"А вместо сердца — пламенный мотор …"
ИСТОРИЧЕСКИЙ ОБЗОР
Необходимость легкого и мощного двигателя для осуществления управляемого полета впервые стала очевидной в конце XVII в., когда вызванное потребностями быстро развивавшейся промышленности применение механических двигателей привело к научному исследованию законов движения и связи между силой, скоростью и работой. Если Леонардо-да-Винчи еще совершенно не задумывался о потребных для полета силах, то уже в 1655 г. Robert Hooke, а несколько позднее Giovanni Alfonso Borelli доказали, что сила мускулов человеческого тела недостаточна для летания, а Hooke даже замышлял изобретение "искусственных мускулов".
После внедрения паровых машин в военное судостроение и появления трубчатых котлов с быстрым подъемом пара в последней четверти XIX в. стала возможной постройка легкой паровой машины. Hiram Stevens Maxim (1892 г.) смог построить авиационную паросиловую установку мощностью в 300 л. с. весом около 800 кг. Развитие паровой машины как авиационного двигателя на этом и закончилось; лишь в самые последние годы возобновились попытки создать авиационный паровой двигатель. Начиная с 80-х годов, внимание воздухоплавательных кругов было приковано к двигателю внутреннего сгорания.
В 1877 г. Nicolaus August Otto осуществил четырехтактный цикл, предложенный в 1861 г. французским инженером Alphonse Eugène Beau de Rochas, построив четырехтактный газовый двигатель с предварительным сжатием горючей смеси. Это изобретение открыло широкие перспективы повышения экономичности, увеличения мощности и снижения веса двигателя внутреннего сгорания и сделало его серьезнейшим конкурентом парового двигателя. Для того чтобы громоздкий и тяжелый газовый двигатель превратить в транспортный мотор, нужно было прежде всего заменить газ каким-либо транспортабельным топливом и, во-вторых, значительно увеличить литровую мощность двигателя, т. е. повысить его быстроходность. Эти задачи решил немецкий изобретатель и предприниматель Gottlieb Wilhelm Daimler, построивший в 1885 г. бензиновый автомобильный двигатель с зажиганием от калильной трубки. Благодаря рассчитанной на большое число оборотов конструкции и хорошему наполнению цилиндра (для чего был применен своего рода наддув из кривошипной камеры) число оборотов этого двигателя было доведено до 800-1000 об/мин.
Появление автомобиля с бензиновым двигателем, оказавшегося более совершенным, чем паровые и электрические автомобили, вызвало бурное развитие автомобильной промышленности и усовершенствование бензиновых двигателей. В истории бензиновых двигателей большую роль сыграл французский конструктор Fernandо Forest, впервые применивший оребрение цилиндров и воздушное охлаждение (1881 г.), создавший двигатель с противоположным движением поршней (1886 г.), многоцилиндровые двигатели с рядным расположением цилиндров (1888 г.) и предложивший блочную конструкцию моторов (1889 г.). Он же еще в 1889 г. детально разработал проект авиационного двигателя воздушного охлаждения со звездообразным расположением цилиндров, с клепаным стальным картером и с шатунным механизмом из главного и прицепных шатунов такого вида, который применяется до наших дней на всех звездообразных моторах. Расчетный вес этого двигателя составлял всего 1,5 кг на 1 л. с. Двигатель, к сожалению, не был построен.
У первых двигателей внутреннего сгорания зажигание осуществлялось при помощи калильных трубок. Изобретенное еще в 1801 г. французским конструктором Philippe Lebon и примененное еще в 1864 г. бельгийским изобретателем Jean Joseph Etienne Lenoir зажигание от электрической искры долгое время оставалось недостаточно надежным. Лишь в конце 80-х годов немецкий инженер Robert Bosch создал вполне работоспособную систему зажигания при помощи тока высокого напряжения от магнето. Эта система быстро вытеснила калильные трубки и сделала бензиновый двигатель достаточно безопасным в пожарном отношении.
Несмотря на эти успехи, братьям Wilbur и Orville Wright в США не удалось найти завода, который взялся бы построить авиационный двигатель с весом даже в 7…8 кг на 1л. с. Создателям первых самолетов пришлось самим создавать и нужный им двигатель.
