Британский Supermarine Spitfire был одним из самых массовых истребителей Второй мировой войны . Базовый планер оказался чрезвычайно адаптируемым, способным выдерживать гораздо более мощные двигатели и гораздо большие нагрузки, чем позволяла его первоначальная роль перехватчика ближнего действия. Это приведет к тому, что на протяжении всей Второй мировой войны и после нее будет производиться 24 марки Spitfire и множество подвариантов этих марок в рамках постоянных усилий по выполнению требований Королевских ВВС и успешной борьбе с постоянно совершенствующимися самолетами противника.
«Спитфайр» 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 конструкции планера и изменения оборудования, чтобы выжить в сложных морских условиях. В результате более поздние варианты Seafire обычно были тяжелее, а в случае серий Seafire XV/XVII и F. 47 они сильно отличались от своих наземных аналогов.
Примечательно, что на протяжении всего процесса разработки, продолжавшегося двенадцать лет, с 1935 по 1948 год, не было ни одного выдающегося провала базовой конструкции: это настоящее свидетельство оригинального гения Реджинальда Дж. Митчелла , его преемника. Джозеф Смит и возглавляемые ими группы дизайнеров. [1] [ нужна ссылка на источник ]
Ключевым фактором, который позволил продолжить разработку Spitfire, была разработка все более мощных и улучшенных двигателей, начиная с Rolls-Royce Merlin и заканчивая более крупным и мощным Rolls-Royce Griffon . Развитие высокооктанового авиационного топлива и усовершенствованная конструкция нагнетателей позволили Rolls-Royce извлекать все больше энергии из тех же базовых конструкций. Например, Merlin II и III, которыми оснащался Spitfire I, производили максимум 1030 л.с. (770 кВт) при использовании авиационного топлива с октановым числом 87 , которое обычно было доступно с 1938 по 1941 год; с начала 1940 года увеличение поставок топлива с октановым числом 100 позволило увеличить максимальную мощность до 1310 л.с. (977 кВт) с увеличенным давлением наддува нагнетателя, хотя и в течение максимального срока в 5 минут. [2] В 1944 году топливо класса 100/150 позволило Merlin 66 развивать мощность 1860 л.с. (1387 кВт) на малых высотах в режиме FS.
В зависимости от установленного нагнетателя двигатели классифицировались как маловысотные (например, Merlin 66, Griffon III), где двигатель развивал максимальную мощность ниже примерно 10 000 футов (3 000 м), и средневысотные (Merlin 45), где двигатель выдавал свою максимальную мощность. максимальная мощность примерно до 20 000 футов (6 100 м) и большая высота (Мерлин 70), где двигатель развивает максимальную мощность на высоте более 25 000 футов (7 600 м). В результате префиксы, которые использовались на большинстве более поздних вариантов Spitfire; НЧ, Ф и ВЧ; указывалось, подходят ли установленные двигатели для работы на малой, средней или большой высоте соответственно. Использование этих префиксов не менялось в зависимости от крыльев, которые могли быть оснащены «обрезанными» законцовками, уменьшающими размах крыла примерно до 32 футов 6 дюймов (9,9 м) (это значение могло незначительно варьироваться), или «заостренных» законцовок, которые увеличил размах крыльев до 40 футов 2 дюйма (12,29 м).
В оригинальных двигателях Merlin и Griffon использовались одноступенчатые нагнетатели. В двигателях, оснащенных одноступенчатым нагнетателем, воздух, нагнетаемый через воздухозаборник нагнетателя, сжимался крыльчаткой нагнетателя . В случае серий Merlin II/III, XII и 40 воздух при сжатии смешивался с топливом, которое подавалось через карбюратор SU перед подачей в цилиндры двигателя . Merlin III производил 1030 л.с. (770 кВт) при +6¼lb/дюйм² (43 кПа ) «наддува» («наддув» — это давление, до которого сжимается топливовоздушная 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 всасываться в двигатель; например, плотность воздуха на высоте 30 000 футов (9 100 м) составляет 1/3 от плотности на уровне моря , таким образом, только 1/3 количества воздуха может быть втянуто в цилиндр и только 1/3 топлива может сгореть. .
Нагнетатель можно рассматривать либо как искусственно увеличивающий плотность воздуха путем его сжатия, либо как нагнетающий больше воздуха, чем обычно, в цилиндр 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 внедрение двухступенчатого двухскоростного нагнетателя, что обеспечило значительное увеличение мощности. , особенно на больших высотах. Двухступенчатый означает использование двух рабочих колес на общем карданном валу, образующих два последовательно соединенных нагнетателя. [nb 2] Когда воздух всасывался через воздухозаборник, карбюратор нагнетал топливо в воздушный поток. [5] Крыльчатка первой ступени сжимала топливовоздушную смесь, а затем она подавалась на крыльчатку второй ступени меньшего размера, которая дополнительно сжимала смесь.
