Сердце — пламенный мотор (часть вторая)
Сердца пламенный мотор (начало https://alternathistory.ru/serdtse-plamennyi-motor)
"А вместо сердца — пламенный мотор …"
ИСТОРИЧЕСКИЙ ОБЗОР (авиационные двигатели ПМВ)
Мировая война застала авиационное моторостроение в разгаре 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.
В условиях военной спешки и недостатка конструкторских кадров увеличение мощности моторов достигалось главным образом увеличением литража двигателей. Так например, у двигателей Mercedes за годы войны диаметр цилиндра последовательно увеличивался с 120 мм до 125, 140 и 160 мм, у двигателей Salmson с 122 до 140 мм. У ротативных двигателей наибольший диаметр цилиндра возрос с 124 мм ("Gnome" 80 л. с.) до 140 мм ("В. R." 220 л. с.). (Подготовлялись к выпуску моторы с диаметром цилиндров до 170 мм (Fiat). Такой путь увеличения мощности моторов привел к почти полному отказу от стационарных моторов воздушного охлаждения. Обеспечить надежное охлаждение чугунных цилиндров диаметром свыше 100 мм оказалось невозможным. Для того, чтобы температура цилиндров не превосходила допустимого уровня, приходилось настолько обогащать смесь, что расход горючего у этих двигателей значительно превышал 300 г/э.с.ч.
Достигнув к 1916 г. мощности в 130…150 л. с. стационарные моторы воздушного охлаждения совершенно вышли из употребления. Несколько лучше обстояло дело с ротативными двигателями, цилиндры которых не перегревались даже при диаметре 140 мм, но быстрое возрастание вентиляционных потерь, доходивших у 200-сильных моторов до 20 % эффективной мощности и невозможность повысить мощность увеличением числа оборотов, положили предел их развитию. До конца войны и даже в первые годы после войны ротативные двигатели мощностью до 200 л. с. применялись довольно широко, в особенности на истребителях, но уже в 1919…1920 гг. производство их было прекращено.
Таким образом за годы войны моторы водяного охлаждения не только догнали моторы воздушного охлаждения, но во многих случаях превзошли их по мощности и по легкости. В начале войны особенный успех выпал на долю германских шестицилиндровых рядных моторов водяного охлаждения (Mercedes, Benz, Argus, Maybach, Opel и др.), оказавшихся наиболее надежными и легкими из всех моторов того времени. Этот успех, однако, оказался роковым для германской авиации. Вследствие общей слабости германской моторной промышленности и недостатка конструкторских кадров, германские заводы до конца войны придерживались шестицилиндровой схемы, лишь увеличивая из года в год размеры цилиндров. Это завело германское моторостроение в тупик. С увеличением диаметра цилиндров выше 160 мм удельный вес шестицилиндрового двигателя начал возрастать, надежность мотора падала. Создать двигатель с 6 цилиндрами мощностью более 300 л. с. оказалось невозможным. Предпринятые в 1918 г. попытки перейти на 12-цилиндровые V-образные моторы запоздали, и ни один из этих моторов не увидел свет.
Между тем промышленность союзников, пользуясь трофейными образцами и опираясь на свой опыт, быстро переняла все положительные особенности германских моторов. Освоив мерседесовскую конструкцию цилиндра с наварными рубашками, наклонными клапанами и верхним распределением, французские, английские, а вслед за ними и американские заводы (после вступления США в войну, в 1916 г.), располагавшие значительно более широкими производственными возможностями, применили ее к V-образным двигателям, доведя число цилиндров до 12, и легко получили таким путем двигатели мощностью до 400 л. с. и больше, значительно более легкие, чем германские однорядные машины.
Заимствование из автомобильной практики вильчатых шатунов устранило главный недостаток первых V-образных моторов — большую длину, обязанную применению самостоятельных шатунов для каждого цилиндра, требовавшему шахматного расположения цилиндров.
