Валерий Августинович - Битва за скорость. Великая война авиамоторов

• Название: Битва за скорость. Великая война авиамоторов
• Автор: Валерий Августинович
• Издательство: М. : Яуза : Эксмо, 2010. — 448 с.: ил.
• Жанр: Биографии и Мемуары
• Год: 2010
• ISBN: 978-5-699-43214-1

Борьба за господство в воздухе — это прежде всего ВОЙНА МОТОРОВ. Опыт Второй Мировой показал, что именно превосходство в скорости является решающим фактором в воздушном бою, а отставание СССР в моторостроении стало главной «ахиллесовой пятой» наших ВВС в Великой Отечественной войне. Вся история авиации есть ожесточенная БИТВА ЗА СКОРОСТЬ, а значит — за мощность авиадвигателей, по праву считающихся вершиной технологии и доказательством научно-технической состоятельности государства.

Эта книга — первое серьезное исследование великой войны моторов, продолжавшейся весь XX век и определившей развитие авиапромышленности, — от первых поршневых двигателей до новейших газотурбинных, от неуклюжих «этажерок», летавших со скоростью мопеда, до гиперзвуковых стратосферных суперджетов последнего поколения. Будучи признанным авторитетом в области проектирования авиационных двигателей с более чем 40-летним стажем, автор лично участвовал в этой битве за скорость, а его книга не только в высшей степени компетентна, но еще и на редкость увлекательна, читаясь как захватывающий технотриллер.

---

Однако приоритет реализации этого цикла принадлежит немецкому инженеру Николаусу Отто. Модификацию этого цикла разработал его соотечественник Рудольф Дизель. Промышленное производство поршневых двигателей внутреннего сгорания организовали тоже немцы — Карл Бенц и Готтлиб Даймлер. Даймлер и запатентовал V-образную схему расположения цилиндров мотора. Революционным было и изобретение Робертом Бошем искровой системы зажигания током высокого напряжения от магнето в конце 1880-х гг. Только появление таких эффективных (большой удельной — на единицу массы — мощности) двигателей внутреннего сгорания позволило создать возможность рождения таких аппаратов тяжелее воздуха, как самолет и вертолет. Это произошло в конце XIX века. Доминирование эры воздухоплавания (аппараты легче воздуха) и тяжелых двигателей внешнего сгорания (паровых машин) закончилось. Попытки продлить жизнь коммерческому и военному воздухоплаванию с помощью дирижаблей продолжались до аварии (пожара) пассажирского «водородного» «Гинденбурга» в Нью-Йорке в мае 1937 г. при швартовке после перелета через Атлантику.

В отличие от летящего самолета, имеющего внешние, хорошо видные обтекаемые «красивые» аэродинамические формы, «красоту» двигателя внутреннего сгорания трудно увидеть. Требуется интеллектуальное усилие, чтобы в этом нагромождении «железа» распознать чудо инженерной мысли. Все самое интересное в авиамоторе происходит внутри.

Как известно, первый в мире установившийся управляемый полет самолета-биплана «Флайер» («Летающий») конструкции братьев Райт с мотором Тэйлора мощностью 12 л.с. и массой около 80 кг (удельная мощность — 0,15 л с./кг) состоялся 17 декабря 1903 г. С выбором мотора для первого в мире самолета была проблема: ни один из существовавших тогда автомобильных моторов не обеспечивал необходимой для самолета удельной (на 1 кг массы) мощности. Больше, чем 0,06, автомобильные моторы того времени не имели, а нужно было по крайней мере 0,125. Требуемое соотношение было достигнуто инновационным для того времени применением алюминиевого литья для корпуса. Мотор для «Флайера» был четырехцилиндровый, с горизонтальным расположением цилиндров жидкостного охлаждения. Диаметр цилиндра и ход поршня DxS составляли 102*102 мм («квадрат»). Два пропеллера приводились цепной передачей. Вообще-то надо было исхитриться, чтобы полететь. Братья Райт в первую очередь были специалистами по аэродинамике, в том числе и по аэродинамике пропеллера. Именно благодаря разработанному ими очень эффективному пропеллеру, т. е. преобразователю мощности мотора в силу тяги, удалось максимально использовать весьма ограниченную мощность мотора. Вообще, при изучении истории авиамоторов нельзя забывать о движителях — пропеллерах — воздушных винтах. Их история не менее интересна, а сами винты развиваются до сих пор. И это неслучайно: для дозвукового экономичного полета винт является идеальным движителем. Сегодня снова стоит задача разработки эффективных многолопастных винтов с низким уровнем шума для перспективных магистральных самолетов.

