Реактивные самолеты: история и развитие

Введение

Класс самолетов, приводимых в движение реактивными двигателями.

Реактивный самолет (или просто джет) – это самолет (почти всегда самолет с неподвижным крылом), приводимый в движение одним или несколькими реактивными двигателями. В то время как двигатели самолетов с воздушным винтом обычно достигают максимальной эффективности на гораздо меньших скоростях и высотах, реактивные двигатели достигают максимальной эффективности на скоростях, близких к скорости звука или даже значительно превышающих ее. Реактивные самолеты обычно наиболее эффективно летают на скорости около 0,8 Маха и на высотах около [укажите высоту] или выше. Идея реактивного двигателя не была новой, но технические проблемы, связанные с ней, не могли быть решены до 1930-х годов. Фрэнк Уиттл, английский изобретатель и офицер Королевских ВВС, начал разработку работоспособного реактивного двигателя в 1928 году, а Ханс фон Охайн в Германии начал работать независимо в начале 1930-х годов. В августе 1939 года Heinkel He 178, первый в мире реактивный самолет, совершил свой первый полет. Существует широкий спектр различных типов реактивных самолетов, предназначенных как для гражданской, так и для военной авиации.

История

После первого примера управляемого полета было предложено большое количество конструкций реактивных двигателей. Рене Лорин, Моризе и Харрис предложили системы для создания реактивной струи. После того, как были испытаны другие реактивные двигатели, румынский изобретатель Анри Коанда заявил о создании реактивного самолета в 1910 году – Coandă 1910. Однако, для подтверждения этого заявления ему пришлось внести существенные изменения в чертежи, которые он использовал для обоснования своих впоследствии опровергнутых утверждений. Фактически, двигатель с канальным вентилятором дал обратный ход, вызвав пожар на самолете до каких-либо полетов, и ему не хватало почти всех необходимых компонентов реактивного двигателя, включая отсутствие впрыска топлива и каких-либо мер предосторожности в отношении горячей реактивной струи, направленной на легковоспламеняющуюся тканевую поверхность. Ранее "Энте" использовался как планер. В следующем году, в 1929 году, Opel RAK.1 стал первым специально построенным ракетным самолетом, совершившим полет. Турбореактивный двигатель был изобретен в 1930-х годах независимо Фрэнком Уиттлом и позднее Гансом фон Охаином. Первым турбореактивным самолетом, поднявшимся в воздух, был Heinkel He 178, 27 августа 1939 года в Ростоке (Германия), оснащенный двигателем конструкции фон Охаина. Это было, по большей части, подтверждение концепции, поскольку проблема «ползучести» (усталости металла, вызванной высокими температурами внутри двигателя) не была решена, и двигатель быстро вышел из строя. Конструкция фон Охаина, осевой двигатель, в отличие от центробежного двигателя Уиттла, в конечном итоге была принята большинством производителей к 1950-м годам. Первым полетом реактивного самолета, получившим широкую огласку, стал прототип итальянского реактивного самолета Caproni Campini N.1, совершивший первый полет 27 августа 1940 года. Это был первый реактивный самолет, признанный Международной федерацией авиации (в то время немецкая программа He 178 оставалась в секрете). Кампини начал разработку реактивного двигателя в 1932 году; он отличался от настоящего турбореактивного двигателя тем, что турбина приводилась в движение поршневым двигателем, а не сжиганием турбинных газов – что было гораздо более сложным решением. Британский экспериментальный Gloster E.28/39 совершил первый полет 15 мая 1941 года, оснащенный турбореактивным двигателем сэра Фрэнка Уиттла. В США Bell XP 59A совершил полет 1 октября 1942 года, используя два экземпляра версии двигателя Уиттла, построенного компанией General Electric. Meteor был первым серийным реактивным самолетом, первые заказы на серийные экземпляры были размещены 8 августа 1941 года, прототип впервые поднялся в воздух 5 марта 1943 года, а первый серийный самолет – 12 января 1944 года, в то время как первые заказы на серийные Me 262 были размещены только 25 мая 1943 года, а первый серийный Me 262 совершил полет только 28 марта 1944 года, несмотря на то, что программа Me 262 началась