Битва за скорость

Летом 1941 г. Техническое управление Шельпа выдало техзадание на разработку бомбардировщика с двумя турбовентиляторными двигателями. Шельп лично принимал участие в формировании облика будущего двигателя, в котором предполагалось реализовать много инноваций. В частности, двигатель должен был иметь два компрессора, каждый из которых приводился своей турбиной и камерой сгорания, а третья, силовая турбина приводила закапотированный воздушный винт. То есть это был инновационный проект трехвального турбовинтового двигателя с промежуточным подогревом между турбинами. Этот проект не был тогда реализован; спустя десять лет после войны подобный двигатель (только без второй камеры сгорания) реализовали англичане — турбовинтовой «Тайн» («Туnе»). Но тем не менее основу этого двигателя (т. н. газогенератор, или по англ. соrе — ядро, сердечник), представляющей собой схему обычного турбореактивного двигателя (компрессор+камера сгорания+турбина) было решено сделать на фирме «Хейнкель-Хирт». Шельп был ярым приверженцем промежуточной (между осевым и центробежным) схемы компрессора, а именно — диагональной, несмотря на имеющиеся отрицательные результаты. Этому были свои причины — Шельп ожидал повышения надежности компрессора при попадании посторонних предметов на входе, засасываемых при взлете. Тонкие, «слабые» лопатки осевого компрессора, как известно, очень чувствительны к этому и сегодня.

Проект с его помощью получил господдержку, ему был присвоен индекс 109–011, и работы начались на заводе Хирт в Штутгарте. Туда же переехал и Охайн, соединившись с группой Мюллера — фирме «Хейнкель-Хирт» было приказано сосредоточиться только на этом проекте — это был проект турбореактивного двигателя, который должен был иметь тягу 1300 кг (т. е. свыше 1000 кг, в следующем классе по классификации Шельпа). Как оказалось, это был самый мощный турбореактивный двигатель, реализованный в металле до конца войны. Фирма Хирт», как уже отмечалось, имела опыт работы над турбонагнетателями, в частности для проекта поршневого двигателя «Даймлер-Бенц» DB.605G для повышения его высотности до 15 км.

Инноваций в этом двигателе было много, включая освоение изготовления диагональной ступени компрессора вместе с лопатками из цельного куска алюминия. Сегодня такая технология называется «блиск» (от совмещения двух английских слов «blade» — лопатка и «disc» — диск) и требует для своей реализации точных пятикоординатных фрезерных станков с управлением от ЭВМ.

И здесь следует упомянуть о главных проблемах создания турбореактивных двигателей, которые сразу проявились, как только двигатели начали реально длительно испытываться. Как всегда в условиях жестких сроков создания двигателя, это оказалось неожиданностью. Далее мы еще увидим множество примеров подобных «промахов» при проектировании двигателей, несмотря на имеющийся опыт. Как уже отмечалось, основой газотурбинного двигателя является лопаточный компрессор. Лопатки эффективного компрессора представляют собой тонкие аэродинамические профили, что обусловливает их малую жесткость и соответственно низкую собственную частоту (первая форма колебаний 100–300 Гц) и склонность к возбуждению колебаний и автоколебаний (флаттер). С подобной проблемой мы уже встречались при описании истории создания воздушных винтов с тонкими стальными аэродинамическими профилями.

В результате, например, при типичной частоте вращения ротора 100–150 об/сек, неоднородность поля скоростей воздуха на входе, генерируемая двумя-тремя силовыми стойками или боковым ветром, вызывает резонанс периодической вынуждающей силы при прохождении лопатками зон неоднородности и собственной частоты колебаний лопаток, быстро приводящий к их усталостным поломкам. Этот процесс накопления повреждений усиливается в случае забоин на лопатках от посторонних предметов, снижающих их предел выносливости. Не последнюю роль в этом неприятном явлении играет и технологическая наследственность (остаточные напряжения) при их изготовлении. Полностью изжить эти дефекты на газотурбинных двигателях не удается до сих пор, даже после более чем пятидесятилетней истории их создания. Это родовая проблема ГТД. Что же говорить о начале пути? Все немецкие двигатели прошли через это. И здесь выдающуюся роль в решении этой проблемы на двигателях и 109–004 (Юмо), и 109–006 («Хейнкель-Хирт») сыграл немецкий инженер Макс Бентеле.