Введение

Авиационный двигатель, работающий по дизельному принципу

Авиационный дизельный двигатель, или аэродизель, – это авиационный двигатель, работающий на дизельном топливе. Они использовались в дирижаблях и испытывались в самолетах в конце 1920-х и 1930-х годов, но до недавнего времени не получили широкого распространения. Их основными преимуществами являются отличное удельное расходование топлива, пониженная воспламеняемость и несколько более высокая плотность топлива, однако эти преимущества были нивелированы сочетанием присущих недостатков по сравнению с бензиновыми или турбовинтовыми двигателями. Постоянно растущая стоимость авиационного бензина и сомнения в его будущей доступности стимулировали возрождение производства авиационных дизельных двигателей в начале 2010-х годов. Использование дизельных двигателей в авиации также выгодно с точки зрения защиты окружающей среды и здоровья человека, поскольку тетраэтилсвинцовая присадка к авиационному бензину давно известна своей высокой токсичностью и загрязняющим воздействием.

Ранние дизельные самолеты

В 1920-х и 1930-х годах ряд производителей создавали дизельные авиационные двигатели; наиболее известными были радиальные двигатели Packard с воздушным охлаждением и Junkers Jumo 205, которые имели умеренный успех, но оказались непригодными для боевого применения во Второй мировой войне. Однако тримоторная морская патрульная летающая лодка Blohm & Voss BV 138 оснащалась более развитой силовой установкой Junkers Jumo 207 и была более успешной, благодаря своей тройке дизельных Jumo 207, обеспечивающих максимальную дальность боевого применения до 2100 км на почти 300 экземплярах BV 138, построенных во время Второй мировой войны. Первым успешным дизельным двигателем, разработанным специально для авиации, был радиальный дизель Packard DR 980 образца 1928–1929 годов, выполненный в знакомом радиальном формате с воздушным охлаждением, аналогичном конструкциям Wright и Pratt & Whitney, и современный двигателю Beardmore Tornado, использовавшемуся на дирижабле R101. Применение дизельного топлива было обусловлено его низкой пожароопасностью. Первый успешный полет самолета с дизельным двигателем состоялся 18 сентября 1928 года на Stinson SM 1DX Detroiter с регистрационным номером X7654. Около 1936 года более тяжелые, но экономичные дизельные двигатели стали предпочтительнее бензиновых, когда продолжительность полета превышала 6–7 часов. Двухтактный оппозитный двигатель Junkers Jumo 205, поступивший на вооружение в начале 1930-х годов, был гораздо более широко распространен, чем предыдущие авиационные дизели. Он имел умеренный успех при использовании на Blohm & Voss Ha 139 и еще больший – на дирижаблях. В Великобритании компания Napier & Son по лицензии производила более крупный Junkers Jumo 204 под названием Napier Culverin, но он не был запущен в серийное производство в этой форме. Дизельный двигатель Daimler Benz также использовался на цеппелинах, включая злополучный LZ 129 Hindenburg. Этот двигатель оказался непригодным для военных целей, и дальнейшая разработка немецких авиационных двигателей сосредоточилась на бензиновых и реактивных двигателях. Советский четырехмоторный стратегический бомбардировщик времен Второй мировой войны Петляков Пе-8 строился с дизельными двигателями "Чаромского" АЧ-30; но сразу после окончания войны как дизельные, так и бензиновые двигатели "Микулин" V12 на сохранившихся фюзеляжах Пе-8 были заменены радиальными бензиновыми двигателями конструкции Швецова из-за проблем с эффективностью. Дальний среднемагистральный бомбардировщик "Ермолаев Ер-2" также строился с дизельными двигателями "Чаромского". Другие производители также экспериментировали с дизельными двигателями в этот период, например, французская компания Bloch (позже Dassault Aviation), чей прототип бомбардировщика MB203 использовал дизели Clerget радиальной конструкции. Королевский авиационный институт разработал экспериментальную версию Rolls Royce Condor с компрессионным зажиганием (дизель) в 1932 году и испытывал ее на самолете Hawker Horsley.

