Страница 6 из 27
Американский истребитель «Хоук» Р-36 с двухрядным двигателем
Скоро, однако же, конструкторам пришлось убедиться в том, что в погоне за модой они многое упустили из виду. Во-первых, 9–12 цилиндров в один ряд не выстроишь. Мощные двигатели «жидкостного охлаждения» стали двухрядными, с расположением двух блоков цилиндров в виде латинской буквы «V». Кроме того, в поршневом двигателе есть немало других агрегатов, которые навешиваются на блок цилиндров и увеличивают площадь поперечного сечения. С другой стороны, разработчики двигателей «воздушного охлаждения» научились делать мотор в виде двух «звезд», расположенных одна за другой, и при этом обеспечивать достаточный обдув головок второго ряда цилиндров.
В результате цилиндров стало больше («двойные звезды» детали 14- или даже 18-цилиндровыми), но при этом сами цилиндры стали короче, а общий диаметр двигателя — меньше. Так, например, радиальный двигатель воздушного охлаждения АШ-82 при рабочем объеме 41,2 литра имел диаметр 1,26 метра, а рядный двигатель жидкостного охлаждения АМ-35 с объемом 46,6 литров имел ширину 0,876 м и высоту 1,09 м. Чуда, как видим, не произошло, площадь поперечника радиального двигателя все равно оказалась больше площади поперечного сечения V-образного двигателя «жидкостного охлаждения», но эта разница была отнюдь не девятикратной.
Самое же главное заключалось в том, что почти вся экономия сопротивления, достигнутая за счет использования двигателя «жидкостного охлаждения», теряется в радиаторе. Законы фишки отменить невозможно, охлаждение двигателя «жидкостного охлаждения» по сути своей остается воздушным, поэтому площадь теплопередачи радиатора должна была быть ничуть не меньшей, чем совокупная площадь оребрения цилиндров радиальной «звезды». Точнее говоря, площадь оребрения «воздушника» может быть даже значительно меньшей. Почему? Теплоотдача зависит от разности температур. Допустимая температура двигателя воздушного охлаждения определяется физико-химическими параметрами моторного масла и может достигать 200 и более градусов. А вот максимально допустимая температура двигателя «жидкостного охлаждения» ограничена температурой закипания этой самой жидкости, т. е. уровнем в 110–120 градусов (с применением в качестве охлаждающей жидкости не воды, а этиленгликоля).
Весьма весомым (6 тонн взлетного веса) подтверждением всему вышесказанному стал американский истребитель P-47D «Тандерболт». Огромный тупорылый «кувшин» (так его называли летчики) с двухрядной «звездой» воздушного охлаждения имел коэффициент аэродинамического сопротивления меньший (!!!), чем у остроносого «Мессершмитта», и, развивая на большой высоте скорость в 690 км/час, «Тандерболт» стал одним из самых быстрых поршневых истребителей Второй мировой войны.
