Мысль о возможности использовать реактивные двигатели на транспортных экипажах для передвижения по земле, а потом и по воздуху появилась в давние времена.

Неоднократно обращались взоры изобретателей к реактивному двигателю, когда начиналось покорение воздушного океана. Это было связано с тем, что развитие воздухоплавания, а затем и авиации задерживалось тогда из-за отсутствия достаточно легкого, мощного и надежного двигателя для дирижаблей и самолетов.

Идея использования реактивного принципа в воздухоплавании принадлежит русским изобретателям Третесскому и Соковнину. Третесский в 1849 году предложил свой проект аэростата, передвигающегося под действием силы реакции струи пара или газа, вытекающего под давлением из отверстия в корме аэростата. Несколько более совершенный проект подобного же рода разработал в 1866 году Соковнин, писавший в пояснительной записке к своему проекту, что «воздушный корабль должен лететь способом, подобным тому, как летит ракета».

Мысль о создании летательного аппарата тяжелее воздуха с реактивным двигателем принадлежит также нашему соотечественнику – Николаю Ивановичу Кибальчичу. Имя Кибальчича известно и дорого советскому народу как имя революционера, человека, отдавшего свою жизнь за дело революции. Как известно, Кибальчич вместе с другими народовольцами был казнен царским правительством за участие в покушении на царя Александра II 1 марта 1881 года.

Кибальчич заведовал лабораторией народовольцев, он изготовил бомбу, которой был убит царь.

Вероятно, в процессе работы над этой бомбой, а может быть, и раньше, Кибальчичу пришли в голову мысли, которые он затем, уже сидя в камере смертников, за несколько дней до казни, изложил в докладной записке на имя царского правительства. Кибальчич предлагал построить летательный аппарат тяжелее воздуха с пороховым ракетным двигателем разработанной им конструкции. Эта идея 27-летнего революционера намного опережала свою эпоху, однако царское правительство, как и можно было ожидать, не стало рассматривать его предложение. Если судить по резолюции на докладной записке Кибальчича, царское правительство считало нежелательным привлекать внимание к участи осужденного народовольца, хотя Кибальчич в своей записке вовсе не просил о помиловании или даже об отсрочке казни – он хотел только встретиться с учеными, чтобы рассказать им о своей идее. Кибальчич был казнен, и только через 36 лет после этого, в августе 1917 года, в архивах полиции была обнаружена докладная записка Кибальчича.

Попытки установить пороховые ракеты на автомобиле, глиссере, мотоцикле, планере и других средствах передвижения в начале нашего века были довольно частыми, но все эти попытки носили в основном рекламный или спортивный характер. Никакого практического значения они не имели, так как нельзя было избежать основного порока порохового ракетного двигателя – ничтожной продолжительности его работы.

Этот порок органически присущ пороховому двигателю, так как в таком двигателе весь запас топлива – пороха – должен заранее находиться в камере сгорания, что сильно ограничивает величину этого запаса. Подача новых порций твердого топлива в камеру сгорания связана с исключительными трудностями и, несмотря на ряд изобретательских предложений этого рода, в частности того же Кибальчича, до сих пор не была осуществлена.

Между тем по мере развития авиации все сильнее стала ощущаться необходимость в новом двигателе для самолетов, который мог бы обеспечить достижение еще невиданных скоростей полета.

Увеличение скорости полета – это одна из важнейших задач, неизменно стоящих перед авиацией. В авиации не зря говорят, что «кто быстрее в воздухе тот и сильнее в воздухе». Начиная с первого полета самолета Можайского и до наших дней во всем мире ведется настойчивая борьба за увеличение скорости полета. И если первые самолеты летали со скоростью 40–45 километров в час, то к началу минувшей войны скорость достигла уже 700–750 километров в час. Огромный прогресс!
 

Советский поршневой авиационный двигатель АШ-82.

И во все эти годы авиации надежно служил поршневой авиационный двигатель внутреннего сгорания, приводящий в движение воздушный винт. Это был единственный тип двигателя, нашедший применение в авиации. Со времени полета первых самолетов этот двигатель прошел огромный путь развития. Его мощность выросла от нескольких десятков до нескольких тысяч лошадиных сил. Конструкция двигателя усовершенствовалась – он стал очень компактным и легким. Экономичность двигателя значительно улучшилась – он стал расходовать в несколько раз меньше топлива на каждую лошадиную силу. Надежность двигателя стала необычайной – он приобрел способность работать без перерыва многие сотни часов подряд.

