ДВИГАТЕЛИ ВОДЯНОГО ОХЛАЖДЕНИЯ
Характерной чертой всех этих конструкций являлось стремление конструкторов к принципиально новой схеме двигателя.
Таким, в особенности, был биротативный двигатель замечательного конструктора и изобретателя Анатолия Георгиевича Уфимцева. В его двигателе четыре цилиндра были расположены крестообразно вокруг коленчатого вала и при работе мотора вращались вокруг этого вала. Вал мог оставаться неподвижным или тоже вращаться, но в обратную сторону. В этом случае мотор мог вращать два винта, вращающихся в разных направлениях. Это был очень легкий двигатель, и если бы Уфимцев нашел необходимую поддержку в царской России, то, вероятно, он довел бы свое дело до конца — и русская авиация давно уже имела бы столь нужный ей надежный отечественный мотор.
Но такой поддержки Уфимцев, как и другие конструкторы, не получил, и работа по созданию отечественных авиационных двигателей развернулась только после Великой Октябрьской социалистической революции, в годы первых пятилеток.
Большие заслуги в разработке и создании отечественного двигателя имеет В.Я. Климов.
Владимир Яковлевич Климов родился в Москве 11 июля 1892 года. Его отец, крестьянин, отдавал своих сыновей и дочерей в школы, откуда можно было прямо пойти на работу с готовой квалификацией.
В 1903 году, после подготовки у частного учителя, Владимир Климов был помещен в московское Комиссаровское техническое училище. Семилетний курс обучения тут был построен таким образом, что первые три года посвящались общеобразовательным предметам, а в последние четыре года общее образование соединялось с обязательными занятиями в мастерских, так что училище выпускало мастеров-механиков, которые могли и поступать на производство, и продолжать образование в высшей школе.
Юноше с навыками в машиностроении, да еще москвичу, не увлечься авиацией в те годы было просто невозможно: в витринах магазинов выставляли снимки, рисунки, чертежи самолетов, летающие модели, портреты авиаторов. Газеты пестрели сообщениями о полетах. Все школьные разговоры сводились к одной теме.
Посмотрев полеты первых авиаторов, Климов начал работать над большой моделью, невзирая на то, что ему надо было сдавать выпускные экзамены. Накануне последнего экзамена по технологии, просидев всю ночь напролет — но не за учебниками, а за моделью, — Владимир
чуть было не опоздал со сдачей экзамена.
Осенью 1910 года Климов был зачислен студентом Московского высшего технического училища. Он пришел сюда с твердым решением получить любую специальность, какую придется, но в душе остаться верным авиации.
Вступив в Воздухоплавательный кружок, Климов провел здесь несколько исследовательских работ со старшими товарищами, но в области чисто теоретической авиации ему было многое непонятно. Только с переходом на четвертый курс, работая в лаборатории двигателей внутреннего сгорания, руководимой профессором Н.Р. Бриллингом, юноша почувствовал себя на своем месте. В этом высоком, стройном юноше, в руках которого все становилось изящным, как он сам, Бриллинг нашел ученика, чья будущность его интересовала, как своя собственная в дни юности. Старый опытный педагог угадал для своего студента наилучший путь и уже через год рекомендовал его в качестве конструктора-чертежника петербургскому заводу «Дюфлон, Константинович и К», замыслившему начать производство авиадвигателей по типу немецких моторов «Бенц» и «Мерседес», с которыми немецкая авиация вступила в Первую мировую войну.
Предприятие «Дюфлон, Константинович и К» славилось в России поставками радиотехнической продукции из-за рубежа. Когда молодой конструктор явился в Петербург, на заводе образцов «бенца» и «мерседеса» не оказалось. Немного знакомым с авиамоторами был только один Климов, два других его товарища, которым было поручено вместе с ним снять чертежи с немецких моторов, вообще с моторами дела не имели. Тем не менее, когда наконец долгожданные немецкие моторы появились, это оригинальное конструкторское бюро, состоявшее из студента, глухого чертежника и плохо говорящего по-русски финна-техника, принялось за работу.
