По отчетным данным ОФ СЛА России на январь 2003 г., парк летательных аппаратов в 2002 г. по сравнению с 2001г. увеличился на 47% и продолжает расти. На начало 2004 г. он составляет более 2000 единиц.

Диапазон мощностей для двух и четырех тактных ДВС, охватываемый рынком АОН, - 35-100 л. с. Основная доля - 82-85% приходится на двухтактные карбюраторные двигатели с кривошипно-камерной поперечно-петлевой продувкой (далее КП). В дальнейшем, если не будет оговорено особо, речь пойдет о таких ДВС.

Прежде всего, это моторы Rotax и Hirht, а также двигатели отечественного производства РМЗ-640 "Буран-Авиа" и входящие в моду моторы "Тайга". Статистика свидетельствует о подавляющем большинстве двухтактных двигателей, в несколько раз превосходящих по суммарной мощности остальные винтомоторные установки. Это требует более внимательного анализа и подхода к их дальнейшему совершенствованию, так как даже незначительное улучшение их показателей дает большой суммарный эффект.

Преимущества двухтактных ДВС известны: можно считать, что разница в литровых мощностях (при одинаковом числе оборотов, условиях на впуске, индикаторных КПД и коэффициенте избытка воздуха) определяется числом оборотов и средним индикаторным давлением, составляет 55-85% в пользу двухтактных ДВС, так же, как и меньшие размеры и масса при условии правильно выбранных конструктивных параметров.

Действительно, из таблицы 1 видно, что литровые мощности достигают 120 л.с./л, значительно превосходя аналогичные показатели четырехтактников.

Возьмем для иллюстрации данные одноцилиндрового карбюраторного крос-сового мотора с жидкостным охлаждением австрийской фирмы КТМ: объем цилиндра - 500 см3, максимальная мощность - 64 л. с. при частоте вращения коленчатого вала 5850 об/мин, при среднем давлении - 9,9 кГс/см2 и литровой мощности - 130 л. с./л. Среднее давление и литровая мощность свидетельствуют о высоком качестве газодинамики. По литровой мощности он приближается к четырехтактным двигателям "Формулы1", а по среднему давлению к четырехтактным авиационным с атмосферным сжатием.

С другой стороны, у двухтактных двигателей есть серьезные недостатки, один из них - термическая напряженность, обусловленная высокой удельной мощностью, остро ставит проблему надежности поршневой группы, особенно у моторов воздушного охлаждения.

Величина удельной мощности, пропорциональная среднему эффективному давлению и скорости поршня, достигает больших величин у двухтактных моторов (табл. 1). У двигателя КТМ удельная мощность 105 л.с./дм2, что характеризует его весьма высокую тепловую напряженность. Это подтверждается случаями растрескивания штампованных поршней на напряженных участках кроссовой трассы.

Для сравнения: удельная мощность четырехтактных двигателей "Формулы-1" в среднем составляет 86-92 л.с./дм2. Значительные удельные мощности выделяют двигатели Rotax и Hirht.

Нужно сказать, что снижение скоростного режима при сохранении фактора Pe х Vs = const, обеспечивающего надежную работу на Nemax, благоприятно отзовется на механическом КПД и удельном расходе топлива.

Что касается способа охлаждения авиационного ДВС, то в общем удельный вес мотора с жидкостным охлаждением вместе с радиатором и охлаждающей жидкостью никогда не бывает меньше веса двигателя с воздушным охлаждением.

Двигатели воздушного охлаждения, вытеснив из "большой авиации" двигатели жидкостного охлаждения, распространят свою монополию и на АОН - нерационально охлаждать жидкостью, имея бесконечные запасы воздуха! Вместе с тем форсировка двигателей воздушного охлаждения представляет, как известно, более трудную задачу, чем для систем с жидкостным охлаждением.

Другая проблема двухтактников - "нечистоплотность".