Свой первый полет на моторном самолете 17 декабря 1903 г. Orville Wright совершил с четырехцилиндровым двигателем автомобильного типа водяного охлаждения с горизонтальными цилиндрами приводившим цепями Галля (от англ. «Galls chain») два воздушных винта. Диаметр цилиндров и ход двигателя Wright были равны 102 мм, мощность составляла 12…14 л.с. при весе 80 кг. Двигатель не имел карбюратора; топливо впрыскивалось во всасывающий патрубок при помощи шестеренчатого насоса. Зажигание было от магнето высокого напряжения. Цилиндры и поршни были отлиты из чугуна, коленчатый вал изготовлен из инструментальной стали, картер отлит из алюминиевого сплава, шатун сделан из стальной трубы с навинченной бронзовой кривошипной головкой, головки клапанов — из чугуна, штоки — из стали. В 1904 г. братья Wright построили усовершенствованный двигатель аналогичного типа, но с вертикальными цилиндрами, мощностью 25-30 л. с. при весе 90 кг, с которым они совершили все свои исторические полеты 1908 г.
В 1902 г. инженер Charles Manley в США построил для самолета американского изобретателя Samuel Pierpont Langley пятицилиндровый звездообразный мотор водяного охлаждения мощностью 50 л. с. и весом около 57 кг. Из-за неудачи, постигшей самолет Langley, двигатель Manley не оказал заметного влияния на развитие авиационных двигателей.
Строителей первых авиационных двигателей, естественно, привлекала возможность использовать мощный встречный поток воздуха для непосредственного охлаждения двигателя. Для таких двигателей само собой напрашивалось звездообразное расположение цилиндров. Французский инженер и пионер авиации Robert Albert Charles Esnault-Pelterie обстоятельно разработал теорию звездообразного мотора, проанализировав условия уравновешенности, работу подшипников, порядок зажигания, распределение кулачковой шайбой и т. д. Расчетные формулы Pelterie до наших дней применяются при проектировании звездообразных моторов. Опасаясь, однако, заливания маслом нижних цилиндров, Pelterie построил не звездообразный мотор, а двухрядный веерообразный мотор, повернув нижние цилиндры пятицилиндровой звезды на 180°, заставив их работать на второй кривошип коленчатого вала (фиг. 1). Несмотря на большие надежды, возлагавшиеся на мотор REP, как был назван двигатель Pelterie (по инициалам его автора), охлаждение его было недостаточным, и двигатель быстро перегревался. Другим недостатком двигателя было исключительно сложное устройство двойного клапана. Впоследствии Pelterie спроектировал семицилиндровый веерообразный мотор (фиг. 2). Этот двигатель оказался еще менее удачным, чем первый.
Преимущества звездообразного двигателя — легкость конструкции, обусловленная хорошим использованием картера и коленчатого вала, вызвали попытки применения звездообразной схемы к двигателям жидкостного охлаждения. На фиг. 3 изображен семицилиндровый двигатель Clerget водяного охлаждения мощностью 50 л. с., построенный заводом Clement Bayar и установленный на самолете Victor Tatin. Он отличается горизонтальным расположением цилиндров. Вращение передается воздушному винту через пару конических шестерен с передачей 0,66. Цилиндры этого двигателя стальные, сварные, с приваренной рубашкой из листовой меди. Клапаны управляются одним коромыслом и тягой а (фиг. 3), на которую непосредственно действует кулачок распределительной шайбы б. Закрытие клапанов обеспечивается листовой рессорой в. Выхлопной клапан г открывается прямым действием кулачка и тяги; всасывающий клапан д открывается действием возвратной пружины е, преодолевающей силу рессоры в. Разъемный коленчатый вал снабжен двумя маховиками с противовесами. Питание горючим из карбюратора.
В связи с развитием автомобилизма быстро шло усовершенствование автомобильных моторов и снижение их веса. Так, удельный вес автомобильного двигателя в 1900 г. составлял 33 кг/л, с., в 1903 г. эта цифра понизилась до 16 кг/л, с., в 1904 г. — до 8 кг/л, с., а в 1905 г. до 4 кг/л. с. В 1905 г. Levavasseur во Франции построил V-образный двигатель водяного охлаждения " Antoinette" для гоночных лодок, удельный вес которого был доведен до 2 кг /л. с. Этот двигатель немедленно был применен на самолетах и дал сильнейший толчок развитию авиации.
Двигатель " Antoinette" изображен на фиг. 4. Цилиндры отлиты из чугуна с рубашками из листовой латуни. Цилиндры одного ряда смещены по отношению к цилиндрам другого ряда с той целью, чтобы расположить кривошипные головки парных шатунов на одной шейке рядом друг с другом. Головки цилиндров, отлитые из алюминиевого сплава, притянуты к цилиндрам болтами. Камера сгорания имеет полусферическую форму; в центре камеры расположена свеча. Клапаны вынесены в сторону и расположены в особой коробке. Впускные клапаны автоматические, выхлопные управляются принудительно. Поршни чугунные с вогнутым днищем, с тремя газовыми кольцами каждый. Питание двигателя осуществляется непосредственным впрыском бензина в цилиндры; количество впрыскиваемого бензина регулируется изменением хода поршня нагнетательного насоса.
