Что такое поршневой авиационный двигатель

Поршневой авиационный двигатель.

Работа радиального поршневого двигателя.

Сегодня начинаем серию статей о конкретных типах авиационных двигателей. Первый движок, который удостоится нашего внимания – это поршневой авиационный двигатель. Он имеет полное право быть первым, потому что он – ровесник современной авиации. Один из первых самолетов, поднявшихся в воздух был Флайер-1 братьев Райт (я думаю вы читали об этом здесь :-)). И на нем стоял поршневой двигатель авторской разработки, работавший на бензине.

Долгое время этот тип движка оставался единственным, и только в 40-е годы 20-го века началось внедрение двигателя совсем иного принципа действия. Это был турбореактивный двигатель. Из-за чего это произошло читайте тут. Однако поршневой движок, хоть и утратил свои позиции, но со сцены не сошел, и теперь в связи с достаточно интенсивным развитием так называемой малой авиации (или же авиации общего назначения) он просто получил второе рождение. Что же из себя представляет авиационный поршневой двигатель?

Работа двигателя внутреннего сгорания (тот же рядный поршневой двигатель).

Как всегда :-)… В принципиальном плане ничего сложного ( ТРД значительно сложнее :-)). По сути дела – это обычный двигатель внутреннего сгорания ( ДВС ), такой же, как на наших с вами автомобилях. Кто забыл, что такое ДВС, в двух словах напомню. Это, попросту говоря, полый цилиндр, в который вставлен цилиндр сплошной, меньший по высоте (это и есть поршень). В пространство над поршнем в нужный момент подается смесь из топлива (обычно это бензин) и воздуха. Эта смесь воспламеняется от искры (от специальной электрической свечи) и сгорает. Добавлю, что воспламенение может происходить и без искры, в результате сжатия. Так работает всем известный дизельный двигатель . В результате сгорания получаются газы высокого давления и температуры, которые давят на поршень и заставляют его двигаться. Вот это самое движение и есть суть всего вопроса. Далее оно передается через специальные механизмы в нужное нам место. Если это автомобиль, значит на его колеса, а если это самолет, то на его воздушный винт. Таких цилиндров может быть несколько, точнее даже много :-). От 4-х до 24-х. Такое количество цилиндров обеспечивает достаточную мощность и устойчивость работы двигателя.

Еще одна схема работы одного ряда цилиндров.

Конечно авиационный поршневой двигатель только принципиально похож на обычный ДВС. На самом деле здесь обязательно присутствует авиационная специфика. Двигатель самолета выполнен из более совершенных и качественных материалов, более надежен. При той же массе, он значительно мощнее автомобильного. Обычно может работать в перевернутом положении, ведь для самолета (особенно истребителя или спортивного) пилотаж – обычное дело, а автомобилю это, естественно, не нужно.

Двигатель М-17, поршневой, рядный, V-образный. Устанавливался на самолеты ТБ-3 (конец30-хгодов 20 в.)

Двигатель М-17 на крыле ТБ-3.

Поршневые двигатели могут различаться как по количеству цилиндров, так и по их расположению. Бывают рядные двигатели (цилиндры в ряд) и радиальные ( звездообразные ). Рядные двигатели могут быть однорядные, двухрядные, V-образные и т.д. В звездообразных цилиндры расположены по окружности (в виде звезды) и бывает их обычно от пяти до девяти (в ряду). Эти двигатели, кстати, тоже могут быть многорядными, когда цилиндры блоками стоят друг за другом. Рядные двигатели обычно имеют жидкостное охлаждение (как в автомашине :-), они и по виду больше похожи на автомобильные), а радиальные – воздушное. Они обдуваются набегающим потоком воздуха и цилиндры, как правило, имеют ребра для лучшего теплосъема.

Двигатель АШ-82, радиальный, двухрядный. Устанавливался на самолеты ЛА-5, ПЕ-2.

Самолет ЛА-5 с двигателем АШ-82.

