Silniki turboodrzutowe dla pionowzlotów
Rolls Royce Bristol Pegasus.
Silnik Rolls Royce Pegasus jest jednym z najbardziej niezwykłych silników turboodrzutowych w historii lotnictwa. Rolls-Royce Pegasus, dawniej Bristol Siddeley Pegasus, to turbo-wentylatorowy silnik zaprojektowany przez firmę Bristol Siddeley. Silnik został specjalnie zaprojektowany dla samolotu bojowego, którym ostatecznie stał się samolot Harrier.
Silnik Rolls Royce Pegasus jest zbudowany w ten sposób, że posiada jeden chwyt powietrza, a cztery dysze wylotowe (dwie zimnego powietrza i dwie gorącego). Wszystkie te dysze są ruchome i dają ciąg w dół lub w tył. To przejście z jednego położenia do drugiego jest płynne. Kiedy dysze są skierowane do dołu samolot może się pionowo wznosić, zawisnąć lub wolno opadać. Jeśli dysze są skierowane w tył to dają ciąg postępowy, czyli zwykły lot samolotu. Dzięki temu samolot potrafi startować i lądować pionowo.
Kiedy samoloty Harrier zostały sprzedane do USA (piechocie morskiej) samoloty były produkowane w USA, a silniki były „produkowane” na podstawie licencji jako Pratt & Whitney F402. W rzeczywistości silniki te powstały w zakładach Rolls-Royce w Bristolu, w Anglii.
Historia silnika Pegasus.
Prace nad silnikiem rozpoczął inżynier Gordon Lewis z zakładów Bristol Engine Company w 1956 roku. Prace nadzorował dyrektor techniczny Stanley Hooker. Układów było kilka. Podstawą był początkowo silnik Orpheus, a następnie dwuprzepływowy silnik Olympus. Oprócz trudności technicznych, które musieli pokonać konstruktorzy, istotna była zewnętrzna atmosfera i potrzeby wojska. W 1957 roku, RAF już szukało następcy samolotu bojowego Hawker Hunter. Gdyby jego następca miał możliwość pionowego startu to skok jakościowy były duży. Silnik przechodził kolejne modyfikacje. Między innymi znacznie skrócono kanały dolotowe do dysz wylotowych oraz pojawiły się dysze wylotowe zimnego powietrza. Do tej pory wszystkie cztery dysze wylotowe były gorące. W ten sposób powstał typowy układ turbofan, z przepływem zewnętrznym zimnym i wewnętrznym gorącym.
W 1957 roku, ukazała się „Biała Ksiega”, z której wynikało, że w przyszłości samoloty pilotowane nie będą istniały. Priorytet uzyskała broń rakietowa. Na szczęście nowy silnik był finansowany z programu rozwoju broni, dlatego się zachował. Firmy lotnicze, aby się utrzymać na rynku wchodziły w różne fuzje. Firma Bristol Siddeley Engines Limited (BSEL) połączyła się z Armstrong Siddeley, dając wsparcie finansowe. W dniu 2 września 1959 roku, uruchomiono silnik oznaczony BE53. Ma on dwustopniowy wentylator, 6-stopni niskiego ciśnienia, 7-stopni wysokiego ciśnienia, komorę spalania, jedno-stopniowa turbina wysokiego ciśnienia, 2-stopniowa turbina niskiego ciśnienia. Silnik jest dwu-szpulowy i ma cztery dysze wylotowe, ruchome.
Budową płatowca zajęła się firma Hawker. Płatowiec Hawker P.1127 został zbudowany jakby wokół silnika. Samolot ten został obalany na uwięzi w dniu 21 października 1960 roku. Silnik miał oznaczenie BE53 / 3 (Pegasus 2). Pierwsze przejście z zawisu do lotu poziomego nastąpiło w dniu 8 września 1961 roku. Zainteresowanie samolotem przez wojsko było ogromne, choć samolot określano jako zabawkę, bo początkowo jego udźwig był symboliczny. Pojawiły się prywatne fundusze na budowę dziewięciu testowych maszyn Kastrel, które poddano wszechstronnym badaniom. Miały one silniki Pegasus 3 i ostatecznie Pegasus 5. Samolot pokazano na Paris Air Show w 1963 roku. Podjęto decyzję o programie samolotów bojowych o nazwie Harrier. W 1966 roku, program został przejęty przez firmę Rolls Royce.