До самого конца войны «спор» между радиальными и рядными моторами так и не был разрешен. Англичане отвоевали с 1939-го по 1945-й годы исключительно на истребителях с моторами жидкостного охлаждения, японцы — воздушного. ВВС США, Германии и СССР закончили мировую войну, имея на вооружении пару истребителей (один с радиальным, другой — с рядным двигателем): «Тандерболт» и «Мустанг», «Фокке-Вульф» и «Мессершмитт», «Ла» и «Як». Все американские бомбардировщики были оснащены только двигателями воздушного охлаждения, почти все немецкие и английские — жидкостного. Советская авиация в конце войны имела на вооружении два типа бомбардировщика с моторами воздушного охлаждения («ДБ-3ф» и «Ту-2»), но самым массовым был легкий бомбардировщик «Пе-2» с двигателем жидкостного охлаждения…
УРАВНЕНИЕ СУЩЕСТВОВАНИЯ
Мы подошли к самому главному. Главным для понимания процесса проектирования самолета является закон природы, который в авиации получил изящное название «уравнение существования». Этот закон (подобно II закону термодинамики) имеет множество совершенно непохожих друг на друга формулировок. Например: «невозможно изменить вес любой составляющей самолета (двигатель, планер, топливо, шасси, вооружение) без того, чтобы для сохранения исходных летных характеристик не пришлось изменить вес всех остальных компонентов». Например, дополнительная пушка весом в 50 кг потребует (если мы хотим сохранить исходную тяговооружённость и связанные с ней разгонные и маневренные характеристики) небольшой «добавки» мощности двигателя. Чуть более мощный двигатель будет и несколько тяжелее. Для него потребуются более тяжелый винт и лишние литры топлива (если мы хотим сохранить исходную дальность и продолжительность полета). Потяжелевший самолет потребует усиления конструкции шасси, а для сохранения исходной удельной нагрузки на крыло потребуется увеличить площадь крыла, что приведет к росту аэродинамического сопротивления, для преодоления которого (если мы хотим сохранить максимальную скорость исходного самолета) придется увеличить мощность двигателя, который станет еще тяжелее…
Закончится ли в конце концов эта «цепная реакция». Да. Чем? Появлением нового самолета, в котором относительные доли веса каждого агрегата в общем весе самолета останутся точно такими же, как и раньше, но весь самолет в целом станет тяжелее. Это еще одна возможная формулировка «уравнения существования».
Поясним сказанное простым, но при этом вполне реалистичным числовым примером. Предположим, что на некоем «исходном самолете» был двигатель мощностью в 1000 л.с. и две пушки общим весом 100 кг, при этом вес пушек составлял 4 % от общего веса (т. е. самолет весил 2,5 тонны). Добавка третьей пушки весом в 50 кг (при сохранении всех летных параметров исходного самолета!) приведет к появлению нового самолета, в котором вес пушек по-прежнему будет составлять 4 % от общего веса, но этот новый самолет будет иметь вес в 3,75 тонны и потребует двигатель мощностью в 1500 л.с. (по умолчанию мы предполагаем, что вес мотора, его мощность и тяга винтомоторной установки связаны прямой пропорциональной зависимостью). Хорошо, если двигатель такой единичной мощности существует. В противном случае создать трёхпушечный самолет (при сохранении всех летных параметров исходного) не удастся, так как установка двух моторов (по 750 л.с. каждый) на крыло радикально меняет аэродинамику (большее сопротивление) и маневренность (больший момент инерции и снижение угловой скорости крена).
Заслуживает внимания и удивительно малая доля вооружения в общем весе истребителей начала Второй мировой войны.
«Веллингтон»
Стремление к невозможному, т. е. желание сохранить высокую горизонтальную маневренность (на уровне лучших бипланов середины 30-х годов) и при этом добиться скорости, значительно превосходящей скорость новейших бомбардировщиков, потребовало значительного увеличения тяговооружённости, т. е. использования все более и более мощных моторов. Вес винтомоторной группы дошел до половины от веса пустого самолета, и истребитель превратился в «мотор с крыльями», где не осталось места для того главного, ради применения которого истребитель и взлетает в небо, — вооружения. Двигатель «съел» самолет…
Надеюсь, что все это не слишком сложно. Из «уравнения существования» следует множество интересных выводов. В частности, на каждом определенном этапе развития техники соотношение, относительного веса планера, двигателя, топлива, полезной нагрузки у самолетов с одинаковыми летными характеристиками (скорость, дальность, скороподъемность, располагаемая перегрузка) будет почти одинаковым.
Возьмем, например, бомбардировщик, способный переместить 1 тонну бомб на расстояние в 2–3 тысячи километров с крейсерской скоростью 300–360 км/час. Этим требованиям в конце 30-х годов отвечали английский «Веллингтон», немецкие «Хейнкель-111» и «Юнкерс-88», советский «ДБ-3ф», итальянский «Савойя-Маркетти-79». Внешне это очень разные самолеты, с разным числом и типом охлаждения двигателей, разными аэродинамическими и конструктивно-силовыми схемами, сделанные из различных материалов и по-разному вооруженные.