просто и понятно о его применении в природе и технике

История

У многих людей само понятие «реактивного движения» крепко ассоциируется с современными достижениями науки и техники, в особенности физики, а в голове появляются образы реактивных самолетов или даже космических кораблей, летающих на сверхзвуковых скоростях с помощью пресловутых реактивных двигателей. На самом же деле явление реактивного движения намного более древнее, чем даже сам человек, ведь оно появилось задолго до нас, людей. Да, реактивное движение активно представлено в природе: медузы, осьминоги, каракатицы вот уже миллионы лет плавают в морских пучинах по тому же самому принципу, по которому сегодня летают современные сверхзвуковые реактивные самолеты.

История

С древних времен различные ученые наблюдали явления реактивного движения в природе, так раньше всех о нем писал древнегреческий математик и механик Герон, правда, дальше теории он так и не зашел.

Если же говорить о практическом применении реактивного движения, то первыми здесь были изобретательные китайцы. Примерно в XIII веке они догадались позаимствовать принцип движения осьминогов и каракатиц при изобретении первых ракет, которые они начали использовать, как для фейерверков, так и для боевых действий (в качестве боевого и сигнального оружия). Чуть позднее это полезное изобретение китайцев переняли арабы, а от них уже и европейцы.

Разумеется, первые условно реактивные ракеты имели сравнительно примитивную конструкцию и на протяжении нескольких веков они практически никак не развивались, казалось, что история развития реактивного движения замерла. Прорыв в этом деле произошел только в XIX веке.

Открытие

Пожалуй, лавры первооткрывателя реактивного движения в «новом времени» можно присудить Николаю Кибальчичу, не только талантливому российскому изобретателю, но и по совместительству революционеру-народовольцу. Свой проект реактивного двигателя и летательного аппарата для людей он создал сидя в царской тюрьме. Позднее Кибальчич был казнен за свою революционную деятельность, а его проект так и остался пылиться на полках в архивах царской охранки.

Позднее работы Кибальчича в этом направлении были открыты и дополнены трудами еще одного талантливого ученого К. Э. Циолковского. С 1903 по 1914 год им было опубликовано ряд работ, в которых убедительно доказывалась возможность использования реактивного движения при создании космических кораблей для исследования космического пространство. Им же был сформирован принцип использования многоступенчатых ракет. И по сей день многие идеи Циолковского применяются в ракетостроении.

Примеры в природе

Наверняка купаясь в море, Вы видели медуз, но вряд ли задумывались, что передвигаются эти удивительные (и к тому же медлительные) существа как раз таки с благодаря реактивному движению. А именно с помощью сокращения своего прозрачного купола они выдавливают воду, которая служит своего рода «реактивных двигателем» медуз.

Похожий механизм движения имеет и каракатица – через особую воронку впереди тела и через боковую щель она набирает воду в свою жаберную полость, а затем энергично выбрасывает ее через воронку, направленную взад либо в бок (в зависимости от направления движения нужного каракатице).

Но самый интересный реактивный двигатель созданный природой имеется у кальмаров, которых вполне справедливо можно назвать «живыми торпедами». Ведь даже тело этих животных по своей форме напоминает ракету, хотя по правде все как раз с точностью наоборот – это ракета своей конструкцией копирует тело кальмара.

Если кальмару необходимо совершить быстрый бросок, он использует свой природный реактивный двигатель. Тело его окружено мантией, особой мышечной тканью и половина объема всего кальмара приходится на мантийную полость, в которую тот всасывает воду. Потом он резко выбрасывает набранную струю воды через узкое сопло, при этом складывая все свои десть щупалец над головой таким образом, чтобы приобрести обтекаемую форму. Благодаря столь совершенной реактивной навигации кальмары могут достигать впечатляющей скорости – 60-70 км в час.

Среди обладателей реактивного двигателя в природе есть и растения, а именно так званный «бешеный огурец». Когда его плоды созревают, в ответ на самое легкое прикосновение он выстреливает клейковиной с семенами

Закон реактивного движения

Кальмары, «бешеные огурцы», медузы и прочие каракатицы издревле пользуются реактивным движением, не задумываясь о его физической сути, мы же попробуем разобрать, в чем суть реактивного движения, какое движение называют реактивным, дать ему определение.

Для начала можно прибегнуть к простому опыту – если обычный воздушный шарик надуть воздухом и, не завязывая отпустить в полет, он будет стремительно лететь, пока у него не израсходуется запас воздуха. Такое явление поясняет третий закон Ньютона, говорящий, что два тела взаимодействуют с силами равными по величине и противоположными по направлению.

То есть сила воздействия шарика на вырывающиеся из него потоки воздуха равна силе, которой воздух отталкивает от себя шарик. По схожему с шариком принципу работает и ракета, которая на огромной скорости выбрасывает часть своей массы, при этом получая сильное ускорение в противоположном направлении.

Закон сохранения импульса

Физика поясняет процесс реактивного движения законом сохранения импульса. Импульс это произведение массы тела на его скорость (mv). Когда ракета находится в состоянии покоя ее импульс и скорость равны нулю. Когда же из нее начинает выбрасываться реактивная струя, то остальная часть согласно закону сохранения импульса, должна приобрести такую скорость, при которой суммарный импульс будет по прежнему равен нулю.

Формула

В целом реактивное движение можно описать следующей формулой:
m_sv_s+m_рv_р=0
m_sv_s=-m_рv_р

где m_sv_s импульс создаваемой струей газов, m_рv_р импульс, полученный ракетой.

Знак минус показывает, что направление движения ракеты и сила реактивного движения струи противоположны.

Применение в технике – принцип работы реактивного двигателя

В современной технике реактивное движение играет очень важную роль, так реактивные двигатели приводят в движение самолеты, космические корабли. Само устройство реактивного двигателя может отличаться в зависимости от его размера и назначения. Но так или иначе в каждом из них есть

• запас топлива,
• камера, для сгорания топлива,
• сопло, задача которого ускорять реактивную струю.

Так выглядит реактивный двигатель.

Видео

И в завершение занимательное видео о физических экспериментах с реактивным движением.

Автор: Павел Чайка, главный редактор журнала Познавайка

При написании статьи старался сделать ее максимально интересной, полезной и качественной. Буду благодарен за любую обратную связь и конструктивную критику в виде комментариев к статье. Также Ваше пожелание/вопрос/предложение можете написать на мою почту [email protected] или в Фейсбук, с уважением автор.

Страница про автора

Схожі записи:

ВО ВСЕ ЛОПАТКИ | Наука и жизнь

Реактивная авиация, которая начала создаваться с 1940-х годов, потребовала разработки нового типа двигателя. Получившие наиболее широкое применение газотурбинные реактивные двигатели произвели революцию в авиационной технике.

Наука и жизнь // Иллюстрации

Наука и жизнь // Иллюстрации

Наука и жизнь // Иллюстрации

Лопатки газовой турбины реактивного двигателя работают в очень тяжелых условиях: их обтекает поток раскаленных газов из камер сгорания.

Охлаждающий воздух, поданный со стороны оси турбины в каналы лопатки, выходит из ее торца.

Стержни-закладки, которые помещают в форму для отливки лопатки газовой турбины. После охлаждения заготовки стержни растворяют и в готовой лопатке остаются каналы для пропускания охлаждающего воздуха.

Воздух, выходящий из отверстий в боковой части лопаток, создает тонкую воздушную пленку, которая изолирует лопатку от горячих газов (слева). Каналы, ведущие к отверстиям, имеют довольно сложную геометрию (справа).

Металл отлитой лопатки застывает в виде кристаллов разного размера, сцепленных недостаточно надежно (слева). После введения в металл модификатора кристаллы стали мелкими и однородными, прочность изделия повысилась (справа).

Так производят направленную кристаллизацию материала лопатки.

Усовершенствовав технологию направленной кристаллизации, удалось вырастить лопатку в виде единого монокристалла.

В монокристаллических лопатках создается охлаждающая полость сложной формы. Новейшие разработки ее конфигурации позволили в полтора раза повысить эффективность охлаждения лопаток.

‹

›

Открыть в полном размере

ДВИГАТЕЛИ И МАТЕРИАЛЫ

Мощность любого теплового двигателя определяет температура рабочего тела — в случае реактивного двигателя это температура газа, вытекающего из камер сгорания. Чем выше температура газа, тем мощнее двигатель, тем больше его тяга, тем выше экономичность и лучше весовые характеристики. В газотурбин ном двигателе имеется воздушный компрессор. Его приводит во вращение газовая турбина, сидящая с ним на одном валу. Компрессор сжимает атмосферный воздух до 6-7 атмосфер и направляет его в камеры сгорания, куда впрыскивается топливо — керосин. Поток вытекающего из камер раскаленного газа — продуктов сгорания керосина — вращает турбину и, вылетая через сопло, создает реактивную тягу, движет самолет. Высокие температуры, возникающие в камерах сгорания, потребовали создания новых технологий и применения новых материалов для конструирования одного из наиболее ответственных элементов двигателя — статорных и роторных лопаток газовой турбины. Они должны в течение многих часов, не теряя механической прочности, выдерживать огромную температуру, при которой многие стали и сплавы уже плавятся. В первую очередь это относится к лопаткам турбины — они воспринимают поток раскаленных газов, нагретых до температур выше 1600 К. Теоретически температура газа перед турбиной может достигать 2200 К (1927^оC). В момент зарождения реактивной авиации — сразу после войны — материалов, из которых можно было изготовить лопатки, способные длительно выдерживать высокие механические нагрузки, в нашей стране не существовало.

Вскоре после окончания Великой Отечественной войны работу по созданию сплавов для изготовле ния турбинных лопаток начала специальная лаборатория в ВИАМе. Ее возглавил Сергей Тимофеевич Кишкин.

В АНГЛИЮ ЗА МЕТАЛЛОМ

Первую отечественную конструкцию турбореактивного двигателя еще до войны создал
в Ленинграде конструктор авиационных двигателей Архип Михайлович Люлька. В конце
1930-х годов он был репрессиро ван, но, вероятно, предвидя арест, чертежи двигателя
успел закопать во дворе института. Во время войны руководство страны узнало, что
немцы уже создали реактивную авиацию (первым самолетом с турбореак тивным двигателем
был немецкий «хейнкель» He-178, сконструированный в 1939 году в качестве летающей
лаборатории; первым серийным боевым самолетом стал двухмоторный «мессершмит» Me-262
(поступивший на вооружение германских войск в 1942 году. — Прим. ред.).
Тогда Сталин вызвал Л. П. Берия, который курировал новые военные разработки, и
потребовал найти тех, кто у нас в стране занимается реактивными двигателями. А.
М. Люльку быстро освободили и дали ему в Москве на улице Галушкина помещение под
первое конструкторское бюро реактивных двигателей. Свои чертежи Архип Михайлович
нашел и выкопал, но двигатель по его проекту сразу не получился. Тогда просто
взяли купленный у англичан турбореактивный двигатель и повторили его один к одному.
Но дело уперлось в материалы, которые отсутствовали в Советском Союзе, однако
имелись в Англии, и состав их, конечно, был засекречен. И все-таки расшифровать
его удалось.

Приехав в Англию для ознакомления с производством двигателей, С. Т. Кишкин всюду появлялся в ботинках на толстой микропористой подошве. И, посетив с экскурсией завод, где обрабатывали турбинные лопатки, он возле станка, как бы невзначай, наступил на стружку, упавшую с детали. Кусочек металла врезался в мягкую резину, застрял в ней, а потом был вынут и уже в Москве подвергнут тщательному анализу. Результаты анализа английского металла и большие собственные исследования, проведенные в ВИАМе, позволили создать первые жаропрочные никелевые сплавы для турбинных лопаток и, самое главное, разработать основы теории их строения и получения.

Было установлено, что основным носителем жаропрочности таких сплавов служат субмикроскопичес кие частицы интерметаллической фазы на основе соединения Ni₃Al. Лопатки из первых жаропрочных никелевых сплавов могли длительно работать, если температура газа перед турбиной не превышала 900-1000 К.

ЛИТЬЕ ВМЕСТО ШТАМПОВКИ

Лопатки первых двигателей штамповали из сплава, отлитого в пруток, до формы, отдаленно напоминающей готовое изделие, а затем долго и тщательно обрабатывали на станках. Но здесь возникла неожиданная сложность: чтобы повысить рабочую температуру материала, в него добавили легирующие элементы — вольфрам, молибден, ниобий. Но они сделали сплав настолько твердым, что штамповать его стало невозможно — формовке методами горячей деформации он не поддавался.

Тогда Кишкин предложил лопатки отливать. Конструкторы-мотористы возмутились: во-первых, после литья лопатку все равно придется обрабатывать на станках, а главное — как можно литую лопатку ставить в двигатель? Металл штампованных лопаток очень плотен, прочность его высока, а литой металл остается более рыхлым и заведомо менее прочным, чем отштампованный. Но Кишкин сумел убедить скептиков, и в ВИАМе создали специальные литейные жаропрочные сплавы и технологию литья лопаток. Были проведены испытания, после чего практически все авиационные турбореактивные двигатели стали выпускать с литыми турбинными лопатками.

Первые лопатки были сплошными и долго выдерживать высокую температуру не могли. Требовалось создать систему их охлаждения. Для этого решили делать в лопатках продольные каналы для подачи охлаждающего воздуха от компрессора. Идея эта была не ахти: чем больше воздуха из компрессора уйдет на охлаждение, тем меньше его пойдет в камеры сгорания. Но деваться было некуда — ресурс турбины необходимо увеличить во что бы то ни стало.

Стали конструировать лопатки с несколькими сквозными охлаждающими каналами, расположенны ми вдоль оси лопатки. Однако скоро выяснилось, что такая конструкция малоэффективна: воздух сквозь канал протекает слишком быстро, площадь охлаждаемой поверхности мала, тепло отводится недостаточно. Пытались изменить конфигурацию внутренней полости лопатки, вставив туда дефлектор, который отклоняет и задерживает поток воздуха, или сделать каналы более сложной формы. В какой-то момент специалистами по авиационным двигателям овладела заманчивая идея — создать целиком керамическую лопатку: керамика выдерживает очень высокую температуру, и охлаждать ее не нужно. С тех пор прошло почти пятьдесят лет, но пока никто в мире двигателя с керамическими лопатками так и не сделал, хотя попытки продолжаются.

КАК ДЕЛАЮТ ЛИТУЮ ЛОПАТКУ

Технология изготовления турбинных лопаток называется литьем по выплавляемым моделям. Сначала делают восковую модель будущей лопатки, отливая ее в пресс-форме, в которую предварительно вкладывают кварцевые цилиндрики на место будущих каналов охлаждения (потом стали использовать другие материалы). Модель покрывают жидкой керамической массой. После ее высыхания воск вытапливают горячей водой, а керамическую массу обжигают. Получается форма, выдерживающая температуру расплавленного металла от 1450 до 1500^оС в зависимости от марки сплава. В форму заливают металл, который застывает в виде готовой лопатки, но с кварцевыми стержнями вместо каналов внутри. Стержни удаляют, растворяя в плавиковой кислоте. Эту операцию проводит в герметически закрытом помещении работник в скафандре со шлангом для подачи воздуха. Технология неудобная, опасная и вредная.

Чтобы исключить эту операцию, в ВИАМе начали делать стержни из оксида алюминия с добавкой 10-15% оксида кремния, который растворяется в щелочи. Материал лопаток со щелочью не реагирует, а остатки оксида алюминия удаляют сильной струей воды. Наша лаборатория занималась изготовлением стержней, а сам я начал изучать технологию литья, материалы для керамических форм, сплавы и защитные покрытия готовых изделий и теперь возглавляю это направление исследований.

В повседневной жизни мы привыкли считать литые изделия очень грубыми и шероховатыми. Но нам удалось подобрать такие керамические составы, что форма из них получается совершенно гладкой и отливка механической обработки почти не требуется. Это намного упрощает работу: лопатки имеют очень сложную форму, и обрабатывать их нелегко.

Новые материалы потребовали новых технологий. Какими бы удобными ни были добавки оксида кремния в материал стержней, от него пришлось отказаться. Температура плавления оксида алюминия Al₂O₃ — 2050 ^оС, а оксида кремния SiO₂ — только около 1700 ^оС, и новые жаропрочные сплавы разрушали стержни уже в процессе заливки.

Чтобы форма из оксида алюминия сохраняла прочность, ее обжигают при температуре более высокой, чем температура жидкого металла, который в нее заливают. Кроме того, внутренняя геометрия формы при заливке не должна меняться: стенки лопаток очень тонкие, и размеры должны точно соответствовать расчетным. Поэтому допустимая величина усадки формы не должна превышать 1%.

ПОЧЕМУ ОТКАЗАЛИСЬ
ОТ ШТАМПОВАННЫХ ЛОПАТОК

Как уже говорилось, после штамповки лопатку приходилось обрабатывать на станках.
При этом 90% металла уходило в стружку. Была поставлена задача: создать такую
технологию точного литья, чтобы сразу получался заданный профиль лопатки, а готовое
изделие оставалось бы только отполировать и нанести на него теплозащитное покрытие.
Не менее важна и конструкция, которая образуется в теле лопатки и выполняет задачу
ее охлаждения.

Таким образом, весьма важно сделать лопатку, которая эффективно охлаждается, не снижая температуру рабочего газа, и обладает высокой длительной прочностью. Эту задачу удалось решить, скомпоновав каналы в теле лопатки и выходные отверстия из нее так, чтобы вокруг лопатки возникала тонкая воздушная пленка. При этом разом убивают двух зайцев: раскаленные газы с материалом лопатки не соприкасаются, а следовательно, и не нагревают ее и сами не охлаждаются.

Здесь возникает некоторая аналогия с тепловой защитой космической ракеты. Когда ракета на большой скорости входит в плотные слои атмосферы, начинает испаряться и сгорать так называемое жертвенное покрытие, закрывающее головную часть. Оно берет на себя основной тепловой поток, а продукты его сгорания образуют своего рода защитную подушку. В конструкции турбинной лопатки заложен такой же принцип, только вместо жертвенного покрытия используется воздух. Правда, лопатки нужно защищать еще и от эрозии и от коррозии. Но об этом подробнее см. стр. 54.

Порядок изготовления лопатки таков. Сначала создается никелевый сплав с заданными параметрами по механической прочности и жаропрочности, для чего в никель вводятся легирующие добавки: 6% алюминия, 6-10% вольфрама, тантала, рения и немного рутения. Они позволяют добиться максимальных высокотемпературных характеристик для литых сплавов на основе никеля (есть соблазн еще повысить их, используя больше рения, но он безумно дорог). Перспективным направлением считается использование силицида ниобия, но это — дело далекого будущего.

Но вот сплав залит в форму при температуре 1450 ^оС и вместе с ней охлаждается. Остывающий металл кристаллизуется, образуя отдельные равноосные, то есть примерно одинакового размера по всем направлениям, зерна. Сами же зерна могут получаться и крупными и мелкими. Сцепляются они ненадежно, и работающие лопатки разрушались по границам зерен и разлетались вдребезги. Ни одна лопатка не могла проработать дольше 50 часов. Тогда мы предложили ввести в материал формы для литья модификатор — кристаллики алюмината кобальта. Они служат центрами, зародышами кристаллизации, ускоряющими процесс образования зерен. Зерна получаются однородными и мелкими. Новые лопатки стали работать по 500 часов. Эта технология, которую разработал Е. Н. Каблов, работает до сих пор, и работает хорошо. А мы в ВИАМе нарабатываем алюминат кобальта тоннами и поставляем его на заводы.

Мощность реактивных двигателей росла, температура и давление газовой струи повышались. И стало ясно, что многозеренная структура металла лопатки в новых условиях работать не сможет. Нужны были другие идеи. Они нашлись, были доведены до стадии технологической разработки и стали называться направленной кристаллизацией. Это значит, что металл, застывая, образовыва ет не равноосные зерна, а длинные столбчатые кристаллы, вытянутые строго вдоль оси лопатки. Лопатка с такой структурой станет очень хорошо сопротивляться излому. Сразу вспоминается старая притча про веник, который переломить не удается, хотя все его прутики по отдельности ломаются без труда.

КАК ПРОИЗВОДЯТ НАПРАВЛЕННУЮ КРИСТАЛЛИЗАЦИЮ

Чтобы кристаллы, образующие лопатку, росли должным образом, форму с расплавленным металлом медленно вынимают из зоны нагрева. При этом форма с жидким металлом стоит на массивном медном диске, охлаждаемом водой. Рост кристаллов начинается снизу и идет вверх со скоростью, практически равной скорости выхода формы из нагревателя. Создавая технологию направленной кристаллизации, пришлось измерить и рассчитать множество параметров — скорость кристаллизации, температуру нагревателя, градиент температуры между нагревателем и холодильником и др. Требовалось подобрать такую скорость движения формы, чтобы столбчатые кристаллы прорастали на всю длину лопатки. При соблюдении всех этих условий вырастают 5-7 длинных столбчатых кристаллов на каждый квадратный сантиметр сечения лопатки. Эта технология позволила создать новое поколение авиационных двигателей. Но мы пошли еще дальше.

Изучив рентгенографическими методами выращенные столбчатые кристаллы, мы поняли, что всю лопатку целиком можно сделать из одного кристалла, который не будет иметь межзёренных границ — наиболее слабых элементов структуры, по которым начинается разрушение. Для этого сделали затравку, которая позволяла только одному кристаллу расти в заданном направлении (кристаллографическая формула такой затравки 0-0-1; это означает, что в направлении оси Z кристалл растет, а в направлении X—Y — нет). Затравку поставили в нижнюю часть формы и залили металл, интенсивно охлаждая его снизу. Вырастающий монокристалл приобретал форму лопатки. Кстати, первая публикация об этой технологии появилась в журнале «Наука и жизнь» еще в 1971 году, в № 1.

Американские инженеры применяли для охлаждения медный водоохлаждаемый кристаллизатор. А мы после нескольких экспериментов заменили его ванной с расплавленным оловом при температуре 600-700 К. Это позволило точнее подбирать необходимый градиент температуры и получать изделия высокого качества. В ВИАМе построили установки с ваннами для выращивания монокристалличес ких лопаток — очень совершенные машины с компьютерным управлением.

В 1990-х годах, когда распался СССР, на территории Восточной Германии остались советские самолеты, в основном истребители МиГ. У них в двигателях стояли лопатки нашего производства. Металл лопаток исследовали американцы, после чего довольно скоро их специалисты приехали в ВИАМ и попросили показать, кто и как его создал. Оказалось, что им была поставлена задача сделать монокристаллические лопатки метровой длины, которую они решить не могли. Мы же сконструировали установку для высокоградиентного литья крупногабаритных лопаток для энергетических турбин и попытались предложить свою технологию Газпрому и РАО «ЕЭС России», но они интереса не проявили. Тем не менее у нас уже практически готова промышленная установка для литья метровых лопаток, и мы постараемся убедить руководство этих компаний в необходимости ее внедрения.

Кстати, турбины для энергетики — это еще одна интересная задача, которую решал ВИАМ. Самолетные двигатели, выработавшие ресурс, стали использовать на компрессорных станциях газопроводов и в электростанциях, питающих насосы нефтепроводов (см. «Наука и жизнь» № 2, 1999 г.). Сейчас стала актуальной задача создать для этих нужд специальные двигатели, которые работали бы при гораздо меньших температурах и давлении рабочего газа, но гораздо дольше. Если ресурс авиационного двигателя порядка 500 часов, то турбины на нефтегазопроводе должны работать 20-50 тыс. часов. Одним из первых ими начало заниматься самарское конструкторское бюро под руководством Николая Дмитриевича Казнецова.

ЖАРОПРОЧНЫЕ СПЛАВЫ

Монокристаллическая лопатка вырастает не сплошной — внутри у нее имеется полость сложной формы для охлаждения. Совместно с ЦИАМом мы разработали конфигурацию полости, которая обеспечивает коэффициент эффективности охлаждения (отношение температур металла лопатки и рабочего газа), равный 0,8, почти в полтора раза выше, чем у серийных изделий.

Вот эти лопатки мы и предлагаем для двигателей нового поколения. Сейчас температура газа перед турбиной едва дотягивает до 1950 К, а в новых двигателях она дойдет до 2000-2200 К. Для них мы уже разработали высокожаропрочные сплавы, содержащие до пятнадцати элементов таблицы Менделеева, в том числе рений и рутений, и теплозащитные покрытия, в которые входят никель, хром, алюминий и иттрий, а в перспективе — керамические из оксида циркония, стабилизированного оксидом иттрия.

В сплавах первого поколения присутствовало небольшое количество углерода в виде карбидов титана или тантала. Карбиды располагаются по границам кристаллов и понижают прочность сплава. От карбида мы избавились и заменили рением, повысив его концентрацию от 3% в первых образцах до 12% в последних. Запасов рения у нас в стране мало; есть месторождения в Казахстане, но после развала Советского Союза его полностью скупили американцы; остается остров Итуруп, на который претендуют японцы. Зато рутения у нас много, и в новых сплавах мы успешно заменили им рений.

Уникальность ВИАМа заключается в том, что мы умеем разрабатывать и сплавы, и технологию их получения, и методику отливки готового изделия. Во все лопатки вложен огромный труд и знания всех работников ВИАМа.

См. в номере на ту же тему

Е. КАБЛОВ — ВИАМ — национальное достояние.

А. ЖИРНОВ — Крылатые металлы и сплавы.

М. БРОНФИН — Испытатели — исследователи и контролеры.

Академики дают разрешение на беспосадочный перелет Н. С. Хрущева в Нью-Йорк на сверхдальнем самолете ТУ-114 .

И. ФРИДЛЯНДЕР — Старение — не всегда плохо.

Б. ЩЕТАНОВ — Тепловая защита «Бурана» началась с листа кальки.

С. МУБОЯДЖЯН — Плазма против пара: победа за явным преимуществом .

БЮРО НАУЧНО-ТЕХНИЧЕСКОЙ ИНФОРМАЦИИ.

Э. КОНДРАШОВ — Без неметаллических деталей самолеты не летают.

И. КОВАЛЕВ — В науку — со школьной скамьи .

С. КАРИМОВА — Коррозия — главный враг авиацииc.

А. ПЕТРОВА — Посадить на клей.

Другой отец реактивных двигателей

На вопрос, кто изобрел реактивный двигатель, часто дают два разных ответа, и ни один из них не является неправильным. На самом деле, мы задали этот вопрос на нашей странице в LinkedIn и получили те же неоднозначные результаты, что и в других местах. И сэр Фрэнк Уиттл, и Ганс фон Охайн одновременно изобрели турбореактивный двигатель. Хотя доктор фон Охайн знал о работе сэра Франка, он не черпал из нее информацию, а сэр Франк не знал, что кто-то еще разрабатывает турбореактивный двигатель. Хотя ранее мы рассказывали о сэре Фрэнке Уиттле, сегодня мы рассмотрим жизнь Ганса фон Охайна, его изобретение турбореактивного двигателя и его вклад в разработку турбомашин.

Доктор Ханс фон Охайн

Доктор Ханс Иоахим Пабст фон Охайн родился 14 декабря 1911 года в Дессау, Германия. Он пошел в школу в Геттингенском университете, где в 1935 году получил докторскую степень по физике и аэродинамике. Во время учебы и после ее окончания он был очарован авиацией и силовыми установками самолетов с особым интересом к разработке самолета, который не полагался бы на на поршневой движитель. Согласно Национальному залу авиационной славы, он «придумал реактивный двигатель в 1933, когда он понял, что сильный шум и вибрации пропеллерных поршневых двигателей, казалось, нарушают плавность и устойчивость полета». (1)

Изучая свои идеи реактивного движения, он работал младшим ассистентом у Хьюго фон Поля, директора Физического института Геттингенского университета. Между 1935 и 1936 годами, работая с фон Полем, доктор фон Охайн был готов запатентовать свою концепцию и конструкцию реактивного двигателя. Однако возникла небольшая проблема. Кто-то еще запатентовал конструкцию двигателя, похожую на то, что имел в виду фон Охайн. Фактически, «когда фон Охайн подал заявку на патент на свое изобретение в 1936, патентное ведомство сослалось на патент Фрэнка Уиттла 1930 года, который сделал Уиттла первопроходцем в технологии и разработке (турбо) реактивных двигателей. Однако, поскольку между двумя идеями существовали важные различия, он получил свой патент». (1)

Заметным отличием конструкции доктора фон Охайна была конфигурация турбомашины. В его двигателе использовались центробежный компрессор и радиальная турбина, которые располагались очень близко к камерам сгорания снаружи всей сборки. В результате двигатель стал намного короче и шире, чем обычные турбореактивные двигатели.(2)

Воплотить в жизнь двигатели доктора фон Охайна помогли два счастливых случая: он смог построить модель своего двигателя, чтобы укрепить свою концепцию, и начал работать на одного из крупнейших производителей самолетов в Германии.

Доктор фон Охайн встретил Макса Хана, автомобильного механика с инженерным талантом. Хан согласился воплотить дизайн фон Охайна в модель, а Охайн предоставил средства из своего кармана. (3)

Во время работы в институте Геттингенского университета немецкий авиационный магнат Эрнст Хейнкель искал помощь в создании самолета. дизайн-проект. Хьюго фон Поль знал Хейнкеля и познакомил его с доктором фон Охайном. Это был критический момент для фон Охайна, поскольку его работа с Хейнкелем помогла ему поднять в воздух свои реактивные двигатели.

Фон Охайн начал работать в Heinkel в 1936 году, в течение этого времени он мог продолжать исследования и разработки своей концепции турбореактивного двигателя, не платя за это из собственного кармана. До этого момента и сэр Фрэнк Уиттл, и доктор фон Охайн боролись со сгоранием в своих двигателях; однако эта проблема была легко решена Гансом фон Охайном и его командой, которые решили использовать жидкий водород в своих первых двигателях. Реактивный двигатель 1.

К весне 1937 года двигатель на водородном топливе успешно прошел стендовые испытания, а с некоторыми изменениями в области сгорания в сентябре того же года был успешно завершен пробег на бензиновом топливе. Благодаря ресурсам, предоставленным Heinkel, доктор фон Охайн преодолел самую большую проблему, с которой столкнулись как он сам, так и сэр Фрэнк Уиттл в Англии.

Когда наступил 1939 год, Ганс фон Охайн и его коллеги из Heinkel создали два прототипа летных двигателей. Пока они работали над двигателями, получившими обозначение HeS 3, инженеры и конструкторы планеров Heinkel разработали самолет He 178, предназначенный для этих двигателей. — конструкция бомбардировщика, которая не была выбрана для использования ВВС Германии. Испытания проводились, когда самолет уже находился в полете с поршневым двигателем; в июле 1939, HeS 3A загорелся во время полета на He118 и работал отлично.

Реплика турбореактивного двигателя Heinkel HeS3 – изображение предоставлено Байером

Затем настал великий день, когда доктор Ганс фон Охайн попал в учебники истории. В конце августа 1939 года, всего за несколько дней до начала Второй мировой войны, He 178, оснащенный модифицированным HeS 3B, поднялся в воздух и успешно совершил полет 27 августа 1939 года под управлением знаменитого летчика-испытателя Эриха Варзица.

Реплика Heinkel He 178 с двигателем HeS 3B Ганса фон Охайна.

Это было знаменательное событие для фон Охайна и истории авиации; это был первый раз, когда самолет летел полностью за счет реактивного двигателя, и он сделал это без проблем, кроме задержки из-за столкновения с птицей, и переднего шасси, которое не убиралось в самолет для полета на полной скорости. (3) Несмотря на то, что д-р Ханс фон Охайн начал свою работу позже, он смог перейти от концепции двигателя к полному полету всего за 3 года.

Впечатления от первого полета неоднозначные. Министерство авиации Германии не проявляло такого первоначального энтузиазма по поводу полетов с турбореактивными двигателями, как Королевское министерство авиации сэра Фрэнка Уиттла. Однако интерес был настолько велик, что министерство авиации Германии учредило программу разработки реактивных двигателей совместно с другими крупными компаниями, такими как BMW и Junkers Jumo.(2) Хейнкель и доктор фон Охайн, однако, проявили настойчивость и продолжают разрабатывать новые версии турбореактивных двигателей с использованием ту же конфигурацию турбомашины в надежде на победу над Министерством авиации.

Этот следующий двигатель, известный как HeS8, планировалось использовать в Heinkel 280, конструкции с двумя двигателями, которая была разработана как настоящий истребитель, а не испытательный стенд для турбореактивных двигателей, разработанных доктором фон Охайном.

Heinkel HeS 8, разработанный доктором Хансом фон Охайном

К сожалению, HeS8 и Heinkel 280 так и не вышли за пределы этапов испытаний, поскольку конкурирующая конструкция от Messerschmitt привлекла внимание Министерства авиации и была принята на вооружение. В этой конкурирующей конструкции использовались осевой компрессор и осевой газотурбинный двигатель, в отличие от радиального компрессора и турбины, что делало двигатель намного уже.

Из-за этого HeS8 оказался слишком широким для использования в He 280. По словам одного из наших источников, «С этим двигателем были трудности — тяга у него была мала, а диаметр слишком велик. Программа He-280 была отменена в пользу нового Messerschmitt Me-262, который также использовал двигатель Junkers. Война закончилась до того, как заработала другая конструкция двигателя». (3)

Помимо небольшого повышения зарплаты и одного бесполезного чека в конце войны, Ханс фон Охайн так и не получил реального вознаграждения за свою работу, как сэр Фрэнк Уиттл в Великобритании. (3)

Однако это не был конец для доктора фон Охайна. Как и многие другие немецкие ученые после Второй мировой войны, Ганс фон Охайн был доставлен в Соединенные Штаты в рамках операции «Скрепка». Он вместе с тысячами других ученых, включая Вернера фон Брауна, был завербован для работы с США в области исследований и разработок, а в 1947 году начал работать на базе ВВС Райт-Паттерсон.

Он продолжал заниматься теоретическими и экспериментальными исследованиями в области двигателей и энергетики, и к 19 годам56 он был назначен директором Лаборатории авиационных исследований ВВС. (2) К 1975 году он был назначен главным научным сотрудником Лаборатории аэродинамических двигателей. После ухода из Исследовательской лаборатории ВВС он продолжал работать консультантом, получая почести и награды, как и сэр Фрэнк Уиттл, пока не скончался в возрасте 86 лет в 1998 году. и фон Охайн работали независимо друг от друга и над расходящимися ТРД. Когда доктор фон Охайн начал свои исследования, он отметил, что сэр Франк создал свои конструкции двигателей в соответствии с патентом, а затем продолжил работу над собственной версией.

Позже они стали друзьями, а встреча в 1978 году и последующие вопросы и ответы в Уайт-Паттерсоне стали наиболее заметным событием между ними двумя. Согласно журналу Air Force Magazine, «Уиттл и фон Охайн много раз встречались в Соединенных Штатах, часто когда они вместе получали какую-то престижную награду, такую ​​как премия Чарльза Старка Дрейпера 1991 года. Когда они были вместе, фон Охайн любезно подчинялся сэру Фрэнку». (3)

Независимо от того, кто считает, что он действительно изобрел первый реактивный двигатель, сэр Фрэнк Уиттл и доктор Ганс фон Охайн заслуживают признания, поскольку их работы произвели революцию. авиаперевозки и авиационные исследования и разработки.

Если вы хотите узнать больше о сэре Фрэнке Уиттле, добро пожаловать в наш блог о его усилиях по созданию реактивного двигателя. Если вы хотите спроектировать собственный реактивный двигатель или посмотреть, какие инструменты помогут вам в этом, рассмотрите AxSTREAM для своего проекта!

Ссылки

1. (без даты). фон Охайн, Ганс Иоахим Пабст . Получено из Национального зала авиационной славы: https://www.nationalaviation.org/our-enshrinees/von-ohain-hans-joachim-pabst/
2. Сак, Х. (2020, 14 декабря). Ганс фон Охайн и изобретение реактивного двигателя . Получено из блога SchiHi: http://scihi.org/hans-von-ohain-jet-engine/
3. Boyne, WJ (2006, 1 января). Сходящиеся пути Уиттла и фон Охайна . Получено из журнала ВВС: https://www.airforcemag.com/article/0106engines/

Страница не найдена | Национальный музей авиации и космонавтики

Пожертвовать сейчас

Один музей, две локации

Посетите нас в Вашингтоне, округ Колумбия, и Шантильи, штат Вирджиния, чтобы исследовать сотни самых значительных объектов в мире в истории авиации и космоса.
Посещать

Национальный музей авиации и космонавтики в Вашингтоне
Центр Удвар-Хази в Вирджинии
Запланируйте экскурсию
Групповые туры

В музее и онлайн

Откройте для себя наши выставки и участвуйте в программах лично или виртуально.
Как дела

События
Выставки
IMAX

Погрузитесь глубоко в воздух и космос

Просмотрите наши коллекции, истории, исследования и контент по запросу.
Исследовать

Истории
Темы
Коллекции
По запросу, по требованию
Для исследователей

Для учителей и родителей

Подарите своим ученикам Музей авиации и космонавтики, где бы вы ни находились.
Учить

Программы
Учебные ресурсы
Запланируйте экскурсию
Профессиональное развитие педагога
Образовательная ежемесячная тема

Будь искрой

Ваша поддержка поможет финансировать выставки, образовательные программы и усилия по сохранению.
Давать

Стать членом
Стена чести
Способы дать
Провести мероприятие

Будьте в курсе последних историй и событий с нашей рассылкой

Национальный музей авиации и космонавтики

Центр Стивена Ф.