МОТОР — СЕРДЦЕ САМОЛЕТА

Нет необходимости доказывать, что мотор для самолета является основной составной частью. И поэтому сравнение мотора самолета с основным органом человека не случайно. Сердце для человека является источником жизни, мотор для самолета является источником скорости.

Из истории абсолютных мировых рекордов скорости полета. Начиная со второй половины 20-х гг. XX в. и до начала второй мировой войны таблица рекордных скоростей полета несколько «оживилась». К лидерам в этой области, французским пилотам, присоединились так же итальянцы, англичане и немцы. 4 ноября 1927 г. итальянский пилот Марио де Бернарди на самолете марки «Macchi M-52» достиг скорости 479,21 км/ч, а 30 марта 1928 г. он увеличил этот результат до 512,69 км/ч. 29 сентября 1931 г. английский пилот Дж. Г. Стэйнфорт, управляя самолетом «Supermarine S6B», разогнал его до 654,90 км/ч. 23 октября 1934 г. итальянский пилот Ф. Дджелло поднял планку рекорда до 709,07 км/ч, после чего уступил лидерство немцам. 30 марта 1939 г. Ханс Литерле — 746,45 км/ч, 26 апреля 1939 г. Фриц Венлель — 755,14 км/ч.

Из истории создания летательных аппаратов известно, что именно отсутствие достаточно мощного и в то же время небольшого по размерам и легкого мотора на несколько десятков лет задержало появление самолета. Ведь первые моторы, которые пытались установить на своих летательных аппаратах А.Ф. Можайский, X. Максим и другие авиаконструкторы конца XIX в., представляли собой не что иное, как громоздкие и тяжелые паровые машины. И хотя такие моторы не сыграли в истории развития авиации какую-нибудь существенную роль, именно с них мы и начнем знакомство с «сердцем» самолета.

Изобретение паровой машины послужило основным толчком для дальнейшего развития транспортных средств. В течение ста лет она являлась единственным промышленным двигателем, универсальность которого позволяла использовать его и на предприятиях, и на железных дорогах, и на кораблях. Поэтому нет ничего удивительного в том, что возникла идея попробовать использовать ее и в авиации.

Паровая машина — устройство, выполняющее механические движения с целью преобразования энергии пара. Рабочим телом в таких машинах является водяной пар.

К началу XX в. паровые двигатели могли достигать мощности в 15 миллионов ватт, а скорость вращения их вала составляла 1 000 об/мин.

Известный французский изобретатель Ж. Кюньо одним из первых попытался использовать паровую машину АЛЯ нужд транспорта. Построенный Ж. Кюньо в 1770 г. паровой экипаж в настоящее время хранится в Музее искусств и ремесел в Париже, а его изображение стало эмблемой французского общества инженеров.

Из истории абсолютных мировых рекордов скорости полета. Во время второй мировой войны по понятным причинам рекорды скорости полета не регистрировались, но уже 7 ноября 1945 г. англичанин Г. Дж. Уилсон на самолете марки «Gloster» («Meteor») достиг скорости 975,67 км/ч. 7 сентября 1946 г. другой английский пилот Э.М. Дональлсон вплотную «подобрался» к тысячной отметке скорости полета — его результат составил 990,79 км/ч. Авиационный мир замер в ожидании — пилотам какой страны удастся преодолеть юбилейный рубеж? 19 июня 1947г. пилот ВВС США Альберт Бойл разогнал самолет фирмы «Lockheed» («Shooting Star») до скорости 1 003,60 км/ч. Другой американец Т.Ф. Колдуэлл на самолете фирмы «Douglas» 20 августа 1947 г. закрепил этот результат— 1 030,95 км/ч.

Но отношение массы двигателя к развиваемой им мощности было в несколько раз выше, чем у бензинового двигателя.

Паровые машины были установлены и на первых автомобилях. На транспорте паровые машины работали вплоть до 50-х гг. XX в. В некоторых странах пароходы и паровозы продолжают использоваться даже сегодня. А вот в авиации этот вид двигателя из-за своих размеров и массы не нашел должного применения.

История бензинового мотора, впрочем как и всех двигателей внутреннего сгорания, начинается с изобретения, сделанного немецким инженером Николаусом Аугустом Отто. Основная идея инженера состояла в том, что перед зажиганием рабочую смесь необходимо подвергать сжатию, а взрыв выгоднее всего производить в крайнем верхнем положении поршня. Изготовленный двигатель назвали четырехтактным, так как процесс в нем совершался в течение четырех ходов поршня и, соответственно, двух оборотов коленчатого вала.

Поршень — подвижная деталь, перекрывающая цилиндр в поперечном сечении и перемещающаяся вдоль его оси.

Зажигание смеси газовой горелкой в современных двигателях уже не применяется, да и сам газ как горючее позже был заменен на бензин, но рабочий цикл четырехтактного двигателя Отто полностью сохранился до наших дней.

Рабочий цикл— совокупность процессов, периодически повторяющихся в определенной последовательности.

Организованная при поддержке Ойгена Лангена компания «Otto & К°» в 1867 г. продемонстрировала публике «кельнский моторчик», который в жесткой конкурентной борьбе с 14 подобными конструкциями выиграл состязание на экономичность.

Постепенно небольшая фирма Отто расширялась благодаря возросшему числу заказчиков и финансовой помощи семьи Лангенов. В 1872 г. она превращается в акционерное общество, в котором вскоре пересеклись судьбы талантливых изобретателей Николауса Отто, Готлиба Даймлера и Вильгельма Майбаха. Именно Г. Даймлер и В. Майбах, приглашенные работать к Отто, а впоследствии основавшие собственную фирму, внесли наибольший вклад в создание компактного двигателя внутреннего сгорания, работающего на жидком топливе и пригодного для применения на транспорте.

Вскоре Г. Даймлер и В. Майбах получают приглашение работать на заводе Отто для организации серийного производства газовых двигателей. Однако разногласия в руководстве по поводу работы над небольшим бензиновым двигателем, пригодном для лодки, дрезины, воздушного шара, мотоколяски, стали настолько сильными, что Г. Даймлер и В. Майбах оставляют в 1882 г. фирму Н. Отто и начинают самостоятельную работу над компактным двигателем внутреннего сгорания.

Первый двигатель, разработанный Г. Даймлером, годился и для транспортного, и для стационарного применения. Работал он и на газе, и на бензине (чтобы ознакомиться со свойствами этого легкого топлива, Г. Даймлер совершил путешествие в Россию, где работал завод по переработке сырой нефти в керосин и бензин). Все дальнейшие конструкции Г. Даймлера рассчитаны исключительно на жидкое топливо. Для этого он применил специальное устройство — карбюратор. В нем бензин испарялся, пары смешивались с воздухом и поступали в цилиндры двигателя.

26 января 1891 г. в городе Кёльн (Германия) скончался «отеи» двигателя внутреннего сгорания — немецкий инженер и изобретатель Николаус Аугуст Отто.

Основным показателем работы двигателя Г. Даймлер справедливо считал большую частоту вращения его вала, обеспечиваемую интенсивным воспламенением смеси. Частота вращения вала двигателя Г. Даймлера была в 4—5 раз больше, чем у газовых двигателей, а мощность на литр рабочего объема — вдвое больше. Охлаждению воды в окружающей двигатель водяной рубашке способствовал пластинчатый радиатор. Одновременно с Готлибом Даймлером похожим путем двигался к созданию своего двигателя другой немецкий изобретатель — Карл Бенц. Он родился в 1844 г. в семье паровозного машиниста и в детстве мечтал продолжить дело отца. Свою инженерную деятельность после окончания политехникума Бенц начал на паровозостроительном заводе в Карлсруэ. Но идея передвижения по рельсам к тому времени уже перестала его привлекать. Молодой инженер занялся проектированием городского паромобиля и окончательно разочаровался в идее паровозного транспорта.

В 1871 г. он купил небольшие механические мастерские, где решил изготовлять и ремонтировать приобретающие все большую популярность двигатели внутреннего сгорания. Посоветовавшись со специалистами, Карл Бенц выбрал в качестве основного двигателя внутреннего сгорания — газовый, двухтактный. Выбор оказался точным. Небольшие мастерские через двенадцать лет превратились в солидную фирму «Benz & Co», выпускающую двигатели различного назначения.

Впрочем, мысль о том, что газ — не совсем подходящее топливо для мощного двигателя, пришла Бенцу довольно скоро. В 1885 г. Карл Бенц построил четырехтактный бензиновый одноцилиндровый двигатель с искровым зажиганием. На испытательном стенде он развил 300 об/мин и показал мощность около 2/3 л.с.

Зажигание — воспламенение рабочей смеси в цилиндрах двигателя внутреннего сгорания от электрической искры свечи зажигания.

Подобный мотор 17 декабря 1903 г. поднял в воздух первый самолет, построенный братьями Райт. Это был четырехцилиндровый двигатель с горизонтально расположенными цилиндрами, работающий на бензине. Впрочем, вначале братья пытались создать двигатель собственной конструкции, но он оказался настолько несовершенным, что от этой идеи пришлось отказаться.

В 1907 г. французским инженерам братьям Сегн удалось внести изменения в существующую конструкцию бензинового двигателя. По их замыслу вал двигателя оставался неподвижным, а вокруг него вращалось 5 цилиндров, словно спицы колеса вокруг оси. Они и передавали свое вращение авиационному винту самолета. Такую конструкцию назвали ротативной, а сам двигатель под названием «Gnome» завоевал большую известность у авиаторов и конструкторов в первые десятилетия XX в. Но вскоре и он перестал удовлетворять возрастающие потребности авиастроения.

В 1918 г. в распоряжение авиаконструкторов поступило два новых поршневых мотора. У одного из них цилиндры располагались в один ряд, но под некоторым углом друг к другу. Такая конструкция получила название V-образной. В связи с тем, что первые два цилиндра перекрывали доступ воздуха к остальным, а всего их могло быть больше десяти, на моторы с V-образным расположением цилиндров устанавливалось водяное охлаждение.

Другой мотор был со звездообразным расположением цилиндров. Внешне он был похож на ротативный, но вращался в таком двигателе коленчатый вал, а цилиндры оставались неподвижными. При таком расположении цилиндров все они находились в одной плоскости и одинаково хорошо обдувались во время полета встречным потоком воздуха. Поэтому водяное охлаждение на звездообразных моторах не применяли, а для лучшего обдува цилиндров на них устанавливали специальные ребристые устройства, позволяющие увеличить площадь их поверхности, — радиаторы. Такой способ охлаждения мотора называли воздушным.

1882 г. — Г. Даймлер и В. Майбах начали работу над компактным двигателем внутреннего сгорания.

Почтенных немцев пугали взрывы паров бензина, происходящие ео время работы двигателя внутреннего сгорания Г. Даймлера. Поэтому изобретателю приходилось испытывать свои «повозки» приводимые в движение таким двигателем тайно, по ночам, на загородных дорогах. Однажды ему даже пришлось пуститься на хитрость. Установив на лодку бензиновый двигатель, Даймлер укрепил вдоль ее бортов огромные изоляторы с натянутыми на них проводами. Это позволило ему убелить сограждан в том, что лодка приводится в действие электричеством, которое обывателям казалось менее опасным по сравнению с взрывоопасным бензином.

В наши дни поршневые двигатели используются в основном на небольших легких самолетах и вертолетах, в сельскохозяйственной и пожарной авиации, на мотодельтапланах. Работают современные авиационные поршневые моторы практически так же, как двигатель, установленный на самолете братьев Райт. Однако их устройство стало более сложным — в работе используется двухтактный или четырехтактный рабочий цикл, они имеют до 12 цилиндров с водяным или воздушным охлаждением. Цилиндры могут располагаться V-образно (в ряд под углом друг к другу) или радиально (звездой). Винт самолета может быть установлен непосредственно на валу двигателя или подсоединен через редуктор.

Редуктор (от латинского слова «reductor» — отводящий назад, приводящий обратно) — зубчатая, червячная или гидравлическая передача, предназначенная для изменения скоростей вращения вала.

Пожалуй, к одним из самых оригинальных моторов нашего времени можно отнести роторный. Такое название мотор получил благодаря своей конструкции — вращающимся элементом в нем является треугольный ротор, находящийся в рабочей камере, похожей на толстую восьмерку.

Как известно, для того чтобы преобразовать мощность поршневого двигателя в тягу, необходимую для полета, в авиации применяются воздушные винты. Их лопасти так же, как и крыло, захватывают воздух и отбрасывают его назад. Это и создает тягу. Следует отметить, что теория воздушного винта была создана Н.Е. Жуковским вслед за теорией подъемной силы крыла.

На первых моделях самолета устанавливали деревянные винты. Но со временем, когда скорости полетов значительно возросли и потребовалась более мощная тяга, винты самолетов начали изготавливать из металла.

Сейчас очень редко можно встретить самолет, использующий для полета винт. В наши дни практически на все современные тяжелые летательные аппараты устанавливают реактивные двигатели. Они-то и создают необходимую для полета тягу.

25 ноября 1844 г. в немецком городке Ланденбург близ Мангейма родился Карл Бенц — известный всему миру создатель работоспособного двигателя внутреннего сгорания.

Реактивные двигатели делятся на два основных типа — воздушно-реактивные и ракетные. Схема работы газотурбинного двигателя очень проста. Воздух сжимается компрессором и под давлением подается в камеру сгорания. Туда же, и тоже под давлением, впрыскивают горючее и поджигают его. Горячие газы выходят из камеры, вращают турбину, а турбина в свою очередь через вал вращает компрессор, сжимающий воздух.

Авиационный воздушно-реактивный двигатель тоже состоит из компрессора, камеры сгорания и турбины. Компрессоры по конструкции бывают двух типов — центробежные и осевые. В центробежном воздух отбрасывается лопастями компрессора к краям его корпуса. Возле оси компрессора лопасти делают широкими, а ближе к краям ссужают. Поэтому воздух, проходя между ними, сжимается — ведь проход для него по мере продвижения от оси компрессора к его краю становится все меньше.

Примерно несколько десятилетий назад на смену центробежному компрессору пришли осевые. Такой компрессор — как бы турбина наоборот. Если в турбине поток пара или газа идет от маленьких лопастей к большим и по ходу расширяется, то в осевом компрессоре он, наоборот, идет от больших лопастей к малым и сжимается.

Из истории абсолютных мировых рекордов скорости полета. Начиная с 1956 г. первенство за звание самого быстрого пилота и воздушного аппарата проходило под девизом: «Ни гола без рекорда». 10 марта 1956 г. англичанин П. Твисс на самолете «Delta 2» достиг скорости 1 821,39 км/ч. 12 декабря 7 957 г. Адриан Дрю (США) на авиабазе Эдварде, управляя истребителем «F-101A» («Voodoo»), разогнал его до 1 943,03 км/ч. «Двухтысячный» рубеж первым преодолел пилот США У. У. Ирвин. Его самолет 1 6 мая 7 958 г. развил скорость 2 259,18 км/ч. Через гол в таблицу рекордов впервые попала фамилия советского пилота. 31 октября 1959 г. Г. Мосолов на самолете марки «Е-66», разработанном А.И. Микояном, достиг отметки в 2 387,48 км/ч. Однако уже 15 декабря 1959 г. американцы вернули себе первенство. Пилот Дж. У. Роджерс на самолете «Convair F-106A» («Delta Dart») показал скорость 2 455,74 км/ч. 7 июля 1962 г. советский пилот Г. Мосолов поднял планку рекорда до 2 681,00 км/ч. После этого американцы, превысив «трехтысячный» рубеж, прочно занимают позицию лидеров. Последний рекордный результат равен 3 529,56 км/ч. Такой скорости 28 июля 1976 г. достиг самолет марки «Lockheed SR-71А» американского пилота Э. У. Джоэриа.

При выходе из компрессора воздух разделяется на два потока. Его небольшая часть поступает в камеру сгорания, а остальная проносится мимо. В камере сгорания установлены тонкие трубочки — форсунки. Топливо, под давлением вылетая из форсунки, представляет собой тонкую пыль. Оно смешивается с воздухом, находящимся в камере сгорания, и горит, подожженное запальным устройством. Так как температура газа, вырывающегося из камеры сгорания, очень велика, его нельзя сразу же подавать на лопасти турбины — расплавятся. Поэтому горячие газы предварительно смешивают с более холодным воздухом. Охлажденные таким образом газы поступают в турбину — одноступенчатую или многоступенчатую. Практически вся ее мощность уходит на то, чтобы вращать компрессор и подавать воздух в двигатель. Для этого лопасти турбины и компрессора устанавливают на одном валу.

Отдав часть своей энергии турбине, газы устремляются в сопло — выходное отверстие двигателя. Там они окончательно разгоняются до высокой скорости — ведь от нее напрямую зависит реактивная тяга двигателя. И несмотря на то, что, покидая двигатель, газы остаются достаточно горячими и это делает КПД такого двигателя равным всего 25%, самолет способен развить скорость до 2 500 км/ч.

Мы рассмотрели лишь один из видов реактивных авиационных двигателей — турбореактивный. Он развивает тягу только за счет силы реакции (силы отдачи) струи газа, вырывающейся из сопла. Иногда можно встретить самолеты с реактивными двигателями других типов — турбовинтовыми и турбовентиляторными. Конструктивно эти моторы устроены так же, как и турбореактивные, только впереди у одного из них находится воздушный винт, а у другого — воздушный вентилятор.

Эксперименты показали, что воздушный винт турбовинтового двигателя создает 90% тяги, в то время как на долю реактивной струи газа остается всего 10%. Вращение на винт у такого мотора передается от турбины, предварительно пройдя через редуктор, на котором частота вращения снижается в несколько десятков раз. Турбовинтовые двигатели пригодны для использования на самолетах, чья расчетная скорость не будет превышать 800 км/ч. С ее увеличением тяга винта падает, и экономичность мотора ухудшается.

1 - воздухозаборник; 2 - компрессор; 3 - камера сгорания; 4 - турбина; 5 - форсажная камера; 6 - сопло.

Из истории абсолютных мировых рекордов дальности полета. Первый из зафиксированных рекордов был установлен на французской земле бразильцем А. Сантос-Люмоном 12 ноября 1906 г. Протяженность его полета равнялась всего-навсего 220 м. Километровой отметки первым достиг Л. Фарман (Франция) 13 января 1908 г., через несколько месяцев он уже удвоил этот результат: 21 марта 1908 г.—2 км 4м.

1 - компрессор; 2 - топливо; 3 - воздух; 4 - форсунка; 5 - камера сгорания; 6 - турбина; 7 - сопло.

Из истории абсолютных мировых рекордов дальности полета. Весьма результативным АЛЯ новых рекордов оказался 7 903 г. Они уже не просто удваивались, а многократно увеличивались. В начале гола лидировал французский пилот Л. Делагранж (11 апреля 7 908 г. — 3,925 км, 30 мая 7 908 г. — 12,75 км, 17 сентября 1908 г. — 24,125 км), затем его сменил один из знаменитых братьев Райт — Уилбер (21 сентября 1908 г. — 66,6 км, 7 8 декабря 7 908 г. — 99,8 км, 31 декабря 7 908 г. — 725 км).

У турбовентиляторного мотора вместо многолопастного (4—8 шт.) винта установлен вентилятор, по конструкции напоминающий многолопастное колесо компрессора. Этот вентилятор прогоняет воздух через кольцевой канал, окружающий корпус двигателя. Таким образом, попадающий в двигатель воздух движется двумя путями — по кольцевому каналу и через систему: компрессор — камера сгорания — турбина. Тяга создается одновременно и потоком горячих газов, и за счет воздуха, выходящего из кольцевого канала. Самолет с таким двигателем, в отличие от турбовинтового, способен разогнаться до скорости, превышающей 1000 км/ч, и оставаться при этом экономичным.

Воздушно-реактивные двигатели создают тягу, отбрасывая назад воздух, взятый из окружающей среды, который одновременно является и окислителем для горения топлива. Но с увеличением высоты полета плотность воздушных масс уменьшается. Все меньшая часть его начинает проходить через мотор за единицу времени. И как результат — тяга падает, самолет «задыхается».

От этого недостатка свободны ракетные двигатели, которые еще на земле оснащаются запасами не только топлива, но и окислителя для него. Тяга в таких двигателях создается отбрасыванием назад продуктов горения, и его работоспособность практически не зависит от плотности окружающей среды.

Ракетные двигатели могут работать на твердом или жидком топливе. Долгие годы использования таких двигателей показали, что жидкотопливные моторы более экономичны и развивают большую тягу при одной и той же массе с твердотопливными. Однако у них есть один очень существенный недостаток — работа с ними требует большой осторожности, ведь используемые в них химические вещества, применяемые в качестве топлива и окислителя, крайне ядовиты.

1 - воздушный винт; 2 - редуктор; 3 - компрессор; 4 - форсунка; 5 - топливо; 6 - камера сгорания; 7 - турбина; 8 - сопло.

На самолетах ракетные двигатели используются крайне редко и в основном в качестве вспомогательных. Например, для кратковременных полетов на больших высотах или как ускоритель для быстрого взлета. Но зато в космонавтике ракетные двигатели применяются очень широко, так как способны развить очень большую тягу и работать в безвоздушном пространстве.

Используя принципы работы воздушно-реактивных и ракетных двигателей, ученые надеются разработать еще несколько типов принципиально новых двигателей будущего. Неоднократно в прессе можно встретить упоминание о том, что идут разработки двигателя, в котором воздух будет нагреваться не за счет тепла, выделяемого сгорающим химическим топливом (например, керосином), а с помощью управляемой ядерной реакции, подобно тому, как это сделано на атомных электростанциях. Среди новых идей так же заслуживают внимания конструкции ионных и фотонных двигателей.

Ионные моторы тоже будут работать по принципу, заложенному в реактивных двигателях, но тяга в них будет создаваться не за счет отбрасывания назад струй газа и воздуха, а за счет потока элементарных частиц — ионов. В фотонных двигателях планируется установить источник света такой огромной мощности и интенсивности, что вылетающие частицы света смогут создать тягу большой силы и поднять летательный аппарат в небо или ракету в космос.

Из истории абсолютных мировых рекордов дальности полета. Таблица рекордов 1909 г. начинается с фамилии французского пилота Луна Подана. 25 августа 7 909 г. его самолет преодолел расстояние в 134 км. Через лень англичанин С. Латам преодолел отметку 155 км, но уже на следующий день известный французский пилот и авиастроитель А. Фарман на самолете собственной конструкции «отодвинул» рекордную планку на отметку 180 км. Лучшим достижением Фармана, являющимся также лучшим результатом гола, стал полет состоявшийся 4 ноября — 234 км.