Реактивный самолет (или просто реактивный самолет ) — это воздушное судно (почти всегда с неподвижным крылом ), оснащенное одним или несколькими реактивными двигателями .
В то время как двигатели винтовых самолетов обычно достигают максимальной эффективности на гораздо более низких скоростях и высотах, реактивные двигатели достигают максимальной эффективности на скоростях, близких к скорости звука или даже значительно превышающих ее . Реактивные самолеты обычно наиболее эффективно летают на скорости около 0,8 Маха (981 км/ч (610 миль/ч)) и на высотах около 10 000–15 000 м (33 000–49 000 футов) или более.
Идея реактивного двигателя не была новой, но технические проблемы, связанные с ней, начали решаться только в 1930-х годах. Фрэнк Уиттл , английский изобретатель и офицер Королевских ВВС , начал разработку жизнеспособного реактивного двигателя в 1928 году, [1] а Ганс фон Охайн в Германии начал работать независимо в начале 1930-х годов. В августе 1939 года турбореактивный Heinkel He 178 , первый в мире реактивный самолет, совершил свой первый полет. Существует широкий спектр различных типов реактивных самолетов, как для гражданских, так и для военных целей.
После первого случая полета с двигателем было предложено большое количество конструкций реактивных двигателей. Рене Лорен , Мориз, Харрис предложили системы для создания реактивного истечения. [2]
После того, как были запущены другие реактивные двигатели, румынский изобретатель Анри Коанда заявил, что построил реактивный самолет в 1910 году, Coandă-1910 . Однако, чтобы подтвердить это заявление, ему пришлось внести существенные изменения в чертежи, которые он использовал для подтверждения своих впоследствии опровергнутых заявлений. [3] Фактически, двигатель с канальным вентилятором дал обратный эффект, в результате чего самолет загорелся еще до того, как были совершены какие-либо полеты, и у него не было почти всех характеристик, необходимых для реактивного двигателя, включая отсутствие впрыска топлива и любые опасения по поводу истечения горячей струи на легковоспламеняющуюся тканевую поверхность. [3]
В 1920-х и 1930-х годах было испробовано несколько подходов. Были разработаны различные реактивные , турбовинтовые , пульсирующие и ракетные самолеты. Исследования ракетных двигателей проводились в Германии, и первым самолетом, полетевшим на ракетной тяге, был Lippisch Ente в 1928 году. [4] Ente ранее летал как планер. В следующем году, в 1929 году, Opel RAK.1 стал первым специально построенным ракетным самолетом, который поднялся в воздух.
Турбореактивный двигатель был изобретен в 1930-х годах независимо друг от друга Фрэнком Уиттлом и позднее Гансом фон Охайном . Первым турбореактивным самолетом, поднявшимся в воздух 27 августа 1939 года в Ростоке (Германия), был Heinkel He 178 , оснащенный двигателем конструкции фон Охайна. [5] [6] Это было в значительной степени доказательством концепции, поскольку проблема « ползучести » (усталости металла, вызванной высокими температурами внутри двигателя) не была решена, и двигатель быстро сгорел. Конструкция фон Охайна, двигатель с осевым потоком, в отличие от двигателя с центробежным потоком Уиттла, в конечном итоге была принята большинством производителей к 1950-м годам. [7] [8]
Первым полетом реактивного самолета, привлекшим внимание общественности, был итальянский прототип реактивного самолета Caproni Campini N.1, совершивший полет 27 августа 1940 года. [9] Это был первый реактивный самолет, признанный Международной авиационной федерацией (в то время немецкая программа He 178 все еще держалась в секрете). Кампини начал разработку реактивного самолета в 1932 году; он отличался от настоящего турбореактивного двигателя тем, что турбина приводилась в действие поршневым двигателем, а не сгоранием газов турбины, что было гораздо более сложным решением.
Британский экспериментальный самолет Gloster E.28/39 совершил первый полет 15 мая 1941 года, оснащенный турбореактивным двигателем сэра Фрэнка Уиттла . [10] Американский самолет Bell XP-59A совершил полет 1 октября 1942 года, используя два образца версии двигателя Уиттла, созданного General Electric . Meteor был первым серийным реактивным самолетом, первые заказы на серийные образцы были сделаны 8 августа 1941 года [11] , прототип впервые поднялся в воздух 5 марта 1943 года, а первый серийный самолет поднялся в воздух 12 января 1944 года [12] , в то время как первые заказы на серийные самолеты Me 262 были выданы только 25 мая 1943 года [13] , а первый серийный Me 262 поднялся в воздух только 28 марта 1944 года [14], несмотря на то, что программа Me 262 началась раньше, чем программа Meteor, под номером Projekt 1065, а первоначальные планы были составлены конструкторской группой Вальдемара Фойгта в апреле 1939 года.
