Концевой реактивный двигатель — это реактивное сопло на конце некоторых лопастей вертолетного винта , используемое для вращения ротора, подобно фейерверку с колесом Екатерины . Концевые реактивные двигатели заменяют обычный привод вала и имеют преимущество в том, что не передают крутящий момент на планер, таким образом не требуя наличия хвостового винта. Некоторые простые монокоптеры состоят только из одной лопасти с концевой ракетой. [1] [2]
Концевые реактивные двигатели могут использовать сжатый воздух, подаваемый отдельным двигателем , для создания реактивной тяги . Другие типы используют систему, которая функционирует аналогично форсажной камере (повторному нагреву) на обычном реактивном двигателе, за исключением того, что вместо повторного нагрева газовой струи они служат первичным нагревателем, создавая большую тягу, чем поток предварительно сжатого воздуха; лучшее описание этого - увеличение тяги . Другие конструкции включают прямоточные воздушно-реактивные двигатели или даже полный турбореактивный двигатель. Некоторые, известные как системы ракеты на роторе , предполагают размещение ракет на концах лопастей ротора, которые заправляются из бака. [3]
Если двигатель вертолета выходит из строя, концевые струи на роторе увеличивают момент инерции , тем самым позволяя ему накапливать энергию, что несколько облегчает выполнение успешной посадки с авторотацией . Однако концевая струя также обычно создает значительное дополнительное сопротивление воздуха, что требует более высокой скорости снижения и означает, что для выживания должен произойти очень резкий переход к посадочному выравниванию с небольшим количеством места для ошибки.
В 1900-х годах австриец Людвиг Витгенштейн исследовал использование концевых струй для приведения в действие воздушного винта самолета , изучая авиационную технику в Манчестерском университете в Соединенном Королевстве. Концепция Витгенштейна требовала, чтобы воздух и газ были нагнетены вдоль лопастей винта в камеры сгорания на конце каждой лопасти, в которых эти газы подвергались сжатию посредством центробежной силы, создаваемой вращающимися лопастями, и тем самым вырабатывали достаточно тепла для воспламенения. [4] В 1911 году Витгенштейн смог получить патент, связанный с его работой над концевыми струями. [5]
Несмотря на относительно раннее возникновение концепции, достижение следующего шага практического применения оказалось весьма сложным, в основном из-за того, что конструкции пропеллеров той эпохи были относительно примитивными и несовместимыми с изменениями в конструкции, необходимыми для внедрения концевых струй Витгенштейна. Прошло много лет, прежде чем была разработана конструкция лопасти, которая могла бы поддержать это нововведение. Пропеллеры того периода обычно были деревянными, тогда как более поздние лопасти пропеллеров обычно состоят из композитных материалов или прессованных стальных ламинатов; последние изготавливаются как отдельные половины перед сваркой, что придает лопасти полую внутреннюю часть и, следовательно, идеальный путь для направления воздуха и газа для концевой струи. [4] Прогресс в области реактивного пропеллера был еще больше сорван отсутствием у Витгенштейна практического опыта работы с машинами. [6] В конечном итоге он потерял интерес к авиации и прекратил свою инженерную работу. Витгенштейн станет более известным благодаря своим более поздним работам как философ . [7]
В 1920-х годах итальянский инженер-авиаконструктор Витторио Изакко спроектировал и построил несколько нетрадиционных винтокрылых аппаратов, которые стали известны как Helicogyre . В 1929 году Helicogyre K1171 был изготовлен британским производителем самолетов SE Saunders Limited и доставлен в Королевское авиационное учреждение (RAE) в Фарнборо по дороге, где он прошел ограниченные испытания, прежде чем программа была прекращена. [8] [9] Хотя Helicogyre не использовал реактивные двигатели, а вместо этого приводился в действие поршневыми двигателями, расположенными на концах роторного крыла, Изакко предвидел, что их можно будет заменить реактивными. [10]