Поршневой авиационный двигатель стал высокосовершенной машиной, одним из замечательных достижений техники, человеческого гения. Кто не знает блестящих побед авиации, достигнутых с помощью этого двигателя, – исторических перелетов Чкалова и Громова через Северный полюс, высотных полетов Коккинаки и многих других!

И, несмотря на это, к концу второй мировой войны слава поршневого двигателя начала меркнуть: все сильнее стало ощущаться, что этот двигатель становится тормозом на пути дальнейшего развития авиации. Несмотря на несомненные достоинства поршневого двигателя, уже отчетливо стал сказываться и его главный недостаток – он оказался непригодным для полетов с теми скоростями, которые требовались теперь от авиации. Никакие конструктивные усовершенствования не могли уже исправить дело. Этот двигатель пасовал перед новыми скоростями. Замена его двигателем другой системы стала неизбежной.

Когда самолет летит со все большей скоростью, ему приходится преодолевать все большее сопротивление воздуха. Но это значит, что и двигатель самолета должен развивать при этом все большую мощность, ибо работа, совершаемая двигателем, и затрачивается на преодоление сопротивления воздуха. К сожалению, поршневой авиационный двигатель развивает практически одну и ту же мощность вне зависимости от скорости полета. Если на аэродроме двигатель в состоянии развить, скажем, 2000 лошадиных сил, то практически те же 2000 сил он будет развивать и в полете, когда самолет мчится со скоростью 600 или 700 километров в час. Если же установить более мощный двигатель, то он будет и более тяжелым, а это увеличит размеры самолета и, следовательно, снова повысит требования к мощности двигателя. Заколдованный круг, из которого выхода для поршневого двигателя нет!

Кроме того, стал еще подводить и неизменный товарищ поршневого двигателя – воздушный винт. С увеличением скорости полета концы лопастей винта, вращающегося с очень большим числом оборотов, начинают двигаться в воздухе с такой огромной скоростью, что это делает работу винта малоэффективной. Все большая часть мощности двигателя теряется при этом винтом бесполезно из-за увеличения потерь, связанных со сжимаемостью воздуха, и все меньшая часть затрачивается на полезную работу продвижения самолета в воздухе. А ведь потребность в этой работе с ростом скорости полета все возрастает!
 

Наконец обнаружилась и еще одна преграда, окончательно доконавшая поршневой двигатель. На пути увеличения скорости полета самолетов грозной невидимой стеной стал звуковой барьер... Этот таинственный «порог» взволновал умы авиационников; ему посвящалось все большее число статей в специальных журналах, все большее количество научных исследований. Оказалось, что по мере увеличения скорости полета, как это показали опыты в аэродинамических трубах, сопротивление, которое оказывает воздух летящему самолету, начинает вдруг резко увеличиваться. Как будто какая-то незримая рука внезапно упирается в нос летящего самолета и мешает ему лететь с большей скоростью, тормозит его. Чем больше скорость полета, тем сильнее эта рука, и тем больше должна быть мощность самолетного двигателя, чтобы преодолеть ее тормозящее усилие. И так уже недостаточна мощность поршневого двигателя, а тут еще такая напасть...

"Звуковой барьер".

Как это неоднократно бывало и в других случаях, оказалось, что причины такого внезапного увеличения сопротивления воздуха с ростом скорости полета не только были предсказаны задолго до того, как самолеты стали его ощущать в полете, но и были подвергнуты весьма тщательному теоретическому исследованию. И снова первое слово здесь было сказано нашей отечественной наукой.

Еще в прошлом веке ученый-артиллерист – профессор Артиллерийской академии Н. В. Маиевский первым в мире указал на связь этого внезапного увеличения сопротивления со скоростью звука в воздухе, то-есть с той скоростью, с которой распространяются в воздухе звуковые волны. В 1902 году вышло в свет блестящее научное исследование тогда еще молодого ученого Сергея Алексеевича Чаплыгина, будущего академика, ученика и друга Николая Егоровича Жуковского. Это исследование заложило основы теории полета со скоростями, приближающимися к скорости звука. Более трети века этот выдающийся труд Чаплыгина оставался, по существу, незамеченным и рассматривался лишь как оригинальное математическое исследование, пока развитие авиации не поставило перед наукой проблемы, оказавшиеся во многом уже решенными этой работой русского ученого.