Messerschmitt Me 262 был первым действующим реактивным истребителем [15] , произведенным Германией во время Второй мировой войны и поступившим на вооружение 19 апреля 1944 года в Erprobungskommando 262 в Лехфельде к югу от Аугсбурга. Me 262 одержал первую боевую победу для реактивного истребителя 26 июля 1944 года, за день до того, как британский Gloster Meteor поступил на вооружение. Me 262 впервые поднялся в воздух 18 апреля 1941 года, но массовое производство началось только в начале 1944 года, и первые эскадрильи были введены в эксплуатацию в том же году, слишком поздно, чтобы как-то повлиять на исход Второй мировой войны . В то время как во время Второй мировой войны эксплуатировалось всего около 15 Meteor, было произведено до 1400 Me 262, из которых 300 вошли в бой. Только ракетный Messerschmitt Me 163 Komet был более быстрым действующим самолетом во время войны. [ необходима ссылка ]
Примерно в это же время, в середине 1944 года, британский Meteor использовался для обороны Великобритании от летающей бомбы V-1 (сама V-1 была самолетом с пульсирующим воздушно- реактивным двигателем и прямым предком крылатой ракеты) , а затем для штурмовых операций над Европой в последние месяцы войны. В 1944 году Германия ввела в эксплуатацию реактивный разведывательный и бомбардировочный самолет Arado Ar 234 , хотя в основном он использовался в первой роли, а одномоторный легкий истребитель Heinkel He 162 Spatz появился в конце 1944 года. СССР испытал свой собственный самолет Березняк-Исаев БИ-1 в 1942 году, но проект был отменен лидером Иосифом Сталиным в 1945 году. Императорский флот Японии также разработал реактивные самолеты в 1945 году, включая Nakajima J9Y Kikka , модифицированную и немного уменьшенную версию Me 262 со складными крыльями. К концу 1945 года США приняли на вооружение свой первый реактивный истребитель Lockheed P-80 Shooting Star , а Великобритания — свой второй истребитель — de Havilland Vampire .
США ввели в эксплуатацию свой первый реактивный бомбардировщик North American B-45 Tornado в 1948 году. Он был способен нести ядерное оружие, но использовался для разведки над Кореей. 8 ноября 1950 года во время Корейской войны лейтенант ВВС США Рассел Дж. Браун, летевший на F-80 , перехватил два северокорейских МиГ-15 около реки Ялуцзян и сбил их в первом в истории воздушном бою между реактивными самолетами . Великобритания ввела в эксплуатацию English Electric Canberra в 1951 году в качестве легкого бомбардировщика . Он был разработан, чтобы летать выше и быстрее, чем любой перехватчик .
BOAC осуществила первый коммерческий реактивный рейс из Лондона в Йоханнесбург в 1952 году с реактивным лайнером de Havilland Comet . Этот весьма инновационный самолет летал намного быстрее и выше, чем винтовые самолеты, был намного тише, плавнее и имел стильные смешанные крылья, содержащие скрытые реактивные двигатели. Однако из-за дефекта конструкции и использования алюминиевых сплавов самолет претерпел катастрофическую усталость металла , что привело к нескольким крушениям, [16] что дало время для Boeing 707 поступить в эксплуатацию в 1958 году и, таким образом, доминировать на рынке гражданских авиалайнеров. Подвесные двигатели оказались выгодными в случае утечки топлива, и поэтому 707 выглядел довольно иначе, чем Comet: 707 имеет форму, которая фактически такая же, как и у современных самолетов, с заметной общностью, все еще очевидной сегодня, например, с 737 (фюзеляж) и A340 (однопалубный, стреловидное крыло, четыре двигателя под крылом).
Турбореактивные самолеты с гораздо большей топливной эффективностью начали поступать в эксплуатацию в 1950-х и 1960-х годах и стали наиболее распространенным типом реактивных самолетов.
Сверхзвуковой транспортный самолет Ту-144 был самым быстрым коммерческим реактивным самолетом со скоростью 2,35 Маха (2503 км/ч (1555 миль/ч)). Он был введен в эксплуатацию в 1975 году, но вскоре был снят с коммерческой эксплуатации. «Конкорд» со скоростью 2 Маха был введен в эксплуатацию в 1976 году и летал в течение 27 лет.
Самым быстрым военным реактивным самолетом был SR-71 Blackbird со скоростью 3,35 Маха (3661 км/ч (2275 миль/ч)).
Большинство людей используют термин «реактивный самолет» для обозначения воздушно-реактивных двигателей на основе газотурбинных установок , однако ракеты и гиперзвуковые прямоточные воздушно-реактивные двигатели также приводятся в движение реактивной тягой.
Крылатые ракеты — это одноразовые беспилотные реактивные летательные аппараты, оснащенные преимущественно прямоточными воздушно-реактивными двигателями или турбореактивными двигателями, а иногда и турбовентиляторными, но часто они имеют ракетную двигательную установку для первоначального приведения в движение.
Самым быстрым воздушно-реактивным самолетом является беспилотный ГПВРД X-43, развивающий скорость около 9–10 Махов.
Самый быстрый пилотируемый (ракетный) самолет — X-15, развивающий скорость 6,85 Маха.
