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TECHNOLOGIEGESCHICHTE, TECHNOLOGIE, OBJEKTE UM UNS
Turbojet-Flugzeuge. Geschichte der Erfindung und Produktion
Verzeichnis / Die Geschichte der Technik, Technik, Objekte um uns herum Strahlflugzeug – ein Flugzeug, das von einem luftatmenden Triebwerk (Turbojet, Staustrahltriebwerk, Pulsstrahltriebwerk, Flüssigkeitsstrahltriebwerk usw.) oder einem Raketentriebwerk angetrieben wird. Düsenflugzeuge bilden die Grundlage der modernen militärischen und zivilen Luftfahrt.
Die Turbojet-Luftfahrt entstand während des Zweiten Weltkriegs, als die Perfektionsgrenze der bisherigen Propellerflugzeuge mit Verbrennungsmotoren erreicht war. Von Jahr zu Jahr wurde der Wettlauf um die Geschwindigkeit immer schwieriger, da selbst eine geringfügige Geschwindigkeitssteigerung Hunderte von zusätzlichen Pferdestärken an Motorleistung erforderte und automatisch zum Gewicht des Flugzeugs führte. Im Durchschnitt eine Leistungssteigerung von 1 PS. führte zu einer Erhöhung der Masse des Antriebssystems (Motor selbst, Propeller und Hilfsausrüstung) um durchschnittlich 1 kg. Einfache Berechnungen zeigten, dass es praktisch unmöglich war, ein Propeller-Kampfflugzeug mit einer Geschwindigkeit in der Größenordnung von 1000 km/h zu bauen. Die erforderliche Motorleistung von 12000 PS konnte nur mit einem Motorgewicht von etwa 6000 kg erreicht werden. In Zukunft stellte sich heraus, dass eine weitere Geschwindigkeitssteigerung zu einer Degeneration von Kampfflugzeugen führen und sie zu Fahrzeugen machen würde, die nur sich selbst tragen können. An Bord war kein Platz mehr für Waffen, Funkgeräte, Panzerung und Treibstoff. Aber selbst zu diesem Preis war es unmöglich, eine große Geschwindigkeitssteigerung zu erreichen. Ein schwererer Motor erhöhte das Gesamtgewicht des Autos, was eine Vergrößerung der Flügelfläche erzwang, was zu einer Erhöhung des Luftwiderstands führte, um dies zu überwinden, musste die Motorleistung erhöht werden. Damit schloss sich der Kreis und die Geschwindigkeit in der Größenordnung von 850 km / h erwies sich als maximal möglich für ein Flugzeug mit Kolbenmotor. Es konnte nur einen Ausweg aus dieser bösartigen Situation geben - es war notwendig, ein grundlegend neues Design eines Flugzeugtriebwerks zu entwickeln, was geschah, als Turbojet-Flugzeuge Kolbenflugzeuge ersetzten. Das Funktionsprinzip eines einfachen Strahltriebwerks wird verständlich, wenn wir uns den Betrieb eines Feuerwehrschlauchs anschauen. Druckwasser wird durch einen Schlauch dem Schlauch zugeführt und fließt aus diesem heraus. Der Innenabschnitt der Schlauchspitze verjüngt sich zum Ende hin, daher hat der ausströmende Wasserstrahl eine höhere Geschwindigkeit als bei einem Schlauch. Die Wucht des Gegendrucks (Reaktion) ist dabei so groß, dass der Feuerwehrmann oft seine ganze Kraft aufwenden muss, um den Schlauch in der gewünschten Richtung zu halten. Das gleiche Prinzip kann auf ein Flugzeugtriebwerk angewendet werden. Das einfachste Strahltriebwerk ist ein Staustrahltriebwerk.
Stellen Sie sich ein Rohr mit offenen Enden vor, das an einem sich bewegenden Flugzeug montiert ist. Der vordere Teil des Rohrs, in den aufgrund der Bewegung des Flugzeugs Luft eintritt, hat einen sich erweiternden Innenquerschnitt. Durch die Ausdehnung des Rohrs nimmt die Geschwindigkeit der eintretenden Luft ab und der Druck steigt entsprechend an. Nehmen wir an, dass im expandierenden Teil Kraftstoff in den Luftstrom eingespritzt und verbrannt wird. Dieser Teil des Rohrs kann als Brennkammer bezeichnet werden. Hocherhitzte Gase dehnen sich schnell aus und entweichen durch eine sich verengende Strahldüse mit einer um ein Vielfaches höheren Geschwindigkeit als der Luftstrom am Eintritt. Diese Geschwindigkeitserhöhung erzeugt eine Schubkraft, die das Flugzeug nach vorne drückt. Es ist leicht einzusehen, dass ein solcher Motor nur funktionieren kann, wenn er sich mit beträchtlicher Geschwindigkeit durch die Luft bewegt, aber er kann nicht in Betrieb genommen werden, wenn er sich nicht bewegt. Ein Flugzeug mit einem solchen Triebwerk muss entweder von einem anderen Flugzeug gestartet oder mit einem speziellen Starttriebwerk beschleunigt werden. Dieser Nachteil wird in einem komplexeren Turbostrahltriebwerk überwunden.