По сообщениям иностранной печати, в 2006 г. во всех странах Западной Европы, США, Японии и Австралии законодательно вступят в действие новые нормы, предотвращающие загрязнение окружающей среды. Производители моторов будут вынуждены окончательно отказаться от выпуска и продажи двухтактных карбюраторных двигателей - традиционных и закоренелых загрязнителей среды. Законодательство не коснется моторов до 50 см3. Эти нормы распространятся на транспортные ДВС во всех средах. Таким образом, классические двухтактные моторы с внешним смесеобразованием доживают последний срок.

Несомненно, экологические нормы для ДВС ЛА АОН примут и у нас, возможно, с некоторым опозданием. Принимая во внимание этот факт, мы имеем 5-7 лет, которые предстоит посвятить подготовке к переходу на новые экологические требования и пересмотру отношения к классическим двухтактным силовым установкам. Эту проблему, которая встанет перед нами, решать плохо или просто игнорировать недальновидно.

В связи с успехами в последнее время в области разработки аппаратуры для непосредственного впрыска появился интерес к двухтактным малолитражным бензиновым моторам.

В 2001 г. около Марселя прошли сравнительные заезды двухтактных с непосредственным впрыском и четырехтактных моторов. Испытания показали высокие технические и экологические параметры новых двухтактных ДВС, сочетавших в себе преимущества тех и других и отсутствие их недостатков. По составу выхлопных газов, характеристикам крутящего момента, скоростным режимам и удельным расходам топлива они не уступали четырехтактным конкурентам, а по компактности, удельному весу даже превосходили и были на 6-8% дешевле.

Уместно сравнить максимальные удельные мощности ДВС, работающих по винтовым характеристикам на ЛА, и аналогичных подвесных моторов. Последние имеют этот параметр в два раза ниже. Это объясняется длительной работой на максимальной мощности (табл. 2) На рисунке 1 изображено изменение удельной мощности при изменении объема цилиндра. Диаграмма составлена на основании уравнения Ре х Vs / I,

где: I = 1,5 для двухтактных и 3 для четырехтактных ДВС;

Pe - среднее эффективное давление, кГс/см2;

Vs - средняя скорость поршня, м/с, и сделанного предположения, что все моторы работают при температуре на всасывании не более +30°С.

Проблемой внутреннего смесеобразования в двухтактных ДВС создатели моторов занимались постоянно, но сравнительно недавно появились системы НВ (непосредственный впрыск), позволившие построить моторы нового поколения.

Представляет интерес неоднократно упоминавшаяся в печати разработанная в 1987 г. пневмогидравлическая система австралийской компании Orbital для двухтактных моторов, установленная на малогабаритном трехцилиндровом двигателе с рабочим объемом 1,2 литра, мощностью 89 л. с. На двигателе применяется система рециркуляции остаточных газов, снижающих выбросы NOx и НС.

В 1989 г. исследовательский отдел итальянской компании Piaggio Group предложил новые принципы решения двухтактных малогабаритных ДВС с НВ, где в качестве продувочного насоса принят поршневой компрессор. Пневмогидравлическая система обеспечивает скорость вращения коленчатого вала до 6000 об/мин, уменьшая удельный расход топлива до 0,256 кГс/л.с. x ч.

В 60-е годы успешно применялась аппаратура НВ для двухтактных бензиновых моторов, разработанная американской фирмой Ruza Master. Насос распределительного типа обеспечивал скоростной режим двигателя до 3000 об/мин.

Среди немногочисленных конструкций систем НВ особое место занимает отечественная разработка кандидата технических наук А.Ф. Никольского и его группы на кафедре ДВС Московского автомеханического института в начале 60-х годов. Аппаратура предназначалась для установки на мотоциклетные двигатели воздушного охлаждения Иж-49 и Иж-56. Мне довелось работать с Александром Федоровичем последние годы его жизни. Хочется отметить его техническую интуицию в видении перспективы развития двухтактных ДВС с НВ. Аппаратура включала насос низкого давления (58-70 кГс/см2), клапанную форсунку, всережимный пневматический регулятор и масляный насос с регулируемой производительностью. Система НВ прошла всесторонние, длительные испытания в течение более 1000 часов, подтвердив высокую эффективность и надежность. В насосе отсутствовали прецизионные пары, что обусловило невысокую стоимость комплекта. Аппаратура обеспечивала диапазон цикловых подач 0-60 мм3 при скорости вращения коленчатого вала более 5000 об/мин. На экономическом режиме удельный расход топлива составлял 0,212 кГс/л.с. x ч при мощностной регулировке 0,251-0,258 кГс /л.с. x ч и удельном расходе масла 2-5 Гс /л.с. x ч. Увеличение мощности при переходе на НВ составило 12,2% против базового варианта с внешним смесеобразованием. Такие показатели были получены при Еэф = 4,7, использовании бензина с октановым числом 66, на двигателях с несовершенной газодинамикой более 40 лет тому назад!

Эта система, несмотря на отсутствие сложных приспособлений, электроники, и сейчас стоит в ряду лучших устройств подобного типа по экологическим нормам и экономичности. Для реализации этих преимуществ потребовалась длительная исследовательская и доводочная работа по усовершенствованию аппаратуры НВ и механизмов автоматического регулирования. При этом термодинамические соображения тесно переплетались с конструктивными мероприятиями, выбором материала и не в последнюю очередь - с производственными вопросами.

Топливоподающая аппаратура в двухтактных двигателях очень напряжена, т. к. число впрысков у них в 2 раза больше, чем у четырехтактных. Значительно возрастают скорости и ускорения плунжера, нагрузки на детали насоса, лимитирующие ресурс всей аппаратуры. Для создания топливовоздушной смеси в цилиндре быстроходного ДВС отводится всего 2-4 мс при угле впрыска 30-40 градусов поворота коленчатого вала, что значительно меньше чем в четырехтактных моторах.

Характер взаимодействия указанных факторов во многом зависит от размеров цилиндра, частоты вращения, принятого способа смесеобразования и режимов двигателя. В настоящее время ведутся работы над аккумуляторными гидравлическими системами НВ, возможно, это направление обеспечит решение многих проблем при создании аппаратуры для быстроходных двухтактных ДВС.

Повышение температурного режима при переводе двухтактников на НВ составляет, по исследованиям различных авторов, 36-38 градусов. Это создает дополнительные сложности охлаждения поршневой группы из-за прекращения охлаждающего воздействия испаряющегося бензина в картере. Предельный объем цилиндра, обеспечивающего удовлетворительную работу поршневой группы двухтактного ДВС с НВ воздушного охлаждения, по различным оценкам, составляет 300-350 см3.

Без конструктивных мероприятий или других методов охлаждения невозможно обеспечить работоспособность мотора при больших объемах цилиндра с высокими удельными мощностями. Двухтактные моторы, применяемые сейчас на летательных аппаратах АОН, можно причислить к авиационным по факту применения, но не по сумме требований к ним.

Двигатели, получившие широкое распространение на рынке СНГ, не являются новинкой. Они значительно уступают наземным и водным аналогам по техническому уровню, на которых применяется регулирование фаз всасывания и выхлопа, НВ, раздельная или циркуляционная смазка, рециркуляция остаточных газов. Невзирая на наличие в конструкции их узлов полезных новшеств, они лишены условий непрерывного роста мощности - основного параметра авиационного двигателя. Эти моторы составляют тупиковую ветвь развития. Действительно, Rotax, Hirht и отечественный ДВС "Тайга" имеют предельные показатели тепловой и динамической напряженности, близки друг к другу по размерности, удельной и литровой мощности, схемам газообмена - представляют законченные технические решения.

Кроме этого КП не является рациональной для авиационного двухтактного ДВС с высокой литровой мощностью. В среде этих моторов нет двигателей со схемами прямоточной продувки, наиболее благоприятной для смесеобразования, позволяющей получить качество продувки, не уступающее четырехтактным моторам.

История мировой культуры авиационного моторостроения содержит ряд конструкций подобных моторов. В первую очередь это двигатели с гильзовым газораспределением, имеющие комбинированное возвратно-поступательное и вращательное движение гильзы цилиндра, как это было запатентовано Бэртом и Маккоулом почти 100 лет назад, в 1909 году.

Обширные исследования бензинового двухтактного двигателя с НВ с гильзовым газораспределением провел Г.Р. Риккардо. Работа заняла более шести лет, продолжалась с 1932 по 1938 годы и закончилась успешно. На одноцилиндровой установке жидкостного охлаждения с диаметром цилиндра 122 мм и ходом поршня 140 мм была получена мощность 267 л. с. при 3500 об/мин на бензине с октановым числом 92,5 ,что соответствует литровой мощности 163,8 л.с., мощность поддерживалась в течение 10 минут. Удельный расход топлива составил 0,190 кГс /л.с. x ч. Двигатель был оснащен отдельным продувочным насосом, обеспечивающим давление на впуске 2,45 кГс/см2, циркуляционной системой смазки и масляным охлаждением поршней. По результатам работ Риккардо английская фирма Bristol выпустила серию мощных авиамоторов воздушного охлаждения "Персей", "Геркулес Аквилла".

В 30-е годы прошлого столетия английский моторный завод фирмы Aspin изготовил серию авиационных ДВС, в том числе двухтактных с вращающимся в головке цилиндра золотником газорас-пределения. Например, двигатель с мощностью 124 л. с. при скорости вращения 10 000 об/мин работал со степенью сжатия 12 на бензине с октановом числом 68, удельный расход топлива составлял 0,136-0,145 кГс/л. с. x ч. Такая высокая экономичность, характерная больше для дизеля, объясняется расслоением заряда при вращении золотника.

В 50-е годы в ЦИАМе инженером В.И. Шальновым была предложена конструкция двухтактного ДВС с двухдисковой системой газораспределения (авторское свидетельство № 8243). Двигатель работал с впрыском бензина и с зажиганием от свечи. Продувка цилиндра - поперечная, обращенного типа. Впуск продувочного воздуха и выпуск продуктов сгорания происходили через круглые окна в головке цилиндра. Оси окон впуска и выпуска расположены в одной плоскости, проходящей через ось цилиндра. Уменьшение размеров двигателя по оси цилиндра оценивается в 20-30% при соответствующем снижении веса и габаритов двигателя. Продувочный воздух направлялся вдоль образующей цилиндра и оттеснял отработавшие газы в сторону выпуска. В период газообмена продувочный воздух в виде мощной струи достигал днища поршня, охлаждая его и вытесняя продукты сгорания из цилиндра. Индикаторный удельный расход топлива при эффективной степени сжатия 5,6 оказался на 20% ниже, чем у аналогичного по конструкции цилиндровой группы четырехтактного ДВС, при тех же степени сжатия и давлении на впуске.

Суммируя вышесказанное, можно представить облик двухтактного ДВС для ЛА АОН. Такой мотор должен отвечать определенным требованиям, без выполнения которых увязать взлетные характеристики ЛА, работающих с площадок ограниченных размеров и коротких взлетных дистанций, невозможно. Двигатель такого класса должен иметь мощностную регулировку для полного использования антифрикционных качеств наиболее распространенного и дешевого бензина, например АИ-93, возможность работать длительно на взлетном режиме, не напрягаясь чрезмерно ни в динамическом, ни в тепловом отношении.

Этим условиям, на наш взгляд, лучшим образом отвечает U-образный ДВС воздушного охлаждения с НВ, с циркуляционной смазкой, отдельным продувочным насосом, давлением на всасывании не более 1,5 атмосферы и с элементами регенерации остаточных газов. Все остальные вопросы должны служить предметом конструкторских исследований и решений.

Наводнение стран СНГ импортными моторами является следствием невнимания авиационной общественности к поршневому двигателестроению, на которое оказал влияние ряд регрессивных факторов, одним из которых 50 лет назад стал приказ по Минавиапрому о запрещении всех работ по ДВС, тогда началось наше неуклонное отставание в области малоразмерных моторов.

Приведенный анализ современного положения двухтактных ДВС и некоторые примеры из истории авиационного двигателестроения проявляют суть рассматриваемых проблем и позволяют наметить направления их решения. Моторы имеют все данные, чтобы обеспечить выполнение условий применения на летательных аппаратах АОН.

Особую благодарность за полезные советы в редактировании статьи автор выражает действительному члену академии наук авиации и космонавтики Льву Павловичу Берне.