W tym samym czasie firma Bristol została przejęta przez Rolls Royce. Był już program, który miał doprowadzić do powstania samoloty typu VTOL o naddźwiękowej prędkości lotu. Silnik powinien mieć ciąg rzędu 39 500 lbf (175,70 kN). Jednak program ten został anulowany już w 1965 roku.
W 60-latach głównym teatrem działań wojennych były Indochiny. Zauważono, że samolot bojowy typu VTOL mógłby być w takich warunkach przydatny. Na samolotach Kastrel latali piloci różnych krajów. Wnosili oni swoje uwagi. Dlatego RAF postanowił zaryzykować i w 1966 roku, zamówił serię informacyjną 60 maszyn Kastrel. Tak ostatecznie zamówiono samolot szturmowy Harrier GR Mk.1 (Harrier – Błotniak, Błotniak stawowy – gatunek dużego ptaka drapieżnego z rodziny jastrzębiowatych). Pierwszy lot wykonano w dniu 28 grudnia 1967 roku, a wprowadzono do służby w dniu 1 kwietnia 1969 roku. Produkcja trawała w zakładach Kingston-upon-Thames w południowo-zachodnim Londynie i Dunsfold.
Silnik Pegasus jest silnikiem dwu-szpulowym, dwu-przepływowym. Oba wały kręcą się w przeciwnych kierunkach, celem zlikwidowania momentu żyroskopowego, który uniemożliwiałby zawis samolotu. Silnik rozpoczyna się 3-stopniowym wentylatorem niskiego ciśnienia. Końcówki łopatek wentylatora rozwijają już prędkość naddźwiękową. Przepływ powietrza przez wentylator wynosi 432 lb/s. Pierwszy stopień wentylatora jest umieszczony przed przednim łożyskiem wału. To rozwiązanie eliminuje możliwość oblodzenia rozpórek konstrukcyjnych silnika. Za wentylatorem powietrze jest rozdzielane do strumienia wewnętrznego, gorącego i do dwóch dysz wylotowych. Turbina wysokiego ciśnienia posiada 8-stopni sprężarki osiowej. Komora spalania pierścieniowa z palnikami ASM niskiej prężności gazów. Obie szpule poruszane są dwu-stopniowymi turbinami. Gorące gazy trafiają do dwóch ruchomych dysz. Przednie dysze wykonane są ze stali. Tylne dysze wykonano ze stopu nimonic i pracują w temperaturze około 650 stopni Celsjusza. Przepływ powietrza podzielono na około 60 % przednie dysze, 40 % tylne dysze. Wszystkie cztery dysze obracają się synchronicznie. Są napędzane siłownikami pneumatycznymi i układem przekładni i łańcuchów motocyklowych. Powietrze do siłowników jest pobierane ze sprężarki wysokiego ciśnienia. Obrót dysz odbywa się w zakresie 98,5 stopnia, co pozwala nawet na lot w tył.
Dodatkowo układ napędowy samolotu posiada niewielkie dysze wylotowe na końcach skrzydeł i na końcu kadłuba. Dysze na końcu kadłuba odpowiadają nie tylko za utrzymanie samolotu w poziomie ale także za jego obrót wokół osi pionowej, czyli zmianę kursu.