Das kritischste Element dieses Triebwerks ist die Gasturbine (6), die den auf derselben Welle sitzenden Luftkompressor (2) antreibt. Die in den Motor eintretende Luft wird zuerst im Einlassdiffusor (1), dann im Axialverdichter (2) verdichtet und gelangt dann in den Brennraum (3). Der Brennstoff ist meist Kerosin, das durch eine Düse in den Brennraum gespritzt wird. Aus der Kammer gelangen die sich ausdehnenden Verbrennungsprodukte zunächst zu den Schaufeln der Gasturbine, die diese in Rotation versetzen, und dann zur Düse (7), in der sie auf sehr hohe Geschwindigkeiten beschleunigt werden. Die Gasturbine nutzt nur einen kleinen Teil der Energie des Luft-Gas-Strahls. Der Rest der Gase erzeugt eine reaktive Schubkraft, die durch das Ausströmen eines Strahls von Verbrennungsprodukten mit hoher Geschwindigkeit aus der Düse entsteht. Der Schub eines Strahltriebwerks kann auf verschiedene Weise verstärkt, dh kurzzeitig erhöht werden. Dies kann zum Beispiel durch die sogenannte Nachverbrennung erfolgen (hier wird hinter der Turbine zusätzlich Brennstoff in den Gasstrom eingespritzt, der durch nicht genutzten Sauerstoff in den Brennkammern verbrennt). Durch die Nachverbrennung kann der Triebwerksschub zusätzlich in kurzer Zeit um 25-30 % bei niedrigen Drehzahlen und bis zu 70 % bei hohen Drehzahlen gesteigert werden. Gasturbinentriebwerke machten ab 1940 eine echte Revolution in der Luftfahrttechnologie, aber die ersten Entwicklungen in ihrer Entstehung erschienen zehn Jahre zuvor. Frank Whittle gilt als Vater des Strahltriebwerks. Bereits 1928 schlug Whittle als Student an der Cranwell Aviation School den ersten Entwurf eines Strahltriebwerks vor, das mit einer Gasturbine ausgestattet war. 1930 erhielt er dafür ein Patent. Der damalige Staat interessierte sich nicht für seine Entwicklungen. Whittle erhielt jedoch Hilfe von einigen Privatfirmen, und 1937 baute die britische Firma Thomson-Houston nach seinem Projekt das erste Turbojet-Triebwerk der Geschichte, das die Bezeichnung "U" erhielt. Erst danach schenkte das Luftfahrtministerium Whittles Erfindung Beachtung. Um die Motoren seines Designs weiter zu verbessern, wurde die Power Company gegründet, die vom Staat unterstützt wurde. Gleichzeitig befruchteten Whittles Ideen den Designgedanken Deutschlands. 1936 entwickelte und patentierte der deutsche Erfinder Ohain, damals Student an der Universität Göttingen, sein Strahltriebwerk. Sein Design unterschied sich fast nicht von dem von Whittle. 1938 entwickelte die Firma Heinkel, die Ohain anstellte, unter seiner Leitung das Turbostrahltriebwerk HeS-3B, das in das Flugzeug He-178 eingebaut wurde. Am 27. August 1939 machte dieses Flugzeug seinen ersten erfolgreichen Flug.
