Гипердвигатель был исследовательским проектом Воздушного корпуса армии США (USAAC) 1930-х годов по разработке высокопроизводительного авиационного двигателя, который был бы равен или лучше, чем самолеты и двигатели, которые тогда разрабатывались в Европе . Целью проекта было создание двигателя, способного развивать мощность 1 л.с./дюйм 3 (46 кВт/л) рабочего объема двигателя при доставленной массе менее 1 фунта/л.с. Конечная цель разработки заключалась в увеличении удельной мощности, подходящей для авиалайнеров и бомбардировщиков дальнего действия.
В то время ни один серийный двигатель не мог приблизиться к этим требованиям, хотя этот рубеж был достигнут специально модифицированными или специально созданными гоночными двигателями, такими как Napier Lion и Rolls-Royce R. Типичный большой двигатель той эпохи, радиальный двигатель Pratt & Whitney R-1830 Twin Wasp , развивал около 1200 л.с. (895 кВт) из 1830 л.с. в 3 (30 л), поэтому потребуется опережение не менее 50%. Простое расширение существующего проекта не решит проблему. Хотя это увеличило бы общую доступную мощность, это также увеличило бы вес и, таким образом, не оказало бы существенного влияния на соотношение мощности к весу. Для достижения целей были необходимы более радикальные изменения. [1]
В рамках гиперпрограммы было построено несколько двигателей, но по ряду причин ни один из них не был использован в производстве. Двигатели с воздушным охлаждением от различных американских компаний к началу 1940-х годов обеспечивали схожую мощность, а лицензионное производство Rolls -Royce Merlin под названием Packard V-1650 обеспечивало характеристики, сравнимые с производительностью рядного двигателя, в то время как Allison V-1710 сделал то же самое на основе американского проекта, созданного частными усилиями вне гиперпрограммы.
Улучшения в конструкции и более легкие материалы уже принесли некоторые преимущества на пути к более высокому соотношению мощности и веса . Алюминий стал использоваться вместо стали по мере улучшения качества и прочности алюминиевых сплавов в 1930-х годах; это заметно снизило вес двигателя, но недостаточно для общего улучшения на 50%. Для достижения этой цели необходимо также увеличить мощность двигателя. Мощность — это комбинация энергии и скорости ее передачи, поэтому для улучшения соотношения мощности к весу необходимо увеличить рабочее давление двигателя, рабочую скорость или комбинацию того и другого. Дальнейший выигрыш может быть достигнут за счет устранения таких потерь, как трение, неэффективность сгорания и потерь на продувку, путем передачи большей теоретической мощности пропеллеру . [2]
Инженеры USAAC решили, что будут изучены все три улучшения. Вскоре они пришли к выводу, что повышение температуры сгорания и эффективности очистки обещает наибольшее увеличение всех возможностей. Для достижения этой цели увеличение частоты вращения двигателя казалось наиболее привлекательным решением. Однако существовал ряд практических проблем, которые препятствовали прогрессу в этих областях.
Увеличение степени сжатия — это простое изменение, которое улучшает среднее эффективное давление (MEP), но приводит к детонации двигателя из-за непостоянной детонации. Неконтролируемый стук может привести к повреждению двигателя и является основным препятствием на пути к улучшению параметров мощности. Это изменение также приведет к увеличению рабочих температур, что приведет к проблемам с клапанами. Клапаны уже достигли температуры, которая могла бы вызвать преждевременное возгорание топлива, проходящего мимо них.
Увеличение эксплуатационной скорости теоретически также является простым изменением конструкции двигателя. Однако на высоких рабочих скоростях клапаны не закрываются полностью, прежде чем кулачок снова их откроет. Эта проблема называется « плаванием клапана ». Поплавок клапана позволяет газам в цилиндре выходить через частично открытый клапан, снижая эффективность двигателя. Увеличение давления клапанной пружины для более быстрого закрытия клапанов привело к быстрому износу кулачков и увеличению трения, что снизило общую производительность больше, чем любая полученная мощность. [3]
Поскольку клапаны были ключевым вопросом в обоих подходах к повышению производительности, они были основной областью исследований в 1920-х и 30-х годах. Именно по этим причинам в Великобритании Гарри Рикардо написал влиятельную статью о системе золотниковых клапанов , утверждая, что это единственный путь вперед. Он добился определенного успеха в продаже этой идеи, в первую очередь компании Bristol Airplane Company Engines, где Рой Федден стал «верующим». Дружественный конкурент Рикардо, Фрэнк Хэлфорд , разработал свой собственный двигатель с золотниковым клапаном совместно с Napier & Son , еще одним известным британским производителем двигателей. [4]
USAAC не был настолько убежден, что золотниковый клапан был единственным решением. По иронии судьбы, именно одна из статей Рикардо о конструкции золотникового клапана привела к усилиям USAAC по созданию гипердвигателя. В одной из статей конца 1920-х годов он утверждал, что цели в 1 л.с./дюйм³ невозможно достичь с помощью двигателей с тарельчатым клапаном. Команда инженеров USAAC в Райт Филд решила проверить это утверждение, опровергнув его. Они предложили двигатель объемом около 1200 кубических дюймов (20 л), надеясь, что меньший размер двигателя приведет к уменьшению лобового сопротивления и, следовательно, к увеличению дальности полета .