Aby nie było tak pięknie silniki Pegasus ma kilka ograniczeń. Jednym z nich jest temperatura wewnętrzna silnika, a zwłaszcza temperatura pierwszego stopnia turbiny. Ponieważ pomiar ten w tym miejscu jest niewiarygodny, dlatego mierzy się temperaturę spalin w dyszy wylotowej. Temperatura jest realizowana poprzez wtrysk wody. Tutaj jest to realizowany inaczej niż w klasycznych (50-lata) silnikach turboodrzutowych, gdzie wtryskiwano wodę w rejonie sprężarki dla zwiększenia ciągu. W silniku Pegasus chodzi natomiast o utrzymanie stałej maksymalnej temperatur spalin, aby nie zniszczyć silnika. Woda jest wtryskiwana między komorę spalania a turbinę. Woda chłodzi spaliny, zwiększa ich masę i niedopuszczań do przegrzania turbiny. Zbiornik dla destylowanej wody umieszczono między rozwidlonymi dyszami gorącymi. Zbiornik zawiera do 500 funtów (227 kg) H2O. Wtrysk wody następuje automatycznie, bez udziału pilota. Pilot otrzymuje tylko sygnał (kontrolka w kokpicie), że stan wody jest niski. Wówczas silnik przechodzi na niższe zakresy pracy i nie da maksymalnego ciągu.
Silnik zamontowany jest centralnie, co wydaje się znacznie utrudnia wymianę silnika. Według instrukcji obsługowej wymiana silnika trawa 8 godzin, ale doświadczony zespół mechaników wykonuje to w 4 godziny.
Powstało kilkanaście wersji silnika Pegasus. Ostatni z nich, Pegasus 11-61 / Mk.107 był montowany w samolotach Harrier GR7/GR9. Ma ciąg 23 800 lbf (106 kN).
Jak-36. 1964 rok.
Pod koniec 50-lat w OKB Jakowlew rozpoczęto prace nad stworzeniem bojowego samolotu pionowego startu VTOL. Projekt został oznaczony Jak-104. Konstruktorzy postanowili wykorzystać silniki turboodrzutowe R-19-300. Silnik R-19-300 był oparty na konstrukcji silnika R-11-300 wykorzystany do napędu myśliwców MiG-21. Silnik R-19-300 miał początkowo ciąg 1 600 kG i mimo zwiększenia ciągu do 2 500 kG to jeden silnik do napędu samolotu pionowego startu i tak był za słaby. W 1961 roku konstruktorzy postanowili w samolocie wykorzystać dwa silniki. Próba zastosowania w samolocie silnika R-21-300 z dopalaniem była ślepą uliczką.
Z początkiem 60-lat rządzący w CCCP nadali programowi oznaczenie Jak-36. W biurze Jakowlewa program był oznaczony Izdielenie B. Prace prowadzono pod kierunkiem С. Г. Мордвинов. Głównymi inżynierami byli О. А. Сидоров i В. Н. Павлов. Próby w locie prowadzili К. Б. Бекирбаев i В. Н. Горшков. Konstruktorzy w CCCP nie mogli powielić rozwiązania zastosowanego w brytyjskim Harrier, bo ich silniki nie miały wystarczającego ciągu w stosunku do masy samolotu. Zaproponowany i realizowany układ otrzymał zespół napędowy złożony z dwóch silników umieszczonych równolegle w przedzie kadłuba. Ruchoma dysza wylotowa każdego silnika została umieszczona niemal w środku ciężkości samolotu. Dodatkowo ze sprężarki poprowadzono dodatkowy odbiór powietrza do dysz stabilizujących samolot podczas startu i zawisu. Zbudowano specjalny autopilot, który regulował ilość powietrza w dyszach sterujących, aby samolot utrzymać w pozycji horyzontalnej.
Zbudowano cztery prototypy. Pierwszy lot wykonano w dniu 27 lipcu 1964 roku. Konstruktorzy natrafili na mnóstwo problemów, które w zasadzie rozwiązano. Jednak samolot nie nadawał się do roli samolotu bojowego. Nie dlatego, że startował niepewnie, ale przede wszystkim czas lotu nie przekraczał 30 minut, a uzbrojenie było symboliczne (dwa zasobniki pocisków niekierowanych).
Lot samolotem dla pilota był niebezpieczny, bo samolot Jak-36 nie posiadał fotela katapultowanego klasy 0-0. Prace posuwały się wolno. Często podczas startu na uwięzi samolot zachowywał się jak wahadło, bo spaliny odbite ziemi uderzały w szeroki kadłub raz z przodu raz z tyłu. Wreszcie udało się ustalić optymalny przepływ powietrza przez dysze sterujące. Pierwszy pionowy, wolny start wykonał В. Т. Мухин w dniu 27 lipca 1964 roku. Pierwszy start, przejście do lotu poziomego i pionowe lądowanie wykonano w dniu 24 marca 1966 roku. Drugi prototyp został utracony w lutym 1971 roku w wyniku awarii układu sterowania i twardego lądowania. Pilot przeżył.
