Как поршневые авиадвигатели прошли путь от первых аэропланов до вершины своего развития

На фото — сборка двигателя марки «АШ» в ОКБ № 19 (ныне — «ОДК-Авиадвигатель»). Фото: Объединенная двигателестроительная корпорация

Появление реактивной авиации, казалось, окончательно отправило поршневые двигатели в историю. Однако спустя десятилетия они вновь оказались востребованы. Сегодня компактные, экономичные и надежные силовые поршневые установки становятся одним из решений для БПЛА, открывая новую главу в развитии технологий, с которых когда-то начиналось покорение неба. Такие двигатели сегодня разрабатывают специалисты Объединенной двигателестроительной корпорации Ростеха. Они могут быть востребованы не только для беспилотников, но и в малой авиации, которой остро не хватает отечественных двигателей.

Чем авиационный двигатель отличается от автомобильного

Своим появлением на свет первый аэроплан во многом обязан двигателю внутреннего сгорания (ДВС) — поршневому авиамотору. В то же время авиационный поршневой ДВС существенно отличается от привычного и хорошо знакомого нам автомобильного двигателя, хотя оба используют один и тот же принцип работы. Решающими факторами здесь стали специфика работы, а также особые характеристики, которыми должен обладать поршневой авиадвигатель.

Во-первых, авиационные моторы должны быть легче и компактнее при большей мощности, так как вес критичен для полета. В большинстве случаев это достигается за счет сокращения ресурса и снижения экономичности.

Во-вторых, поршневой авиадвигатель должен работать с максимальной надежностью, поскольку отказ в воздухе может привести к катастрофе. Его ресурс измеряется в часах работы, а не в километрах, как у автомобильного. Например, ресурс лучших отечественных авиационных поршневых двигателей для гражданской и спортивной авиации составляет 500–800 часов, а для истребителей времен Великой Отечественной войны — от 150 до 300-400 часов из-за повышенного форсирования. Автомобильные двигатели рассчитаны на сотни тысяч километров, что эквивалентно тысячам часов работы, правда, при значительно меньших нагрузках.

Раскапотированный поршневой двигатель М-34Р на АНТ-25. Фото: архив ЦАГИ

В-третьих, авиационные двигатели имеют дублированную систему зажигания — две свечи на цилиндр и два магнето (устройства, преобразующие механическую энергию в электрическую), что повышает надежность их работы.

И, наконец, в-четвертых, авиационные поршневые моторы работают на авиационном бензине, который отличается от автомобильного по октановому числу и стабильности. Удельный расход топлива у авиационных двигателей выше, чем у автомобильных. Также расход масла у авиамоторов значительно больше из-за высоких тепловых и механических нагрузок. В то же время по системе охлаждения двигатели во многом схожи. У автомобильных охлаждение жидкостное (антифриз и радиатор), похожую систему используют авиационные рядные, или, как их еще называют, V-образные моторы, например, отечественные М-105ПФ/ПФ-2 и немецкие «Даймлер-Бенц» DB601 времен Великой Отечественной войны. В таком же, рядном либо V-образном порядке располагаются и цилиндры большинства автомобильных моторов.

Но имеется и другая группа поршневых авиадвигателей, она использует воздушное охлаждение набегающим потоком воздуха, в этом случае цилиндры размещаются радиально, а сами моторы такого типа именуются радиальными, или звездообразными воздушного охлаждения. Необходимым качеством авиамоторов является их способность работать в любых положениях, что достигается использованием масляных систем с сухим картером и специальных насосов.

Поршневики покоряют небо

Всю мировую авиацию в период с 1900 по конец 1940-х годов невозможно себе представить без поршневых авиационных двигателей. Мощнейший импульс развитию как самой авиации, так и авиационному моторостроению дала Первая мировая война. В эту глобальную европейскую бойню, как позже ее назовут современники, большинство стран вступили, имея на вооружении самолеты, оснащенные ротативными поршневыми авиамоторами воздушного охлаждения с радиальным расположением цилиндров. Яркой особенностью ротативного поршневого авиадвигателя было то, что его цилиндры с поршнями вращались вместе с картером и воздушным винтом вокруг неподвижного коленчатого вала, закрепленного на моторной раме. То есть получался как бы «двигатель наоборот»: коленвал неподвижен, а все остальное непрерывно вращается.

Ротативными двигателями оснащались практически все самолеты начала Первой мировой войны: «Ньюпоры», «Мораны», «Фоккеры», «Сопвичи», «Вуазены» и т.д. В середине войны им на смену пришли более мощные и совершенные V-образные моторы жидкостного охлаждения — «Испано-Сюиза 8Be» (Hispano-Suiza 8Be), «Мерседес» D.IIIа, «Siddeley Puma», отличавшиеся повышенной в среднем до 200 л.с. мощностью. Ротативные же моторы развивали немногим более 100 «лошадей».

