Реактивный самолет (или просто реактивный самолет ) — это летательный аппарат (почти всегда самолет с неподвижным крылом ), приводимый в движение одним или несколькими реактивными двигателями .
В то время как двигатели винтовых самолетов обычно достигают максимальной эффективности на гораздо меньших 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 со скоростью около 0,8 Маха (981 км / ч (610 миль в час)) и на высоте около 10 000–15 000 м (33 000–49 000 футов) или более.
Идея реактивного двигателя не была новой, но связанные с ней технические проблемы не могли быть решены до 1930-х годов.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 первый в мире реактивный самолет Heinkel He 178 с турбореактивным двигателем совершил свой первый полет . Существует широкий спектр различных типов реактивных самолетов как гражданского, так и военного назначения.
После первого случая полета с двигателем было предложено большое количество конструкций реактивных двигателей. Рене Лорен , Мориз, Харрис предложили системы создания струйного истечения. [2]
После того, как были запущены другие реактивные двигатели, румынский изобретатель Анри Коанда заявил, что в 1910 году построил самолет с реактивным двигателем, Коанда -1910 . Однако, чтобы поддержать это утверждение, ему пришлось внести существенные изменения в рисунки, которые он использовал для подтверждения своих впоследствии опровергнутых утверждений. [3] Фактически, двигатель с канальным вентилятором дал обратный эффект, поджег самолет еще до того, как были совершены какие-либо полеты, и ему не хватало почти всех функций, необходимых для реактивного двигателя, включая отсутствие впрыска топлива и любые опасения по поводу перегрева. Истечение струи направлено на легковоспламеняющуюся поверхность ткани. [3]
В 1920-е и 1930-е годы было опробовано несколько подходов. Были разработаны различные самолеты с реактивными , турбовинтовыми , импульсными и ракетными двигателями . Исследования ракетных двигателей проводились в Германии, и первым самолетом, летавшим на ракетной мощности, был Lippisch Ente в 1928 году . [4] Ранее Ente летал как планер. В следующем, 1929 году, Opel RAK.1 стал первым специально созданным ракетным самолетом, совершившим полет.
Турбореактивный двигатель был изобретен в 1930-х годах независимо Фрэнком Уиттлом , а затем Гансом фон Охайном . Первым турбореактивным самолетом, совершившим полет 27 августа 1939 года в Ростоке (Германия), был Heinkel He 178 , оснащенный двигателем конструкции фон Охайна. [5] [6] Во многом это было подтверждением 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, стал итальянский прототип реактивного двигателя Caproni Campini N.1 , который поднялся в воздух 27 августа 1940 года. [9] Это был первый реактивный самолет, признанный Международной авиационной федерацией (на время немецкая программа He 178 все еще держалась в секрете). Кампини начал разработку реактивного двигателя в 1932 году; он отличался от настоящего турбореактивного двигателя тем, что воздух прогонялся поршневым двигателем, а не выхлопными газами, что является гораздо более сложным решением.
Британский экспериментальный Gloster E.28/39 впервые поднялся в воздух 15 мая 1941 года, оснащенный турбореактивным двигателем сэра Фрэнка Уиттла . [10] Американский самолет Bell XP-59A совершил полет 1 октября 1942 года на двух экземплярах двигателя Уиттла, построенных компанией General Electric . «Метеор» 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 первый заказы на производство самолетов Me 262 не были выданы до 25 мая 1943 года, [13] а первый серийный Me 262 не поднялся в воздух до 28 марта 1944 года [14] , несмотря на то, что программа Me 262 началась раньше, чем программа Meteor, как проект 1065. , первоначальный план которого был составлен командой дизайнеров 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 составе Erprobungskommando 262 в Лехфельде, к югу от Аугсбурга. Me 262 одержал первую боевую победу среди реактивных истребителей 26 июля 1944 года. Me 262 впервые поднялся в воздух 18 апреля 1941 года, но массовое производство началось только в начале 1944 года, когда в том же году вступили в строй первые эскадрильи, что было слишком поздно для какое-либо влияние на исход Второй мировой войны . Хотя во время Второй мировой войны в эксплуатации находилось всего около 15 «Метеоров», было произведено до 1400 Me 262, из которых 300 поступили в бой. Только реактивный Мессершмитт Ме 163 Комет был более быстрым боевым самолетом во время войны. [ нужна цитата ]
Примерно в это же время, в середине 1944 года, британский Gloster Meteor использовался для защиты Великобритании от летающей бомбы Фау-1 – самолета с импульсным реактивным двигателем и прямого предшественника крылатой ракеты – а затем для наземных атак над Европой. в последние месяцы войны. В 1944 году Германия приняла на вооружение реактивный разведчик и бомбардировщик Arado Ar 234 , хотя в основном использовался в прежней роли, а в конце 1944 года появился одномоторный легкий истребитель Heinkel He 162 Spatz . СССР испытал свой собственный Березняк-Исаев Б.И. -1 в 1942 году, но проект был свернут лидером Иосифом Сталиным в 1945 году. Императорский флот Японии также разработал реактивные самолеты в 1945 году, в том числе Nakajima J9Y Kikka , модифицированную и немного уменьшенную версию Me 262 со складывающимися крыльями. К концу 1945 года США приняли на вооружение свой первый реактивный истребитель Lockheed P-80 Shooting Star , а Великобритания — второй истребитель de Havilland Vampire .
В 1948 году США приняли на вооружение свой первый реактивный бомбардировщик North American B-45 Tornado . 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, летая на F-80 , перехватил два северокорейских МиГ-15 возле реки Ялу и сбил их в первом же заходе на самолет. -реактивный воздушный бой в истории. Великобритания приняла на вооружение English Electric Canberra в 1951 году как легкий бомбардировщик . Он был спроектирован так, чтобы летать выше и быстрее, чем любой перехватчик .
В 1952 году BOAC осуществила первый коммерческий реактивный рейс из Лондона в Йоханнесбург на реактивном лайнере de Havilland Comet . Этот инновационный самолет летал гораздо быстрее и выше, чем винтовые самолеты, был намного тише, плавнее и имел стильные крылья смешанной конструкции со скрытыми реактивными двигателями. Однако из-за конструктивного дефекта и использования алюминиевых сплавов самолет подвергся катастрофической усталости металла , что привело к нескольким авариям, [16] что дало время Боингу 707 поступить в эксплуатацию в 1958 году и, таким образом, доминировать на рынке гражданских авиалайнеров. . Было обнаружено, что подвешенные двигатели дают преимущество в случае утечки топлива, поэтому Боинг 707 сильно отличался от Кометы: Боинг 707 имеет форму, которая практически такая же, как у современных самолетов, с заметной общностью, которая все еще очевидна для самолетов сегодня. пример с Боингом 737 (фюзеляж) и А340 (однопалубный, стреловидное крыло, четыре двигателя под крылом).
Турбореактивные самолеты с гораздо большей топливной эффективностью начали поступать на вооружение в 1950-х и 1960-х годах и стали наиболее широко используемым типом реактивных самолетов.
Сверхзвуковой транспортный Ту -144 был самым быстрым коммерческим реактивным самолетом со скоростью 2,35 Маха (2503 км / ч (1555 миль в час)). Он был принят на вооружение в 1975 году, но вскоре после этого был выведен из коммерческой эксплуатации. Конкорд , развивающий скорость 2 Маха, поступил на вооружение в 1976 году и пролетел 27 лет.
Самым быстрым военным реактивным самолетом был SR-71 Blackbird, развивавший скорость 3,35 Маха (3661 км/ч (2275 миль в час)).
Большинство людей используют термин «реактивный самолет» для обозначения газотурбинных воздушно -реактивных двигателей , но ракеты и ГПВРД также приводятся в движение реактивной тягой.
Крылатые ракеты представляют собой беспилотные реактивные самолеты одноразового использования, приводимые в движение преимущественно прямоточными воздушно-реактивными или турбореактивными двигателями, а иногда и турбовентиляторными двигателями, но они часто имеют ракетную двигательную установку для начального движения.
Самый быстрый воздушно-реактивный самолет - беспилотный прямоточный воздушно-реактивный двигатель X-43, развивающий скорость около 9–10 Маха.
Самый быстрый пилотируемый (ракетный) самолет — Х-15 со скоростью 6,85 Маха.
Спейс шаттл , хотя и был намного быстрее, чем X-43 или X-15, не считался самолетом во время подъема, поскольку он переносился баллистически за счет тяги ракеты, а не воздуха. При входе в атмосферу он был классифицирован (как планер) как самолет без двигателя. Первый полет состоялся в 1981 году.
Bell 533 (1964 г.), Lockheed XH-51 (1965 г.) и Sikorsky S-69 (1977–1981 гг.) являются примерами сложных конструкций вертолетов , в которых реактивный выхлоп добавлял к прямой тяге. [17] Hiller YH-32 Hornet и сверхлегкий вертолет Fairey были среди многих вертолетов, винты которых приводились в движение законцовыми реактивными двигателями .
Существуют вингсьюты с реактивным двигателем, приводимые в движение реактивными двигателями моделей самолетов, но они кратковременны и их необходимо запускать на высоте. [18]
Из-за особенностей работы реактивных двигателей типичная скорость выхлопа реактивных двигателей околозвуковая или выше, поэтому большинству реактивных самолетов необходимо летать на высоких скоростях, либо сверхзвуковых , либо на скоростях чуть ниже скорости звука (« трансзвуковые »), чтобы достичь эффективности. полет. Поэтому аэродинамика является важным фактором.
Реактивные самолеты обычно проектируются с использованием правила площади Уиткомба , которое гласит, что общая площадь поперечного сечения самолета в любой точке вдоль самолета от носовой части должна быть примерно такой же, как у корпуса Сирса-Хаака . Форма с таким свойством сводит к минимуму образование ударных волн, которые приводят к потере энергии.
Существует несколько типов двигателей, которые работают за счет выброса горячего газа:
.jpg/1280px-Lockheed_SR-71_Blackbird_(modified).jpg)
Различные типы используются для разных целей.
Ракеты являются самым старым 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 экстремальной, обычно гиперзвуковой , скорости выхлопа и необходимости иметь на борту окислитель, они очень быстро расходуют топливо, что делает их непрактичными для повседневной транспортировки.
Турбореактивные двигатели - второй старейший тип; они имеют высокую, обычно сверхзвуковую, скорость истечения и низкое лобовое сечение, поэтому лучше всего подходят для высокоскоростного, обычно сверхзвукового полета. Хотя когда-то они широко использовались, они относительно неэффективны по сравнению с турбовинтовыми и турбовентиляторными двигателями для дозвуковых полетов. Последними крупными самолетами, использовавшими турбореактивные двигатели, были сверхзвуковые транспортники «Конкорд» и Ту-144 .
Турбореактивные двигатели с малой двухконтурностью имеют более низкую скорость выхлопа, чем турбореактивные двигатели, и в основном используются для высоких звуковых, околозвуковых и низких сверхзвуковых скоростей. ТРДДД с большим двухконтурным режимом относительно эффективны и используются на дозвуковых самолетах, таких как авиалайнеры.
Реактивные самолеты летают значительно иначе, чем винтовые .
Единственное отличие состоит в том, что реактивные двигатели реагируют относительно медленно. [ нужна цитата ] Это усложняет маневры взлета и посадки. В частности, во время взлета пропеллерные авиационные двигатели обдувают крылья воздухом, что обеспечивает большую подъемную силу и более короткий взлет. Эти различия заметили некоторых первых пилотов BOAC Comet . [16]
В самолетах общий двигательный КПД — это эффективность в процентах, с которой энергия, содержащаяся в топливе транспортного средства, преобразуется в полезную энергию для возмещения потерь из-за сопротивления воздуха , силы тяжести и ускорения. Его также можно определить как долю механической энергии, фактически использованной для приведения в движение самолета. Оно всегда меньше 100% из-за потерь кинетической энергии на выхлопе и далеко не идеального КПД двигательного механизма, будь то пропеллер , реактивный выхлоп или вентилятор. Кроме того, тяговая эффективность во многом зависит от плотности воздуха и скорости полета.
Математически это представляется как [19] где – КПД цикла , – КПД движителя. КПД цикла в процентах представляет собой долю энергии, которую можно получить от источника энергии и которая преобразуется двигателем в механическую энергию .
Для реактивных самолетов тяговый КПД (по сути, энергоэффективность ) является самым высоким, когда двигатель выбрасывает 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 выхлопа, а v — скорость самолета.
Для реактивного самолета большой дальности, работающего в стратосфере , скорость звука постоянна, следовательно, полет с фиксированным углом атаки и постоянным числом Маха заставляет самолет набирать высоту, не меняя значения местной скорости звука. В этом случае:
где крейсерское число Маха и местная скорость звука. Уравнение дальности можно представить в виде:
которое известно как уравнение дальности Бреге в честь пионера французской авиации Луи Шарля Бреге .