Отчитываясь перед Военно-промышленным комитетом в расходовании полученного аванса, фирма представила чертежи. Но нужны были не чертежи, а моторы. Тогда мастер завода В.Н. Молодцов решил делать моторы по образцам деталей. Из стали-серебрянки завод начал выполнять все детали без разбора, не думая о том, во что это обойдется казне. Все же мотор был собран и сдан.
В этой школе конструкторского дела Климов получил практический опыт и вернулся в 1916 году в училище с материалом для дипломного проекта. Бриллинг одобрил идею ученика взять для своего государственного экзамена темой проекта авиамотор «Бенц». Дипломант провел самостоятельные работы по исследованию течения воздуха и бензина в карбюраторе, по расчету линии всасывания и выхлопа — и представил оригинальный проект, высоко оцененный учителем. Не долго думая, совет училища назначил Климову стипендию для продолжения образования за границей. Но воспользоваться этим шансом Климов так и не смог, так как училище к этому времени утратило все связи с заграничными научными центрами. Молодой инженер решил продолжить научные занятия самостоятельно, готовясь к диссертации на ученую степень. Климов, как это случалось со многими русскими инженерами, задумав диссертационную работу, пошел на решение крупных, общих, основных задач. Не имея, однако, достаточной подготовки, он не справился с ними. Научные занятия не ладились, практической работы не находилось.
В начале 1918 года в проектировочном отделе Общества Коломенских заводов Климов некоторое время трудился над проектом нового машиностроительного завода, но как только с переездом правительства в Москву здесь начали развертываться учреждения, более близкие по своей деятельности молодому инженеру, он перешел на работу в автосекцию Московского Совета. В это время из Англии возвратился стипендиат МВТУ Чудаков Е.А., исполненный новейших идей в области моторостроения. Под его началом в Москве организовывается лаборатория автомобильных двигателей по типу заграничных с отделом авиационных моторов. Чудаков поручает возглавить этот отдел Климову. Организационная работа в лаборатории затягивается вплоть до 1923 года. В ту пору Климов был занят также преподавательской деятельностью в Ломоносовском институте, в МВТУ и в Академии Воздушного Флота. Им впервые был прочитан курс «Уравновешивание авиационных двигателей». В то время это была новая наука, и Климову пришлось самому разрабатывать теорию уравновешивания сил, действующих внутри мотора.
В 1923 году в лабораторию стала поступать иностранная литература. Пришли также образцы заграничных авиационных двигателей, предназначенных для испытания в лаборатории.
Напомним, что в 1918-1923 годах не только в России, но и за границей, в многочисленных лабораториях, специально организованных во время войны в Англии, Франции, Германии и Италии, шло усиленное изучение теоретических проблем моторостроения. В лабораториях Европы и Америки изучался опыт, накопившийся во время войны, разрабатывались новые конструкции моторов и самолетов. Моторы, которые были собраны к концу войны и не успели принять в ней участие, признаны были устаревшими, но опыт их создания брался в основу новых конструкций, более мощных и более надежных.
Исходя из мирового опыта, на лабораторию автомобильных двигателей, организованную Чудаковым Е. А., возлагались большие надежды в вопросах моторостроения на современном уровне.
Надо сказать, что к 1923 году почти во всех странах Европы и Америки были построены и испытаны новые образцы опытных моторов, запущенных в серийное производство. Тогда же началось издание специальной авиационной литературы в небывалом еще масштабе. Появились труды таких авторитетов, как, например, известный английский исследователь Рикардо, в которых делались выводы из огромного опыта, накопленного в области авиационного моторостроения. На серийное производство у англичан были поставлены моторы «Бристоль-Юпитер» — 450 лошадиных сил, у французов — усовершенствованные моторы «Испано-Сюиза» — 450 лошадиных сил, у немцев — «БМВ» — 500 лошадиных сил, у американцев — «Кертис Д-12» — 400 лошадиных сил.
