АКАДЕМИК БОРИС СЕРГЕЕВИЧ СТЕЧКИН -

ОСНОВОПОЛОЖНИК ТЕОРИИ
ВОЗДУШНО-РЕАКТИВНЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ

 

Юлиан Николаевич Нечаев, профессор ВУНЦ ВВС "ВВА им. Н.Е. Жуковского и Ю.А. Гагарина", д.т.н.

 

26 января 2011 г. в МГТУ им. Н.Э. Баумана в рамках XXXV Академических чтений по космонавтике был проведен Симпозиум, посвященный 120-летию со дня рождения академика Б.С. Стечкина. Данная статья подготовлена на основе доклада Ю.Н. Нечаева, сделанного на этом Симпозиуме.

В этом году исполняется 120 лет со дня рождения выдающегося ученого-двигателиста Бориса Сергеевича Стечкина (он родился 5 августа 1891 г. в селе Труфаново Тульской губернии в мелкопоместной дворянской семье).

К этой дате приурочен проведенный нами очередной научный симпозиум, посвященный его памяти. Эти симпозиумы проводятся регулярно Российской Академией Наук на протяжении ряда лет. Их цель - сохранение, продолжение и развитие научных идей и творческого наследия академика Б.С. Стечкина.

Вся научная деятельность Бориса Сергеевича была связана с авиационными моторами, и она отличалась исключительной разносторонностью научных интересов:

- ему принадлежит доказательство ряда фундаментальных теорем в области гидродинамики, теории взрыва, внутренней баллистики;
- он является основным создателем теории поршневых авиационных двигателей;
- им разработаны теория и расчет вентиляторов, нагнетателей и агрегатов наддува поршневых и комбинированных авиационных двигателей различных типов;
- он является создателем теории компрессоров и газовых турбин турбореактивных двигателей;
- в артиллерии он известен как разработчик и создатель безоткатного реактивно-динамического оружия и в том числе динамо-реактивных авиационных пушек "Курчевский - Стечкин" (в 30-е годы XX века);
- он помимо теории ВРД создал и всю свою жизнь совершенствовал важнейшую научную дисциплину, названную им "Теория лопаточных машин"; занимался практическим приложением этой теории к расчетам компрессоров и газовых турбин ГТД;
- им разработана применительно к элементам ГТД, и, в первую очередь, к решеткам профилей лопаточных машин, обобщенная система уравнений движения газа для расчета аэродинамических сил, возникающих при обтекании этих решеток вязким сжимаемым газом;
- он автор ряда важных научных результатов в области атомной энергетики и силовых установок космических летательных аппаратов;
- в статье "Дыхание автомобиля" им одним из первых сформулированы экологические проблемы, связанные с токсичностью автомобильных двигателей;
- и еще необходимо упомянуть об одном важном направлении научной деятельности Бориса Сергеевича Стечкина - пульсирующие воздушно-реактивные ускорители самолетов, исследования по которым были выполнены в Казани во время войны.

Борис Сергеевич Стечкин в 1908 г. окончил Орловский кадетский корпус и поступил в МВТУ. Научную деятельность он начал еще будучи студентом МВТУ в знаменитом воздухоплавательном кружке, созданном Николаем Егоровичем Жуковским. В этом кружке состояли и работали такие корифеи авиационной науки, как А.А. Архангельский, В.П. Ветчинкин, А.А. Микулин, А.Н. Туполев, К.А. Ушаков, Б.Н. Юрьев. Ими под руководством Н.Е. Жуковского и при участии Б.С. Стечкина был создан Центральный аэрогидродинамический институт (ЦАГИ), ставший центром отечественной авиационной науки. Б.С. Стечкин был родственником и ближайшим учеником Н.Е. Жуковского, и Жуковский постоянно поддерживал его во всех вопросах служебной и научной деятельности.

В 1918 г. по окончании МВТУ Борис Сергеевич был назначен на должность преподавателя кафедры авиационных моторов, а в 1921 г. - в тридцатилетнем возрасте - получил в МВТУ звание профессора этой кафедры. Одновременно он являлся начальником винтомоторного отдела ЦАГИ. На базе этого отдела в 1930 г. был создан (при участии НАМИ и завода № 24) Центральный институт авиационного моторостроения (ЦИАМ), а Б.С. Стечкин в возрасте 39 лет должен был стать первым начальником этого головного авиамоторного института СССР. Это был бы головокружительный взлет, но он не состоялся. Последовала первая "посадка" - арест по делу "Промпартии Рамзина". Обвинение, как выяснилось, было ошибочным, и он вскоре был освобожден. Вторая, более затяжная "посадка", последовала в 1937 г., которая тоже оказалась ошибочной, но продлилась шесть лет. Она явилась, при этом, важным этапом в жизни и творческой деятельности Б.С. Стечкина.

В конце 20-х - начале 30-х гг. прошлого века Б.С. Стечкин внес значительный вклад в развитие артиллерийской науки и техники. Этому способствовала его дружба и совместная работа с выдающимся инженером-артиллеристом и талантливым инженером-механиком Леонидом Васильевичем Курчевским.