Другим пионером в области концевых струйных двигателей был российско-американский инженер Евгений Михаил Глухарев , изобретатель реактивного двигателя Глухарева . [11]
Во время Второй мировой войны немецкий инженер Фридрих фон Добльхофф предложил оснастить вертолет прямоточными воздушно-реактивными двигателями, расположенными на концах ротора. Его идея была принята на вооружение, и в 1943 году WNF 342 V1 стал первым вертолетом с реактивным двигателем на концах ротора; он использовал обычный поршневой двигатель для привода как компактного пропеллера, так и воздушного компрессора для подачи воздуха (впоследствии смешанного с топливом) через каналы в головке ротора и полые лопасти ротора в камеры сгорания, установленные на концах ротора. [12] В дополнение к экспериментальному использованию WNF 342 Германией, два прототипа были получены Соединенными Штатами , когда конфликт подошел к концу. [13]
Впоследствии Добльхофф присоединился к американскому производителю самолетов McDonnell Aircraft , который разработал и пилотировал McDonnell XV-1 , экспериментальный составной автожир , в начале 1950-х годов. Этот винтокрылый аппарат был классифицирован как конвертоплан ; силовая установка была оснащена одним радиальным двигателем R-975 , построенным Continental , который приводил в действие пару воздушных компрессоров для подачи воздуха высокого давления через трубопровод в лопастях ротора в камеру сгорания на каждом из трех концов ротора, где горелка воспламеняла топливо для увеличения тяги, что приводило роторы в движение и позволяло аппарату летать подобно обычному вертолету. [14] Однако во время горизонтального полета компрессоры были отсоединены от двигателя, который вместо этого приводил в движение двухлопастной толкающий винт; в прямом полете 80 процентов подъемной силы обеспечивалось крылом, в то время как остальная часть создавалась основным ротором, который авторотировался примерно на 50 процентах своих оборотов в минуту при прямом приводе. [15] [16] Проект XV-1 был отменен из-за его невыгодной сложности и быстрого прогресса обычных вертолетов. [17]
Инженеру Августу Степану приписывают создание реактивных двигателей на концах крыльев, используемых британской авиастроительной компанией Fairey Aviation . [ необходима цитата ] После Второй мировой войны Fairey Aviation стремилась исследовать винтокрылые летательные аппараты, разработав Fairey FB-1 Gyrodyne в соответствии со спецификацией E.16/47 . [18] Второй FB-1 был модифицирован для исследования ротора с приводом от реактивных двигателей на концах крыльев, соединенного с парой пропеллеров, установленных на укороченных крыльях; позже он был переименован в Jet Gyrodyne . [19] Еще один винтокрылый летательный аппарат, разработанный фирмой, Fairey Ultra-light Helicopter был компактным двухместным летательным аппаратом с параллельными крыльями, который использовал реактивные двигатели на концах крыльев, работающие от одного турбореактивного двигателя Turbomeca Palouste . [20] Этот тип привел к контракту с Министерством снабжения на четыре самолета, пригодных для летных испытаний; возможности Ultra-light впоследствии демонстрировались на многочисленных военных учениях, авиашоу и даже в море. [20] Однако британская армия стала больше внимания уделять сопернику Saunders-Roe Skeeter , предположительно из-за интереса к последнему со стороны немецкого правительства. [21]
На основе спецификации, разработанной авиакомпанией British European Airways (BEA) для пассажирского винтокрылого аппарата, названного BEA Bus , [22] Фейри приступил к разработке Fairey Rotodyne . 6 ноября 1957 года прототип Rotodyne совершил свой первый полет , пилотируемый главным летчиком-испытателем вертолетов, лидером эскадрильи У. Роном Геллатли, и помощником главного летчика-испытателя вертолетов, лейтенантом-коммандером Джоном Г. П. Мортоном в качестве второго пилота. [23] [24] 10 апреля 1958 года Rotodyne совершил свой первый успешный переход из вертикального в горизонтальный полет, а затем обратно в вертикальный. [24] [25] 5 января 1959 года Rotodyne установил мировой рекорд скорости в категории конвертопланов, развив скорость 190,9 миль в час (307,2 км/ч) на замкнутом контуре длиной 60 миль (100 км). [26] [27]
