Напиер Sabre: Британский поршневой авиационный двигатель 1930-х годов.

Введение

Британский авиационный поршневый двигатель 1930-х годов

Napier Sabre – британский 24-цилиндровый H-образный, жидкостного охлаждения, с рукавными клапанами, поршневой авиационный двигатель, разработанный майором Фрэнком Халфордом и построенный компанией D. Napier & Son во время Второй мировой войны. Двигатель эволюционировал и стал одним из самых мощных рядных поршневых авиационных двигателей в мире, развивая мощность от в ранних версиях до в поздних прототипах. Первыми самолетами, оснащенными двигателем Sabre, были Hawker Typhoon и Hawker Tempest; первым самолетом, работавшим на Sabre, был Napier Heston Racer, разработанный для установления мирового рекорда скорости. Другими самолетами, использовавшими Sabre, были ранние прототипы и серийные варианты Blackburn Firebrand, прототип Martin Baker MB 3 и прототип Hawker Fury. Быстрое внедрение реактивных двигателей после войны привело к быстрому устареванию Sabre, поскольку потребность в мощных военных поршневых авиационных двигателях снизилась, а компания Napier переключила свое внимание на разработку турбовинтовых двигателей, таких как Naiad и Eland.

Проектирование и разработка

До создания "Сейбра" компания Napier уже некоторое время работала над крупными авиационными двигателями. Самым известным был "Лев", который был очень успешным двигателем в межвоенный период и в модифицированном виде приводил в движение несколько самолетов-участников соревнований "Кубок Шнайдера" (Supermarine Schneider Trophy) в 1923 и 1927 годах, а также несколько автомобилей, претендовавших на рекорд скорости на суше. К концу 1920-х годов "Лев" утратил конкурентоспособность, и началась разработка новых двигателей. Napier последовал за "Львом" двумя конструкциями с блоком H: H 16 Rapier и H 24 Dagger. Блок H имеет компактную компоновку, состоящую из двух горизонтально оппозитных двигателей, расположенных друг над другом или рядом. Благодаря оппозитному расположению цилиндров, движение в одном уравновешивается движением в другом, что устраняет вибрации первого и второго порядка. В этих новых конструкциях Napier выбрал воздушное охлаждение, однако в процессе эксплуатации оказалось, что задние цилиндры невозможно эффективно охлаждать, что приводило к ненадежности двигателей.

