Валерий Августинович - Битва за скорость. Великая война авиамоторов

В 1937 г. в отдел исследований был направлен квалифицированный инженер Гельмут Шельп для руководства уже давно идущими программами разработки ПуВРД Шмидта и ракетного двигателя Вальтера. Шельп годом ранее получил звание магистра при обучении в США, а также прошел специальный курс в Германском авиационном экспериментальном институте (DVL) в Берлине для подготовки руководителей авиапромышленности. Этот курс включал в себя и пилотирование самолета. Забегая вперед, можно сказать, что во многом именно благодаря Шельпу германская реактивная авиация достигла таких успехов. Он начал с фундаментальной постановки целей проектирования. Изучая проблему определения оптимальной скорости полета дозвуковых самолетов, он пришел к выводу исходя из законов аэродинамики, что максимальная скорость оптимального самолета должна соответствовать числу М (отношению скоростей полета и распространения звука), равному 0,82, т. е. 850–900 км/час. Этот вывод является фундаментальным и не устарел до сих пор: современные дозвуковые транспортные самолеты летают именно с такой скоростью. После этого Шельп начал изучать проблему силовой установки: какой тип двигателя способен обеспечить требуемую скорость самолета с приемлемым весовым совершенством? Так созрело понимание необходимости разработки реактивных двигателей: известно, что максимальную удельную (на единицу веса) мощность обеспечивает газовая турбина. Однако, как это часто бывает, окружающие этого не видели.

Шельп уходит из отдела общих исследований в отдел разработки двигателей и находит там союзника в лице Ганса Мауха, отвечающего за ракетные двигатели. Одновременно Шельп и Маух проводят консультации с ведущими моторными фирмами «БМВ», «Даймлер-Бенц», моторным отделением «Юнкерс». Однако конструкторы-поршневики с «БМВ» и «Даймлер-Бенца» придерживаются консервативной позиции, считая потенциал поршневых моторов далеко не исчерпанным. Спустя короткое время они об этом пожалели — потенциал у этих фирм был высокий, и при наличии исторического времени (хотя бы пяти лет) и «БМВ» и «Даймлер-Бенц» смогли бы создать уникальные газотурбинные двигатели. Так, БМВ проектировала двигатель тягой 13 000 (!) кг, а «Даймлер-Бенц» создала первый в мире работающий двухконтурный двигатель. Откликнулось на план Шельпа моторное отделение «Юнкерса», и это неслучайно.

Именно Шельп принимает решение, определившее облик современного турбореативного двигателя — осевой тип компрессора как создающий минимальный лоб двигателя и соответственно лобовое сопротивление. Инновационность этого решения можно оценить только ретроспективно после многих лет создания авиационных осевых компрессоров. Как показывает опыт, авиационный осевой компрессор определяет успех или неудачу всего двигателя и хороший компрессор создается годами. Кроме того, течение в осевом многоступенчатом компрессоре плохо поддается расчетам даже сегодня при наличии развитых трехмерных газодинамических моделей. Доводка компрессора требует множества экспериментов как для отдельных ступеней, так и их последующего согласования при работе в системе. Короче, для того времени это был очень смелый и рискованный шаг. Неслучайно и Охайн, и Уиттл для своих первых двигателей выбрали более простые одноступенчатые центробежные компрессоры, по которым был накоплен большой опыт еще при создании нагнетателей.

На что же рассчитывал Шельп, выбирая осевой компрессор для будущего двигателя? Он рассчитывал на передовую научную школу в аэродинамике, сложившуюся к тому времени в Германии. Достаточно назвать лишь некоторые имена ученых первого ряда: Прандтль, Шлихтинг, фон Карман, работавшие в то время в Германии, чтобы понять, что надежды Шельпа были построены не на песке. К этим великим именам следует прибавить и имена доктора Энке и Бетца, специалистов по компрессорам, работавшим в Экспериментальном аэродинамическом институте в Геттингене. Так что обоснованные на первый взгляд опасения оппонентов Шельпа парировались имеющимся научным заделом. Но реально работающего авиационного осевого компрессора действительно не было!

В качестве разработчиков первого турбореактивного двигателя (ТРД) с осевым компрессором были выбраны фирмы «БМВ» и моторное отделение «Юнкерса». Была составлена и первая классификация (матрица) проектируемых типов ТРД, представленная ниже.

Как видно из таблицы, уже тогда задумывалась целая гамма реактивных двигателей, включая и турбовинтовые (ТВД). Предусматривалась и разработка промежуточного (между ТВД и ТРД) класса реактивных двигателей — двухконтурного (ТРДД). Но на него не обратили тогда серьезного внимания и это было понятно: в самостоятельный класс этот вид двигателей оформился позже, когда технологический прогресс позволил сильно поднять температуру газа перед турбиной. Как и в случае с поршневым мотором воздушного охлаждения, именно двухконтурный двигатель является настоящим авиационным газотурбинным двигателем: нигде, кроме авиации, он не применяется. Далее мы увидим, почему.

Управление Шельпа провело большой объем исследовательских работ и по перспективному высокоэкономичному турбовинтовому двигателю с теплообменником для дальнего самолета, летающего со скоростью 600 км/ч на высоте 10 000 м. План работ по реактивным двигателям был составлен на… 16 лет! Несомненно, к 1950 г. Германия могла иметь передовую, непревзойденную авиацию в мире.

Параллельно с разработкой двигателей в Техническом управлении Министерства авиации в его самолетном отделе велась и разработка планера под новый двигатель. Работы над будущим реактивным самолетом (им оказался Ме-262) велись совместно с фирмой «Мессершмитт».

Пока Министерство авиации определялось со своей структурой, кадрами, планами, выпускник Геттингенского университета факультета прикладной физики и аэродинамики Ганс-Иоахим Пабст фон Охайн увлекся идеей реактивного двигателя и в 1935 г. даже получил патент на изобретение одной из разновидностей двигателя, близкий к патенту Уиттла, полученного им в 1930 г. Одержимый идеей создать такой двигатель, Охайн привлек к этому инженера-механика гаража Bartels und Becker, обслуживавшего его спортивный кар, Макса Хана. Как говорил позже фон Охайн: «Я как физик не имел понятия, что такое болты и гайки». За 1000 марок собственных денег Охайн и Хан сделали «гаражную модель» первого в мире турбореактивного двигателя. Эта модель впечатляла своей простотой: к диску с одной стороны были приклепаны радиальные «лопатки» центробежного компрессора, а с другой — центростремительной турбины. Камера сгорания располагалась над колесом.