Основные этапы развития теории авиационных двигателей как науки и роль двигателестроения в развитии авиации.

Двигатель - важнейшая составная часть конструкции любого самолета или вертолета, его сердце. Весь прогресс в самолетостроении с самого начала зарождения авиации определялся прежде всего прогрессом в двигателестроении. Хотя идеи полета человека на аппарате тяжелее воздуха развивались еще со времен Леонардо-да-Винчи, создание первых в мире самолетов стало возможным лишь тогда, когда были разработан достаточно легкий двигатель, способный развить мощность, необходимую для преодоления сопротивления воздуха в полете и при этом поднять на крыльях не только себя, но и весь самолет с запасом топлива и летчиком. Сто лет назад (в 1903 г.) поднялся в воздух первый самолет братьев Райт, на котором был установлен такой двигатель. Это был поршневой бензиновый мотор, аналогичный тем, которые широко применяются в современном автомобилестроении.

Последующее в первой половине прошлого века многократное увеличение дальности, скорости, высоты полета и грузоподъемности самолетов было обусловлено прежде всего созданием новых все более мощных и все более легких (при данной мощности) авиационных поршневых двигателей.

Но к средине 40-х годов ХХ века, когда скорости полета истребителей достигли 650 – 700 км/ч, выяснилось, что дальнейшее существенное увеличение скорости полёта при использовании обычной схемы силовой установки ²поршневой авиадвигатель – воздушный винт² весьма проблематично. И дальнейший резкий рывок в скорости полета (до 900 – 1000 км/ч) стал возможным только благодаря переходу к турбореактивным двигателям (ТРД), обладающим существенно меньшей массой (по сравнению с поршневыми) при данной мощности на большой скорости полета. Первые серийные ТРД – немецкие UMO-004 и BMW-003, начали устанавливаться на реактивные истребители Me-262 и He-163 в 1944 году.

Затем на пути еще большего увеличения скорости полета стал «звуковой барьер» - резкое увеличение сопротивления самолета при приближении скорости полета к скорости звука. И опять эта проблема была решена только с появлением турбореактивных двигателей, у которых за турбиной установлена форсажная камера (ТРДФ), что позволило резко увеличит тягу (мощность) двигателя при незначительном увеличении его массы. Первым в мире серийным истребителем, превысившим (в 1950 г.) скорость звука в горизонтальном полете, был самолет МиГ-17 с двигателем ВК-1Ф, снабженным форсажной камерой. А уже в 1952 г. стал серийно выпускаться первый в мире сверхзвуковой истребитель МиГ-19 с двигателем РД-9Б (также с форсажной камерой), достигающим в полёти скорости, в 1,6 раза превышающей скорость звука.

В настоящее время максимальная скорость полета истребителей в 2 – 3 раза превышает скорость звука, резко выросла их скороподъемность, разрабатываются гиперзвуковые самолеты со скоростью полета в 5 – 6 и более превышающей скорость звука, дальность полете ряда самолетов составляет несколько тысяч километров, уже много лет существуют самолеты вертикального взлета и посадки, появились сверхманевренные истребители (как, например, Су-30МК) и т.д. И всё это благодаря прогрессу в развитии авиационного двигателестроения, основным объектом которого в настоящее время являются газотурбинные двигатели (ГТД).

В современном вертолетостроении также широко применяются ГТД, имеющие (при равной мощности) в несколько раз меньшую массу и меньшие габариты, чем поршневые двигатели (ПД). Последние используются сейчас только в так называемой легкомоторной авиации – на легких спортивных, маломестных и т.п. самолетах и вертолетах.

При этом необходимо отметить, что авиационное двигателестроение­ – это высочайший уровень научных исследований, математического и физического моделирования и высоких технологий во имя достижения минимальных значений веса, габаритов и расхода топлива при требуемой мощности (тяге) при высоком уровне надежности и возможно меньшей стоимости и трудоемкости технического обслуживания Поэтому создание нового авиационного двигателя с высокими показателями по массе, габаритам и топливной экономичности – весьма трудоемкий процесс, требующий большого искусства конструкторов, применения высоких технологий, сложных и длительных испытаний (на земле и в полете) и занимающий поэтому длительный период времени, - как правило, 12 – 15 лет. Соответственно, авиационные ГТД принято делить на «поколения», хотя следует признать, что такое деление условно. Так, например, двигатели, установленные на истребителях МиГ29 и Су-27 относят к 4-му поколению, а разрабатываемые в настоящее время новые ГТД – к 5-му поколению.

Теория авиационных ГТД сложилась как самостоятельная научная дисциплина в основном после второй мировой войны. Однако ряд фундаментальных результатов в этой области был получен значительно раньше. Еще в работах Н.Е. Жуковского «О реакции втекающей и вытекающей жидкости» (1882 и 1886 г.г.) и «К теории судов, приводимых в движение силой реакции вытекающей воды» (1908 г.) были определены понятия силы тяги и тягового КПД реактивного двигателя. А работы Н.Е. Жуковского по вихревой теории гребных винтов и осевых вентиляторов (1912 и 1918 г.г.) легли в основу современной теории авиационных осевых компрессоров.

Основателем современной теории воздушно-реактивных двигателей (ВРД) является академик Б.С. Стечкин, который еще в 1929 г. опубликовал работу «Теория воздушного реактивного двигателя». В дальнейшем Б.С. Стечкин внес большой вклад в развитие теории рабочего процесса и методов расчета характеристик ВРД и их элементов. Под его редакцией в 1956 и 1958 гг. был издан первый полный учебник по курсу «Теория реактивных двигателей», получивший широкое признание у нас в стране, а также переведенный и изданный в ряде зарубежных стран. Б.С. Стечкин с самого начала создания академии им. Н.Е.Жуковского и до 1954 г. (кроме тех лет, когда он был необоснованно репрессирован) был начальником моторного цикла и кафедры теории авиационных двигателей (в 1944 -1954 гг. – кафедры теории реактивных двигателей).

Значительный вклад в развитие теории газовых турбин и газотурбинных двигателей внес проф. В.В. Уваров. Им разработана теория профилирования лопаток газовых турбин, впервые проведены экспериментальные и теоретические исследования по созданию высокотемпературных газотурбинных двигателей.

После Великой Отечественной войны авиадвигателестроительная промышленность нашей страны сумела быстро приступить к созданию реактивных двигателей. Первыми крупносерийными турбореактивными двигателями (ТРД) были двигатели РД-45 и ВК-1, созданные под руководством известного авиаконструктора В.Я. Климова в конце 40^-х-начале 50^-х гг. прошлого века в Ленинграде. Эти двигатели были разработаны на основе английского ТРД «Нин». Они устанавливались на истребителях МиГ-15, МиГ-15 бис, хорошо зарекомендовавших себя в корейской войне, и фронтовых бомбардировщиках Ил-28.

В последующие годы в ОКБ-300 (г. Москва) выдающимся авиаконструктором А.А. Микулиным (заместителем которого был Б.С. Стечкин) был создан ряд выдающихся по своим параметрам ТРД, среди которых АМ-3 (самый мощный для того времени ТРД, устанавливаемый на тяжелом бомбардировщике ТУ-16 и первом в мире реактивном лайнере ТУ-104), РД-9Б с первой в мире трансзвуковой ступенью в компрессоре и Р11-300, конструкция компрессора которого восхитила американцев.

Превосходящие по ряду параметров мировой уровень авиационные ГТД были созданы также под руководством выдающихся конструкторов А.М. Люльки, Н.Д. Кузнецова, С.К Туманского, В.А. Добрынина и других.

В разработке авиационных двигателей видную роль играет Центральный институт авиационного моторостроения (ЦИАМ им. П.И. Баранова), являющийся головным институтом отрасли. ЦИАМ является научным центром, обеспечивающим формирование технического облика перспективных двигателей, создание научно-технического задела (НТЗ) для их проектирования и разработку новых передовых технологий. Он обладает крупнейшей в Европе уникальной экспериментальной базой для наземных и высотных испытаний авиадвигателей, функционирующей с 1955 г. Ее созданием руководил начальник ЦИАМ тех лет Т.М. Мелькумов, который одновременно являлся начальником кафедры теории авиационных двигателей ВВИА им. профессора Н.Е. Жуковского.