Авиационные поршневые двигатели часто имеют такую особенность, как высотность. То есть с увеличением высоты, когда плотность и давление воздуха падают, они могут работать без потери мощности. Подвод топливно-воздушной смеси может осуществляться двумя способами. Здесь полная аналогия с автомашиной. Либо смесь готовится в специальном агрегате, называемом карбюратором и потом подается в цилиндры (карбюраторные двигатели), либо топливо непосредственно впрыскивается в каждый цилиндр в соответствии с количеством поступающего туда же воздуха. На автомобилях такого типа двигатели часто обзывают «инжекторными».

Современный поршневой радиальный двигатель ROTEC R2800.

Более мощный R3600 (большее количество цилиндров).

В отличие от обычного автомобильного ДВС, для самолетного поршневого движка не нужны громоздкие (ну и, естественно, тяжелые :-)) передаточные механизмы от поршней к колесам. Все эти оси, мосты, шестерни. Для самолета ведь вес очень важен. Здесь движение от поршня сразу через шатун передается на главный коленчатый вал, а на нем уже стоит вторая важная часть самолета с поршневым двигателем – воздушный винт . Винт – это, так сказать, самостоятельная (и очень важная) единица. В нашем случае он является «движителем» самолета, и от его корректной работы зависит качество полета. Винт – это не часть двигателя, но работают они в тесном сотрудничестве :-). Винт всегда подбирается или проектируется и рассчитывается под конкретный двигатель, либо же они создаются одновременно, так сказать комплектом :-).

Радиальный двигатель М-14П. Устанавливается на спортивные СУ-26, ЯК-55.

СУ-26 с двигателем М-14П.

Принцип работы винта – это достаточно серьезный ( и не менее интересный :-)) вопрос, поэтому я решил выделить его в отдельную статью, а сейчас пока вернемся к «железу».

Я уже говорил, что сейчас поршневой авиационный двигатель опять «набирает обороты». Правда состав авиации использующей эти двигатели теперь другой. Соответственно изменился и состав применяемых двигателей. Тяжелые и громоздкие рядные движки практически отошли в прошлое. Современный поршневой двигатель (чаще всего) – радиальный с количеством цилиндров 7-9, с хорошей топливной автоматикой с электронным управлением. Один из типичных представителей этого класса, например, двигатель ROTEC 2800 для легких самолетов, создан и производится в Австралии (между прочим выходцами из России :-)). Однако о рядных двигателях тоже не забывают. Таков, например, ROTAX-912. Так же хорошо известен двигатель отечественного производства М-14П, который устанавливается на спортивные самолеты ЯК-55 и СУ-26.

Двигатель Rotax-912, рядный. Устанавливается на легкие спортивные самолеты Sports-Star Max

Спортивный самолет Sport-Star Max c двигателем Rotax-912.

Существует практика применения дизельных двигателей ( как разновидность поршневых) в авиации, еще со времен войны. Однако широко этот двигатель пока не применяется из-за существующих проблем в разработке, в частности в области надежности. Но работы все равно ведутся, особенно в свете грядущего дефицита нефтепродуктов.

Поршневой авиационный двигатель вообще еще рано списывать со счетов :-). Ведь, как известно, новое – это хорошо забытое старое… Время покажет…

История

Конструкторское бюро образовано Постановлением Центрального Комитета ВКП(б) и Совета Народных Комиссаров СССР 11 декабря 1939 года и имеет собственную школу проектирования, доводки и конструкторского сопровождения изделий в серийном производстве и эксплуатации. Основоположниками пермской конструкторской школы являются Аркадий Дмитриевич Швецов и Павел Александрович Соловьев.

Под руководством Аркадия Дмитриевича Швецова, известного советского конструктора авиационных двигателей, создателя отечественного авиационного мотора М-11, с 1939 года по 1953 год предприятием было создано семейство мощных звездообразных поршневых двигателей воздушного охлаждения М-63, АШ-82, АШ-82ФН, АШ-73ТК, АШ-82Т, АШ-82В, которые устанавливались на самолеты Поликарпова, Туполева, Лавочкина, Сухого, Ильюшина, Антонова, вертолеты Миля, Яковлева и сыграли важную роль в победе над фашизмом и в послевоенное время.