Jak-38. 1970 rok.
Konstrukcja samolotu Jak-36 nie spełniała pokładanych w niej nadziei. Dysze wylotowe silników umieszczone tuż przy środku ciężkości nie pozwalały na dużą wędrówkę tegoż środka. Samolot należało radykalnie przebudować. Ale jak to jest w państwie moskiewskim, nie można było pójść na kreml i powiedzieć, że samolot Jak-36 nam się nie udał i robimy nowy. Dlatego konstruktorzy nowy samolot oznaczyli Jak-36 M (modernizowany), choć w rzeczywistości była to zupełnie nowa konstrukcja. Decyzja prawdopodobnie zapadła w 1965 roku, kiedy to wstrzymano budowę piątego prototypu Jak-36.
Nowa konstrukcja otrzymała oznaczenie biura Izdielenie BM, w produkcji Artykuł 86, a po latach oznaczenie wojskowe Jak-38. Układ samolotu jest bardzo oryginalny i poprawny. Zespół napędowy składa się z jednego silnika głównego nośno-marszowego R-27-300 i dwóch silników nośnych RD-36-35. Silniki nośne zostały umieszczone pionowo jeden za drugim tuż za kabina pilota. Natomiast silnik nośno-marszowy R-27-300 został umieszczony w kadłubie, a jego dwie ruchome dysze wylotowe zostały umieszczone za środkiem ciężkości samolotu. Kadłub jest bardzo smukły, co gwarantuje dużą prędkość lotu. Jedyną wadą układu są silniki nośne, które podczas normalnego lotu są dodatkowym balastem.
Wyprzedzając fakty podamy, że ogółem zbudowano seryjnie 231 samolotów Jak-38, w okresie 1974-1989. Samoloty wycofano ze służby w 2004 roku. Samoloty służyły na okrętach wojennych: Kijów, Mińsk, Noworosyjsk i Baku.
Jak-38 jako Jak-36 M pierwszy lot wykonał w dniu 22 września 1970 roku. Samolot był bardzo potrzebny CCCP, z uwagi na słabość lotnictwa morskiego i brak lotniskowców. Dlatego samolot ten doskonale nadawał się jako substytut samolotu morskiego działającego z pokładów krążowników. Pierwsze testy lądowania na pokładzie okrętu Moskwa, zakotwiczonego na redzie portu w Sewastopolu na Krymie przeprowadzono w dniu 18 listopada 1972 roku. Okręt otrzymał specjalny dodatkowy pokład, umieszczony na wysokości 3 m nad normalnym pokładem.
Silnik nośno-marszowy R-27B-300 w zależności od wersji ma ciąg od 5 900 kG do 6 700 kG. Silnik ten nie posiada dopalacza. Silnik R-27B-300 został oparty na bazie silnika R-11/13 i jego kolejnych odmian. Prace nad silnikiem rozpoczęto w 1967 roku, a zakładzie Sojuz jako Izdielenie 49. Produkcja seryjna trwała od 1970 roku do 1995 roku.
Silnik R-27 tak zwany zwykły, służył do napędu samolotu prototypowego
Silnik R-27 dla samolotu Jak-38 jest silnikiem jedno-przepływowym, dwu-wałowym, ze sterowaniem wektorem ciągu. W miejscu dyszy wylotowej zastosowano rozdzielenie kanału na dwa, a każdy z nich zakończono kierowanymi dyszami wylotowymi. Dysze wylotowe są poruszane dwoma siłownikami, a ich ruch jest mechanicznie sprzężony. W sytuacji awarii jednego z siłowników drugi jest w stanie podjąć samodzielną pracę.