Das Design der He-178 nahm das Design zukünftiger Düsenflugzeuge weitgehend vorweg. Der Lufteinlass befand sich im vorderen Rumpf. Die verzweigte Luft umging das Cockpit und trat in einem direkten Strom in den Motor ein. Heiße Gase strömten durch eine Düse im Heckbereich. Die Flügel dieses Flugzeugs waren noch aus Holz, aber der Rumpf bestand aus Duraluminium. Der hinter dem Cockpit montierte Motor lief mit Benzin und entwickelte einen Schub von 500 kg. Die Höchstgeschwindigkeit des Flugzeugs erreichte 700 km / h. Anfang 1941 entwickelte Ohain einen fortschrittlicheren HeS-8-Motor mit einem Schub von 600 kg. Zwei dieser Triebwerke wurden in das nächste He-280V-Flugzeug eingebaut. Seine Tests begannen im April desselben Jahres und zeigten gute Ergebnisse - das Flugzeug erreichte Geschwindigkeiten von bis zu 925 km / h. Die Serienproduktion dieses Jägers begann jedoch nie (insgesamt wurden 8 Stück hergestellt), da sich der Motor immer noch als unzuverlässig herausstellte. In der Zwischenzeit produzierte British Thomson Houston das W1.X-Triebwerk, das speziell für das erste britische Turbostrahlflugzeug Gloucester G40 entwickelt wurde, das im Mai 1941 seinen Erstflug absolvierte (das Flugzeug wurde dann mit einem verbesserten Whittle W.1-Triebwerk ausgestattet). . Der englische Erstgeborene war dem Deutschen weit entfernt. Seine Höchstgeschwindigkeit betrug 480 km/h. 1943 wurde der zweite Gloucester G40 mit einem stärkeren Motor gebaut, der Geschwindigkeiten von bis zu 500 km / h erreichte. In seinem Design erinnerte der Gloucester überraschend an den deutschen Heinkel. Der G40 hatte eine Ganzmetallkonstruktion mit einem Lufteinlass im vorderen Rumpf. Der Zuluftkanal war geteilt und ging beidseitig um das Cockpit herum. Der Gasaustritt erfolgte durch eine Düse im Rumpfheck. Obwohl die Parameter des G40 nicht nur die damaligen Hochgeschwindigkeits-Propellerflugzeuge nicht übertrafen, sondern ihnen deutlich unterlegen waren, erwiesen sich die Aussichten für den Einsatz von Strahltriebwerken als so vielversprechend, dass die British Air Das Ministerium beschloss, mit der Serienproduktion von Turbojet-Abfangjägern zu beginnen. Die Firma "Gloucester" erhielt den Auftrag, ein solches Flugzeug zu entwickeln. In den folgenden Jahren begannen mehrere englische Firmen gleichzeitig mit der Produktion verschiedener Modifikationen des Whittle-Turbostrahltriebwerks. Basierend auf dem W.1-Motor entwickelte Rover die Motoren W2B/23 und W2B/26. Dann wurden diese Motoren von Rolls-Royce gekauft, die darauf basierend ihre eigenen Modelle schufen - Welland und Derwent. Das erste serielle Turbojet-Flugzeug der Geschichte war jedoch nicht die englische Gloucester, sondern die deutsche Messerschmitt Me-262. Insgesamt wurden etwa 1300 solcher Flugzeuge verschiedener Modifikationen hergestellt, die mit dem Triebwerk Junkers Yumo-004B ausgestattet waren. Das erste Flugzeug dieser Serie wurde 1942 getestet. Es hatte zwei Motoren mit einem Schub von 900 kg und einer Höchstgeschwindigkeit von 845 km/h.
Das englische Serienflugzeug „Gloucester G41 Meteor“ erschien 1943. Ausgestattet mit zwei Dervent-Triebwerken mit je 900 kg Schub entwickelte die Meteor eine Geschwindigkeit von bis zu 760 km/h und hatte eine Flughöhe von bis zu 9000 m. Später wurden leistungsstärkere Dervents mit einem Schub von etwa 1600 kg eingebaut an den Flugzeugen, die die Geschwindigkeit auf 935 km/h erhöhen. Dieses Flugzeug erwies sich als hervorragend, so dass die Produktion verschiedener Modifikationen des G41 bis Ende der 40er Jahre fortgesetzt wurde. Die Vereinigten Staaten blieben bei der Entwicklung der Jet-Luftfahrt zunächst weit hinter den europäischen Ländern zurück. Bis zum Zweiten Weltkrieg gab es überhaupt keine Versuche, ein Düsenflugzeug zu bauen. Erst 1941, als Muster und Zeichnungen von Whittle-Motoren aus England eintrafen, begannen diese Arbeiten auf Hochtouren. General Electric entwickelte auf der Grundlage von Whittles Modell das IA-Turbostrahltriebwerk, das in das erste amerikanische Düsenflugzeug, die P-59A Ercomet, eingebaut wurde. Der amerikanische Erstgeborene hob im Oktober 1942 zum ersten Mal ab. Es hatte zwei Motoren, die sich unter den Tragflächen in Rumpfnähe befanden. Es war immer noch ein unvollkommenes Design. Laut amerikanischen Piloten, die das Flugzeug getestet haben, war die P-59 gut zu fliegen, aber ihre Flugleistung blieb unwichtig. Der Motor erwies sich als zu schwach, sodass es eher ein Segelflugzeug als ein echtes Kampfflugzeug war. Insgesamt wurden 33 dieser Maschinen gebaut. Ihre Höchstgeschwindigkeit lag bei 660 km/h, die Flughöhe bei bis zu 14000 m. Das erste Serien-Turbojet-Jäger in den Vereinigten Staaten war die Lockheed F-80 Shooting Star mit einem General Electric I-40-Triebwerk (Modifikation IA). Bis Ende der 40er Jahre wurden etwa 2500 dieser Jäger verschiedener Modelle produziert. Ihre Durchschnittsgeschwindigkeit betrug etwa 900 km/h. Am 80. Juni 19 erreichte eine der Modifikationen dieses XF-1947B-Flugzeugs jedoch zum ersten Mal in der Geschichte eine Geschwindigkeit von 1000 km / h.
