Опытный 36-цилиндровый двигатель воздушного охлаждения Nakajima Ha-54 (Ha-505). Япония

Опытный 36-цилиндровый двигатель воздушного охлаждения Nakajima Ha-54 (Ha-505). Япония

6 декабря 1917 года Тикухэй Накадзима (Chikuhei Nakajima) основал одну из первых в Японии компаний по производству самолетов. Первоначально известная как Nihon Hikoki Kenkyūsho (Japanese Aeroplane Research Institute; японский научно-исследовательский авиационный институт), компания претерпела несколько изменений в названии и в декабре 1931 года была реорганизована в Nakajima Hikōki KK (Nakajima Aircraft Company, Ltd; авиастроительная компания Nakajima – далее в тексте статьи Nakajima), президентом которой стал Тикухей Накадзима. В начале Второй Мировой войны Тикухей Накадзима чувствовал, что Соединенные Штаты обладают огромными промышленными ресурсами и что нападение на Перл-Харбор будет иметь ужасные последствия для Японии. Тикухей Накадзима считал, что единственный способ обеспечить победу Японии в войне – это иметь надежный метод нанесений систематических ударов по континентально части Соединенных Штатов. Такие атаки потребовали бы от американских военных отвлечения сил и средств на охрану и защиту Соединенных Штатов.

В 1942 году Тикухей Накадзима поделился своими мыслями с командованием Императорской армии и Императорского флота, но японские военные не оказали Накадзиме особого внимания или какой-либо поддержки. Разочарованный Тикухей Накадзима использовал ресурсы собственной компании для разработки тяжелого дальнего бомбардировщика, способного наносить из Японии удары по континентально части Соединенных Штатов. Проект этого тяжелого дальнего бомбардировщика получил обозначение проект Z (или самолет Z). После нескольких месяцев исследований Тикухей Накадзима в апреле 1943 года снова обратился к командованиям Императорской армии и Императорского флота со своими предложениями по проекту Z. На этот раз армейское и флотское командования были более восприимчивыми, но между видами вооруженных сил не было единого мнения о конструкции, технических характеристиках и предназначении самолета. В июне 1943 года японские армия и флот представили компании Nakajima скорректированную спецификацию, и до конца 1943 года инженеры компании работали над упрочнением конструкции самолета Z.

В августе 1943 года Тикухей Накадзима распространил среди командования императорских армии и флота и среди видных политиков свою диссертацию «Стратегия окончательной победы». В диссертации описывается стратегическое использование бомбардировщиков проекта Z для нанесения ударов по промышленным объектам в США. Бомбардировщики могли летать из Японии в Германию и наносить удары по целям на западном побережье США, а также промышленные районы в штатах Среднего Запада. После приземления в Германии бомбардировщики должны были пополнить запасы топлива и бомб для возвращения в Японию, во время которого они снова нанесли бы удары по целям на территории США. Предполагалось, что эти атаки в сочетании с их воздействием на производство остановят наступление США на Японию и помогут в обороне Германии.

Несмотря на то, что было исследовано несколько различных конструкций и конфигураций, вариант самолета проекта Z, который был выбран для продолжения работ, представлял собой шестимоторный дальний бомбардировщик цельнометаллической конструкции. Разрабатываемый самолет должен был иметь размах крыла 64,98 метров, длину 44,98 метра и высоту 8,77 метров. Согласно расчетам, масса пустого самолета проекта Z составляла 65000 кг, максимальная масса – 160000 кг. На высоте 10000 метров самолет должен был развивать максимальную скорость 679 км/ч, дальность полета составляла бы 18000 километров, а практический потолок – 15000 метров.

Такой массивный самолет требовал очень мощных двигателей, однако ни один японский двигатель не обладал мощностью, достаточной для самолета проекта Z. Чтобы решить эту проблему Тикухей Накадзима решил создать подходящий для самолета проекта Z двигатель, соединив вместе два уже существовавших двигателя Ha-44. Двигатели данного типа были самыми мощными авиационными моторами, которые разрабатывали в компании Nakajima, и новый комбинированный двигатель для самолета проекта Z получил обозначение Ha-54.