К концу войны V-образные 12-цилиндровые моторы водяного охлаждения с отдельными цилиндрами заняли господствующее положение. Из них наибольшим успехом в годы войны пользовались: французский мотор фирмы Renault 300 л. с. (1916-1918 гг., самолеты Breguet XIV), английской фирмы Rolls—Royce "Eagle" 300л. с. (фиг. 13) и Siddeley "Puma" 210 л. с. (1917-1918 г., самолеты DH-4 и др.) и, в особенности, самый совершенный из них — американский мотор "Liberty" 400 л. с. (фиг. 14) — первый двигатель с удельным, весом менее 1 кг/л. с. (1916-1918 г., самолеты DH 9-а и др.).
Представляет интерес история создания этого двигателя. Немедленно после вступления США в мировую войну были мобилизованы все "живые силы" авиационного и автомобильного моторостроения и создана мощная конструкторская группа из лучших специалистов моторного дела. Проектирование двигателя было закончено в три месяца, а еще через четыре месяца первые экземпляры нового двигателя устанавливались на опытные самолеты. В виде дани патриотическим настроениям американцев, смотревших на войну с Германией, как на войну в защиту американской "свободы", двигатель был назван "Liberty" (что в переводе означает "свобода"). Производившаяся аналогичным образом постройка грузового автомобиля "Liberty" была закончена в еще более короткие сроки: с начала проектирования до начала массового производства грузовиков прошло всего четыре месяца.
Подобные темпы заставляют предположить, что созданию этих, сыгравших большую роль в войне объектов, все же предшествовала интенсивная подготовительная работа, которая наряду с общеизвестными размахом и организационными способностями американцев и обеспечила успех предприятия. Многие заводы подготовляли выпуск еще более мощных V-образных 12-цилиндровых моторов ("Renault" 450 л. с., фирмы Rolls-Royce "Condor" 600 л. с., "Fiat" 700 л. с.), но до конца войны эти моторы не успели получить распространения.
Огромные средства, вложенные в годы войны в авиационную промышленность, дали возможность развернуть обширную исследовательскую и экспериментальную работу по авиамоторостроению. Ряд крупных специалистов по двигателям внутреннего сгорания были привлечены к работе над авиационными моторами. На авиационные заводы перешли лучшие конструкторы автомобильных моторов. Работа этих специалистов подготовила к концу войны глубокие сдвиги в авиационном моторостроении.
Первым нововведением явился переход на поршни из алюминиевых сплавов. Опыты применения алюминиевых сплавов для поршней и даже головок цилиндров воздушного охлаждения делались и до мировой войны, но неизменно терпели неудачу из-за недостаточной жаростойкости применявшихся для этой цели алюминиево-цинковых сплавов. С освоением в годы войны сплавов Al-Cu алюминиевые поршни быстро получили повсеместное применение. К концу войны были выработаны новые, еще более жаростойкие алюминиево-медно-никелевые сплавы (сплав Y и др.). В начале 1915 г. Marc Birkigt в своих 8-цилиндровых V-образных моторах "Hispano-Suiza" водяного охлаждения применил блочную конструкцию двигателя, выполнив блок цилиндров из алюминиевого сплава с ввернутыми стальными гильзами. Эта конструкция оказалась весьма удачной. Моторы фирмы Hispano-Suiza мощностью 150, 180, 220 и 300 л. с" (фиг. 15) стали лучшими моторами для истребительной авиации.
Конструкторы британской фирмы Siddeley Deasy Motor Company в конце 1916 г.. ввели новое усовершенствование в блочную конструкцию. В своем 6-цилиндровом рядном моторе ВНР (названном так по инициалам конструкторов и получившем позднее марку Siddeley "Puma") они применили головки из алюминиевого сплава и конструкцию так называемых "мокрых" цилиндров (фиг. 16). При этой конструкции цилиндры, ввернутые в алюминиевый блок, непосредственно омываются охлаждающей водой, благодаря чему улучшается охлаждение цилиндра и поршней.