Крыльчатки приводились в движение двухскоростной коробкой передач с гидравлическим приводом. [6] На малых и средних высотах нагнетатель работал в режиме умеренного нагнетателя или передачи MS (это относилось к передаче и, следовательно, к скорости, с которой работали крыльчатки). Как только самолет достигнет и преодолеет установленную критическую высоту (20 000 футов (6 100 м) для серий Merlin 61 и 70), мощность начнет падать по мере падения атмосферного давления (плотности воздуха). [7] Когда критическая высота была преодолена, анероидная капсула, работающая под давлением, приводила в действие коробку передач, которая переключала скорость на передачу полного нагнетателя (FS) , что приводило в движение крыльчатки быстрее, тем самым сжимая больший объем топливовоздушной смеси. [8] [номер 3]
Интеркулер был необходим для того , чтобы сжатая смесь не стала слишком горячей и не воспламенилась до достижения цилиндров (детонация перед зажиганием) или не создала состояние, известное как детонация или детонация . Интеркулер, отдельный от системы охлаждения двигателя, с собственной подачей гликоля и водяной охлаждающей жидкости, устанавливался в системе впуска, между выпускным отверстием нагнетателя второй ступени и за блоками цилиндров. Горячая топливовоздушная смесь из нагнетателя циркулировала по трубкам охлаждающей жидкости и затем подавалась в главный впускной коллектор, через который подавалась в цилиндры. Интеркулер также циркулировал охлаждающую жидкость через каналы в корпусе нагнетателя и между крыльчатками. [9] Наконец, дополнительный радиатор (установленный в канале радиатора правого борта под крылом «Спитфайра») был использован для рассеивания избыточного тепла наддува интеркулера. [9]
Для двухступенчатого двухскоростного нагнетателя 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 с использованием «наддува» + 15 фунтов / дюйм². [7] Для привода механизма FS требовалось около 200 л.с. (149 кВт). В результате максимальная мощность, вырабатываемая Merlin 61 в FS, составила 1390 л.с. (1036 кВт) на высоте 25 900 футов (7900 м) при использовании наддува + 15 фунтов/дюйм². [7] [10] Двигатель Merlin 66, использованный в LF Mk IX, производил немного большую мощность, но из-за использования немного разных передаточных чисел , приводящих в движение крыльчатки меньшего размера, критическая высота ступеней нагнетателя была ниже - 7000 футов (2100 м). и 18 000 футов (5 500 м) соответственно. Напротив, Merlin 70, оптимизированный для полетов на большой высоте, имел критические высоты 14 000 футов (4300 м) (MS) и 25 400 футов (7700 м) (FS). [11] (В отличие от двигателей Merlin, Griffons использовали нагнетатели, которые были разработаны для достижения максимальной производительности в более широком диапазоне высот; как таковых, не было вариантов Spitfire LF или HF с двигателями Griffon.)
В первоначальных вариантах производства Merlin использовался карбюратор производства 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 «Мерлин» подвергался воздействию отрицательных сил «перегрузки», например, при быстром «взрыве» в пикирование, двигатель на короткое время потеряет мощность из-за бензинового голодания. Это произошло потому, что бензин в поплавке выбрасывался из питающей трубы в нагнетатель. Двигатель Daimler-Benz DB 601 с впрыском топлива давал Bf 109 особенное преимущество перед двигателем, оснащенным карбюратором; ни один «Спитфайр» не мог просто «бунтовать» и нырять от противника, как это мог делать 109-й. [12] Средство, изобретенное Беатрис «Тилли» Шиллинг , заключалось в установке металлической диафрагмы с отверстием в ней через поплавковые камеры. Это частично решило проблему нехватки топлива при пикировании. Устройство обычно называли «Отверстием мисс Шиллинг».
Полным решением проблемы было использование карбюратора Бендикса-Стромберга , который позволял более точно дозировать количество топлива, используемого двигателем, и предотвращал топливное голодание. 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 топливовоздушная смесь направлялась в цилиндры. Последней разработкой стал инжекторный карбюратор SU, который впрыскивал топливо в нагнетатель с помощью топливного насоса, привод которого зависел от частоты вращения коленчатого вала и давления в двигателе; хотя он был установлен на Merlins серии 100, которые не использовались в производстве Spitfires, он использовался в Griffon 60 и 80 серий.
Британцы измерили давление наддува в фунтах на квадратный дюйм (или фунтах на квадратный дюйм) выше номинального значения атмосферного давления на уровне моря. Показатель +6 означал, что воздушно-топливная смесь сжималась нагнетателем до давления 20,7 (округленное число) фунтов на квадратный дюйм перед входом в двигатель; +25 означало, что воздушно-топливная смесь сжималась до атмосферного давления 39,7–14,7 фунтов на квадратный дюйм, добавленного к давлению «наддува» в 25 фунтов на квадратный дюйм.
В попытке повысить характеристики Spitfire Mk1 в мае 1940 года ученые RAe (включая Хейна Константа ) разработали «движительный канал». По сути, это был простой таранный реактивный двигатель, питаемый бензином и использующий эффект Мередита . Он размещался в воздуховоде глубиной 48х30х15 дюймов (122х76х38 см), установленном на центральной линии фюзеляжа и напоминавшем третий радиатор. Стендовые испытания показали, что прирост скорости был незначительным и аппарат не подвергался летным испытаниям. В 1943 году идея была пересмотрена как противодействие угрозе V1 . Такие самолеты, как Hawker Tempest и Gloster Meteor, не были широко доступны, а Spitfire мог перехватывать только с пикирования. А. Д. Бакстер и CWR Смит из Фарнборо рассмотрели работу 1940 года и пришли к выводу, что она была практичной, но возникли проблемы с сопротивлением и потерей давления, и V1 был побежден, прежде чем они были решены. [14]
Из-за множества различий в серийных «Спитфайрах» характеристики могли сильно различаться даже у самолетов с одинаковым номером марки . Такие факторы, как вес, внешнее оснащение, состояние планера и двигателя, среди прочего, влияли на характеристики самолета. Например, даже относительно незначительное повреждение передней кромки крыла может резко снизить максимальную скорость. Наиболее достоверные данные о характеристиках и измерениях веса были получены в результате испытаний, проведенных на протяжении всей Второй мировой войны Экспериментальным институтом самолетов и вооружения (A&AEE), базирующимся в Боскомб-Дауне .