О надежности поршневых авиадвигателей

Многие спрашивают, почему использование рядных (в том числе V-образных) моторов водяного охлаждения на самолетах, подвергающихся интенсивному огневому воздействию противника, является ошибкой. И почему звездообразные моторы воздушного охлаждения в этих условиях оказываются гораздо надежнее.

Чтобы нам это понять, придется познакомить вас с устройством типичных авиамоторов этих двух типов — поскольку они совсем не похожи друг на друга.

Итак, типичная «звезда» воздушного охлаждения устроена вот так (для простоты рассматриваем однорядный 9-цилиндровый мотор по типу М-62, он же АШ-62 — на которых летали истребители И-153, И-16 типы 18 и 27, И-207, а также Су-2, Бе-4, Ли-2, и на котором до сих пор летает Ан-2). Нормальный такой мотор, передранный с американского Wright «Cyclone» R-1820 F3.

Коленчатый вал такого двигателя очень короткий и имеет единственное колено. С этим коленом взаимодействует единственный прямой шатун (в данном случае это шатун верхнего цилиндра), к которому через подшипники прицеплены шатуны всех остальных восьми цилиндров (так называемые «прицепные шатуны»).

Распределительного вала двигатель не имеет вовсе. Вместо него используется зубчатое кольцо, которое как бы одето на картер двигателя и через шестеренчатую передачу связано с коленвалом, в результате оно крутится медленнее, чем коленвал, в кратное число раз. На этом кольце выполнены выступы, которые и выполняют роль кулачков распредвала. Если кольцо одно — то линий выступов на нем две — одна для впуска, другая для выпуска. Иногда для удобства компоновки делают два кольца ГРМ, размещая их спереди и сзади мотора — но обычно для простоты кольцо одно, и обычно оно находится сзади мотора (хотя на М-62 оно сделано спереди, поскольку сзади конструктор приделал турбокомпрессор, который мешал бы обслуживанию механизма ГРМ).

Мотор имеет «сухой картер» — то есть смазка осуществляется под давлением из отдельного маслобака, откуда масло подается через всякие каналы к подшипникам коленвала, шатунов и так далее. Избыток масла просачивается через подшипники в картер и повисает там в виде «масляного тумана», смазывая зеркала цилиндров. Масляный туман отсасывается маслонасосом в масляный сепаратор, где масло отделяется от воздуха и картерных газов и сливается обратно в маслобак.

Охлаждение такого двигателя обеспечивается воздухом, обдувающим цилиндры и головки цилиндров, и отчасти охлаждением масла при помощи маслорадиатора, имеющего, впрочем, сравнительно небольшие размеры.

Такая компоновка делает мотор, с одной стороны, имеющим большой фронтальный размер — но с другой стороны, мотор оказывается очень коротким. С точки зрения соотношения мощности с объемом, занимаемым конструкцией двигателя — эта компоновка наилучшая. Сами можете убедиться — вот моторы М-62 как они есть:

Тысяча кобыл на взлетном режиме, 840 кобыл на крейсерском. Причем это моторы для медленных самолетов, с планетарным редуктором винта (АШ-62Р) — вот он, этот редуктор, голубой, торчит спереди.  Чтобы лучше оценить компактность классической безредукторной звезды — вот так выглядит двигатель М-62 на бомбардировщике Су-2 со снятым капотом:

Массивное темное кольцо позади цилиндров — это труба выхлопного коллектора. Внутри нее находится более светлый впускной коллектор.

Известный мотор М-82 построен с использованием этих же узлов и решений, но с целью уменьшить диаметр двигателя число цилиндров в звезде было уменьшено до 7 и уменьшен ход поршня (в результате стали короче шатуны и меньше диаметр коленвала), а чтобы повысить мощность — две таких звезды собраны друг за другом, в два ряда. С такого мотора удалось снять 1850-1900 лошадей на взлетном режиме при меньшем лобовом сопротивлении. При этом мотор оставался довольно компактным.

А теперь давайте поговорим о том, как эти особенности обуславливают высокую живучесть звездообразных моторов.

Начнем с того, что пуля или снаряд, в принципе, могут прострелить цилиндр такого двигателя, разрушить поршень и так далее. Но что при этом произойдет? Из-за огромной инерции вращающихся деталей двигатель вовсе не остановится — вместо этого произойдет обрыв шатуна этого цилиндра. При этом фатальным может быть только обрыв единственного прямого шатуна — но он находится сверху, и этот цилиндр сравнительно малоуязвим. Да и статистически попадание именно в него — не так вероятно. Все остальные цилиндры — не фатальны. Вообще обрыв шатунов на звездообразных моторах случается и при эксплуатации из-за перегрева или усталости металла — но почти никогда не приводит к остановке мотора.

Аналогичные последствия будет иметь поражение головки цилиндра или штанг привода клапанов — только обрыва шатуна в этом случае не будет, цилиндр просто перестанет выдавать мощность. Прекращение работы одного из цилиндров приведет к падению максимальной мощности мотора всего лишь на 12%, но мотор будет работать.

Повредить кольцо газораспределения и шестерню его привода практически невозможно — они находятся внутри картера двигателя, и это статистически маловероятно из-за малой площади этих деталей. Кроме того, картер двигателя имеет небольшие размеры, но большую прочность — поскольку именно он является основной силовой деталью двигателя. Его стенки толстые, и сам он могуч.

Прострел картера двигателя, даже если он произойдет — как правило, не приведет к каким-либо проблемам, кроме некоторой утечки масла (масляного тумана) наружу. В маслобаке масла достаточно, чтобы двигатель в таком состоянии проработал значительное время. Частицы пули из картера будут размолоты деталями двигателя и вместе с масляным туманом унесены в сепаратор, где и осядут на масляном фильтре. Сам картер звездообразного мотора при простреле не разрушается — он прочен.

Нарушить охлаждение звезды воздушного охлаждения обстрелом практически невозможно. Пули и осколки могут повреждать оребрение рубашки цилиндров и головок — но это лишь несколько снижает эффективность охлаждения, причем отдельного цилиндра, не приводя к фатальным результатам. Проблему может создать только прострел масляного радиатора — но этот радиатор достаточно компактен, его нетрудно прикрыть броней или спрятать за конструкциями самолета, и вдобавок вполне несложно реализовать два радиатора с автоматической отсечкой потока масла через простреленный (что определяется простым падением давления масла в отводной магистрали по сравнению со вторым таким же радиатором). Собственно, на американских боевых самолетах именно такой дифференциальный отсечной клапан в маслосистему и ставился — и американские конструкторы очень удивлялись, не найдя аналогичного узла в советских самолетах.

Кстати говоря, не слишком сложно и обеспечить разумное броневое прикрытие для звездообразного мотора. Вот вам всё тот же М-62ИР на штурмовике-бомбардировщике БШ-1 (советский клон американца «Vultee» V-11):

Как видите, прикрывать мотор сбоку посчитали излишним — повреждения головок цилиндров для такого мотора не фатальны.

Нарушить работу других систем в звездообразном моторе обстрелом маловероятно — система зажигания дублирована, равно как при необходимости дублируются и карбюраторы (или система впрыска). Вдобавок они компактны, их нетрудно прикрыть местной бронёй.

Теперь давайте рассмотрим конструкцию V-образного авиационного мотора жидкостного охлаждения, на примере известного мотора АМ-38:

Как видите, мотор довольно громоздкий — он имеет относительно небольшое лобовое сечение, но огромную площадь боковой проекции. Кроме того, мотор имеет длинный коленчатый вал со множеством колен, с каждым коленом работает по два шатуна (правого и левого цилиндра). В 30-е годы шатуны в такой конструкции предпочитали делать комбинированными — один прямым, второй в пару к нему подвесным, но в принципе есть конструкции и исключительно на прямых шатунах.

Блоки цилиндров в 30-е годы уже делали целиковыми, с каналами для циркуляции охлаждающей жидкости внутри. Существенно понимать, что такие блоки цилиндров обеспечивают механическую жесткость всей конструкции мотора, поскольку картер такого двигателя с целью облегчения сделан тонкостенным. Блоки цилиндров, впрочем, тоже относительно тонкостенные — у них слишком большие размеры, и каждый миллиметр толщины драматически добавляет массу.

Смазка также с сухим картером (иначе как бы мотор мог работать вверх ногами, когда самолет будет переворачиваться в фигурах высшего пилотажа). Охлаждение жидкостью — для чего необходим большой радиатор (ведь почти всё тепло будет отдаваться в воздух через его оребрение), и частично маслом (масляная система схожа с системой у звездообразного мотора).

Вот эти особенности и обуславливают значительную уязвимость таких моторов к обстрелу.

Начнем с охлаждения. Любое попадание в блок цилиндров вызывает утечку охлаждающей жидкости, запас которой ограничен (поскольку это лишняя масса, а в нормальных режимах работы расход ОЖ практически отсутствует, в отличие от расхода масла, которое горит на зеркале цилиндра и частично выбрасывается наружу с выхлопными газами). Как правило, пробитие стенки блока цилиндров приводит к перегреву мотора и его заклиниванию в ближайшие несколько минут.

Хуже того — пробитие блока цилиндров, как правило, вызывает нарушение его структурной целостности (он трескается). Жесткость конструкции двигателя теряется, и он начинает разрушаться.

При заклинивании поршня в пробитом цилиндре велика вероятность не только обрыва шатуна, но и скручивания коленвала — так как длинный коленвал таких моторов (в отличие от толстого коротыша в звездообразном моторе) имеет не слишком большой запас прочности на изгиб и кручение. Если происходит скручивание коленвала — рядный мотор немедленно разрушается.

Крайне уязвим также радиатор охлаждения. В отличие от маслорадиатора, он имеет на порядок большие размеры и продуваемый через него воздушный поток. Попадание в него простой винтовочной пули — вызывает массированную утечку охлаждающей жидкости, перегрев и остановку мотора. В США с этим боролись установкой двух радиаторов с автоматом отсечки (аналогично тому, как это описано для масляного радиатора), но это не слишком эффективно из-за меньшего давления жидкости и больших размеров радиаторов (вероятность поражения обоих радиаторов все равно велика).

В необычном самолёте Bell P-39 Airacobra (который так любил советский ас Покрышкин) эту проблему попытались решить остроумной компоновкой — радиатор охлаждения (N19 на схеме) спрятан под двигателем (от типичной атаки сверху-сзади), и снизу прикрыт некоторым бронированием, которое заодно защищает снизу летчика и образует длинный воздуховод спереди (чтобы уменьшить вероятность попадания пули при обстреле с земли):

К сожалению, в самолетах классической компоновки так сделать невозможно. В заголовке вы можете видеть, как радиатор охлаждения установлен под двигателем на самолете Ju-87 (да-да, эта вот огромная «борода» под мотором и есть радиатор) для той же самой защиты от огня истребителей сверху-сзади. Но при этом радиатор уязвим для огня с земли. Во многом поэтому основным способом применения Ju-87 по наземным целям является атака с крутого пикирования, перед началом которой самолет, находясь на высоте около 3 километров, переворачивается через крыло и начинает пикировать к земле вверх колесами — при этом радиатор охлаждения находится сверху и снова перекрыт двигателем уже от огня с земли, но, к сожалению, не со всех ракурсов, а главное — при выводе из пикирования этот радиатор становится полностью уязвимым. Его бронирование не дает существенного эффекта, так как входной и выходной воздушные каналы слишком короткие.

Крайне вычурно и затратно эту проблему попытались решить на штурмовике Ил-2:

Громоздкий водяной радиатор стоит внутри бронекапсулы, причем воздух к нему подается сверху по специальному каналу, а выбрасывается вниз, через канал под кабиной пилота. Решение чудовищно корявое — из-за этого существенно увеличилась длина бронекапсулы, при этом радиатор стоит слишком низко и поражается пулями стрелкового оружия при стрельбе вдогон. Хуже того — маслорадиатор влепили вне бронекапсулы снизу. Что мешало его всунуть туда же в канал внутри бронекорпуса — он же раз в десять меньше водяного радиатора? А, ну да — нехватка масла в башне у конструкторов.

Вот из-за таких проблем авиаконструкторы в США и не любили рядные моторы водяного охлаждения, а любили — моторы звездообразные с охлаждением воздушным. Эти моторы могло убить только прямое попадание из 88-мм зенитки.

На фото — результат попадания снаряда 88-мм зенитки в кабину бомбардира на самолете B-17. Звездообразные моторы продолжали работать несмотря на множественные поражения осколками, самолет вернулся на аэродром.

 
Материал: Proper
  • avatar
  • .

7 комментариев

avatar
Осталось раскрыть тему легендарной 88-мм зенитки.
  • SPGM
  • +1
avatar
Тогда почему отказались от «звезд» и пошли к ряднику и V-образному? Все инженеры такие долбаебы или может всё таки была веская причина отказаться от «звезды»?
avatar
Может простота сборки и обслуживания?
avatar
Все инженеры такие долбаебы
Ну зачем же так сразу.
Не только инженеры.
Командир сказал «дайте новые моторы» — инженеры чертят.
Это вообще проблема «избыточного развития», как я это называю.
avatar
А кто сказал, что отказались?
В легкомоторной и спортивной авиации до сих пор используются, ибо есть и свои плюсы.
avatar
Тогда почему отказались от «звезд» и пошли к ряднику и V-образному? Все инженеры такие долбаебы или может всё таки была веская причина отказаться от «звезды»?
Как известно, в двигателестроении в период Второй Мировой Войны прижились два типа двигателей. Рядные, чаще всего V-образные, двигатели жидкостного охлаждения и звездообразные двигатели воздушного охлаждения. Каждый из этих типов двигателей имеет свои достоинства и недостатки. Конкуренция между двумя типами двигателей на протяжении всей их истории весьма занимательна.

Так «воздушники» проще конструктивно (нет рубашки охлаждения). Поэтому они дешевле в производстве, проще в обслуживании, надёжнее. Так же из-за воздушного охлаждения живучее. У «жидкостника» температура охлаждающей жидкости ограничена точкой кипения. И потому для отвода еденицы тепла через радиатор требуется больший объём воздуха, чем для отвода еденицы тепла от «воздушника». Ибо температура головок цилиндров «воздушника» раза в два выше, чем температура водорадиатора у «жидкостника».

«Жидкостники» имеют другие достоинства. Малый мидель даёт плюс в аэродинамике; из-за острого носа и потенциальной возможности применения мотор-пушки улучшается компоновка фюзеляжного вооружения. В минус «воздушникам» в 20-е гг. была и неотработка капотировки. Верхом аэродинамики считалось кольцо Таунеда.

При равной литровой мощности, из-за присутствия рубашки охлаждения и охлаждающей жидкости, «жидкостник» будет тяжелее воздушника. И самолёт с «воздушником» будет легче. Для манёвренных самолётов, и в горизонтальной и в вертикальных плоскостях, были оптимальней «воздушники», для скоростных «жидкостники».

Так что каждый из типов двигателей имеет свои достоинства, объясняющие их разнообраное применение. Пока моторы были слабомощные, в истребительной авиации на первое место выходил их вес. Поэтому в 30-е годы моторостроение вступило с большим распространением «воздушников». Тут правда сыграла и простота их производства.

Расцвет «жидкостников»
В начале 30-х годов «жидкостники» сделали резкий скачок. А всему виной было принудительное охлаждение, позволяющее форсировать двигатель. Жидкостное охлаждение позволяло хорошо отводить тепло от двигателя. Двухрядные «воздушники» же столкнулись с проблемами отвода тепла от задней кромки поршней второго ряда. Сначала «жидкостники» обогнали «воздушников» в литровой мощности. А затем в удельной массе!
Только зарегистрированные и авторизованные пользователи могут оставлять комментарии.