В последующих модификациях мотора наряду с некоторыми конструктивными изменениями, например изготовлением цилиндра из кованой стали, было применено испарительное охлаждение с конденсацией пара в особом холодильнике и возвратом конденсата в охлаждающую систему мотора специальной помпой.
Двигатели "Antoinette" мощностью 25-60 л. с. были установлены почти на всех первых французских самолетах: Ferdinand Ferber (1906 г.), Gabriel Voisin (1907 г.), Louis Blériot (1907 г.) и др. Мотор "Antoinette" оставался одним из самых популярных авиационных моторов вплоть до 1910 г., несмотря на то, что отсутствие карбюратора делало его исключительно капризным (особенно при запуске) и надежность его заставляла желать многого лучшего.
В 1908 г. во Франции конструктор Alessandro Ambrogio Anzani выпустил гоночный мотоцикл с трехцилиндровым карбюраторным мотором воздушного охлаждения мощностью 25 л. с. в весом 65 кг (фиг. 5). С этим мотором Louis Blériot в 1909 г. совершил свой исторический перелет через Ламанш. Двигатель Anzani имел три цилиндра, расположенных под углом 60° друг к другу, составной коленчатый вал с маховиками и противовесами. Кривошипные головки шатунов работают по шейке коленчатого вала порознь. Головки шатунов вильчатые. Впускные клапаны автоматические, выхлопные управляются при помощи трех отдельных кулачковых валиков. Зажигание от аккумуляторов.
Мотор Anzani послужил прототипом целой серии веерообразных и звездообразных авиационных моторов воздушного охлаждения, пользовавшихся широким распространением вплоть до мировой войны. На фиг. 6 изображен шестицилиндровый W-образный двигатель Anzani водяного охлаждения позднейшей постройки.
Преимущества моторов воздушного охлаждения — малый вес моторной установки, простота обслуживания и др. — были ясны с первых шагов авиации. Но малая скорость первых самолетов делала воздушное охлаждение ненадежным. Курьезный, но показательный факт: Louis Blériot смог закончить свой перелет через Ламанш только потому, что его в пути застиг дождь, помогший охлаждению перегревшихся цилиндров мотора.
В десятых годах внимание конструкторов сосредоточилось на задаче осуществления вполне надежного воздушного охлаждения. Пробовали решить эту задачу применением вентиляторного обдува. Вентиляторный обдув, впервые примененный в 1907г. заводом Renault для восьмицилиндрового V-образного мотора воздушного охлаждения в 50 и 75 л. с. (фиг. 7), обеспечил [вполне удовлетворительное охлаждение, но мотор получился едва ли не более тяжелым, чем двигатели с водяным охлаждением. Вентиляторный обдув был применен также на двигателях Farcot (фиг. 8), Fiat (Италия) и других с результатами, столь же малоутешительными.
Радикальное решение было найдено в так называемых ротативных двигателях, сделавших эпоху в истории авиации. В этих двигателях звездообразно расположенные цилиндры вместе с картером и воздушным винтом вращаются вокруг неподвижного коленчатого вала, подвергаясь интенсивному обдуву. Идея ротативного двигателя заставила решить ряд сложных и новых для моторостроения задач — питание горючим через коленчатый вал и картер, расположение клапана в поршне, усиление конструкции картера, нагруженного большими центробежными силами, достижение полной уравновешенности; цилиндров и т. д.
Первым и наиболее удачным из ротативных двигателей был мотор "Gnome", впервые появившийся на выставке в Париже в конце 1908 г. Выполнив картер и цилиндры своего двигателя из хромоникелевой стали, тщательно обработав детали мотора со всех сторон, Louis Seguin получил мотор весом всего в 76 кг при мощности 50 л. с., с очень надежным охлаждением и с исключительно плавным ходом благодаря большой вращающейся массе. Двигатель "Gnome" быстро завоевал первенствующее положение в авиации, В течение 1909-1913 гг. все авиационные рекорды (кроме рекорда на продолжительность) были установлены на самолетах с двигателями "Gnome". Эти моторы строились в виде однорядных звезд с 7 цилиндрами (фиг. 9) и в виде двухрядных звезд с 14 цилиндрами, с мощностью, последовательно возраставшей от 50 до 160 л. с.
