«ВОЙНА МОТОРОВ»
«ВОЙНА МОТОРОВ»
История русской авиации, как известно, начинается с Можайского, спроектировавшего первый русский самолет в 1883 г. Однако реальные самолеты появились в России в начале XX века после успеха братьев Райт (1903 г.) и особенно после перелета Блерио через Ла-Манш (1909). По тем временам этот перелет был сродни полету в космос. И.И. Сикорский и Д.П. Григорович были первыми русскими авиаконструкторами, самолеты которых приняли участие в Первой мировой войне. Успешно или нет — это другой вопрос. В основном же в армии использовались французские самолеты, поступавшие через Архангельск. Известно, что недостаточная воздушная поддержка брусиловского наступления 1916 г. помешала занять его оперативную цель Ковель. Интенсивность воздушных боев на Русском фронте была ниже, чем на Западном. Лучшие асы Первой мировой (Рихтгофен — Германия, Мэннок- Великобритания, Рене Фонк — Франция) одержали по 70–80 воздушных побед, в то время как лучший русский ас штабс-капитан А. А. Казаков сбил в воздушных боях 17 самолетов противника, а австро-венгерский летчик капитан Брумовски — 35.
Тем не менее «Илья Муромец» (ИМ-Б) Сикорского был первым в мире многомоторным бомбардировщиком, принятым на вооружение в 1914 г. Сикорский же разработал и истребитель С-16(1915 г.) для его сопровождения. Григорович разработал удачный гидросамолет — морской ближний разведчик МБР-2.
Следующий слой авиаконструкторов в России, создавших инженерную школу — это Н.Н. Поликарпов, И. Гуревич, А.Н. Туполев и П.О. Сухой. Эта школа базировалась еще на дореволюционном инженерном образовании. Советская власть лишь предоставила этой генерации конструкторов необходимые ресурсы для развития такой инновационной волны XX века, как авиация.
Как и всякая инновационная волна, авиация пережила период бурного количественного роста (фаза А — «изобретатели») действующих актеров (как конструкторов, так и фирм) (1910–1940 гг.), период качественного расцвета (1970-е гг.) («плато» — «инженеры») и период эпигонов (фаза Б после 1980 г. — «менеджеры»). Обычно волна имеет период около 50 лет, но в случае с авиацией инновационная волна была «двугорбой»: первый пик обусловливался зрелостью развития поршневых двигателей (1930-е гг.), а второй пик (1960-е гг.) — газотурбинных. Соответственно явились миру «поршневая» и «реактивная» авиация. Поэтому общий период этой двугорбой волны растянулся почти на 100 лет. Сегодня мы находимся в зрелой фазе примата технологии перед творчеством, которое определяло начальный период подъема инновационной волны. В начале XXI века мы видим, что формируется новая инновационная волна в развитии авиации — беспилотные самолеты и вертолеты на основе синтеза авиационной и информационной технологий.
Сегодня личные качества главного конструктора уже не играют такой большой роли, успех определяет «сумма технологий», т. е. создание самолета стало технологическим процессом. В истории это обычно продолжение эпохи эпигонов. Творчество трансформируется в менеджмент, количество фирм минимизируется, так как выиграть в технологической конкуренции можно только за счет концентрации ресурсов, окно возможностей (появление новых типов) уменьшается. В этой фазе вероятность появления новых акторов мала: слишком высокий финансовый порог входа на рынок. «Кто не успел — тот опоздал». Россия успела, не опоздать бы с продолжением. В России примерами долгой жизни (большая редкость из-за жестокой конкуренции) в авиации могут служить А.Н. Туполев и П.О. Сухой, прошедшие через все фазы ее развития.
Историю авиации и инновационные результаты ее развития в России можно было бы изобразить в виде генетической схемы поколений. Центрами создания авиации в России были, естественно, Петербург (И. Сикорский — «Руссо-Балт» и Д.П. Григорович) и несколько позже Москва (А.Н. Туполев — ЦКБ при ЦАГИ, организованном по инициативе Н.Е. Жуковского). Из школы Сикорского вышел Поликарпов, позднее вместе с Гуревичем и Григоровичем давшие развитие истребительной (Микоян и Гуревич, Лавочкин) и гидроавиации (Бериев). А из школы Туполева — С.В. Ильюшин и П.О. Сухой, сделавший эпоху в истребительной авиации с газотурбинными двигателями. Сам Туполев был, как известно, конструктором «бомберов», а позже и пассажирских самолетов. Ответвлением туполевского КБ было бомбардировочное КБ Петлякова, после его смерти возглавлявшееся Мясищевым.