Сэм Херон , руководитель отдела разработки в Wright Field и бывший коллега Рикардо, когда Херон работал на Королевском авиационном заводе в Фарнборо, начал работать над проблемой одноцилиндрового испытательного двигателя, который он переоборудовал на жидкостное охлаждение, используя Liberty. Цилиндр двигателя Л-12 . Он увеличил мощность до 480 фунтов на квадратный дюйм , а температуру охлаждающей жидкости до 300 °F (149 °C), прежде чем достиг волшебных чисел. К 1932 году обнадеживающие усилия USAAC побудили армию подписать контракт на разработку с компанией Continental Motors для продолжения разработки конструкции двигателя. Контракт ограничивал роль Continental строительством и испытаниями, оставляя фактическую инженерную разработку армии. [5]
Начиная с цилиндра L-12, они уменьшили ход поршня с 7 дюймов до 5 дюймов, чтобы обеспечить более высокие обороты двигателя, а затем уменьшили диаметр цилиндра с 5 дюймов до 4,62 дюйма, создав цилиндр объемом 84 дюйма³. Он будет использоваться в двигателе V-12 рабочим объемом 1008 дюймов³ . [6] Они использовали верхний распределительный вал L-12 для управления несколькими клапанами меньшего размера, что улучшило эффективность зарядки и продувки . Первый испытательный двигатель Continental, одноцилиндровый Hyper No.1, впервые был запущен в 1933 году.
В конце концов они определили, что выпускные клапаны могут работать холоднее, если использовать полый сердечник, наполненный натрием — натрий сжижается и значительно увеличивает передачу тепла от головки клапана к его штоку, а затем к относительно более холодной головке блока цилиндров, где его подхватывает жидкая охлаждающая жидкость. . [6]
В системах жидкостного охлаждения в то время использовалась простая вода, что ограничивало рабочую температуру примерно до 180 ° F (82 ° C). Инженеры предложили использовать этиленгликоль , который допускал бы температуру до 280°F. Сначала они предложили использовать 100% гликоль, но улучшения не произошло из-за более низкой удельной теплоемкости гликоля (около 2/3 от теплоемкости воды). В конце концов они определили, что смесь воды и гликоля в соотношении 50/50 (по объему) обеспечивает оптимальный отвод тепла. [6]
К Hyper No. 1 был добавлен второй цилиндр, чтобы сделать горизонтально-оппозитный двигатель для оценки горизонтально-оппозитного 12-цилиндрового двигателя. После запуска модифицированного двигателя с различными комбинациями диаметра цилиндра и хода поршня было обнаружено, что высокая температура охлаждающей жидкости, необходимая для поддержания требуемой мощности, нецелесообразна. Затем был построен третий высокопроизводительный одноцилиндровый двигатель с более низкими рабочими параметрами. Этот двигатель получил обозначение «Гипер № 2» и стал испытательным стендом для разработки цилиндров, которые впоследствии стали О-1430-1. [6]
Армия, по-видимому, озаботилась разработкой подходящего нагнетателя для использования на большой высоте, и для дальнейшей разработки в 1934 году они запросили более новый цилиндр с немного меньшей производительностью и увеличенным объемом 118,8 дюйма 3 с его 5,5 дюйма (140 мм). диаметр цилиндра и ход поршня 5,0 дюйма (130 мм). Цилиндр такого размера затем будет использоваться в 12-цилиндровом двигателе объемом 1425 дюймов 3 , обеспечивающем ту же мощность 1000 л.с. и производительность 0,7 л.с./дюйм 3 . Это поставило его характеристики на один уровень с новыми экспериментальными двигателями из Европы, такими как Rolls-Royce PV-12 , по крайней мере, при работе на высокооктановом топливе, которое армия планировала использовать. [7]
Еще одно изменение коснулось компоновки двигателя. Армия, убежденная в том, что в будущих конструкциях самолетов будут использовать двигатели, спрятанные в крыльях для дополнительной обтекаемости, попросила Continental разработать полноразмерный плоско-горизонтально-оппозитный двигатель для установки внутри крыла. Результатом стал двигатель Continental O-1430, разработка которого потребовала десятилетнего периода, в результате чего компоновка была изменена сначала на вертикальный двигатель V-12 , а затем на перевернутый двигатель V-12, прежде чем он стал достаточно надежным, чтобы его можно было рассматривать для полного производства. как Continental IV-1430 в 1943 году. К тому времени другие двигатели уже превысили мощность в 1600 л.с. (1200 кВт), и хотя IV-1430 имел лучшее соотношение мощности к весу, мало что еще позволяло предположить налаживание производства. в разгар войны имело смысл. [7]
В конечном итоге проект руководствовался требованиями «Запроса данных R40-C», который был включен как часть программы закупок самолетов на 1940 финансовый год (FY).