Блестящие результаты применения алюминиевых головок у моторов водяного охлаждения побудили испробовать алюминиевые сплавы для изготовления головок цилиндров воздушного охлаждения. Опыты над цилиндрами воздушного охлаждения показали огромное значение числа и расположения ребер для правильного охлаждения цилиндра. Сильно возросшая к тому времени скорость полета увеличила располагаемый для охлаждения воздушный напор. Все это создало предпосылки для возрождения стационарных двигателей воздушного охлаждения. Заслуга создания двигателя воздушного охлаждения в таком виде, как он строится до сих пор, принадлежит английскому конструктору Roy Fedden и американским Geron и Lawrence.
В 1917 г. завод компании "Cosmos Engineering" (Англия) под руководством Roy Fedden построил 14-цилиндровый двухрядный звездообразный мотор воздушного охлаждения "Cosmos Mercury " мощностью 315 л. с. Почти одновременно с ним был заложен 18-цилиндровый двухрядный двигатель воздушного охлаждения "Hercules" с огромной для того времени мощностью 1000 л. с. Охлаждение этих двигателей, особенно последнего, было неудовлетворительным. Однако опираясь на опыт эксплуатации этих двигателей, Roy Fedden несколько позднее построил уже удачный двигатель "Jupiter" мощностью около 400 л. с. К концу 1918 г. были созданы стационарные звездообразные моторы воздушного" охлаждения; в Англии — девятицилиндровые моторы "ABC Dragonfly" 310 л. с. (фирма ABC), "Jupiter" 400 л. с. (фирма Cosmos Engineering — впоследствии Bristol Aeroplane Company), в США — мотор Lawrence мощностью 200 л. с. (приобретенный позднее фирмой "Wright Aeronautical Corporation"). Эти моторы в течение 1918 г. прошли испытания; некоторые из них были переданы в серийное производство ("ABC Dragonfly").
Война же поставила перед авиационным моторостроением задачу сохранения мощности моторов на высоте. Опыт боевых действий самым убедительным образом показал значение резерва мощности на высоте и преимущества высокого рабочего потолка самолета. Испытания, проведенные на специальных высокогорных испытательных станциях во Франции и в Германии, позволили установить зависимость потери мощности мотора от высоты и влияние на высотную мощность мотора различных факторов.
Наиболее простой способ увеличения высотной мощности мотора заключался в увеличении литража, а следовательно, исходной, наземной мощности мотора. Однако такой мотор часто оказывался слишком тяжелым для самолета определенной категории. Выход из положения иногда находили в том, что преднамеренно облегчали конструкцию мотора, снижая его надежность; во избежание поломки на земле такой мотор дросселировали. По мере набора высоты дроссель приоткрывали и на некоторой высоте мотор переводили на полный дроссель, причем мотор развивал мощность, примерно равную наземной мощности. Такие моторы назывались переразмеренными.
Высотные испытания моторов показали желательность повышения степени сжатия. Но увеличение степени сжатия свыше 5…5,5 приводило к незнакомому да тех пор явлению детонации. Разработчики моторов встретились с необходимостью, во избежание детонации, дросселировать у земли двигатель с повышенной степенью сжатия. По мере подъема на высоту дроссель приоткрывался, и на некоторой высоте двигатель приобретал возможность работать на полном дросселе без детонации. Высокая степень сжатия (6,5…7,5) позволяла получить на высоте некоторый излишек мощности, по сравнению с мотором такого же литража, но с нормальной степенью сжатия. Моторы подобного рода назывались моторами с пересжатием и являлись вместе с переразмеренными двигателями главным типом высотных двигателей того времени. Эти двигатели сохраняли наземную мощность до высоты порядка 500…1500 м, что вполне покрывало потребность тогдашних боевых самолетов.
Для оценки высотности было введено понятие эквивалента мощности. Этим термином обозначали мощность, которую мог бы развить мотор на земле, работая при полном открытии дросселя. Сопоставление величин эквивалентной и номинальной мощностей позволяло оценивать высотность, мотора. Впоследствии понятие эквивалента мощности вышло из употребления, уступив место прямым показателям (высотность или расчетная высота).
