Як народився реактивний двигун: життя піонера британської авіації сера Френка Віттла

Тратонг / Shutterstock

Якщо ви відвідаєте будь-який великий аеропорт, важко уявити часи, коли реактивних двигунів не існувало. Але хоча польоти на тисячі миль навколо світу здаються для більшості з нас сьогодні звичним явищем, нічого з цього не було б можливим, якби не винахід реактивного турбінного двигуна. 

Перш ніж цей вирішальний винахід утвердився на світовій арені, польоти були повільнішими та займали набагато більше часу, коли намагалися дістатися з пункту А до пункту Б повітрям. Хоча розробка поршневих гвинтових двигунів дозволила авіації зробити величезний стрибок уперед з точки зору того, наскільки далеко та як швидко могли літати літаки, залишалося поширеним переконання, що наступний великий розвиток авіаційних двигунів чекає не за горами. Однак, знадобляться гроші, винахідливість та новаторський дух, щоб розкрити цей потенціал і побачити літак з реактивним двигуном, що підніметься в небо. 

Цим піонером став сер Френк Віттл, пілот, інженер, винахідник і глибокий мислитель, який зрештою зробив сміливий крок і перетворив реактивний турбінний двигун з простої концепції у своїй уяві на креслярську дошку, а потім на авіаційну силову установку за замовчуванням на десятиліття вперед.  

Швидкий вітер / Шуттерсток

Це історія про те, як син інженера з серця Англії став одним із справжніх піонерів авіації. Завдяки наполегливому духу та схильності до машинобудування, саме сер Френк Віттл, якому ми всі можемо подякувати за те, що в сучасну епоху він зміг перетнути земну кулю за лічені години, а не дні. 

Передісторія

 Френк Віттл народився в Ковентрі, розташованому в центрі промислової Англії, 1 червня 1907 року. Народжений у батька-механіка, Віттл провів більшу частину свого дитинства, допомагаючи в майстерні батьківської компанії, працюючи над механізованими інструментами та токарними верстатами для виробництва деталей машин для інших галузей промисловості. Навіть у цей час Віттл виявляв жвавий інтерес до інженерії, ставши експертом з бензинових інструментів свого батька та розвинувши жвавий інтерес до авіації.  

У дитинстві Віттл проводив більшу частину вільного часу в місцевій бібліотеці, захоплюючись авіацією, астрономією, інженерією, газотурбінними двигунами та еволюцією польотів – усіма цими предметами, глибокі знання яких добре послужили б Віттлу в дорослому віці. Він також розвинув гострий інтерес до вступу до Королівських ВПС (RAF) у міру зростання своїх знань і вирішив вступити туди, як тільки досягне достатнього віку.   

Віттл вступає до лав Королівських ВПС 

У січні 1923 року, успішно склавши вступні іспити до Королівських повітряних сил (RAF), Віттла спочатку взяли на посаду авіамеханіка. Однак він давно мріяв літати і мріяв стати пілотом. Однак, через низький зріст і статуру, Віттлу двічі відмовляли у відборі до екіпажу льотної команди через його габарити. Однак пізніше він ще раз подав заявку під фальшивим ім'ям (що стало раннім проявом його наполегливості та амбіцій у дії). З третьої спроби в 1926 році Віттл пройшов медичний огляд і був прийнятий на підготовку льотного офіцера до легендарного навчального центру RAF Cranwell. Це була можливість, яку Віттл не збирався втрачати. 

Віттл відмінно пройшов базовий курс польотів Королівських ВПС, здійснивши свій перший самостійний політ (без інструктора на борту) лише після 13,5 годин льотної підготовки. Пізніше він перейшов на льотний склад флоту вантажних літаків «Брістоль» Королівських ВПС, на яких здобув репутацію майстра акробатичних польотів та «демонстрації», через що не раз мав проблеми зі старшими офіцерами.  

Аероман3 / Флікр

Під час навчання Віттл мав написати дисертацію перед випуском з авіабази Кренвелл. Віттл спирався на те, що знав найкраще, як на обрану ним тему, а саме на розробку польотів для досягнення набагато вищих швидкостей і висот, ніж це було можливо на той час. У своїй дипломній роботі під назвою « Майбутній розвиток конструкції літаків » Віттл продемонстрував, що навіть за умови подальшого розвитку поршневі гвинтові літаки навряд чи зможуть досягти швидкості понад 800 км/год (500 миль/год) у майбутньому.  

Натомість, Віттл у своїй статті запропонував новий винахід, який він назвав « моторно-реактивним літаком », що складається з повітряного компресора, що використовує звичайний поршневий двигун для подачі стисненого повітря в камеру згоряння, вихлопні гази якого використовувалися безпосередньо для тяги. Хоча ця концепція вже обговорювалася в аерокосмічній промисловості, Віттл стверджував, що його моторно-реактивний літак працюватиме набагато ефективніше на великих висотах, а використання повітря нижчої щільності підвищить загальну ефективність, оскільки воно забезпечуватиме менший опір.  

Віттл закінчив Королівський коледж повітряних сил у 1928 році у віці 21 року та був призначений офіцером-пілотом Королівських ВПС, де його пізніше описували як пілота «виняткового або вище середнього». 

Розробка дизайну Віттла триває 

Віттл продовжив роботу над принципом реактивного двигуна після подання дисертації. Він дійшов висновку, що замінивши поршневий двигун газовою турбіною, можна досягти набагато більшої тяги з тією ж базовою схемою. Замість використання компресора з поршневим двигуном для подачі стисненого повітря в пальник, можна використовувати турбіну для вилучення додаткової потужності з вихлопних газів та приводу компресора. Решта тяги вихлопних газів забезпечувала б тягу для літака. 

Продовжуючи виконувати свої льотні обов'язки в Королівських ВПС, Віттл став настільки відомим пілотом, що його невдовзі обрали інструктором. Перебуваючи на посаді в Королівських ВПС Віттерінг у Кембриджширі в 1929 році, Віттл продовжував просувати свою концепцію конструкції реактивного літака серед керівництва бази. Віттл невдовзі знайшов однодумця в особі льотного офіцера Пета Джонсона, колишнього патентного експерта. Джонсон, у свою чергу, представив концепцію Віттла командиру бази.  

Заохочений командиром розвивати свої теорії, наприкінці 1929 року Віттл надіслав свою концепцію до Міністерства авіації в Лондоні, щоб з'ясувати, чи буде вона цікавою для уряду Великої Британії. Згодом Віттла запросили до Лондона на зустріч з офіцером Департаменту наукових і промислових досліджень (DSIR) міністерства. Однак після цієї зустрічі Віттл отримав листа, в якому зазначалося, що Міністерство авіації залишається невпевненим у тому, що конструкція Віттла може досягти необхідної ефективності для практичного реактивного двигуна.  

Аероман3 / Флікр

Виявивши різні нібито недоліки як у конструкції Віттла, так і в одному розрахунку, Міністерство авіації визнало, що «турбіна внутрішнього згоряння майже напевно буде розвинена в успішний двигун, але перш ніж це можна буде зробити, необхідно значно покращити продуктивність як компресорів, так і турбін. Однак, було дуже цікаво дослідити вашу схему, і будь-які пропозиції, подані людьми зі Служби, завжди вітаються». 

Рішення відхилити проєкт Віттла зрештою мало б величезні наслідки як для Віттла, так і для уряду Великої Британії, а також зростання напруженості в Європі, що зрештою призвело б до Другої світової війни.  

Пет Джонсон залишався переконаним у достовірності конструкції Віттла, що призвело до її запатентування в січні 1930 року. Таким чином, Віттл повністю зберіг права на конструкцію свого двигуна, і подальші зустрічі проводилися з різними комерційними організаціями, де висловлювався інтерес до його конструкції, хоча жодних угод про фінансування, за якими можна було б її розвивати далі, не було укладено.  

Поряд із виконанням обов'язків інструктора з польотів, Віттл у 1932 році навчався в Офіцерській інженерній школі Королівських повітряних сил. Отримавши середній бал 98% з усіх предметів на вступному іспиті, Віттл дозволив йому пройти скорочений річний курс навчання. Після успішного завершення цього курсу Віттл вирішив пройти дворічний інженерний курс у коледжі Пітерхаус при Кембриджському університеті у Великій Британії, який закінчив у 1936 році з дипломом з першим класом з механіки. На згадку про навчання Віттла біля Інженерної школи університету й донині залишається історична табличка.  

Люк Пітерс / AeroTimeНародження Power Jets

Після закінчення Кембриджа Віттлу Королівські ВПС надали ще один рік на розробку своєї конструкції. Однак, без додаткового фінансування Віттл не зміг продовжити патент на свою конструкцію, який належним чином втратив чинність, відкривши її для інших потенційно для подальшої розробки, що створювало ризик.  

Однак, завдяки низці випадкових зустрічей з колишніми контактами Королівських ВПС, Віттл уклав партнерство з двома військовослужбовцями Королівських ВПС у відставці, причому Віттл зберіг за собою половину акцій нового партнерства. План полягав у тому, що фірма матиме кращі можливості для пошуку комерційного фінансування для розробки Віттла, маючи певну форму належної організаційної структури.  

Після серії невдалих зустрічей щодо забезпечення фінансування, партнерство врешті-решт знайшло прихильність спеціалізованого інвестиційного банку, який схилявся до більш ризикованих підприємств, у вересні 1935 року. Банк погодився фінансувати розробку конструкції Віттла, і з укладенням цієї угоди майбутнє реактивного двигуна Віттла було забезпечено, а хід історії авіації змінився назавжди.  

HMSO / Вікісховища

Завдяки тристоронньому партнерству, укладеному між інвестиційним банком, Міністерством авіації, а також Віттлом та його двома партнерами, було створено нову компанію під назвою Power Jets . Віттл та партнери зберегли 49%, тоді як банк інвестував початкові 2000 фунтів стерлінгів (2680 доларів США) з опцією додаткових 18 000 фунтів стерлінгів (24 120 доларів США) протягом 18 місяців. 

Оскільки Віттл все ще був штатним офіцером Королівських ВПС, йому потрібен був спеціальний дозвіл на роботу поза межами своїх обов'язків у Королівських ВПС, і він міг присвячувати лише шість годин на тиждень роботі з літаками Power Jets. Однак, оскільки Віттлу дозволили ще один рік у Кембриджі для продовження навчання в аспірантурі, це обмеження мало незначний практичний ефект. 

Поки Королівські ВПС продовжували власну роботу з розробки реактивних двигунів разом з Power Jets, інші члени компанії взялися за створення прототипу двигуна, щоб продемонструвати його життєздатність та ефективність. До кінця 1936 року на заводі, що належав британській компанії Thompson-Houston, розташованому поблизу Ковентрі (рідного міста Віттла), прототип був майже готовий до першого випробувального запуск, який також був виготовлений в межах початкового бюджету у 2000 фунтів стерлінгів. 

Німеччина виходить на арену реактивних літаків

На цьому етапі два провідних німецьких інженери-аерокосмічні компанії (Герберт Вагнер з Junkers та Ганс фон Огайн з Heinkel) почали розробляти власний реактивний турбінний двигун. Хоча протягом багатьох років підозрювали, що робота в Німеччині розвинулася через те, що патент Віттла втратив чинність, німці завжди це заперечували. Міністерство авіації Німеччини набагато більше підтримувало нову конструкцію фон Огайна, на відміну від Королівських ВПС з конструкцією Віттла кількома роками раніше, і розробка першого літака з реактивним двигуном у цій країні продовжувалася швидкими темпами, тоді як у Великій Британії вона затримувалася.  

Незважаючи на подальші невдачі, зокрема підтримку Королівськими повітряними силами (RAF) конструкції реактивного двигуна-конкурента, розробленої людиною, яка уважно стежила за роботою Віттла з Power Jets, компанія продовжила власну розробку, майже досягнувши банкрутства. У липні 1937 року банк надав компанії екстрену позику в розмірі 250 фунтів стерлінгів, щоб підтримувати бізнес. Це знову стало поворотним моментом у долі Віттла та його конструкції двигуна. 

Вікісховище

Після захопленого звіту одного з контактів Віттла в галузі, надісланого до Міністерства авіації, останнє вирішило проявити більше інтересу до роботи, яку виконує Віттл, та інвестувало ще 5000 фунтів стерлінгів (6700 доларів США) у фонд досліджень та розробок для створення літальної версії двигуна Віттла, відомого на той час як Power Jets WU (Whittle Unit).  

Протягом кінця 1930-х років робота над Power Jets WU тривала, хоча на цьому етапі німці значно випереджали інших у плані їх розвитку. Хоча німці мали власні невдачі у розробці реактивного двигуна, вони врешті-решт випередили Велику Британію в повітрі, створивши перший літак з реактивним двигуном — Heinkel He 178, а пізніше — Messerschmitt 262, — на вирішальні дев'ять місяців.  

Повітряний вовколач / Вікісховище

Введений на озброєння Люфтваффе наприкінці Другої світової війни, Me 262 міг літати значно швидше, ніж його аналоги союзників, маючи набагато кращу вогневу міць. Me 262 вважалися тим, що збили щонайменше 542 літаки союзників до кінця війни, що змусило Королівські ВПС дорікати собі за те, що вони не прийняли та не підтримали початкову конструкцію Віттла роками раніше.  

Зрештою, брак фінансування проєкту Віттла, а також нерішуча відсутність інтересу чи підтримки з боку Королівських ВПС протягом багатьох років, коштували Великій Британії життєво важливої ​​фори в гонці за створення придатного для використання реактивного двигуна – проблеми, які повернулися та вразили уряд Великої Британії, коли в 1939 році почалася Друга світова війна. 

Перший політ 

Зрештою, попри подальші невдачі та численні пізні ночі, які негативно вплинули на психічне здоров'я Віттла, компанії Power Jets вдалося вдосконалити свою конструкцію настільки, щоб створити льотний двигун для вбудовування в дослідний стенд Gloster Aircraft E28/39. Випробування літака на рульовій техніці розпочалися 7 квітня 1941 року на аеродромі Брокворт на заході Англії. Потім, 15 травня 1941 року, E.28/39 з двигуном Віттла злетів з авіабази RAF Cranwell, пролетів 17 хвилин і розвинув максимальну швидкість близько 340 миль/год (545 км/год).  

Протягом кількох днів та після подальших випробувальних польотів літак летів зі швидкістю 600 км/год (370 миль/год) на висоті 7600 м (25 000 футів), значно перевершуючи Supermarine Spitfire, найшвидший літак Королівських ВПС на той час. Після того, як характеристики літака та конструкція двигуна Віттла були доведені, різні інші великі британські аерокосмічні компанії, включаючи Rolls-Royce , British Aeroplane Company (BAC) та Hawker-Siddeley, зацікавилися подальшим впровадженням цієї технології.   

Альдо Бідіні / Wikimedia Commons

Протягом Другої світової війни ці компанії продовжували вдосконалювати реактивні літаки. Сам Віттл працював над потужнішими зразками своєї конструкції, щоб надати їм більші можливості застосування. Королівські повітряні сили замовили розробку нового бойового реактивного літака Gloster Meteor, який мав би бути оснащений двигунами, розробленими Віттлом, хоча цей тип майже не вплинув на озброєння Королівських повітряних сил до кінця війни в червні 1945 року. 

У червні 1942 року, коли його репутація вже випереджала його, Віттла запросили відвідати різні аерокосмічні компанії в США, включаючи Bell Aircraft та General Electric . Метою поїздки було те, щоб Віттл поділився своїми знаннями, щоб пришвидшити розуміння американцями польотів на реактивних двигунах, аби їхні програми реактивних літаків могли пришвидшитися. 

Подальший розвиток – двигун з високим ступенем двоконтурності 

Навіть маючи Gloster Meteor на службі та співпрацюючи з різними аерокосмічними компаніями по всьому світу, Віттл не зупинявся на досягнутому. Бажаючи ще більше підвищити ефективність реактивного двигуна, навіть на нижчих швидкостях, Віттл розробив унікальний спосіб «зниження передачі» свого реактивного двигуна, тобто перетворити маломасивний високошвидкісний реактивний літак, такий як Meteor, на маломасивний низькошвидкісний реактивний літак, який у майбутньому може бути здатним забезпечувати роботу більших літаків.  

Віттл розробив метод використання додаткової турбіни для вилучення енергії з реактивного двигуна та використання цієї енергії для приводу компресора низького тиску або великого вентилятора в передній частині двигуна, який був здатний «вдихати» набагато більше повітря, ніж сам реактивний двигун, і змушувати це додаткове повітря рухатися назад як «холодний струмінь».  

Бредлі Каслін / Shutterstock

Його нещодавно завершена система стала відомою як турбовентиляторний двигун, який широко використовується навіть сьогодні на великих військових та комерційних літаках. Конструкція полягала в додатковій турбіні у вихлопній трубі головного двигуна, створюючи двоступеневу силову установку. Пізніше було додано третій ступінь зі спеціально сформованими лопатками турбіни, розташованими поза осердям двигуна, що збільшило «ступінь двоконтурності» двигуна приблизно в три-чотири рази, проклавши шлях для виробництва великомасштабних реактивних турбінних двигунів, які в майбутньому стануть рушійною силою більших літаків. 

У міру того, як війна продовжувалася, Королівські ВПС до 1944 року усвідомили свою попередню помилку, проігнорувавши Віттла та роботу Power Jets. Зрештою, компанію було націоналізовано, а Віттл та його два партнери отримали виплати за свої акції, але інтелектуальне право на розробки перейшло до уряду Великої Британії. Тим часом Віттлу вдалося зберегти свою роботу в Королівських ВПС поряд з розробкою та до кінця Другої світової війни досяг звання командира ескадрильї.  

Післявоєнний Віттл 

У роки після закінчення війни аерокосмічні компанії по всьому світу взяли на озброєння технологію Віттла та почали створювати власні реактивні турбінні двигуни для різноманітних авіаційних застосувань. 

Однак Віттл страждав від виснаження, а також від тягаря переконання, що якби Королівські повітряні сили (RAF) підтримали його плани раніше, життя багатьох екіпажів (разом з життям інших, хто загинув у Другій світовій війні) могло б бути врятовано. Він дослужився до звання командора авіації, перш ніж був остаточно звільнений з Королівських повітряних сил за станом здоров'я в 1948 році. 

Тим не менш, Віттл продовжував працювати, знайшовши роботу в кількох британських аерокосмічних компаніях протягом 1950-х, 1960-х і 1970-х років, а також отримавши низку значних нагород і титулів. У 1948 році він був удостоєний звання Лицаря Британської імперії, що дозволило йому використовувати титул «сер» перед своїм іменем – найвищу почесть, доступну громадянам Великої Британії.  

Кев Грегорі / Shutterstock

Зрештою Віттл розлучився зі своєю першою дружиною та знову одружився з американкою, оселившись у США та обійнявши посаду професора-дослідника у Військово-морській академії США в Аннаполісі, штат Меріленд, неподалік від місця, де він зараз жив. Його подальші дослідження були зосереджені на атмосферних умовах, перш ніж він перейшов на роботу за сумісництвом у 1976 році, а зрештою пішов у відставку з усієї оплачуваної роботи в 1979 році. Під час своєї професорської роботи Віттл написав підручник під назвою « Аеротермодинаміка газових турбін: з особливим акцентом на рушійну установку літака », який був опублікований у 1981 році. 

За іронією долі, у роки після закінчення Другої світової війни Віттл та його німецький колега Ганс фон Огайн час від часу перетиналися в різних установах та під час читання лекцій по всьому світу. Хоча спочатку він вважав, що фон Огайн зміг розробити свій реактивний двигун лише після того, як побачив деталі конструкції Віттла після закінчення терміну дії патенту, зрештою він змінив свою думку щодо цього, і ці двоє чоловіків стали близькими друзями під час гастролей по США, де вони разом виступали з доповідями. 

В одній розмові між ними, через багато років після війни, фон Огайн нібито сказав Віттлу: «Якби вам дали гроші, ви б випереджали нас на шість років. Якби Гітлер чи Герінг почули, що в Англії є людина, яка літає зі швидкістю 500 миль/год на невеликому експериментальному літаку, і що він перебуває в розробці, цілком імовірно, що Друга світова війна не почалася б». 

Сер Френк Віттл помер у своєму будинку в Колумбії, штат Меріленд, від раку легенів 9 серпня 1996 року. Його кремували в США, але прах повернули до Англії, де його поховали в меморіалі церкви неподалік від авіабази Кренвелл, де 73 роки тому розпочалася його служба в Королівських ВПС.   

Photofex_AUT / ShutterstockВисновок  

Незалежно від того, хто керував першим реактивним літаком, сера Френка Віттла більшість і донині вважає «батьком реактивного двигуна». Зрештою, саме Віттл першим розробив і запатентував концепцію стиснення газу та його підпалювання для створення тяги, яка вперше привернула увагу багатьох, хоча, на жаль, не тих, хто мав значення в Королівських ВПС чи Міністерстві повітряних сил Великої Британії на той час, незважаючи на дедалі більшу загрозу Другої світової війни.   

Тож наступного разу, коли ви вирушатимете кудись на комерційному реактивному літаку, а ці величезні турбовентиляторні двигуни розкручуватимуться в кінці злітно-посадкової смуги, піднімаючи вас і, можливо, сотні інших людей у ​​повітря, подумайте про довгі години важкої праці та стрес, але загалом про піонерський дух, який привів вас туди.