раньше, чем программа Meteor, как Projekt 1065, с первоначальными планами, разработанными командой дизайнеров Вальдемара Войгта в апреле 1939 года. Messerschmitt Me 262 был первым оперативным реактивным истребителем, произведенным Германией во время Второй мировой войны и поступившим на вооружение 19 апреля 1944 года в Erprobungskommando 262 в Лехфельде, к югу от Аугсбурга. Первую боевую победу реактивный истребитель одержал 26 июля 1944 года, за день до того, как британский Gloster Meteor поступил на вооружение. Me 262 совершил первый полет 18 апреля 1941 года, но массовое производство началось только в начале 1944 года, а первые эскадрильи были развернуты в том же году, слишком поздно, чтобы повлиять на исход Второй мировой войны. В то время как во время Второй мировой войны было построено всего около 15 самолетов Meteor, было произведено до 1400 самолетов Me 262, из которых 300 участвовали в боевых действиях. Только ракетный Messerschmitt Me 163 Komet был более быстрым оперативным самолетом во время войны. Примерно в это же время, в середине 1944 года, британский Meteor использовался для обороны Великобритании от бомб V-1 – самой V-1, которая была самолетом с пульсирующим реактивным двигателем и прямым предком крылатой ракеты, – а затем для выполнения задач по наземной поддержке над Европой в последние месяцы войны. В 1944 году Германия ввела в эксплуатацию реактивный самолет-разведчик и бомбардировщик Arado Ar 234, хотя в основном использовался в прежней роли, а в конце 1944 года появился однореактивный легкий истребитель Heinkel He 162 Spatz. СССР испытывал свой Bereznyak Isayev BI 1 в 1942 году, но проект был закрыт лидером Иосифом Сталиным в 1945 году. Императорский японский флот также разрабатывал реактивные самолеты в 1945 году, включая Nakajima J9Y Kikka, модифицированную и немного меньшую версию Me 262 со складывающимися крыльями. К концу 1945 года США ввели в эксплуатацию свой первый реактивный истребитель Lockheed P-80 Shooting Star, а Великобритания – свой второй проект истребителя, de Havilland Vampire. США ввели в эксплуатацию North American B-45 Tornado, свой первый реактивный бомбардировщик, в 1948 году. Он был способен нести ядерное оружие, но использовался для разведки над Кореей. 8 ноября 1950 года, во время Корейской войны, лейтенант ВВС США Рассел Дж. Браун, пилотируя F-80, перехватил два северокорейских МиГ-15 возле реки Ялу и сбил их в первом в истории воздушном бою между реактивными самолетами. Великобритания ввела в эксплуатацию English Electric Canberra в 1951 году в качестве легкого бомбардировщика. Он был разработан для полетов выше и быстрее любого перехватчика. BOAC выполнила первое коммерческое реактивное авиарейсовое сообщение из Лондона в Йоханнесбург в 1952 году с использованием реактивного самолета de Havilland Comet. Этот высокоинновационный самолет летал значительно быстрее и выше, чем самолеты с пропеллерами, был намного тише, плавнее и имел стильный обтекаемый дизайн с спрятанными в крыльях реактивными двигателями. Однако из-за дефекта конструкции и использования алюминиевых сплавов самолет подвергся катастрофической усталости металла, что привело к нескольким авиакатастрофам, что дало время Boeing 707 поступить в эксплуатацию в 1958 году и, таким образом, доминировать на рынке гражданских авиалайнеров. Нижние двигатели оказались выгодными в случае утечки топлива, поэтому 707 выглядел иначе, чем Comet: 707 имеет форму, которая фактически идентична форме современных самолетов, с заметной общностью, все еще очевидной сегодня, например, с 737 (фюзеляж) и A340 (однопалубный, со стреловидным крылом, с четырьмя двигателями под крылом). Самолеты с турбовентиляторными двигателями, обладающие гораздо большей топливной эффективностью, начали поступать в эксплуатацию в 1950-х и 1960-х годах и стали наиболее распространенным типом реактивных самолетов. Советский сверхзвуковой транспорт Ту-144 развивал скорость 2,35 Маха. Он поступил в эксплуатацию в 1975 году, но вскоре после этого был снят с коммерческой эксплуатации. Concorde, развивающий скорость 2 Маха, поступил в эксплуатацию в 1976 году и летал в течение 27 лет. Самым быстрым военным реактивным самолетом был SR-71 Blackbird, развивавший скорость 3,35 Маха.