Послевоенное развитие

Интерес к дизельным двигателям в послевоенный период носил непостоянный характер. Более низкое отношение мощности к весу дизельных двигателей, особенно по сравнению с турбовинтовыми, было существенным недостатком. Благодаря доступному дешевому топливу и основному направлению исследований в области турбовинтовых и реактивных двигателей для высокоскоростных авиалайнеров, самолеты с дизельными двигателями практически исчезли. Стагнация рынка авиации общего назначения в 1990-х годах привела к резкому сокращению разработки новых типов авиационных двигателей. Компания Napier & Son в Великобритании разработала Napier Culverin, основанный на Junkers Jumo 205, еще до Второй мировой войны, и вновь занялась авиационными дизельными двигателями в 1950-х годах. Британское министерство авиации поддержало разработку Napier Nomad – комбинации поршневого и турбовинтового двигателей, отличавшегося исключительно высокой эффективностью по удельному расходу топлива, но признанного слишком громоздким и сложным и закрытого в 1955 году.

Современные разработки

Несколько факторов изменили ситуацию. Во-первых, появилось несколько новых производителей самолетов общего назначения, разрабатывающих новые модели. Во-вторых, особенно в Европе, авиационный бензин (АВГАЗ) стал очень дорогим. В-третьих, в ряде (особенно удаленных) мест АВГАЗ сложнее достать, чем дизельное топливо. И наконец, автомобильные дизельные технологии значительно улучшились за последние годы, обеспечивая более высокое отношение мощности к весу, что более подходит для авиационных двигателей. Сейчас доступны сертифицированные легкие самолеты с дизельными двигателями, и ряд компаний разрабатывают новые конструкции двигателей и самолетов для этой цели. Многие из них работают на широкодоступном авиационном керосине или на обычном автомобильном дизельном топливе. Моделирование показывает снижение максимальной грузоподъемности из-за более тяжелого двигателя, но при этом увеличение дальности полета при средней загрузке.

Дирижабли

Цеппелины LZ 129 Hindenburg и LZ 130 Graf Zeppelin II приводились в движение реверсивными дизельными двигателями. Направление работы изменялось переключением передач на распределительном валу. От полной мощности вперед двигатели могли быть остановлены, переключены и приведены к полной мощности в обратном направлении менее чем за 60 секунд. Невил Шут Норвея писал, что демонстрационный полет дирижабля R100 был изменен с Индии в Канаду, "когда он оснастили бензиновыми двигателями, поскольку считалось, что полет в тропики с бензином на борту будет слишком опасным. Любопытно, спустя более двадцати лет, вспоминать, как все боялись бензина в те дни (около 1929 года), ведь с тех пор самолеты с бензиновыми двигателями совершили бесчисленное количество часов полетов в тропиках и не загораются при каждом взлете. Думаю, правда в том, что тогда все были увлечены дизельными двигателями; казалось, что дизельный двигатель для самолетов уже близок, обещая значительную экономию топлива". Поэтому, злополучный дизельный дирижабль R101, потерпевший крушение в 1930 году, должен был лететь в Индию, хотя его дизельные двигатели имели бензиновые пусковые двигатели, и времени хватило лишь на замену одного на дизельный пусковой двигатель. На R101 использовался аэродизельный двигатель Beardmore Tornado, причем два из пяти двигателей были реверсивными за счет регулировки распределительного вала. Этот двигатель был разработан на основе двигателя, использовавшегося в железнодорожных вагонах.

Тильер

Тильерт, базирующийся в немецком Лихтенштейне, Саксония, был первоначальным владельцем сертификата типа (TC) для двигателя 1.7, созданного на базе турбодизеля Mercedes A-класса и работающего на дизельном топливе и авиационном керосине Jet A-1. Он был сертифицирован для установки на самолеты Cessna 172 и Piper Cherokee в качестве замены двигателю Lycoming O-320, работающему на авиабензине Avgas. Конструкция двигателя 1.7 аналогична O-320, но его рабочий объем более чем в три раза меньше, а максимальная мощность достигается при 2300 об/мин вместо 2700. Австрийский производитель самолетов Diamond Aircraft Industries предлагал свой одномоторный Diamond DA40 TDI Star с двигателем 1.7, а Diamond DA42 Twin Star – с двумя двигателями, обеспечивая низкий расход топлива. Компания Robin Aircraft также предлагала DR400 Ecoflyer с двигателем Thielert. В мае 2008 года Thielert объявил о банкротстве, и хотя управляющий по делам несостоятельности Thielert, Бруно М. Кублер, смог заявить в январе 2009 года, что компания "вышла из убытков и работает на полную мощность", к тому времени Cessna отказалась от планов по установке двигателей Thielert на некоторые модели, а Diamond Aircraft разработала собственный дизельный двигатель – Austro Engine E4. В настоящее время в воздухе находятся несколько сотен самолетов, оснащенных двигателями Thielert.

Двигатели SMA

SMA Engines, расположенная в Бурже, Франция, разработала SMA SR305 230: четырехтактный турбодизель с прямым приводом, воздушно-масляным охлаждением и четырьмя горизонтально оппозитными цилиндрами рабочим объемом, оснащенный электронно-управляемым механическим насосом впрыска топлива. Он получил сертификат EASA 20 апреля 2001 года для работы на 2200 об/мин. SR305 230 получил сертификат FAA США в июле 2002 года. В настоящее время он сертифицирован для установки в качестве модернизации на ряд моделей Cessna 182 в Европе и США, а компания Maule работает над сертификацией M 9 230. Инженерная команда SMA сформирована из специалистов Renault Sport (Формула 1) и разработала двигатель с нуля. SMA разрабатывает шестицилиндровую версию SR460. На выставке AERO Friedrichshafen 2016 компания SMA представила демонстратор двигателя с высокой удельной мощностью: одноцилиндровый четырехтактный двигатель мощностью 135 л.с. (100 кВт) рабочим объемом 38 кубических дюймов (0,62 литра), обеспечивающий 215 л.с. (160 кВт) на литр, с возможностью масштабирования от и до 1,5 л.с./фунт (2,5 кВт/кг) удельной мощности при удельном расходе топлива 0,35 фунта/л.с./час (210 г/кВт·ч).

Австромотор

Austro Engine GmbH, базирующаяся в Винер-Нойштадте, Австрия, получила сертификат EASA на двигатель E4 28 января 2009 года. Это 4-цилиндровый, 1991 см³ четырехтактный двигатель с системой непосредственного впрыска Common Rail, турбонаддувом, редуктором с передаточным числом 1:1.69 и электронным блоком управления двигателем. Он развивает мощность при взлете и непрерывно, при 2300 об/мин. Модификация E4P была сертифицирована 26 марта 2015 года для развития мощности при взлете на той же скорости и непрерывно при 2200 об/мин. В 2011 году Austro Engine совместно с Steyr Motors разрабатывала 6-цилиндровый двигатель на базе их блока цилиндров для использования в Diamond DA50.

Дизель-джет

DieselJet s. r. l. из Кастель-Маджоре, Италия, получила сертификат EASA для TDA CR 1.9 8V 11 июня 2010 года: жидкостно-охлаждаемый, 4-цилиндровый, 4-тактный, 8-клапанный двигатель с турбонаддувом и системой впрыска Common Rail, редуктором с передаточным числом 1:0.644 и двойной системой FADEC. Он развивает мощность 118 кВт (160 л.с.) при взлете и 107 кВт (146 л.с.) в непрерывном режиме при 2450 об/мин винта. TDA CR 2.0 16V, сертифицированный 8 марта 2016 года, представляет собой 16-клапанный двигатель с передаточным числом редуктора 1:0.607 и аналогичной конструкцией, развивающий мощность 142 кВт (193 л.с.) в непрерывном режиме и 160 кВт (217.5 л.с.) при взлете при 2306 об/мин винта. В 2016 году компания DieselJet разрабатывала TDA CR 3.0 24V.