И BEA, и RAF публично заявили о своей заинтересованности в Rotodyne, причем последний разместил первоначальный заказ на этот тип. [28] Сообщается, что более крупная конструкция Rotodyne Z может быть разработана для размещения до 75 пассажиров и, при оснащении двигателями Rolls-Royce Tyne , будет иметь прогнозируемую крейсерскую скорость 200 узлов (370 км/ч). Он сможет перевозить около 8 тонн (7 тонн) груза; грузы могли включать несколько транспортных средств британской армии и неповрежденный фюзеляж некоторых истребителей внутри его фюзеляжа. [29] Несмотря на то, что большая часть опытно-конструкторских работ была завершена, британское правительство заявило, что не будет оказывать дальнейшей поддержки Rotodyne по экономическим причинам. Соответственно, 26 февраля 1962 года официальное финансирование Rotodyne было прекращено. [30] [31]
Французская авиастроительная компания Sud-Ouest стала первой компанией, которая осуществила массовое производство винтокрылого аппарата с реактивным двигателем на концах несущих винтов . [32] Первоначально разработав Sud-Ouest Ariel , оснащенный реактивным двигателем на концах несущих винтов , для чисто экспериментальных целей, фирма имела достаточно уверенности, чтобы приступить к производству стандартного винтокрылого аппарата Sud-Ouest Djinn . [33] Одноместный прототип, обозначенный как SO1220 , был построен для использования в качестве воздушного испытательного стенда для концепции силовой установки винтокрылого аппарата. [34] [35] Французская армия поощряла строительство большой предсерийной партии из 22 вертолетов для целей оценки. Первый из них поднялся в воздух 23 сентября 1954 года. Три предсерийных винтокрылых аппарата были приобретены армией Соединенных Штатов , обозначив его YHO-1 , для собственных испытаний; по словам авиационного автора Стэнли С. Макгоуэна, армия США не проявляла особого интереса к этому типу. [36] По словам автора Уэйна Мутца, армия США сочла YHO-1 превосходной платформой для вооружения, но была вынуждена отказаться от своего интереса из-за политической оппозиции к закупке винтокрылых машин иностранного производства. [37]
Помимо французских военных, еще десять стран разместили заказы на этот тип; например, партия из шести вертолетов была закуплена немецкой армией . [36] Производство Djinn прекратилось в середине 1960-х годов, к этому моменту было построено в общей сложности 178 Djinn; этот тип был фактически заменен более традиционным и весьма успешным Aérospatiale Alouette II . [33] [38] Некоторые Djinn были проданы гражданским операторам; в этом качестве они часто были оборудованы для сельскохозяйственных целей, снабжены химическими баками и распылительными штангами. [36] В конце 1950-х годов Sud Aviation изучала улучшенную версию Djinn, предварительно обозначенную как Djinn III или Super Djinn . Как предполагалось, проектируемый Super Djinn должен был принять более новый двигатель Turbomeca Palouste IV наряду с другими изменениями для большей мощности и выносливости, чем исходная производственная модель. [32] [39]
Сжатый воздух в форсунках с холодным наконечником обычно выходил при довольно высоких температурах из-за эффектов сжатия-нагрева, но их называют «холодными» форсунками [ требуется ссылка ], чтобы отличить их от форсунок, которые сжигают топливо для нагрева воздуха для большей тяги; аналогично разнице между «холодными» и «горячими» выхлопами в «прыжковом» форсунке Harrier , который использует «холодный» воздух, нагретый до нескольких сотен градусов путем сжатия внутри компрессора низкого давления двигателя Pegasus .)
В этом контексте горячие наконечники струй являются формой простого ракетного двигателя с подачей под давлением , поскольку и топливо, и окислитель подаются, смешиваются и воспламеняются. Обычно в качестве окислителя здесь используется воздух, который сжимается в другом месте самолета и подается через ротор в концевой двигатель вместе с топливом.
(Примечание: топливо и окислитель подаются в камеры сгорания на концах ротора.)