Сейчас не хочу тратить время на всякие конвертированные Jabiru и другие мелкосерийные моторы. Все основные игроки на современном рынке поршневых моторов уже обозначены. Потому перейду к проблематике.
Основных проблем поршневых моторов в авиации всего две - удельная масса и высотность. Все остальное можно решить, найти компромисс, как-то компенсировать всей конструкцией и доработать напильником. Можно даже продолжать бороться с удельной массой, форсируя моторы разными способами. Но борьба всегда будет осложнена высотностью. Потому, что это объективный и исключительно влиятельный фактор.
Или даже более наглядный график, весьма полезный в данном вопросе:
В авиации бессмысленнно говорить о мощности и крутящем моменте вообще. Это сферические кони в вакууме, которые представляют из себя что-то значимое на высотах до километра. Т.е., если вы хотите летать в этом диапазоне высот или вам заказывают двигатель для таких условий, то у вас все хорошо и вы очень счастливый человек. Смело закрывайте этот пост и занимайтесь чем-нибудь менее нудным.
В реальной жизни все сложнее. Приходится вводить дополнительные понятия и различные формулы, которые позволяют оценить параметры мотора с учетом условий эксплуатации. Например, доступная эффективная мощность атмосферного мотора оценивается примерно так:
Где Р - давление, Т - температура, индексы 0 и h обозначают параметр на уровне земли и на высоте, а Neh и Ne0 - мощности на высоте и на земле.
Физический смысл вполне прост, мощность добывается из сгорания топлива, которому нужен кислород. Кислород берем в атмосфере и заталкиваем в цилиндр в том количестве, которое позволяет давление. Чем меньше давление, тем меньше масса доступного для горения кислорода при постоянном рабочем объеме (это важно!). Т.е. графики выше показывают не только давление атмосферы, но сколько топлива мы можем сжечь в цилиндре и, как следствие, какую мощность/крутящий момент мы можем выжать из данного двигателя на данной высоте.
Все это счастье было обнаружено практически еще в начале века. И потому большинство самолетов первой мировой летали на высотах до километра. Возможно, так бы и было годов до 30-х, если бы не немцы.
У нас чаще всего принято вспоминать BMW IIIa.
Потому как от BMW IIIa один шаг до BMW IV.
А BMW IV это наш, советский М-17.
А М-17 это ТБ-1/3, Р-5 и многие другие самолеты. И не только самолеты.
BMW IIIa нам ближе, даже роднее. Не пугает и не вызывает априорного отторжения - мы про него и так уже все знаем. При этом куда как реже вспоминают Mercedes D.IIIa, которого скопипастили американцы в виде Liberty L6.
Хотя именно с D.IIIa Fokker D.IV и Halberstadt CL.II за полчаса могли набрать 5 километров и на некоторое время перестали быть досягаемыми для авиации Антанты. Должен отметить, что тогда это было примерно как "стелс" для недоразвитой ПВО, вундерваффе и бронежилетка из шкуры с жопы дракона. На 5 км с этим мотором забирались даже гидропланы.
И исчезающе редко вспоминают майбах Mb.IVa. Хотя именно Карл Майбах сделал больше всего для практического решения проблемы сохранения мощности мотора на высоте.
Сегодня большинство даже не задумывается о проблематике. А многим из тех, кто задумывается, все кажется очень простым. Но просто представьте ситуацию - начало века, только появились примитивные массовые двигатели в принципе, уже началось развитие авиации, но самолет в небе все еще чудо чудесное... И все равно люди брались решать те проблемы, которые и сегодня-то до конца не решены.
Понятно, что нужно что-то делать со смесью - каким-то образом сохранять нужное соотношение топлива и воздуха. И немцы сделали высотные корректоры. Такие были и на BMW IIIa (да, Макс Фриц тоже сделал многое именно в части коррекции смеси, но в части практической реализации), и на Mercedes D.IIIaü/D.IV. Но это ведь не решение! У нас поступает меньше кислорода и корректор просто пропорционально уменьшит подачу топлива. Т.е. мощность снизится в любом случае. Высотные корректоры решали проблему переобогащенной смеси, но не повышали мощность и крутящий момент.
Точнее, повышали. Понятно, что переобогащенная смесь тоже не полезна с определенного момента и двигло вполне может банально захлебываться вплоть до полной остановки. Такие ситуации можно обработать корректором, конечно. Но не добиться на высоте мощности двигателя на нулевой отметке.
Майбах придумал простую и гениальную вещь - он просто переразмерил двигатель. На земле Mercedes получает, допустим, 230 л.с. с 14 литров рабочего объема. А мы берем и делаем 23 литра. И увеличиваем степень сжатия. Это означает, что даже при уменьшении давления в цилиндры будет поступать большее количество смеси, которое пропорционально рабочему объему. А потом можно больший объем нормализованной смеси просто сильнее сжать. В итоге будет 245 л.с. на высоте почти в 2 км. Однако коленвал и картер мотора Mb.IVa вполне можно оставить на старом уровне по прочности, без инноваций. Потому мы заставим корректор обеднять смесь с понижением высоты таким образом, чтобы мощность не выскочила за рамки 250 л.с., иначе поломки и аварии самолетов.
Гениальность в том, что человек придумал простое и, самое главное, доступное на том уровне развития, решение. А не стал рассказывать про необходимость металлокерамических турбин и подшипников на 100500 оборотов в секунду. Были и есть люди, которые могут из букв Ж, П, О и А сложить слово "вечность". А то и "Слава доблестным защитникам легендарного Севастополя!"
Между прочим, степень сжатия Mb.IVa была в районе 6 единиц, т.е. вполне на уровне послевоенной "Победы". Огромный прогресс по сравнению с обычными тогда 4-4,5 единицами.
Ну не было тогда нагнетателей, не было и все! А надо летать и летать высоко. И мерседес, и BMW также тюнили свои моторы, оснащая их корректорами смеси и повышая степень сжатия. Т.е. не словом, а делом поддержали и одобрили идеи Карла Майбаха.
История развития авиации Первой мировой это история развития двигателей. А история развития двигателей в то время это история немецкой борьбы за высотность.
Уже после войны, в 20-х появилась возможность заняться нагнетателями, которые бы повышали давление до нужных значений.
Значение наддува и как он изменил мир понять очень просто. "Honda" для упомянутого ранее McLaren MP4/4 снимала с литра рабочего объема почти тысячу л.с.. Были моторы в F1, которые снимали для квалификации и тысячу, и даже больше. Майбах снимал с литра десять лошадиных сил.
Вот типичное решение с центробежным односкоростным нагнетателем воздуха от BMW.
Нагнетатель приводился от коленвала напрямую или, что чаще, через редуктор. Редукция со временем доросла до 11, а потом и выше - любые нагнетатели любят большие обороты. Это небольшая цена. Куда печальнее, что агрегат наддува требовал свою долю от общей мощности двигателя. И на производство этой работы нужно потратить свое топливо. И чем больше мы будем сжигать топлива, тем больше нам надо наращивать производительность нагнетателя (не забывая при этом про падение давления и плотности за бортом!) и тем больше тратить топлива на обеспечение условий для сжигание топлива.
В пределе нагнетатель превращался в многоскоростное нечто (оптимизировать под разные высоты тоже надо), заставляющее двигатель пожирать топливо ради возможности пожирать топливо. Выглядело это иногда волшебно. Например, есть известный DB.605. Нагнетатель не заметить невозможно, он размещен сзади и на левой стороне двигателя.
Мотор со временем тюнили различными нагнетателями и получали... Разное. С помощью последовательного наддува двух турбокомпрессоров (по бокам переднего редуктора) получили повышенное давление на вход в ПЦН, который додувал уже воздух в сами цилиндры. Обозвали это DB.621.
DB.605T выглядел еще более впечатляюще за счет двухскоростного приводного нагнетателя.
Почувствуйте разницу, как говорится.
Для DB.628 слегка урезали осетра, но все равно та еще конструкция.
По сравнению с такими монстрами обычные нагнетатели на "звездах" выглядят очень гуманным решением.
На практике подобные решения работали примерно так:
Или - примерно так при самых монструозных извращениях:
Что сказывалось на характеристиках самолетов очевидным образом.
Небольшое лирическое отступление. Скорость всегда была важна для военной авиации. И всегда велась скрытая война за этот параметр. Собственно, гиперзвук - это оно самое, продолжение темы. Для поршневых самолетов очень важно понимать, что пик скорости образуется комбинацией из нескольких факторов, неоднозначно влияющих на возможности самолета. С высотой аэродинамическое сопротивление падает и это хорошо, т.е. сфероконический самолет на высоте может лететь быстрее и тратить меньше топлива. Но у сфероконического же мотора мощность с высотой падает. А технические решения по наддуву задают границы высотности, которые и определяют, до каких высот у самолета будет достаточно мощности для набора скорости. А есть еще винт, которому надо "цепляться" за воздух, а не за его отсутствие. А есть еще охлаждение. А есть еще температура воздуха и топлива. А есть еще эффективность работы нагнетателей и турбонаддувов. Потому оптимальный для данного самолета режим никакой не оптимальный в тотальном смысле, но искусство возможного и дичайшие компромиссы, достигающиеся огромным трудом и нервами.
Самое печальное, что наддув с помощью турбокомпрессора и комбинированный (последовательный) наддув, столь популярные сегодня, помогают непринципиально. Разумеется, турбина решает те же задачи за счет утилизации энергии выхлопных газов. Энергии там прилично, потому хватает для нормализации давления до 6-7 км. Но все равно это упирается в физические и технические ограничения. Необходимо дополнительно охлаждать сжатый воздух, снижать степень сжатия, увеличивать рабочий объем, адаптировать зажигание и впрыск... Все сложно.
Да, турбокомпрессоры и турбокомпаунды могли продлить век поршней в высшей лиге авиации на несколько лет. Но уже было понятно, что это тупиковый путь и работа будет идти по принципу "кисонька, ну еще капельку!". Безумно дорогие решения, поиск подходящих комбинаций массы факторов в каждом отдельном случае, огромный объем НИОКР и мизерный выхлоп. Ничтожный по сравнению с возможным и легкодоступным прогрессом в области турбореактивных и турбовинтовых двигателей.
Потому, что с появлением рабочего турбонаддува стал понятен его идеальный облик. Идеальный турбонаддув реализован в турбореактивном двигателе. Собственно, ТРД и есть один большой турбонаддув. А поршни и колено только вредят, нарушают его невозбранную идеальность. Выбор был очевиден и неизбежен аки восход Солнца.
Этот небольшой, но необходимый исторический экскурс нужен потому, что все сказанное вполне актуально и сегодня в части поршневых (и не только!) двигателей. С тех пор ничего принципиально не изменилось. Все технологические достижения, все электронные системы управления, адаптивные турбины и впрыски, прочие технологические изыски направлены на решение тех же ключевых задач - загнать в камеру сгорания оптимальную смесь и сжечь ее с максимальной пользой. Атмосфера все та же, что бы там не болтали великие экологи. Калорийность топлива топлива не изменилась. Чугуний и люминий потихоньку улучшают, но революций не наблюдается... И никакой CAD/CAM не поможет радикально изменить ситуацию, пока физика и химия остаются бессердечными суками.
С этим можно только смириться как с данностью или принять как горькое лекарство.
Не последнее горькое лекарство в этой теме.
PS: Заокеанцы балуются словами normalized и supercharged, характеризуя наддувные решения для своих моторов. Кроме обычного маркетинга за этим есть небольшое количество полезной информации. Normalized означает, что перед нами обычный атмосферный мотор, который компенсирует высотное падение давление с помощью агрегатов наддува, но не превышает давление на земле. Supercharged дует куда больше атмосферного давления, чаще всего до 3 атмосфер. Ну и звучит красиво, конечно, покупатель сразу чувствует себя немного дембелем, а перед дембелем лежат все мечты! Потому что любят его очень — и здесь, и там. В пожарные берут и в милицию. Там курорты от профсоюза, бесплатный проезд на автобусе...