В начале 1950-х годов коллектив предприятия, который возглавил преемник Швецова Павел Александрович Соловьев, приступил к созданию новой газотурбинной техники. Каждый авиационный двигатель этого периода можно охарактеризовать словами «первый» и «лучший». Двигатели устанавливались на самых надежных в истории авиапрома самолетах Ту-134 (Д-30), самых экономичных – Ту-154М (Д-30КУ-154) , самых дальнемагистральных — Ил-62М (Д-30КУ), самых быстрых в мире истребителях МиГ-31 (Д30Ф6) .

Пермская школа внесла общепризнанный вклад в теорию и практику мирового двигателестроения. Классическими образцами проектирования, вошедшими в учебники по конструкции авиационных двигателей, стали разработанные в Перми поршневой «мотор-долгожитель» АШ-62ИР (разработан в 1938 году и ныне летает на самолетах Ан-2), первый двухконтурный двигатель Д-20П (Ту-124); первый вертолетный двигатель со свободной турбиной Д-25В (Ми-6, Ми-10, Ми-10К); первый двухконтурный форсажный двигатель Д30Ф6 (МиГ-31); первая электронная система управления двигателем, высоконапорный компрессор, высокотемпературные турбины.

В 1993 году началась эксплуатация двигателя ПС-90А – последнего двигателя, созданного при жизни П.А. Соловьева. Уже более 25 лет ПС-90А остается единственным в России двигателем для магистральной авиации. За 20 лет разработаны и сертифицированы модификации: ПС-90А-76, ПС-90А1, ПС-90А2, ПС-90А3. В настоящее время двигатели семейства ПС-90А эксплуатируются на российских самолетах пассажирской, грузовой и транспортной авиации. Установлены ПС-90А и на лайнерах президента и премьер-министра Российской Федерации.

Отличительная особенность пермской конструкторской школы – высокая доля разработок, внедрённых в производство и массово выпускаемых серийными заводами. За 82 года существования КБ разработано более 70 типов двигателей, из которых 41 тип (60%) производились серийно. В разное время моторостроительными заводами в Перми (АО «ОДК-Пермские моторы») и Рыбинске (ОАО «НПО «Сатурн») выпущено 66,4 тысячи авиационных поршневых двигателей и более 19,5 тысяч авиационных газотурбинных двигателей, разработанных пермским конструкторским бюро.

В начале 90-х годов в связи со структурным кризисом авиационной промышленности «ОДК-Авиадвигатель» использовал накопленный опыт проектирования для разработки газотурбинного оборудования для предприятий газодобывающей промышленности и топливно-энергетического комплекса России. За последние 25 лет разработаны и освоены в серийном производстве (АО «ОДК-Пермские моторы») два семейства газотурбинных установок для газоперекачивающих агрегатов и электростанций от 2,5 до 6 и от 10 до 25 МВт. По заказу крупнейших нефтегазовых и энергетических компаний – «Газпрома», «ЛУКОЙЛа», «Башкирэнерго», «Сургутнефтегаза» и других – изготовлено и успешно работают около 1100 ГТУ промышленного назначения.

С 2008 года «ОДК-Авиадвигатель» ведет работы по созданию семейства перспективных двигателей тягой 9-18 тонн, предназначенных для ближне-, среднемагистральных самолетов типа «МС-21» и промышленных газотурбинных установок. В 2018 году базовый двигатель семейства ПД-14 сертифицирован Авиарегистром РФ. В декабре 2020 года опытный самолет МС-21-300 с двигательной установкой ПД-14 совершил первый полет. В настоящее время «ОДК-Авиадвигатель» реализует программу «Создание семейства двигателей большой тяги на базе газогенератора ПД-35», разрабатывает газотурбинные установки для транспорта газа на базе двигателя ПД-14, а также малоэмиссионные камеры сгорания для газотурбинных двигателей промышленного назначения.

«Вечные двигатели» и их создатели. Павел Соловьев

26 июня исполняется 102 года со дня рождения советского и российского конструктора Павла Александровича Соловьева, основоположника газотурбинного двигателестроения в СССР, создателя пермской школы конструирования. Его именем назван двигатель ПС-90А, последняя работа Соловьева, один из лучших моторов для дальнемагистральной авиации.