Надежность двигателей "Gnome" оставляла все же желать лучшего. Особенно часто ломались впускные клапана в поршнях, вызывавшие опасные в пожарном отношении вспышки горючей смеси, заполнявшей картер. Двигатель быстро изнашивался и был очень неэкономичен. Двигатель мог работать только на нерастворимом в топливе касторовом масле, которое пожирал в огромном количестве.
Период 1903-1910 гг. характеризуется исключительным разнообразием конструктивных схем двигателя и его деталей. Постройка авиационного двигателя при тогдашнем низком уровне технологических требований была под силу даже одиночкам, не говоря уже о мастерских и заводах. Предприниматели, почуявшие богатые возможности новой отрасли промышленности, охотно ссужали средства изобретателям и конструкторам.
В этот период были испробованы едва ли не все возможные конструктивные схемы двигателя, среди них самые замысловатые. Многие из них, основательно забытые, появятся десятки лет спустя и будут разрекламированы как последний крик моды, являя собой лишнее доказательство той истины, что техника прибегает к сложным решениям не ранее, чем исчерпает наиболее простые и экономные средства, и лишь в том случае, если применение этих решений продиктовано прямой необходимостью.
В это время появляются многоцилиндровые двигатели (32-цилиндровые двигатели "Antoinette"), многовальные двигатели (Jules Adolphe Aimé Louis Breton), сдвоенные двигатели (Peugeot), разнообразные способы охлаждения (смешанное охлаждение, испарительное охлаждение, вентиляторный обдув и т. д.), двигатели с оппозитным движением поршней (Gobron-Brillie), Х-образные двигатели, двигатели двойного действия (Dufaux), коловратные двигатели (Николай Николаевич Тверской и др.), двигатели с косыми шайбами, двигатели с удлиненными валами, редукторные двигатели (Clerget), двигатели с золотниковым распределением, не говоря уже о двухтактных двигателях, с их поистине неисчерпаемыми комбинационными возможностями. В этот же период впервые появляется и винт изменяемого шага.
Тот же дух настойчивого искания ощущается и в конструктивном оформлении деталей двигателя. Опираясь на скудный инвентарь технологический приемов того времени, конструкторы постепенно нащупывают наиболее правильные пути. В ранних двигателях были перепробованы всевозможные способы изготовления цилиндров. Цилиндры отливались из чугуна вместе с рубашками, изготовлялись из стали с наварными или припаянными медными или стальными рубашками, с литыми рубашками из алюминиевых сплавов. Головка изготовлялась заодно с цилиндром или крепилась к нему болтами. В этот период впервые появились двигатели со стальными цилиндрами и головками из алюминиевых сплавов (двигатель "Antoinette").
Конструкция клапанов и способ их привода установились не сразу. В первых двигателях клапаны располагались в особых коробках, вынесенных в сторону от камеры сгорания по типу автомобильных двигателей. Позднее клапаны стали устанавливать в головках штоками вверх и приводить их толкателями и коромыслами (подвесные клапаны). Одно время было широко распространено расположение клапанов в отъемных гнездах из бронзового литья, содержавших в себе распределительные каналы, направляющую втулку и седла клапанов. Эта конструкция, облегчавшая монтаж, осмотр и ремонт клапанов, была, однако, оставлена с повышением термической напряженности моторов, вследствие затруднительности охлаждения клапанов и распределительных патрубков.
Вначале часто применялись автоматические впускные клапаны, т. е. клапаны, прижимаемые к седлу слабой пружиной и открывающиеся при ходе всасывания вследствие разрежения в цилиндре. Герметичность этих клапанов, была неудовлетворительной. Проникновение горячих газов во всасывающий трубопровод часто вызывало пожары. Выхлопные клапаны приводились принудительно. Клапаны изготовлялись с плоскими и коническими седлами; делались попытки применения двойных концентричных клапанов (см. например, фиг. 8) гильз, золотников и т. д., имевших подчас замысловатые формы.
Из всех этих разновидностей удержались только принудительно управляемые подвесные клапаны с конической фаской, расположенные непосредственно в камере сгорания. Только в сравнительно недавнее время возродилось гильзовое распределение, имеющее в новых условиях определенные преимущества перед клапанным распределением.
Между тем первоначальный этап развития авиации заканчивался. Перспективы ее коммерческого и военного применения обрисовались с полной очевидностью. В 1911-1912 гг. главные государства приступили к формированию военно-авиационных частей. Требования к надежности и экономичности авиационных двигателей сильно возросли; дальнейшее снижение веса без увеличения надежности и уменьшения расхода топлива становилось нецелесообразным.