Bei Kriegsende waren Düsenflugzeuge den bewährten Propellerflugzeugen in vielerlei Hinsicht unterlegen und hatten viele eigene spezifische Mängel. Im Allgemeinen standen Konstrukteure in allen Ländern beim Bau des ersten Turbojet-Flugzeugs vor erheblichen Schwierigkeiten. Hin und wieder brannten die Brennkammern aus, die Schaufeln von Turbinen und Kompressoren brachen und verwandelten sich, vom Rotor getrennt, in Granaten, die Triebwerksgehäuse, Rumpf und Flügel zerschmetterten. Trotzdem hatten Düsenflugzeuge einen großen Vorteil gegenüber Propellerflugzeugen - die Geschwindigkeitssteigerung mit zunehmender Leistung eines Turbostrahltriebwerks und seines Gewichts war viel schneller als die eines Kolbentriebwerks. Dies entschied über das zukünftige Schicksal der Hochgeschwindigkeitsfliegerei - sie wird überall reaktiv. Die Geschwindigkeitssteigerung führte bald zu einer völligen Veränderung des Aussehens des Flugzeugs. Bei transsonischen Geschwindigkeiten stellte sich heraus, dass die alte Form und das Profil des Flügels das Flugzeug nicht tragen konnten - es begann mit der Nase zu „picken“ und trat in einen unkontrollierbaren Tauchgang ein. Die Ergebnisse aerodynamischer Tests und die Analyse von Flugunfällen führten die Konstrukteure nach und nach zu einem neuen Flügeltyp - einem dünnen, geschwungenen. Zum ersten Mal tauchte diese Flügelform bei sowjetischen Kämpfern auf. Trotz der Tatsache, dass die UdSSR später als die westlichen Staaten mit der Entwicklung von Turbojet-Flugzeugen begann, gelang es den sowjetischen Designern sehr schnell, erstklassige Kampffahrzeuge zu entwickeln. Der erste in Produktion gegangene sowjetische Düsenjäger war die Yak-15. Es erschien Ende 1945 und war ein umgebauter Yak-3 (ein berühmter Jäger mit Kolbenmotor während des Krieges), auf dem ein RD-10-Turbostrahltriebwerk installiert war - eine Kopie des erbeuteten deutschen Yumo-004B mit Schub von 900 kg. Er entwickelte eine Geschwindigkeit von etwa 830 km / h.
1946 wurde die MiG-9 bei der Sowjetarmee in Dienst gestellt, ausgestattet mit zwei Yumo-004B-Turbostrahltriebwerken (offizielle Bezeichnung RD-20), und 1947 erschien die MiG-15 - das erste Kampfflugzeug mit Pfeilflügeln ein Motor RD-45 (als Rolls-Royce "Nin"-Motor, in Lizenz gekauft und von sowjetischen Flugzeugkonstrukteuren modernisiert) mit einem Schub von 2200 kg wurde bestimmt. Die MiG-15 unterschied sich auffallend von ihren Vorgängern und überraschte Kampfpiloten mit ungewöhnlichen, nach hinten geneigten Flügeln, einem riesigen Kiel mit dem gleichen geschwungenen Stabilisator und einem zigarrenförmigen Rumpf. Das Flugzeug hatte auch andere Neuheiten: einen Schleudersitz und eine hydraulische Servolenkung. Es war mit einer Schnellfeuerkanone und zwei Maschinengewehren (in späteren Modifikationen drei Kanonen) bewaffnet. Mit einer Geschwindigkeit von 1100 km / h und einer Decke von 15000 m blieb dieser Jäger mehrere Jahre lang das beste Kampfflugzeug der Welt und erregte großes Interesse. (Später hatte das Design der MiG-15 einen erheblichen Einfluss auf das Jagdflugzeugdesign in westlichen Ländern.)
In kurzer Zeit wurde die MiG-15 zum häufigsten Jäger in der UdSSR und wurde auch von den Armeen ihrer Verbündeten adoptiert. Dieses Flugzeug hat sich während des Koreakrieges bewährt. In vielerlei Hinsicht war er den American Sabres überlegen. Mit dem Aufkommen der MiG-15 endete die Kindheit der Turbojet-Luftfahrt und eine neue Etappe in ihrer Geschichte begann. Zu diesem Zeitpunkt hatten Düsenflugzeuge alle Unterschallgeschwindigkeiten gemeistert und kamen der Schallmauer nahe. Autor: Ryzhov K.V.
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