Для изучения средств поддержания постоянства мощности на высоте были поставлены опыты по наддуву авиадвигателей. Французский инженер Rateau August предложил для этого турбокомпрессор (Rateau turbine), в Германии ряд фирм разработали системы приводных центробежных нагнетателей. Некоторые из строившихся в конце войны германских многомоторных самолетов-гигантов были оборудованы установками централизованного наддува с компрессором, приводившимся в действие отдельным вспомогательным мотором и питавшим все моторы самолета. Эти самолеты не успели принять участие в боевых действиях и по требованию союзников после заключения Версальского мира были уничтожены. В годы войны наддув не получил распространения, потому что в пределах высот, на каких совершались боевые полеты, оказывались вполне достаточными более простые переразмеренные моторы и моторы с пересжатием.
Моторы с пересжатием появились прежде всего в Германии (Maybach, BMW и Siemens) и на некоторое время обеспечили германским самолетам перевес по скороподъемности и маневренности на больших высотах над самолетами Антанты, несмотря на то, что последние были, как правило, снабжены более мощными моторами, чем германские. В особенности высокими для того времени качествами отличался истребитель "Fokker D.VII" с мотором BMW мощностью 185 л. с., а в последних модификациях до 240 л. с. (фиг. 17). Но появление у союзников легких и надежных моторов в 300…400 л. с. дало возможность им к концу 1918 г. в свою очередь создать самолеты, во всех отношениях превосходившие германские, и это задержало применение союзниками моторов с пересжатием и, тем более, с наддувом.
В годы же войны был найден способ борьбы с детонацией при высоких степенях сжатия путем присадки к бензину бензола или толуола. Интересно, что открытие это было сделано почти случайно в связи с топливным голодом, который испытывала блокированная Германия. Вынужденная искать заменители для авиационного бензина Германия применила для этого бензол, причем было обнаружено, что на бензоле можно работать со значительно большими степенями сжатия и что даже примесь бензола к бензину повышает антидетонационные качества последнего. Топливный же голод побудил германских конструкторов начать работы по осуществлению авиационных двигателей тяжелого топлива с воспламенением от сжатия. Начатый фирмой Junkers постройкой в 1915…1916 гг. двухтактный авиационный дизель остался неоконченным и после версальского мира по требованию союзников был уничтожен. Не дали удовлетворительных результатов и опыты с авиационными дизелями английской фирмы Beardmore. Таким образом наряду со значительным действительным прогрессом в авиационном моторостроении мировая война оставила огромное наследие незавершенных опытов и новых, ждавших реализации проблем,- наследие, в значительной мере предопределившее развитие моторостроения на долгие годы.
При возрастании мощности моторов за годы войны в 3-4 раза и при снижении удельного веса моторов почти в 2 раза, литровая мощность и среднее эффективное давление авиационных двигателей увеличились очень незначительно. Едва ли заметные улучшения были достигнутый в отношении надежности двигателей, и только самые последние модели английских моторов (фирма Rolls—Royce "Eagle") и американских ("Liberty") показали значительное увеличение надежности. Срок работы без переборки у этих моторов достигал 100 часов.
С окончанием войны авиационное моторостроение вступило в новую фазу. Авиационная промышленность после войны подверглась резкому свертыванию. Серийное производство авиамоторов на время было почти прекращено. Заложенные еще в годы войны новые мощные (до 1000 л. с.) моторы были все же, хотя и с некоторым запозданием, закончены, но применения не нашли. Мощность моторов для боевых самолетов стабилизировалась на достигнутых в 1918 г. цифрах и на протяжении 1919…1924 гг. увеличивалась очень медленно.
Одни из лучших двигателей рожденных входе ПМВ: двигатель Чарльза Лоренса (Charles Lawrance), знаменитый J-1, американский радиальный двигатель, мощностью 60 л/с. с воздушным охлаждением и радиальные воздушники британской фирмы Cosmos Engineering (Bristol Aeroplane Company) — Bristol Jupiter и Bristol Mercury.
Планирую небольшой исторический обзор до начала 50-х годов прошлого века и кратко основные тенденции совершенствования двигателей накануне и в ходе ПМВ и ВМВ …
