Битва за скорость. Великая война авиамоторов

Августинович Валерий Георгиевич

Уже в 1913–1914 гг. немецкие летчики с этим мотором отвоевали рекорды продолжительности полета (24 часа) и высоты (8100 м). Кроме того, немецкие конструкторы впервые разработали надежную безкарбюраторную автоматическую (по давлению воздуха) систему подачи топлива в цилиндры (систему непосредственного вспрыска). Такая система устраняла главные недостатки карбюратора — возможность обледенения в условиях большой водности воздуха при низких температурах и пожара из-за проскока пламени из цилиндра в канал с подготовленной для горения смеси и, кроме того, уменьшала гидравлические потери на входе. Система представляла собой датчик давления — сильфон, сервоусилитель сигнала (хода сильфона), плунжерный насос топлива, исполнительный механизм и дозатор топлива, расход которого автоматически следовал за измененном давления воздуха на входе. Эта

система позже хорошо вписалась в моторах воздушного охлаждения при постановке ее на выходе из нагнетателя.

В 1926 г. в период послевоенного кризиса в Германии произошло слияние моторостроительной фирмы Даймлер», основанной известным инженером Готтлибом Даймлером еще в XIX веке, и автомобильной фирмы «Бенц». Первый авиационный мотор жидкостного охлаждения DB-600 был спроектирован на фирме «Даймлер- Бенц» в 1932 г. инженерами Бергаром и Наллингером.

Последующие модификации этого мотора имели индекс DB-601, DB-602 и т. д. Этот мотор оказался очень удачным и, по сути, стал основным немецким мотором Второй мировой войны. Фирма «Даймлер-Бенц» была крупнейшей моторной фирмой в Германии к началу войны, владевшей одиннадцатью заводами. Главным опытно-конструкторским центром фирмы «Даймлер-Бенц» был завод в «Штутгарт — Унтертюркхайме». Опытные образцы изготовлялись в Берлине-Мариенфельде. К 1944 г. на фирме работало свыше 60 тыс. человек.

Кроме «Даймлер-Бенц», в Германии давно работали и другие известные фирмы: «Юнкерс» и «БМВ». Гуго Юнкерс (1859–1935), получивший известность преимущественно как основатель самолетной фирмы, на самом деле еще в 1897 г. стал профессором термодинамики в высшей технической школе Ахена, т. е. по своему родовому образованию был специалистом по тепловым двигателям. А в 1913 г. он основал моторостроительную фирму Junkers Motorenbau в Магдебурге и только в 1918 г. — ставшей известной самолетостроительную фирму Junkers Flugzeugwerk. В 1936 г. обе фирмы были объединены, когда Гуго Юнкерс был уже не у дел.

Фирма «Баварские моторные заводы» (Bayerische Motoren Werke GmbH), или «БМВ», включилась в разработку авиационных моторов уже в 1917 г. и в 1920-е гг. имела успешную конструкцию широко применявшегося мотора жидкостного охлаждения БМВ-VI, но к началу 1930-х БМВ-VI устарел, в первую очередь по весовым характеристикам. Для преодоления технологического отставания от США «БМВ» в конце 1920-х гг. закупила лицензию на производство моторов воздушного охлаждения у фирмы «Пратт-Уитни» (Wasp — «Оса» и Hornet — «Шершень»). В 1936 г. на базе известной немецкой фирмы «Сименс» в Берлине была создана ее дочерняя специальная авиамоторостроительная фирма «Брамо», или «Брандербургские моторы» (Brandenburgische Motorenwerke GmbH), тоже занимавшаяся моторами воздушного охлаждения (девятицилиндровая звезда «Фафнир-323», что в переводе со скандинавского означает, по сути, «Дракон», мощностью 950 л.с.). В 1939 г. она была включена в состав «БМВ».

Итак, проявилась следующая закономерность: разработчики, пришедшие «с земли», от гоночных автомобилей, традиционно стали разрабатывать моторы для авиации жидкостного охлаждения («Испано-Сюиза», «Аллисон», «Роллс-Ройс», «Нэпир», «Даймлер-Бенц»), а конструкторы, вышедшие из авиационных фирм, — моторы воздушного охлаждения («Гном-Рон», «Бристоль», «Райт» и вышедшая из него «Пратт-Уитни»). Эти схемы постоянно конкурировали между собой. К концу Первой мировой войны из-за резкого повышения мощности мотора(от 150 л.с. до 400 л.с.) вперед вышли моторы жидкостного охлаждения (лучший из них — практичный, настоящий американский мотор «Либерти»): в моторах воздушного охлаждения большой мощности проблему отвода тепла от цилиндров тогда решить не удавалось.

Отдельная тема — это история разработки воздушных винтов большой мощности и компактных редукторов, передающих мощность от мотора на винт. Эта проблема встала во весь рост при достижении уровня мощности моторов 400 л.с. («Либерти»). Применявшиеся доселе цельнодеревянные винты с постоянным «шагом», ими углом установки по отношению к вектору скорости набегающего потока воздуха, были эффективны при преобразовании мощности мотора в силу тяги только для ограниченного диапазона полетных условий, а именно, скоростях полета менее 200 км/час и на низких высотах. Повышение мощности моторов, а следовательно, и скорости полета самолета, а также высотности моторов зачет применения наддува требовали инновационного решения управления геометрией

винта, чтобы не растерять эффективность. Было ясно, что угол установки лопастей винта, должен быть переменным. Необходимо было заменять и материал, из которого делались винты: аэродинамическая эффективность напрямую зависит от толщины профиля — чем тоньше, тем эффективнее. Особенно это касается концевых сечений винта, движущихся с большой скоростью. Требование «тоньше» — значит должно быть прочнее, т. е. потребовался новый конструкционный материал.

Наконец, надо было разработать механизм, с помощью которого лопасти винта могли изменять свое положение. В США практическая задача создания ВИШ (винтов изменяемого шага) была сформулирована уже в 1918 г. За это дело в числе прочих взялся Фрэнк Колдуэлл (1889–1974), выпускник Массачусетского технологического института, работавший на фирме «Кертис» над сложной технологией изготовления деревянных винтов. Достаточно сказать, что сушка деревянных винтов осуществлялась в жаркой и сухой пустыне Невада. Как только с вступлением США в войну (1917 г.) появилось щедрое госфинансирование исследовательских работ в области авиации и был организован исследовательский центр в Дейтоне, Колдуэлл перешел работать в пропеллерный отдел этого центра главным инженером. Колдуэлл стал разрабатывать инновационный составной пропеллер, состоящий из втулки и отдельных лопастей. Но прежде всего была создана мощная экспериментальная база, так как инженерных знаний не хватало. Был разработан стенд с измерением тяги и крутящего момента. Каждый экспериментальный винт испытывался на максимальной скорости в течение десяти часов.

Вначале дерево решили заменить сталью в качестве материала для лопастей винта — шаг, казалось, естественный. Шли интенсивные продувки профилей в аэродинамической трубе. Но казавшееся очевидным «лобовое» решение оказалось неудачным. Тонкие стальные профили винта обладали малой жесткостью и поэтому оказались чувствительными к флаттеру. Увеличение жесткости приводило к недопустимому увеличению массы стального винта, несмотря на предлагаемые конструкции полых лопастей. Наблюдался и большой разброс свойств материала, недопустимый для таких ответственных узлов. Решение было найдено в замене стали на алюминиевый сплав, по своим характеристикам (включая плотность) находившийся между традиционным деревом и сталью. Так что переход на алюминий для винтов дался не так просто, как кажется сегодня.

В США существовало две компании, занимавшиеся производством винтов: старейшая Hamilton Aero Manufacturing (или сокращенно «Гамильтон», по имени своего основателя) и подключившаяся позже Standard Steel Propeller Company в Питсбурге, занимавшаяся, как это следует из названия, разработкой стальных винтов по контракту с армией. В 1929 г. обе компании объединились и новая компания стала называться «Гамильтон Стандарт». Под таким названием она просуществовала вплоть до 1990-х гг., к этому времени уже давно сменив профиль деятельности, но оставшись в авиапроме — перейдя на разработку систем управления авиадвигателей — сначала гидромеханических, а позже и электронно-цифровых (т. е. бортовых управляющих компьютеров). Сегодня эта некогда «винтовая» фирма «Гамильтон Сандстренд» является многопрофильным холдингом, производящим агрегаты для самолетов и двигателей под эгидой концерна «Юнайтед Текнолоджи». В него входит даже московская фирма НПО «Наука», много лет разрабатывающая теплообменники для систем кондиционирования самолетов. А в «Юнайтед» сегодня входит и моторная фирма «Пратт-Уитни».

В музее фирмы «Гамильтон» есть мемориальный уголок кабинета основателя фирмы с письменным столом, книжным шкафом и прочими подлинными вещами. На столе, как обычно, стоит письменный прибор, бювар, стакан с карандашами. Стоит на столе и традиционная фигурка летчика в летной форме 1920-х гг. в шлеме и с неизменным длинным шарфом. Высота этой фигурки около двадцати-тридцати сантиметров. Поверхность стола освещает приглушенный свет. Во время презентации истории фирмы «Гамильтон» неожиданно для посетителей «летчик» на столе оживает и, начиная ходить по столу, рассказывает об истории фирмы. Зрелище, надо сказать, ошеломляющее — автор ощутил это на себе, будучи на этой фирме в 2001 г. Полное ощущение, что «едет крыша». Физически же все это — не что иное, как трехмерная голографическая инсталляция, показывающая, кроме всего прочего, что фирма находится на передовом крае инноваций. Закончив рассказ, «летчик» застывает в первоначальной позе.