Именно в то далекое время стало ясно, что моторостроение в целом, и авиационное в частности, является наиболее наукоемким, сложным, высокотехнологичным производством полного цикла, требующим больших вложений. Разработку и производство авиамоторов в промышленных масштабах могли себе позволить только самые передовые в техническом отношении страны. К большому сожалению, Российская империя в число этих государств тогда не входила. Моторостроение находилось в зачаточном состоянии, основу выпускаемой продукции составляли маломощные двигатели устаревших моделей иностранных фирм, выпускаемые единичными заводами из поставляемых западных комплектующих. Да и те предприятия, как правило, работали под контролем иностранных специалистов.

Предполетный осмотр поршневого двигателя М-105 на самолете Пе-2. Фото: интернет-музей российской авиации «Авиару.рф»

Такое положение дел никак не могло устроить советскую власть, которая энергично взялась за создание новых вооруженных сил. На первом этапе с целью преодоления технического и технологического отставания закупались наиболее совершенные образцы двигателей с лицензией на производство. Далее в кратчайший срок эта модель полностью осваивалась производством, после чего коллектив специалистов, занимавшихся внедрением образца в серию, уже на его основе разрабатывал более совершенный авиадвигатель. Как показали дальнейшие события, такой подход полностью себя оправдал.

Подобная практика применялась и в других странах. Так, английские авиамоторы «Бристоль-Титан» под маркой «Гном-Рон-Титан» вполне успешно выпускались во Франции по лицензии во второй половине 1920-х годов. Более того, даже в такой промышленно развитой стране, как Германия, не считали зазорным приобретение лицензий на удачные модели авиационных моторов — американский мотор Wright R-1820 Cyclone послужил прототипом авиамоторов немецкой фирмы БМВ, на которых затем всю войну отлетали многие самолеты люфтваффе.

Полностью локализованное производство авиационных моторов в Советском Союзе появилось уже к началу 1930-х годов. Тогда же были сформированы специальные моторостроительные ОКБ. Отметим наиболее известные и распространенные образцы отечественных двигателей того времени. Под руководством Александра Микулина были созданы авиационные двигатели жидкостного охлаждения М-17, М-34, немного позднее в ОКБ Владимира Климова появилось «сотое» семейство — М-100, М-103, М-105. Работы велись и по радиальным моторам воздушного охлаждения — под руководством Аркадия Швецова были разработаны и запущены в серийное производство двигатели М-11, М-25, М-62, М-63.

На пределе возможностей

Вторая мировая война явилась временем наибольшего расцвета поршневых авиадвигателей, поскольку именно в ее ходе эти моторы достигли пика своего развития. Но одновременно с этим в конце войны наметился и закат поршневой авиации. Уже в 1944 году на фронте появились первые реактивные боевые самолеты, и участь винтовых крылатых машин была предрешена.

В предвоенные годы развитие разных типов поршневых моторов шло параллельно — выпускались как рядные моторы жидкостного охлаждения, так и радиальные звездообразные двигатели воздушного охлаждения. Во время Второй мировой войны разработка авиационных двигателей достигла высокого уровня, и несколько моделей выделились особой надежностью, мощностью и технологическим совершенством.

Наиболее удачными иностранными образцами стали немецкие жидкостные Daimler-Benz DB 605 и радиальные БМВ-801, американские «воздушники» Pratt & Whitney R-2800 «Double Wasp», а также Allison V-1710 и Packard V-1650 жидкостного охлаждения, английские V-образные моторы Rolls-Royce Merlin и японские радиальные Nakajima Homare.

Механик Григорий Трушковский регулирует клапаны поршневого двигателя АМ-38Ф на Ил-2. Фото: интернет-музей российской авиации «Авиару.рф»

Одними из лучших в своем классе стали отечественные поршневые авиационные моторы времен Великой Отечественной войны. Например, звездообразный двигатель воздушного охлаждения М-82 и его модификации М-82Ф/М-82ФН форсированные и с непосредственным впрыском топлива в цилиндры, позже переименованные в честь своего создателя Аркадия Швецова в АШ-82. Или жидкостные V-образные моторы М-105ПФ/М-105ПФ2 и М-107 поздних серий с увеличенным до 100−115 часов моторесурсом, созданные под руководством Владимира Климова.

Одними из самых массовых и надежных были поршневые авиадвигатели АМ-38 и АМ-38Ф, созданные в КБ Александра Микулина. Во многом благодаря высоким качествам силовых установок советской авиации удалось к середине войны достигнуть сначала паритета с люфтваффе, а затем уверенно превзойти противника, особенно в диапазоне малых и средних высот. К концу Второй мировой войны мощности поршневых моторов достигли уже 1700−2000 л.с., при этом отдельные экземпляры шагнули и за двухтысячный рубеж. Так, например, двигатель АШ-82ФН развивал 1850 «лошадей», а М-107, также переименованный по инициалам Климова в ВК-107, выдавал 1650 л.с.

Самым же мощным отечественным поршневым авиационным мотором, выпускавшимся серийно, стал АШ-73ТК. Это был 18-цилиндровый двухрядный звездообразный двигатель с турбокомпрессорами, разработанный под руководством Аркадия Дмитриевича Швецова при участии Павла Александровича Соловьева. Двигатель был создан в 1947 году и имел мощность 2400 лошадиных сил.