История авиационных двигателей кратко

Обновлено: 05.07.2024

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.

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.

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.

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.

Корнеева Виктория Романовна – магистр Донского государственного технического университета.

Аннотация: Двигатель является главным элементом силовой установки машины. История авиационных двигателей в России началась с поршневого двигателя с воздушным винтом. Качества такого двигателя со временем перестали удовлетворять требованиям летательных аппаратов. Вскоре они были заменены на современные воздушно-реактивные двигатели.

Ключевые слова: Силовая установка, двигатель, летательный аппарат, поршневой двигатель, качества машин, воздушно-реактивный двигатель.

Любая машина состоит из множества систем. Например, в конструкцию летательного аппарата входят топливная система, система охлаждения, масляная система и др. Одной из главных систем является энергетическая, а точнее силовая установка (СУ). Именно двигатель является основным элементом СУ. Что же такое двигатель?

Двигатель – это тепловая машина, преобразующая энергию топлива в кинетическую энергию реактивной струи и механическую работу на валу двигателя. Существует множество видов и типов двигателей. Но все двигатели обладают качествами, которые определяют качества тех машин, в которые они устанавливаются. Развитие двигателестроения определяет технический прогресс станы.

Каким был первый авиационный двигатель? Как улучшались качества двигателей со временем? Какие двигатели используются в силовой установке современных летательных аппаратов?

История авиационных двигателей в России началась с поршневого двигателя с движителем в виде воздушного винта. Движитель – это устройство, использующее полученную с помощью двигателя энергию для движения летательного аппарата в пространстве [1]. Такой двигатель применялся на самолетах до 50-х годов XX века. По принципу работы он соответствовал бензиновому двигателю внутреннего сгорания (ДВС).

Первые авиационные газотурбинные двигатели (ГТД) были созданы в начале сороковых годов и в небольшом количестве применялись в конце Великой Отечественной войны. В дальнейшем ГТД чрезвычайно быстро совершенствовались, поэтому в 50-х годах газотурбинный двигатель становится основным типом авиационного двигателя, сначала в военной, а затем и в гражданской авиации [2].

Одним из родоначальников авиационных двигателей стал прямоточный воздушно-реактивный двигатель (ПВРД). Он являлся простым по схеме и выполнял две важные функции реактивного двигателя:

при выделении тепла из топлива развивал работу;
использовал эту работу для разгона газов в двигателе.

ПВРД имел много недостатков, главный из которых – большой расход топлива. Кроме того, данный двигатель не мог разогнать самолет, а использовался лишь в воздухе, когда возникали достаточно высокие скорости потока воздуха, создающие большие газодинамические силы.

Чтобы исключить главный недостаток ПВРД ученые разработали пульсирующий воздушно-реактивный двигатель (ПуВРД). В конструкцию такого двигателя была встроена клапанная решетка, в которой после повышения давления в камере сгорания закрывались клапаны. При такой схеме двигателя газ вытекал через сопло порциями, создавался пульсирующий характер рабочего процесса. ПуВРД развивал тягу на старте. Но данные двигатели получились менее экономичными, громоздкими, чем ПВРД. Это связано с тем, что прерывное (порционное) поступление воздуха в камеру сгорания привело к тому, что в полете такие двигатели имели меньший расход воздуха. А добавка в схему клапанной решетки только утяжелила вес двигателя.

После применения различных схем воздушно-реактивного двигателя и выявления его недостатков, ученые поняли, что конструкцию ВРД необходимо преобразовывать, добавляя элементы для лучшего сжатия и расширения воздуха. И лишь установка компрессора позволила повысить качества ВРД, а самое важное – качества самих летательных аппаратов.

Компрессор представляет собой лопаточную машину, которая приводится во вращение лопаточной турбиной [1]. Лопаточная турбина, является расширительной машиной, точнее газовой турбиной, пропускающей большие расходы газа. Газовый поток создает крутящий момент на валу турбины, расширяясь и воздействуя на вращающиеся лопатки. При этом компрессор и турбина вращаются на общем валу с одинаковой частотой вращения, что делает конструкцию двигателя легкой и простой.