Отдельно надо упомянуть и вертолетную школу Камова (1902–1973) и бывшего во время войны его заместителем по серийному производству Миля (1909–1979), созданную еще в конце 1920-х гг. Как говорят, само слово «вертолет» было придумано Камовым. Автожир (или винтокрыл) Камова применялся еще во время Великой Отечественной войны в качестве корректировщика артиллерийского огня. Тяжелые десантные планеры, применявшиеся во время войны, проектировал известный авиаконструктор Цыбин в своем КБ.
На этой схеме можно было бы увидеть и побочные влияния на развитие российской авиации: приглашение в 1930-е гг. иностранных специалистов по гидроавиации Бартини из Италии и Поля Ришара из Франции. Как мы отметили в предыдущей главе, это не было случайностью — гидроавиация была фаворитом в 1920-е гг. Ожидалось, что у нее большое будущее.
Уже в конце 1930-х гг., когда обозначился пик развития поршневой авиации, появился и первый слой «менеджеров» преимущественно из военной и министерской среды, претендовавших на почетное и престижное (в том числе из-за любви Сталина к авиации) звание «авиаконструктор». И до и после войны в СССР активно осваивался и самый передовой в мире американский и немецкий опыт в самолетостроении и создании авиационных двигателей, без которого создать конкурентоспособную отечественную авиацию было бы невозможно. В свое время (1950-е гг.), например, конструктор Березняк был известен как «Березняк из Подберезья», где работали немецкие специалисты из фирмы «Юнкерс» (Бааде).
В 1960 г., когда началась инновационная волна развития космической техники, два крупных авиационных предприятия (Лавочкина и Мясищева) были перепрофилированы на космическую тематику. Так появились известные сегодня НПО им. Лавочкина в Химках и завод им. Хруничева в Филях. А КБ Цыбина незадолго до этого было поглощено Мясищевым (сам Цыбин стал работать у Королева зам. главного конструктора по военному космосу).
Сегодня во главе прославленных фирм стоят люди, уже совершенно безвестные, менеджеры второго и третьего поколений, реальным конструированием занимаются компоновщики, неизвестные широкому кругу людей. Современный процесс создания самолетов (включая интриги и борьбу конструкторов с менеджерами, желающих непременно быть «конструкторами») очень хорошо описан в недавно вышедшей книге воспоминаний О. Самойловича о его работе с П.О. Сухим.
В результате столетней истории авиации в российский актив можно записать такие реализованные, существующие и сегодня инновации мирового уровня, как «интегральный планер» Су-27, вертолет с соосными винтами Ка-50, самолет-амфибию А-40 с газотурбинными двигателями, самый большой грузовой самолет рампового типа Ан-124, самый грузоподъемный вертолет Ми- 26, дальний скоростной (3000 км/час) самолет-перехватчик МиГ-31, многоцелевой стратегический бомбардировщик Ту-160. Урожай солидный. Даже одним таким самолетом любая страна может гордиться.
Чтобы создать самолет, кроме планера с его системами, необходимо еще и сделать двигатель. Авиационный двигатель-это пример настоящей «высокой технологии»: он должен иметь большую мощность и при этом малый вес, высокую надежность и хорошую экономичность (а в наше время еще и экологичность по уровню шума и вредным выбросам). Как же развивалась отечественное авиационное моторостроение?
Вторую мировую войну справедливо называли будущей «войной моторов» еще до того, как она разразилась. Ни Первая, ни будущая Третья мировые войны такого названия не имели и иметь не будут по простым причинам: Первая мировая — из-за тогдашней слабой моторизации вооруженных сил воюющих сторон, а к моменту времени будущей Третьей «моторизация» уже прошла свой пик инновационного развития и тем самым едва ли окажет существенное влияние на развитие боевых действий. Темп военных действий в будущей войне будет определяться не скоростью «движения» танков и самолетов, а скоростью получения информации: оружие первого удара уже и так находится в постоянной боевой готовности и его успешное применение от «моторизации» не зависит.
