Неизвестный ВРД или некоторые примеры применения мотокомпрессорного двигателя. Часть 1

В транспортном машиностроении уже достаточно давно существует такое понятие, как комбинированная силовая установка. Обычно этот термин означает совмещение в одной конструктивной составляющей двигателей (или принципов их действия) различных типов, чаще всего двух или более.
Для наземной техники хорошим примером могут служить относительно активно использующиеся сейчас автомобили, автобусы и троллейбусы, способные работать с применением поршневых двигателей внутреннего сгорания и электродвигателей в одном, так сказать, комплекте. Для них чаще всего применяется термин «гибридные двигатели».

Авиация тоже не избежала этой участи. Комбинированные силовые установки различных конструкций и принципов работы проектировались и применялись на летательных аппаратах достаточно интенсивно практически с первых шагов самолетостроения.
Делалось все это не от хорошей жизни, а от несовпадения желаемого с имеющимися возможностями. Ведь даже сейчас, существующие и разрабатываемые высокосовершенные авиационные двигатели не могут сделать летательный аппарат абсолютно универсальным, как в плане высоких тяговых характеристик, массового и аэродинамического совершенства, так и в плане высокой топливной экономичности. Каждая из существующих двигательных схем, например винтовая и схемы на реактивной тяге (ВРД), имеет свою наиболее выгодную для нее область применения.
А на первых этапах развития авиации еще не было особого выбора силовых установок, но зато было широкое поле для новаторской деятельности. Принцип реактивного движения, известный, кстати, задолго до возникновения первых аэропланов, казался одной из самых соблазнительных возможностей решения проблем.
И в дальнейшем, с ростом скорости самолетов (особенно в 40-х годах), и соответствующим падением тяговых возможностей воздушного винта, а также мощностных возможностей поршневого двигателя (без роста массы), он становился попросту единственно возможным.
Реактивные ракетные двигатели, как жидкостные, так и твердотопливные, не могли стать основными двигателями самолета из-за кратковременности их работы, некоторых особенностей, усложняющих эксплуатацию (касается ЖРД) и сложности управления (РДТТ). Поэтому применялись они, в основном, на опытных самолетах и в качестве ускорителей. В особенности это касается двигателей на твердом топливе. .
Довольно быстро стало понятно, что воздушно-реактивный двигатель наиболее приемлем для маршевой силовой установки самолета, а точнее говоря этот двигатель должен быть именно турбореактивным для возможности старта с нулевой скорости, то есть со стоянки.
Вот только приемлемое воплощение этого факта в конкретное техническое устройство, которое могло бы быть плодотворно использовано в качестве силовой установки для атмосферного летательного аппарата запаздывало по известным причинам как научного, так и технического характера. То есть не хватало знаний, не было конкретных теоретических разработок и практического опыта, отсутствовали специальные производства и материалы.

Но однажды запущенный процесс развития уже было не остановить. Первый, чисто реактивный самолет с турбореактивным двигателем совершил свой исторический полет 27 августа 1939 года. Это был немецкий самолет Heinkel He 178, оборудованный двигателем Heinkel HeS 3, обладавшим максимальной тягой 498 кгс.