На этом этапе конструкторская мысль снова обращается к водяному охлаждению. В двигателе фирмы Salmson конструкции Canton-Unné при звездообразном расположении цилиндров было применено водяное охлаждение. С целью увеличения продолжительности службы все основные детали были сделаны более массивными. В двигателе был применен особый шатунный механизм без главного шатуна, с шатунной втулкой, сцепленной системой шестерен с неподвижной шестерней на картере таким образом, что во всех цилиндрах получался в точности равный ход поршня и одинаковые степени сжатия. В системе смазки было предусмотрено удаление избытка масла из картера, чем предупреждалось заливание маслом нижних цилиндров. Все это значительно повысило надежность мотора, но вызвало некоторое увеличение веса и только при относительно больших мощностях (свыше 130 л. с.) двигатели фирмы Salmson могли конкурировать с более легкими ротативными моторами.
В Германии авиационное моторостроение начало развиваться позже, чем во Франции, приблизительно с 1912г., под непосредственным влиянием военного ведомства, которое уделяло особое внимание надежности и экономичности моторов. По условиям конкурса авиационных двигателей в 1913 г., в Германии зачетный вес двигателя определялся с 7-часовым запасом горючего. Это одно делало для прожорливых ротативных двигателей участие в конкурсе почти безнадежным. Привлеченные к производству авиационных двигателей автомобильные заводы Германии использовали свой богатый опыт постройки гоночных автомобильных моторов и внесли много нового в авиационное моторостроение. Значительное внимание стали уделять форме камеры сгорания, появились шатровые и полусферические головки с разваленными клапанами (мотор Mercedes), с верхним распределительным валиком. Для увеличения надежности стали применять двойное зажигание.
Все эти меры позволили, даже при умеренном числе оборотов (1200…1400 об/мин), получить литровую мощность порядка 10…12 л. с./л. Сохранив для авиационных моторов типичную автомобильную схему рядного 4…6-цилиндрового мотора водяного охлаждения, германские заводы сумели получить достаточно мощные и надежные авиамоторы со вполне приемлемым, благодаря высокой литровой мощности, удельным весом. Среди этих моторов наиболее известен шестицилиндровый двигатель завода Mercedes мощностью 160 л. с., с литыми стальными цилиндрами, с наварными рубашками из листовой стали, с полусферическими головками, с верхним распределением и двойной системой зажигания (фиг. 11). Удельный вес этого мотора составлял 1,7 кг/л.с. По надежности и выносливости двигатель Mercedes превзошел все построенные до того авиамоторы. С этим двигателем в течение 1913-1914 гг. германские летчики отвоевали у Франции почти все рекорды (кроме рекорда скорости), в том числе рекорд продолжительности полета — 24 часа 10 мин. — и рекорд высоты — 8 125 м.
Успехи стационарных двигателей водяного охлаждения заставили подтянуться конструкторов ротативных двигателей. Завод Gnome, правда, ограничился постепенным повышением мощности своих двигателей, увеличивая размеры цилиндров и не внося каких-либо конструктивных изменений. Усовершенствование ротативных двигателей было сделано заводом Clerget и, главным образом заводом Le Rhône. В двигателях "Rhône" (фиг. 12) конструкторы перенесли впускной клапан из поршня в головку двигателя, подведя смесь по особому патрубку из картера, улучшил распределительный механизм и ввел запрессовку в стальной цилиндр чугунной гильзы, что дало возможность применить стальные поршневые кольца. Эти меры позволили значительно снизить расход смазочного масла. Двигатель получился хотя и несколько более тяжелым, чем "Gnome", но значительно более надежным. С этим мотором в 1914 г. был установлен французский рекорд продолжительности полета — 16 час. 28 мин., бывший одно время мировым рекордом.
Мировая война застала авиационное моторостроение в разгар интенсивной работы над повышением надежности двигателей и освоением новых, значительно усовершенствованных конструкций. Боевые действия потребовали резкого увеличения мощности авиадвигателей. Значение запаса мощности на самолетах было очевидно, как летчикам, так и конструкторам, но высокая стоимость мощных моторов и возрастание посадочной скорости у самолетов с более мощными моторами сильно тормозили процесс увеличения мощности авиамоторов. К началу войны, в 1913 г., средняя мощность авиационных моторов составляла 70…120л. с., а к концу войны в 1918 г. эта цифра возросла до 300…450 л. с., т. е. приблизительно в 4 раза.
Планирую небольшой исторический обзор до начала 50-х годов прошлого века и кратко основные тенденции совершенствования двигателей накануне и в ходе ВМВ …