Война показала, что одним из ключевых факторов Победы оказалась авиация. Истребители Як-9, Лa-5 и штурмовик Ил-2 сыграли здесь главную роль. С 1944 г. успешно воевал и бомбардировщик Ту-2. Но технологически победа была обеспечена на фронте массового производства авиационных моторов для этих самолетов. Нужно иметь в виду, что 80 % цены (и, соответственно, стоимости) самолета того времени (И-16) составляла цена (стоимость) мотора (М-25А) [41]. Стоимость авиамотора (того же М-25А) примерно была равна стоимости легкого танка (Т-26). Да и сегодня цена (стоимость) авиационного двигателя и современного танка также имеют один порядок.
Для истории Второй мировой войны имеет смысл дать хотя бы краткое представление о «войне моторов», или, с учетом решающего влияния авиации на ход боевых действий, о «войне авиамоторов». Если во множестве книг о Второй мировой войне, вышедших за последнее десятилетие, достаточно полно представлены основные типы вооружений (танки, самолеты, пушки и т. д.) разных стран, то, как ни странно (а может быть, и не странно), об авиамоторах этой эпохи не только у широкого читателя, но и у любителей военной истории и техники имеется смутное представление. Что такое авиамотор? Почему его трудно создать и практически невозможно скопировать по имеющемуся образцу без полного комплекта технической документации, а зачастую и технической помощи разработчиков? Кто были родоначальники конструкторских школ авиамоторов в разных странах? Как транслировались по миру технические достижения в авиамоторостроении? Кто победил в «войне моторов»? Как ни странно, на эти простые вопросы ясные ответы практически отсутствуют, несмотря на их историческую значимость. Это, в свою очередь, приводит к упрощенным представлениям не только о развитии авиации и истории техники, но и об истории вообще.
Война моторов — это соревнование национальных технологий, выразившееся в уровне развиваемых мощностей. Ведь мощность напрямую связана со скоростью самолета и его вооруженностью (оружие, броневая защита, боезапас): чем больше мощность мотора, тем эти характеристики выше. При этом, конечно, необходимо делать мотор «легким», иначе прирост мощности не приведет к повышению боевых возможностей самолета. Именно в этом и заключается искусство создания авиамотора: сочетание большой мощности, малой массы и высокой надежности — ведь речь идет об авиации.
Авиационный мотор (хоть поршневой, хоть газотурбинный) является прецизионным изделием: микронные точности изготовления здесь — не новость. Дело в том, что двигатель имеет две основных части: ротор и статор и именно зазоры между вращающимся с большой скоростью ротором и неподвижным статором определяют эффективность двигателя из-за больших перепадов давления в этих зазорах. Если при этом иметь в виду, что зазоры зависят от теплового расширения сопрягающихся деталей, то в тепловом двигателе (преобразователе теплоты в работу) проблема стабилизации зазоров является очень сложной в решении. Не говоря о больших силовых, механических (в том числе динамических) нагрузках и, следовательно, деформациях.
Теперь рассмотрим процедуру возможного воспроизведения «украденного» или купленного образца двигателя и возникающие при этом проблемы. Понятно, что первым шагом является разборка и обмер деталей — это просто.
Затем — идентификация материалов. Если состав может быть «легко» определен спектральным способом, то при исследовании структуры материала уже могут возникнуть сюрпризы, например структура может оказаться неравноосной (направленной кристаллизации или даже монокристаллической), да еще и модифицированной какими-либо редкоземельными элементами.
О композиционных материалах и говорить нечего. То есть воспроизведение подобной структуры материала требует разработки неизвестного специального техпроцесса и неизвестного спецоборудования, которого может просто не быть у занимающегося этим делом. Даже с «обычным» материалом может возникнуть проблема, как, например, при создании АШ-73ТК по замыслу копии двигателя для В-29. Оказалось, что лопатки турбокомпрессора наддува на американском двигателе сделаны из жаропрочных сплавов на основе кобальта, которого в СССР просто нет в нужном количестве.
Далее, оказывается, что именно поверхностный слой основных деталей определяет долговечность двигателя, а получение нужной для этого структуры поверхностного слоя полностью определяется применяемой технологией изготовления, которая неизвестна (ведь технологической документации нет). Технология содержит много переходов, требует определенных режимов обработки, сложной неизвестной траектории режущего инструмента. Наконец, в заключение на поверхность наносятся специальные многокомпонентные покрытия и тоже по специальной технологии (температурный режим, выдержка и т. д.), которая тоже неизвестна. Наконец, примененные техпроцессы сварки и пайки тоже неизвестны. А если применялись новые техпроцессы, как например» лектронно-лучевая сварка? Тогда нужно начинать разрабатывать все с нуля.