Работали они над созданием новых типов двигателей и новых образцов артиллерийского оружия. Ими были разработаны два оригинальных авиационных двигателя. Один из них - МКС; "мотор Курчевского - Стечкина" - двухтактный звездообразный двигатель с петлевой продувкой. Второй - турбопоршневой двухтактный дизель с наддувом - МТС, "мотор-турбина Стечкина". В нем совмещались элементы поршневого двигателя и турбины, работающей на его выхлопных газах. Оба двигателя были изготовлены и находились в стадии доводки. Идеология этих новых типов двигателей получила воплощение в последующих разработках российской авиационной техники.

Л.В. Курчевский являлся руководителем и главным конструктором специального ОКБ по артиллерийскому вооружению, располагавшему большой производственной базой. Его основными задачами являлись исследования, разработка и создание новых образцов артиллерийского оружия.

В период с 1933 г. по 1936 г. Борис Сергеевич Стечкин являлся в этом ОКБ заместителем Л.В. Курчевского по научной части. Он совместно с Л.В. Курчевским работал над созданием нового динамо-реактивного безоткатного оружия, которое предназначалось, в том числе, для установки на самолетах.

В этот период Б.С. Стечкин разработал основы теории и расчета динамо-реактивных безоткатных пушек, позволивших получить впервые в мире оружие различного назначения, не имеющего отдачи. Это оружие - пушки "Стечкина - Курчевского" - было продемонстрировано на специальных испытаниях И.В. Сталину. Сталин остался доволен и в знак особого уважения и благодарности увеличил ассигнования на нужды ОКБ и подарил Л.В. Курчевскому роскошный легковой автомобиль.

Научная общественность высоко оценила вклад Б.С. Стечкина в развитие отечественной артиллерийской науки и техники. Он был избран академиком Академии Артиллерийских наук СССР, - еще до избрания в Академию наук СССР.

В период с 1937 г. по 1943 г. во время второй "посадки" Борис Сергеевич находился в тюремном заключении и отбывал сроки в двух "шарашках": вначале на авиамоторном заводе НКВД в Тушино, а с 1941 г. по 1943 г. - на заводе в Казани, где руководил важными работами по оборонной тематике.

На Тушинском заводе им была в основном разработана "Теория лопаточных машин" и проведен обширный объем продувок решеток профилей. На их основе был создан и прошел испытания осевой компрессор НО-1. Были получены необходимые расчетные и экспериментальные данные для создания турбореактивных двигателей.

В Казанской "шарашке" Борисом Сергеевичем был проведен огромный объем работ по созданию оригинальных, не имеющих аналогов реактивных устройств - бесклапанных высокочастотных реактивных ускорителей резонансно-пульсирующего действия - УС-ов. Из множества изготовленных и испытанных моделей этих УС-ов (их было более 100), которые отличались схемами, особенностями рабочего процесса и способами установки на ЛА, была отобрана, прошла государственные контрольные испытания и была готова к применению схема ускорителя "УС-К" карбюраторного типа. Эти УС-ы предназначались для установки на пикирующих бомбардировщиках Пе-2 для увеличения их максимальной скорости полета, что было необходимо для улучшения маневренных характеристик самолета и для преодоления зон ПВО противника.

Принципиальная схема ускорителя УС-К, прошедшего стендовые испытания, представлена на рис.1. Воздух засасывается через коллектор 1, насыщается парами топлива в карбюраторе 2, топливно-воздушная смесь (ТВС) подогревается и активируется в реакторе 3, воспламеняется в резонаторе 4 и выбрасывается одновременно через сопло 5 и коллектор 1 с большой скоростью.

УС-ы предназначались для установки внутри крыла самолета Пе-2 в виде отдельных секций (по 12 секций в каждом крыле) с забором воздуха из зоны повышенного давления (вблизи передней кромки крыла) и отводом выхлопных газов в зону разрежения под крылом (рис. 2, а). Этим должна была обеспечиваться продувка и лучшее наполнение камеры сгорания. В момент воспламенения ТВС (рис.2, б) вследствие повышения давления в резонаторе должно было осуществляться истечение продуктов сгорания из обоих контуров и создаваться реактивная тяга. Установка УС-ов в крыле не создает дополнительного внешнего сопротивления при неработающих ускорителях, а при работающих должна создаваться дополнительная тяга (порядка 180 кгс).

Но случилось так, что в 1943 г. Борис Сергеевич по личному распоряжению Верховного Главнокомандующего был освобожден из заключения и вызван в Москву. Работы по Пе-2 в Казани без Стечкина замедлились. УС-ы вместе с Борисом Сергеевичем перебазировались в Москву, а их экспериментальная доводка была продолжена в Академии им. Н.Е. Жуковского и в ЦАГИ. Но Стечкинские УС-ы в силу ряда причин получили лишь ограниченное практическое использование на беспилотных летательных аппаратах.

И только спустя годы (уже в настоящее время) ученики Б.С. Стечкина разработали новый тип двигателей для авиации, тоже бесклапанных, тоже высокочастотных, тоже резонансно-пульсирующего действия, но не с обычным, а с управляемым детонационным сгоранием топлива (ДСТ) [о таком двигателе в 2003 г. в № 1 нашего журнала была опубликована статья Ю.Н. Нечаева]. Как показали многочисленные испытания этих двигателей, проведенные в НТЦ им. А. Люльки и в ВВИА им. проф. Н.Е. Жуковского, - они имеют хорошие тягово-экономические и массогабаритные характеристики и пригодны для применения на современных ЛА в качестве основных двигателей. Сейчас они включены в план перспективных разработок ОАО "НПО "Сатурн". Пока еще двигатели этого типа не имеют аналогов в зарубежной практике. Я, как один из разработчиков этих двигателей, считаю (и уверен), что они в силу своих превосходных характеристик, простоты конструкции и ряда других важных преимуществ получат широкое применение в авиации ближайшего будущего.

Тяговый модуль (ТМ) ПуДД рассматриваемой схемы (рис. 3) состоит из реактора и резонатора. В реакторе ТВС готовится к детонационному сгоранию, а в резонаторе она сгорает. Подается ТВС в резонатор через кольцевое сопло. Сгорание ТВС в резонаторе сопровождается весьма сложными ударно-волновыми процессами (рис. 4).

Соударение радиальных сверхзвуковых струй (СЗС) еще холодной смеси, поступающей в резонатор, вызывает образование ударной волны (УВ), которая движется к донной полости резонатора, отражается от нее и фокусируется в центре резонатора в области, именуемой "фокусом". В этой области происходит местное повышение температуры и давления, достаточное для воспламенения ТВС. Возникает детонационное горение. Из-за выгорания топлива резко повышаются давление и температура продуктов сгорания, а детонационная волна сгорания трансформируется в отраженную ударную волну (ОУВ). ОУВ с огромной скоростью устремляется в сопловое устройство, увлекая за собой продукты сгорания. В результате их истечения создается пульсирующая реактивная тяга.

На рис. 5 представлены полученные нами обобщенные характеристики ТМ ПуДД, показывающие зависимости их термических КПД ηt, тепловых потерь (характеризуемых отношением ΔS/R, где ΔS- прирост энтропии, а R - газовая постоянная) и удельных параметров Р_уд.ТМ и C_уд.ТМ от температуры Т₂ подаваемого рабочего тела. Они дают количественную оценку влияния температуры подогрева рабочего тела на термодинамическую эффективность ТМ ПуДД и указывают на целесообразность установки ТМ в тех сечениях генератора рабочего тела, где обеспечиваются более высокие температуры Т₂.Эти зависимости являются универсальными, имеют критериальный характер, справедливый для любых способов установки ТМ в ГТД различных схем и они легко пересчитываются на разные условия полета.

Возможные способы установки ТМ ПуДД представлены на рис. 7. По данным рис. 5 находятся ожидаемые удельные параметры (на стенде и в полете) для каждой выбранной компоновки, а по данным рис. 7 и 8 уточняется целесообразное место их установки на авиационном двигателе.

Термодинамические причины столь значительного влияния температуры подогрева рабочего тела Т_2> на термодинамическую эффективность тяговых модулей ПуДД раскрывает рис. 6, где дано сравнение термодинамических циклов при температурах Т₂ и Т’₂ > Т₂. Сравнение дано при одинаковых внешних условиях (равенство p₁ и T₁) и равных значениях подводимой теплоты (q₁ = q‘₁).

Условию q₁ = q‘₁ соответствует на рис. 6 равенство площадей а-1-2-3-4-б и а-1-2'-3'-4'-б'. Отводимые теплоты q₂ и q‘₂ эквивалентны площадям а-1-4-б и а-1-4'-б'.

Как видно, с повышением температуры T₂ уменьшается количество отводимой теплоты (q‘₂ < q₂). При этом максимальная температура цикла повышается (T’₃ > T₃), а температура выхлопных газов снижается (T’₄ < T₄). В результате возрастают работа цикла I_ц = q₁ - q₂  и термический КПД η_t = 1 - q₁/q₂ и снижается прирост энтропии (ΔS ’ < ΔS), характеризующий тепловые потери.

Важность проблемы создания ПуДД была особо отмечена в решениях XXXIV Академических чтений по космонавтике (2010 г.). В нем указано, что "…создание пульсирующих детонационных двигателей оригинальной отечественной схемы является для России по актуальности и практической значимости приоритетной задачей государственной важности. Но в сложившихся условиях хаотичности управления производством и бесконтрольности расходования материальных средств решить эту задачу разрозненными силами отдельных организаций в обозримые сроки не представляется возможным. Требуется объединение всех интеллектуальных, производственных и финансовых ресурсов под единым руководством со стороны авторитетной, компетентной, контролируемой государством авиастроительной фирмы. С этой миссией может справиться (при надлежащем финансировании) НТЦ им. А. Люльки.

Нужно, кроме того, учитывать, что в настоящее время резко повысился интерес к проблеме пульсационных технологий со стороны зарубежных фирм. Промедление с созданием пульсирующих детонационных двигателей опасно - Россия может утратить свой приоритет в решении данной стратегически важной проблемы".

(Окончание в следующем номере)