Бытие

В 1930-х годах исследования показали необходимость в двигателях, способных развивать одну лошадиную силу на кубический дюйм рабочего объема (около 45 кВт/л). Такая мощность требовалась для приведения в движение самолетов, достаточно больших, чтобы нести значительный запас топлива для дальних перелетов. Типичный крупный двигатель той эпохи, Pratt & Whitney R 1830 Twin Wasp, развивал мощность около 1830 кубических дюймов (30 литров), поэтому требовалось увеличение примерно на 50 процентов. Это потребовало радикальных изменений, и хотя многие компании пытались создать такой двигатель, ни одна не преуспела. В 1927 году Гарри Рикардо опубликовал исследование концепции двигателя с рукавными клапанами. В нем он утверждал, что традиционные двигатели с тарельчатыми клапанами вряд ли смогут выдавать мощность больше, чем , показатель, к которому многие компании стремились при разработке двигателей нового поколения. Чтобы преодолеть этот предел, необходимо было использовать рукавные клапаны для повышения объемной эффективности, а также снижения чувствительности двигателя к детонации, которая была распространена из-за низкого качества и низкого октанового числа топлива, используемого в то время. Халфорд работал у Рикардо в 1919–1922 годах в его лондонском офисе, а офис Халфорда в 1923 году находился в Ладброк-Гроув, Северный Кенсингтон, всего в нескольких милях от Рикардо, в то время как офис Халфорда в 1929 году был еще ближе (700 ярдов). В 1927 году Рикардо начал сотрудничество с Bristol Engines над серией конструкций с рукавными клапанами, а Халфорд начал работать с Napier, используя Dagger в качестве основы. Конструкция блока H, с присущим ей балансом и относительно коротким ходом поршня Sabre, позволяла ему работать с более высокой частотой вращения, обеспечивая большую мощность при меньшем рабочем объеме, при условии поддержания хорошей объемной эффективности (с улучшенным наполнением цилиндров), что было возможно благодаря рукавным клапанам. Компания Napier решила сначала разработать большой 24-цилиндровый жидкостно-охлаждаемый двигатель, способный развивать мощность не менее в конце 1935 года. Хотя компания продолжала использовать оппозитную H-образную компоновку Dagger, новая конструкция размещала блоки цилиндров горизонтально и должна была использовать рукавные клапаны. Все вспомогательные агрегаты были удобно сгруппированы над и под блоками цилиндров, а не спереди и сзади двигателя, как в большинстве современных конструкций. Первые двигатели Sabre были готовы к испытаниям в январе 1938 года, хотя их мощность была ограничена . К марту они проходили испытания на мощности , а к июню 1940 года, когда Sabre прошел 100-часовой тест Министерства авиации, первые серийные версии выдавали мощность от своего рабочего объема в 2238 кубических дюймов (37 литров). Министерство авиационной промышленности отвечало за разработку двигателя и организовало обработку гильз на Bristol Aeroplane Company из поковок двигателя Taurus. Эти нитридированные гильзы из аустенитной стали были результатом многолетних интенсивных разработок гильз, опыта, которым не обладала Napier. В 1944 году, когда самолеты действовали с территории Нормандии с ее абразивной, песчаной пылью, возникла новая проблема с гильзами, и пришлось устанавливать воздушные фильтры. Контроль качества оказался недостаточным, двигатели часто поставлялись с неправильно очищенными отливками, сломанными поршневыми кольцами и стружкой, оставленной внутри двигателя. Механики были перегружены работой, пытаясь поддерживать Sabre в рабочем состоянии, и в холодную погоду им приходилось запускать их каждые два часа ночью, чтобы моторное масло не загустело и не препятствовало запуску двигателя на следующий день. Эти проблемы устранялись слишком медленно, и двигатель приобрел плохую репутацию. Хуже того, механики и пилоты, незнакомые с особенностями двигателя, склонны были обвинять Sabre в проблемах, вызванных несоблюдением правильных процедур. Это усугублялось представителями конкурирующей компании Rolls Royce, которая преследовала собственные цели. В 1944 году Rolls Royce представил прототип аналогичной конструкции под названием Eagle. Napier казался самоуспокоенным и дорабатывал конструкцию для повышения производительности. В 1942 году компания начала серию проектов по улучшению высотных характеристик, включая трехступенчатый двухступенчатый нагнетатель, когда базовый двигатель все еще работал ненадежно. В декабре 1942 года компания была приобретена English Electric Company, которая немедленно прекратила проект нагнетателя и направила все усилия компании на решение производственных проблем, что было достигнуто быстро. К 1944 году Sabre V стабильно выдавал мощность , и репутация двигателя начала улучшаться. Это была последняя версия, поступившая на вооружение, и она использовалась в Hawker Typhoon и его модификации Hawker Tempest. Без современного нагнетателя производительность двигателя на высоте более 20 000 футов (6096 м) резко падала, и пилотам самолетов, оснащенных Sabre, обычно предписывалось вступать в бой только на высоте ниже этой отметки. На малых высотах оба самолета были грозными. По мере того как над континентальной Европой постепенно достигалось господство в воздухе, Typhoon все чаще использовался в качестве истребителя-бомбардировщика, особенно 2-й тактической воздушной армией Королевских ВВС. Tempest стал главным истребителем, уничтожавшим беспилотные летательные аппараты V-1 (Fieseler Fi 103), поскольку он был самым быстрым из всех союзнических истребителей на малых высотах. Позже Tempest уничтожил около 20 реактивных самолетов Messerschmitt Me 262. Разработка продолжалась, и более поздняя модель Sabre VII выдавала мощность с новым нагнетателем. К концу Второй мировой войны существовало несколько двигателей одного класса мощности. Четырехрядный 28-цилиндровый радиальный двигатель Pratt & Whitney R 4360 Wasp Major выдавал мощность сначала, а более поздние типы – , но для этого требовался почти вдвое больший рабочий объем, 4360 кубических дюймов (71 литр).

