Игрушечный самолет, показанный на фото удивительный пример попытки совместить несовместимое. Внешний облик игрушки довольно точно копирует современный пассажирский лайнер с четырьмя газотурбинными двигателями под крыльями и одним толкающим винтом в хвостовой части. Сочетание двух таких принципиально различных видов движителей конечно нелепо с точки зрения практической реализации в реальном самолете. Однако такая игрушка позволят сделать интересным рассказ об авиационных двигателях, позволивших человеку перемещаться в небе быстро, надежно и на огромные расстояния.
Двигатель – это техническое устройство преобразующие тот или иной вид энергии в движение рабочего органа. В современных двигателях обычно работает химическая или электрическая энергия. Химическая энергия используется в двигателях внутреннего, внешнего сгорания и реактивных, а электрическая в электромоторах. Движение рабочего органа это чаще всего возвратно-поступательное движение поршней в двигателях внутреннего сгорания или вращение вала в электромоторах. Однако существуют и другие разновидности двигателей. На различных производствах весьма распространены пневматические двигатели, работающие за счет энергии сжатого газа и гидравлические использующие энергию потока воды. Пьезоэлектрические работают за счет расширения особых материалов при подаче на них электрического тока.
В авиации к настоящему времени используются два вида двигателей - внутреннего сгорания и работающие на реактивном принципе. Первый самолет, способный совершать управляемый полет, имел двигатель внутреннего сгорания, а сконструировали и построили его в 1903 году братья Уи́лбер и О́рвил Райт. Их самолет, названный «Флаер 1», смог на высоте нескольких метров пролететь 40 метров за 12 секунд. До них, в 1884 году русский морской офицер Александр Можайский спроектировал и построил летательный аппарат с паровым двигателем и тремя тянущими воздушными винтами. Но при испытаниях мощность парового двигателя оказалось недостаточной, и самолет Можайского взлететь не смог. В самолете братьев Райт был установлен уже бензиновый двигатель внутреннего сгорания. Еще одним принципиальным отличием было использование в качестве движителя двух толкающих воздушных винтов. В дальнейшем братьями Райт были проведены значительные доработки и усовершенствования их самолета, связанные с улучшением управляемости полетом, а также увеличением длительности и высоты полета. В последующие 1905 - 1915 годы было создано множество аналогичных легких самолетов различных аэродинамических схем. Монопланы - самолеты с двумя крыльями, расположенными в одной плоскости по обе стороны от фюзеляжа (корпуса) самолета. Бипланы - самолеты с двумя, расположенными несущими плоскостями по обе стороны от фюзеляжа. Самолеты коробчатых схем с несколькими рядами несущих плоскостей, напоминающих старинные воздушные китайские змеи. Во всех схемах применялись толкающие как толкающие, так и тянущие воздушные винты, причем толкающим вплоть до 1916 года, отдавалось предпочтение.
Это объяснялось в основном тем, что на первом этапе развития авиации кроме развлечения она находила себе применение главным образом на войне. Боевое применение самолетов заключалось воздушном наблюдении за боевой обстановкой на земле, бомбометании и воздушных сражениях. Сражались пилоты первых самолетов с помощью стрелкового оружия – пистолетов и пулеметов. Стрелять сквозь вращающийся винт тогда не умели, именно поэтому винт и располагали обычно за пилотом. К тому же такой винт не создает вихревого давления на несущие поверхности крыльев, что значительно облегчает управление. Но в 1914 году был изобретен синхронизатор стрельбы – механизм, совмещавший удар бойка пулемета с промежутком между лопастями вращающегося воздушного винта, благодаря этому стало возможным стрелять вперед, через вращающийся тянущий винт. Не смотря на то, что тянущий винт создает завихрения воздушного потока, которые отрицательно действуют на переднюю кромку крыльев, точкаnтянущего усилия? создаваемого винтом, расположена впереди центра масс самолета и это значительно упрощает управление самолетом в полете. Преимущества тянущего винта, как принято считать, превышают его недостатки не только при использовании на военных самолетах, но и в гражданской авиации.
Развитие авиации с поршневыми двигателями внутреннего сгорания и тянущими воздушными винтами достигло своей высшей точки к концу Второй мировой войны. Дело в том, что если воздушный винт вращается так быстро, что его лопасти движутся с окружной скоростью близкой к скорости звука в воздухе, а это 1224 км/час, то резко возрастает воздушное сопротивление, и частицы воздуха уже не могут отбрасываться назад со скоростями, позволяющими самолету развить скорость свыше 650 –700 км/час. Задача преодоления этого ограничения скорости была решена установкой на самолеты воздушно - реактивных двигателей.
Принцип работы воздушно – реактивного двигателя заключается в отбрасывании набегающего потока окружающего воздуха, ускоряемого в ходе химической реакции горения топлива в замкнутом объеме камеры сгорания. Хотя разновидностей таких двигателей достаточно много, основных типов всего два, прямоточные воздушно-реактивные двигатели и турбореактивные. В прямоточных двигателях, как это следует из названия, воздух повышает давление непосредственно в камере сгорания и отбрасывается назад с большой скоростью через сопло особой формы играющее роль движителя. Конструктивно это самые простые двигатели из семейства реактивных, но в авиации они не нашли применения - слишком велик расход топлива, поэтому их сфера применения это боевые одноразовые ракеты и беспилотные летающие мишени. В 2018 появилось сообщение, что в России создана боевая ракета с ядерной энергетической установкой обеспечивающей работу прямоточного воздушно – реактивного двигателя.
В авиации сегодня нашли самое широкое распространение турбореактивные двигатели. Принцип работы турбореактивного двигателя заключается в том, что окружающий воздух, прежде чем попасть в камеру сгорания двигателя, вращает турбину компрессора, сжимающего этот же воздух. В камере сгорания уже сжатый воздух обогащается распыленным топливом, и струя продуктов горения под большим давлением выбрасывается через реактивное сопло. Нашел себе применение в турбореактивных двигателях и старый добрый винт. Он используется в так называемых турбовинтовых реактивных двигателях. В этих двигателях струя продуктов горения, не просто выбрасывается через сопло, но еще и вращает воздушный винт, который создает основное движущие усилие, реактивная тяга здесь является дополнительной. Турбовинтовые двигатели гораздо экономичнее турбореактивных, но могут обеспечить полет самолетов с существенно меньшей скоростью. Самый быстрый авиалайнер Ту-95/142 был поострен СССР в 1955году, его 4-е турбовинтовых двигательных установки позволили развить скорость 925 км/час. Хотя самолеты турбовинтовыми двигателями считаются устаревшими, но их современные модификации все чаще начинают, используются для региональных перевозок на расстояниях до 800 км. И всё же основной массив авиационных перевозок в настоящее время приходится на долю самолетов с турбореактивными двигателями, точнее последними их модификациями – турбовентиляторными. Это так называемые двухконтурные реактивные двигатели, в которых воздух проходит как бы по двум трубам большого диаметра, одна из которых вставлена в другую. Газовая турбина внутренней трубы вращает не только компрессор, но и вентилятор, который гонит воздух по внешней трубе, что позволяет значительно повысить эффективность.
Одним из наиболее перспективных направлений дальнейшего развития авиации, возможно, является создание самолетов с электрическими двигателями, а также строительство новых сверхзвуковых авиалайнеров аналогичных летавшим в прошлом веке советским «ТУ-144» и европейским «Конкордам», но с улучшенными летными характеристиками.