрессора двигателя, был настолько горячим, что сначала требовалось использовать встречный поток воздуха. Топливо, поступающее из баков в двигатели, использовалось для охлаждения систем кондиционирования воздуха, гидравлической жидкости самолета, моторного масла, масла вспомогательного привода, резервуара ТЭБ и системы управления исполнительным механизмом форсажного сопла.

Материалы

Разработка J58 включала в себя одни из самых сложных задач в области металлургии, с которыми сталкивалась компания Pratt & Whitney Aircraft, с компонентами, работающими при беспрецедентных температурах, уровнях напряжений и требованиях к долговечности. Новые методы производства и новые сплавы улучшили механические свойства, а для защиты компонентов потребовалось разработать поверхностные покрытия. Преждевременное растрескивание лопаток турбины, изготовленных из традиционно литого (т.е. равноосного) Mar M200 – самого прочного литого никелевого сплава – удалось предотвратить благодаря разработке деталей, изготовленных методом направленной кристаллизации из того же материала. Направленно-кристаллизованный Mar M200 стал самым прочным литым материалом для турбин на тот момент и был внедрен в серийные двигатели. Также велась разработка однокристаллических лопаток турбины, отлитых из Mar M200, для дальнейшего повышения жаропрочности, посредством испытаний на двигателях J58. Waspaloy был наиболее широко используемым сплавом в двигателе – от критически важных вращающихся дисков компрессора высокой энергии до деталей, изготовленных из листового материала. Хотя он использовался для турбинных дисков в других двигателях, он не обладал необходимыми свойствами для турбинных дисков J58. Вместо него был использован Astroloy – самый прочный известный суперсплав на основе никеля в западном мире на тот момент. Waspaloy также первоначально применялся для корпуса диффузора – детали, соединяющей компрессор с камерой сгорания и выдерживающей самое высокое давление в двигателе. Растрескивание сварных швов корпуса диффузора привело к внедрению Inconel 718 для этой детали. Внутренняя поверхность камеры дожигания была покрыта керамическим теплозащитным покрытием, которое, вместе с охлаждающим воздухом от компрессора, обеспечивало возможность непрерывной работы дожигания при температуре пламени до… Тяга двигателя была увеличена на 5% для компенсации возросшего аэродинамического сопротивления самолета. Увеличение тяги достигалось за счет увеличения подачи топлива или повышения температуры выхлопных газов на… Ограничением для увеличения тяги являлось допустимое снижение ресурса лопаток турбины второй ступени (ограничивающего срок службы компонента) с 400 до 50 часов. Те же исследования по повышению тяги, которые использовались в данной работе, также рассматривали возможность дополнительного увеличения тяги на 5% за счет дополнительного топлива для дожигания, которое стало возможным благодаря впрыску окислителя (закиси азота). Подача закиси азота была бы ограничена термическим дросселированием сопла.

Наследие

, J58 – единственный известный авиационный двигатель, разработанный для непрерывной работы на максимальной форсажной тяге при высоких сверхзвуковых скоростях. > Опыт, полученный при эксплуатации J58, был широко использован в проекте двигателя JTF17 для сверхзвукового пассажирского самолета (ССП) с числом Маха 2,7, благодаря значительному времени полета на скоростях 2,7 Маха и выше. Он также применялся при разработке последующих двигателей компанией Pratt & Whitney как для коммерческих, так и для военных целей. Следующий двигатель с форсажной камерой, TF30, установленный на F-111, использовал вторичное сопло, интегрированное в конструкцию планера, с подвижными створками, аналогичными тем, что применялись на SR-71. Выбросы J58 измерялись в рамках эксперимента NASA «Stratospheric Wake Experiment», целью которого было изучение влияния использования турбореактивных двигателей с форсажной камерой на окружающую среду при сверхзвуковых перелетах. Двигатель был испытан в высотной камере в максимальном режиме – полная форсажная тяга на скорости 3,0 Маха и высоте 19,8 км.

Современные компрессорные решения для полетов на скорости 3 Маха

Альтернативные решения для борьбы с негативным воздействием высокой температуры на входе на аэродинамические характеристики компрессора были отклонены патентообладателем компании Pratt & Whitney, Робертом Абернети. Другое возможное решение – охлаждение перед компрессором – применялось на двигателях Р-15 самолета МиГ-25. Вода/метанол впрыскивалась из распылительной мачты перед компрессором для снижения температуры воздуха на входе на короткие периоды времени при максимальной скорости. Охлаждение перед компрессором также рассматривалось для разведывательного самолета Phantom, способного развивать скорость Mach 3, и проекта Mach 3+ F 106 RASCAL.

Конструкция двигательной установки

Двигательная система состояла из воздухозаборника, двигателя, обтекателя или вторичного воздушного потока и эжекторного сопла (сопла тяги).

Поток воздуха в нацеле и излучательная сопла

Выбросное, или вторичное сопло выполняло обратную функцию по отношению к входному, разгоняя выхлоп турбины с примерно Маха 1.0, на выходе из первичного сопла, до Маха 3. Скорость выхлопных газов, равная Маху 3, превышает скорость полета в Мах 3 из-за значительно более высокой температуры выхлопа. Воздушный поток от воздухозаборника гондолы контролировал расширение горячих выхлопных газов двигателя в выбросном сопле. Этот воздух обтекал двигатель, а также служил для охлаждения его горячих наружных частей и для продувки любых горючих смесей в случае утечки топлива или масла в гондоле.