чего нет в конструкции самолета
Разбор конструкции самолета — как он устроен и из чего состоит
Сколько ведь раньше не пытались придумать самолет, а ведь все дело оказалось именно в конструкции. Каким-то образом громадные авиалайнеры поднимаются в воздух, и очень важным моментом является безопасность пассажиров. В данной статье будет подробно рассмотрено строение самолета, а именно его основных частей.
Конструкция самолета включает в себя:
Каждая из этих частей жизненно необходима для быстрого и безопасного полета самолета. Так же разбор составляющих поможет понять, как устроен самолет, и почему сделано все именно так, а не иначе.
Фюзеляж
Крылья
Очень сложно найти самолет, устройство которого не предусматривало бы размещение наиболее узнаваемой его части – крыльев. Этот элемент служит для формирования подъемной мощи, и в современных конструкциях для увеличения этого параметра крылья размещают в плоском основании фюзеляжа самолета.
Сами крылья предусматривают в своей конструкции наличие специальных механизмов, при поддержке которых исполняется поворот самолета в одну из сторон. Кроме того, данная часть летательного аппарата снабжается взлетно-посадочным устройством, что регулирует движение самолета в моменты взлетов и посадок, и оказывают помощь в контроле взлетной и посадочной скоростей. Нужно еще подметить, что некоторые конструкции самолетов предусматривают наличие топливных баков в крыльях.
Помимо того каждое крыло оснащено консолью. При помощи подвижных составляющих, именуемых элеронами, осуществляется управление судном относительно его продольной оси; функционирование этих элементов осуществляется полностью синхронно. Однако, когда один элемент поворачивается в одну сторону, другой будет идти в противоположную; именно поэтому и происходит вращение корпуса фюзеляжа.
Хвостовое оперенье
Данный элемент строения летательного аппарата является не менее важным элементом. Хвост самолета состоит из киля и стабилизатора. Стабилизатор так же, как и крылья, имеет две консоли – правую и левую; основным предназначением данного элемента является регулирование движения самолета и сохранение заданной высоты с учетом влияния различных погодных условий.
Киль так же является неотъемлемой составной частью хвостового оперенья, что несет ответственность за поддержание нужного направления самолета во время его полета. С целью произведения изменения высоты и направления были созданы два специальных руля, каждый из которых управляет своей частью хвостового оперенья. Важным моментом является то, что не всегда элементы воздушных судов могут называться именно такими именами: так, например, опереньем могут называть хвостовую часть фюзеляжа, а иногда таким именованием обозначают лишь киль.
Взлетно-посадочное устройство
Короткое название устройства – шасси, является главным устройством, благодаря которому осуществляется успешный взлет и плавная посадка. Не стоит недооценивать данный элемент летательного аппарата, так как его конструкция значительно сложнее, нежели просто колеса, выезжающие из фюзеляжа. Если присмотреться к одной системе выпуска и уборки, то уже становится понятно, что конструкция очень серьезная, и представляет собой целый набор различных механизмов и устройств.
Двигательная установка
Устройство является основной движущей силой, что толкает летательный аппарат вперед. Ее расположение чаще всего располагается либо под крылом, либо под фюзеляжем. Двигатель так же состоит из некоторых обязательных частей, без которых его функционирование не представляется возможным.
Основные детали двигателя:
Размещающийся в самом начале турбины вентилятор служит нескольким функциям: нагнетает захватываемый воздух и занимается охлаждением элементов двигателя. Сразу же вслед за ним располагается компрессор, что принимает подаваемый вентилятором воздух и под сильным давлением запускает его в камеру сгорания. Теперь горючее смешивается с воздухом, и полученная в результате смешивания субстанция поджигается.
Поток от взрыва данной топливной смеси выплескивается в основную часть турбины, что заставляет ее вращаться. Так же приспособление для кручения турбины обеспечивает постоянное вращение вентилятора, образуя подобным способом циклическую систему, что будет работать всегда, пока воздух и топливо будут поступать из камеры сгорания.
Управляющие системы
Авионика представляет собой электронный вычислительный комплекс из различных бортовых устройств системы самолета, что помогают считывать актуальную информацию во время навигации и ориентации подвижных объектов. Без этого обязательного компонента корректное и правильное управление любым летательным аппаратом типа лайнера было бы попросту невозможным. Так же эти системы обеспечивают бесперебойную работу самолета; сюда можно отнести такие функции, как автопилот, система противообледенения, бортовое электроснабжение и множество других.
Классификация воздушных судов и особенности конструкции
Все без исключения воздушные суда можно разделить на две основные категории: гражданские и военные. Самым основным их отличием является наличие салона, что обустроен намеренно с целью перевозки пассажиров. Сами же пассажирские самолеты разделяются по вместительности на магистральные ближние (расстояние перелета до 2000 км), средние (до 4000 км) и дальние (до 9000 км)
Если дальность перелета еще больше, то для этого используются лайнеры межконтинентального типа. К тому же, разнотипные летательные аппараты имеют разницу в весе. Так же авиалайнеры могут различаться в связи с определенным типом и, непосредственно, предназначением.
Конструкция самолета зачастую может обладать разной геометрией крыльев. Для самолетов, что осуществляют пассажирские транспортировки, конструкция крыльев не отличается от классической, что характерно именно авиалайнерам. Модели самолетов данного вида обладают укороченной носовой составляющей, и из-за этого имеют относительно невысокий КПД.
Есть еще одна специфическая форма, что зовется «утка», благодаря своему расположению крыльев. Горизонтальное оперенье размещается перед крылом, что увеличивает подъемную силу. Недостатком такой конструкции можно назвать уменьшение зоны обзора нижней полусферы из-за присутствия перед самим крылом оперенья.
Вот мы и разобрались, из чего состоит самолет. Как Вы могли уже заметить, конструкция довольно непростая, и различные многочисленные детали должны работать слаженно, что бы самолет смог подняться в воздух и после ровного полета удачно приземлился. Конструкция часто бывает специфической, и может существенно разниться в зависимости от модели и назначения самолета.
Части самолета: конструктивное значение и особенности эксплуатации
Самолёт – воздушное судно, без которого сегодня представить перемещение людей и грузов на большие расстояния невозможно. Разработка конструкции современного самолета, а также создание отдельных его элементов представляется важной и ответственной задачей. К этой работе допускают только высококвалифицированных инженеров, профильных специалистов, так как небольшая ошибка в расчётах или производственный брак приведут к фатальным последствиям для пилотов и пассажиров. Не представляет секрет, что любой самолёт имеет фюзеляж, несущие крылья, силовой агрегат, систему разнонаправленного управления и взлетно-посадочные устройства.
Ниже изложенная информация об особенностях устройства составных частей самолёта будет интересна для взрослых и детей, занимающихся конструкторской разработкой моделей летательных аппаратов, а также отдельных элементов.
Фюзеляж самолёта
Основной частью самолета является фюзеляж. На нем закрепляются остальные конструктивные элементы: крылья, хвост с оперением, шасси, а внутри размещается кабина управления, технические коммуникации, пассажиры, грузы и экипаж воздушного судна. Корпус самолёта собирается из продольных и поперечных силовых элементов, с последующей обшивкой металлом (в легкомоторных версиях – фанерой или пластиком).
Требования при проектировании фюзеляжа самолёта предъявляется к весу конструкции и максимальным характеристикам прочности. Добиться этого позволяет использование следующих принципов:
Фюзеляж пассажирского самолёта
Прочность корпуса самолёта обязана обеспечивать противодействие нагрузкам при различных полётных условиях, в том числе:
К основным типам конструкции корпуса самолёта относят плоский, одно,- и двухэтажный, широкий и узкий фюзеляж. Положительно зарекомендовали себя и используются фюзеляжи балочного типа, включающие варианты компоновки, которые носят название:
Важно! Равномерное распределение нагрузки на все части самолёта осуществляется за счёт внутреннего каркаса фюзеляжа, который представлен соединением различных силовых элементов по всей длине конструкции.
Конструкция крыла
Крыло – один из основных конструктивных элементов самолёта, обеспечивающий создание подъёмной силы для полёта и маневрирования в воздушных массах. Крылья используют для размещения взлётно-посадочных устройств, силового агрегата, топлива и навесного оборудования. От правильного сочетания веса, прочности, жёсткости конструкции, аэродинамики, качества изготовления зависят эксплуатационные и лётные характеристики самолёта.
Основными частями крыла называется следующий перечень элементов:
Конструктивно-силовая схема крыла (наличие и расположение деталей при нагрузочном воздействии) должна обеспечивать устойчивое противодействие силам кручения, сдвига и изгиба изделия. К ней относятся продольные, поперечные элементы, а также внешняя обшивка.
Классификация крыльев самолёта осуществляется в зависимости от конструктивных особенностей и степени работы наружной обшивки, в том числе:
Примыкание крыла к фюзеляжу
Важно! Стыковка частей крыльев, последующее их крепление должны обеспечивать передачу, распределение изгибающего и крутящего моментов, возникающих при различных режимах эксплуатации.
Авиадвигатели
Благодаря постоянному совершенствованию авиационных силовых агрегатов продолжается развитие современного самолётостроения. Первые полёты не могли быть длительными и совершались исключительно с одним пилотом именно потому, что не существовало мощных двигателей, способных развить необходимую тяговую силу. За весь прошедший период авиацией использовались следующие типы двигателей самолёта:
Важно! Перечень двигателей, разрабатываемых авиаконструкторами, вышеуказанным перечнем не ограничивается. В разное время неоднократно принимались попытки создавать различные вариации силовых агрегатов. В прошлом веке даже велись работы по конструированию атомных двигателей в интересах авиации. Опытные образцы были опробованы в СССР (ТУ-95, АН-22) и США (Convair NB-36H), но были сняты с испытания в связи с высокой экологической опасностью при авиационных катастрофах.
Органы управления и сигнализации
Комплекс бортового оборудования, командные и исполнительные устройства самолёта называют органами управления. Команды подаются из пилотной кабины, а выполняются элементами плоскости крыла, оперением хвоста. На разных типах самолётов используются различные типы систем управления: ручная, полуавтоматическая и полностью автоматизированная.
Органы управления, независимо от типа системы управления, разделяют следующим образом:
При применении ручного или полуавтоматического управления воздушным судном пилота можно считать неотъемлемой частью системы. Только он может проводить сбор и анализ информации о положении самолёта, нагрузочных показателях, соответствии направления полёта с плановыми данными, принимать соответствующее обстановке решение.
Для получения объективной информации о лётной обстановке, состоянии узлов самолёта пилот использует группы приборов, назовем основные:
Важно! Измерительные приборы, используемые для мониторинга состояния машины и внешней среды, специально разработаны и адаптированы для сложных условий эксплуатации.
Взлётно-посадочные системы 2280
Взлёт и посадку считают ответственными периодами при эксплуатации самолёта. В этот период возникают максимальные нагрузки на всю конструкцию. Гарантировать приемлемый разгон для поднятия в небо и мягкое касание поверхности посадочной полосы могут только надёжно сконструированные стойки шасси. В полете они служат дополнительным элементом придания жесткости крыльям.
Конструкция наиболее распространённых моделей шасси представлена следующими элементами:
Стойка шасси самолёта
Сколько колес размещено у самолета? Количество колёс определяется в зависимости от модели, веса и назначения воздушного судна. Наиболее распространённым считают размещение двух основных стоек с двумя колёсами. Более тяжёлые модели – трёх стоечные (размещены под носовой частью и крыльях), четырёх стоечные – две основные и две дополнительные опорные.
Видео
Описанное устройство самолета даёт лишь общее представление об основных конструктивных составляющих, позволяет определить степень важности каждого элемента при эксплуатации воздушного судна. Дальнейшее изучение требует глубокой инженерной подготовки, наличия специальных знаний аэродинамики, сопротивления материалов, гидравлики и электрооборудования. На производственных предприятиях авиастроения этими вопросами занимаются люди, прошедшие обучение и специальную подготовку. Самостоятельно изучить все этапы создания самолёта можно, только для этого следует запастись терпением и быть готовым к получению новых знаний.
Как устроена силовая установка пассажирского самолета
Всем привет. Недавно я читал ликбез очередному студенту на тему общего устройства оборудования самолёта. Вводный рассказ, хоть и отработанный до автоматизма, отнял пару часов времени и выявил необходимость ещё в двух-трёх вводных. Но лень — двигатель прогресса и я наконец дозрел до оформления всех этих «лекций» в печатном виде. А там, где есть внутренняя методичка, недалеко и до публикации на Хабре: вдруг, кому ещё интересно почитать будет.
Перед началом изложения хочу оговориться, что моя основная специализация — бортовое оборудование, так что из моего описания может вполне получиться «идеальный самолёт для технолога». Тех, кого этот подход не пугает, а также всех тех, кому интересно зачем в кабине экипажа нужны все эти кнопки и ручки — прошу оценить первую публикацию: «Силовая установка».
Про силовую установку
Силовая установка — общее название двигателей летательных аппаратов. Начну с них потому, что без двигателей самолет — не самолет, а в лучшем случае планер. Цена двигателей, к слову, составляет половину стоимости авиалайнера и компетенциями в разработке современных гражданских авиадвигателей обладают гораздо меньше стран, чем тех, кто обладают компетенциями в разработке самолетов.
На авиалайнерах сейчас ставят почти исключительно двухконтурные турбореактивные двигатели (ТРДД). Вот принципиальная схема такого двигателя:
Детали устройства можно прочитать во многих источниках, начиная с Википедии. Для нас, электронщиков, важно понимать следующие факты о работе такого двигателя:
Компрессор сжимает забираемый снаружи воздух перед подачей его в камеру сгорания,
В камере сгорания к воздуху подмешивается топливо,
В камере сгорания происходит постоянное горение топливовоздушной смеси, приводящее к тому, что разогретый газ расширяется в сторону турбины,
Турбина крутится под воздействием расширяющихся газов и крутит компрессор и/или вентилятор,
Как правило, в двигателях бывает две связки турбина-компрессор: высокого давления и низкого давления. Они могут крутиться независимо друг от друга,
Основную тягу, как это ни странно, даёт не горячий газ, выходящий из сопла, а вращение вентилятора,
Обороты и тягу двигателя можно регулировать подачей топлива,
В большинстве современных авиационных двигателей работой двигателя управляет специальный компьютер FADEC. Этот прибор анализирует параметры работы двигателя, внешние условия и управляющие сигналы от органов управления двигателем и управляет всеми приводами, влияющими на работу двигателя, например, топливным краном. Часть названия «Full Authority» означает, что:
FADEC отвечает за ВСЕ аспекты работы двигателя,
Только FADEC отвечает за работу двигателя, т. е. нет никакого резервного контура управления, механических тяг управления газом и т. д.
Кроме сигналов от органов управления двигателем FADEC анализирует данные от:
Системы воздушных сигналов (СВС): давление и температуру наружного воздуха, воздушную скорость самолёта — для уточнения параметров работы,
Датчиков обжатия шасси — для дополнительного контроля возможности включения реверса.
Системы кондиционирования воздуха — чтобы вносить поправки в режимы работы двигателя в зависимости от количества воздуха, отбираемого для пассажирского салона и/или для работы пневматической системы для запуска второго двигателя.
Основным параметром, ограничивающим предел мощности двигателя, является температура газов сразу за камерой сгорания. Разработчики двигателя хотели бы её поднять, но фундаментальные свойства известных материалов пока не позволяют этого сделать.
Как запускать двигатель
Чтобы запустить двигатель, надо раскрутить турбину высокого давления, подать топливо и дать первоначальную искру. После того, как турбина раскрутится примерно до 50% оборотов двигатель начнёт раскручивать себя сам.
Первоначальную раскрутку двигателя можно осуществлять электрическим стартер-генератором (для маленьких двигателей) или специально поданным воздухом высокого давления от пневматической системы. К слову, воздух высокого давления в пневматической системе берется от второго (уже запущенного) двигателя, вспомогательной силовой установки (ВСУ) или внешнего источника.
Пример пульта управления, используемого для запуска двигателя:
Для автоматического запуска надо выполнить следующие действия:
Переключатель «ENG START» (1) перевести в положение «IGN/ON»
Тумблер «ENG MASTER» (2) перевести в положение «ON» (вперёд). В этот момент FADEC:
Откроет кран пневматической системы для раскрутки турбины и компрессора высокого давления
Откроет кран топливной системы — чтобы было чему гореть
Даст искру на свечи зажигания
Контролировать процесс запуска. Если что-то пойдёт не так — немедленно перевести тумблер запуска обратно в положение OFF
Когда двигатель успешно выйдет на обороты малого газа — запустить второй двигатель по аналогичной процедуре
Когда оба двигателя запустятся — перевести тумблер ENG START в положение OFF — во время нормальной работы двигателя дополнительные искры на свечах зажигания не нужны
Во время автоматического запуска двигателя кнопки ручного запуска (3) не используются
Иногда нам надо покрутить двигатель, но не заводить его. Например, для проверок или чтобы «помыть» его внутренности керосином после консервации. В этом случае переключатель ENG START надо переводить в положение CRANK (прокрутка). Вся процедура запуска будет та же, но искры на свечах не будет. Нет искры — нет огня.
Управление двигателями осуществляется с помощью рычагов управления двигателями (РУД)
На каждый двигатель — свой рычаг. Тут всё просто: толкаем рычаг от себя — двигатель крутится быстрее, тяга растёт. Тянем рычаг на себя — крутится медленнее. Так как РУД не связан с топливным дросселем напрямую, можно не бояться, что мы сожжем двигатель большим количеством топлива или заглушим недостаточным. FADEC в любом случае не даст ему превысить предельную температуру выхлопных газов или заглохнуть. Кстати, с ограничением температуры выхлопных газов связан тот факт, что в жару и/или на высокогорных аэродромах двигатель может выдать меньшую тягу.
В районе «малого газа» у рычага упор. Чтобы разблокировать перевод рычагов в зону режимов реверса, надо потянуть за специальную скобу. При реверсе двигателя специальные створки разворачивают поток от вентилятора двигателя в обратном направлении помогая самолету остановиться:
Вообще, с помощью реверса самолёт может даже поехать назад, но, так как в этом режиме для двигателей, висящих под крылом, возможна ситуация засасывания в двигатель мусора и даже камней с взлётно-посадочной полосы, для авиалайнеров не рекомендуется включать реверс на малых скоростях.
Для включения реверса FADEC анализирует не только положение РУДов, но и датчики обжатия шасси, так что случайно в воздухе запустить реверс невозможно.
Ещё у двигателей, бывает специальный «аварийный» режим. Включить его можно пересиливанием РУДов в положение, находящееся дальше взлетного режима (на картинке это положение APR — Automatic Power Reserve). Такой режим используется только при отказе одного из двигателей при взлете, когда надо гарантировать набор высоты в ущерб ресурса рабочего двигателя. Правда после приземления работающий в аварийном режиме двигатель придется «перебрать».
Про индикацию и сигнализацию
Данные работы двигателей, как правило, отображаются на неотключаемой части центрального дисплея пилотов и на специальной странице с расширенными данными по двигателю
В постоянно индицируемом окне статуса работы двигателя доступны следующие данные:
а. Текущие обороты вентилятора двигателя (напрямую влияют на тягу)
б. Температура выхлопных газов — параметр работы двигателя, часто ограничивающий максимальную тягу. FADEC ограничивает ток топлива в том числе, чтобы не расплавить конструкцию лопаток турбин. Лётчику тоже важно понимать, почему обороты не растут, хотя он «просит»
в. Заданные обороты вентилятора двигателя (разгон двигателя с малого газа до взлётного режима занимает десятки секунд и текущие обороты не всегда совпадают с заданными)
г. Обороты турбины высокого давления. Помните, что турбин две и они работают независимо? Так вот данные оборотов турбины высокого давления важны при запуске двигателя. В полёте контролировать их не надо
д. Текущий расход топлива
е. Признак включения реверса
ж. Установившийся режим работы двигателя (малый газ, взлётный, набор высоты)
На специальной странице дополнительных параметров работы двигателя может выводиться, например, такая информация как:
Уровень, давление и температура масла,
Уровень вибрации двигателя,
Количество топлива, израсходованного с момента последнего запуска,
Давление воздуха в пневматической системе,
И т.д.
Варианты газотурбинных двигателей
Двигатели, в которых вентилятор вынесен за пределы мотогондолы (корпуса двигателя) называются турбовинтовыми. Они обладают лучшими взлетно-посадочными характеристиками, но быстро теряют эффективность при росте скорости больше 0.5 скорости звука (приблизительно). Поэтому они в основном применяются в самолётах для местных авиалиний и военно-транспортной авиации, где возможность использования коротких и неподготовленных взлетно-посадочных полос важнее, чем крейсерская скорость. В конструкции таких двигателей также часто применяется понижающая трансмиссия, как, например, на рисунке ниже.
Газотурбинные двигатели также используются на вертолётах, только в этом случае они крутят не пропеллер, а винт, сами двигатели в этом случае называются турбовальными. Хорошее видео, иллюстрирующее принципы их работы:
Ещё газотурбинные (турбовальные) двигатели ставят на танки (Т-80, Абрамс).
К преимуществам таких двигателей относят: высокую удельную мощность, хороший запуск даже при низких температурах, возможность тянуть «с низов» — турбина высокого давления отделена от силовой турбины и двигатель не глохнет, когда гусеницы стоят неподвижно.
К недостаткам: высокую стоимость двигателя, сложность технического обслуживания, низкую приёмистость. По каждой из особенностей применения газотурбинных двигателей для танков есть разные полярные мнения, я же не специалист по танкам — не кидайте в меня камни. Я мог ошибиться. 🙂
Нелокализованный разлёт осколков
Одним из «свойств» двигателя, сильно влияющим на конструкцию бортового оборудования, является так называемый «нелокализованный разлёт осколков двигателя». Это событие возникает при взрывном разрушении двигателя, когда лопатки компрессоров и турбин разлетаются во все стороны.
При оценке последствий такого отказа, считается, что осколки обладают «бесконечной» энергией, которой достаточно, чтобы пробить любые преграды, разрубить любые трубы и провода. Для обеспечения безопасного завершения полета в случае такого нелокализованного разлета разработчики архитектуры электронного оборудования для каждого критического провода должны предусмотреть резервный, проложенный в отдельном канале, который не может быть перебит тем же осколком, что и основной провод.
Примечание для впечатлительных: на самом деле разработчики двигателей делают всё возможное, чтобы избежать нелокализованного разлёта, и действительно они случаются очень редкстро. Даже попадание крупной птицы в двигатель не сломает его. Но авиация — отрасль консервативная и мы закладываем в архитектуру противодействие всем потенциально возможным рискам.
К посту напрашивается ссылка на канал одного гаражного кулибина с реактивными двигателями
Где то читал, что современный турбовентиляторный авиадвигатель это одно из самых технически сложных устройств на планете. Производителей буквально по пальцам пересчитать можно.
Примечание для впечатлительных: на самом деле разработчики двигателей делают всё возможное, чтобы избежать нелокализованного разлёта, и действительно они случаются очень редкстро. Даже попадание крупной птицы в двигатель не сломает его. Но авиация — отрасль консервативная и мы закладываем в архитектуру противодействие всем потенциально возможным рискам.
В США у пассажирского самолета прямо в воздухе взорвался двигатель. Осколки повредили один из иллюминаторов. В результате стекло не выдержало и полностью вылетело. Женщину, которая сидела в пассажирском кресле возле иллюминатора засосало в образовавшееся отверстие
Запустить реверс в воздухе невозможно? Но ведь случаи самопроизвольного включения в воздухе были, с катастрофическими последствиями.
я один поначалу подумал что в небе тормознуть можно?
А еще ГТД периодически ставят на обычные гражданские автомобили. Например, вот:
А зачем на земле педали-то? Руль есть за сайдстиком.
Момент попадания чайки в двигатель Boeing 747
Зато представляете как быстро приготовилась птица? За пару секунд и всё, готово.
В Перми собрали газогенератор для гигантского авиадвигателя ПД-35
Водород как топливо для авиации. Project Bee. США.1955 год
Предыстория. 1936 год. Эрнст Хейнкель (немецкий авиаконструктор, основатель фирмы Heinkel. 154 разработанных конструкции самолетов, 13 разработанных катапульт, 5 разработанных реактивных самолетов) дает задание Хансу фон Охайну (первый в мире турбореактивный самолет He 178 с двигателем HeS 3 фон Охайна. ) разработать турбореактивный двигатель.
В 1937 году фон Охайн обнаружил, что его экспериментальный турбореактивный двигатель хорошо работает на газообразном водороде.
В 50х годах прошлого века ВВС США заинтересовались использованием водорода в качестве топлива для своих новых и перспективных самолетов.
Поскольку в NACA водородом в качестве топлива активно занимался зам.директора Эйб Сильверстайн, и были проведены все теоретические расчеты и лабораторные исследования, а так же были уже продуманы способы практических испытаний, интересы ВВС США и NACA и взгляды на перспективность водорода как горючего для авиационных двигателей совпадали почти идеально.
NACA в то время считало, что для полета на сверх. высотах (выше 20 км) водород является практически идеальным горючим для самолета. И это нужно было проверить на практике.
Соглашение с NACA было достигнуто в декабре 1955 года, проект был засекречен и получил название Project Bee. Руководителем проекта был назначен зам.директор Эйб Сильверстайн.
Для проекта был выбран двухмоторный бомбардировщик B-57B с турбореактивными двигателями Curtiss Wright J-65.
Основной план состоял в том, чтобы оборудовать самолет водородной топливной системой, независимой от его штатной топливной системы, и модифицировать один двигатель для работы на водороде, а также на обычном топливе, которым был JP-4 (керосин). Самолет должен был взлетать и набирать высоту на штатном топливе.
После достижения горизонтального полета на высоте около 16400 метров топливо одного двигателя должно было быть переключено с JP-4 на водород. (Почти так же было сделано через 30 лет в Ту-155, только в Ту-155 на водород переключали один двигатель из трех, и не штатный а специально разработанный).
Когда эксперимент с водородом будет завершен, поток топлива будет переключен обратно на JP-4, и самолет вернется на базу в нормальных условиях эксплуатации.
Полеты выполнялись летчиками-испытателями лаборатории во главе с Уильямом В. (Эб) Гофом-младшим, четвертым пилотом ВМС, получившим квалификацию вертолетчика, и тридцатым пилотом реактивных самолетов; он присоединился к NACA в качестве летчика-испытателя после войны. К началу мая Гоф проверил B-57 на заводе Glenn L. Martin в Балтиморе, и ВВС переправили B-57 в Кливленд для экспериментов.
ВВС предоставили мобильное оборудование для сжижения водорода и резервуары из программы водородной бомбы. Гленн Хеннингс получил оборудование в хорошем рабочем состоянии и вскоре начал производить жидкий водород для различных лабораторных нужд.
В первой половине 1956 года в рамках другой программы ВВС подписали контракт на строительство в Пейнсвилле, штат Огайо, завода по сжижению водорода производительностью 680 кг в день. Когда этот завод начал производство в конце 1956 года, он обеспечивал все потребности Льюиса в водороде.
Параллельно с разработкой летной системы для подачи и управления водородом в двигатель был проведен ряд экспериментов с одиночными ТРД и полномасштабными двигателями, использующими газообразный водород в качестве топлива. Характеристики двигателя были высокими и нечувствительными к начальной температуре водорода.
В других исследованиях водород в камере сгорания размерами 2/3 длины стандартной, превзошел JP-4 и также работал на высоте 26000, т.е. работал на 6000 метров выше предела для JP-4. Это означало, что на водороде был возможен более короткий двигатель с существенной экономией массы.
В другом исследовании группа под руководством Уильяма А. Флеминга сравнила высотные характеристики двух турбореактивных двигателей, один на водороде, а другой JP-4. Двигатели были одноступенчатыми, осевые, развивали тягу 33-45 килоньютон (7500-10000 фунтов).
Сильверстайн хотел тщательно проверить двигатель и систему управления, используя как JP-4, так и водородное топливо в высотной аэродинамической трубе перед попыткой полета. Это было выполнено Гарольдом Р. Кауфманом и его сотрудниками, в том числе летчиком-испытателем Альгранти.
Водородная система состояла из топливного бака с крылом на конце крыла из нержавеющей стали, теплообменника, в котором проходил воздух для испарения жидкого водорода, и регулятора для управления потоком водорода в двигатель. Турбореактивный двигатель J-65 был модифицирован за счет добавления водородного коллектора и инжекторных трубок. Модификация не меняла штатную топливную систему двигателя на JP-4.
Кауфман сообщил, что для JP-4 максимальная высота стабильного горения составляла около 20000 метров, а затухание пламени произошло на высоте 23000 метров. Наоборот, водород оставался стабильным на пределе возможностей установки на высоте 27000 метров при номинальной скорости и температуре полета. Тяга была на 2–4 процента выше, а удельный расход топлива на 60–70 процентов ниже, чем у топлива JP-4.25
В ходе имитационных летных испытаний было выполнено 38 переходов с топлива JP-4 на водород. Более трех четвертей из них были удовлетворительными. У других были некоторые вариации оборотов двигателя, но они были настолько малы и непродолжительны, что инженеры полагали, что это не окажет отрицательного влияния на летно-технические характеристики самолета. Эти удовлетворительные результаты в барокамере открыли путь для испытаний водородной системы на B-57.
Бак с водородным топливом на левом крыле самолета имел длину 6,2 метра и объем 1,7 куб.
Бак из нержавеющей стали был рассчитан на давление 3,4 атмосферы и изолирован 5-сантиметровым слоем пенопласта, покрытого алюминиевой фольгой и заключенного в покрытие из стекловолокна. На противоположном крыле находился запас гелия, состоящий из 24 сфер из стекловолокна, заряженных до 200 атмосфер.
Гелий использовался для повышения давления в резервуаре с водородом и для продувки. Теплообменник для испарения жидкого водорода, регулятор потока и коллектор для подачи газообразного водорода в двигатель составляли остальную часть водородной системы.
С приближением Рождества 1956 года пилоты Гоф и Альгранти совершили серию проверочных полетов без водорода.
Настало время проверить, будет ли это работать, и будет ли работать вообще.
-А теперь со всем этим хламом мы попробуем взлететь. наверное думали пилоты и конструкторы 🙂
23 декабря 1956 года
Симпкинсон произвел последнюю проверку приборов, и B-57 был заправлен JP-4.
В бак законцовки крыла было загружено 94 килограмма жидкого водорода.
Закончив все приготовления, Гоф начал рулить. Его сопровождал «преследующий» самолет ВВС, оснащенный фотоаппаратом.
Когда B-57 занял позицию для взлета, Альгранти поддерживал давление в баке с жидким водородом. При закрытом вентиляционном клапане испарение небольшого количества водорода вызвало повышение давления в газовой полости над жидким водородом.
Испарение было вызвано утечкой тепла через изоляцию, что неизбежно при практической установке.