Когда 1938 год подошел к концу, война в Европе стала неизбежной. К этому моменту европейские самолеты значительно превзошли американские разработки. [8] Два лучших истребителя USAAC, Северский P-35 и Curtiss P-36A , едва могли развивать скорость 300 миль в час (480 км/ч). Против Messerschmitt Bf 109, развивающего скорость более 340 миль в час , они были бы полностью превзойдены. Одним из ответов Америки на этот вопрос, двухмоторный Lockheed XP-38 , выходил на расширенную программу испытаний.
Хотя XP-38 мог летать со скоростью более 413 миль в час, его два двигателя и относительно большая рама делали его большим и тяжелым. Это, в свою очередь, означало, что XP-38 был не таким маневренным, как большинство одномоторных истребителей. [9] XP-38 также имел недавно представленный двигатель жидкостного охлаждения Allison V-1710 . Рядное расположение V-образных цилиндров Allison позволило создать узкую аэродинамическую форму, которая имела меньшее сопротивление, чем истребители с радиальными двигателями воздушного охлаждения, которые преобладали в Америке в то время. [10]
Программа закупок истребителей на 1940 финансовый год содержалась в документе, одобренном помощником военного министра Луи К. Джонсоном 9 июня 1939 года. Этот документ назывался «Запрос данных R40-C», и в отличие от предыдущих запросов на закупку самолетов, он был отправлен лишь ограниченному числу производителей самолетов. Оригинал документа должен был быть отправлен по адресу: [11]
После окончательного рассмотрения и утверждения в качестве спецификации типа XC-622 авиакорпуса в раздачу были добавлены еще четыре производителя:
У этих компаний было всего десять дней, чтобы согласиться с условиями документа, и всего 30 дней, чтобы представить свои разработки.
Семь из выбранных компаний представили в общей сложности 26 проектов, включающих 16 моделей двигателей от шести компаний по производству двигателей. Эти двигатели стали известны как «Гипердвигатели», сокращение от « Высокопроизводительные двигатели » . Представленные проекты оценивались с использованием рейтинговой системы «Показатель качества» (FOM), а затем с использованием результатов FOM (которые варьировались от 444,12 для Allison V-1710-E8 до 817,90 для Pratt and Whitney X-1800-A4G). ), они были выделены в одну из трех групп.
Только три из этих десяти проектов были одобрены, и были заключены контракты на ограниченную серию прототипов по три самолета для каждого. [12]
Были выбраны три комбинации самолёт/двигатель: [13]
Три дополнительных высокопроизводительных двигателя рассматривались для программы закупок двигателей «Hyper» USAAC на 1942 финансовый год. Это были: [13]
Чтобы не остаться в стороне, ВМС США также выбрали Lycoming XH-2470 для финансирования в 1942 финансовом году. [13]
В конце концов все эти программы были отменены, а уцелевшие двигатели стали музейными экспонатами.
По иронии судьбы, двигатели, которые не рассматривались в программе; Allison V-1710 , Pratt & Whitney R-2800 Double Wasp , Wright R-3350 Duplex-Cyclone и Pratt & Whitney R-4360 Wasp Major превзошли требования USAAC и продолжают летать в 21 веке, в основном летая на восстановленных боевых птицах . самолет.
{{cite book}}: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка )