Вторую половину XX века можно смело назвать веком газотурбинных двигателей: именно они сделали возможным массовые путешествия на большие расстояния, обеспечили трансконтинентальную перекачку газа и выработали огромное количество электроэнергии. К тому же газотурбинный двигатель по праву считается самым технологически сложным механизмом ушедшего века. Намного сложнее ядерного реактора.
Двигатель-труба: Вершина технологии

Труба с компрессором

Появлению турбореактивных двигателей человечество обязано двум странам: Великобритании и Германии, которые в течение всех 1930-х годов успешно работали над этой проблемой. Перед Второй мировой войной стало ясно, что традиционная поршнево-винтовая авиация подошла к своему технологическому пределу — как по мощности, так и по скорости. Одной из альтернатив был воздушно-реактивный двигатель. Принцип его довольно прост: представим себе трубу вдоль летящего самолета; с той стороны, откуда поступает набегающий воздух, труба постепенно сужается, воздух там замедляется и его давление увеличивается. В этой части в него впрыскивается горючее — обычно авиационный керосин. После сгорания топливовоздушной смеси раскаленные газы стремительно расширяются и через сопло с обратной стороны трубы выбрасываются в сторону, противоположную движению самолета. В принципе все просто, за исключением того, что для создания необходимого сжатия воздуха самолет должен лететь со скоростью, достигающей (или превышающей) скорость звука. С такими скоростями в начале века летали разве что снаряды.

Теоретическое решение тоже несложное: чтобы двигатель заработал на земле, в трубу следовало компрессором принудительно нагнетать воздух. В 1929 году молодому англичанину Фрэнку Уиттлу пришла идея, как все это реализовать на практике: объединить на общем валу компрессор и газовую турбину, которая и приводила бы в действие компрессор. За прошедшие 80 лет принципиальная схема газотурбинных двигателей не изменилась. 30 января 1930 года Уиттл подал заявку и спустя 18 месяцев получил патент на конструкцию газотурбинного двигателя (ГТД). Собственно, этот патент и дает Фрэнку Уиттлу право называться отцом ГТД.

Германский вопрос

Тем не менее родиной серийного турбореактивного двигателя суждено было стать совсем другой стране — Германии. В 1935 году немецкий физик Ханс-Иоахим Пабст фон Охайн получил патент на реактивную самолетную установку, состоящую из двухступенчатого компрессора (осевого вентилятора и расположенного за ним центробежного компрессора) и центростремительной турбины. Такая схема в общих чертах соответствовала изобретению Фрэнка Уиттла, но точно не известно, был ли в то время Пабст фон Охайн знаком с ним. Идея турбореактивного двигателя витала в воздухе.

Потратив на постройку прототипа все свои сбережения, фон Охайн вполне мог разделить судьбу ныне позабытых изобретателей, если бы его университетский профессор не представил его Эрнсту Хейнкелю, одному из самых прогрессивных авиапромышленников середины века. Достаточно упомянуть, что фирма Хейнкеля единственная в мире в конце 1930-х годов проектировала турбореактивные и ракетные самолеты. Через год Пабст фон Охайн изготовил для Хейнкеля первый двигатель HeS 1, а к середине 1939 года — уже готовую к установке на самолет модель HeS 3. 27 августа 1939 года взлетел He 178 — первый в мире самолет, использовавший для полета энергию только турбореактивного двигателя. Приступив к разработке собственного двигателя на пять лет позже Уиттла, фон Охайн поднял свой самолет в воздух почти на два года раньше англичанина — экспериментальный Gloster E.28/39 с двигателем Уиттла Power Jets W.1 (Whittle N1) взлетел только 15 мая 1941 года. Причина такого резкого рывка Германии кроется прежде всего в широкой финансовой и организационной поддержке авиадвигателестроения со стороны немецкого правительства.

Однако дальнейшая судьба обоих изобретателей сложилась довольно грустно. Несмотря на то, что турбореактивный самолет Хейнкеля взлетел первым в мире, а в начале 1940-х годов компания разработала практически все современные типы турбореактивных двигателей, в серию не пошел ни один двигатель Хейнкеля и, соответственно, фон Охайна — руководство рейха решило, что самолетостроительная компания должна заниматься самолетами, оставив двигатели двигателестроителям.

После того как турбореактивными двигателями всерьез заинтересовалось правительство Великобритании и запахло большими деньгами, дни компании Уиттла Power Jets были сочтены. По распоряжению кабинета министров документация на все разработки Уиттла была передана компаниям Rover, Rolls-Royсe и de Havilland, а его фирма личным указом Черчилля была национализирована и преобразована в Национальный газотурбинный исследовательский центр.

Интересно, что два легендарных изобретателя конец своей жизни провели в США, так и не погасив в себе чувства обиды, и даже стали там большими друзьями. В Америке их ждало всемирное признание и огромное количество разнообразных премий и наград, в том числе премия за технологию имени Чарльза Старка Дрейпера — американского специалиста в области аэронавтики и навигационного приборостроения, — которую они совместно получили в 1992 году.

Первый серийный

Создание турбореактивного двигателя в конце 1930-х было своеобразным хобби немецких компаний. В этой области отметились практически все известные ныне бренды: помимо уже упоминавшегося Heinkel, BMW, Daimler-Benz, Focke-Wulf, Walter и даже Porsche. Тем не менее основные лавры достались компании Junkers и ее первому в мире серийному турбореактивному двигателю 109−004 (такое вот незамысловатое название), устанавливаемому на первый же в мире турбореактивный самолет Me 262.

Основанная в 1913 году легендарным авиаконструктором и двигателистом Гуго Юнкерсом компания Junkers к началу 1940-х была единственной германской фирмой с одинаково сильными как самолетостроительными, так и двигателестроительными традициями и промышленными мощностями. Свои первые газотурбинные двигатели инженеры Юнкерса начали разрабатывать еще в 1935 году, однако по экзотической схеме со свободнопоршневым турбокомпрессором, которая оказалась тупиковой. К 1938 году над проектами турбореактивных двигателей в Junkers трудилось более 30 инженеров под руководством доктора Ансельма Франца. К 1939 году Франц отказался от всех разрабатывавшихся ранее схем двигателей и принялся с нуля конструировать двигатель, впоследствии получивший обозначение Jumo 109−004. Ансельм Франц остановился на осевом компрессоре, который по сравнению с более распространенными в то время центробежными компрессорами обеспечивал более прямое прохождение нагнетаемого воздуха сквозь двигатель и позволял создать двигатель с меньшей лобовой площадью. Было решено использовать шесть отдельных трубчатых камер сгорания вместо единой кольцевой, так как трубчатые камеры было проще разрабатывать и испытывать. Генеральным направлением Ансельма Франца был курс на максимальное упрощение конструкции даже в ущерб характеристикам, чтобы не возникли трудности с освоением и серийным производством двигателя.

И этот подход себя полностью оправдал. Дело в том, что первоначально планировалось устанавливать на Me 262 более совершенный двигатель BMW 109−003. Однако баварские инженеры не смогли довести двигатель к нужному сроку — вместо 1940 года он был готов к летным испытаниям только в октябре 1943-го. К этому времени опытные Me 262 (с 18 июля 1942 года) вовсю летали на двигателях Jumo 109−004A, которые изначально рассматривались как резервные. Мало того, в июне 1943 года с заводов Юнкерса стали выходить пусть еще и «сырые», но уже серийные двигатели Jumo 109−004 B-1. Впервые в мире.

Трофейные технологии

В качестве трофеев союзникам досталось огромное количество двигателей Jumo 109−004 — как установленных на Me 262, так и найденных на захваченных заводах. Мало того, рядом с немецкими предприятиями солдат союзных войск зачастую встречали целые свалки двигателей и их запчастей — компании Junkers так и не удалось до конца войны полностью довести двигатель, и значительная часть продукции уходила в брак.

К полученным трофеям у союзников было неоднозначное отношение. Заключение экспертов из фирмы British Power Jets было категоричным: «На этом двигателе едва ли можно научиться чему-либо полезному с точки зрения разработки газотурбинных двигателей в будущем». Такого же мнения придерживались и американцы. СССР и Франция, не имевшие на конец войны сколько-нибудь значительных собственных разработок в этой сфере, основной упор сделали на копирование германских силовых установок, пусть и в качестве временной, вынужденной меры. Первый французский реактивный самолет Sud-Ouest Triton, поднявшийся в небо 11 ноября 1946 года, был оборудован как раз трофейными Jumo 109−004.

СССР подошел к германскому наследию масштабнее: в 1946 году на Волгу в городок ГАЗ-19 вблизи Куйбышева были почти полностью вывезены заводы Юнкерса из Дессау и Бернберга вместе с немецкими и австрийскими инженерами, не успевшими удрать из советской зоны оккупации. Под руководством советского конструктора Н.Д. Кузнецова они организовали зимой 1946−1947 годов выпуск двигателя РД-10 — советского клона Jumo 109−004, которым и оснащались первые советские истребители Як-15, а впоследствии и Як-17, Як-19, Су-9 и т. д. В итоге получилось, что на двигателях Ансельма Франца взлетел не только первый немецкий, но и первый французский и первый советский самолеты.

Конец немецкой эпохи

Несмотря на невероятно удачный старт в реактивной авиации первого поколения, немецкие решения дальнейшего развития нигде в мире не получили, в том числе и в Советском Союзе. В конце Второй мировой войны советскому правительству чудом удалось купить у Великобритании новейшие совершенно секретные турбореактивные двигатели Rolls-Royce моделей Derwent и Nene, которые были испытаны и уже через год подготовлены к производству. Двигатель Derwent копировал Завод №500, а Nene — Завод №45. Соответственно, и двигатели получили незамысловатые названия РД-500 и РД-45. Усовершенствованная копия Nene носила и второе название — ВК-1, по имени советского конструктора, курировавшего проект, — Владимира Климова. В ВК-1 увеличили камеры сгорания, размеры лопаток турбины и установили выходные устройства трубного вида, что способствовало большему забору воздуха.

Судьба РД-500 сложилась не слишком удачно, а вот ВК-1, серийно выпускавшийся до 1958 года, стал бестселлером с тиражом около 20 тысяч экземпляров. Он устанавливался, например, на легендарных МиГ-15 и МиГ-17, ставших одними из самых лучших турбореактивных истребителей второго поколения в мире, что и показали бои в Юго-Восточной Азии. Больше в мире никто ничьих двигателей не копировал. Все мировые гиганты пошли собственным путем.

Статья «» опубликована в журнале «Популярная механика» (№9, Сентябрь 2007).