Авиационные двигатели, а вместо сердца пламенный мотор

Первый самолет братьев Райт приводил в движение четырехцилиндровый двигатель Чарли Тэйлора. Про братьев Райт знают все, про Тейлора - немногие, хотя без его работы не было бы первого полета. За время, прошедшее с тех времен, самолеты изменились до неузнаваемости, но еще больше изменений произошло в конструкциях и принципах работы авиационных двигателей. Без прогресса авиадвигателей был бы невозможен прогресс авиации. Но работа двигателя, как и его устройство, остается тайной для большинства далеких от авиации людей. Чем же отличается турбовентиляторный двигатель от турбореактивного, а звездообразный от Х-образного и почему на самолетах не используют дизельные двигатели?

17 фото ©zoom70

Если первый самолет подняли в воздух братья райт, то первенство в создании первого авиационного двигателя принадлежит Джону Стрингфеллоу, который создал специальный паровой двигатель для модели неуправляемой модели самолета. Стрингфеллоу по сути создал первый успешно поднявшийся в воздух беспилотник, оснащенный двигателем внутреннего сгорания. Паровые двигатели оказались слишком тяжелыми для авиации, поэтому первые самолеты оснащались главным образом поршневыми бензиновыми двигателями.

1903 год дал старт не только самолетостроению, но и непримиримой войне моторов. Чарли Тэйлор установил на самолет братьев Райт двигатель рядной конструкции, в котором цилиндры расположены один за другим, как в обычном автомобильном моторе. Но в том же году Чарльз Мэнли создал действующий образец звездообразного двигателя с радиальным расположением цилиндров. Вплоть до начала эры реактивной авиации между сторонниками рядных и звездообразных двигателей велась непримеримая борьба, которая в общем то не затихает до сих пор, так как каждой из конструкций присущи свои достоинства и недостатки.

Размещение цилиндров в один ряд не давало возможности достичь требуемой для самолетов мощности двигателей. В 1906 году Леон Левавассер создает двигатель, в котором два ряда цилиндров располагались под углом 90 градусов друг к другу. Помимо необычного расположения цилиндров, Левавассер оснащает свой двигатель первой системой непосредственного впрыска топлива. Впрыск топлива прижился на авиадвигателях значительно раньше, чем на автомобилях. После появления V8 стали разрабатываться самые разнообразные рядные авиадвигатели: оппозитные, в которых угол развала цилиндров был равен 180 градусам, W-образные с 3 или 4 рядами цилиндров, U-образные, которые состояли из 2 рядных двигателей, коленчатые валы которых соединялись цепью или шестернями, Х-образные, состоящие из двух V-образных блоков цилиндров, расположенных горизонтально-оппозитно по отношению друг к другу и Н-образные, в которых ряды цилиндров расположены в виде буквы "Н". Самым необычным рядным двигателем стал Jumo 222, в котором цилиндры располагались в 5 рядов. Главным недостатком рядных двигателей была необходимость применения водяного охлаждения и относительно высокий удельный вес.

Первые звездообразные двигатели были ротативныеми, то есть у них вокруг неподвижного коленвала вращался блок цилиндров. Такая конструкция была проще, но самолеты (да и летчики тоже) возвращались из полета покрытые толстым слоем касторового масла, которое во время работы такого двигателя разлеталось с вращающегося блока. Более поздние двигатели стали иметь привычный неподвижный блок цилиндров и вращающийся коленчатый вал. Звездообразный двигатель не требовал водяного охлаждения и прекрасно выполнял роль бронещита на истребителях (как известно, во время войны советские летчики на Ла-5 со "звездой" уверенно заходили в лоб "мессершмиттам", которые имели "нежный" рядный двигатель). Но радиальное расположение имело и свои недостатки: высокое лобовое сопротивление и сложность обслуживания двигателя. Вершиной творений звездообразных двигателей можно считать Wright 3350 Double-Cyclone. По конструкции он представлял из себя два соосно соединенных девятицилиндровых двигателя Wright Cyclone. Аналогичную конструкцию позже использовали в BMW 802, Nakajima Homare, АШ-73 и четырехрядном Pratt & Whitney R-4360 Wasp Major с 24 цилиндрами. Самой экзотической модификацией многорядных звездообразных двигателей стал Wright R-2160 Tornado, в котором 42 цилиндра располагались в 7 рядов.

Все авиационные двигатели на заре авиации работали на бензине. Но необходимость в экономичных и надежных двигателях для дальних перелетов заставила конструкторов обратить внимание на дизельные двигатели. Разработка мощного и надёжного дизельного авиационного двигателя была логичной и экономически оправданной, поскольку позволила бы получить очень хорошие технические характеристики. Наибольших успехов в создании дизельных двигателей добились специалисты компании Junkers, которая наладила серийный выпуск двигателя Jumo-205 в 1933 году. В СССР были созданы двигатели АН-1 и его дальнейшая модификация АЧ-30, которая в годы войны устанавливалась на танки КВ. АЧ-30 являлся прямым "родственником" знаменитого В-2, двигателя танка Т-34. Дизельные двигатели в авиации не оправдали надежд - они оказались слишком тяжелыми и требовали подогрева топлива при полетах на больших высотах.

На заре реактивной авиации возникла конструкция мотокомпрессорного воздушно-реактивного двигателя(ВРДК). Это был комбинированный воздушно-реактивный двигатель состоявший из поршневого двигателя внутреннего сгорания, воздушного компрессора и упрощённого воздушно-реактивного двигателя. Поршневой двигатель через трансмиссию приводит воздушный компрессор, сжатый воздух от которого подавался в камеру сгорания, где смешивается с топливом, при этом создавалась реактивная тяга. Поршневой двигатель, кроме привода компрессора, также вращал воздушный винт, хотя существовали и безвинтовые схемы. Такие двигатели можно назвать «полуреактивными» и ими оснащался И-250 (МиГ-13) — первый советский цельнометаллический одноместный скоростной истребитель разработки ОКБ Микояна и Гуревича.

Другой комбинацией поршневого и реактивного двигателя стал турбокомпаундный двигатель (ТКД) — двигатель внутреннего сгорания, в котором мощность вырабатывается не только в цилиндро-поршневой группе, но и в силовой турбине. При этом он отличается от обычного турбодвигателя тем, что в турбине также происходит выделение тела за счет сгорания топлива. В СССР разрабатывался ТКД М-253К на базе двигателя ВД-3ТК. Двигатель представляет собой 24-цилиндровую блочную звезду (шесть блоков по 4 цилиндра в каждом). Такие двигатели под обозначением ВД-4К испытывались на бомбардировщиках Ту-4 и Ту-85. Серийно в СССР ТКД не строились, в США Wright R-3350 Duplex-Cyclone устанавливался на Boeing B-29 Superfortress, Douglas DC-7 и Lockheed Constellation. Позже ТКД стали устанавливаться на автомобили.

Пульсирующий воздушно-реактивный двигатель (ПуВРД). В настоящее время известны три вида пульсирующих двигателей - клапанные, бесклапанные и детонационные. Принцип работы этих силовых установок заключается в периодической подаче в камеру сгорания топлива и окислителя, где происходит воспламенение топливной смеси и истечение продуктов сгорания из сопла с образованием реактивной тяги. Отличие от обычных реактивных двигателей заключается в детонационном горении топливной смеси, при котором фронт горения распространяется быстрее скорости звука. Пульсирующий воздушно-реактивный двигатель был изобретен еще в конце XIX века шведским инженером Мартином Вибергом. ПуВРД считается простым и дешевым в изготовлении, однако из-за особенностей горения топлива - малонадежным. Впервые новый тип двигателя был использован серийно во время Второй мировой войны на немецких крылатых ракетах Фау-1. На них устанавливался двигатель Argus As-014 компании Argus-Werken.

В 1913 году француз Рене Лорен получил патент на прямоточный воздушно-реактивный двигатель. ПВРД привлекал конструкторов простотой своего устройства, но главное — своей потенциальной способностью работать на гиперзвуковых скоростях и в самых высоких, наиболее разреженных слоях атмосферы, то есть в условиях, в которых ВРД других типов неработоспособны или малоэффективны. Конструктивно ПВРД имеет предельно простое устройство. Двигатель состоит из камеры сгорания, в которую из диффузора поступает воздух, а из топливных форсунок — горючее. Заканчивается камера сгорания входом в сопло. Недостатком такой конструкции является невозможность работать на малых скоростях и самостоятельно разгонять самолет из неподвижного положения. Во второй половине 50-х годов в США и СССР разрабатывались проекты ПВРД с ядерным реактором. В настоящее время ПВРД используется главным образом на ракетах и беспилотниках. Разновидностью ПВРД является гиперзвуковой прямоточный воздушно-реактивный двигатель, работающий на скоростях полёта свыше 5М, (верхний предел точно не устанавливается). На текущий момент времени этот тип двигателя является экспериментальным и не существует ни одного образца, прошедшего лётные испытания, подтвердившие практическую целесообразность его серийного производства.

В 1930 году Фрэнк Уиттл патентует турбореактивный двигатель (ТРД). Этот двигатель являлся разновидностью воздушно-реактивного, но топливная смесь в ТРД проходит через ступени компрессоров низкого и высокого давления, которые в свою очередь приводятся во вращение турбиной, расположенной за камерой сгорания. Благодаря работе компрессора рабочая смесь поступает в камеру сгорания под повышенным давлением, что позволяет повысить мощность двигателя и в отличии от ПВРД турбореактивный двигатель может работать на неподвижном самолете. ТРД применяются, как правило в самолетах, рассчитанных на достижение сверхзвуковых скоростей.

КПД турбореактивного двигателя напрямую зависит от отношения расхода воздуха через внешний контур двигателя к расходу воздуха через внутренний контур, в авиации это соотношение называется степень двухконтурности. Для повышения степени двухконтурности ТРД оснащаются одноступенчатым вентилятором большого диаметра, обеспечивающим высокий расход воздуха через двигатель на всех скоростях полета, включая низкие скорости при взлёте и посадке. Впервые использовать вентилятор предложил советский конструктор Архип Люлька в 1941 году. Существуют также турбовинтовентиляторный двигатель ТВВД, со степенью двухконтурности более 20. В отличие от турбовинтового двигателя, лопасти двигателя ТВВД имеют саблевидную форму, что позволяет перенаправить часть воздушного потока в компрессор и повысить давление на входе компрессора. Такой двигатель получил название винтовентилятор.

В 1929 году венгерским инженером Дьёрдем Йендрашиком был создан турбовинтовой двигатель. От турбореактивного двигателя он отличался тем, что турбина через редуктор приводила во вращение обычный воздушный винт. Таким образом ТВД обеспечивал движение самолета не только за счет реактивной струи, но и за счет винтовой тяги. Турбина — высокооборотный агрегат с малым крутящим моментом, в то время как для вала воздушного винта требуются относительно малые обороты, но большой крутящий момент. Редуктор в таком двигателе необходим для снижения оборотов вала турбины, которые достигают неприемлимых для винта значений и повышения крутящего момента. В распространенном в настоящее время двухвальном ТВД между турбиной и трансмиссией нет механической связи, и воздушный винт не находится на общем валу с турбиной и компрессором. Турбин в таком двигателе две: одна приводит компрессор, другая, через понижающий редуктор — винт. Самый мощный ТВД НК-12 (15000 л.с.) устанавливается на стратегический бомбардировщик Ту-95.

На вертолетах используются турбовальные двигатели, у которых вся развиваемая мощность через выходной вал передается на редуктор винта.

Для SR-71 Blackbird в США был построен гибрид турбореактивного двигателя и прямоточного воздушно-реактивного двигателя: турбореактивный двигатель изменяемого цикла Pratt & Whitney J58. До числа Маха М = 2,4 он работал как ТРД с форсажем, а на более высоких скоростях открывались каналы, по которым воздух из входного устройства поступал в форсажную камеру, минуя компрессор, камеру сгорания и турбину, подача топлива в форсажную камеру увеличивалась, и она начинала работать, как ПВРД.

В отличии от остальных реактивных двигателей, у ракетного двигателя топливо и окислитель находятся на борту самолета или ракеты. Ракетный двигатель — единственный практически освоенный двигатель для вывода полезной нагрузки на орбиту искусственного спутника Земли и применения в условиях безвоздушного космического пространства. Различают ракетные двигатели на твердом топливе (РДТТ), жидкостные ракетных двигателях (ЖРД), ядерные (ЯРД), опытный образец которого, РД-0410, проходил испытания на Семипалатинском полигоне. Существуют также электрические ракетные двигатели (ЭРД) в которых для создания тяги используется электрическая энергия.

Нельзя не упомянуть и об еще одном двигателе, о существовании которого знают немногие. Это ВСУ - вспомогательная силовая установка, представляющая из себя небольшой газотурбинный двигатель. ВСУ используется для самых различных целей: для запуска маршевых двигателей самолетов, обеспечения бортовых системы сжатым воздухом, вентиляции и кондиционирования салона, привода электрогенераторов и насосов гидросистемы самолетов.
Все.

— единственный практически освоенный двигатель!

По сути самый наверное главный двигатель, без которого все системы самолёта просто железки... самый что ни на есть " серый кардинал".

Это сообщение отредактировал Motomoto - 13.09.2015 - 12:18

zoom70

Не, не всё!

Резиномотор забыл!



Познавательно. Ничего принципиально нового не прочёл - но всегда нравилось смотреть/щупать звездообразные моторы... Wright R-2160 Tornado о 42 горшках монструозен - представляю, каково на нём зажигание настраивать...

Тоже планеры в детстве собирал ?

Да, там наверное технарь своебразный оргазм испытывал, когда всё начинало правильно работать.

Это сообщение отредактировал Motomoto - 13.09.2015 - 12:21

Motomoto

Планеры - не, один раз только. Там мотор не нужен - не сильно интересно. Резиномоторные модельки - были, катера правда в основном.

Я от фотки своеобразный оргазм испытал, а ты говоришь - настройка... Заебётся, наебётся, наматерится всласть - это да, ну а уж если всё заработает как надо - так и антифризу стакан врежет! Вот это ближе к правде

Это сообщение отредактировал Ship76 - 13.09.2015 - 12:25

Красота, лепота !!!

Москвич 2141 имел двигатель - половина мессершмита, неубиваемый!

Работал как то в аэропорту цюриха ( в техническое его части ), видел работу технарей, как разбирают и собирают эти движки.
Кстати был там самолётик один , что на фото... так чтобы провести Т.О. движков пригласили авиатехников находящихся на данный момент уже на пенсии.... самый прикол, что работали они бесплатно, из любви к технике, типа хобби.

Это сообщение отредактировал Motomoto - 13.09.2015 - 12:30