Звездообразный двигатель

Звездообразный двигатель (также радиальный двигатель) — это тип поршневого двигателя внутреннего сгорания, в котором цилиндры расположены радиально вокруг общего коленчатого вала, образуя форму звезды. Относится к классу двигателей с кривошипно-шатунным механизмом. Характеризуется компактностью в осевом направлении, высокой удельной мощностью и эффективным воздушным охлаждением, что обусловило его широкое применение в авиации первой половины XX века.

История

Ранние разработки

Первые попытки создания звездообразного двигателя относятся к концу XIX века. В 1890 году английский инженер Чарльз Мэнли спроектировал пятицилиндровый радиальный двигатель для самолёта Сэмюэла Лэнгли. Однако практическое применение началось с разработок французского инженера Алессандро Анцани, который в 1905—1908 годах создал ряд лёгких и мощных двигателей для дирижаблей и первых самолётов. Его трёхцилиндровый двигатель Anzani мощностью 25 л. с. использовался на самолёте братьев Райт.

Золотой век авиации

Период с 1910-х по 1940-е годы стал временем расцвета звездообразных двигателей. Они доминировали в авиации благодаря простоте обслуживания, надёжности и возможности наращивания мощности за счёт увеличения числа цилиндров. В Первую мировую войну широко применялись ротативные двигатели — разновидность звездообразных, где цилиндры вращались вместе с пропеллером, а коленчатый вал был неподвижен. Однако из-за гироскопического эффекта и сложностей с регулировкой от них отказались в пользу стационарных радиальных схем.

В межвоенный период и во время Второй мировой войны звездообразные двигатели достигли пика развития. Крупнейшие производители — американские Pratt & Whitney, Wright Aeronautical, советские заводы (двигатели А. Д. Швецова, В. Я. Климова), британские Bristol и немецкие BMW — выпускали двигатели мощностью от 200 до 3500 л. с. (например, Pratt & Whitney R-4360 Wasp Major — 28-цилиндровый четырёхрядный двигатель).

Упадок и современное применение

С распространением газотурбинных двигателей (турбовинтовых и турбореактивных) в 1950-х годах звездообразные двигатели начали вытесняться из авиации. Однако они остались в лёгкой авиации, на сельскохозяйственных самолётах, вертолётах (например, Ми-1 с двигателем АИ-26В) и в поршневых самолётах для пилотажа. В XXI веке производство новых звездообразных двигателей ограничено, но они продолжают выпускаться для реставрации и малой авиации (например, российский двигатель М-14П, используемый на самолётах Як-52 и Су-26).

Устройство и принцип работы

Конструкция

Основные элементы звездообразного двигателя:

• Цилиндры — расположены радиально вокруг центрального картера. Число цилиндров обычно нечётное (3, 5, 7, 9) для равномерности работы, хотя встречаются 4- и 6-цилиндровые схемы.
• Коленчатый вал — имеет один кривошип, к которому через главный шатун крепятся все поршни. Главный шатун соединяется с поршнем одного цилиндра, а остальные поршни — через прицепные шатуны, шарнирно закреплённые на главном.
• Картер — литая деталь, к которой крепятся цилиндры и в которой размещается коленчатый вал. Часто выполняется из алюминиевого сплава.
• Головки цилиндров — индивидуальные для каждого цилиндра, с клапанами и свечами зажигания.
• Система охлаждения — преимущественно воздушная: рёбра на цилиндрах и головках, обдув набегающим потоком воздуха или вентилятором.
• Система смазки — под давлением с сухим картером (масло собирается в отдельном баке и подаётся насосом).

Рабочий цикл

Работает по четырёхтактному циклу Отто (впуск, сжатие, рабочий ход, выпуск). Порядок работы цилиндров подбирается так, чтобы обеспечить равномерное вращение коленчатого вала. Для нечётного числа цилиндров (например, 9) порядок зажигания — через один цилиндр (1-3-5-7-9-2-4-6-8), что даёт сглаженный крутящий момент.

Особенности

• Компактность — малая длина по сравнению с рядными и V-образными двигателями.
• Жёсткость — короткий коленчатый вал и прочный картер обеспечивают высокую надёжность.
• Охлаждение — воздушное охлаждение упрощает конструкцию и снижает вес, но требует эффективного обдува.
• Недостатки — большой лобовой диаметр (увеличивает лобовое сопротивление самолёта), сложность изготовления прицепных шатунов, ограниченная возможность увеличения степени сжатия из-за детонации.

