ДВИГАТЕЛИ ВОЗДУШНОГО ОХЛАЖДЕНИЯ

 

От воздушных моторов прежде всего отказались немцы, увеличив выпуск моторов водяного охлаждения. Только по окончанию войны воздушная система снова вышла вперед. Сегодня, как и на протяжении всей истории моторостроения, никто не может категорически ответить на вопрос, какая система лучше. С уверенностью можно утверждать лишь одно: дело было не в преимуществах системы, а в новом движении конструкторской мысли.

 

Над системами охлаждения советского моторостроения в дружеском соревновании работали такие высокие мастера дела, как В.Я. Климов и А.Д. Швецов.

 

В чем же все-таки заключались достоинства и недостатки этих двух систем охлаждения?

 

Чтобы использовать наилучшим образом для охлаждения мотора набегающий поток воздуха, цилиндры мотора воздушного охлаждения снабжаются ребрами и располагаются в один или два ряда вокруг вала звездообразно. При таком расположении цилиндров число их может быть весьма значительным.

 

Звездообразный мотор, находящийся на истребителе впереди летчика, служит ему своего рода броневой защитой, и, как правило, на самолетах с моторами воздушного охлаждения при лобовых атаках людские потери меньше.

 

Мотор воздушного охлаждения отличается большой живучестью, так как при повреждении снарядом одного и даже двух-трех цилиндров мотор не выходит из строя, и летчик может свободно дотянуть до своего аэродрома.

 

 

Основным недостатком звездообразного мотора являются его размеры, заставляющие самолетостроителя увеличивать мидель фюзеляжа, что, как известно, ведет к снижению скорости вследствие возрастающего сопротивления.

 

Цилиндры моторов водяного охлаждения располагаются обычно вдоль вала, Vобразно, один за другим по шесть и более в ряду, и имеют двойные\ стенки, между которыми циркулирует охлаждающая вода, что позволяет даже мощному мотору водяного охлаждения укладываться в меньшие габариты. Самолетостроитель всегда стремится к таким размерам мотора, которые давали бы ему возможность, уменьшая мидель фюзеляжа, добиваться больших скоростей за счет хорошо обтекаемой формы фюзеляжа. Но V-образный двухрядный мотор, обстреливаемый спереди, может служить летчику меньшей защитой. Повреждение цилиндра осколком снаряда повлечет за собой разрушение всей системы охлаждения, впоследствии вода быстро вытечет, после чего перегретый мотор выйдет из строя.

Вода, циркулирующая в системе мотора, также нуждается в охлаждении, и это достигается обдуванием радиаторов, через которые проходит вода. Разумеется, для охлаждения радиаторов требуется меньшее количество воздуха, чем для охлаждения звездообразного мотора. Это обстоятельство имеет для самолетостроителя большое значение, так как чем больше воздуха будет проходить через капот мотора, тем сильнее будет сопротивление самолета.

 

При таком положении дел обьективно решить вопрос о том, какой системе отдать предпочтение, очень трудно. В любом случае, каждый конструктор мотора, опираясь на опыт своих предшественников и свое умение, решает этот вопрос самостоятельно, пытаясь смягчить органические пороки выбранной системы и увеличивая в то же время ее достоинства.

 

Последовательным и непоколебимым сторонником отечественных моторов воздушного охлаждения являлся А.Д. Швецов. Первый сконструированный им звездообразный мотор воздушного охлаждения М-11, мощностью всего сто лошадиных сил, принес его создателю широкую известность. Мотор оказался настолько удачным, что побил все рекорды долгожительства, десятилетиями служа учебной и легкомоторной авиации. Небесный тихоход У-2, ставший легким ночным бомбардировщиком, выполнял боевые задания с мотором М-11. Это был первый мотор воздушного охлаждения советской конструкции, внедренный в эксплуатацию. Но свидетельствует это обстоятельство опять-таки не о преимуществе системы воздушного охлаждения, а о громадном опыте и теоретических знаниях самого конструктора.

 

Аркадий Дмитриевич Швецов родился 25 января 1892 года на Урале. Его отец, учитель, позднее получил место в Перми, где в 1909 году Аркадий и окончил Алексеевское реальное училище.

 

Осенью того же года Швецов был принят в Московское высшее техническое училище на механическое отделение и, как все
его сверстники, увлекся авиацией.

Швецов окончательно поверил в будущее летного дела после полета М.Н. Ефимова. Стояла поздняя осень, дул ветер с дождем и снегом. Летать в такую погоду казалось немыслимым, но отважный летчик полета не отложил и выполнил всю программу при громких приветствиях восхищенной публики.