Этот двигатель был построен к началу 1939 года и в июле опробован в полете на поршневом пикирующем бомбардировщике Heinkel He 118, использованным в качестве летающей лаборатории. HeS 3 подвесили под его фюзеляж и включали в полете (за исключением взлета и посадки).
Впервые практически использованный для полноценного реактивного полета ТРД был, понятное дело, относительно примитивен, однако, имел все характерные для своего типа узлы, в т.ч. компрессор (центробежный с подпорной осевой ступенью), кольцевую камеру сгорания, турбину (радиальную), выходное устройство. И работал он уже как полноценный воздушно-реактивный двигатель. Однако, эксплуатационные характеристики его оставляли желать лучшего.
Таковыми, впрочем, были все ранние ТРД, как проекты, так и построенные в металле. Малая тяга, низкий кпд, мизерный ресурс, невысокая надежность… Понятно, ведь это были только первые шаги, и все достижения на этом пути оставались еще впереди. Однако, так можно говорить сейчас, а тогда совершенно четких перспективы еще не были ясны.
Пожалуй, именно существование на начальном этапе некой неопределенности в дальнейшем развитии турбореактивных двигателей и желание поскорей найти более простую, но при этом полноценную, а главное столь необходимую альтернативу, позволившую бы улучшить характеристики летательных аппаратов, заставляло инженеров рассматривать другие варианты реактивных двигателей.
В одном из таких вариантов и был использован принцип комбинированности (или гибридности). Речь идет о мотокомпрессорном воздушно-реактивном двигателе (МКВРД). В СССР такой тип двигателя в первой половине 40-х годов получил еще одно наименование — ВРДК (воздушно-реактивный двигатель с компрессором).
За рубежом он имеет несколько названий. Наиболее употребимое — motorjet (для сравнения ТРД – turbojet), менее употребимое (а также применяемое в немецком языке) – termojet. Есть еще несколько малоупотребимых названий — hybrid jets, piston-jets, compound engines, reaction motor, а также аfterburning ducted fan (канальный вентилятор с дожиганием), bypass ducted fan.
В турбореактивном двигателе наиболее нагруженным и сложным узлом является турбина. Она по большей части определяет предельную для конструкции температуру газа в камере сгорания, поскольку сама находится не только под ее воздействием, но еще и под нагрузкой от огромных по величине центробежных сил (рабочие колеса). Температура газа, в свою очередь, напрямую влияет на тягу.
Но при этом турбина в некотором роде второстепенна и саму тягу, так сказать, «не делает». Ее главное предназначение – создать мощность для вращения компрессора. То есть, мало того, что она сложна и в ТРД без нее не обойтись, но, если она сама по себе еще и невысокие характеристики имеет, то и двигатель высокими параметрами обладать не будет. Сплошные проблемы…
Чтобы от них избавиться, «проще всего» избавиться от самой турбины. А это как раз и есть случай мотокомпрессорного двигателя. Очень удобный в том плане, что в 30-х и начале 40-х годов еще не был накоплен опыт создания качественных авиационных турбин с относительно высокими параметрами.
Традиционно классическая мотокомпрессорная силовая установка состоит из трех главных частей: поршневого двигателя внутреннего сгорания (ПД), компрессора и, если так можно сказать, упрощенного воздушно-реактивного двигателя. При этом компрессор приводится от поршневого двигателя ( обычно через специальную трансмиссию или вал) и может быть различной типовой конструкции (чаще всего центробежный или осевой).
Компрессор обычно низко-напорный (по конструктивным возможностям). Вместо него также может быть использован высоконапорный вентилятор или, по сути дела, воздушный винт (или несколько) в кольцевой оболочке.
ВРД в этом комплекте действительно очень упрощен по сравнению с ТРД. Он не имеет ни собственного компрессора, ни, соответственно, турбины, и обладает только топливными форсунками (или их коллектором), через которые подводится топливо для нагрева поступающего воздуха, импровизированной камерой сгорания и выходным устройством для выхода газа (соплом). Причем с использованием и наличием камеры сгорания тоже возможны варианты (об этом ниже).
Таким образом, наружный воздух по специальному каналу поступает к внешнему компрессору, который вращается поршневым двигателем. Далее сжатый воздух поступает в камеру сгорания где подогревается сжиганием топлива, и потом энерговооруженная газовая смесь проходит в реактивное сопло для разгона и создания реактивной тяги.
В классическом варианте мотокомпрессорного двигателя упрощенный ВРД своим устройством и принципом действия напоминает прямоточный воздушно-реактивный двигатель или даже в большей степени форсажную камеру сгорания для ТРД и ТРДД. Именно при создании мотокомпрессорных двигателей был получен первый опыт, пригодившийся в дальнейшем при разработке ФКС.
По различным источникам вклад камеры сгорания МКВРД в создание тяги ( помимо сжатия воздуха компрессором ) оценивается от одной трети до половины от общей величины в зависимости от совершенства конструкции. Свой некоторый вклад в зависимости от варианта конструкции могут также вносить выхлопные газы ПД и тепло его корпуса.
Общесамолетная тяга от такой комбинированной силовой установки может быть получена не только за счет реактивной струи газов из ВРД, но и с помощью воздушного винта, приводимого поршневым двигателем (тем же, который вращает компрессор). Существуют различные примеры проектирования и постройки самолетов с МКВРД как с воздушным винтом, так и без него.
При использовании на самолете обоих типов движителей, и воздушного винта и реактивной тяги, прослеживается определенная универсальность. На малых скоростях (высотах) более выгодна работа с использованием воздушного винта, а на больших скоростях (высотах) — с использованием реактивной тяги. Высотно-скоростные возможности летательного аппарата возрастают.

