British Supermarine Spitfire был одним из самых популярных истребителей Второй мировой войны . Базовый планер оказался чрезвычайно адаптивным, способным выдерживать гораздо более мощные двигатели и гораздо большие нагрузки, чем позволяла его первоначальная роль перехватчика ближнего действия. Это привело к 24 маркам Spitfire и множеству подвариантов в пределах марок, которые производились в течение Второй мировой войны и после нее, в постоянных усилиях по выполнению требований Королевских ВВС и успешной борьбе с постоянно совершенствующимися самолетами противника.
Spitfire также был принят на вооружение авианосцев Королевского флота ; в этой роли они были переименованы в Supermarine Seafire . Хотя первая версия Seafire, Seafire Ib, была прямой адаптацией Spitfire Vb, последующие варианты включали столь необходимое усиление базовой структуры планера и изменения оборудования, чтобы выдерживать сложную морскую среду. В результате более поздние варианты Seafire обычно были тяжелее, и в случае серий Seafire XV/XVII и F. 47 они сильно отличались от своих наземных аналогов.
Примечательно, что на протяжении всего процесса разработки, который продолжался более двенадцати лет, с 1935 по 1948 год, не было ни одного выдающегося провала базовой конструкции: это настоящее свидетельство изначального гения Реджинальда Дж. Митчелла , его преемника Джозефа Смита и руководимых ими конструкторских групп. [1] [ требуется указание источника ]
Ключевым фактором, позволившим продолжить разработку Spitfire, была разработка все более мощных и усовершенствованных двигателей, начиная с Rolls-Royce Merlin и заканчивая более крупным и мощным Rolls-Royce Griffon . Развитие высокооктанового авиационного топлива и усовершенствованные конструкции нагнетателей позволили Rolls-Royce извлекать все большее количество мощности из тех же базовых конструкций. Например, Merlin II и III, которые устанавливались на Spitfire I, вырабатывали максимум 1030 л. с. (770 кВт) при использовании 87- октанового авиационного топлива, которое было общедоступно с 1938 по 1941 год; с начала 1940 года увеличение поставок 100-октанового топлива позволило увеличить максимальную мощность до 1310 л. с. (977 кВт) с увеличенным давлением наддува нагнетателя, хотя и на максимальный срок в 5 минут. [2] В 1944 году топливо класса 100/150 позволило Merlin 66 развивать мощность 1860 л.с. (1387 кВт) на малых высотах на полной передаче.
В зависимости от установленного нагнетателя двигатели классифицировались как низковысотные (например, Merlin 66, Griffon III), где двигатель развивал максимальную мощность ниже примерно 10 000 футов (3 000 м), средневысотные (Merlin 45), где двигатель развивал максимальную мощность до примерно 20 000 футов (6 100 м), и высокогорные (Merlin 70), где двигатель развивал максимальную мощность выше примерно 25 000 футов (7 600 м). В результате префиксы, которые использовались на большинстве более поздних вариантов Spitfire; LF, F и HF; указывали, подходили ли установленные двигатели для низкой, средней или большой высоты соответственно. Использование этих префиксов не менялось в зависимости от крыльев, которые могли быть оснащены «обрезанными» законцовками, уменьшающими размах крыльев примерно до 32 футов 6 дюймов (9,9 м) (этот показатель мог немного отличаться), или «заостренными» законцовками, увеличивающими размах крыльев до 40 футов 2 дюймов (12,29 м).
Оригинальные конструкции двигателей Merlin и Griffon использовали одноступенчатые нагнетатели. Для двигателей, оснащенных одноступенчатым нагнетателем, воздух, нагнетаемый через воздухозаборник нагнетателя, сжимался крыльчаткой нагнетателя . В случае серий Merlin II/III, XII и 40, когда воздух сжимался, он смешивался с топливом, которое подавалось через карбюратор SU перед подачей в цилиндры двигателя . Merlin III выдавал 1030 л. с. (770 кВт) при +6¼lb/in² (43 кПа ) «наддува» («наддув» — это давление, до которого сжимается воздушно-топливная смесь перед подачей в цилиндры). [3] Ограничением одноступенчатого нагнетателя было то, что максимальная мощность быстро падала по мере достижения больших высот; поскольку давление и плотность воздуха уменьшаются с высотой, эффективность поршневого двигателя падает из-за уменьшения веса воздуха [nb 1] , который может быть втянут в двигатель; Например, плотность воздуха на высоте 30 000 футов (9 100 м) составляет 1/3 от плотности на уровне моря , поэтому в цилиндр можно втянуть только 1/3 количества воздуха и сжечь только 1/3 топлива.