С самого начала карьеры в 1940 году и до последних дней Павел Александрович был связан с работой пермского ОКБ-19 (сегодня «ОДК-Авиадвигатель», входит в Ростех), где прошел путь от конструктора до руководителя бюро. Под началом Соловьева было разработано и запущено в серию не менее 15 авиадвигателей различных схем и назначений, включая ряд модификаций.

Солдат «войны моторов»

Местом рождения будущего создателя авиамоторов стала деревня на Волге в Ивановской области. Павел Соловьев был одним из пяти детей в крестьянской семье. Несмотря на то что мальчику приходилось много помогать по хозяйству, он находил время для чтения книг. После окончания 9 классов школы Соловьев поступает в Рыбинский авиационный институт, который заканчивает с отличием.

В предвоенном 1940 году Соловьев приходит на должность конструктора в опытно-­конструкторский цех (ОКЦ) завода №19 имени Сталина города Молотова (ныне АО «ОДК­-Авиадвигатель», г. Пермь). Великую Отечественную войну называли «войной моторов», и на коллективы ОКБ, занимавшихся разработкой авиадвигателей, тогда легла гигантская ответственность и нагрузка. Напряженный творческий труд в военные годы закалил молодого конструктора и способствовал его быстрому профессиональному росту – уже в возрасте 31 года, в 1948 году, Павел Соловьев становится первым заместителем главного конструктора завода, а его старшим товарищем и учителем был выдающийся конструктор Аркадий Дмитриевич Швецов.

Руководство ОКБ-19, 1948 год. Соловьев − третий слева во втором ряду

При непосредственном участии Соловьева во время войны создается серия двухрядных авиамоторов АШ-82/83. Эти двигатели устанавливались на истребителях Ла‑5 и Ла‑7, штурмовиках Су-2, бомбардировщиках Ту-2, Пе-2 и Пе‑8, вклад которых в победу в Великой Отечественной войне сложно переоценить.

От поршней к газотурбинам

После войны ОКЦ завода №19 становится основным в СССР разработчиком поршневой техники для нужд военной и гражданской авиации. В 1947 году создается самый мощный серийный поршневой двигатель АШ-73ТК для дальнего четырехмоторного стратегического бомбардировщика Ту-4. Всего до 1953 года было выпущено 1200 бомбардировщиков различных модификаций, стоявших на вооружении ВВС до начала 1960-х годов. В конце 1940-х – начале 1950-х началось широкое внедрение поршневых двигателей ОКБ-19 в транспортную авиацию. Помимо установленных еще в начале войны моторов М-62ИР на самолетах Ли-2, начинается массовое использование двигателей ОКБ-19 на самолетах Ил-12, Ил-14, а также на вертолетах Ми-4 и Як-24. Двигатель АШ-62ИР, который ставился на «кукурузники» Ан-2, выпускался более 60 лет.

Бомбардировщик Ту-4 с двигателями АШ-73ТК

В марте 1953 года уходит из жизни А.Д. Швецов, и Павел Соловьев становится главным конструктором. Эти события пришлись на переходный период в авиационном моторостроении: поршневая техника уже отживала свое, исчерпав возможности для роста, а газотурбинное направление было еще недостаточно развито. Соловьев, несмотря на свой молодой возраст, смог перенаправить работу бюро в новое русло разработки газотурбинной техники и вывести ОКБ на лидирующие позиции в стране и мире.

Период с 1953 по 1956 годы прошел под знаком поиска нужного типа и схем реактивных и газотурбинных двигателей. Важный выбор, определивший тематику ОКБ‑19 на многие годы, был сделан в середине 1955 года, когда коллектив начал проектировать первый двигатель по двухконтурной схеме Д‑20 для установки на бомбардировщике А.Н. Туполева, способном преодолевать зону ПВО на двухрежимном форсажном режиме работы двигателя. Были проведены испытания, однако в 1956 году работы над самолетом и, соответственно, над двигателем были остановлены. При этом двухконтурная схема двигателей и сегодня остается доминирующей во всем мире.

Период с 1956 по 1961 годы ознаменовался для коллектива Соловьева созданием и внедрением в эксплуатацию первого в СССР турбореактивого двухконтурного двигателя Д-20П для самолетов Ту-124. В историю Ту-124 вошел как первый реактивный пассажирский лайнер, принесший на региональные авиалинии комфорт и скорость. Другой важной разработкой тех лет стал первый в мире вертолетный газотурбинный двигатель Д‑25В для тяжелого вертолета Ми-6 и его модификаций Ми-10/10К. Ми-6 поставил 16 мировых рекордов по грузоподъемности и скорости полета, участвовал в боевых действиях в Афганистане. Создавались новые двигатели тоже рекордными темпами − с начала разработки Д-20П до запуска в серию прошло около трех лет, а вертолетная силовая установка была создана всего за 8 месяцев.

Самолет Ту-124 с двигателем Д-20П

С 1963 по 1972 годы ОКБ-19 под руководством Соловьева, несмотря на сильную загруженность работой над ракетными двигателями, создает двухконтурные двигатели третьего поколения Д‑30 и Д‑30КУ/КП. Всего было выпущено более 3000 двигателей Д-30, которые устанавливались на пассажирский ближнемагистральный самолет Ту‑134, ставший самой массовой крылатой машиной в СССР. Силовая установка Д‑30КУ была создана для модернизации дальнемагистрального пассажирского самолета Ил-62, после которой он смог обеспечивать длительные беспосадочные перелеты по территории России, а также в Западное полушарие (США и Южную Америку) через Атлантический океан. Вариация установки Д‑30КП использовалась на военном транспортнике Ил-76 и его многочисленных модификациях, которые и по сей день применяются для доставки грузов МЧС и работы в зонах стихийных бедствий.

Самолет Ту-134 с двигателями Д‑30

Двигатели четвертого поколения: военные и гражданские

1970-е годы в работе Павла Александровича Соловьева и его КБ были в основном посвящены созданию военного двигателя Д‑30Ф6 для истребителя-перехватчика МиГ-31, первого боевого самолета четвертого поколения в СССР. Предварительные работы по созданию сверхзвуковой установки начались в ОКБ еще в середине 1960-х годов. В работе П.А. Соловьев руководствовался принципом сочетания новаторства и преемственности. В ходе создания двигателя Д-30Ф6 была проделана большая работа в кооперации со многими предприятиями авиационной отрасли СССР. Самолеты МиГ-31 до сих пор стоят на вооружении ВКС России. В 2009 году одному из самолетов МиГ-31 авиационного гарнизона «Сокол» было присвоено почетное имя «Павел Соловьев».

Истребитель-перехватчик МиГ-31 с двигателем Д‑30Ф6

Если вернуться к гражданской авиации, то уже в 1970-е годы в Советском Союзе возникла потребность в обновлении магистрального авиапарка для улучшения топливной эффективности самолетов и приведения их в соответствие международным нормам. В конце 1982 года государство открыло конкурс на унифицированный двигатель для пассажирских самолетов нового поколения Ту-204 и Ил-96. Основными соперниками в конкурсе стали двигатели НК-64 ОКБ Н.Д. Кузнецова и Д-90А ОКБ П.А. Соловьева. Победу одержали пермяки: мотор Соловьева показал лучший расход топлива, меньший вес и более низкую себестоимость. В связи с 70-летием Павла Александровича в 1987 году двигателю было присвоено его имя − ПС‑90А.

При высокой конструктивной преемственности ПС‑90А с семейством двигателей Д‑30 Соловьевым был создан качественно новый продукт – высокоэкономичный и экологичный авиационный двигатель широкого применения, по своим характеристикам ставший в один ряд с лучшими мировыми двигателями аналогичного класса. Новый двигатель ПС‑90А впервые поднял в воздух самолет Ил-96 в 1988 году, а в 1989 году – самолет Ту-204.

В настоящее время двигатели семейства ПС-90А установлены на все современные отечественные пассажирские и грузовые самолеты. Двигатель в его различных модификациях выпускается до сих пор и является первым российским авиадвигателем с наработкой более 9000 часов без съема с крыла. ПС-90А поднимает в небо самолеты специального летного отряда «Россия», предназначенные для перевозки президента России и других государственных деятелей. На базе ПС-90А также разработано семейство турбореактивных двигателей ПС-90ГП для наземного использования в составе электрогенераторных и газоперекачивающих установок.