Dane silnika R-27-300: Sprężarki niskiego ciśnienia 5-stopniowa, sprężarka wysokociśnieniowa 6-stopniowa, komora spalania pierścieniową, turbiny niskiego i wysokiego ciśnienia po jednym-stopniu z chłodzonymi łopatkami. Rozwidlona dysza poddźwiękową z dwoma dyszami wektorowanymi. Długość 3,70 m, średnica 1,01 m, masa 1 350 kg, ciąg przy dyszach skierowanych w dół 6 100 kG, ciąg przy dyszach skierowanych do tyłu 6 800 kG. Zużycie paliwa 0,883 kg/kGxh. Kompresja sprężarki 10,5:1.
Silnik RD-36-35 do pionowego startu w samolocie Jak-38:
Silnik RD-36-35 jest bardzo ciekawą konstrukcją z historycznego punktu widzenia. Został opracowany na przełomie 50/60-lat w OKB Piotra Kolesowa w Rybińsku, później przekształcony w zakład NPO Saturn. Silnik powstał na fali światowych napędów nośnych dla samolotów bojowych. Celem tych napędów był pionowy lub skrócony start samolotów. Silnik RD-36-35 trafił do napędu wielu doświadczalnych konstrukcji państwa moskiewskiego: MiG-21 DPD, MiG-23 DPD Su-15 DPD, Su-24 (pierwszych odmian). Samoloty te otrzymywały silniki RD-36-35 w ilości 2-3 sztuki ustawione pionowo w kadłubie w pobliżu środka ciężkości maszyny. Przez całe 60-lata samoloty te przechodziły testy pod względem ich przydatności do zastosowań bojowych. Ostatecznie jednak żaden z tych samolotów nie trafił do produkcji seryjnej. Natomiast silnik RD-36-35 trafiły do samolotów Jak-38.
Pierwsze uruchomienie silnika RD-36-35 nastąpiło w 1966 roku. Produkcje seryjną podjęto w 1972 roku. Silnik nośny to RD-36-35 w zależności od wersji ma ciąg od 2 x 2 900 kG do 2 x 3 250 kG. Silnik jest jedno-przepływowy, jedno-wałowy. Sprężarka osiowa, 6-stopniowa. Pierwszy stopień pracuje z prędkością naddźwiękową. Komora spalania pierścieniowa, bardzo krótka. Turbina jedno-stopniowa z chłodzonymi łopatkami. Wał podparty na dwóch łożyskach. Silnik jest uruchamiany na dwa sposoby. Na ziemi poprzez sprężone powietrze dostarczone ze sprężarki silnika głównego. W locie na wskutek autorotacji wywołanej przepływającym powietrzem. Silnik wykonany jest głównie ze stali. Jego masa wynosi 176 kg. Przepływ powietrza przez silnik wynosi 40,5 kg/s. Temperatura spalin przed turbiną wynosi 967 stopni Celsjusza. Jednostkowe zużycie paliwa: 37,65 mg / Ns. Silnik w ciągu kilku minut bardzo mocno się nagrzewa, dlatego jego praca nie może być zbyt długa. Potem musi się schłodzić.
Jak-41/141. 1987 rok.
Jeszcze jeden ciekawy samolot bojowy pionowego startu i lądowania opracowano w państwie moskiewskim. Był nim Jak-41/141. Prace nad samolotem rozpoczęto w połowie 70-lat. Różnicą w stosunku do poprzednich dwóch konstrukcji miała być prędkość naddźwiękowa. Samolot miał charakteryzować się zdolnościami walki powietrznej i zwalczania celów naziemnych i nawodnych. Miał działać w każdych warunkach pogodowych i miał mieć duży zasięg. Miał przewyższać niewprowadzone do uzbrojenia konstrukcje pionowzlotów Mirage III-V i VJ-101. Prototyp oblatano w 1987 roku. Pierwsze lądowania na pokładzie krążownika-lotniskowca wykonano w 1991 roku. Rozpad CCCP zahamował dalsze prace.
Układ nośno-napędowy samolotu Jak-41/141 jest zbliżony do Jak-38, z ta różnicą, że silnik nośno-marszowy jest potężniejszy, ale ma jedną dyszę wylotową, wektorowaną. Silnikiem tym jest R-79-300.
