Турбовинтовой двигатель может также иметь двухкаскадный компрессор. Турбовинтовые двигатели с двухкаскадным компрессором проектируются с целью получения постоянной мощности на валу в широком диапазоне высот (от уровня моря до высоты порядка 7500 м) и температур. Двигатель такого типа имеет компрессор и турбину высокого давления, находящиеся на одном валу, а также компрессор и турбину низкого давления на другом валу, помещенном внутри первого вала. Турбина низкого давления приводит во вращение воздушный винт и компрессор низкого давления. Компрессор низкого давления расположен впереди компрессора высокого давления и подает в него поджатый воздух. В двигателях этого типа нет механической связи между секциями низкого и высокого давления. Схема двигателя приведена на рис. 7.
Третьим типом газотурбинных двигателей, применяемых на самолетах, являются двухконтурные турбореактивные двигатели (рис. 8). Увеличение тяги в таком двигателе достигается за счет смешения горячих газов, выходящих из турбины, с воздухом, поступающим по второму контуру. По периметру диска турбины двигателя помещены лопатки вентилятора, представляющие собой, по сути дела, воздушный винт с укороченными лопастями. Воздух, поступающий во второй контур, подсасывается лопатками вентилятора и подается в реактивное сопло, где, смешиваясь с горячими газами, увеличивает общую массу вытекающих газов.
Другой разновидностью двухконтурного турбореактивного двигателя является двигатель, схема которого приведена на рис. 9. В этом двигателе увеличение тяги достигается несколько иным способом. Двигатель имеет двухкаскадный компрессор, причем компрессор низкого давления имеет больший диаметр, чем компрессор высокого давления. По выходе из компрессора низкого давления поток воздуха раздваивается. Около 80% воздуха протекает обычным путем по внутреннему контуру через компрессор высокого давления, камеры сгорания и турбины в реактивное сопло, а остальная часть воздуха по второму контуру поступает непосредственно в реактивное сопло, где смешивается с горячими газами первого контура.
Ракетные двигатели
Принцип действия ракетных двигателей в основном аналогичен принципу действия описанных выше двигателей. Однако в ракетных двигателях кислород, необходимый для сжигания горючего, берется не из атмосферы, а является составной частью топлива, находящегося в баках, расположенных на борту самолета. Под действием высокого давления, развивающегося в камере сгорания двигателя, продукты сгорания с большой скоростью истекают из реактивного сопла, создавая реактивную силу тяги.
Ракетные двигатели, таким образом, не зависят от воздуха, и чем больше высота полета, тем больше сила тяги двигателя вследствие уменьшения атмосферного давления. Однако в связи с чрезмерно большим расходом ракетными двигателями топлива, которое все должно находиться на борту самолета, продолжительность полета самолета с таким двигателем может составлять только несколько минут.
В зависимости от характера протекания реакции в камере сгорания ракетные двигатели подразделяются на два типа. В двигателях первого типа, работающих на монотопливе(однокомпонентное, или унитарное топливо), как, например, перекись водорода, топливо в присутствии катализатора разлагается на пар и кислород, которые, истекая из камеры сгорания через реактивное сопло, создают тягу. Так как разложение перекиси водорода происходит при сравнительно низких температурах, то двигатели такого типа называются "холодными".
В двигателях второго типа используется двухкомпонентное топливо (горючее и окислитель). Окислитель содержит кислород, необходимый для сгорания топлива. Типичными топливами для двигателей этого типа являются керосин – жидкий кислород, анилин-азотная кислота и керосин – перекись водорода. Так как горение этих топлив в камере сгорания происходит при высоких температурах, то двигатели, работающие на этих топливах, принято называть "горячими".
Развитие авиационных реактивных двигателей
Хотя принцип действия реактивного двигателя был известен по крайней мере 2000 лет тому назад и был продемонстрирован александрийским философом Героном, тем не менее его практическое применение должно было ожидать своего времени. Только в текущем столетии стало возможным претворить на практике мечты многих изобретателей об использовании реактивной силы в качестве движущей силы для летательных аппаратов.
Газовая турбина была первоначально разработана как силовая установка промышленного типа, однако ее применение в авиационных турбореактивных и турбовинтовых двигателях мало обязано этой более ранней работе. Первые промышленные и авиационные газовые турбины имели между собой мало общего, за исключением принципа действия, и конструкторы авиационных газотурбинных двигателей различных стран по существу создавали новый тип двигателя, а не приспосабливали двигатели существовавших типов к условиям работы на самолете.
Кто был первым создателем авиационного реактивного двигателя? На этот вопрос не может быть дан простой ответ. Ниже дается обзор развития реактивных двигателей в каждой стране с самого начала, откуда видно, что работы над созданием реактивных двигателей были начаты одновременно и независимо в ряде стран в период между первой и второй мировыми войнами, однако только некоторые из этих начинаний были успешными и сохранились до настоящего времени.
К началу второй мировой войны, в 1939 г., наибольший прогресс в развитии реактивных двигателей 12 был достигнут в Англии и Германии. Интересно отметить, что в обеих этих странах развитие шло по двум независимым направлениям.
Хотя работы над созданием реактивных двигателей в Германии были начаты несколько позднее, чем в Англии, тем не менее первый успешный полет реактивного самолета с газотурбинным двигателем в Германии был осуществлен почти на два года раньше, чем в Англии, а самолет с ракетным двигателем в Германии совершил первый полет еще раньше.
Кроме Германии и Англии, следует отметить еще ряд стран, где проведены подобные работы. В Швеции газовая турбина конструкции Лисхольма была запатентована в 1933 г., а в 1934 г. был уже испытан небольшой турбореактивный двигатель. Во Франции Ледюк проводил эксперименты с прямоточными воздушно-реактивными двигателями начиная с 1929 г. и в 1940 г. приступил к строительству самолета с прямоточным воздушно-реактивным двигателем. В Венгрии Ендрассик построил и испытал авиационный турбовинтовой двигатель в 1941 г. В США к 1940 г. над созданием реактивных двигателей работали две самолетостроительные фирмы. Однако все эти работы были прекращены, за исключением работ Ледюка, которые продолжались во время и после войны.
В настоящее время в каждой стране авиационная промышленность работает над развитием реактивных двигателей и лишь немногие моторостроительные фирмы не переключились с производства поршневых двигателей на производство реактивных двигателей. Ниже приводится обзор развития авиационных реактивных двигателей по странам. Обзор учитывает только действительно созданные двигатели, а не предполагавшиеся их проекты.
Германия
В Германии развитие реактивных двигателей вначале осуществлялось одновременно по двум независимым направлениям самолетостроительными фирмами "Хейнкель" и "Юнкерс" (последняя в то время была независимой от моторостроительной фирмы "Юнкерс"). С 1935 по 1939 г. работы над созданием реактивных двигателей производились по частной инициативе фирм. В 1939 г., однако, правительство предложило помощь моторостроительным фирмам, выпускающим поршневые двигатели, в их работах над созданием реактивных двигателей. После этого только самолетостроительная фирма "Хейнкель" продолжала работы над реактивными двигателями в течение некоторого времени, несмотря на сильное противодействие, которое ей удалось преодолеть. Работы же самолетостроительной фирмы "Юнкерс" были переданы одноименной моторостроительной фирме. Кроме того, к работам над созданием реактивных двигателей приступили фирмы BMW, "Брамо" и "Даймлер-Бенц".
В Германии проводились также и другие работы, включая разработку пульсирующих воздушно-реактивных двигателей П. Шмидтом и работы по исследованию ракетных двигателей. Сведения о работах над ракетными двигателями, устанавливаемыми на самолетах, изложены ниже, однако работы Брауна и других конструкторов в Пеенемюнде и иных пунктах, которые привели к созданию серии реактивных снарядов от А-1 до А-9, выходят за рамки задач настоящей книги.
Фирма "Хейнкель". Фирма "Хейнкель" начала работы по созданию газотурбинных реактивных двигателей в феврале 1936 г., когда г. Охайн, в то время студент Геттингенского университета, был принят фирмой с целью разработки двигателя его конструкции. Двигатель, запатентованный Охайном, в общих чертах напоминал двигатель, запатентованный в 1930 г. Уиттлом, однако был создан независимо от последнего и отличался от его проекта в деталях.