Теперь уже хорошо известно, что по мере приближения скорости полета самолета к скорости звука в воздухе, равной примерно 340 метрам в секунду, или 1225 километрам в час*, сопротивление воздуха резко увеличивается. Чем ближе скорость полета к скорости звука, тем больше это дополнительное, так называемое волновое, сопротивление. При этом сам полет становится неустойчивым; самолет начинает вибрировать, управление им нарушается.
 

Профиль крыла сверхзвукового самолета,  предложенный К. Э. Циолковским.

Немало пришлось потрудиться советским ученым-аэродинамикам, опиравшимся на идеи Чаплыгина, пока им удалось найти средства уменьшения неприятностей, связанных с полетом, скорость которого приближается к скорости звука. Результатами этих трудов являются и непривычно тонкие крылья скоростных самолетов**, и необычная форма этих крыльев, придающая современному скоростному самолету вид стремительно летящей стрелы, и многие другие особенности этих машин.

Стало окончательно ясно, что перешагнуть через скорость звука, пробить звуковой барьер с обычным поршневым двигателем не удастся, об этом нечего и мечтать. Авиация обратилась за помощью к реактивной технике. Это был естественный и логичный шаг, ибо реактивные двигатели наиболее выгодны именно для высоких скоростей полета. В этом легко убедиться на примере хотя бы той же пороховой ракеты.

Скоростные самолеты над Красной площадью в Москве 1 мая 1954 г.

Представьте себе испытание такой ракеты на стенде. Двигатель работает, порох сгорает; из сопла ракеты с огромной скоростью вырываются раскаленные пороховые газы, но... все это напрасно, никакой полезной работы при этом двигатель не совершает. Действительно, ведь работа есть действие силы на некотором пути, а в данном случае сила имеется: это сила реакции струи вытекающих газов, но путь-то отсутствует – ракета неподвижна. Это все равно, как если бы, скажем, вам было велено передвинуть тяжелый ящик в сторону метра на два. Сколько бы вы ни трудились пытаясь сдвинуть этот ящик, вы бы еще полезной работы не совершили. Вот если бы ящик сдвинулся со своего места, то работа была бы совершена, именно работа, равная произведению вашего усилия на пройденный ящиком путь. Пока ящик неподвижен, затрачиваемая вами энергия теряется бесполезно.

Но вот ракета полетела и мчится со все большей скоростью. Теперь уже работа ракеты совершается, она равна силе реакции струи газов, помноженной на пройденный ракетой путь.

Чем больше скорость полета, тем больше эта полезная работа. Легко сообразить, когда энергия газов будет полностью использована для совершения полезной работы – продвижения ракеты в окружающей среде. Очевидно, как раз тогда, когда скорость полета ракеты станет в точности равной скорости истечения газов. Действительно, в этом случае газы, вытекающие из ракеты с огромной скоростью, будут относительно окружающего их воздуха совершенно неподвижными. Это и значит, что всю свою кинетическую энергию газы потеряли – она перешла в полезную работу движения ракеты. Правда, чтобы наступил такой момент, пороховая ракета должна лететь с очень большой скоростью – примерно 6–7 тысяч километров в час, но чем ближе скорость полета к этой наивыгоднейшей скорости, тем более эффективной становится работа реактивного двигателя.

Мы видим, что реактивные двигатели действительно рождены для высоких скоростей. Именно поэтому реактивные двигатели, вероятно, никогда не найдут широкого применения в наземном или водном транспорте – на железных дорогах, автомобилях, судах.

При относительно малых скоростях передвижения, возможных в этих случаях, реактивные двигатели невыгодны и уступают тому же поршневому двигателю внутреннего сгорания. Другое дело – в воздухе, где возможны огромные скорости, – в авиации и артиллерии. Здесь реактивные двигатели не имеют себе равных. Что же говорить о безвоздушном межпланетном пространстве?.. Кстати сказать, этот вывод о выгодности использования реактивных двигателей при больших скоростях полета был впервые в мире также получен Циолковским.

