Первой самостоятельной модификацией швецовского КБ следует считать мотор М-62 (разработка 1937 г.) мощностью 1000 л.с., который вышел на мировой уровень по параметрам и успешно применялся на массовом истребителе И-153. Удача разработки этого мотора свидетельствовала, что КБ состоялось. Одновременно велись самостоятельные конструкторские разработки двухрядных звезд: вначале 18-цилиндрового М-25Д, позже получившего обозначение М-70, а затем 14-цилиндрового М-80. Диаметр (155,5 мм) и ход поршня (174,5 мм) оставались неизменными с "Циклона". Читатель должен обратить внимание на точность указания номинальных размеров (до 0,5 мм), а это говорит, что допуск на изготовление должен быть на порядок меньше (50 микрон), а мерительный инструмент - еще более точным.
Двухрядные звезды - это уже качественно другой уровень квалификации конструирования. При их создании возникают сложные проблемы, которые приходится решать самостоятельно. И здесь при создании мотора мы сталкиваемся еще с одной фундаментальной проблемой: любой дефект, поломка имеет системный характер, т. е. для понимания отрицательного "результата" необходимо построить логически правильную цепочку развития событий во времени, чтобы определить причину дефекта. Кроме того, поиск идет, как правило, при ограниченной объективной информации о поведении системы ввиду ограниченности штатных или даже специальных (на опытном моторе) средств измерений (особенно в довоенные годы). Определение причины дефекта требует самой высокой квалификации, методом "тыка" ни один мотор не довести до товарного состояния - слишком сложная система.
Вот один из примеров. С форсированием по мощности мотора-прототипа М-25 начала проявляться тряска мотора, т. е. его корпуса, которая передавалась через подвеску и на самолет. Чем больше увеличивалась мощность мотора, тем сильнее была тряска. Происходила разбалансировка сил инерции, в результате чего возникали сильные динамические нагрузки на опоры ротора. Но где причина? При анализе оказалось, что при расчете уравновешивания сил инерции форсированного мотора, кроме массы вращающихся деталей, необходимо учитывать и присоединенную массу масла в полостях шатунных шеек [10].
Какие дефекты были присущи звездообразным моторам воздушного охлаждения? Из их краткого описания и методов их устранения можно понять и сложность создания мотора. Малая плотность воздуха (в сравнении с водой) создавала проблему съема тепла и тем самым охлаждения цилиндров. Перегрев цилиндров и клапанов сопровождал всю историю моторов воздушного охлаждения. Эта проблема существенно усугублялась при постановке второго ряда звезды вслед за первым рядом, затеняющим этот второй ряд. Тот, кто видел эти моторы, наверняка заметил сложнейшую развитую систему ребер охлаждения цилиндров, которые увеличением площади теплоотдачи компенсировали малую плотность воздуха. Нужны сотни часов продувок десятков вариантов расположения ребер с измерением полей температуры, чтобы решить проблему (и то без гарантии). Например, для улучшения охлаждения был применен поворот головки цилиндра на 15° по отношению к вектору скорости набегающего воздуха. Это, в свою очередь, потребовало изменения кинематики классического клапанного механизма. Потребовалось разработать новые законы движения звеньев (рычагов, толкателей, тяг и др.) и профилей кулачков. Как мы увидим ниже, диаметр цилиндров авиамоторов более 160 мм не применялся именно из-за проблемы их перегрева. Количество выделяемого тепла в объеме цилиндра пропорционально кубу линейного размера, а съем тепла - только квадрату размера (площади). Этот "закон куба-квадрата", ограничивающий конструкторов, действует во многих технических системах. Учитывая многорежимность работы мотора и множество сочетаний высоты, скорости полета самолета, а также климатических условий эксплуатации (зима, лето), "настроить" пассивную систему охлаждения цилиндров для любого сочетания условий чрезвычайно сложно.
Вторым серьезным дефектом звездообразных моторов явилась их склонность к заклиниванию втулки подшипника, так называемого главного шатуна (в "звезде" все шатуны, кроме главного, являются прицепными к последнему, а все усилие на коленчатый вал передается через главный шатун). Очевидно, что с увеличением мощности эта проблема также усугублялась. Одно время казалось, что она вообще не имеет решения и ставит предел развиваемой мощности. В 1940 г. в КБ Швецова пригласили из ЦИАМ специалиста по подшипникам скольжения С. Н. Куцаева. Далее мы даем слово участнику этих событий инженеру КБ В. В. Даровских: "Изучив характер износа втулки главного шатуна и шатунной шейки коленчатого вала, он предложил образующую втулки выполнить по гиперболе с мнимой осью вдоль оси шатунной шейки с переменным подлине подшипника зазором, увеличивающимся от середины к краям. Однако первые испытания не показали улучшения работы. Анализ показал, что увеличенные зазоры у концов втулки приводили к вытеканию масла из подшипника. Для обеспечения нормального маслоснабжения были поставлены боковые кольца с отверстиями и пружинами, а от проворота втулка была зафиксирована шлицами. Кроме того, было введено многослойное покрытие трущейся поверхности втулки: никель, медь, серебро, индий. Проблема была решена" [10]. В решении проблемы этого конкретного дефекта мы видим и некую общую методологию решения - комплексный подход.
Не менее серьезными проблемами были задир поршней, износ цилиндров и колец, коробление седел клапанов, прогар выхлопного клапана. Решение этих проблем никто подсказать не мог - со всем этим справлялись конструкторы КБ. Простые копиисты стали бы в тупик при любом таком дефекте и запросили бы помощи из-за рубежа. Как вспоминал П. А. Соловьев, ставший преемником А. Д. Швецова в 1953 г.: "Вспоминается такой эпизод. Мы со Швецовым долгое время занимались бесступенчатой передачей для того, чтобы улучшить характеристики самолета, особенно для воздушного боя. Сделана была такая механическая передача: на валу вращается желоб, свернутый в кольцо. Одна половинка на одной стороне, вторая - на другой, а между ними ролик. И в зависимости от положения ролика идет передача с большего на меньшее и наоборот. А поскольку вы можете менять положение ролика бесконечно, то и этих передач получается бесконечно много. Сложные, конечно, устройства, но все-таки работали, на моторе работали. Я помню, как-то вечером поставили на испытания очередную конструкцию и произошла поломка привода, раскололся корпус, редуктор, шестерни высыпались, как из мешка. А договорились, чтобы я позвонил Аркадию Дмитриевичу, как только первую гонку сделаем. Я позвонил ему. "Ну как?" - "Так сломалась, сломалась крупно". - "А кто-нибудь пострадал?" - "Нет". - "Ну и хорошо. А чего ты расстраиваешься? Думал, обойдешься без этого вообще? Такого не бывает. Давай все это запломбируй, чтобы ночью не возиться, а с утра разбирайтесь, что произошло".(Соловьев П. А. О времени и о себе).
Чем опытный инженер отличается от неопытного при разработке новой принципиально конструкции? Оба, по большому счету, ни черта не знают. Но… опытный инженер не боится, знает, что предстоит доводка (а любой эксперимент - это и вопрос, и ответ, лучше бы, конечно, только ответ), а неопытный - боится. И еще: опытный инженер быстрее учится на своих ошибках.
Идея четырехтактного цикла впервые была предложена французским инженером Альфонсом Бо де Роша (Beau de Rochas) в 1861 г.:
"Поставленная задача имела, очевидно, единственно практически правильным конструктивным решением применение только одного цилиндра, во-первых, для того, чтобы последний имел максимально возможные размеры, во-вторых, чтобы уменьшить до абсолютного минимума сопротивление газов движению. Это, естественно, приводит к осуществлению в одной и той же полости цилиндра в течение четырех последовательных ходов поршня следующих процессов:
1. Всасывание в течение целого хода поршня.
2. Сжатие в течение следующего хода.
3. Воспламенение в мертвой точке и расширение в течение третьего хода.