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 .

Другие струи

Большинство людей используют термин "реактивный самолет" для обозначения газотурбинных воздушно-реактивных двигателей, но ракеты и гиперзвуковые прямоточные воздушно-реактивные двигатели (скрамджеты) также приводятся в движение реактивной тягой. Круизные ракеты – это одноразовые беспилотные реактивные летательные аппараты, работающие преимущественно на прямоточных воздушно-реактивных двигателях или турбореактивных двигателях, а иногда и на турбовентиляторных двигателях, но они часто оснащаются ракетной двигательной установкой для начального разгона. Самый быстрый воздушно-дышащий реактивный летательный аппарат – беспилотный гиперзвуковой прямоточный воздушно-реактивный двигатель X-43, развивающий скорость около 9-10 Махов. Самый быстрый пилотируемый (ракетный) летательный аппарат – X-15, развивающий скорость 6,85 Маха. Космический челнок, хотя и значительно быстрее, чем X-43 или X-15, не считался самолетом на этапе подъема, поскольку он двигался по баллистической траектории за счет ракетной тяги, а не за счет аэродинамической силы. На этапе возвращения в атмосферу он классифицировался (как планер) как беспилотный летательный аппарат. Первый полет состоялся в 1981 году. Bell 533 (1964), Lockheed XH-51 (1965) и Sikorsky S-69 (1977-1981) являются примерами компоновщиков вертолетов, в которых реактивная струя добавляется к тяге. Вертолеты Hiller YH-32 Hornet и Fairey Ultra light Helicopter – одни из многих вертолетов, в которых роторы приводились в движение конфорсными соплами. Существуют реактивные крылья – работающие на модельных авиационных реактивных двигателях, – но их продолжительность полета невелика и требуется запуск с высоты.

Аэродинамика

Из-за принципа их работы, типичная скорость выхлопных газов реактивных двигателей достигает околозвуковой или превышает её, поэтому большинству реактивных самолетов необходимо летать на высоких скоростях – сверхзвуковых или околозвуковых – для обеспечения эффективного полета. Аэродинамика, таким образом, является важным фактором при проектировании. Обычно реактивные самолеты разрабатываются с применением правила площадей Уиткомба, которое гласит, что общая площадь поперечного сечения самолета в любой точке вдоль его длины от носовой части должна приблизительно соответствовать площади поперечного сечения тела Сеарса-Хаака. Форма, обладающая этим свойством, минимизирует образование ударных волн, приводящих к потерям энергии.

Летательные характеристики

Реактивные самолеты летают значительно иначе, чем винтовые. Одно из отличий заключается в том, что реактивные двигатели реагируют относительно медленно. Это усложняет взлетно-посадочные маневры. В частности, во время взлета, винтовые двигатели обдувают крылья потоком воздуха, что создает большую подъемную силу и позволяет сократить разбег. Эти различия застали врасплох некоторых из первых пилотов BOAC Comet. где η_c – эффективность цикла, а η_p – тяговая эффективность. Эффективность цикла, выражаемая в процентах, представляет собой отношение энергии, полученной от источника энергии и преобразованной двигателем в механическую энергию, к общей энергии источника. Для реактивных самолетов тяговая эффективность (по сути, энергетическая эффективность) максимальна, когда двигатель выбрасывает выхлопную струю со скоростью, равной или почти равной скорости самолета. Точная формула для воздушно-реактивных двигателей, приводимая в литературе, выглядит следующим образом:

η_p = 2v / (v + c)

где c – скорость выхлопных газов, а v – скорость самолета.

Диапазон

Для реактивного самолета большой дальности, работающего в стратосфере, скорость звука постоянна, следовательно, полет с фиксированным углом атаки и постоянным числом Маха приводит к набору высоты, не изменяя значения местной скорости звука. В этом случае:

где – число Маха на крейсерской скорости, а – местная скорость звука. Уравнение дальности может быть представлено в виде:

которое известно как уравнение дальности Брегета, названное в честь французского пионера авиации Луи Шарля Бреге.