«Фишкой» же пропеллера Уилбура Райта была примененная им стреловидность лопасти в концевых сечениях, так называемый «end bent» («отогнутый конец»), уменьшающий так называемую статическую дивергенцию винта, т. е. раскрутку под влиянием аэродинамических сил.

Братья Райт «обхитрили» профессора Самюэля Лэнгли, тоже готовившего полет своего самолета «Аэродром» с мотором Мэнли — Бальтцера мощностью 52 л.с. в 1903 г. Мощности 12 л.с. не хватало, чтобы разогнаться «Флайеру» до скорости отрыва 45 км/час по дорожке длиной 20 м, и братья Райт «нашли» место в Северной Каролине с постоянно дующим встречным ветром 30 км/час для взлета. Мотор конструкции Мэнли имел существенно лучшую (более, чем в 3 раза) удельную мощность в сравнении с мотором Тэйлора, но Лэнгли не повезло. Его «Аэродром» поднял в воздух Гленн Кёртис только в 1913 г., когда Лэнгли уже не было на этом свете. Отношение мощности мотора к его массе в результате технического прогресса эволюционировало от 0,55 л.с./кг (мотор Мэнли — Бальтцера) до 2,2 л.с./кг (Кертис — Райт R-3350).

Несомненно, в начале XX века передовой авиационной державой была Франция. То, что первый полет самолета с мотором был совершен в США братьями Уилбуром и Орвилом Райтами, есть историческая случайность. Развитие моторостроения определяло тогда успех в авиации. Первым мотором, спроектированным специально для авиации, был ставший знаменитым «Антуанетт», V-образный мотор водяного охлаждения мощностью 24 л.с. и отношением мощности к массе 0,5 л.с./кг. Его разработал в 1902 г. француз Леон Левавассер (Levavasseur). В этом моторе были применены инновации: легкие алюминиевые корпуса, функцию тяжелого маховика, сглаживающего крутящий момент на валу, выполняло увеличенное до 8 количество цилиндров, выполненных по схеме «V». В результате длина 8-цилиндрового мотора была такой же, как 4-цилиндрового. Самой тяжелой частью мотора тогда были цилиндры, изготавливаемые литьем из чугуна. Стенки цилиндра имели толщину 5 мм. Для снижения их массы Левавассер уменьшил ход поршня и соответственно длину цилиндров, и увеличил число оборотов до 1100 об/мин. Рубашка охлаждения была выполнена из тонкого листа латуни. Разработана была и новая система подачи масла. Правда, первые авиамоторы не имели карбюратора, и поэтому управление режимом мотора было затруднено. Поскольку первый заказ этого мотора от Вооруженных сил Франции для постановки на дирижабли задерживался (как обычно), то Левавассер предложил свой мотор для гоночных лодок. Сделка состоялась, а по первому имени дочери главного спонсора конструктор и назвал свой мотор. Успех был полный. Более того, эта гоночная лодка постепенно стала приобретать черты гидросамолета (плоское днище и т. п.), т. е. летающей лодки, в некотором смысле явившись предком последней, появившейся через пять лет.

