Гипер-двигатель: Американская программа разработки авиационных двигателей 1930-х годов.
Hyper engine
Двигатель Hyper: амбициозный проект армии США 1930-х для создания мощного и легкого авиадвигателя, превосходящего европейские аналоги. Высокое отношение мощности к весу.
Сравнивайте с английским: нажмите на абзац — оригинал откроется в окне. Кнопка EN под абзацем показывает его прямо в тексте.
Содержание
Введение
Гипердвигатель был исследовательским проектом 1930-х годов, предпринятым Военно-воздушными силами армии США (USAAC) для разработки высокопроизводительного авиационного двигателя, который был бы не хуже, а то и лучше самолетов и двигателей, разрабатываемых в Европе в то время. Целью проекта было создание двигателя, способного выдавать 1 л.с./куб. дюйм (46 кВт/л) рабочего объема при весе менее 1 фунта на лошадиную силу. Конечной целью разработки было увеличение удельной мощности, подходящей для дальнемагистральных авиалайнеров и бомбардировщиков. В то время ни один серийный двигатель не мог даже приблизиться к этим требованиям, хотя подобного показателя удавалось достичь на специально модифицированных или созданных для гонок двигателях, таких как Napier Lion и Rolls Royce R. Типичный крупный двигатель того времени, радиальный Pratt & Whitney R-1830 Twin Wasp, развивал около 1200 л.с. (895 кВт) при рабочем объеме 1830 куб. дюймов (30 л), поэтому требовалось увеличение как минимум на 50%. Простое увеличение размеров существующей конструкции не решило бы проблему. Это увеличило бы общую доступную мощность, но также и вес, и, следовательно, не оказало бы существенного влияния на удельную мощность. Для достижения поставленных целей требовались более радикальные изменения. В рамках программы «Гипер» было построено несколько двигателей, но по различным причинам ни один из них не был запущен в серийное производство. К началу 1940-х годов двигатели воздушного охлаждения различных американских компаний обеспечивали сопоставимые показатели мощности, а лицензионное производство Rolls Royce Merlin под названием Packard V-1650 обеспечивало характеристики, близкие к «Гипер», от рядного двигателя, в то время как Allison V-1710 делал то же самое, но на основе американской разработки, созданной вне программы «Гипер» как частная инициатива.
The hyper engine was a 1930s study project by the United States Army Air Corps (USAAC) to develop a high performance aircraft engine that would be equal to or better than the aircraft and engines then under development in Europe. The project goal was to produce an engine that was capable of delivering 1 hp/in3 (46 kW/L) of engine displacement for a weight of less than 1 lb/hp delivered. The ultimate design goal was an increased power to weight ratio suitable for long range airliners and bombers. At the time, no production engine could come close to the requirements, although this milestone had been met by specially modified or purpose built racing engines such as the Napier Lion and Rolls Royce R. A typical large engine of the era, the Pratt & Whitney R 1830 Twin Wasp radial, developed about 1,200 hp (895 kW) from 1,830 in3 (30 L) so an advance of at least 50% would be needed. Simply scaling up an existing design would not solve the problem. While it would have increased the total available power, it would also increase the weight, and thus not have any significant effect on the power to weight ratio. To meet the goals, more radical changes were needed. Several engines were built as part of the hyper program, but for a variety of reasons none of these saw production use. Air cooled engines from a variety of US companies were delivering similar power ratings by the early 1940s, and the licensed production of the Rolls Royce Merlin as the Packard V 1650 provided hyper like performance from an inline while the Allison V 1710 did the same from a US design, one produced as a private effort outside the hyper program.
Проектирование и разработка
Улучшения в конструкции и использование более легких материалов уже принесли определенные преимущества на пути к увеличению отношения мощности к весу. Алюминий стали применяться вместо стали по мере улучшения качества и прочности алюминиевых сплавов в 1930-х годах; это заметно снизило вес двигателя, но оказалось недостаточно для достижения 50% общего улучшения. Для достижения этой цели требовалось также увеличить мощность двигателя. Мощность – это сочетание энергии и скорости ее передачи, поэтому для улучшения отношения мощности к весу необходимо было увеличить рабочее давление в двигателе, частоту вращения или их комбинацию. Дополнительные выгоды можно было получить за счет снижения потерь на трение, неэффективности сгорания и потерь при продувке, направляя большую часть теоретической мощности на винт. Инженеры USAAC решили изучить все три направления улучшения. Вскоре они пришли к выводу, что наибольший прирост можно получить за счет повышения температуры сгорания и эффективности продувки. Для достижения этой цели наиболее привлекательным решением представлялось увеличение частоты вращения двигателя. Однако существовал ряд практических проблем, тормозивших прогресс в этих областях. Увеличение степени сжатия – это простое изменение, которое повышает среднее эффективное давление (MEP), но приводит к детонации и, как следствие, к повалу двигателя. Неконтролируемая детонация может повредить двигатель и являлась серьезным препятствием для повышения мощности. Это изменение также увеличивало рабочую температуру, что создавало проблемы с клапанами. Клапаны уже достигали температур, при которых топливо могло самовоспламеняться, проходя мимо них. Увеличение частоты вращения, теоретически, также является простым изменением конструкции двигателя. Однако при высоких оборотах клапаны не успевают полностью закрываться до того, как их снова