Стремление повысить экономичность заставляет разрабатывать новые, более совершенные типы двигателей: высокоскоростные турбовинтовые или турбовентиляторные без внешнего кольца. Двигатель второго типа имеет два противоположно вращающихся винта с очень тонкими лопастями, загнутыми назад по вращению для уменьшения эффективного числа Маха на концах лопастей и, следовательно, для снижения уровня потерь и шума, связанных с образованием местных скачков уплотнения.
При полете со сверхзвуковыми скоростями воздухозаборник должен перестроить набегающий сверхзвуковой поток в дозвуковой, поэтому конструкция воздухозаборника в этом случае становится сложнее. От сверхзвуковой до звуковой скорости поток тормозится в системе скачков уплотнения, образующихся на носовом конусе или клине, а затем в расширяющемся диффузоре происходит дальнейшее торможение потока до значения скорости на входе в компрессор.
К истории авиационных двигателей. Уже на заре авиации было ясно, что характеристики двигателя определяют возможности полета самолета. Огромные усилия были затрачены на разработку и совершенствование силовых установок с высоким отношением мощности к весу. Первоначально пробовали применить на самолете паровые машины, но паровая машина слишком тяжела и малоэффективна для применения на летательном аппарате. Братья Райт для своего первого удачного самолета использовали поршневой двигатель с искровым зажиганием. Такие непрерывно совершенствовавшиеся двигатели применялись до конца Второй мировой войны, когда впервые в немецкой авиации появился истребитель с двумя турбореактивными двигателями. Турбореактивный двигатель был разработан независимо фон Охайном в Германии в 1939 и Ф.Уиттлом в Англии в 1941. В последующие годы газотурбинные двигатели быстро вытеснили поршневые в военной авиации: турбореактивные - на истребителях и бомбардировщиках и турбовинтовые - в транспортной авиации.
На современных высококлассных боевых самолетах стоят турбореактивные или турбовентиляторные двигатели с форсажом; впервые турбовентиляторный двигатель с форсажом был установлен на многоцелевой истребитель F-111, который должен был летать как на дозвуковых, так и на сверхзвуковых скоростях. По существу, все современные истребители и многоцелевые самолеты используют такие двигатели с разной степенью двухконтурности для разных применений. С каждым новым поколением двигателей повышаются их удельная мощность и удельный импульс.
В качестве силовых установок современных вертолетов обычно применяются поршневые звездообразные двигатели воздушного охлаждения. Для вращения несущих винтов возможно также применение реактивных прямоточных или пульсирующих двигателей.
Применение несущих винтов с приводом от реактивных двигателей позволило бы значительно упростить конструкцию вертолета, так как при этом исключается дорогая в изготовлении и тяжелая трансмиссия. Но это связано с большими расходами горючего, а следовательно, с ограниченной продолжительностью полета и уменьшением полезной нагрузки вертолета. Поэтому в настоящее время реактивные двигатели в вертолетостроении еще не нашли широкого применения.
В большинстве случаев поршневой двигатель устанавливается на вертолете так, что его коленчатый вал расположен горизонтально, однако имеются вертолеты, у которых коленчатый вал двигателя расположен вертикально или наклонно. Вертикальное расположение двигателя, когда ось его коленчатого вала вертикальна, имеет преимущество перед горизонтальным, так как при этом исключается угловая передача в редукторе, вследствие чего несколько повышается коэффициент полезного действия трансмиссии.
Фирма "Камов" разрабатывает модификацию вертолета Ка-226 в соответствии с особыми требованиями Вооруженных сил Индии. Модифицированный Ка-226 может найти в Индии большой спрос не только среди военных, но и гражданских заказчиков, сообщил корр.АРМС-ТАСС представитель оборонно-промышленного комплекса.
По его словам, одной из особенностей "индийской" модификации станет новая силовая установка вертолета.
Хотя Индия много лет является одним из основных экспортеров российской вертолетной техники, на вооружении ВВС и армейской авиации состоят только средние и тяжелые вертолеты типа Ми-8/17, Ми-24/35 и Ми-26, а ВМС с успехом используют палубные вертолеты Ка-28 и Ка-31. Среди гражданских индийских эксплуатантов Ми-8 также пользуется большим спросом.
В то же время российские легкие вертолеты до сих пор не пользовались большим спросом на индийском рынке. Причиной тому являются не только мощные позиции на национальном рынке ведущего поставщика винтокрылой техники этого класса - европейского консорциума "Еврокоптер", но и недостаточное внимание, уделявшееся разработке легких вертолетов в России. Однако теперь ситуация в российском вертолетостроении существенно изменилась.
В России создан ряд перспективных легких вертолетов, одним из лучших из которых признан Ка-226. Это позволяет надеется на расширение позиций отечественного вертолетостроения на индийском авиационном рынке и завоевание новых маркетинговых ниш.
Базовая модель Ка-226 создана в 1997 г., получила российский сертификат типа в 2005 г. и серийно производится. Она оснащена надежными и проверенными многими годами эксплуатации американскими двигателями "Аллисон" 250-C2R/2, созданными компанией "Роллс-Ройс". Применение иностранной силовой установки позволило "камовцам" обойти временно возникшую проблему отсутствия аналогичного отечественного двигателя и значительно расширило экспортные возможности вертолета.
Использование на Ка-226 альтернативной силовой установки с более мощными французскими двигателями "Арриус" 2G1 фирмы "Турбомека" помогло конструкторам значительно улучшить летно-технические характеристики машины, особенно при эксплуатации в высокогорных районах и в местностях с жарким и влажным климатом. Благодаря новым "высотным" двигателям модифицированный Ка-226Т идеально подходит к условиям индийского конкурса на легкий и многоцелевой вертолет. Тендер является частью национальной программы глобального обновления вертолетного парка Индии. Предполагается поставка не менее 197 машин, в том числе 133 вертолетов для авиации Сухопутных войск и 64 машины - для ВВС Индии.
Равнозначной альтернативой французским высотным двигателям считаются украинские двигатели АИ-450 разработки Запорожского моторостроительного КБ "Прогресс". Серийное производство этих двигателей уже начато на ОАО "Мотор Сич" и в настоящее время рассматривается вопрос о его освоении на территории РФ. Производство двигателей в России позволит существенно снизить производственные издержки и себестоимость продукции. Стоимость "индийской" модификации получится значительно меньше варианта с французской силовой установкой. Кроме того, изготовление вертолетов целиком на отечественных заводах считается обязательным условием получения заказа от российских вооруженных сил. По мнению экспертов, в случае решения этого вопроса перед Ка-226 откроются новые перспективы получения государственного заказа.
Еще более привлекательной, с точки зрения улучшения летно-технических характеристик и снижения себестоимости производства, конструкторы фирмы "Камов" считают перспективу модификации Ка-226 под двигатели целиком российской конструкции и производства. Таковые в настоящее время конструируются на ОАО "Климов" в Санкт-Петербурге на основе богатого опыта разработки и эксплуатации легких двигателей ГТД-350 и ВК-800.
РЕАКТИВНЫЕ САМОЛЕТЫ С НЕОБЫЧАЙНЫМИ СИЛОВЫМИ
УСТАНОВКАМИ
На начальной стадии создания проекта самолета разработчикам приходится решать задачи, связанные с выбором проектных параметров: несущей системы, обеспечивающей устойчивое поддержание самолета в воздухе, и энергетической системы, реализующей все режимы эксплуатации самолета с заранее заданными летно-техническими характеристиками. В процессе решения этих задач проектировщик сталкивается с определенными проектными противоречиями, среди которых важнейшим нередко является противоречие между потребными значениями тяго- или энерговооруженности самолета, необходимыми для выполнения различных режимов полета. Наиболее частым является противоречие между высокими значениями потребной тяговооруженности, необходимой для взлета, и малыми значениями тяги, достаточными для обеспечения крейсерского режима полета. Обычно выбор тяговооруженности самолета проводится по максимальному значению. Это приводит к переразмериванию двигателя, создается дополнительное аэродинамическое сопротивление, увеличивается расход топлива, и, в конечном счете, возрастает взлетная масса самолета. Одним из способов разрешения указанной проблемы является использование на самолете маршевой и дополнительной силовых установок.