Нагнетатель можно рассматривать как устройство, искусственно увеличивающее плотность воздуха путем его сжатия, или как устройство, нагнетающее в цилиндр больше воздуха, чем обычно, каждый раз, когда поршень движется вниз. [4]
Самым фундаментальным изменением, внесенным в более поздние двигатели Merlin (серии 60, 70, 80 и 100) и Griffon (серии 60 и 80), было включение двухступенчатого двухскоростного нагнетателя, который обеспечивал значительное увеличение мощности, особенно на больших высотах. Двухступенчатый относится к использованию двух крыльчаток на общем приводном валу, что составляет два последовательных нагнетателя. [nb 2] Когда воздух втягивался через воздухозаборник, топливо нагнеталось в воздушный поток карбюратором. [5] Крыльчатка первой ступени сжимала воздушно-топливную смесь, которая затем подавалась на меньшую крыльчатку второй ступени, которая дополнительно сжимала смесь.
Рабочие колеса приводились в движение гидравлическим двухскоростным редуктором. [6] На малых и средних высотах нагнетатель находился в режиме умеренного нагнетателя или передачи MS (это относилось к передаче и, следовательно, к скорости, на которой работали рабочие колеса). Как только самолет достигал и поднимался на установленную критическую высоту (20 000 футов (6 100 м) для серий Merlin 61 и 70), мощность начинала падать, поскольку атмосферное давление (плотность воздуха) падало. [7] Когда критическая высота была пройдена, управляемая давлением анероидная капсула приводила в действие коробку передач, которая изменяла скорость на передачу полного нагнетателя (FS) , которая приводила рабочие колеса в движение быстрее, тем самым сжимая больший объем воздушно-топливной смеси. [8] [nb 3]
Интеркулер был необходим для предотвращения перегрева сжатой смеси и ее воспламенения до достижения цилиндров (предварительный стук зажигания) или создания состояния, известного как детонация . Интеркулер , который был отделен от системы охлаждения двигателя, с собственным запасом гликоля и охлаждающей жидкости, был установлен в системе впуска, между выпускным отверстием нагнетателя второй ступени и за блоками цилиндров. Горячая воздушно-топливная смесь из нагнетателя циркулировала через и вокруг трубок охлаждающей жидкости, а затем передавалась в главный впускной коллектор, через который она подавалась в цилиндры. Интеркулер также циркулировал охлаждающую жидкость через каналы в корпусе нагнетателя и между рабочими колесами. [9] Наконец, дополнительный радиатор (установленный в правом радиаторном канале под крылом Spitfire) использовался для рассеивания избыточного тепла заряда промежуточного охладителя. [9]
С двухступенчатым, двухскоростным нагнетателем можно указать два набора номинальных мощностей. Например, максимальная мощность, вырабатываемая Merlin 61, составляла 1565 л. с. (1167 кВт) на высоте 12 250 футов (3730 м) ( критическая высота ) на скорости MS, используя «наддув» + 15 фунтов/дюйм². [7] Для привода редуктора FS требовалось приблизительно 200 л. с. (149 кВт). В результате максимальная мощность, вырабатываемая Merlin 61 в режиме FS, составляла 1390 л. с. (1036 кВт) на высоте 25 900 футов (7900 м) с использованием «наддува» + 15 фунтов/дюйм². [7] [10] Merlin 66, используемый в LF Mk IX, вырабатывал немного больше мощности, но из-за использования немного иных передаточных чисел, приводящих в движение меньшие импеллеры, критические высотные показатели ступеней нагнетателя были ниже, 7000 футов (2100 м) и 18 000 футов (5500 м) соответственно. В отличие от этого, Merlin 70, который был оптимизирован для высотных полетов, имел критические высоты 14 000 футов (4300 м) (MS) и 25 400 футов (7700 м) (FS). [11] (В отличие от двигателей Merlin, Griffon использовали нагнетатели, которые были разработаны для достижения максимальной производительности в более широком диапазоне высот; поэтому не было вариантов LF или HF Spitfire с двигателями Griffon.)