4. Выталкивание сгоревших газов из цилиндра на четвертом и последнем ходе" (Beau de Rochas "Nouvelles recherches", p. 30. Цит. по Гюльднер, с. 730).
Однако приоритет реализации этого цикла принадлежит немецкому инженеру Николаусу Отто. Модификацию этого цикла разработал его соотечественник Рудольф Дизель. Промышленное производство поршневых двигателей внутреннего сгорания организовали тоже немцы - Карл Бенц и Готтлиб Даймлер. Даймлер и запатентовал V-образную схему расположения цилиндров мотора. Революционным было и изобретение Робертом Бошем искровой системы зажигания током высокого напряжения от магнето в конце 1880-х гг. Только появление таких эффективных (большой удельной - на единицу массы - мощности) двигателей внутреннего сгорания позволило создать возможность рождения таких аппаратов тяжелее воздуха, как самолет и вертолет. Это произошло в конце XIX века. Доминирование эры воздухоплавания (аппараты легче воздуха) и тяжелых двигателей внешнего сгорания (паровых машин) закончилось. Попытки продлить жизнь коммерческому и военному воздухоплаванию с помощью дирижаблей продолжались до аварии (пожара) пассажирского "водородного" "Гинденбурга" в Нью-Йорке в мае 1937 г. при швартовке после перелета через Атлантику.
В отличие от летящего самолета, имеющего внешние, хорошо видные обтекаемые "красивые" аэродинамические формы, "красоту" двигателя внутреннего сгорания трудно увидеть. Требуется интеллектуальное усилие, чтобы в этом нагромождении "железа" распознать чудо инженерной мысли. Все самое интересное в авиамоторе происходит внутри.
Как известно, первый в мире установившийся управляемый полет самолета-биплана "Флайер" ("Летающий") конструкции братьев Райт с мотором Тэйлора мощностью 12 л.с. и массой около 80 кг (удельная мощность - 0,15 л с./кг) состоялся 17 декабря 1903 г. С выбором мотора для первого в мире самолета была проблема: ни один из существовавших тогда автомобильных моторов не обеспечивал необходимой для самолета удельной (на 1 кг массы) мощности. Больше, чем 0,06, автомобильные моторы того времени не имели, а нужно было по крайней мере 0,125. Требуемое соотношение было достигнуто инновационным для того времени применением алюминиевого литья для корпуса. Мотор для "Флайера" был четырехцилиндровый, с горизонтальным расположением цилиндров жидкостного охлаждения. Диаметр цилиндра и ход поршня DxS составляли 102*102 мм ("квадрат"). Два пропеллера приводились цепной передачей. Вообще-то надо было исхитриться, чтобы полететь. Братья Райт в первую очередь были специалистами по аэродинамике, в том числе и по аэродинамике пропеллера. Именно благодаря разработанному ими очень эффективному пропеллеру, т. е. преобразователю мощности мотора в силу тяги, удалось максимально использовать весьма ограниченную мощность мотора. Вообще, при изучении истории авиамоторов нельзя забывать о движителях - пропеллерах - воздушных винтах. Их история не менее интересна, а сами винты развиваются до сих пор. И это неслучайно: для дозвукового экономичного полета винт является идеальным движителем. Сегодня снова стоит задача разработки эффективных многолопастных винтов с низким уровнем шума для перспективных магистральных самолетов.
"Фишкой" же пропеллера Уилбура Райта была примененная им стреловидность лопасти в концевых сечениях, так называемый "end bent" ("отогнутый конец"), уменьшающий так называемую статическую дивергенцию винта, т. е. раскрутку под влиянием аэродинамических сил.
Братья Райт "обхитрили" профессора Самюэля Лэнгли, тоже готовившего полет своего самолета "Аэродром" с мотором Мэнли - Бальтцера мощностью 52 л.с. в 1903 г. Мощности 12 л.с. не хватало, чтобы разогнаться "Флайеру" до скорости отрыва 45 км/час по дорожке длиной 20 м, и братья Райт "нашли" место в Северной Каролине с постоянно дующим встречным ветром 30 км/час для взлета. Мотор конструкции Мэнли имел существенно лучшую (более, чем в 3 раза) удельную мощность в сравнении с мотором Тэйлора, но Лэнгли не повезло. Его "Аэродром" поднял в воздух Гленн Кёртис только в 1913 г., когда Лэнгли уже не было на этом свете. Отношение мощности мотора к его массе в результате технического прогресса эволюционировало от 0,55 л.с./кг (мотор Мэнли - Бальтцера) до 2,2 л.с./кг (Кертис - Райт R-3350).
Несомненно, в начале XX века передовой авиационной державой была Франция. То, что первый полет самолета с мотором был совершен в США братьями Уилбуром и Орвилом Райтами, есть историческая случайность. Развитие моторостроения определяло тогда успех в авиации. Первым мотором, спроектированным специально для авиации, был ставший знаменитым "Антуанетт", V-образный мотор водяного охлаждения мощностью 24 л.с. и отношением мощности к массе 0,5 л.с./кг. Его разработал в 1902 г. француз Леон Левавассер (Levavasseur). В этом моторе были применены инновации: легкие алюминиевые корпуса, функцию тяжелого маховика, сглаживающего крутящий момент на валу, выполняло увеличенное до 8 количество цилиндров, выполненных по схеме "V". В результате длина 8-цилиндрового мотора была такой же, как 4-цилиндрового. Самой тяжелой частью мотора тогда были цилиндры, изготавливаемые литьем из чугуна. Стенки цилиндра имели толщину 5 мм. Для снижения их массы Левавассер уменьшил ход поршня и соответственно длину цилиндров, и увеличил число оборотов до 1100 об/мин. Рубашка охлаждения была выполнена из тонкого листа латуни. Разработана была и новая система подачи масла. Правда, первые авиамоторы не имели карбюратора, и поэтому управление режимом мотора было затруднено. Поскольку первый заказ этого мотора от Вооруженных сил Франции для постановки на дирижабли задерживался (как обычно), то Левавассер предложил свой мотор для гоночных лодок. Сделка состоялась, а по первому имени дочери главного спонсора конструктор и назвал свой мотор. Успех был полный. Более того, эта гоночная лодка постепенно стала приобретать черты гидросамолета (плоское днище и т. п.), т. е. летающей лодки, в некотором смысле явившись предком последней, появившейся через пять лет.
В 1905 г. во Франции был объявлен приз 50 тыс. франков тому, кто совершит первый "официально зарегистрированный полет". В борьбу за приз включились все конструкторы самолетов. Приз выиграл пилот-бразилец, живший во Франции, Santos-Dumont (Сантос-Дю-мон) на самолете-биплане собственной конструкции с мотором "Антуанетт" мощностью 50 л.с., пролетев 12 ноября 1906 г. дистанцию 220 м. Все его тогдашние конкуренты (Фербер, Делагранж, Блерио) опоздали. Считается, что если США (братья Райт) были пионерами в разработке системы управления самолетом, то Европа (Франция) - пионером в разработке настоящего авиамотора. На первом этапе становления авиации моторостроение, будучи исторически старше, технологически опережало развитие самолетостроения.