откроет кулачок, что называется "плаванием клапанов". Плавающие клапаны позволяют газам из цилиндра выходить через неплотно закрытый клапан, снижая эффективность двигателя. Увеличение давления пружин клапанов для более быстрого их закрытия приводило к быстрому износу кулачка и увеличению трения, что снижало общую производительность больше, чем компенсировало увеличение мощности. Поскольку клапаны были ключевым фактором в обоих подходах к повышению производительности, они были основной областью исследований в 1920-х и 30-х годах. В Великобритании Гарри Рикардо опубликовал влиятельную работу о рукавном клапанном механизме именно по этим причинам, утверждая, что это единственный перспективный путь. Ему удалось продать эту идею, в частности, компании Bristol Aeroplane Company Engines, где Рой Федден стал ее сторонником. Конкурент Рикардо, Фрэнк Халфорд, разработал собственный двигатель с рукавными клапанами совместно с компанией Napier & Son, еще одним известным британским производителем двигателей. В USAAC не были уверены, что рукавный клапан является единственным решением. Ирония заключается в том, что именно одна из работ Рикардо о конструкции рукавного клапана послужила толчком к разработке USAAC гипердвигателя. В одной из работ конца 1920-х годов он утверждал, что достичь показателя 1 л.с./дюйм³ невозможно с двигателями с тарельчатыми клапанами. Команда инженеров USAAC на полигоне Райт-Филд решила опровергнуть это утверждение. Они предложили двигатель объемом около 20 литров (1200 кубических дюймов), надеясь, что уменьшенные размеры двигателя приведут к снижению сопротивления и, следовательно, увеличению дальности полета.
Improvements in construction and lighter materials had already delivered some benefits on the way to higher power to weight ratios. Aluminum was being introduced in place of steel as the quality and strength of aluminum alloys improved during the 1930s; this lowered engine weight noticeably, but not enough to achieve a 50% overall improvement. To reach that goal, the power of the engine would also need to be increased. Power is a combination of energy and the rate it is delivered, so to improve the power to weight ratio, one would need to increase the operating pressures of the engine, the operating speed, or a combination of both. Further gains could be made by eliminating losses like friction, combustion inefficiencies and scavenging losses, delivering more of the theoretical power to the propeller. The USAAC engineers determined that it would study all three improvements. Before long, they concluded that increasing the combustion temperature and scavenging efficiency promised the greatest increases of all of the possibilities. To meet that goal, increasing engine speed seemed to be the most attractive solution. However, there were a number of practical problems that were impeding progress in these areas. Increasing the compression ratio is an easy change that improves the mean effective pressure (MEP), but leads to engine knocking from inconsistent detonation. Uncontrolled, knock can damage the engine and was a major block on the way to improved power settings. This change would also increase the operating temperatures, which presented a problem with the valves. Valves were already reaching temperatures that would cause pre ignition of the fuel as it flowed past them. Increasing operational speed is also, theoretically, a simple change to the engine design. However, at high operating speeds the valves do not completely close before the cam opens them again, a problem called "valve float". Valve float allows gases in the cylinder to escape through the partially open valve, reducing the engine efficiency. Increasing valve spring pressure to close the valves faster led to rapid cam wear and increased friction, reducing overall performance by more than any horsepower gained. As valves were a key issue in both approaches to improved performance, they had been a major area of research in the 1920s and 30s. In the UK, Harry Ricardo had written an influential paper on the sleeve valve system for exactly these reasons, claiming it was the only way forward. He had some success in selling this idea, most notably to Bristol Aeroplane Company Engines, where Roy Fedden became "a believer". Ricardo's friendly competitor, Frank Halford, designed his own sleeve valve engine with Napier & Son, another prominent British engine maker. The USAAC was not so convinced that the sleeve valve was the only solution. Ironically it was one of Ricardo's papers on the sleeve valve design that led to the USAAC's hyper engine efforts. In one late 1920s paper he claimed that the 1 hp/in³ goal was impossible to achieve with poppet valve type engines. The USAAC engineering team at Wright Field decided to test this claim by beating it. They proposed an engine of about 1200 cubic inches (20 L), hoping the engine's smaller size would lead to reduced drag and hence improved range.
Конец программы
В конечном итоге все эти программы были отменены, а сохранившиеся двигатели стали музейными экспонатами. Ирония заключается в том, что двигатели, не участвовавшие в программе – Allison V-1710, Pratt & Whitney R-2800 Double Wasp, Wright R-3350 Duplex Cyclone и Pratt & Whitney R-4360 Wasp Major – все превзошли требования USAAC и продолжают эксплуатироваться в 21 веке, в основном на восстановленных боевых самолетах.
In the end, all of these programs were canceled, and the surviving engines became museum pieces. Ironically, engines that were not considered under the program; the Allison V 1710, Pratt & Whitney R 2800 Double Wasp, Wright R 3350 Duplex Cyclone and Pratt & Whitney R 4360 Wasp Major, all surpassed the USAAC requirements, and continue flying into the 21st century, primarily flying restored warbird aircraft.