Первоначальные варианты производства Merlin использовали карбюратор, произведенный SU, в котором расход топлива измерялся через поплавок. В большинстве случаев этого оказалось достаточно, но во время воздушных боев над Дюнкерком и во время битвы за Британию было обнаружено, что всякий раз, когда Merlin подвергался воздействию отрицательных "g" сил, таких как быстрый "bunt" в пикировании, двигатель на короткое время терял мощность из-за нехватки топлива. Это было связано с тем, что бензин в поплавке выбрасывался из подающей трубы в нагнетатель. Двигатель Daimler-Benz DB 601 с впрыском топлива давал Bf 109 особое преимущество перед двигателем, оснащенным карбюратором; ни один Spitfire не мог просто "bunt" и нырнуть от противника, как это мог 109. [12] Средство, изобретенное Беатрис "Тилли" Шиллинг , состояло в том, чтобы установить металлическую диафрагму с отверстием в ней поперек поплавковых камер. Это частично решило проблему нехватки топлива в пикировании. Это устройство обычно называли «Отверстием мисс Шиллинг».
Полным решением было использование карбюратора Bendix-Stromberg , который позволял точнее измерять количество топлива, используемого двигателем, и предотвращал нехватку топлива. Этот новый карбюратор использовался в серии Merlin 66 и на всех двигателях Griffon. В этих двигателях карбюратор впрыскивал топливо под давлением 5 фунтов на квадратный дюйм через сопло непосредственно в нагнетатель, а затем сжатая воздушно-топливная смесь направлялась в цилиндры. Последней разработкой стал инжекторный карбюратор SU, который впрыскивал топливо в нагнетатель с помощью топливного насоса, приводимого в действие в зависимости от частоты вращения коленчатого вала и давления двигателя; хотя он был установлен на Merlins 100 серии, которые не использовались в серийных Spitfire, он использовался в сериях Griffon 60 и 80.
Британцы измеряли давление наддува как фунт/кв. дюйм (или psi) выше номинального значения атмосферного давления на уровне моря. Показание +6 означало, что воздушно-топливная смесь сжималась нагнетателем нагнетателя до 20,7 (округленное число) psi перед поступлением в двигатель; +25 означало, что воздушно-топливная смесь сжималась до 39,7 psi – атмосферное давление 14,7 psi добавлялось к давлению «наддува» 25 psi.
В попытке повысить производительность Spitfire Mk1 в мае 1940 года ученые RAe (включая Хейна Константа ) разработали «пропульсивный канал». По сути, это был простой прямоточный воздушно-реактивный двигатель, работающий на бензине и использующий эффект Мередита . Он был размещен в глубоком канале размером 48 на 30 на 15 дюймов (122 см × 76 см × 38 см), установленном на центральной линии фюзеляжа и напоминавшем третий радиатор. Стендовые испытания показали, что увеличение скорости было незначительным, и устройство не было испытано в полете. В 1943 году идея была пересмотрена в качестве противодействия угрозе V1 . Такие самолеты, как Hawker Tempest и Gloster Meteor, не были широко доступны, а Spitfire мог перехватывать только в пикирующей атаке. AD Baxter и CWR Smith в Фарнборо рассмотрели работу 1940 года и пришли к выводу, что она была практичной, но возникли проблемы с сопротивлением и потерей давления, и V1 потерпел неудачу, прежде чем они были решены. [14]
Из-за множества различий в производстве Spitfire, характеристики могли значительно различаться, даже между самолетами с одинаковым номером Mark . Такие факторы, как вес, внешние крепления, состояние планера и двигателя, среди прочего, влияли на то, как самолет вел себя. Например, даже относительно небольшое повреждение передней кромки крыла могло резко снизить максимальную скорость. Самые надежные показатели характеристик и измерения веса были получены в ходе испытаний, проводившихся в течение Второй мировой войны Экспериментальным учреждением по производству самолетов и вооружения (A&AEE), базирующимся в Боскомб-Дауне .