Continental Motors (моторы Continental)

Continental Motors, Inc. из Мобайла, штат Алабама, 19 декабря 2012 года получила сертификат типа на свой Continental CD 230 под официальным обозначением TD 300 B: турбонаддувный четырехтактный двигатель с непосредственным приводом, оппозитный, с воздушным охлаждением, с непосредственным впрыском топлива и электронным блоком управления с механической резервной системой, развивающий мощность 195,5 кг (431 фунт) в сухом весе при постоянной работе на 2200 об/мин. Разработан на базе SMA SR305 230.

Красный самолет

RED Aircraft GmbH из Аденау, Германия, получила сертификат типа EASA 19 декабря 2014 года для своего четырехтактного двигателя RED A03 V12 с системой Common Rail, турбонаддувом, редукторной коробкой передач с передаточным числом 1:1.88 и системой управления FADEC/EECS с единым рычагом, развивающим мощность 368 кВт (500 л.с.) при взлете при 2127 об/мин винта и 338 кВт (460 л.с.) при 1995 об/мин винта в непрерывном режиме. RED A05 – это предварительный проект V6 объемом 3550 куб. см, развивающий мощность при взлете при 2127 об/мин винта и в непрерывном режиме при 1995 об/мин винта, с наилучшим удельным расходом топлива.

Двигатели DeltaHawk

Американская компания DeltaHawk Engines, Inc. в настоящее время разрабатывает три модели V4 мощностью 160, 180 и , последние две версии – с турбонаддувом. Используя двухтактную конструкцию с продувочными каналами, они также испытали прототип двигателя в толкающей конфигурации. Компания Velocity Aircraft получает несертифицированные двигатели с 2005 года и надеется получить сертификацию в начале 2011 года. Двигатели DeltaHawk имеют сухой картер, что позволяет им работать в любой ориентации: нормально, перевернуто или с вертикальным валом, путем изменения расположения масляного отводящего порта. Они также могут вращаться в противоположном направлении для установки в двухдвигательных самолетах, чтобы избежать проблемы отказа одного из двигателей. Водяное охлаждение позволило успешно установить двигатель DeltaHawk на вертолет Rotorway, сохранив вес, аналогичный бензиновому двигателю с воздушным охлаждением той же мощности, и обеспечив поддержание мощности на высоте до 17 000 футов. 180-сильный DeltaHawk DH180 получил сертификат типа FAA в мае 2023 года, первые поставки запланированы на 2024 год.

Экспериментальные двигатели

Ряд других производителей в настоящее время разрабатывают экспериментальные дизельные двигатели, многие из которых используют конструкции, разработанные специально для авиации, а не адаптированные от автомобильных двигателей. Многие используют двухтактные схемы, а некоторые – оппозитные поршневые, напрямую вдохновленные оригинальной конструкцией Юнкерса. Diesel Air Limited, Wilksch и Zoche столкнулись со значительными трудностями при переводе своих прототипов в серийное производство, задержки составили несколько лет. Дирижабль, оснащенный двигателем Diesel Air Limited, больше не зарегистрирован в Управлении гражданской авиации Великобритании.