Пока скорость полета самолетов была относительно небольшой, авиацию вполне устраивал поршневой двигатель, а применение реактивных было бы невыгодным. Но вот скорость сильно выросла, поршневой двигатель стал сдавать – и все взоры обратились к двигателю реактивному.

Но авиационный реактивный двигатель должен, очевидно, во многом отличаться от двигателей реактивной артиллерии, и в первую очередь тем, что он должен обеспечивать длительный полет. Уже не секундами, как у пороховых реактивных двигателей, а часами должна измеряться продолжительность работы реактивного двигателя самолета. В этом случае все топливо нельзя разместить в камере сгорания, как в пороховом двигателе, а его нужно подавать туда небольшими порциями. Следовательно, топливо для авиационного двигателя не должно быть твердым. Но это еще не все, – такой двигатель должен расходовать мало топлива, то-есть быть экономичным, чтобы обычных запасов топлива на самолете было достаточно для продолжительного полета.

Двигатели, удовлетворяющие этим требованиям, известны. Это так называемые воздушно-реактивные двигатели. Они работают не на твердом, а на жидком топливе и используют для сжигания его кислород из атмосферы. В результате этого продолжительность их работы неизмеримо больше, чем пороховых двигателей.

Первые проекты воздушно-реактивных двигателей появились в ряде стран, в том числе и у нас в стране, еще в прошлом веке.

Еще в 1867 году русский изобретатель Н. Телешов запатентовал воздушно-реактивный двигатель с компрессором для сжатия воздуха. Этот двигатель он назвал теплородным духометом. Аналогичные двигатели были предложены за рубежом почти на полвека позже.

В мае 1884 года изобретатель Якубинский доложил на заседании воздухоплавательного отдела Русского технического общества свой первый в мире проект воздушно-реактивного двигателя, специально предназначенного для летательных аппаратов.

Талантливый инженер и изобретатель Кузьминский еще в 1897 году построил и испытал на катере, на Неве, первый в мире газотурбинный двигатель, весьма похожий по конструктивной схеме на двигатели современных реактивных самолетов.

Интересные проекты воздушно-реактивных двигателей разработали в начале XX века изобретатели Караводин, Антонович, Горохов и Никольский.

Конструктор Базаров в 1924 году получил авторское свидетельство на схему так называемого турбовинтового двигателя для самолетов, в котором тяга создается как винтом, приводимым в движение турбиной, так и реакцией струи вытекающих газов. Двигатели современных реактивных самолетов во многих основных элементах конструкции повторяют это предложение.

В 1932 году Циолковский, работавший и над проблемой применения реактивных двигателей в авиации, предложил так называемый двухконтурный турбореактивный двигатель. Конструкция такого двигателя была разработана в 1937 году инженером Люлька.

Это показывает, что многие типы воздушно-реактивных двигателей были созданы в нашей стране. У нас же были разработаны основы теории и расчета этих двигателей. Еще в конце прошлого века Николай Егорович Жуковский в своих знаменитых работах «О силе реакции вытекающей и втекающей жидкости» (1882 и 1886 годы) дал формулу для определения силы тяги, которой пользуются в настоящее время во всем мире. Ученик Жуковского, академик Б. С. Стечкин, в 1929 году опубликовал разработанную им впервые в мире теорию воздушно-реактивных двигателей.

Работники нашей реактивной техники гордятся этим первенством нашей страны в создании авиационных реактивных двигателей. Своим настойчивым и упорным трудом они завоевывают и в настоящее время качественное превосходство отечественной реактивной авиации над зарубежной. Имена творцов авиационных реактивных двигателей лауреатов Сталинской премии Климова, Люлька, Туманского и других хорошо известны советскому народу. Двигатели, которые разрабатываются дружными коллективами под руководством этих главных конструкторов, не имеют себе равных в мире. И в полной мере достойны этих двигателей наши замечательные реактивные самолеты, создаваемые прославленными авиационными конструкторами Туполевым, Микояном, Ильюшиным, Мясищевым, Яковлевым, Лавочкиным и другими. Родина авиации и реактивной техники имеет могучую реактивную авиацию, охраняющую мирный труд нашего великого советского народа.

