Силовая установка современных самолетов – это реактивный двигатель. Он генерирует не только тягу, которая приводит самолет в движение, но и энергию, которая питает другие системы самолета. Реактивные двигатели работают в соответствии с третьим законом движения Ньютона, который гласит, что любой силе всегда есть равная и противоположная по направлению сила. Реактивный двигатель втягивает воздух, сжимает его, смешивает с топливом, нагревает и выбрасывает полученный газ с такой силой, что самолет движется вперед.
Активное развитие авиации и реактивных турбин началось незадолго до Первой мировой войны. Швейцарский инженер Альфред Бюхи в 1910 году запатентовал турбокомпрессор, но устройство не прошло летные испытания. В это же время компания General Electric (GE) занималась созданием турбин и другого оборудования для электростанций, но в ноябре 1917 года правительство США захотело разработать собственную версию турбокомпрессора и попросило компанию помочь в создании устройства для американских военных. Задача по управлению секретным проектом легла на плечи инженера GE по газовым турбинам Сэнфорда Мосса.
Мосс создал турбокомпрессор, который использовал горячие выхлопные газы из авиационного двигателя для вращения разработанной им радиальной турбины и сжатия воздуха, поступающего в двигатель.
Следующий прорыв случился в 1930 году, когда лейтенант Королевских ВВС Великобритании Фрэнк Уиттл подал заявку на патент газовой турбины с реактивным двигателем. Его двигатель с одноступенчатым центробежным компрессором, соединенным с одноступенчатой турбиной, был успешно испытан в апреле 1937 года и стал родоначальником современного реактивного двигателя.
Тем временем в Германии Ганс-Иоахим фон Охайн, защищая докторскую диссертацию в Геттингенском университете, в 1933 году сформулировал свою теорию реактивной тяги. Фон Охайн запатентовал реактивный двигатель в 1936 году, а 27 августа 1939 года в Ростоке состоялся первый полет реактивного самолета.
В 1939 году Министерство авиации Великобритании заключило контракт на разработку авиационного двигателя с компанией Power Jets Ltd. 15 мая 1941 года первый полет совершил самолет Gloster модели E28/39 с двигателем W1, созданным Уиттлом. При реактивной тяге в 1000 фунтов самолет достигал скорости 370 миль/ч (595 км/ч) в горизонтальном полете. После успеха двигателя Уиттла британцы немедленно отправили прототип своим союзникам в США, где компания General Electric сразу же начала производство. Группа инженеров GE разработала новые детали для двигателя, доработала его, испытала и представила сверхсекретный рабочий прототип под названием I-A с реактивной тягой в 0,6 т!
Как и многие другие технологические инновации, реактивный двигатель проходил путь от концепции до проектирования и реализации, но две мировые войны значительно ускорили развитие авиационной техники. К концу Второй мировой войны появились современные турбинные двигатели с охлаждением лопаток, защитой от обледенения и выхлопным соплом переменного сечения.
В 1930 году прототипы сэра Фрэнка Уиттла были полностью сделаны из стали. Сталь обладает отличными прочностными характеристиками и поверхностной твердостью, но если нужны характеристики термостойкости, следует поискать что-то другое, поскольку максимальная температура теплостойкости стали составляет 450-500 °C.
Основным ограничивающим фактором в ранних реактивных двигателях были характеристики материалов, применяемых для изготовления горячей части двигателя, а именно камеры сгорания и турбины. Потребность в более совершенных материалах значительно продвинула вперед исследования в области сплавов и технологий производства. В конечном счете это привело к появлению новых материалов, которые сделали возможными современные газовые турбины. Помимо улучшения материалов и сплавов одним из прорывов стало развитие процессов направленной кристаллизации и монокристаллизации, а также разработка термобарьерных покрытий.
На изготовление и сборку воедино элементов новой модели реактивного двигателя уходит около двух лет, после чего следует этап отладки и испытаний, который может продолжаться до пяти лет в зависимости от модели. На протяжении всего процесса создания двигателя элементы и узлы проверяются на точность размеров, качество изготовления и целостность материалов.
Сегодня развитие газотурбинных технологий продолжается: появляются новые двигатели, обеспечивающие еще большую эффективность в плане расходования топлива и значительно более низкий уровень шума. В следующей статье будет подробно рассмотрено устройство современных моделей газотурбинных двигателей.