В основе разрабатываемых компанией Nakajima радиальных двигателей были лицензии на серийное производство авиадвигателей Bristol Jupiter, Pratt & Whitney R-1340 Wasp, Wright R-1820 Cyclone и Gnome-Rhône 14M. На двигатель Jupiter компания Nakajima приобрела лицензию в 1925 году, на R-1340 Wasp в 1929 году, на R-1820 Cyclone – в 1933 году и на 14M – в 1937 году. Если двигатели Jupiter были запущены компанией в серийное производство, то лицензии на авиамоторы Wasp и Cyclone были приобретены с целью изучения и серийно не изготавливались. Во многих радиальных двигателях компании Nakajima диаметр цилиндров составлял 146 мм, что соответствовало 5,75 дюймам диаметра цилиндров двигателя Jupiter, и ряд сотрудников компании Nakajima в рамках лицензионного соглашения провели несколько месяцев в США, проходя обучение в компании Wright. В целом конструкция радиальных двигателей компании Nakajima напоминала комбинацию двигателей компании Bristol, Pratt & Whitney и Wright, и инженеры компании последовательно воплощали в своих двигателях собственные мысли и идеи.

Когда в конце 1920-х годов компания Nakajima начала разрабатывать собственные двигатели, их система обозначения состояла из их названия и типа двигателя, за которым следовала литера модели двигателя. В качестве примера обозначение «NAL» представляло двигатель компании Nakajima (N) с воздушным охлаждением (A), модель L. Когда в начале 1940-х годов компания Nakajima начала разрабатывать новый класс двигателей большой мощности основное внимание было уделено моторам с воздушным охлаждением. Впоследствии литера N и тип авиамотора были удалены из системы обозначений двигателей. Для обозначения авиамотора следующего поколения использовалась новая литера, за которой следовала литера модели двигателя. Так, например, обозначение BH принадлежало авиамотору поколения B и модели H.

Японские компании, Императорские армия и флот имели собственные системы обозначения двигателей. Чтобы устранить путаницу (или, возможно, добавить её ещё больше) в мае 1943 года была создана объединенная система обозначений. В этой объединённой системе двигатель, предназначенный для самолета проекта Z, получил обозначение Nakajima Ha-44. В компании Nakajima этот двигатель нес обозначение BH, в номенклатуре Императорской армии – Ha-219, а в номенклатуре Императорского флота – NK11. Авиамотор Ha-44 был экспериментальным 18-цилиндровым радиальным двигателем воздушного охлаждения с рабочим объемом 48,2 литров. Разработка Ha-44 началась примерно в 1941 году, и конструкция этого двигателя базировалась на 14-цилиндровом авиамоторе Nakajima Ha-34 (внутрифирменное обозначение NAL, армейское обозначение Ha-41/Ha-109 и флотское обозначение NK5). К середине 1943 года Ha-44 при 2700 об/мин развивал мощность 2400 л.с. (1790 кВт). Два двигателя Ha-44 были соединены между собой с образованием двигателя Ha-54.

Внутрифирменное обозначение двигателя Ha-54 было D-BH (Double-BH; двойной BH), в Императорской армии обозначение двигателя было Ha-505 (обозначение Императорского флота остается неизвестным). Двигатель, разработанный под руководством главного конструктора Киёси Танака (Kiyoshi Tanaka), представлял собой 36-цилиндровый радиальный двигатель воздушного охлаждения, оснащенный двухступенчатым наддувом. Фактически Ha-54 представлял собой два двигателя Ha-44, соединенных друг с другом болтами через промежуточную секцию. В результате получался четырехрядный двигатель с девятью цилиндрами в каждом ряду. Коленчатые валы двух составных частей были непосредственно соединены друг с другом и ни одна из составных частей не могла работать без другой.

В двигателе Ha-54 использовались цилиндры с алюминиевой головкой, которая была навинчена на стальной цилиндр. Каждый цилиндр имел по два клапана, приводившимися в действие работающими на сжатие стержнями, которые в свою очередь приводились в движение кольцевыми кулачками. Выхлопные газы поступали в расположенное за двигателем кольцевой коллектор. От кольцевого коллектора отходили два газоотводных канала, каждый из которых подводил выхлоп к турбонагнетателю, расположенному дальше в кормовой части гондолы двигателя. Сжатый воздух от турбонагнетателя подавался через промежуточный охладитель в трехскоростной нагнетатель, оснащенный механическим приводом и расположенный в задней части двигателя. Крыльчатка нагнетателя имела диаметр 500 мм; крыльчатка соединялась с коленвалом двигателя при помощи редуктора с передаточными числами 1,00, 4.77 и 5,88. Наддувочный воздух от нагнетателя направлялся в кольцевой коллектор, расположенный в центре двигателя. Впускной воздух для передней и задней составных частей двигателя распределялся через этот центральный коллектор. Из-за этой конфигурации цилиндры в передней секции двигателя имели впускные и выпускные отверстия, обращенные назад, в то время как цилиндры задней части двигателя имели впускные отверстия, обращенные вперед, и выпускные отверстия, обращенные назад. Были исследованы другие методы распределения воздуха по цилиндрам, в том числе использование двух крыльчаток нагнетателя в задней части двигателя, каждая из которых предназначалась для своей собственной составной части авиамотора. Кроме того, в некоторых версиях двигателя не использовался турбонагнетатель.