Компрессорные ВРД можно разделить по способу создания тяги на одноконтурные турбореактивные (ТРД), турбореактивные двухконтурные (ТРДД) и турбовинтовые (ТВД) двигатели.

В компрессоре ТРД происходит сжатие воздуха, при этом повышается давление, тем самым увеличивается экономичность по сравнению с бескомпрессорными ВРД.

Если сравнивать ТРД с поршневыми двигателями по потерям, то первые по-прежнему уступают вторым. Это связано с тем, что кинетическая энергия выходящего газа из сопла обуславливает значительное увеличение тяги работы, что и является основной причиной худшей экономичности. Первые турбореактивные двигатели имели на старте при одинаковой тяге в 20 раз больший расход воздуха и в 5 раз больший расход топлива, чем поршневые. Однако данные двигатели позволили увеличить скорость до 700-900 км/ч и стали применятся на истребителях.

Применение ТРД на пассажирских самолетах было невыгодным. Во-первых, снижение веса конструкции не компенсировало возрастающий вес запаса топлива, а во-вторых, гражданские самолеты не требовали высоких скоростей полета, по сравнению с военными ЛА. Тогда ученые применили сочетание воздушного винта и ТРД. При дозвуковых скоростях такая конструкция стала более экономичной и эффективной. В результате при одинаковом расходе воздуха ее преимуществом перед ТРД был меньший вес топлива, а перед поршневыми двигателями – меньший вес конструкции.

В середине 60-х годов и по настоящее время ТВД были вытеснены турбореактивными двухконтурными двигателями (ТРДД). Что же представляет собой конструкция данного двигателя?

ТРДД имеет два контура – внутренний (первый) и внешний (второй). Основа двигателя – первый контур, он служит для получения работы при сжигании топлива и содержит все основные элементы по типу ТВД. Во втором контуре вместо винта установлен вентилятор, вращающийся за счет энергии, поступающей от первого контура. При этом видно, что в ТРДД два движителя, а тяга вырабатывается в двух контурах.

Этапы развития авиационных двигателей характеризуются теми качествами, которые общество пыталось получить от летательных аппаратов. Такая область науки, как двигателестроение постоянно обновляется, что подтверждают рассмотренные ранее примеры. С течением времени двигатели устаревают, их качества снижаются, появляются новые, улучшенные модификации, обеспечивающие гражданские и военные летательные аппараты высокой скоростью, дальностью и высотой полета. А также грузоподъемностью.

1. Гарькавый, А.А. Двигатели летательных аппаратов : учеб.пособ. для техникумов/ А.А. Гарькавый, А.В.Чайковский, С.И.Ловинский - М.: Машиностроение, 1987. – 287 с.

2. Скубачевский, Г.С. Авиационные газотурбинные двигатели. Конструкция и расчет деталей: учеб. пособ. для вузов/ Г.С. Скубачевский – М:1969.- 560 с.

3. Заикин, А.Е. Авиационные двигатели: конструкция и расчет деталей: учеб.пособ. для вузов /А.Е.Заикин, В.Г. Гаршин, А.Е.Воронцов и др. - М.: издат. оборонной промышленности, 1941. – 618 с.

АВИАЦИО́ННЫЙ ДВИ́ГАТЕЛЬ , агрегат силовой установки (СУ) летательного аппарата (ЛА), который служит для создания потенциальной энергии и трансформации её в кинетическую энергию движения ЛА (самолёт, вертолёт, крылатая ракета, дирижабль и т.п.). В зависимости от принципа действия авиационные двигатели подразделяют на поршневые двигатели внутреннего сгорания, реактивные двигатели , ракетные двигатели , паровые двигатели, ядерные, электрические двигатели. Основные требования к авиационным двигателям: высокие надёжность, ресурс работы и топливная экономичность (требования по удельному расходу топлива), тяговооружённость, малые масса, размеры и форма при необходимых тяге или мощности. Состав СУ зависит от типа двигателя и типа ЛА (винтовой или реактивный, дозвуковой или сверхзвуковой) и включает в себя входные ( воздухозаборник и средства его регулирования, защиту от обледенения и пыли) и выходные устройства (реактивное сопло, шумоглушитель, реверсивное устройство), канал воздуховода, газогенератор (компрессор, камера сгорания, турбина), форсажную камеру сгорания, движитель (винт), топливную систему (топливные баки, насосы, подсиcтему заправки, заправки топливом в полёте, аварийного слива топлива в полёте и т.д.), масляную систему, систему пожаротушения, узлы крепления и гондолу размещения (обтекаемая оболочка) и др.