Если пороховой реактивный двигатель поражает своей простотой и не имеет ни одной движущейся части, то турбореактивный двигатель современного реактивного самолета представляет уже довольно сложную машину. Однако оба эти двигателя имеют одну и ту же задачу – развивать реактивную тягу, создаваемую струей вытекающих из двигателя газов.
 

Схемы турбореактивных двигателей.  Вверху – с центробежным компрессором;  внизу – с осевым.

Воздух, попадающий в турбореактивный двигатель через специальные воздухозаборные отверстия, сжимается в нем до давления в несколько атмосфер. Для этого служит специальная машина — компрессор. Это может быть центробежный компрессор, представляющий собой крыльчатку большого диаметра, вращающуюся с большим числом оборотов, либо осевой компрессор. Осевым он называется потому, что при сжатии в этом компрессоре воздух течет параллельно его оси, а не по радиусам от центра к периферии, как в центробежном компрессоре. Осевой компрессор представляет собой ряд колес с лопатками на ободе, вращающихся между рядами неподвижных лопаток.

В сжатый воздух в камере сгорания двигателя впрыскивается топливо, которым чаще всего является обычный керосин. Продукты сгорания топлива – раскаленные газы – поступают в газовую турбину и расширяются в ней, передавая лопаткам турбины часть своей энергии. Вследствие этого турбина вращается, развивая мощность, необходимую для приведения в действие компрессора. Именно для этой цели и предназначена турбина в двигателе, и поэтому она связывается с компрессором прочным стальным валом. Этот вал действительно должен быть прочным, так как мощность турбины и практически равная ей мощность компрессора в новейших турбореактивных двигателях уже превышает иной раз 50 тысяч лошадиных сил.

Вытекающие из двигателя через реактивное сопло газы обладают значительной скоростью, намного превышающей скорость полета. Эта разница в скоростях и приводит к возникновению силы реакции, представляющей собой реактивную тягу двигателя. Сила реакции струи вытекающих из двигателя газов — вот та сила, которая заставляет лететь с большой скоростью реактивный самолет.
 

Турбореактивные двигатели, применяемые на боевых самолетах, развивают в настоящее время тягу 4–5 тонн и более. Легко подсчитать, какую мощность развивает в полете двигатель подобной тяги. Так, мощность двигателя тягой 4000 килограммов при скорости полета 300 метров в секунду, что соответствует 1080 километрам в час, равна 16 тысячам лошадиных сил.

Отечественный турбореактивный двигатель с центробежным компрессором РД–500.

1

Вместо четырех турбореактивных двигателей современного реактивного бомбардировщика на нем нужно было бы установить не менее 24 сверхмощных поршневых двигателей.

И это в то время, как наиболее мощные поршневые авиационные двигатели развивают по крайней мере в 4 раза меньшую мощность. А ведь поршневые двигатели имеют более чем полувековую историю развития. Мало того: примерно четверть всей мощности, развиваемой поршневым двигателем, теряется бесполезно винтом, так что при мощности двигателя в 4000 лошадиных сил его полезная мощность составит примерно 3000 лошадиных сил. И вместе с тем такой двигатель будет иметь больший вес и большие размеры, чем турбореактивный двигатель, в 5–6 раз более мощный. Вот в чем секрет успеха реактивных двигателей в авиации. А успех этот, кстати сказать, поистине необычайный. За несколько послевоенных лет вся скоростная авиация мира стала авиацией реактивной. Можно смело говорить о технической революции, вызванной в авиации применением реактивных двигателей. Когда мы об этом говорим, мы не можем не вспомнить с законной гордостью пророческие слова Циолковского, сказанные им еще тогда когда к самой мысли о создании реактивных самолетов относились как к безудержной фантазии: «За эрой аэропланов винтовых должна следовать эра аэропланов реактивных». Эти вещие слова, сказанные четверть века назад, сбылись. Мы живем с вами в самом расцвете эры реактивной авиации.

1

Уже сейчас многие наши реактивные самолеты летают со скоростью, близкой к скорости звука, и скоро пассажиры будут затрачивать больше времени на поездку из города до аэродрома, чем, скажем, на перелет из Москвы в Ленинград. Больше того, отдельные самолеты уже летают со скоростью большей, чем скорость звука. «Таинственный» звуковой барьер преодолен! И, как и следовало ожидать, ничего таинственного по ту сторону этого барьера не оказалось – по крайней мере, по мнению побывавших там летчиков.