Silnik R-79-300 został opracowany przez МНПК “Союз” pod kierunkiem В. А.Кобченко, specjalnie dla samolotu bojowego Jak-41/141. Jest to silnik dwu-przepływowy, dwu-wałowy, o budowie modułowej. Wektorowanie ciągu jest realizowane poprzez ruch obrotowy pierścieni. Szerokość boków tych pierścieni jest tak dobrana, aby po jego obrocie o 180 stopni dysza wylotowa była skierowana w dół lub niemal poziomo. Ruch dyszy wylotowej odbywa się w zakresie 95 stopni. Podobne rozwiązanie zastosowali później Yankesi w samolocie pionowego startu F-35. Silnik jest sterowany elektronicznie w układzie trzy-kanałowym. Silnik dysponuje ciągiem 152 kN.
Samolot Jak-41/141 posiada także dwa silniki nośne RD-41 o ciągu 40,2 kN każdy. Silniki RD-41 są rozwojową wersja silników RD-36-35.
Boeing X-32 (F-32), Lockheed F-35 Lightning.
Zanim omówię sprawę samolotów pionowego startu F-32 i F-35 zaczniemy od silnika Pratt & Whitney F119 o ciągu 125 kN bez dopalania i 191 kN z dopalaniem. Silnik został opracowany z początkiem 90-lat XX wieku jako podstawowy napęd dla samolotów bojowych USA. Początkowo był przeznaczony dla Zaawansowanego Myśliwca Taktycznego, którym stał się Lockheed F-22 Raptor. Silnik F119-PW jest zaliczany do silników piątej generacji. Podstawowe różnice polegają na generowaniu większego ciągu z masy silnika (o 22 %), mniejszej liczbie części składowych (o 40 %) i większej żywotności. Silnik ten dysponuje takim ciągiem, że pozwala samolotom myśliwskim osiągać prędkość dźwięku bez używania dopalacza. Samolot F-22 mając dwa takie silnik bez dopalania osiąga prędkość Ma 1,6. Kolejną cechą silnika jest zastosowanie dwuwymiarowej duszy wylotowej wektorowanej. Odchyla ona strumień gazów o kąt 20 stopni w dół i w górę. Zmiana ta następuje w czasie krótszym niż jedna sekunda.
Zespół napędowy samolotu Boeing X-32 (F-32) to powrót do koncepcji reprezentowanej przez sowiecki Jak-36. Czyli główne dysze wylotowe generujące ciąg pionowy zostały umieszczone w rejonie środka ciężkości samolotu, mnie więcej w połowie długości kadłuba. W efekcie silnik jest bardzo wysunięty do przodu. Zaraz za turbiną silnika umieszczono dwie główne dysze wylotowe, które dają ciąg nośny. W locie poziomym dysze te są zamykane, a spaliny z silnika są kierowane do dopalacza, gdzie po jego włączeniu następuje przyrost ciągu. Końcowa dysza wylotowa jest dwuwymiarowa i pozwala w pewnym zakresie wektorować ciąg, tak jak jest to w ciężkim myśliwcu F-22.
Samolot Lockheed F-35 był opracowany w trzech wariantach. Dwóch klasycznych i w jednym wariancie pionowego startu i lądowania. W wariantach klasycznych silnik jest niemal identyczny z silnikiem zastosowanym w samolocie F-22. Natomiast w wariancie pionowego startu i lądowania silnik został znacznie zmodyfikowany. Modyfikacja polegała na dwóch zasadniczych zamianach. Silnik otrzymał w przedzie wyprowadzony wał, wyposażony w sprzęgło i przekładnię poprzez która napędzany jest wentylator umieszczony poziomo. Wentylator ten daje siłą nośną skierowaną pionowo w górę i jest wykorzystywany tylko podczas operacji pionowego startu i lądowania. Dysza wylotowa także przeszła modyfikację, dając albo ciąg postępowy, albo ciąg nośny. Jej zasada działania jest niemal identyczna z rosyjskim silnikiem z 80-lat XX Sojuz R-79-300.
Opracował Karol Placha Hetman