Самолет Ил-96 с двигателем ПС‑90А

Идеи П.А. Соловьева, реализованные в серийных двигателях пермского ОКБ-19, на многие годы определили уровень отечественного двигателестроения. Принципы, которые он использовал в работе, стали основой для новой конструкторской школы, продолжающей традиции русской инженерной мысли. Признанием научных заслуг Павла Александровича Соловьева стало присвоение ему ученого звания профессора кафедры «Авиационные двигатели» Пермского политехнического института, ученой степени доктора технических наук и почетного звания «Заслуженный деятель науки и техники РСФСР». В 1981 году Соловьев был избран членом-корреспондентом Академии наук СССР, с 1970 по 1989 годы работал депутатом Верховного Совета РСФСР, а после выхода на пенсию был назначен советником при руководстве МКБ МАП СССР. Скончался П.А. Соловьев 13 октября 1996 года. Его именем названа улица в Перми. Альма-матер Павла Александровича, Рыбинский государственный авиационный технический университет, сегодня также носит имя конструктора.

События, связанные с этим

«Летающие крепости» Владимира Петлякова

«Вечные двигатели» и их создатели. Сергей Изотов

Победители программы «Старт» разработали двигатель для летательных аппаратов

Уфимские инженеры, победители программы «Старт», сделали первый шаг на пути создания нового направления в отечественном авиастроении — разработали двигатель для сверхлегких летательных аппаратов, то есть самолетов, вертолетов и беспилотников ДДА-120. Пока легкая и сверхлегкая авиация в России полностью импортозависима. Причем, по словам гендиректора компании-разработчика «Двигатели для авиации» Платона Маслова, все комплектующие летательных аппаратов — импортные, соответственно, конечная стоимость очень высока. Причем, львиную долю, до 90 процентов, стоимости летательных аппаратов составляет цена двигателя.

Первый в России серийный авиационный поршневой двигатель, по замыслу проектировщиков, будет превосходить по показателям зарубежные экземпляры в производительности, экономичности, простоте эксплуатации. А вот стоить будет намного меньше. Если сейчас самый дешевый новый импортный двигатель обходится в 20 тысяч евро, то наш — до 500 тысяч рублей.

Он обладает уникальными характеристиками: высокой удельной мощностью, как современные бензиновые двигатели, и экономичностью дизеля, так же обладает возможностью работы на различных видах топлива — авиационном керосине, бензине и дизельном топливе. Одним махом разработчики объединили все преимущества поршневых двигателей, работающих или на бензине, или на дизельном топливе, и избавились от их недостатков.

Внешне ДДА-120 практически не отличается от аналогов. Двигатели такой мощности широко применяются в малой авиации, например, в вертолетах Robinson R22 и самолетах Cetus 200. Некоторые компании уже проявили интерес к разработке и даже сделали предзаказ.

Первый в России серийный авиационный поршневой двигатель будет превосходить по показателям зарубежные экземпляры

Над созданием нового двигателя трудится команда, состоящая из шести человек. Все они — выпускники Уфимского государственного авиационного технического университета (УГАТУ), в том числе два доктора технических наук. Недаром в основе ноу-хау — фундаментальные исследования, которые велись в университете еще с 1980-х годов.

Что уже есть: спроектирована 3D модель двигателя, проведен ряд ключевых расчетов и испытаний. В частности, в условиях, приближенных к реальности, — при отрицательных температурах от 20 до 30 градусов цельсия. Двигатель и топливная система подтвердили свою работоспособность. Сейчас процесс достиг стадии изготовления прототипа.

Для того чтобы изготовить прототип, требуется около трех миллионов рублей. Так как все делается «с нуля», потребуется совершенно новая оснастка. Если на первых порах уфимцев поддержал Фонд содействия инновациям, то теперь средства собираются на одной из краудфандинговых платформ. Пока из нужной суммы собрано немногим более 352 тысяч рублей.

Как могут компанию поддерживают коллеги. Так, омский завод пообещал бесплатно изготавливать детали и узлы для прототипа, которые им под силу.

Платон Маслов, который вплотную занимается двигателем уже четыре года, уверен, что трудности преодолимы. Следующим шагом станет создание опытно-конструкторского бюро и завода по выпуску двигателя. И тогда страна сможет развивать малую авиацию.