Реактивные самолеты: вверху – военный: внизу – гражданский.

Но эти успехи воздушно-реактивных двигателей в авиации – только первые шаги. Впереди их ждет еще более блестящее будущее, еще большие скорости полета: 3–4–5 тысяч километров в час. И очень интересно, что при таких больших скоростях полета двигатель не только не станет более сложным, но, наоборот, предельно упростится.

Сложность турбореактивного двигателя связана главным образом с его движущимися, вращающимися частями: компрессором и турбиной. Именно они, с одной стороны, уменьшают надежность двигателя, а с другой – ограничивают возможность дальнейшего увеличения его тяги, а значит, и возможность дальнейшего увеличения скорости полета. Но, к сожалению, без компрессора, а следовательно, и без турбины обойтись пока нельзя: для того чтобы двигатель мог работать, развивая большую тягу и расходуя мало топлива, нужно сжимать воздух, увеличивать его давление в камере сгорания. И вот оказывается, что при полете со скоростью, в 2–3 раза превышающей скорость звука, компрессор становится лишним: удается получить нужное высокое давление воздуха в двигателе и без его помощи.

Секрет здесь прост. Почему, когда высовываешься из окна вагона быстро мчащегося поезда, спускаешься на лыжах с крутой горы или прыгаешь ласточкой с высокого трамплина, воздух становится таким упругим? Отчего перехватывает в этих случаях дыхание, какая сила бьет с размаху в грудь и лицо? Почему таким страшным становится обыкновенный ветерок, когда он с силой урагана набрасывается на деревья, строения, людей, срывая крыши домов, опрокидывая железнодорожные вагоны?

Эта сила рождается, когда стремительно мчащийся воздух задерживается неожиданным препятствием, внезапно и резко останавливается, прерывая свой бешеный бег. Вся мощь, вся кинетическая энергия воздуха затрачивается в этих случаях на его сжатие, на увеличение давления, создавая так называемый скоростной напор. Он-то и валит с ног людей и ломает деревья.
 

Схема прямоточного воздушно-реактивного двигателя.

Что же происходит, когда в воздухе мчится с огромной скоростью, быстрее любого урагана, реактивный самолет? Воздух, врывающийся с этой скоростью в двигатель, почти останавливается внутри него. Легко представить себе, каким большим оказывается при этом скоростной напор воздуха. И все же при тех скоростях, с которыми летают современные реактивные самолеты, этот скоростной напор еще не в состоянии создать нужного давления в двигателе, он только помогает компрессору.

Но когда скорость полета начинает значительно превышать скорость звука, то только в результате использования этого скоростного напора давление в двигателе может быть доведено до многих атмосфер и даже до десятков атмосфер.

Тогда в компрессоре не будет никакой надобности. А значит, тогда отпадет нужда и в турбине, и турбореактивный двигатель превратится, по существу, в одну, летящую с огромной скоростью, топку, в летающую трубу, вовсе не имеющую движущихся частей. И, несмотря на эту свою простоту, такой прямоточный воздушно-реактивный двигатель будет при этих больших скоростях полета развивать при тех же размерах и гораздо меньшем весе, чем у современных турбореактивных двигателей, в десятки раз большую тягу и расходовать во много раз меньше топлива***. Неудивительно поэтому то внимание, которое уделяется прямоточным двигателям уже сейчас, для того чтобы эти двигатели стали широко применяться в сверхскоростной авиации завтрашнего дня.
 

Развитие авиационной реактивной техники уже привело к созданию воздушно-реактивных двигателей, способных работать сотни часов подряд, мощных, экономичных, легких. Это были бы замечательные двигатели для межпланетного корабля, если бы... если бы они вообще годились для него. Но они, конечно, не годятся, ибо эти двигатели нуждаются для своей работы (для сгорания топлива) в воздухе, а именно его-то и нет в мировом пространстве.

Значит, для межпланетного корабля нужен реактивный двигатель, сочетающий способность порохового (работать без воздуха) со способностью воздушно-реактивного (работать продолжительное время). Такой двигатель и был изобретен Циолковским****.