Замена материалов, упрощение техпроцессов тянет ia собой и изменение конструкции, а это — изменение силовой схемы двигателя, нагрузок и необходимость доводочных работ без гарантии результата.
Наконец, после обмера деталей и синтезирования технологии встает отнюдь не простая проблема: а какова допустимая точность изготовления множества деталей, работающих сопряженно, в системе? По условиям задачи у нас нет этой информации: ведь мы имеем один образец и не имеем статистики разброса размеров при изготовлении. Допуски на изготовление, гарантирующие работоспособность конструкции, являются результатом длительной доводки и эксплуатации и потому составляют настоящее ноу-хау. Может оказаться, что мы не сможем обеспечить требуемую точность изготовления на имеющемся оборудовании. Известно, например, что немецкие топливные насосы и форсунки для дизелей фирмы MAN (Машиностроительный завод Аугсбург — Нюрнберг) практически невоспроизводимы вне их родины из-за прецизионности процессов изготовления. Известна и история лицензионного производства английского «Мерлина» в США на автомобильной фирме «Паккард» (выпущено 55 тыс. моторов), когда даже при наличии техдокументации пришлось американцам вызывать на помощь не только английских инженеров, но и рабочих при освоении мотора.
Наконец, со всеми проблемами справились, мотор воспроизвели, он начал свою жизнь на самолете. И тут вскоре возникает проблема, которую просто копиист никак не сможет решить. Любой мотор постоянно проходит модернизацию — увеличивается его мощность, на основании опыта эксплуатации вносятся изменения в его конструкцию с целью повышения ресурса. Мотор «живет». Таким образом, мотор в конце своего жизненного цикла существенно отличается от первоначального прототипа. Для решения этой задачи нужен инженер, а не техник-копиист. Только тогда конструкторское бюро проектирования авиадвигателей становится состоявшимся. По сути, степень модернизации мотора {%% увеличения мощности, ресурса и экономичности) в течение его жизненного цикла является количественным критерием зрелости КБ.
Для примера рассмотрим краткую историю развития одного из самых известных и удачных советских авиамоторов АШ-82. Как известно, прототипом этого мотора был лицензионный американский мотор воздушного охлаждения, однорядная девятицилиндровая звезда Cyclone («Циклон»), разработанный на самой именитой фирме Wright (Райт) мощностью 635 л.с., прототип которого мощностью 400 л.с. был разработан в 1926 г. В советском авиапроме он получил стандартное обозначение М-25, т. е. «мотор-25-я модель». Сборка этого мотора из американских комплектов началась на только что построенном пермском заводе им. Сталина (№ 19) в июне 1934 г. Станочное оборудование этого завода требуемой точности изготовления деталей тоже было закуплено в США. А в 1935 г. мотор уже начали собирать из деталей, изготовленных в Перми.
Техническим директором завода, а фактически главным конструктором Аркадием Дмитриевичем Швецовым сразу же были созданы конструкторские группы для разработки модификаций этого двигателя. Очевидно, что мотор «Циклон» имел перспективу повышения мощности, т. е. был спроектирован «с запасом»: в среднем съем мощности с одного цилиндра следовало ожидать 100 л.с.
Таким образом, можно было ожидать успеха в форсировании мотора по мощности по крайней мере до 900 л.с., а с постановкой второго ряда «звезды» — и до 1800 л.с. Также было ясно, что одним из ключевых элементов повышения мощности является воздушный нагнетатель, компенсирующий уменьшение плотности воздуха с увеличением высоты полета. В соответствии с этими задачами и были созданы три конструкторские группы из молодых конструкторов: группа однорядных звезд, группа двухрядных звезд и группа нагнетателей.
Первой модификацией мотора, получившей индекс М-25А, было его форсирование по оборотам до мощности 715 л.с., осуществленное уже в 1936 г. Это было, по сути, простое использование первоначального американского задела, но и одновременно первая школа самостоятельного принятия решений, которых подсказать было некому. До какой мощности первоначальная конструкция позволяет форсировать мотор? Известно, что при увеличении подачи топлива мощность мотора растет пропорционально кубу оборотов. Но одновременно увеличивается и количество выделяемого тепла, крутящий момент на валу и динамические нагрузки от дисбаланса вращающихся масс. Нужен был успех, а риски этого успеха или провала целиком лежат на главном конструкторе. Ведь в случае неудачи дальнейшее движение по пути развития мотора могло быть остановлено директивным образом — примеров сколько угодно. В 1937 г. мотор был Форсирован до уровня мощности 775 л с. и получил обозначение М-25В. Это была начальная конструкторская школа освоения техники, проверки правильности расчетов нагрузок, отработки технологии испытаний.
Первой самостоятельной модификацией швецовского КБ следует считать мотор М-62 (разработка 1937 г.) мощностью 1000 л.с., который вышел на мировой уровень по параметрам и успешно применялся на массовом истребителе И-153. Удача разработки этого мотора свидетельствовала, что КБ состоялось. Одновременно велись самостоятельные конструкторские разработки двухрядных звезд: вначале 18-цилиндрового М-25Д, позже получившего обозначение М-70, а затем 14-цилиндрового М-80. Диаметр (155,5 мм) и ход поршня (174,5 мм) оставались неизменными с «Циклона». Читатель должен обратить внимание на точность указания номинальных размеров (до 0,5 мм), а это говорит, что допуск на изготовление должен быть на порядок меньше (50 микрон), а мерительный инструмент — еще более точным.
Двухрядные звезды — это уже качественно другой уровень квалификации конструирования. При их создании возникают сложные проблемы, которые приходится решать самостоятельно. И здесь при создании мотора мы сталкиваемся еще с одной фундаментальной проблемой: любой дефект, поломка имеет системный характер, т. е. для понимания отрицательного «результата» необходимо построить логически правильную цепочку развития событий во времени, чтобы определить причину дефекта. Кроме того, поиск идет, как правило, при ограниченной объективной информации о поведении системы ввиду ограниченности штатных или даже специальных (на опытном моторе) средств измерений (особенно в довоенные годы). Определение причины дефекта требует самой высокой квалификации, методом «тыка» ни один мотор не довести до товарного состояния — слишком сложная система.
Вот один из примеров. С форсированием по мощности мотора-прототипа М-25 начала проявляться тряска мотора, т. е. его корпуса, которая передавалась через подвеску и на самолет. Чем больше увеличивалась мощность мотора, тем сильнее была тряска. Происходила разбапансировка сил инерции, в результате чего возникали сильные динамические нагрузки на опоры ротора. Но где причина? При анализе оказалось, что при расчете уравновешивания сил инерции форсированного мотора, кроме массы вращающихся деталей, необходимо учитывать и присоединенную массу масла в полостях шатунных шеек [10].
Какие дефекты были присущи звездообразным моторам воздушного охлаждения? Из их краткого описания и методов их устранения можно понять и сложность создания мотора. Малая плотность воздуха (в сравнении с водой) создавала проблему съема тепла и тем самым охлаждения цилиндров. Перегрев цилиндров и клапанов сопровождал всю историю моторов воздушного охлаждения. Эта проблема существенно усугублялась при постановке второго ряда звезды вслед за первым рядом, затеняющим этот второй ряд. Тот, кто видел эти моторы, наверняка заметил сложнейшую развитую систему ребер охлаждения цилиндров, которые увеличением площади теплоотдачи компенсировали малую плотность воздуха. Нужны сотни часов продувок десятков вариантов расположения ребер с измерением полей температуры, чтобы решить проблему (и то без гарантии). Например, для улучшения охлаждения был применен поворот головки цилиндра на 15° по отношению к вектору скорости набегающего воздуха. Это, в свою очередь, потребовало изменения кинематики классического клапанного механизма. Потребовалось разработать новые законы движения звеньев (рычагов, толкателей, тяг и др.) и профилей кулачков. Как мы увидим ниже, диаметр цилиндров авиамоторов более 160 мм не применялся именно из-за проблемы их перегрева. Количество выделяемого тепла в объеме цилиндра пропорционально кубу линейного размера, а съем тепла — только квадрату размера (площади). Этот «закон куба-квадрата», ограничивающий конструкторов, действует во многих технических системах. Учитывая многорежимность работы мотора и множество сочетаний высоты, скорости полета самолета, а также климатических условий эксплуатации (зима, лето), «настроить» пассивную систему охлаждения цилиндров для любого сочетания условий чрезвычайно сложно.
Вторым серьезным дефектом звездообразных моторов явилась их склонность к заклиниванию втулки подшипника, так называемого главного шатуна (в «звезде» все шатуны, кроме главного, являются прицепными к последнему, а все усилие на коленчатый вал передается через главный шатун). Очевидно, что с увеличением мощности эта проблема также усугублялась. Одно время казалось, что она вообще не имеет решения и ставит предел развиваемой мощности. В 1940 г. в КБ Швецова пригласили из ЦИАМ специалиста по подшипникам скольжения С.Н. Куцаева. Далее мы даем слово участнику этих событий инженеру КБ В.В. Даровских: «Изучив характер износа втулки главного шатуна и шатунной шейки коленчатого вала, он предложил образующую втулки выполнить по гиперболе с мнимой осью вдоль оси шатунной шейки с переменным подлине подшипника зазором, увеличивающимся от середины к краям. Однако первые испытания не показали улучшения работы. Анализ показал, что увеличенные зазоры у концов втулки приводили к вытеканию масла из подшипника. Для обеспечения нормального маслоснабжения были поставлены боковые кольца с отверстиями и пружинами, а от проворота втулка была зафиксирована шлицами. Кроме того, было введено многослойное покрытие трущейся поверхности втулки: никель, медь, серебро, индий. Проблема была решена» [10]. В решении проблемы этого конкретного дефекта мы видим и некую общую методологию решения — комплексный подход.
Не менее серьезными проблемами были задир поршней, износ цилиндров и колец, коробление седел клапанов, прогар выхлопного клапана. Решение этих проблем никто подсказать не мог — со всем этим справлялись конструкторы КБ. Простые копиисты стали бы в тупик при любом таком дефекте и запросили бы помощи из-за рубежа. Как вспоминал П.А. Соловьев, ставший преемником А.Д. Швецова в 1953 г.: «Вспоминается такой эпизод. Мы со Швецовым долгое время занимались бесступенчатой передачей для того, чтобы улучшить характеристики самолета, особенно для воздушного боя. Сделана была такая механическая передача: на валу вращается желоб, свернутый в кольцо. Одна половинка на одной стороне, вторая — на другой, а между ними ролик. И в зависимости от положения ролика идет передача с большего на меньшее и наоборот. А поскольку вы можете менять положение ролика бесконечно, то и этих передач получается бесконечно много. Сложные, конечно, устройства, но все-таки работали, на моторе работали. Я помню, как-то вечером поставили на испытания очередную конструкцию и произошла поломка привода, раскололся корпус, редуктор, шестерни высыпались, как из мешка. А договорились, чтобы я позвонил Аркадию Дмитриевичу, как только первую гонку сделаем. Я позвонил ему. «Ну как?» — «Так сломалась, сломалась крупно». — «А кто-нибудь пострадал?» — «Нет». — «Ну и хорошо. А чего ты расстраиваешься? Думал, обойдешься без этого вообще? Такого не бывает. Давай все это запломбируй, чтобы ночью не возиться, а с утра разбирайтесь, что произошло».(Соловьев П.А. О времени и о себе).
Чем опытный инженер отличается от неопытного при разработке новой принципиально конструкции? Оба, по большому счету, ни черта не знают. Но… опытный инженер не боится, знает, что предстоит доводка (а любой эксперимент — это и вопрос, и ответ, лучше бы, конечно, только ответ), а неопытный-боится. И еще: опытный инженер быстрее учится на своих ошибках.
Идея четырехтактного цикла впервые была предложена французским инженером Альфонсом Бо де Роша (Beau de Rochas) в 1861 г.:
«Поставленная задача имела, очевидно, единственно практически правильным конструктивным решением применение только одного цилиндра, во-первых, для того, чтобы последний имел максимально возможные размеры, во-вторых, чтобы уменьшить до абсолютного минимума сопротивление газов движению. Это, естественно, приводит к осуществлению в одной и той же полости цилиндра в течение четырех последовательных ходов поршня следующих процессов:
1. Всасывание в течение целого хода поршня.
2. Сжатие в течение следующего хода.
3. Воспламенение в мертвой точке и расширение в течение третьего хода.
4. Выталкивание сгоревших газов из цилиндра на четвертом и последнем ходе» (Beau de Rochas «Nouvelles recherches», p. 30. Цит. по Гюльднер, с. 730).
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 — 0,15д 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 — Бапьтцера 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 — Бапьтцера) 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-Дюмон) 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 0,5 л.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.
Успешным конкурентом «Гнома» к началу Первой мировой войны оказался рядный мотор воздушного охлаждения «Рено» V8 мощностью 60 л.с. Эта была полная противоположность «Гному» — стационарный, рядная схема. Однако, несмотря на алюминиевый корпус, мотор «Рено» был тяжелым: его удельная мощность была существенно меньше (0,33) уже достигнутого тогда уровня весового совершенства 0,5 л.с./кг. У «Гнома» был больший расход топлива и масла, а «Рено» был тяжелее. Что лучше?
Судьбе было угодно провести прямое сравнение моторов-конкурентов. Подобно братьям Райт в США, во Франции тоже были известные авиаконструкторы-братья Фарман: старший Морис и младший Анри. Но, в отличие от Райтов, Фарманы были конкурентами. Оба строили свои самолеты-бипланы, которые были аэродинамически подобны, но Морис строил самолет большего (площадь крыла была больше в 1,5 раза, чем у самолета Анри) размера с мотором «Рено», а Анри-меньшего — с мотором «Гном». Оба самолета участвовали в 1910 г. в соревнованиях на кубок Мишелин на дальность полета и показали практически одинаковую дальность-464 км. Победу тогда присудили Морису и… мотору «Рено». Вплоть до Первой мировой войны по несколько раз в год рекорд дальности переходил от Мориса к Анри и обратно, достигнув 1000 км. Моторы «Рено» в модификациях 80 л.с. 110 л.с., и 130 л.с. в большом количестве строились в разных странах, включая Россию, Италию, Испанию и Японию.
В Барселоне (Испания) швейцарский инженер Марк Биркигт создает фирму для производства спортивных автомобилей, названную им «Испания-Швейцария» (Hispano-Suiza). В 1911 г. он переводит ее во Францию и начинает заниматься авиацией. Успех этой фирмы тоже связан с инновацией — литой конструкцией блока цилиндров (до этого цилиндры выполнялись отдельными агрегатами) двигателей с жидкостным охлаждением, что позволило повысить их жесткость и соответственно уменьшить массу мотора.
Подобно Биркигту, пришедшему в авиацию из автогонок, такую же эволюцию совершили и две другие, ставшие ведущими авиамоторными фирмами: «Аллисон» (США) и «Роллс-Ройс» (Великобритания). Джеймс Аллисон, успешный предприниматель и автогонщик, в 1917 г. после вступления США в мировую войну перешел от переделки и ремонта гоночных автомобилей к производству компонентов одного из самых удачных и распространенных авиамоторов жидкостного охлаждения того времени «Либерти» L-12 (400 л.с., год создания 1918-й) и завоевал хорошую репутацию, особенно после разработки его фирмой надежных подшипников для «Либерти». Мотор «Либерти», названный так в знак «борьбы за свободу» (против императорской Германии), уже имел показатель удельной мощности 1 л.с./кг. Принципом проектирования «Либерти» была возможность его массового производства на заводах, производящих не авиационные моторы (которых было мало в то время в США), а автомобильные. Отсюда — конструкция с отдельными цилиндрами (не в блоке), позволяющая, кроме того, наращивать мощность добавлением числа цилиндров. Требованиями американского правительства задавалось три типоразмера мотора. Самые крупные производители автомобильных моторов — Паккард и Холл-Скотт — имели опыт работы только с раздельными цилиндрами. Всего было выпущено свыше 20 тыс. моторов «Либерти». Несмотря на смерть основателя фирмы «Аллисона» в 1928 г. и приобретение его активов компанией «Дженерал Моторе» (в собственности до 1993 г., после чего с 1995 г. — во владении Роллс-Ройса), его имя сохранилось в марках моторов. А на базе все того же «Либерти» был разработан удачный мотор Второй мировой войны «Аллисон» V-1720.
В Великобритании в 1912 г. в Фарнборо на деньги правительства был создан центр исследования самолетов и моторов (R.A.F., Royal Aircraft Factory, или «Королевский авиационный завод», позже в 1929 г. замененное название на R.A.E., Royal Air Establishment — Королевская Авиационная организация — в связи с введением аббревиатуры RAF «Royal Air Force», для Королевских ВВС). Однако до начала Первой мировой войны дела шли не очень успешно. Английская авиация полностью зависела от иностранных разработок моторов, в первую очередь рядного мотора воздушного охлаждения «Рено» V8 (80 л.с.). С копии этого мотора, воспроизведенного в госкомпании (90-сильного R.A.F. 1а) началась история английского авиамоторостроения. Кроме Рено, по лицензии производились также ротативный «Гном», «Испано- Сюиза» V-8, «Austro-Daimler», модификация которого на фирме Сиддли получила название «Пума».
Вообще именно для Великобритании (и довоенных, т.e. до 1939 г. в США) было характерным присвоение моторам не условных индексов, а «собственных» имен. В этой характерной претенциозности тоже проявился начальный этап инновационной волны. Знаменитая фирма «Роллс-Ройс», основанная в 1906 г. выпускником Кембриджа, автодилером Хоном Чарльзом Роллсом, продававшим в Лондоне автомобили Пежо, и собственником компании по производству электрооборудования в Манчестере Генри Ройсом с энтузиазмом занималась созданием мотора для гоночного автомобиля «Silver Ghost» («Серебряный Призрак»). Этот мотор жидкостного охлаждения имел шесть цилиндров. В 1910 г. Ролле погиб в автокатастрофе, а в 1914-м началась мировая война.
Первым госзаказом частной фирме «Роллс-Ройс», расположенной в Дерби, было задание разработать аналог «Рено» V8, затем — мотор воздушного охлаждения мощностью 200 л.с. Но ни то, ни другое не нравилось Генри Ройсу. Ройс выбрал схему жидкостного охлаждения и удвоил число цилиндров своего мотора до 12. Получился Eagle («Орел», 1918 г.) первоначальной мощностью 225 л.с. («Орел-1»), позже форсированный до 360 л.с. («Орел-8»). Как только началось бурное развитие авиации во время Первой мировой войны и далее в 1920-е гг. и потребовались моторы различной (в первую очередь большей) мощности, сэр Генри Ройс (умер в 1933 г.) разработал на базе этого «Орла» серию «хищных» моторов: уменьшенную копию «Орла» Falcon («Сокол») мощностью 205–285 л с., стосильного Hawk’a («Ястреба») — аналога «Рено V8» — и мощный Condor («Кондор»). «Кондор» мощностью 550–600 л.с., появившийся в конце войны, предназначался для дальних бомбардировщиков с радиусом действия до Берлина. Но в 1918 г. война закончилась, щедрые госзаказы прекратились.
В этой ситуации выжили только частные фирмы, в частности «Нэпир и сын» (D.Napier & Son) и «Роллс-Ройс». «Нэпир», занимавшаяся до войны автомобильной продукцией, с началом войны тоже получила госзаказ на участие в качестве субподрядчика в разработке авиамотора, получившего обозначение по первым буквам названия госкомпании R.A.F.3a. Однако уже в 1916 г. фирма «Нэпир» (конструктор — Роуледж) самостоятельно разработала мотор Lion («Лев») мощностью 500 л.с. Серийный выпуск этого мотора начался уже после войны и продолжился в 1920-е гг. «Лев» имел 12 цилиндров, расположенных по 4 цилиндра в три ряда (оригинальная W- образная схема рядов цилиндров). Позже по такой же схеме строились уже 18-цилиндровые моторы (по 6 цилиндров в ряд).
В конце войны фирмой «Нэпир» был разработан первый 1000-сильный мотор. Это был 16-цилиндровый X- конфигурации (4x4) мотор Cub («Куб»), который устанавливался на однодвигательные бомбардировщики «Авро» и «Блэкберн». Однако окончание войны ограничило серию первого «тысячника». В 1929-м фирмой «Нэпир» был разработан еще более мощный (1320 л.с.) мотор жидкостного охлаждения с нагнетателем с неслыханно большой общей степенью сжатия, равной 10, для рекордов («гоночный Лев»). «Роллс-Ройс» тоже работала над мощным 16-цилиндровым мотором Х-конфигурации (4x4) расположения цилиндров. Но время серийных «тысячников» еще не пришло. Все эти моторы имели малый ресурс и были тяжелы — технологии еще не позволяли делать их относительно легкими. К этому времени достигнутое отношение мощности к массе мотора (л.с./кг) было уже равно 1.
В начале 1920-х гг. фирма «Кертис» в США опередила всех, разработав удачный, оптимальный (лучший) для того времени, 12-цилиндровый мотор жидкостного охлаждения D-12 мощностью 350 л.с. Этот мотор с классической V-схемой расположения цилиндров явился дефорсированной (1800 об/мин) модификацией передового для того времени 400-сильного мотора «Кертис» К-12 (1917 г.) конструкции Чарльза Киркхэма (С. Kirkham) с гем же соотношением диаметра и хода поршня (114x152 мм). Мотор К-12 задумывался как компактный авиационный мотор: его ширина не должна была превышать ширину плеч пилота, число оборотов достигало 2800 об/мин, блок цилиндров — литой по типу Hisso («Испано-Сюиза»), но без использования лицензии (лицензией «Испано-Сюиза» обладала фирма «Райт-Мартин»), т. е. оригинальной конструкции.