Далее многие пытались разработать хороший авиамотор, но только двум конструкторам удалось сделать шаг вперед в этой области техники: Луи Сегену из фирмы "Гном" и Луи Рено из автомобильной фирмы "Рено". В 1905 г. Луи Сегеном была создана фирма "Гном" для производства оригинального звездообразного ротативного (с вращающимися 7-цилиндрами и неподвижным валом) двигателя. Объединившись в 1915 г. с фирмой "Рон" (Луи Верде), "Гном и Рон" произвели за время Первой мировой войны 100 тыс. (!) двигателей одно- и двухрядных звезд (воздушного охлаждения) в классе мощности 50… 150 л.с. Обладая хорошей плавностью хода благодаря массивному маховику вращающегося корпуса, ротативная схема имела ограничения по мощности до 200 л.с. из-за больших вентиляционных потерь и создавала большой гироскопический момент на конструкцию самолета при его эволюции. Кроме того, большой проблемой ротативного мотора была смазка: масло не могло быть собрано в картере, как это обычно делается, из-за действия центробежных сил. Следствием этого был повышенный расход масла и необходимость защиты летчика от масляных капель. Знаменитый шарф "Красного барона" (Рихтгофена) и других летчиков, летающих на самолетах с "Гномами", выполнял вполне прозаическую функцию - протирать защитные летные очки от капель масла. Единственным типом масла, которое годилось для смазки "Гнома", было касторовое. Только оно не смешивалось с топливом в кожухе и сохраняло свои смазочные свойства при повышенных температурах. Рассказывают, что многие летчики были взяты в плен, когда они садились на вражеской территории в надежде докупить в аптеках касторового масла для дозаправки. Наконец, мотор "Гном" был однорежимным - всегда работал на максимальном режиме. Снижение режима при посадке осуществлялось периодическим выключением и включением зажигания (по сути, известная широтно-импульсная модуляция), что приводило к периодической работе мотора на авторотации. Тем не менее этот мотор получился легким для того времени. Его удельная мощность составляла 0,5л.с./кг. Однако к 1920 г. ротативные моторы воздушного охлаждения сходят со сцены - требовались большие мощности, которые эта схема обеспечить не могла.
Еще в 1906 г. французский инженер Роберт Эно Пельтри разработал теорию звездообразного мотора воздушного охлаждения и построил веерообразный (из-за опасения залива маслом нижних цилиндров в случае симметричной "звезды") пятицилиндровый мотор REP (по своим инициалам), который, однако, оказался неудачным - решить проблему охлаждения не удалось. Исторический перелет через Ла-Манш Блерио совершил на самолете своей конструкции, оснащенном трехцилиндровым мотором воздушного охлаждения Анзани мощностью 25 л.с. (с отношением мощности к массе около 0,4), сконструированным для гоночного мотоцикла. Мотор перегревался, но судьба улыбнулась Блерио - во время полета пошел дождь и охладил мотор. Англичане, конечно, не могли отставать от французов и через год после полета Блерио через Ла-Манш, или "Английский Канал", перелетел туда и обратно без посадки вскоре погибший Чарльз Ролле, один из основателей знаменитой моторной фирмы.
Успешным конкурентом "Гнома" к началу Первой мировой войны оказался рядный мотор воздушного охлаждения "Рено" V8 мощностью 60 л.с. Эта была полная противоположность "Гному" - стационарный, рядная схема. Однако, несмотря на алюминиевый корпус, мотор "Рено" был тяжелым: его удельная мощность была существенно меньше (0,33) уже достигнутого тогда уровня весового совершенства 0,5 л.с./кг. У "Гнома" был больший расход топлива и масла, а "Рено" был тяжелее. Что лучше?
Судьбе было угодно провести прямое сравнение моторов-конкурентов. Подобно братьям Райт в США, во Франции тоже были известные авиаконструкторы - братья Фарман: старший Морис и младший Анри. Но, в отличие от Райтов, Фарманы были конкурентами. Оба строили свои самолеты-бипланы, которые были аэродинамически подобны, но Морис строил самолет большего (площадь крыла была больше в 1,5 раза, чем у самолета Анри) размера с мотором "Рено", а Анри-меньшего - с мотором "Гном". Оба самолета участвовали в 1910 г. в соревнованиях на кубок Мишелин на дальность полета и показали практически одинаковую дальность-464 км. Победу тогда присудили Морису и… мотору "Рено". Вплоть до Первой мировой войны по несколько раз в год рекорд дальности переходил от Мориса к Анри и обратно, достигнув 1000 км. Моторы "Рено" в модификациях 80 л.с. 110 л.с., и 130 л.с. в большом количестве строились в разных странах, включая Россию, Италию, Испанию и Японию.