Некоторые источники утверждают, что для двигателя Ha-54 планировалась система впрыска топлива под низким давлением. В других двигателях компании Nakajima топливо впрыскивалось непосредственно перед крыльчаткой с давлением 14 фунтов на квадратный дюйм (0,97 бар; 97 кПа). Однако могла быть выбрана другая точка впрыска топлива, чтобы избежать постоянного присутствия летучей воздушно-топливной смеси в кольцеобразном входном коллекторе, расположенном в центральной части двигателя. Впрыск в топливо антидетонационной присадки также был доступен для взлетного и максимального режимов работы двигателя.

Охлаждение огромного двигателя представляло серьезную проблему, и много исследований было посвящено поиску её адекватного решения. Были проведены исследования по использованию принудительного воздушного охлаждения с помощью вентилятора, приводимого во вращение от двигателя и расположенного в передней или задней части двигателя. Другой вариант включал в себя охлаждение набегающим воздухом передней части двигателя и охлаждение задней части двигателя обратным потоком. В этой конфигурации перегородка разделяла воздушные потоки для передней и задней составных частей двигателя. Воздух для охлаждения задней части двигателя проходил через переднюю кромку крыла, поворачивался на 180 градусов, проходил через цилиндры задней части двигателя и выходил из створки юбки капота, расположенные в середине двигателя.

полностью закапотированный вариант двигателя Ha-54 с охлаждением цилиндров передней секции двигателя набегающим потока (без использования вентилятора) и цилиндров задней секции двигателя обратным потоком. Обратите внимание, как охлаждающий воздух для обеих секций двигателя выходил из створок юбки капота двигателя в его центральной части. Кроме того, в изображенном двигателе не использовался турбокомпрессор, и из его капота выступали девять выхлопных патрубков

Окончательная конфигурация системы охлаждения включала в себя расположенный в передней части капота вентилятор с приводом от двигателя. Воздух проходил через ребра охлаждения цилиндров передней части двигателя. Затем воздух выходил из створок юбки капота двигателя в центральной части. Отдельные потоки воздуха проходили над цилиндрами передней части двигателя и проходили сквозь ребра охлаждения цилиндров задней части авиамотора. Затем этот воздух выходил через створки юбки капота двигателя в задней части.

на данном рисунке показаны потоки охлаждающего воздуха в двигателе Ha-54. Это была одна из предложенных конфигураций системы охлаждения, но добиться полноценного охлаждения цилиндров задних рядов не удалось. Обратите внимание на вентилятор системы охлаждения в передней части двигателя и кольцо впускного коллектора в центральной части двигателя

проведенные в компании Nakajima испытания показали, что охлаждение двигателя Ha-54 будет затруднено. Данная модель представляет один из окончательных вариантов конфигурации системы охлаждения и соответствует приведенному выше чертежу. Воздух проходил через цилиндры передней части двигателя и выходил из центральной части двигателя. Воздух, который проходил над передними цилиндрами, направлялся вниз и проходил через цилиндры задней части двигателя

В передней части двигателя Ha-54 коленчатый вал приводил в действие редуктор воздушного винта и вентилятор системы охлаждения. Планетарный редуктор вращал винт с частотой, которая составляет 0,414 частоты вращения коленчатого вала двигателя. Были рассмотрены одиночные винты и соосные винты противоположного вращения, и окончательное решение было сделано в пользу двух трехлопастных (возможно четырехлопастных) соосных винтов противоположного вращения диаметром 4,5 метра. Двигатель Ha-54 должен был поддерживаться серией опорных колец, которые соединялись с авиамотором в его центральной и задней частях.