Из наземных испытаний Альгранти знал, что давление вырастет с 1 до 3,5 атмосфер примерно за пять минут, и ему пришлось вручную выпустить воздух из резервуара, когда давление начало подниматься выше 3,5 атмосфер.
Во время руления он заметил, что скорость нарастания давления значительно ниже, чем при наземных испытаниях; записи прибора показали, что всплеск и перемешивание водорода во время руления замедлили рост давления в два раза. Во время взлета давление в баллоне резко упало от всплесков в баке. Однако после того, как он поднялся в воздух, всплески прекратились, и давление начало расти примерно с той же скоростью, что и при стационарных испытаниях.
Это явление было вызвано температурными градиентами и стратификацией жидкого водорода и его паров и позже стало предметом детального исследования.
Взлет и набор высоты до крейсерской высоты 15 200 метров заняли почти час, и за это время Альгранти 8 раз вентилировал бак, чтобы давление оставалось в пределах нормы. Это привело к потере около 16 процентов водорода.
По сигналу Альгранти перешел с JP-4 на водород.
Двигатель реагировал превышением скорости и сильной вибрацией.
Пораженные пилоты быстро отключили его, прочистили трубопроводы и слили жидкий водород в бак крыла. На B-57 было сложно летать на одном двигателе, но подготовка Гофа учитывала это обстоятельство. Эксперимент проводился над озером Эри, и погода испортилась. Гоф попросил самолет, идущий за ним, вернутся, но пилот решил сопровождать его обратно в аэропорт Кливленда. Они приземлились бок о бок на взлетно-посадочных полосах под небольшим дождем.
Хотя первый полет был неудачным для работы двигателя на водороде в течение длительного периода, он успешно продемонстрировал, что с водородом можно безопасно обращаться.
Кроме того, были получены данные о явлении термического расслоения водорода в резервуарах.
Второй полет также был успешным лишь частично. Переход с JP-4 на водород прошел успешно, но недостаточный поток водорода помешал удовлетворительной работе двигателя на высоких оборотах. И снова основная часть водорода была сброшена без происшествий. Слив водорода за борт занял менее 3 минут, при этом водород образовал плотный шлейф, который исчезал примерно в 6 метрах от бака.
Конструкторы морщили лбы, инженеры сыпали идеями. Нормально. Машинка учится летать, допиливаем и снова пробуем.
13 февраля 1957 года был совершен первый из трех успешных полетов, и топливная система заработала исправно.
Переход на водород производился в два этапа.
Сначала продували водородные линии, затем двигатель работал на JP-4 и газообразном водороде одновременно. После двух минут работы со смесью Альгранти переключился на только водород. Переход был относительно плавным, заметного изменение частоты вращения двигателя или температуры выхлопной трубы не наблюдалось.
Двигатель проработал около 20 минут на водороде. Пилоты обнаружили, что двигатель хорошо реагирует на изменение положения дроссельной заслонки при использовании водорода. Когда запас почти иссяк, скорость начала падать. Когда это стало очевидным, Альгранти снова переключился на JP-4, и двигатель плавно разогнался до своей рабочей скорости. Двигатель, сжигающий водород, оставлял плотный и устойчивый след конденсации, в то время как другой двигатель, работавший на JP-4, не оставлял следов.
26 апреля Сильверстайн провел специальную конференцию, чтобы сообщить о том, что выявил проект Bee в практике и теории использовании водорода в полете.
175 участников заслушали 7 докладов 19-ти членов команды проекта. Они касались потребления водорода, проблем с заправкой, заправки самолетов, топливной системы самолета и летных экспериментов. Результаты также были представлены в серии отчетов об исследованиях, опубликованных позже.
Первая серия полетов водородного B-57 была выполнена с системой наддувом гелием, чтобы направить жидкий водород из бака на законцовке крыла в двигатели.
Для этого требовался достаточно тяжелый бак.
Позже был разработан водородный насос, который позволил уменьшить вес бака, что более чем компенсировало вес насоса. Арнольд Бирман и Роберт Коль разработали пятицилиндровый поршневой насос, приводимый в действие гидравлическим двигателем, для установки в баке с жидким водородом на законцовке крыла.
Летные эксперименты с насосом продлены до 1959 года. Было совершено три успешных полета. Хотя скорость насоса и давление нагнетания менялись, регулятор водорода поддерживал постоянную скорость двигателя во время работы с водородом. Все переходы с JP-4 на водород, сжигание водорода и переход обратно на JP-4 были выполнены без происшествий.
Возможность использования жидкого водорода в полете была с блеском продемонстрирована.