Вопросы авиационного моторостроения были подняты и в Научно-техническом комитете Управления военно-воздушных сил Красной Армии, куда лаборатория и откомандировала В.Я. Климова. Ему было поручено принять участие в разработке всех вопросов, касающихся моторостроения, а затем стать во главе комиссии, назначенной для приемки первого отечественного мотора типа «Испано-Сюиза» в 200 лошадиных сил
от завода «Икар».
Этот небольшой завод занимался изготовлением моторов воздушного охлаждения, и потому первые образцы моторов водяного охлаждения вышли неудачными. Климов осуществил «доводку» мотора, главным образом по части карбюрации.
В 1924 году Баранов П.И., начальник Управления военно-воздушных сил, вызвал к себе Климова и предложил ему отправиться в Германию председателем приемочной комиссии. Речь шла о приеме ста моторов «БМВ». Необходимо было не только принять хорошие моторы, но и создать за границей авторитет русской комиссии.
Как стало известно потом, у мотора «БМВ» был слаб коленчатый вал, и фирма вместо установленного тогда повсюду испытательного мотора в течение пятидесяти часов вынуждала принимать моторы на основе десятичасового испытания, заявив, что испытания в пятьдесят часов не требуется ввиду полнейшей надежности моторов. Это сопротивление законным правилам технических условий, которые Климов сам составлял в Москве, заставило его насторожиться. Он выбрал из представленных фирмой моторов один, показавшийся ему не совсем надежным, и поставил его на испытательный стенд. Через восемь часов вал мотора лопнул. Директор фирмы объяснил происшествие случайностью, гарантируя качественность моторов. Следующий мотор, поставленный на пятидесятичасовое испытание, разрушился через тридцать часов. Прислушавшись к советам Климова относительного коленчатого вала, фирма обязалась сменить его на всех моторах, а также дать запасные.
В 1926 году Климов занимает должность старшего руководителя кафедры в Военно-воздушной академии и начальника отдела легких двигателей во вновь организовавшемся Научно-исследовательском автомоторном институте. Под его руководством продолжается работа по испытанию и исследованию заграничных моторов.
В 1928 году, в качестве председателя приемочной комиссии, Климов направляется во Францию. На этот раз дело шло о двухстах моторах «Юпитер» мощностью по 480 лошадиных сил, предложенных фирмой «Гном-Рон». Моторы «Юпитер» выпускала, собственно, английская фирма «Бристоль», но право торговать ими в Европе англичане уступили французам.
Здесь, как и в Германии, председателю русской приемочной комиссии пришлось прежде всего «повоевать» за свой авторитет. Французы производили сдаточные испытания моторов с винтом небольшого диаметра, меньшего, чем тот, с которым мотор должен был работать на самолете. Но даже и при таком облегченном испытании обнаружились неполадки в работе на деталях мотора, заставившие Климова заподозрить чрезмерные крутильные колебания в системе вала, о которых в то время известно было очень мало. Климов потребовал испытания с нормальным винтом, употребляемым в эксплуатации моторов на самолетах. Выбранный мотор сломался через два часа. Директор фирмы заявил, что испытания ведутся неправильно и он передает вопрос о качестве моторов организации «Веритас», специально занимавшейся испытанием моторов по поручению покупщиков. Фирма «Гном-Рон» нашла, таким образом, почетный выход из положения, представив для дальнейших испытаний значительно переделанные моторы.
По возв ащении в Москву в 1930 году Климов п инимает участие в организации серийного производства авиамотора «М-22» типа « пите ». Идейно руководя всей конструкторской работой по развитию «М-22», он сделал многое для того, чтобы этот мотор мог блестяще выдержать сточасовое испытание. В том же году в Москве был создан специальный Научно-исследовательский институт авиационного моторостроения. В 1931 году Климова назначили начальником отдела бензиновых двигателей. В то самое время под руководством А.А. Микулина в институте создавался спроектированный им мощный мотор «АМ-34».
МОТОРЫ ВОДЯНОГО ОХЛАЖДЕНИЯ
В 1933 году Советский Со з посетил французский министр авиации — Пье Кот. Глава авиационной промышленности прилетел на отличном самолете, представлявшем собой гражданский вариант новейшего французского бомбардировщика. В Харьков для сопровождения министра в Москву вылетели русские истребители.
Поднявшись с аэродрома, французский самолет перешел на максимальну скорость и ушел от сопровождавших его истребителей. На этот вызов советская авиация ответила уже в следующем году постройкой знаменитого советского самолета «СБ» — скоростного бомбардировщика, сделавшего невиданнорезкий скачок вперед по скорости и заставившего говр ить о себе весь мир .
Для самолета был выбран мотор «Испано» мощность в 860 лошадиных сил, только что появившийся во Франции. Решено было приобрести у фирмы лицензи и поставить серийное производство моторов того типа в Советском Союзе. Приобрести лицензи было поручено специальной комиссии, в состав которой вошел и Климов. Уже осень 1933 года комиссия выехала во Фанцию .
При закупке нового мотора, комиссия во главе с Владимиром Яковлевичем решала вместе с конструкторами фирмы ряд весьма существенных конструктивных задач. Многие из предложений русского конструктора, среди которых — замечательная идея замены цилиндрических вкладышей гиперболическими, были использованы впоследствии фирмой «Райт».
Климов, увлеченный одной мысль — создать хороший мотор для «СБ», получил действительно весьма надежный мотор мощность в 750 лошадиных сил, который комиссия в 1935 году сдала Рыбинскому моторостроительному заводу № 26 для внедрения в серийное производство. Главным конструктором завода был назначен В.Я. Климов. Мотор получил серию «М-100». Так началась самостоятельная конструкторская работа Климова поразвитию и совершенствованюи этого мотора. Через четыре месяца Климов дал советской авиации «М-100а» мощность в 860 лошадиных сил, а в апреле 1937 года — «М-103» мощность в 960 лошадиных сил.
Если основной и характерной проблемой самолетостроения неизменно остается проблема сопротивления, то столь же характерной и основной в области авиационного моторостроения является проблема надежности, мощности и веса. Сама проблема механи ческого полета ведьрешилась только тогда, когда был достигнут минимально необходимый для его осуществления вес двигателя. Проблема надежности, естественно, обостряется с каждым шагом вперед по пути увеличения мощности мотора. Практика показала, что наиболеерациональная конструкция, с точки зрения компактности, веса, простоты изготовления и совершенства эксплуатации, получается в тех случаях, когда увеличение мощности мотора идет за счет форсированного использования егорабочего объема. Отсюда и получила свое начало идея увеличения мощности мотора путем увеличения числа оборотов при неизменном весе мотора на одну лошадину силу и без существенного увеличения габаритов.
Трудности борьбы за развитие отечественного авиамотора заключались в перву очередь в том, чтобы, стремясь к положительным данным, не получить отрицательных, то есть, чтобы при конструировании мощного и легкого мотора сохранить прочность деталей, надежность действия, продолжительность непрерывной работы мотора в воздухе, общий срок службы мотора и т. п.
С тех по как был изобретен двигатель внутреннего сгорания и найден для него наивыгоднейший рабочий процесс, конструктор Климов работал над развитием и совершенствованием конструкции мотора, не внося принципиальных изменений врабочий процесс.
В те годы, с не меньшим творческим напряжением, Климов делает крупный шаг вперед по увеличению мощности авиационного мотора от «М-103» до «М-105», переходя от мощности в 960 лошадиных сил к мощности в 1280 сил, и с еще более резким скачком вперед от «М-105» к
«М-107».
Все технические решения здесь были замкнуты в круг основных проблем веса и надежности, но именно невозможность выйти за пределы требует от конструктора Климова технически изощренного ума, опыта, огромных теоретических знаний, порой чутья, порой железной логики.
Находясь в кругу частных задач моторостроения, некоторые решения Климова все же восходят к самым высоким образцам технических решений вообще. Одно из таких решений заключалось в переводе скоростей двухскоростного нагнетателя путем использования паразитных крутильных колебаний вала. Задача стала перед конструктором ввиду невозможности найти место для установки обычного переводного механизма. Этот механизм конструктор устранил вовсе, установив несравненно менее отягощающий мотор механизм, превращающий крутильные колебания вала в поступательное движение для перевода скоростей. Идея механизма была настолько нова и необычна, что ни один инженер, каким бы опытом он ни располагал, не в состоянии был отгадать без особых объяснений способ действия механизма. И примечательность здесь не в его устройстве, а в самой идее использования паразитных сил для полезной работы.
Заслуги Климова в области моторостроения получили высокую оценку. Владимир Яковлевич — неоднократный лауреат Сталинских премий, орденоносец, Герой Социалистического Труда, действительный член Академии наук СССР.
Его моторы «М-105», «М-105-ПФ» поднимали в воздух как «Пе-2», так и все истребители Яковлева — от «Як-1» до «Як-9».
Сторонник крупных и решительных движений вперед, он нашел правильный и оправданный действительностью путь. С первых дней Великой Отечественной войны Климов начал работать над мощным мотором «М-107» — и создал его, перейдя все пределы, допускавшиеся теоретической наукой. В этом моторе, несмотря на его огромную мощность, конструктору удалось полностью осуществить одну из основных черт идеального авиационного мотора. По своим поперечным размерам «М-107» легко вписывался в эллипс, за которым проектировалась фигура сидящего летчика. Значение этого факта заключается в следующем.
Конструктор связан габаритами мотора. Каждое нарушение этих габаритов ведет к искажению формы фюзеляжа, что в конечном счете может повысить его сопротивление в воздухе настолько, что вся добавочная мощность мотора будет бесплодно расходоваться на его преодоление. Идеальная форма движущегося в воздухе тела, дающего наименьшее сопротивление, как известно, похожа на веретено. Такую веретенообразную форму и стремится придать фюзеляжу конструктор истребителя, причем в наиболее утолщенной части веретена он помещает сидящего за управлением летчика. Плоскость, пересекающая фюзеляж в этом месте перпендикулярно к оси фюзеляжа, образует так называемое миделевое сечение, или просто мидель фюзеляжа. Так вот, уменьшение миделя фюзеляжа только на одну десятую квадратного метра уже
увеличивает скорость самолета на 4-6 километров в час. В то же время увеличение миделя мотора на десятую долю квадратного метра равноценно снижению мощности мотора на 40-50 лошадиных сил. По этим примерам можно видеть, насколько остро стоят перед авиаконструктором вопросы сопротивления воздуха и как тесно связаны интересы самолетостроения и конструктора мотора. Находящийся в головной части фюзеляжа мотор легко может исказить хорошо обтекаемую форму фюзеляжа. Такое искажение вызовет или слишком короткий, или слишком далеко выдвинутый вал.
Таким образом, конструктор мотора должен работать, учитывая также требования, которые предъявит к мотору конструктор самолета. При этом возникает дополнительная трудность: ведь строитель мотора испытывает свою машину на испытательном стенде, в условиях, лишь в малой степени напоминающих те, в которых придется работать мотору на самолете.
Как бы тщательно конструктор не измерил теплоотдачу мотора на испытательном стенде, на самолете эта теплоотдача оказывается иной. Самолетостроитель, при расчете системы охлаждения и ее устройства на самолете, принимает во внимание замеренные
данные. Случается, что мотор, превосходно работающий на земле, вдруг начинает выбрасывать масло, когда самолет набирает значительную высоту, или, вопреки всем расчетным данным, теряет мощность.
При таком положении дела совместная работа конструктора мотора и самолетостроителя становится как трудной, так и столь же необходимой. Успешное создание самолета, как видим, зависит от слаженной работы того и другого.
Конструкторскую работу Климова характеризует понимание тех условий, в которых будет работать мотор на самолете. Иными словами, конструктор авиационных моторов — Владимир Яковлевич Климов — ощущал мотор как «сердце самолета».
(Окончание следует)
Статья была опубликована в майском номере журнала "Наука и техника" за 2014 год