 

Будучи студентом, Аркадий посещал лекции Жуковского по «Теоретическим основам воздухоплавания». Вначале он специализировался по электронике, а с четвертого курса стал заниматься у профессора Н.Р. Бриллинга стационарными двигателями внутреннего сгорания, проходя в то же время практику на различных заводах: токарем по металлу, лаборантом, чертежником. В 1921 году, по окончанию курса МВТУ, Швецов твердо решил посвятить себя конструкторскому делу в области моторостроения. Правда, он некоторое время колебался между автомобилем и самолетом. Решение было принято в пользу завода авиационных моторов, который был лучше оборудован. На заводе «Мотор», изначально носивший название «Трансмиссионный машиностроительный и чугунолитейный завод», строили ротативные моторы «Рон» в 120 лошадиных сил, развившиеся из моторов «Гном-Рон», которые завод строил в Риге, перед тем как эвакуироваться во время Первой мировой войны в Москву.

 

 

Будучи начальником конструкторского бюро завода «Мотор», Швецов со своим коллективом начал проектировать оригинальный мотор, по тем временам очень большой мощности в 650 лошадиных сил. Мотор, получивший обозначение М-8, так и не поступил в производство, но послужил хорошей практической школой как для Швецова, так и для его сотрудников.

 

В 1924 году завод «Мотор» был слит с заводом «Амстро», выросшим из эвакуированного рыбинского предприятия «Сальмсон», который был построен французским предпринимателем Эмилем Сальмсоном в 1917 году. Позднее произошло слияние этих обьединенных заводов с заводом «Икар». В начале 1920-х годов, при активной помощи со стороны наркома М.В. Фрунзе, оба эти завода начали возрождаться и укрупняться. В знак благодарности новообразованному заводу было присвоено славное имя М.В. Фрунзе. Аркадий Дмитриевич трудился на этом заводе вплоть до 1934 года: главным инженером, главным конструктором, заведующим производством, а также в качестве технического директора. Через его руки прошли почти все образцы первых отечественных моторов, основанных на лицензии Wright R-1820. На этом самом заводе Швецовым был разработан 5-цилиндровый звездообразный авиационный двигатель М-11 первый советский серийный авиационный двигатель, который не только был внедрен в крупносерийное производство, но и являл собой в истории моторостроения исключительный пример долговечности. В начале 1930-х годов было разработано целое семейство двигателей на его основе, однако эти двигатели серийно не выпускались.

На протяжении многих лет в создании мотора воздушного охлаждения участвовали многие выдающиеся моторостроители, такие как А.А. Микулин, А.С. Назаров, С.К. Туманский, Е.В. Урмин. Благодаря их разработкам мощность двигателей постоянно росла, что положительно сказывалось и на скорости боевых самолетов.

 

Стоит отметить, что в одно и то же время над конструкцией моторов воздушного охлаждения трудились Швецов и Микулин. В испытательных работах приняли участие два мотора: М-11 Швецова и M-12 Микулина. Аркадий Дмитриевич спроектировал оригинальное газораспределение и ввел несколько новшеств, в частности навертывающиеся головки вместо общепринятых тогда заливних. Как позже выяснилось, такие «ввертные» головки облегчают ремонт мотора, упрощают производство и повышают прочность мотора.

 

Для того чтобы решить вопрос о том, какой из двух моторов поставить на серийное производство, специальной комиссией были проведены сравнительные испытания.

 

При испытании М-12 произошла поломка коленчатого вала. Комиссия для выяснения причины поломки затребовала расчет вала, произведенный конструкторским бюро. Расчет оказался правильним, и авария показалась случайностью. Однако совершенно такая же поломка произошла и у следующего испытанного экземпляра мотора.

 

 

Происшествие было загадочным еще и потому, что коленчатый вал М-11 ничем как будто не отличался от вала М-12, и расчеты того и другого полностью совпадали. Между тем М-11 прошел все испытания без малейшей аварии, в то время как авария вала М-12 пpoисходила через полтора-два часа после запуска мотора.

На заседании комиссии, посвященной выяснению причин неполадки коленчатого вала, взоры всех присутствующих обратились на конструктора М-11. В свою очередь, Аркадий Дмитриевич Швецов подтвердил, что расчеты валов у обоих моторов одинаковые и сделаны правильно. К своему расчету он приложил еще и теоретические соображения о работе вала.

