Экспериментальный самолет У-2 с винтом-глушителем
В тридцатых годах прошлого века предпринимались попытки снизить шумность авиационного двигателя с целью уменьшить демаскирующий эффект шума при боевом применении самолётов. Вспомним, что в то время одним из средств раннего обнаружения приближающихся вражеских самолётов было улавливание шума от их моторов. Для этой цели в разных странах, в том числе в СССР и Германии, создавались специальные звукоулавливатели, позволявшие засекать звук моторов на большом расстоянии и определять его направление. В конце 1930-х годов наша служба ВНОС (воздушного наблюдения, оповещения и связи), входившая в состав ПВО, располагала звукоулавливателями, которые по звуку обнаруживали самолёты на расстоянии 8–10 км (в то время как дальность визуального обнаружения не превышала 5–6 км). У немцев в 1939 г. были звукоулавливатели RRH, позволявшие обнаружить самолёт на расстоянии от 5 до 12 км, в зависимости от погодных и иных условий.
Звукоулавливатель Красной Армии
Звукоулавливатель вермахта
Как можно снизить шум поршневого авиационного двигателя? Устройства, подобные автомобильному глушителю, были малопригодны – такой глушитель съедал часть мощности двигателя, ухудшая лётные характеристики самолёта.
И вот в 1939 году в Советском Союзе авиационный инженер Козяков выдвинул идею использования воздушного винта специальной конструкции в качестве средства снижения шума от силовой установки самолёта. Козяков предложил сделать лопасти винта пустотелыми и направлять в них выхлопные газы двигателя, которые затем выходили в атмосферу. С учётом высокой температуры газов пришлось сделать лопасти стальными. Идею решено было опробовать на самолёте У-2.
Схема устройства винта-глушителя для мотора М-11
Применительно к У-2 с его пятицилиндровым звездообразным мотором М-11 подвод выхлопных газов к втулке винта и далее к лопастям был выполнен следующим образом. Выхлопные газы из цилиндров поступали в кольцевой коллектор, состоящий из двух частей – верхней и нижней. Через два патрубка, облегающие по бокам носовую часть фюзеляжа, выхлопные газы от коллектора направлялись к неподвижному диску, укреплённому на передней крышке картера мотора. Перед конструктором встала задача – обеспечить герметичное соединение этого неподвижного диска с задней кромкой вращающегося обтекателя втулки винта с тем, чтобы не допустить прорыва газов через это соединение. Это было сделано так: диск свободно входил с зазором 0,5 мм в специальное углубление, сделанное в задней части полой втулки винта. Во избежание прорыва газа в атмосферу через зазор между диском и буртиками втулки, во втулке имелось специальное разрезанное кольцо, которое во время работы под действием центробежных сил пружинило и создавало необходимое уплотнение.
Выхлопные газы из втулки винта через отверстия поступали в пустотелые лопасти винта. На концах задних кромок лопастей имелись щелевые отверстия, через которые выхлопные газы поступали в атмосферу.
Крепление лопастей винта к втулке осуществлялось при помощи специальных болтов и манжетов.
Было разработано несколько вариантов пустотелых лопастей с различным количеством, формой и расположением отверстий для выхода газов. Лопасти винта были изготовлены из хромомолибденовой стали толщиной 2 мм с помощью штамповки; они состояли из двух половинок, соединённых друг с другом электросваркой. Втулка винта (точнее, обтекатель втулки) изготавливалась из хромомолибденовой стали толщиной 10 мм путём штамповки.
Устройство, получившее название «комплексный глушитель шума конструкции Козякова», стало объектом испытаний, проведённых в НИИ ВВС в начале 1939 г. Они производились на земле на самолёте У-2 с мотором М-11. Соответствующий отчёт был утверждён 14-15 февраля 1939 г. (сроки проведения испытаний в нём не указаны).
Всего было испытано 3 варианта винтов-глушителей. Винты-глушители вариантов №№ 2 и 3 были смонтированы на самолёт № 176, а вариант № 1 – на самолёт № 10.