Двухтактная

Британская компания Wilksch Airmotive разрабатывает трехцилиндровый двухтактный дизель (WAM 120) и работает над четырехцилиндровым проектом (WAM 160). В 2007 году Wilksch заявила о завершении множественных испытаний WAM 100 LSA в соответствии со стандартом ASTM F 2538 – WAM 100 LSA является дефорсированным WAM 120. Первоначально Wilksch представила двухцилиндровый прототип вместе с трех- и четырехцилиндровыми моделями. В апреле 2008 года IndUS Aviation представила первый легкий дизельный спортивный самолет, оснащенный WAM 120, который за последние четыре года налетал 400 часов на Thorp T211 в Англии. К середине 2009 года было продано около 40 двигателей WAM 120, примерно половина из которых в настоящее время эксплуатируется. Британский владелец VANS RV 9A, оснащенного WAM 120, сообщает о достижении истинной воздушной скорости (TAS) на высоте 1828,80 м при расходе 15 литров/час топлива Jet A 1. Двигатель WAM 120 также был установлен на толкающий самолет Rutan LongEz (G LEZE), который прошел испытательные полеты, показав TAS на высоте 3352,80 м при расходе 22 литра/час. При экономичном крейсерском полете на высоте 609,60 м расход топлива составляет , обеспечивая дальность полета . Дизельный двигатель GAP является разработкой NASA. Компания "Michael Zoche Antriebstechnik" в Мюнхене (Германия), под брендом Zoche aero diesel, создала прототипный ряд из трех радиальных воздушно-охлаждаемых двухтактных дизельных авиационных двигателей, включающий V-образный двухцилиндровый, рядный крестообразный четырехцилиндровый и двухрядный крестообразный восьмицилиндровый. Двигатель Zoche успешно прошел испытания в аэродинамической трубе. Похоже, Zoche не приблизился к серийному производству больше, чем десять лет назад. Andy Higgs' Advanced Component Engineering разработал поршневой V12 с изменяемым шагом, весом 665 фунтов / 302 кг, с редукторной коробкой для замены менее мощных двигателей PT6, например, на Cessna Caravan; четырехцилиндровый двигатель весом 302 фунта / 137 кг с коробкой передач для снижения частоты вращения винта с 5300 до 2300 об/мин; и V4 весом 103 фунта / 47 кг, развивающий мощность . V12 может использоваться для питания генераторов, танков, лодок или дирижаблей, а на базе V4 и V8 могут быть созданы другие версии. Двигатель Bourke, разработанный Расселом Бурком из Петалумы, Калифорния, представляет собой оппозитную конструкцию с двумя жестко соединенными цилиндрами, использующую принцип детонации.

Автомобильные производные

Американская компания Raptor Turbo Diesel LLC в настоящее время разрабатывает дизельный двигатель Raptor 105. Это четырехтактный рядный турбонаддувный двигатель. Ранее компания называлась Vulcan Aircraft Engines (до сентября 2007 года). ECO Motors разработала дизельные двигатели EM 80 и EM – четырехтактные, 4-цилиндровые, с системой FADEC на базе автомобильного двигателя – для безводных условий, но прекратила свою деятельность в 2008 году. Дизель FlyEco – это трехцилиндровый двигатель мощностью 80 л.с. / 58,8 кВт при 3800 об/мин, с редуктором 1:1,50, полученный от Smart Car. Он используется для привода гибридного электрического самолета Siemens FlyEco Magnus eFusion.

Teos/Austro Engine AE440 (мотор с двигателем Teos/Austro AE440)

В рамках европейской программы экологических исследований Green Rotorcraft European Clean Sky Joint Technology Initiative, начатой в 2011 году, 6 ноября 2015 года впервые совершил полет демонстратор технологий Airbus Helicopters H120 Colibri, оснащенный высококомпрессионным дизельным двигателем HIPE AE440, работающим на авиационном керосине. Оснащенный воздушным интеркулером, он весит (в сухом виде) без редуктора, а установленный силовой агрегат весит [значение веса]. Его удельный расход топлива составляет 200 г/кВт⋅ч. Производство осуществляется компанией Teos Powertrain Engineering, совместным предприятием Mecachrome и D2T (группа IFPEN), отвечающим за механическое проектирование, изготовление основных деталей двигателя, сборку и испытания, а также компанией Austro Engine, отвечающей за двухканальную систему FADEC и проводку, топливную систему и обеспечение летной годности.