 

Изложенные Швецовым данные касались устройства, соединяющего переднюю и заднюю части коленчатого вала. Конструктивно это соединение обеих частей вала было одинаковым и у Швецова, и у Микулина, только у Швецова оно располагалось в обратном порядке, чему никто не придал никакого значення, считая этот порядок чистой случайностью, что не может никак влиять на прочность соединения и выносливость вала.

 

К тому же кому в голову придет поставить прочность системы в зависимость, скажем, от того стоит ли шип справа, а гнездо слева, или наоборот?

 

Тонкие и глубокие доводы Швецова, показавшие всю высоту технической культуры конструктора, доказали, что выбранный им порядок расположения частей соединительного устройства нисколько не случаен, и именно этому порядку обязан своим превосходством коленчатый вал М-11.

 

Постановлением комиссии для серийного производства был рекомендован мотор Швецова.

 

Во время Великой Отечественной войны М-11 весьма способствовал успеху самолета У-2, оказавшегося столь же долговеч- ным, как и его мотор. Однако не только У-2, с моторами М-11, оказались незаменимыми во многих условиях фронта, также эти моторы были поставлены на транспортную пассажирскую машину Як-8.

Именно М-11 убедил отечественную техническую общественность в двух основных вещах: во-первых, в том, что создание собственных конструкций вполне по ее средствам и силам, а вовторых, в том, что для успеха дела необходимо единое руководящее направление в конструкторской работе. До 1930 года авиационным моторостроением занимались в Советском Союзе примерно в шести местах. В отделах различных институтов и заводов, которые были разбросаны по всей стране, не было единого направления в разработках.

 

О таком положении дел было доложено правительству. В августе 1930 года ЦК ВКП(б) принял решение о создании специального института авиационного моторостроения на базе трех организаций: авиационного отдела НАМИ, винто-моторного отдела ЦАГИ и опытного отдела завода.

 

Аркадий Дмитриевич Швецов занимал несколько лет должность технического директора завода, руководя выпуском новых образцов советских моторов.

 

 

 

В 1934 году Швецов назначен на должность главного конструктора нового моторостроительного завода 19 в Перми. На этом заводе и протекала его основная деятельность как конструктора. Под его руководством было организовано опытное конструкторское бюро, запущен в серийное производство лицензионньй мотор М-25, а к началу Великой Отечественной войны спроектирован и построен мощный мотор воздушного охлаждения М-82.

 

Впервые мотор М-82 был испытан на легком бомбардировщике П.О. Сухого Су-2, а затем его начали ставить на истребители Ла-5 и бомбардировщики Туполева. И хотя первоначально конструкторы самолетов отнеслись без большого интереса к новому мотору воздушного охлаждения, конструктивное изящество, сравнительно небольшие габариты, большая мощность заставили их изменить предвзятое мнение о моторе Швецова.

Для уменьшения габаритов мотора Швецов пошел на смелое решение, вполне себя оправдавшее: он резко уменьшил высоту цилиндров, так что ход поршня у него оказался меньше диаметра цилиндра, и компенсировал потерю мощности на ходе поршня сильным форсажем мотора, то есть повысил число оборотов и увеличил подачу горючего и воздуха.

 

Вынеся достаточно далеко вперед вал двигателя с редуктором, тем самым уменьшив мидель мотора, Швецов создал мотор, который позволял конструктору самолета осуществить веретенообразную форму фюзеляжа, что и было реализовано на истребителе С.А. Лавочкина.

 

Среди ряда новшеств, внесенных конструктором в М-82, обращало на себя внимание замена общепринятого карбюратора насосом, впрыскивающим топливо непосредственно в цилиндры мотора.

 

Применение непосредственного впрыска топлива увеличило мощность мотора, уменьшило нагревание головок цилиндра, обеспечило равномерность подачи топлива по цилиндрам, что повысило экономичность двигателя.

Надо заметить, что против применения непосредственного впрыска было немало возражений. Однако предварительные опыты с насосом убедили конструктора в несостоятельности этих возражений, а дальнейшая работа М-82 в боевых условиях подтвердила все преимущества непосредственного впрыска. Во многих новейших моторах непосредственный впрыск топлива находил все большее и большее применение.

 

Трудно найти в истории моторостроения другой такой случай неоспоримого преимущества системы воздушного охлаждения, каким является установка М-82 на самолетах Лавочкина. Первый вариант этого истребителя с мотором водяного охлаждения не имел особенной популярности, хотя в первые месяцы войны ЛАГГ-3 довольно успешно сражался на фронте.

 

 

Самолеты Лавочкина, которые превзошли по боевым качествам немецкие «мессершмитты» и «фокке-вульфы», стали главными потребителями моторов Швецова. Оценив по достоинству двигатели воздушного охлаждения, летчики особенно любили его за надежность. Когда в бою выходили из строя один, два, а то и три цилиндра, мотор продолжал работать, что давало возможность дотянуть до ближайшего аэродрома. Кроме того, в отличие от моторов водяного охлаждения, эти двигатели, имея более широкий «лоб», надежно защищали пилота от вражеского огня. Несмотря на большое лобовое сопротивление, двигатель Швецова позволял развивать самолетам Лавочкина скорости, не уступавшие скоростям других истребителей и даже превосходить их.

 

С уверенностью можно утверждать, что Аркадий Дмитриевич Швецов стоял у вершин современной науки в области авиационного моторостроения. Он совершил четыре поездки за границу, посетил все лучшие заводы Европы и Америки. Но наиболее близкими к собственным творческим устремлениям Швецова оказались простые и прямые отечественные решения технических задач. Система воздушного охлаждения в авиационном моторостроении наиболее простое решение, и не случайно Швецову удалось поставить на службу авиации лучшие моторы воздушного охлаждения.

 

Простота технических решений бесспорно присуща отечественной технической мысли. Швецов в вопросе использования крутильных колебаний вала для полезной работы добивается простого и прямого решения.

Крутильные колебания, естественно возникающие на вращающемся валу, не представляли бы никакой опасности при нормальной прочности вала, если бы не существовало явлений резонанса. Известно, что раскачать тяжелый колокол может и ребенок, если он станет тянуть веревку
не как попало, а приноравливаясь к темпу качаний самого колокола, потому как при этом складываются вместе действия отдельных толчков. Так же хорошо известно, что камертон, настроенный на определенный тон, соответствующий определенному числу колебаний в секунду, по этой же причине особенно сильно отзывается на сторонний звук такой же высоты.

 

Все эти проявления одной и той же причины: действие периодической силы на способную к колебанию систему тем сильнее, чем ближе период силы подходит к периоду собственных колебаний. Возникающие при этом явления называются резонансными, а при совпадении периодов говорят о резонансе. При наступлении резонанса действие силы может иметь разрушительные последствия. Всем известны случаи, когда про-
чные мосты рушились под влиянием ритмического шага проходящей воинской части. Так разрушился в Петербурге Египетский мост через Фонтанку, причем во время катастрофы погибло около сорока гвардейцев. Сейчас при вступлении воинской части на мост обязательно отдается приказание перейти на вольный шаг.

 

В моторе при совпадении или сближении периодических толчков от вспышек с собственными крутильными колебаниями вала может произойти разрушение вала. Для уравновешения силы инерции обычно вал снабжается приклепанными к нему неподвижными противовесами. Это, однако, не может уничтожить собственные колебания вала, а стало быть, и отвратить явления резонанса при том или ином режиме работы мотора.

 

 

Швецов применил для той же цели только что входивший в практику моторостроения маятниковый демпфер приспособление, успокаивающее крутильные колебания вала автоматически, при любом режиме мотора. Успокаивающие устройства, или демпферы, употребляются в технике очень часто, и они чрезвычайно разнообразны. Маховое колесо паровой машины есть также демпфер, смягчающий неравномерность толчков прямолинейно-возвратного движения поршня и выравнивающий вращательное движение вала.

 

Демпфер, примененный Швецовым, не что иное, как качающийся на роликах противовес. Он делает столько же обратных закручивающему моменту качаний, сколько происходит вспышек в моторе, и таким образом при любом режиме устраняет крутильные колебания вала, не допуская в моторе резонансных явлений.

И М-11, и отделенный от него чуть ли не двумя десятилетиями М-82 в равной мере успешно послужили советской авиации в борьбе с прославленной немецкой техникой. Уже одного этого достаточно, чтобы полностью оценить высокое мастерство советского конструктора, его верность своему делу, его патриотическое воодушевление, а также громадное значение его деятельности в суровые годы Великой Отечественной войны.

 

Будучи талантливым авиаконструктором, Швецов провел большую научно-исследовательскую работу в области авиационного моторостроения. Он воспитал и подготовил сотни конструкторов, успешно решающих сложные вопросы авиационной техники.

 

За выдающиеся заслуги перед Родиной А.Д. Швецову присвоено звание Героя Социалистического Труда. Он был награжден пятью орденами Ленина, орденами Суворова, Кутузова.

 

Статья была опубликована в июньском номере журнала "Наука и техника" за 2014 год