Рисунок трёх вариантов лопастей для винта-глушителя на М-11
Вид лопасти одного из трёх типов
Определение эффективности глушения проводилось следующим образом. Самолёт, оборудованный глушителями, был отведён на середину аэродрома на 200 м от ангаров и других самолётов. При работе мотора на различных режимах, начиная с 800 об/мин. до режима полного газа включительно, на расстоянии 10–25–50 м спереди самолёта производились замеры уровня громкости суммарного шума самолёта, как с винтом-глушителем, так и без него. Производилось также снятие характеристик направленности шума. Все замеры производились объективным шумомером фирмы «Дженераль радио».
У-2 с винтом-глушителем. Видны патрубки от коллектора к втулке винта
У-2 со снятым винтом-глушителем. Видна задняя сторона его втулки
Замерялось также звуковое давление в каждой полосе, т.е. снимался полосовой анализ. Данные полосового анализа позволяли подсчитать общее звуковое давление шума самолёта. Из составленных соответствующих графиков было видно, что в среднем звуковое давление суммарного шума самолёта с глушителем-винтом наполовину меньше, чем без него.
Замеры по трём вариантам винтов показывали, что громкость шума самолёта У-2 в среднем на 8 децибел меньше, чем без глушителя.
Температура носка вала втулки винта во время работы мотора на земле не превышала 100°С, что считалось
«вполне допустимым, т.к. эти температуры не вызывают ослабления металла».
Во время работы мотора с винтом-глушителем выхлопные газы выходили в атмосферу без пламени.
Из-за отсутствия лётной погоды испытания в полёте не проводились, поэтому не было возможности оценить, насколько снизится дальность слышимости самолёта с данным глушителем. Инженер-испытатель отмечал, что, кроме заглушения шума, конструкция пустотелого стального винта с выходом выхлопных газов через винт вследствие температур порядка 100–120°С должна предохранять винт от обледенения.
Проводивший испытания военинженер 2 ранга Беломойкин писал в заключение:
«Идея пустотелого стального винта конструкции Инженера КОЗЯКОВА представляет большой интерес и в настоящее время целесообразно разработать пустотелый стальной винт-глушитель для самолёта, находящегося на вооружении, например, И-16 с М-25, т.к. легко будет перенести опыт изготовления пустотелых винтов мотора М-11 на мотор воздушного охлаждения М-25». (Нужно сказать, что с 1939 г. моторы М-25 на И-16 уже заменялись моторами М-62 и М-63; впрочем, это в данном случае не делает большой разницы – С.К.)
По итогам испытаний было констатировано, что снижение уровня громкости суммарного шума самолёта на максимальных режимах 1400 об/мин. в среднем получилось 9 децибел. При этом мотор с глушителем конструкции инженера Козякова развивал на 80 об/мин. больше, чем с обычным винтом, т.е. потери мощности не было. Температура носка коленчатого вала и втулки винта не превышала 100°С.
В «Выводах» отмечалось также, что лучшие результаты показал вариант №1 глушителя.
Стальной пустотелый винт оказался на 9 кг тяжелее деревянного винта – за счёт дополнительного веса втулки. Винт-глушитель позволял на земле изменять угол атаки винта в пределах плюс-минус 6 градусов по сравнению с углом атаки нормального деревянного винта (т.е. это не был полноценный винт изменяемого шага).
Поскольку выход газов из лопастей происходил без пламени, было сочтено, что установка на самолёт винта-глушителя данной конструкции решает вопрос пламегашения выхлопа.
Заключение по отчёту об испытаниях гласило:
«1. идея комплексного глушения шума винта и мотора при помощи выпуска выхлопных газов через винт представляет большой интерес для ВВС, как с точки зрения заглушения шума, пламягашения выхлопа, а также с точки зрения предохранения винта от обледенения.
2. Достигнутые результаты по заглушению шума учебных самолётов У-2 целесообразно перенести на самолёты находящиеся на вооружении.