During the 1930s, studies showed the need for engines capable of developing one horsepower per cubic inch of displacement (about 45 kW/litre). Such power output was needed to propel aircraft large enough to carry large fuel loads for long range flights. A typical large engine of the era, the Pratt & Whitney R 1830 Twin Wasp, developed about from 1,830 cubic inches (30 litres), so an advance of some 50 per cent would be needed. This called for radical changes and while many companies tried to build such an engine, none succeeded. In 1927, Harry Ricardo published a study on the concept of the sleeve valve engine. In it, he wrote that traditional poppet valve engines would be unlikely to produce much more than , a figure that many companies were eyeing for next generation engines. To pass this limit, the sleeve valve would have to be used, to increase volumetric efficiency, as well as to decrease the engine's sensitivity to detonation, which was prevalent with the poor quality, low octane fuels in use at the time. Halford had worked for Ricardo 1919–1922 at their London office and Halford's 1923 office was in Ladbroke Grove, North Kensington, only a few miles from Ricardo, while Halford's 1929 office was even closer (700 yards), and while in 1927 Ricardo started work with Bristol Engines on a line of sleeve valve designs, Halford started work with Napier, using the Dagger as the basis. The layout of the H block, with its inherent balance and the Sabre's relatively short stroke, allowed it to run at a higher rate of rotation, to deliver more power from a smaller displacement, provided that good volumetric efficiency could be maintained (with better breathing), which sleeve valves could do. The Napier company decided first to develop a large 24 cylinder liquid–cooled engine, capable of producing at least in late 1935. Although the company continued with the opposed H layout of the Dagger, this new design positioned the cylinder blocks horizontally and it was to use sleeve valves. All of the accessories were grouped conveniently above and below the cylinder blocks, rather than being at the front and rear of the engine, as in most contemporary designs. The first Sabre engines were ready for testing in January 1938, although they were limited to By March, they were passing tests at and by June 1940, when the Sabre passed the Air Ministry's 100 hour test, the first production versions were delivering from their 2,238 cubic inch (37 litre) displacements. The Ministry of Aircraft Production was responsible for the development of the engine and arranged for sleeves to be machined by the Bristol Aeroplane Company from their Taurus engine forgings. These nitrided austenitic steel sleeves were the result of many years of intensive sleeve development, experience that Napier did not have. Air filters had to be fitted when a new sleeve problem appeared in 1944 when aircraft were operating from Normandy soil with its abrasive, gritty dust. Quality control proved to be inadequate, engines were often delivered with improperly cleaned castings, broken piston rings and machine cuttings left inside the engine. Mechanics were overworked trying to keep the Sabres running and during cold weather they had to run them every two hours during the night so that the engine oil would not congeal and prevent the engine from starting the next day. These problems took too long to remedy and the engine gained a bad reputation. To make matters worse, mechanics and pilots unfamiliar with the different nature of the engine, tended to blame the Sabre for problems that were caused by not following correct procedures. This was exacerbated by the representatives of the competing Rolls Royce company, which had its own agenda. In 1944, Rolls Royce produced a similar design prototype called the Eagle. Napier seemed complacent and tinkered with the design for better performance. In 1942, it started a series of projects to improve its high altitude performance, with the addition of a three speed, two stage supercharger, when the basic engine was still not running reliably. In December 1942, the company was purchased by the English Electric Company, which ended the supercharger project immediately and devoted the whole company to solving the production problems, which was achieved quickly. By 1944, the Sabre V was delivering consistently and the reputation of the engine started to improve. This was the last version to enter service, being used in the Hawker Typhoon and its derivative, the Hawker Tempest. Without the advanced supercharger, the engine's performance over 20000 feet (6096 m) fell off rapidly and pilots flying Sabre powered aircraft, were generally instructed to enter combat only below this altitude. At low altitude, both planes were formidable. As air superiority over Continental Europe was slowly gained, Typhoons were increasingly used as fighter bombers, notably by the RAF Second Tactical Air Force. The Tempest became the principal destroyer of the V 1 flying bomb (Fieseler Fi 103), since it was the fastest of all the Allied fighters at low levels. Later, the Tempest destroyed about 20 Messerschmitt Me 262 jet aircraft. Development continued and the later Sabre VII delivered with a new supercharger. By the end of World War II, there were several engines in the same power class. The Pratt & Whitney R 4360 Wasp Major four row, 28 cylinder radial produced at first and later types produced , but these required almost twice the displacement in order to do so, 4,360 cubic inches (71 litres).

Приложения

Двигатель применялся на многих самолетах, включая два истребителя, выпускавшихся серийно.