В 1905 г. во Франции был объявлен приз 50 тыс. франков тому, кто совершит первый «официально зарегистрированный полет». В борьбу за приз включились все конструкторы самолетов. Приз выиграл пилот-бразилец, живший во Франции, Santos-Dumont (Сантос-Дю-мон) на самолете-биплане собственной конструкции с мотором «Антуанетт» мощностью 50 л.с., пролетев 12 ноября 1906 г. дистанцию 220 м. Все его тогдашние конкуренты (Фербер, Делагранж, Блерио) опоздали. Считается, что если США (братья Райт) были пионерами в разработке системы управления самолетом, то Европа (Франция) — пионером в разработке настоящего авиамотора. На первом этапе становления авиации моторостроение, будучи исторически старше, технологически опережало развитие самолетостроения.

Далее многие пытались разработать хороший авиамотор, но только двум конструкторам удалось сделать шаг вперед в этой области техники: Луи Сегену из фирмы «Гном» и Луи Рено из автомобильной фирмы «Рено». В 1905 г. Луи Сегеном была создана фирма «Гном» для производства оригинального звездообразного ротативного (с вращающимися 7-цилиндрами и неподвижным валом) двигателя. Объединившись в 1915 г. с фирмой «Рон» (Луи Верде), «Гном и Рон» произвели за время Первой мировой войны 100 тыс. (!) двигателей одно- и двухрядных звезд (воздушного охлаждения) в классе мощности 50… 150 л.с. Обладая хорошей плавностью хода благодаря массивному маховику вращающегося корпуса, ротативная схема имела ограничения по мощности до 200 л.с. из-за больших вентиляционных потерь и создавала большой гироскопический момент на конструкцию самолета при его эволюции. Кроме того, большой проблемой ротативного мотора была смазка: масло не могло быть собрано в картере, как это обычно делается, из-за действия центробежных сил. Следствием этого был повышенный расход масла и необходимость защиты летчика от масляных капель. Знаменитый шарф «Красного барона» (Рихтгофена) и других летчиков, летающих на самолетах с «Гномами», выполнял вполне прозаическую функцию — протирать защитные летные очки от капель масла. Единственным типом масла, которое годилось для смазки «Гнома», было касторовое. Только оно не смешивалось с топливом в кожухе и сохраняло свои смазочные свойства при повышенных температурах. Рассказывают, что многие летчики были взяты в плен, когда они садились на вражеской территории в надежде докупить в аптеках касторового масла для дозаправки. Наконец, мотор «Гном» был однорежимным — всегда работал на максимальном режиме. Снижение режима при посадке осуществлялось периодическим выключением и включением зажигания (по сути, известная широтно-импульсная модуляция), что приводило к периодической работе мотора на авторотации. Тем не менее этот мотор получился легким для того времени. Его удельная мощность составляла 0,5л.с./кг. Однако к 1920 г. ротативные моторы воздушного охлаждения сходят со сцены — требовались большие мощности, которые эта схема обеспечить не могла.

Еще в 1906 г. французский инженер Роберт Эно Пельтри разработал теорию звездообразного мотора воздушного охлаждения и построил веерообразный (из-за опасения залива маслом нижних цилиндров в случае симметричной «звезды») пятицилиндровый мотор REP (по своим инициалам), который, однако, оказался неудачным — решить проблему охлаждения не удалось. Исторический перелет через Ла-Манш Блерио совершил на самолете своей конструкции, оснащенном трехцилиндровым мотором воздушного охлаждения Анзани мощностью 25 л.с. (с отношением мощности к массе около 0,4), сконструированным для гоночного мотоцикла. Мотор перегревался, но судьба улыбнулась Блерио — во время полета пошел дождь и охладил мотор. Англичане, конечно, не могли отставать от французов и через год после полета Блерио через Ла-Манш, или «Английский Канал», перелетел туда и обратно без посадки вскоре погибший Чарльз Ролле, один из основателей знаменитой моторной фирмы.