3. В дальнейшем необходимо: 18 Главному Управлению НКАП:
а) Форсировать изготовление стального пустотелого винта с выходом выхлопных газов через винт на самолёт И-16 с М-25, с таким расчётом, чтобы винт был сдан на госиспытания не позднее 15 июля с.г. (1939 г. – С.К.)
б) Развернуть экспериментальную работу по увеличению эффективности заглушения шума, т.к. достигнутое снижение суммарного шума в 10 децибелл (так в тексте) для данной конструкции не является предельным.
в) Провести лётные испытания самолёта У-2 для определения влияния глушителя на лётные качества самолёта и снижение расстояния слышимости».
Чем же закончилась вся эта история? Автор не располагает документальной информацией на этот счёт. Нет, в частности, сведений, были ли проведены лётные испытания У-2 с данным устройством и пытались ли реально поставить винт-глушитель на истребитель И-16 с мотором М-25. Однако показательно само по себе отсутствие в публикациях каких-либо сведений о практическом применении этого способа глушения – он явно так и не вышел за рамки самого начального экспериментирования.
Почему же это изобретение так и не получило хода? По-видимому, сыграли свою роль следующие обстоятельства.
Для винтов-глушителей требовалась хромомолибденовая сталь – материал достаточно дефицитный в то время (хромомолибден импортировался) и трудный в обработке.
Усложнение и удорожание конструкции, возможно, посчитали несоразмерным достигаемому эффекту.
При установке устройства Козякова на многоцилиндровые двигатели большой мощности едва ли удалось бы сохранить приемлемую температуру втулки винта. Обдув горячими газами механизма втулок винтов изменяемого шага, как правило, включающих гидравлику, попросту выводил бы эти механизмы из строя.
Применительно к боевым самолётам (истребителям, бомбардировщикам и т.п.) на первом месте стояло повышение их ЛТХ, а уменьшение их шумности явно не было приоритетным делом. К тому же с начавшимся внедрением радиолокации вся проблема с ранним обнаружением самолётов противника стала выглядеть по-иному. Правда, на советско-германском фронте немцы применяли РЛС лишь в ограниченных масштабах, причём лёгкий и небольшой по размерам У-2 обнаружению радарами не поддавался.
Снижение шумности стало актуальным для самолёта У-2 в связи с его использованием в роли ночного бомбардировщика. Казалось бы, вот здесь-то изобретение инженера Козякова могло пригодиться. Однако, похоже, ему предпочли более дешёвую конструкцию глушителя, которая не требовала винтов из хромомолибденовой стали. Во время ВОВ на У-2 появились глушители-пламегасители выхлопа более традиционной системы, ставившиеся непосредственно на выхлопные коллекторы. Примерно через год после начала войны на У-2 стали ставить глушители АКС-2, которые хорошо показали себя в боевой обстановке, обеспечивая скрытность и внезапность подхода к цели. В 1943 г. появились глушители МАКФ-4, основанные на принципе акустического фильтра высокой частоты. Они удовлетворительно прошли войсковые испытания и ставились на некоторое количество ночных бомбардировщиков У-2ВС. Дальнейшее совершенствование подобных устройств привело к созданию шумопламегасителей ШПГ в трёх вариантах – ШПГ-1, ШПГ-2, ШПГ-3, из которых второй вариант оказался наиболее удачным и ставился на серийные У-2 в ночных легкобомбардировочных полках. Подробнее об этом можно прочитать в работах М. Маслова по самолётам Н.Н. Поликарпова.
Один из типов глушителя на У-2 ЛНБ
Глушитель МАКФ-4 на самолёте У-2
У-2 с другим типом глушителя-пламегасителя
Источники:
- РГАЭ Ф. 8328 on. 1 д. 1169 лл. 163-175, 204-206.
- Михаил Маслов. «Король истребителей». Боевые самолёты Поликарпова. М. 2013.
Автор выражает благодарность Е.И. Гордону и Г.Ф. Петрову за помощь в подготовке статьи
источник: Сергей Комиссаров «Необычный У-2 с винтом-глушителем» // Крылья Родины 2017 № 9-10