Дополнительная силовая установка самолета (ДСУ) - это двигатель, его системы и устройства, предназначенные для обеспечения полного комплекса требуемых характеристик самолета путем эпизодической совместной либо раздельной работы по созданию тяги с маршевой силовой установкой самолета. К такому способу проектировщики различных стран обращались неоднократно. Исследования показывают, что технические решения самолетов с ДСУ, весьма разнообразные по своему исполнению, образуют определенный конструктивный тип самолетов, изучение развития которого представляется весьма актуальной задачей. Рассмотрим использование ДСУ во второй половине ХХ века на некоторых типах реактивных самолетов: бомбардировщиках, пассажирских и самолетах специального назначения.
Начиная с 1920-х гг. прошлого века с неуклонным возрастанием взлетной массы бомбардировщиков возрастала и потребная мощность двигателей, которая обеспечивалась увеличением их количества, либо созданием новых конструкций силовых установок. Как известно, с ростом массы наблюдалось и увеличение скорости крейсерского режима полета (как условия успешного выполнения боевой операции), которая к 1945-1946 гг. составляла около 800 км/ч.
Намеченные правительством меры определили динамику развития реактивного двигателестроения в нашей стране и предусматривали три этапа. Первый этап - освоение трофейных немецких двигателей типа ТРД Jumo 004 и BMW 003 на отечественных заводах. Второй этап - освоение лицензионных двигателей Dervent и Nene. Третий этап - ускорение разработок отечественных двигателей в КБ В.Я. Климова, А.А. Микулина и A.M. Люлька. Создание реактивного фронтового бомбардировщика было возложено на ОКБ А.Н. Туполева. За базовый вариант принимался планер бомбардировщика Ту-2, на котором вместо АШ-82ФН были установлены ТРД Rolls-Royce Nene.
Испытания самолета проходили с 1947 г. Развивая концепцию фронтового бомбардировщика на базе Ту-2 , ОКБ разработало несколько модификаций самолетов "77" - "72", "73" (впоследствии Ту-12 и Ту-14). Проект самолета "72" был сделан с расчетом тяги двух двигателей Nene, установленных в крыле, однако после конструктивно-силовой компоновки самолета в целом расчеты показали, что тяги двигателей не хватит для обеспечения скорости порядка 850 км/ч. Выходом из положения явилась установка двух двигателей Nene на плоскостях крыла и одного Dervent в задней хвостовой части фюзеляжа. Самолет получил наименование "73", его первый полет состоялся 29 декабря 1947 г., пилотировал машину летчик Ф.Ф. Опадчий. По сравнению с самолетом "77" бомбардировщик "73" показал скорость у земли на 62 км/ч больше (840 км/ч), дальность увеличилась на 600 км и составила 2810 км. Благодаря установке трех двигателей длина разбега самолета сократилась на 30 %. Основной вариант самолета после доработки получил наименование "78", на него были установлены два РД-45 и один РД-500. Первый полет доработанной машины состоялся 17 апреля 1948 г. В дальнейшем самолет летал с двумя ТРД BK-1. С упразднением третьего двигателя появилась возможность установки кормовой стрелковой кабины, заменявшей обе установки - верхнюю и нижнюю.
Реактивный бомбардировщик S.O.4000 с ДСУ разрабатывался и во Франции фирмой Sud Aviacion в начале 1950-х гг. С целью отладки различных систем самолета S.О.4000 был изготовлен и проходил испытания его прототип S.0.M2. Сведений о дальнейшей судьбе самолета нами не обнаружено. Использование на бомбардировщике ЖРД в качестве ДСУ не получило дальнейшего развития.
