Historia silnika odrzutowego

W 1928 roku kadet RAF College w Cranwell, Frank Whittle, formalnie przedstawił swoim przełożonym swoje pomysły na turboodrzutowiec. W październiku 1929 roku dalej rozwijał swoje pomysły. 16 stycznia 1930 roku w Anglii Whittle zgłosił swój pierwszy patent (przyznany w 1932 roku). Patent przedstawiał dwustopniową sprężarkę osiową zasilającą jednostronną sprężarkę odśrodkową. Praktyczne sprężarki osiowe stały się możliwe dzięki pomysłom A.A. Griffitha zawartym w przełomowej pracy z 1926 r. („An Aerodynamic Theory of Turbine Design”). Whittle z wielu praktycznych powodów skoncentrował się później wyłącznie na prostszej sprężarce odśrodkowej. Swój pierwszy silnik Whittle uruchomił w kwietniu 1937 roku. Był on zasilany cieczą i posiadał niezależną pompę paliwową. Zespół Whittle’a wpadł w niemal panikę, gdy silnik nie chciał się zatrzymać, przyspieszając nawet po wyłączeniu paliwa. Okazało się, że paliwo wyciekło do silnika i zgromadziło się w kałużach.

W 1935 roku Hans von Ohain rozpoczął w Niemczech prace nad podobnym projektem i często twierdzi się, że nie wiedział o pracy Whittle’a. Ohain powiedział, że nie czytał patentu Whittle’a, a Whittle mu uwierzył (Frank Whittle 1907-1996). Jednak patent Whittle’a znajdował się w niemieckich bibliotekach, a syn Whittle’a miał podejrzenia, że Ohain czytał lub słyszał o nim.

Po latach von Ohain przyznał w swojej biografii, że tak właśnie było. Autorka Margaret Conner stwierdza, że „rzecznik patentowy von Ohaina natknął się na patent Whittle’a w latach, gdy patenty von Ohaina były formułowane”. Von Ohain sam jest cytowany jako mówiący: „Czuliśmy, że wyglądało to jak patent na pomysł” „Myśleliśmy, że nie pracowano nad nim poważnie”. Ponieważ patent Ohaina został zgłoszony dopiero w 1935 roku, to przyznanie się wyraźnie pokazuje, że przeczytał on patent Whittle’a, a nawet poddał go szczegółowej krytyce przed zgłoszeniem własnego patentu i jakieś 2 lata przed uruchomieniem własnego silnika.

VON OHAIN: „Nasze zastrzeżenia patentowe musiały być zawężone w porównaniu z patentem Whittle’a, ponieważ Whittle pokazał pewne rzeczy.” „Kiedy zobaczyłem patent Whittle’a, byłem niemal przekonany, że ma on coś wspólnego z kombinacjami zasysania warstwy granicznej. Miał on dwuprzepływową sprężarkę promieniową z podwójnym wejściem, która z punktu widzenia silnika wyglądała monstrualnie. Jej odwrócenie przepływu wyglądało dla nas na rzecz niepożądaną, ale okazało się, że nie było takie złe, choć powodowało pewne drobne problemy z niestabilnością”. Ohain został następnie przedstawiony Ernstowi Heinkelowi, jednemu z największych przemysłowców lotniczych tamtych czasów, który natychmiast dostrzegł obiecujący projekt. Heinkel kupił niedawno firmę produkującą silniki Hirth, a Ohain i jego mistrz Max Hahn zostali powołani do życia jako nowy oddział firmy Hirth. We wrześniu 1937 r. uruchomiono pierwszy silnik odśrodkowy HeS 1. W przeciwieństwie do konstrukcji Whittle’a, Ohain zastosował jako paliwo wodór, dostarczany pod zewnętrznym ciśnieniem. Kulminacją ich kolejnych projektów był napędzany benzyną silnik HeS 3 o mocy 1100 funtów (5 kN), który został zamontowany na prostym i kompaktowym płatowcu He 178 i oblatany przez Ericha Warsitza wczesnym rankiem 27 sierpnia 1939 r. z lotniska Rostock-Marienehe, co było imponująco krótkim czasem na opracowanie projektu. He 178 był pierwszym na świecie samolotem z napędem turboodrzutowym, który odbył lot.

Pierwszym na świecie samolotem turbośmigłowym był Jendrassik Cs-1 zaprojektowany przez węgierskiego inżyniera mechanika György Jendrassika. Był on produkowany i testowany w fabryce Ganza w Budapeszcie w latach 1938-1942. W 1940 roku planowano zamontować go na dwusilnikowym bombowcu rozpoznawczym Varga RMI-1 X/H zaprojektowanym przez László Vargę, ale program ten został anulowany. W 1937 r. Jendrassik zaprojektował również niewielki turbośmigłowiec o mocy 75 kW.

Silnik Whittle’a zaczynał być przydatny, a jego firma Power Jets Ltd. zaczęła otrzymywać pieniądze z Ministerstwa Lotnictwa. W 1941 r. powstała nadająca się do lotu wersja silnika o nazwie W.1, zdolna do uzyskania ciągu 1000 lbf (4 kN), została zamontowana na specjalnie dla niej zbudowanym płatowcu Gloster E28/39 i po raz pierwszy poleciała 15 maja 1941 w RAF Cranwell.

Brytyjski konstruktor silników lotniczych, Frank Halford, pracując w oparciu o pomysły Whittle’a, opracował „przelotową” wersję silnika odśrodkowego; jego projekt stał się de Havilland Goblin.

Jednym z problemów w obu tych wczesnych konstrukcjach, które nazywane są silnikami odśrodkowymi, było to, że sprężarka działała poprzez przyspieszanie powietrza z centralnego wlotu na zewnątrz silnika, gdzie powietrze było następnie sprężane przez rozbieżny układ kanałów, zamieniając jego prędkość na ciśnienie. Zaletą tej konstrukcji było to, że była ona już dobrze znana, ponieważ została zastosowana w doładowarkach odśrodkowych, a następnie była powszechnie używana w silnikach tłokowych. Jednakże, biorąc pod uwagę wczesne ograniczenia technologiczne dotyczące prędkości obrotowej wału silnika, sprężarka musiała mieć bardzo dużą średnicę, aby wytworzyć wymaganą moc. Oznaczało to, że silniki miały dużą powierzchnię czołową, co czyniło je mniej użytecznymi jako jednostki napędowe samolotów ze względu na opór powietrza. Kolejną wadą wcześniejszych konstrukcji Whittle’a było to, że przepływ powietrza był odwrócony przez sekcję spalania i ponownie do turbiny i rury wydechowej, co zwiększało złożoność i obniżało sprawność. Niemniej jednak, tego typu silniki miały główne zalety w postaci niewielkiej masy, prostoty i niezawodności, a prace nad nimi szybko postępowały w kierunku praktycznych konstrukcji nadających się do lotu.

Austriak Anselm Franz z działu silników Junkersa (Junkers Motoren lub Jumo) rozwiązał te problemy, wprowadzając sprężarkę o przepływie osiowym. Zasadniczo jest to turbina w odwrotnej kolejności. Powietrze napływające z przodu silnika jest wdmuchiwane przez stopień wentylatora (kanały zbieżne) w kierunku tyłu silnika, gdzie jest miażdżone przez zespół nieobracających się łopatek zwanych statorami (kanały rozbieżne). Proces ten nie jest tak wydajny jak w przypadku sprężarki odśrodkowej, więc aby uzyskać potrzebne sprężanie, szereg takich par wentylatorów i stojanów umieszcza się szeregowo. Mimo całej tej złożoności, powstały silnik ma znacznie mniejszą średnicę, a przez to jest bardziej aerodynamiczny. Jumo otrzymało kolejny numer silnika w sekwencji numeracji RLM, 4, w wyniku czego powstał silnik Jumo 004. Po rozwiązaniu wielu mniejszych trudności technicznych, w 1944 r. rozpoczęto masową produkcję tego silnika jako jednostki napędowej dla pierwszego na świecie odrzutowego samolotu myśliwskiego Messerschmitt Me 262 (a później pierwszego na świecie odrzutowego samolotu bombowego Arado Ar 234). Z różnych powodów opóźniło się udostępnienie silnika, co spowodowało, że myśliwiec pojawił się zbyt późno, aby w decydujący sposób wpłynąć na pozycję Niemiec w II wojnie światowej. Mimo to zostanie zapamiętany jako pierwsze zastosowanie silników odrzutowych w służbie.

Firma Heinkel-Hirth próbowała również stworzyć mocniejszy silnik turboodrzutowy, Heinkel HeS 011 o ciągu prawie 3000 funtów przy pełnej mocy, bardzo późno w czasie wojny, aby zwiększyć możliwości napędowe nowych niemieckich wojskowych samolotów odrzutowych i poprawić osiągi istniejących konstrukcji. Zastosowano w nim unikalną „diagonalną” sekcję sprężarki, która łączyła w sobie cechy układów sprężarek odśrodkowych i osiowych dla silników turboodrzutowych. Pozostał on jednak na stanowisku badawczym, wyprodukowano jedynie dziewiętnaście egzemplarzy.

W Wielkiej Brytanii pierwszy silnik o przepływie osiowym, Metrovick F.2, został uruchomiony w 1941 roku, a pierwsze loty odbył w 1943 roku. Mimo że był on mocniejszy od ówczesnych konstrukcji odśrodkowych, Ministerstwo uznało jego złożoność i zawodność za wadę w czasie wojny. Prace w Metrovick doprowadziły do powstania silnika Armstrong Siddeley Sapphire, który został zbudowany w USA jako J65.