на данном чертеже двигателя Ha-54 показаны некоторые узлы моторной рамы. Обратите внимание, что изображены две крыльчатки нагнетателя. В этой версии двигателя каждая крыльчатка подавала всасывающий воздух в свою собственную секцию двигателя

данный вариант двигателя Ha-54 иллюстрирует конструкцию моторной рамы, предложенной для крепления этого авиадвигателя. Такая система крепления очень затрудняет обслуживание двигателя, поскольку для замены цилиндра в задней части двигателя необходимо было снять весь авиамотор. Обратите внимание на кольцевой впускной коллектор и его выпускное отверстие, которое, вероятно, ведет к турбонагнетателю

Двигатель Nakajima Ha-54 имел внутренний диаметр цилиндров 146 мм и ход поршня 160 мм. 36-цилиндровый двигатель имел степень сжатия 7,5 к 1 и рабочий объем 96,4 литров. На взлете при частоте вращения вала 2800 об/мин, давлении наддува 11,6 фунтов на квадратный дюйм (0,80 бар; 80 кПа) двигатель должен был развивать мощность 5000 л.с. (3728 кВт), а на высоте 9000 метров при 2800 об/мин, давлении наддува 7,73 фунтов на квадратный дюйм (0,53 бар; 53 кПа) он развивал 4600 л.с. (3430 кВт). Двигатель Ha-54 имел диаметр 1,55 метра и длину 3,58 метра; масса авиамотора составляла примерно 2450 кг.

чертеж в разрезе, который считается окончательной конфигурации двигателя Nakajima Ha-54. На чертеже показан одиночный винт. Обратите внимание на вентилятор системы охлаждения в передней части двигателя, кольцевой впускной коллектор в середине двигателя и крыльчатку нагнетателя в задней части двигателя. Впускные коллекторы показаны в верхней части чертежа, а выпускные коллекторы – в нижней

Вопрос охлаждения [Ha-54] так и не был полностью решен, и прогнозировалось, что его разработка займет слишком много времени. К январю 1944 года работы по программе Ha-54 были остановлены, и маловероятно, что когда-либо был изготовлен комплектный двигатель. После отказа от 5000-сильных (3728 кВт) была разработана уменьшенная версия самолета проекта Z, которая должна была оснащаться 2500-сильными (1864 кВт) двигателями Ha-44. Новый самолет, которому в Императорском флоте было присвоено обозначение Nakajima G10N Fugaku (гора Фудзи), должен был иметь немного меньшие размеры и сохранять шестимоторную компоновку силовой установки, как и на самолете проекта Z. К лету 1944 года все ресурсы Японии были необходимы для защиты метрополии, и перспектива нанесения японскими дальними бомбардировщиками ударов по материковой территории США была недосягаемой. Программа создания дальнего бомбардировщика G10N Fugaku была отменена, и работы по его двигателям была остановлены.

программа создания 36-цилиндрового 5000-сильного (3728 кВт) двигателя Nakajima Ha-54 была очень амбициозной. Двигатель был нужен задолго до того, как он будет готов. Проект был отменен вследствие перераспределения ресурсов на более неотложные нужды

окончательная версия проекта бомбардировщика Z с шестью двигателями Na-54. Согласно прогнозам, разработка двигателей Na-54 должна была занять слишком много времени, то двигатели были заменены на Na-44, а проект Z был заменен ан имевший меньшие размеры проект тяжелого дальнего бомбардировщика Nakajima G10N Fugaku. Поскольку перспективы Японии на нанесение ударов по целям на территории США была нулевыми, проект был отменен и ресурсы были перераспределены на задачи по защите метрополии

После окончания Второй Мировой войны авиастроительная компания стала Fuji Sangyo KK (Fuji Industrial Company, Ltd.). В июле 1953 года эта компания объединилась с четырьмя другими, образовав компанию Fuji Jūkōgyō Kabushiki-gaisha (Fuji Heavy Industries, Ltd.). Fuji Heavy Industries производила автомобили Subaru и поставляла оборудование для аэрокосмической и транспортной промышленности. В апреле 2017 года Fuji Heavy Industries была переименована в Subaru Corporation.

Источники:

1. 1. 1. Japanese Aero-Engines 1910–1945 by Mike Goodwin and Peter Starkings (2017)
      2. Japanese Secret Projects 1 by Edwin M. Dyer III (2009)
      3. “Nakajima Engine Design and Development” Air Technical Intelligence Group Report No. 45 by J. H. Morse (5 November 1945)
      4. “Nakajima Aircraft Company, LTD” The United States Strategic Bombing Survey, Corporation Report No. II (June 1947)
      5. https://www.secretprojects.co.uk/forum/index.php?topic=24084.0
      6. http://www.enginehistory.org/Piston/Japanese/japanese.shtml
      7. http://forum.valka.cz/topic/view/199974/Ha-505-Ha-54-01
      8. https://ja.wikipedia.org/wiki/%E5%AF%8C%E5%B6%BD

источник: https://oldmachinepress.com/2018/03/20/nakajima-ha-54-ha-505-36-cylinder-aircraft-engine/