Летательный аппарат конструкции Леонардо да Винчи

Спроектированный в конце XIX века самолёт Можайского в советской историографии долгое время считался первым аппаратом, оторвавшимся от земли с человеком на борту. Однако уже современные исследования Центрального аэрогидродинамического института показали, что мощности самолёта конструкции Можайского недостаточно для того, чтобы подняться в воздух.

Пусть аппарат, вероятно, и не смог установить рекорд, но то, что сомнению не подвергается, — это наличие у него британской паровой машины в роли двигателя.

Главной проблемой для братьев-изобретателей стал поиск нужного для полёта двигателя. Наученные горьким опытом прошлых экспериментаторов они предъявляли к будущему двигателю строгие ограничения по весу и размеру. Ни один известный на тот момент производитель двигателей за такой заказ не взялся, вся тяжесть конструкторской работы упала на плечи знакомого братьев Райт, механика Чарли Тэйлора. Постоянно советуясь с братьями, Тэйлор пошёл на большой риск и использовал в конструкции двигателя внутреннего сгорания очень редкий для того времени алюминий. Через шесть недель безостановочного труда был создан двигатель, который с нужной скоростью вращал деревянный пропеллер.

Зимним декабрьским утром 1903 года братья Райт привезли свой самолёт в долину Китти-Хок. Подкинули монетку — право первого полёта досталось Орвиллу. Он смог удержать аппарат в воздухе 12 секунд на уровне трёх метров от земли.

Так был совершён первый в мире полёт человека на летательном аппарате, а поршневой двигатель, созданный Тэйлором, совершенствовался вплоть до Второй мировой войны.

Ушёл не человек — ушла эпоха

Так совпало, что со смертью в 1948 году первого в истории пилота — Орвилла Райта — навсегда ушла в историю эпоха поршневой авиации. Требования к послевоенным самолётам сильно изменились: авиаконструкторы стремились к созданию компактного и не очень тяжёлого летательного аппарата. В двигателестроение вновь вернулись давно забытые идеи: турбинные двигатели, впервые описанные ещё Леонардо да Винчи.

Нет ничего удивительного в том, что первый самолёт с турбореактивным двигателем создали конструкторы Третьего рейха, где такие разработки субсидировались лучше, чем где бы то ни было. Пабст фон Охайн, немецкий инженер, не первым запатентовал работоспособный газотурбинный двигатель — в этом его опередил британец Фрэнк Уиттл.

Самолёт Хейнкель Хе 178с турбореактивным двигателем Охайна

Легендарный Як-9, принимавший участие практически во всех операциях Советской Армии

Интересная история произошла с заводом, на котором разработали столь популярный двигатель. Вообще местом рождения УМПО (Уфимского моторостроительного производственного объединения) считается город Рыбинск, который от Уфы отделяет 1500 километров. Дело в том, что в годы войны завод с теперь уже практически вековой историей эвакуировали из Рыбинска в Уфу по решению Наркомата авиационной промышленности. Сразу после эвакуации завод заработал ускоренными темпами: за время войны на УМПО было произведено более 51 тысячи авиационных моторов, каждый третий советский истребитель и бомбардировщик был оборудован уфимским двигателем.

Машиностроительный гигант был основан 17 июля 1925 года

Три четверти продукции УМПО закупается другими странами, которые по достоинству оценили преимущества уфимских двигателей.

Читайте также: