Фото "Субару-авиа" на дельталете

Известие о том, что в Омском авиационно-техническом клубе «Вираж» изготовлена мотоустановка для дельталёта из автомобильного двигателя фирмы «Субару» распространилось само собой по ближайшим к Омску городам. Все наши заказчики проявляют повышенный интерес, расспрашивая о двигателе, и недоумевают, когда узнают о том, что мотоустановка не содержит всем привычного в сверхлёгкой авиации редуктора. Что же заставило нас отказаться от использования уже ставших классическими технических решений и вернуться к тем временам, когда двигатели не «визжали и ревели», а «урчали и стрекотали»?

Сверхлёгкая и легкая авиация уже разделились на развлекательную и выполняющую авиационные работы. Формально и та и другая предъявляют одинаковые требования к надёжности мотоустановки, а фактически - они различны, потому что при развлекательных полетах над аэродромом отказ двигателя означает только преждевременную посадку на этот же аэродром, а при выполнении авиаработ (патрулирование, АХР, авиатуризм) отказ двигателя чаще всего приводит к аварии и срыву договорных обязательств, принося значительные убытки, а иногда - и к более тяжёлым последствиям.

У нас в клубе за 20 лет его существования изготовлено более двадцати мотоустановок с использованием различных двухтактных и четырёхтактных двигателей. За это время нами накоплен определенный опыт и сделаны свои выводы о надёжности двигателей. По степени надёжности мы их располагаем в следующей последовательности:

- четырёхтактные с жидкостным охлаждением;

- четырёхтактные с воздушным охлаждением;

- двухтактные с жидкостным охлаждением;

- двухтактные с принудительным воздушным охлаждением;

- двухтактные с воздушным охлаждением.

Почему же двухтактные двигатели отнесены к ненадёжным?

Есть две основные причины ненадёжной работы двухтактных двигателей. Первая заключается в интенсивном нагарообразовании, особенно в канавках поршневых колец, из-за наличия масла в топливной смеси. Так, при патрулировании нефтепроводов в Омской области в 1997 году на дельталётах с двигателями «Буран-Авиа» нами использовались топливные смеси бензина с маслом МС-20. Для исключения остановки двигателя от нагарообразования их приходилось разбирать и очищать от нагара через каждые 7-10 часов налета. Применение специальных масел для двухтактных двигателей, имеющих малую зольность, увеличивает это время до 70-100 часов, но вызывает значительный рост эксплуатационных расходов, а нужной надёжности все равно не даёт. Потому что вторая причина ненадёжной работы двухтактных двигателей скрыта в их простой конструкции. За простоту организации рабочего процесса двигателя пришлось заплатить постоянными ударами выступающих в окна цилиндра поршневых колец, постепенно разрушающими и кольца, и поршни, и цилиндры. Надёжность отечественного «Бурана-Авиа» очень низка, но и импортные двигатели «Соло», «Хирт», «Ротакс», экплуатируемые в Омске, не зарекомендовали себя безотказными. Летая с этими двигателями, пилот далеко не гарантирован от их внезапной остановки. Вот почему в течение многих лет мы прилагали большие усилия в поисках подходящего для дельталета четырёхтактного двигателя.

Начиная работу с двигателем «Субару», мы уже имели опыт эксплуатации четырёхтактного двигателя «Вальтер-Минор» и мотоустановки клубного изготовления с двумя цилиндрами от двигателя АИ-14. Оба двигателя не удовлетворили нас очень большим уровнем вибрации. Это мы связывали с наличием значительной остаточной неуравновешенности четырехцилиндровых рядных и двухцилиндровых V-образных (угол развала 40 градусов) двигателей, проявляющейся при значительных массах кривошипно-шатунных механизмов этих двигателей. Поэтому, подбирая автомобильный двигатель, мы искали двигатель с оппозитным расположением цилиндров, как более уравновешенный.

Экономичность, надежность, повышенный ресурс, небольшая стоимость - вот основные факторы, вынуждающие конструкторов использовать автомобильные двигатели на своих летательных аппаратах. Как же полнее реализовать эти преимущества? Устанавливать редуктор, чтобы использовать всю мощность двигателя, или не устанавливать, но при этом получить много других достоинств?

Чтобы понять это, мы стали искать информацию о нагрузочных характеристиках отечественных двигателей, потому что найти такие сведения о двигателях фирмы "Субару" не удалось. Двигатели "Субару" относятся к быстроходным и достигают максимальной мощности при частоте вращения 5600 оборотов в минуту. Сведения, позволяющие дать оценку целесообразности установки редуктора, мы нашли в статье Б.Е.Синильщикова "Моторесурс катерного двигателя" ("Катера и яхты", №4, 1976 г.). В статье приведены обобщенные данные, полученные из опыта эксплуатации двигателей заводской сборки ГАЗ-21 и УМЗ-412 в различных условиях (на серийных и спортивных автомобилях и катерах) и показывающие изменение ресурса и удельного расхода топлива в зависимости от снимаемой мощности и частоты вращения. Так как двигатели "Субару" тоже быстроходные, то, используя данные двигателя УМЗ-412 и изменив на приведенных графиках масштаб мощности (что не приводит к значительным погрешностям, потому что максимальная мощность достигается при той же частоте вращения, а оба двигателя автомобильные и оснащены карбюраторами), мы получили аналогичные графики для двигателя "Субару". Несмотря на то, что полученные графики носят ориентировочный характер, они позволяют сравнивать ресурсы и удельные расходы топлива на различных режимах и правильно подобрать нагрузочную (винтовую, дроссельную) характеристику, добиваясь наибольшего ресурса и максимальной топливной экономичности.

На рис.1 и рис.2 приведены графики зависимости мощности двигателя от числа оборотов, на которые нанесены изолинии ресурса и изолинии удельного расхода топлива. Самая верхняя кривая на этих графиках - внешняя характеристика двигателя - соответствует его работе при полностью открытой дроссельной заслонке на разных нагрузках; область, расположенная под кривой - это область различных частичных нагрузок при промежуточных положениях заслонки. Кривые БР и СР - это нагрузочные характеристики двигателя с воздушными винтами одного диаметра (1,66 м), но лопастями разной ширины соответственно без редуктора и с редуктором.

Из рис.1 с нанесёнными изолиниями удельного расхода топлива видно, что область наименьшего удельного расхода располагается ниже внешней характеристики. Минимальный удельный расход топлива достигается при нагрузках, соответствующих оборотам и мощностям, составляющим 40-60% максимальных, и увеличивается как при их возрастании, так и при их уменьшении. Увеличение удельного расхода топлива при пониженных мощностях и оборотах связано с относительным увеличением тепловых потерь и ухудшением смесеобразования. При малых мощностях и больших оборотах экономичность падает из-за возрастания доли потерь на трение. Повышение удельного расхода при работе двигателя в районе его внешней характеристики объясняется тем, что в диапазоне углов открытия дроссельной заслонки 80-90 градусов топливная смесь обогащается карбюратором для получения максимальной мощности.

Пусть для горизонтального полёта с крейсерской скоростью 70-80 км/час дельталёту необходима мощность около 30 л.с., которая достигается при установке редуктора на частоте вращения 3800 об/мин, а в безредукторном варианте - на частоте 2500 об/мин. В первом случае удельный расход топлива составит 290 г/л.с.час, а во втором - 230 г/л.с.час. Сравнивая, как проходят кривые БР и СР относительно изолиний удельного расхода топлива, увидим, что установка редуктора на автомобильном двигателе приводит к повышенному расходу топлива, то есть с точки зрения достижения большей топливной экономичности целесообразнее использовать на СЛА безредукторный вариант мотоустановки.

Из рис.2 видно, что ресурс одного и того же двигателя может изменяться в широких пределах в зависимости от снимаемой мощности и частоты вращения. У двигателей, работающих при частичных нагрузках, максимальный ресурс достигается только при определенных условиях нагружения, находящихся вблизи точек перегиба изолиний ресурса. По мере уменьшения частоты вращения и снимаемой мощности ресурс двигателя вначале резко, а затем более плавно возрастает. Уменьшение ресурса при работе двигателя в районе внешней характеристики на небольших оборотах объясняется отрицательным влиянием на условия образования масляной пленки между поршнем и цилиндром обогащенной смеси и больших нагрузок в сочетании с относительно небольшой скоростью движения поршня. Однако повышать число оборотов при постоянной мощности целесообразно только до определённого предела, при котором устанавливаются оптимальные условия смазки. При дальнейшем повышении оборотов ресурс уменьшается, так как инерционные нагрузки увеличиваются быстрее, чем уменьшаются нагрузки, действующие на поршень при сгорании топлива. К тому же увеличивается путь трения поршня, приходящийся на достижение той же мощности двигателя, приводя к его более быстрому износу.

Сравним достигаемые ресурсы в нашем примере. Так, в безредукторном варианте режиму 30 л.с. при 2500 об/мин соответствует межремонтный ресурс двигателя 2000 часов. При установке редуктора 30 л.с. будут достигаться при частоте вращения 3800 об/мин, и в этом варианте нагружения ресурс составит 1700 час. Как видим, опять выигрывает безредукторный вариант мотоустановки.

Как же правильнее всего нагрузить двигатель? Достичь идеала, нагружая двигатель воздушным винтом, невозможно. Но изменяя конструктивные параметры воздушного винта (диаметр, шаг, число и ширину лопастей) можно, не применяя редуктора, оптимизировать положение нагрузочной характеристики, достигая наибольшего ресурса и наилучшей топливной экономичности на крейсерских режимах работы двигателя. Естественно, что, выбирая параметры воздушного винта, их необходимо согласовывать с конкретным летательным аппаратом, добиваясь наибольшей экономичности мотоустановки на крейсерской скорости полета. Но это уже совсем другая тема, выходящая за рамки этой статьи.

Безредукторная мотоустановка обладает и другими уже очевидными преимуществами: меньший вес и габариты, большая надежность (нет редуктора - нечему ломаться), возможность эксплуатации двигателя без системы шумоглушения, меньший уровень вибрации при малых частотах вращения, недостижимость частот собственных колебаний многих элементов конструкции СЛА, меньший объём работ при конвертировании двигателя.

Все эти факторы заставили нас отказаться от соблазна использования всей мощности двигателя, позволяющей лихо отрываться от земли и очень "круто" набирать высоту, а ограничиться частичным использованием мощности, добиваясь, в первую очередь, общей надежности мотоустановки и летательного аппарата в целом.

Наш двигатель мы назвали "Субару-авиа". Конечно, в весовом отношении он несколько проигрывает двигателю "Ротакс-912", но зато значительно выигрывает в стоимости, что делает его доступным для большинства клубов, особенно выполняющих авиаработы.

Мы уверены, что двигатели "Субару-авиа" имеют право на жизнь в сверхлегкой авиации России и помогут ей сделать два шага вперёд в своём развитии. Звоните, приезжайте в Омск и посмотрите на "Субару-авиа" своими глазами.

В заключение приводим технические характеристики двигателя "Субару-авиа" ЕА-81:

тип двигателя - четырёхцилиндровый, четырёхтактный с горизонтальным расположением цилиндров, оппозитный, жидкостного охлаждения;

диаметр цилиндра и ход поршня - 92 * 67 мм;

рабочий объём - 1781 см;

мощность - 60-80 л.с.;

вес двигателя ЕА-81 - 62 кг;

носок вала в сборе - 5 кг;

электростартер с креплением - 5 кг;

генератор с креплением - 3,5 кг;

зубчатый венец - 1,5 кг;

катушка зажигания - 1 кг;

выхлопные патрубки - 1 кг;

радиатор охлаждения с креплением и шлангами - 4,5 кг;

охлаждающая жидкость - 4 кг;

масло - 4 кг.