Space Shuttle , хотя и был намного быстрее X-43 или X-15, не считался самолетом во время подъема, поскольку он переносился баллистически за счет ракетной тяги, а не воздуха. Во время входа в атмосферу он классифицировался (как планер) как безмоторный самолет. Первый полет состоялся в 1981 году.
Bell 533 (1964), Lockheed XH-51 (1965) и Sikorsky S-69 (1977-1981) являются примерами сложных конструкций вертолетов , в которых реактивный выхлоп добавлялся к прямой тяге. [17] Hiller YH-32 Hornet и Fairey Ultra-light Helicopter были среди многих вертолетов, в которых роторы приводились в движение концевыми реактивными соплами .
Существуют реактивные вингсьюты , работающие на основе реактивных двигателей моделей самолетов, но они действуют недолго и их нужно запускать на высоте. [18]
Из-за особенностей работы реактивных двигателей типичная скорость истечения газов составляет околозвуковую или выше, поэтому большинству реактивных самолетов необходимо летать на высоких скоростях, либо сверхзвуковых , либо на скоростях чуть ниже скорости звука (« околозвуковых »), чтобы достичь эффективного полета. Поэтому аэродинамика является важным фактором.
Реактивные самолеты обычно проектируются с использованием правила площадей Уиткомба , которое гласит, что общая площадь поперечного сечения самолета в любой точке вдоль самолета от носа должна быть примерно такой же, как у тела Сирса-Хаака . Форма с этим свойством минимизирует образование ударных волн, которые тратили бы энергию впустую.
Существует несколько типов двигателей, работающих за счет выброса горячего газа:
.jpg/1280px-Lockheed_SR-71_Blackbird_(modified).jpg)
Различные типы используются для разных целей.
Ракеты являются старейшим типом и в основном используются, когда необходимы чрезвычайно высокие скорости или работа на чрезвычайно больших высотах, где недостаточно воздуха для работы реактивного двигателя. Из-за чрезвычайной, как правило, гиперзвуковой , скорости истечения и необходимости иметь на борту окислитель, они чрезвычайно быстро потребляют топливо, что делает их непрактичными для обычной транспортировки.
Турбореактивные двигатели являются вторым старейшим типом; они имеют высокую, обычно сверхзвуковую, скорость истечения и малое лобовое сечение, и поэтому лучше всего подходят для высокоскоростного, обычно сверхзвукового, полета. Хотя когда-то они широко использовались, они относительно неэффективны по сравнению с турбовинтовыми и турбовентиляторными для дозвукового полета. Последними крупными самолетами, использовавшими турбореактивные двигатели, были сверхзвуковые транспортные самолеты Concorde и Ту-144 .
Турбореактивные двигатели с низким байпасом имеют меньшую скорость истечения, чем турбореактивные, и в основном используются для высоких звуковых, околозвуковых и низких сверхзвуковых скоростей. Турбореактивные двигатели с высоким байпасом относительно эффективны и используются в дозвуковых самолетах, таких как авиалайнеры.
Реактивные самолеты летают совершенно иначе, чем винтовые .
Одно из отличий заключается в том, что реактивные двигатели реагируют относительно медленно. [ требуется ссылка ] Это усложняет маневры взлета и посадки. В частности, во время взлета двигатели винтовых самолетов обдувают крылья, что обеспечивает большую подъемную силу и более короткий взлет. Эти отличия привлекли внимание некоторых ранних пилотов BOAC Comet . [16]
В самолетах общая пропульсивная эффективность — это эффективность в процентах, с которой энергия, содержащаяся в топливе транспортного средства, преобразуется в полезную энергию для компенсации потерь из-за сопротивления воздуха , гравитации и ускорения. Ее также можно определить как долю механической энергии, фактически используемой для приведения самолета в движение. Она всегда меньше 100% из-за потери кинетической энергии на выхлоп и неидеальной эффективности пропульсивного механизма, будь то пропеллер , реактивный выхлоп или вентилятор. Кроме того, пропульсивная эффективность во многом зависит от плотности воздуха и скорости полета.
Математически это представлено как [19] где - эффективность цикла , а - эффективность тяги. Эффективность цикла, в процентах, - это доля энергии, которая может быть получена из источника энергии, которая преобразуется в механическую энергию двигателем .
Для реактивных самолетов пропульсивная эффективность (по сути, энергетическая эффективность ) является наивысшей, когда двигатель испускает струю выхлопных газов со скоростью, которая равна или почти равна скорости транспортного средства. Точная формула для воздушно-реактивных двигателей, приведенная в литературе, [20] [21] выглядит следующим образом:
где c — скорость истечения газа, а v — скорость самолета.
Для дальнего реактивного самолета, работающего в стратосфере , скорость звука постоянна, поэтому полет с фиксированным углом атаки и постоянным числом Маха заставляет самолет подниматься, не меняя значения локальной скорости звука. В этом случае:
где - число Маха на крейсерском режиме и локальная скорость звука. Уравнение дальности можно представить следующим образом:
которое известно как уравнение дальности Бреге в честь французского пионера авиации Луи Шарля Бреге .