Классификация

По числу рядов цилиндров

• Однорядные — цилиндры расположены в одной плоскости (например, 5-цилиндровые, 7-цилиндровые, 9-цилиндровые). Наиболее распространённый тип.
• Двухрядные — два ряда цилиндров, смещённых относительно друг друга для улучшения охлаждения (например, 14-цилиндровые — 2 ряда по 7, 18-цилиндровые — 2 ряда по 9). Позволяют увеличить мощность без значительного роста диаметра.
• Многорядные — три и более ряда (например, 28-цилиндровый Pratt & Whitney R-4360 — 4 ряда по 7). Применялись на крупных бомбардировщиках и транспортных самолётах.

По типу охлаждения

• С воздушным охлаждением — основная масса звездообразных двигателей.
• С жидкостным охлаждением — редкие экспериментальные образцы (например, советский двигатель М-34), но из-за потери компактности не получили распространения.

По способу крепления

• Стационарные — коленчатый вал неподвижен, цилиндры вращаются (ротативные двигатели начала XX века).
• Фиксированные — цилиндры неподвижны, вращается коленчатый вал (современный тип).

Применение

Авиация

Основная область применения. Звездообразные двигатели устанавливались на:

• Истребители (И-16, Ла-5, Focke-Wulf Fw 190, P-47 Thunderbolt).
• Бомбардировщики (Ту-2, B-17 Flying Fortress, B-29 Superfortress).
• Транспортные самолёты (Ли-2, C-47 Skytrain, Douglas DC-3).
• Сельскохозяйственные самолёты (Ан-2, с двигателем АШ-62ИР).
• Учебные и спортивные самолёты (Як-52, Як-18Т).

Вертолёты

Некоторые ранние вертолёты использовали звездообразные двигатели (например, Ми-1 с АИ-26В, Sikorsky S-55 с Pratt & Whitney R-1340).

Наземная техника

В ограниченных масштабах применялись на танках (например, советский Т-34 с дизельным двигателем В-2, который не был звездообразным, но имел схожую компоновку), а также на гоночных автомобилях (например, в 1920-х годах).

Морская техника

Использовались на катерах и торпедных катерах (например, американские двигатели Packard для катеров PT).

Известные модели

Преимущества и недостатки

Преимущества

• Высокая удельная мощность (отношение мощности к весу).
• Компактность в осевом направлении, что удобно для размещения в фюзеляже.
• Простота обслуживания — доступ к цилиндрам снаружи.
• Высокая живучесть — повреждение одного цилиндра не останавливает двигатель.
• Воздушное охлаждение исключает риск утечки охлаждающей жидкости и замерзания.

Недостатки

• Большой лобовой диаметр, увеличивающий аэродинамическое сопротивление.
• Сложность изготовления прицепных шатунов и их высокая нагрузка.
• Ограниченная степень сжатия (обычно 6-7:1) из-за детонации при воздушном охлаждении.
• Неравномерное охлаждение цилиндров — задние цилиндры греются сильнее.
• Высокий уровень шума и вибраций.

Интересные факты

• Самый мощный звездообразный двигатель — Pratt & Whitney R-4360 Wasp Major (28 цилиндров, 4 ряда, мощность до 3500 л. с., вес около 1400 кг).
• В СССР двигатель АШ-82 (14 цилиндров) устанавливался на истребители Ла-5 и Ла-7, а также на бомбардировщики Ту-2.
• Ротативные двигатели (вращающиеся цилиндры) имели серьёзный гироскопический эффект, затруднявший пилотирование, и требовали масляной системы с центробежным насосом.
• Современные звездообразные двигатели (например, М-14П) продолжают выпускаться в России для спортивных и учебных самолётов, а также для реставрации исторической авиации.

Источники

• Двигатели внутреннего сгорания: теория и конструкция. Под ред. В. А. Ваншейдта. — М.: Машиностроение, 1968.
• Котельников В. Р. Авиационные двигатели. — М.: Воениздат, 1950.
• Gunston B. World Encyclopedia of Aero Engines. — Cambridge: Patrick Stephens, 1986.
• Техническая документация на двигатель М-14П (ОАО «Моторостроитель», г. Пермь).