Стоит сказать, что были и другие, уже значительно более совершенные компоновочные варианты мотокомпрессорных двигателей, например, в конце 30-х, в 40-х годах (в основном в Германии), когда они создавались параллельно с турбореактивными и полным ходом шла оценочная деятельность, чтобы понять, какой из двух принципов более приемлем. В такой версии все, традиционно отдельные, элементы классического моторджета объединялись в единый агрегат, внешне очень напоминавший ТРД (о примерах ниже). Однако, несмотря на похожесть, принцип работы оставался неизменен.

Говоря об общем принципе устройства МКВРД, нельзя не упомянуть один любопытный факт. Вне зависимости от того знают ли люди, что такое мотокомпрессорный двигатель, или нет, практически каждый из них у себя дома имеет, можно сказать, его миниатюрную модель. Маломощную и для движения не предназначенную, но все же…

Это обычный бытовой фен. В нем, хоть и в примитивном виде, есть все необходимые элементы: вентилятор (мини-компрессор), нагреватель (камера сгорания) и даже сужающееся сопло, которое дует иной достаточно интенсивно и горячо :-)…

Попытки внедрения «гибридности», приведшие в конечном итоге к постройке реально работающих образцов двигателей мотокомпрессорного типа имели место практически с первых шагов развития авиации, когда «летающие этажерки» более-менее прочно утвердились в воздухе.

При этом можно сказать, что в рамках самого типа существовало несколько направлений и вариантов конструкторских разработок, менявших конструкцию (а иногда и параметры работы ), но не менявших основополагающего принципа работы двигателя.

Примером может служить несколько необычный проект двигателя французского инженера Рене Лорина (René Lorin), выполненный им в 1908 году. От упрощенного ВРД, который вроде как должен присутствовать в motorjet-е, в двигателе Лорина осталось только выходное устройство, то есть сопло.

Собственная камера сгорания, как, впрочем и отдельный компрессор, у двигателя, как таковые, отсутствовали. В сопло направлялись продукты сгорания после воспламенения топливо-воздушной смеси в цилиндре поршневого двигателя.

То есть это был, по сути дела, рядный поршневой двигатель, каждый цилиндр которого имел собственное сопло для выхода выхлопных газов и, соответственно, генерации реактивной тяги. Понятно, что тяга формировалась импульсами, хотя, конечно, к ПуВРД этот факт отношения не имеет. Подразумевалось, что такие двигатели должны были устанавливаться прямо на крыло самолета

Следующим по хронологии пожалуй стоит упомянуть известный экспериментальный самолет Coandă 1910, сконструированный румынским инженером-аэродинамиком и изобретателем Анри Коандэ (румын. Henri Coandă), известным первооткрывателем эффекта Коанда.

Силовая установка располагалась в носовой части фюзеляжа. Она имела вид кольцевого канала-капота , передняя часть которого была оборудована центробежным компрессором, сжимающим поступающий воздух, расход которого через фронтальный воздухозаборник регулировался с помощью лепесткового устройства (Коанда назвал его обтюратором).

Компрессор имел скорость вращения около 4000 об/мин и приводился от рядного поршневого мотора Clerget (мощностью 50 л.с.), установленного в верхней части фюзеляжа сразу за воздушным каналом, через специальную трансмиссию.

Сам изобретатель вначале называл такую силовую установку «turbo-propulseur» (слово «turbo» здесь относится именно к компрессору), а впоследствии, когда воздушно-реактивные двигатели уже уверенно заняли ведущее место в авиационном двигателестроении, объявил его воздушно-реактивным мотокомпрессорным двигателем.

Примерно тогда же прозвучало высказывание о том, что Coandă 1910 был первым полетевшим самолетом на реактивной тяге, максимальная величина которой (около 220 кгс) составляла примерно половину от тяги вышеупомянутого Heinkel He 178.

Подразумевалось, что сжатый после компрессора воздух смешивался с топливом, которое сгорало, сообщая самолету увеличенную реактивную тягу. Топливо впрыскивалось в задних боковых частях воздушного канала и там же сгорало. В дальнейшем в некоторых источниках упоминались также некие дополнительные камеры сгорания по бокам фюзеляжа.

Кроме того в патентных заявках оговаривался подвод выхлопных газов от поршневого двигателя на вход в воздушный канал, что могло повысить расход воздуха через двигатель и температуру потока.
Однако, заявления о камерах сгорания фактически появились уже в послевоенный период. Конструкция самолета, в этом плане крайне неудачная, вряд ли позволила бы использовать такую схему без риска пожара, который бы повредил деревянную конструкцию и совершенно незащищенного пилота.
Самолет был представлен на 2-ой Парижской авиационной выставке (октябрь 1910 года) без дополнительных камер сгорания и заявленной системы отвода выхлопных газов поршневого двигателя. Многие исследователи и авиационные специалисты, как в то время, так и в последние годы подвергали большому сомнению сам факт существования системы сжигания топлива в потоке на Coandă 1910.

Ставился под сомнение даже факт единственного полета этого самолета. Он состоялся 16 декабря 1910 года и закончился неудачно из-за повреждения системы управления (или невнимательности пилота).
По некоторым румынским источникам (и якобы со слов самого Коандэ) полет состоялся случайно. Инженер не собирался взлетать и просто проводил опробование двигателя. Неосторожно сдвинутые рычаги увеличили обороты компрессора и открыли обтюратор. Самолет начал разбег и взлетел.
Неожиданность, большое пламя выхлопа из-под капота и отсутствие опыта в пилотировании привело к потере контроля за скоростью и высотой. Самолет оказался на земле и загорелся. Сам инженер получил некоторые травмы. В дальнейшем из-за отсутствия средств самолет не восстанавливался.
Любопытно, что это происшествие иногда связывают с открытием впоследствии Анри Коандэ явления, названного его именем – эффект Коанда. Струя воздуха, выходящая из кольцевого сопла двигательной установки его самолета вместе с раскаленными газами после сгорания топлива как бы «прилипла» к фюзеляжу и повредила хвостовое оперение. Это якобы натолкнуло инженера на определенные мысли. Однако, так ли все это было на самом деле, мы, похоже, уже никогда не узнаем….

В этом деле есть еще один интересный момент. В то же время, к началу декабря 1910 года в Париже по заказу Великого князя Кирилла Владимировича (двоюродный брат императора Николая II) были построены аэросани, оснащенные двигателем Коандэ (он принимал в этом непосредственное участие), аналогичным по конструкции самолетному. Так вот, на этом устройстве не было дополнительного сжигания топлива, кроме как в самом поршневом двигателе.

И тем не менее… Сейчас, видимо, не так уже и важно присутствовала ли система сжигания топлива в воздушном потоке на двигателе Coandă 1910. Если была, то это был хоть и достаточно примитивный, но все же типичный моторджет с полным набором характерных конструктивных узлов. Если же не было, то все равно этот проект был достаточно близок к такому типу двигателей, а точнее к их определенному варианту, создающему так называемую «холодную тягу».Мотокомпрессорный двигатель с камерой сгорания, подогревая воздух, создает «горячую тягу». Но если дополнительной камеры сгорания нет, то тяга как раз холодная. В этом случае некоторый подогрев может осуществляться только за счет сжатия воздуха в компрессоре ( немного, но все же…), отвода в поток горячих выхлопных газов поршневого двигателя, а также за счет охлаждения корпуса ПД (если оба последних способа предусмотрены конструкцией).
Двигатель самолета Coandă 1910 мог быть достаточно близок к этому «холодному» варианту (если считать, что у него все-таки не было системы сжигания топлива в потоке, или же она не использовалась). Сам принцип расположения агрегатов, когда компрессор расположен впереди поршневого двигателя и обдувает его воздухом, иногда его еще называют «схемой Коанда».

Интересно, что у же в следующем, 1911 году был заявлен исследовательский проект русского инженера А. Горохова. Он представлял из себя классический вариант мотокомпрессорного двигателя с 2-мя камерами сгорания и компрессором приводимым в движение поршневым мотором. То есть двигатель генерировал как раз горячую тягу. При этом сам компрессор также представлял из себя поршневой агрегат, сжимавший воздух в цилиндрах и направлявший его в камеры сгорания.

Однако позже, в 30-х и самом начале 40-х годов, существовали достаточно совершенные проекты моторджетов, работавших именно на холодной тяге.
Примером может служить немецкий двигатель HeS 60, спроектированный объединенной компанией Heinkel-Hirth в 1941 году, как завершающая модель в целой линейке подобных двигателей. Этот агрегат не имел камеры сгорания.
Воздух сжимался (с некоторым повышением температуры) в собственном трехступенчатом осевом компрессоре. Также был организован выход в поток выхлопных газов 32-цилиндрового дизельного двигателя (мощность 2000 л.с.), который вращал компрессор и теплосъем с этого ПД. Далее сжатый воздух направлялся в управляемое створчатое сопло. Расчетная тяга достигала 1250 кгс.

На этой модели был предусмотрен отбор, при необходимости, части энергии потока на внутридвигательные нужды через специальную радиальную турбину.
Сам поршневой двигатель «встраивался» внутрь HeS 60. Такая схема была характерна для немецких проектов и в дальнейшем применялась также для проектов МКВРД, использующих горячую тягу (упомянуто ниже).

Принцип создания холодной тяги пробовали использовать, как один из режимов работы мотокомпрессорного двигателя, на различных экспериментальных самолетах, таких, например, как Focke-Wulf Fw 44.

В дальнейшем «холодная тяга» нашла свое применение в различных конструкциях реактивных двигателей, главным образом в турбореактивных двухконтурных, в особенности это касается турбовентиляторных двигателей.

А само понятие «motorjet» впервые было упомянуто еще в 1917 году в запатентованном проекте британского инженера Харриса (H.S. Harris of Esher). Этот проект представлял из себя классический мотокомпрессорный двигатель. В нем центробежный компрессор (А) приводился в движение двухцилиндровым поршневым двигателем (С).Сжатый воздух направлялся в две боковые камеры сгорания (D), где впрыскивалось и сжигалось топливо (B), после чего газовый поток направлялся в сопла для создания тяги. Здесь Е — дополнительный эжектируемый воздух.

Разнообразие конструкторских разработок моторджетов иллюстрирует интересный проект известного британского конструктора Фрэнка Уиттла (Frank Whittle), созданный им в 1936 году. Свою схему он назвал «dual thermal cycle» (рисунок). В ней были предусмотрены два компрессора. Один, осевой, основной (B) в начале воздушного тракта, а второй, центробежный (F), в его конце. Осевой приводился в движение турбиной (С), которая в свою очередь вращалась от потока воздуха (Н), создаваемого задним центробежным компрессором.

А этот ЦБ компрессор, в свою очередь, приводился от поршневого двигателя (Е), который получал воздух (J) для своей работы от этого же ЦБ компрессора, а выхлопные газы (K) направлял в турбину для ее дополнительной раскрутки. Отработанный воздух из турбины (L) направлялся в канал сопла для получения дополнительной тяги.

Немецкие инженеры довольно много экспериментировали до начала 40-х годов на тему мотокомпрессорного двигателя. Существовала даже концепция возможного использования таких двигателей на дальних бомбардировщиках, способных достичь берегов Америки.

Фирма Junkers разработала свой проект большого двигателя, получивший название «jet reaction plant». В нем 4-х-ступенчатый осевой компрессор приводился от дизельного двигателя с блоком из 16-ти цилиндров. При этом воздух охлаждал корпус поршневого двигателя (тем самым нагреваясь), а в задней камере сгорания с ним смешивалось и поджигалось топливо, увеличивая конечную тягу.

во второй части будет описание уже движков на реальных самолетах: начиная от "Капрони Чампини" и самолета-снаряда для камикадзе "Yokosuka MXY7 Ohka" до советских СУ и ЯКов