В начале 1950-х гг. возникла еще одна проблема эксплуатации, в первую очередь, тяжелых бомбардировщиков, военно-транспортных, а также пассажирских самолетов. Проблема состояла в том, что для перемещения тяжелых самолетов по рулежным дорожкам требовались тягачи-буксировщики большой мощности, которых в наличии не было. Поэтому перемещение самолетов осуществлялось на тяге собственных двигателей, что приводило к большим потерям топлива. Только в 20 крупнейших аэропортах США транспортные самолеты ежедневно расходовали на руление 3000 т топлива.
Для пассажирских самолетов необходимо указать и такие негативные черты, как воздействие на окружающую среду выхлопных газов и шума.
В 1950 г. были опубликованы предложения фирмы Boeing по буксировке реактивных бомбардировщиков посредством дополнительной силовой установки газотурбинного типа (ГТД Boeing 502). Энергия, вырабатываемая ГТД, преобразовывалась в тяговую работу не посредством сопла, как в ТРД, а посредством трансмиссии передавалась на шасси самолета. В 1953 г. специалистами другой фирмы предлагалось буксировать самолет с помощью электрических двигателей, находящихся в колесе. Электрическая энергия должна была вырабатываться дизельной силовой установкой с двумя присоединенными к ней генераторами. Колесо состояло из тягового мотора постоянного тока, тормозных устройств и редуктора.
Основное внимание специалистов было уделено оборудованию дополнительными двигателями с приводом на колеса шасси уже существующих самолетов, а не вновь разрабатываемых.
Возрастание в послевоенный период роли военно-транспортной авиации (ВТА) связано с тем, что заметно увеличивался спектр решаемых задач и их многоплановость. На самолеты ВТА возлагаются следующие задачи: переброска войск и техники в районы непосредственных боевых действий; эксплуатация на неподготовленных аэродромах, взлетных площадках; осуществление воздушно-десантных рейдов и операций; эвакуационные операции и некоторые другие.
Для успешного решения этих задач самолеты ВТА должны обладать достаточной грузоподъемностью, хорошими взлетно-посадочными характеристиками, надежностью и живучестью. Совмещение в одном летательном аппарате таких требований оказалось затруднительно. Достижение рационального соотношения этих требований возможно несколькими техническими решениями, среди которых и дополнительная силовая установка. В середине 1960-х гг. транспортный самолет C-160 Transall совместного производства Франции и ФРГ был модифицирован путем установки на него в дополнение к двум ТВД Man/RR Tyne RTY-2 Мu-22 мощностью 4549 кВт двух ТРД фирмы Rolls Royce RB-162.
В развитии реактивных пассажирских самолетов с ДСУ условно можно выделить три периода: до 1960-х гг., для которого характерно использование ДСУ типа ЖРД; 1960-е гг., когда были широко развернуты проектно-конструкторские работы по пассажирским СВВП и СКВП; с начала 1970-х гг. до настоящего времени, когда получила распространение концепция самолетов с ДСУ с "1,5 двигателями".
В Великобритании концерном Hawker Siddeley с 1946 г. была начата разработка пассажирского самолета Comet. В качестве двигателей использовались четыре ТРД, расположенных попарно в корневой части крыла. Первый полет Comet был выполнен в июле 1947 г. До 1950 г. велись работы по совершенствованию конструкции и силовой установки самолета. Взлетные характеристики самолета оказались неудовлетворительными ввиду недостаточной тяги четырех двигателей. Выходом из создавшегося положения было предложение установить на самолет ДСУ типа ЖРД, фирмы De Havilland. Фирма начала работы в области ЖРД еще в 1946 и в 1947 г. получила заказ на ЖРД Sprite для Comet. Совершенствование двигателей типа ТРД привело к тому, что уже в 1952 г. необходимость в ЖРД отпала.