Поршневой двигатель от четырёх тактов до детонации, Lycoming IO-360 на Cessna 172S: масляная система, впрыск, управление смесью по EGT, магнето и проверка зажигания, запуск в жару и в холод, показания приборов. Плюс воздушный винт — от углов лопасти до того, откуда берётся тяга.
Макашин Сергей Львович — «Общее знание воздушного судна» (видео 2.2–2.4, 3.1). Разделы про воздушный винт и охлаждение добавлены из «Основ полёта» — они помечены прямо в тексте.
Двигатель — единственная система, где лётчик обязан помнить не только «что делать», но и цифры на приборах. Все значения ниже сверены с разделом 2 РЛЭ Cessna 172S.
Буквы в названии читаются как характеристика: I — injected, впрыск; O — opposite, оппозитное расположение цилиндров; 360 — рабочий объём в кубических дюймах. Винт постоянного шага, поэтому рычага PROP в кабине нет — только газ и смесь.
Падение оборотов на любом одном магнето — не более 150 об/мин. Разница между левым и правым — не более 50 об/мин. Выход за любую из этих цифр означает, что лететь нельзя: свечи, провода или само магнето требуют проверки.
Смысл проверки — убедиться, что каждая из двух систем зажигания работает самостоятельно. Магнето не зависит от бортовой сети: выключенный мастер-свитч двигатель не остановит, поэтому винт всегда считается «живым».
С высотой воздух разряжается, а подача топлива не меняется — смесь богатеет сама. Поэтому в наборе её обедняют рычагом MIXTURE, а на снижении и перед посадкой возвращают в положение full rich, чтобы двигатель не остался без топлива в самый неудачный момент.
Как охлаждается двигатель Cessna 172. Правильный ответ — набегающим потоком воздуха, а не маслом и не жидкостью. Масло участвует в теплоотводе, но система охлаждения именно воздушная, а дефлекторы под капотом распределяют поток по цилиндрам.
Авиационный поршневой двигатель (АПД) — частный случай ДВС. КПД невысокий (оптимистично 40 %, реально ~35 %), но для самолётов взлётной массой 1100–1150 кг ему пока нет реальной альтернативы. Электрика только появляется, дизель пробовали, реактивные двигатели слишком прожорливы и сложны.
Цепочка преобразований в двигателе: химическая энергия → тепловая → механическая поступательная → механическая вращательная. Лётчик не должен уметь чинить двигатель, но должен понимать что и зачем там происходит, потому что от этого зависят почти все ограничения и процедуры в кабине.
Тепловая машина, в которой превращение химической → тепловой → механической энергии происходит внутри рабочего объёма цилиндра. Цилиндр — «стакан», внутри движется поршень. От «двигателя внешнего сгорания» (паровая машина) ДВС отличается именно тем, что вся реакция происходит внутри.
Четырёхтактный двигатель за один цикл проходит четыре такта. Порядок — базовый вопрос Росавиации.
«Назвать четыре такта рабочего цикла четырёхтактного поршневого двигателя». Правильный ответ: впуск → сжатие → расширение → выпуск.
Верхняя мёртвая точка (ВМТ) — крайнее верхнее положение поршня в цилиндре. Нижняя мёртвая точка (НМТ) — крайнее нижнее. Над ВМТ всё равно остаётся небольшое пространство — камера сгорания.
Рабочий объём одного цилиндра = объём, который проходит поршень от ВМТ до НМТ. Рабочий объём двигателя = рабочий объём одного цилиндра × количество цилиндров.
Параметр, который «решили в Росавиации, что лётчик должен знать».
Отношение полного объёма цилиндра (камера сгорания + рабочий объём, пройденный поршнем от ВМТ до НМТ) к объёму камеры сгорания.
Чем сильнее мы сжимаем смесь, тем большую мощность можем получить. Но за повышение давления платим вероятностью детонации — поэтому в авиации обычно идут на компромисс.
В тесте Росавиации есть вопрос про определение степени сжатия. Формула приведена выше; конкретные числовые расчёты на тесте не требуются — нужно знать что такое степень сжатия и помнить, что это отношение объёмов.
Степень сжатия Lycoming IO-360 на Cessna 172S — 8,5 : 1. Преподаватель отдельно подчёркивает: это не высокая степень сжатия. Авиационный двигатель проектируется на низкую степень сжатия намеренно — чтобы не провоцировать детонацию при резких изменениях баланса топливо/воздух с высотой. Для сравнения: Rotax 912 — около 9–10, спортивные образцы — 11; но они в первую очередь требуют топлива более высокого качества.
Скорость горения топливно-воздушной смеси — конечная величина. От неё зависит, как именно давление развивается в цилиндре относительно положения поршня.
После искры фронт горения распространяется от свечи и разгоняется: сначала ~10, потом 15, 20 м/с, устанавливается на ~40 м/с. Это нормальная скорость для авиационного бензина 100LL. Логика «топливо – поршень» простая: пока поршень доходит до ВМТ, давление успевает плавно вырасти; после ВМТ расширяющееся тело горения сопровождает поршень вниз — именно плавно, постепенно.
Показатель, который характеризует сопротивляемость топлива самовоспламенению при сжатии. Чем выше октановое число — тем медленнее горит топливо. И это нам нужно: «бах» вместо плавного расширения — это и есть детонация.
Авиационный бензин — 100LL (Low Lead, голубой) и «100 green». Применение неодобренных сортов топлива (например, автомобильного 95) — одна из основных причин остановки двигателей в АОН.
Главный «враг» поршневого двигателя — детонация. Это вопрос Росавиации, и определение преподаватель просит брать дословно из учебника.
Сгорание смеси, которое происходит с очень большой скоростью, достигающей 1500–2000 м/с, что соответствует скорости горения взрывчатых веществ.
При высоких температурах и давлениях в камере сгорания в той части смеси, которая сгорает в последнюю очередь, до прохождения через неё пламени образуются нестойкие химические соединения углеводородов топлива с кислородом — перекиси. Они загораются с другой скоростью — не 40 м/с, а ~2000 м/с. Получается «бах». Каждый «бах» по поршневому пальцу и шатуну — небольшой, но накапливается; двигатель начинает разрушаться.
Почему мощность падает, хотя давление выше? Потому что фронт горения гаснет от взрывной волны: топливо просто не успевает сгореть в камере, оно вылетает из цилиндра с отработанными газами и продолжает гореть уже в выпускном тракте. Это, в частности, прожигает выпускной коллектор (типичная причина при попытке заправить Cessna неодобренным «95-м»).
Преподаватель отдельно отметил: на тесте есть вопрос про скорость детонационного сгорания (1500–2000 м/с, как у взрывчатого вещества) и признаки (звон, тряска, потеря мощности).
Графическое представление зависимости давления в цилиндре от объёма (положения поршня). Через его геометрию определяется индикаторная мощность двигателя.
По горизонтали диаграммы — объём цилиндра, по вертикали — давление. Цикл строится в четыре участка:
Площадь замкнутой фигуры диаграммы через клювные коэффициенты — индикаторная мощность двигателя.
Мощность, развиваемая двигателем за такты сжатия и расширения. Передаётся газами поршню. Не путать с эффективной мощностью — той, что снимается с коленчатого вала после потерь.
Связь: эффективная = индикаторная × КПД. У авиационного поршневого двигателя КПД ~35–40 %.
Преподаватель отметил, что в тесте есть вопросы про индикаторную диаграмму и индикаторную мощность. Достаточно запомнить определение: индикаторная мощность — это мощность, развиваемая двигателем в такте сжатия и расширения.
Часовой расход топлива на единицу мощности.
Часовой расход топлива на единицу мощности (кг топлива на л.с. за час). Для практически любого АПД у самолётов АОН — около 0,2 кг/(л.с.·ч).
Эта величина тоже встречается в тесте. Преподаватель добавил, что переживать не стоит: «не ответите — будет 85 % правильных вместо 95 %».
После часов «общей теории» преподаватель переходит к конкретному двигателю Cessna 172S. Подробное устройство масляной системы, смеси и магнето — в Лекции 6; здесь — то, что лётчик должен запомнить с первого знакомства.
Двигатель — четырёхцилиндровый, оппозитный, воздушного охлаждения, с прямым приводом воздушного винта, верхним расположением клапанов (OHC), впрыском топлива и картерной системой смазки. Винт может раскрутиться больше 2700 — особенно при пикировании на VNE; VNE учитывает в том числе и раскрутку винта.
На старых Cessna (Kilo, Lima, Mike — до ~1981 г.) стоял двигатель Continental; позже Cessna перешла на Lycoming. Интервалы межремонтного ресурса (TBO) различались (около 2000 ч против 1800 ч). Узнать «континентал» внешне можно, например, по расположению масляного щупа (с другой стороны капота относительно Lycoming) и по нюансам компоновки впуска.
На фотографии — снятые капоты Cessna 172S: видна передняя стенка картера, цилиндры с рёбрами охлаждения, по два толкателя на цилиндр, распределение топлива на четыре цилиндра (отдельные трубки от блока на форсунки), дренажи влаги вниз.
Сзади двигателя — магнето, топливный насос с приводом от двигателя, масляный фильтр. На передней части — стартер с маховиком, генератор с ременным приводом. Конструкция простая: «по надёжности достаточно одного ремня».
Как устроены капоты и что разрешено лётчику снимать самостоятельно.
Дзусы — невыпадающие подпружиненные болтики на верхнем капоте, благодаря которым капот можно быстро открыть для проверки. По передней части капоты крепятся обычными болтами («без специнструмента не обойтись»). Внутри капота установлены дефлекторы, которые направляют набегающий поток через два воздухозаборника так, чтобы он эффективно охлаждал двигатель.
Воздухозаборник питания двигателя расположен снизу; под ним установлен фильтр. Сервисное обслуживание фильтра: меняется каждые 500 лётных часов (раньше — если базируетесь на грунтовом аэродроме); допускается 30 раз очищать сжатым воздухом или 20 раз промывать. Использовать только сертифицированный авиационный фильтр.
Если основной фильтр забит (например, пыль на грунтовом аэродроме), есть заслонка alternate air: она подсасывает воздух из подкапотного пространства (не отфильтрованный, но какой-то). Это даёт примерно −15 % мощности, при том же положении рычага газа обороты падают. Используется как резерв, не как штатный режим.
По 14 CFR Part 43 (FAA) командир ВС в США имеет право выполнять небольшие работы — снимать капоты и обтекатели шасси. В РФ аналогичного документа нет; для частного пилота в РФ снятие капотов формально не регламентировано — до отдельного разъяснения предполётный осмотр ведём без снятия капотов.
Двигатель крепится к противопожарной перегородке в четырёх точках через motor mount. Снизу двигатель «не опирается» — висит на этих четырёх креплениях.
Подушки гасят вибрации и компенсируют тепловые расширения. При предполётном осмотре — взглянуть на состояние подушек и наличие утечек масла в этой зоне.
Картерная (мокрая) система смазки. Lycoming разнесён горизонтально, поэтому работает «как автомобильный двигатель»: насос в задней стенке, поддон под двигателем.
Тракт: поддон → забор со сетки → шестерёнчатый масляный насос → каналы на распределительный вал, гидрокомпенсаторы, толкатели, рокеры, тела качения → самотёком через стек возвращается в картер по трубкам.
На пути — масляный радиатор (небольшое охлаждение, поддержание температуры в зелёной зоне) и масляный фильтр. У фильтра предусмотрен байпас: при холодном густом масле часть потока идёт мимо фильтра, чтобы двигатель не остался без смазки.
Список одобренных масел — в РЛЭ. На двигателях, работающих на 100LL (этилированный бензин), несовместимы «чужие» масла из-за свинца — поэтому только сорта, одобренные производителем.
Справа в капоте — лючок с жёлтой крышкой, под ним длинный щуп. На щупе две отметки: 8 квартов — максимум, 5 — минимум. Для длинного полёта (более 3 часов) масло доливают до полного; для короткого хватает середины.
Нормативный расход масла по ТУ — около 0,1 л/ч; величина индивидуальная, у каждого экземпляра двигателя своя. За полёт 5 ч уйдёт «полтора стакана».
Капоты пилот сам не снимает. Доступ к маслу только через лючок: открыть лючок — проверить уровень — при необходимости долить. Доливают только маслом, одобренным РЛЭ.
Два датчика стоят на задней стенке (под дефлектором):
При запуске указатель давления масла сначала уходит вверх (тёплое масло — близко к нормальной зоне; холодное — может «улететь» в верхнюю красную). Затем, по мере прогрева, давление падает, температура растёт. Цель — середины зелёных зон и стабильная работа.
После запуска давление масла должно выйти из красной зоны в зелёную в течение 60 секунд. Если этого не произошло — остановить двигатель и разбираться. «Пометьте себе» — это та граница, которую командир должен знать наизусть.
EGT (Exhaust Gas Temperature) — температура отработанных газов в выпускном патрубке каждого цилиндра. CHT (Cylinder Head Temperature) — температура металла головки цилиндра.
EGT отражает то, что происходит в цикле сгорания (богатая/обеднённая смесь). CHT отражает тепловое состояние самой головки и определяет ресурс.
На странице двигателя G1000 четыре столбца — по одному на каждый цилиндр Cessna 172S. Преподаватель показывает «горячий» 4-й: EGT около 470 °F.
В норме разница EGT между цилиндрами не должна превышать ~100 °F. Большая разница — признак того, что один из цилиндров горит «по-другому»: ослабла компрессия (горение продолжается в выпускном тракте → EGT этого цилиндра растёт), отличается состав смеси, дефект форсунки.
Максимум по CHT — 500 °F (тонкие границы из РЛЭ есть в разделе ограничений).
«Какой лучший способ охлаждения двигателя?» — среди вариантов: усилить обдув при увеличении скорости vs обогатить смесь. Правильный ответ: обогатить смесь — mixture control полностью вперёд (rich).
Обдув тоже имеет основание, но главная причина перегрева — бедная смесь (растут TCH и EGT). Аналогия со свечой зажигания: коричневая «поджаренная» — смесь близка к норме; белая — слишком бедная.
Между баками и форсунками — два насоса (механический с приводом и электрический бустерный) и блок отмеривания топлива. Внутри блока топливо и воздух идут раздельно.
Воздух на входе в двигатель сначала проходит через масляный поддон — стальные патрубки проложены через тёплое масло. Это подогревает заборный воздух и снижает риск обледенения на входе. На такте впуска возникает сильное разрежение и температура воздуха падает резко; у Lycoming с большим объёмом масла это работает хорошо. У Rotax без такого подогрева риска обледенения у земли практически нет до +28 °C наружного.
Двигатель Lycoming выключают не ключом, а перекрытием топлива — красная ручка до упора на себя. Когда мотор отработал последнюю порцию смеси и остановился — выключают ключ зажигания, BUS 1/2 и мастер. Так выводится топливо из магистралей форсунок.
Стехиометрическое соотношение для авиационного бензина — ~14,5 частей воздуха на 1 часть топлива по массе. Автоматика блока поддерживает рабочее соотношение на земле, но с ростом высоты плотность воздуха падает, а топливный тракт остаётся прежним. В результате смесь становится переобогащённой (топлива «больше, чем нужно по воздуху»), мощность снижается, расход растёт, свечи замасливаются. Поэтому пилот вручную обедняет смесь красной ручкой.
РЛЭ прямо предписывает обеднение смеси: после взлёта и набора на высоте около 3000 фт рекомендуется выставить рабочую смесь. До этой высоты — full rich.
Не прописан в РЛЭ, но широко используется: при фиксированном шаге винта (Cessna 172) обороты — индикатор мощности. Ручку Mixture двигают на себя медленно, пока RPM не подрастут на ~100 относительно изначальных; это означает, что мы прошли участок «переобогащения» и приблизились к более эффективному режиму. Дальше — точнее, по EGT.
Точная процедура обеднения, описанная в разделе 4 РЛЭ и в Engine Manual IO-360.
Если строить графики при разных положениях Mixture, то получится семейство кривых:
«Пик EGT» — точка, в которой EGT при дальнейшем обеднении начинает снижаться.
Это и есть режим максимальной мощности при заданном дросселе. Альтернатива — режим максимальной продолжительности: остановиться на пике EGT (минимальный расход), но мощность немного ниже.
Производитель (Textron Lycoming) не разрешает эксплуатировать IO-360 в режиме Lean of Peak со штатными форсунками. У штатных форсунок большой разброс расхода, и какой-то цилиндр окажется в опасной зоне детонации. Тонкая настройка LOP возможна только со специальными форсунками GAMI, которые выравнивают расход по цилиндрам.
РЛЭ разрешает обеднение смеси при рулении и в очереди на исполнительной — особенно в жару и на «высоких» аэродромах. На демонстрации преподаватель ставит 1200 RPM throttle и работает Mixture: EGT уходит до ~1400 °F, расход 2,7 → 2,2 GPH.
В РЛЭ (POH) заложено планирование полёта с учётом обогащения (leaning) смеси. На Cessna 172: красная ручка mixture control и датчик EGT (температура отработанных газов). Обогащение обычно начинают после 3000 ft (~1 km) — на этой высоте двигатель уже «чувствует» разреженность воздуха, и mixture control помогает восстановить баланс.
Это один из самых явных вопросов Росавиации в курсе.
Внешнее смесеобразование — это карбюратор: топливо и воздух смешиваются до впускного клапана. Внутреннее смесеобразование — это впрыск (инжектор): топливо и воздух идут отдельно, форсунка распыляет топливо в зоне впускного клапана.
Карбюратор подвержен обледенению внутри даже в относительно тёплую погоду: с повышением высоты температура падает на 6,5 °C / км — у земли +25 °C, а на 3000 м уже −18…−20 °C; при этом ещё расширение воздуха в карбюраторе само охлаждает поверхности. Поэтому в кабине Cessna с карбюраторным двигателем есть отдельная ручка обогрева карбюратора (carb heat).
На инжекторных двигателях такой ручки нет — топливо проходит к двигателю отдельно от воздуха, лёд в этом тракте не скапливается.
На тесте есть вопрос: какой двигатель более устойчив к обледенению — с карбюратором или с инжектором (системой впрыска)?
Ответ: с инжектором. Воздух идёт беспрепятственно, ничто не охлаждает тракт; топливо до клапанного пространства движется отдельно.
Детальное обсуждение признаков обледенения карбюратора и техники включения carb heat — в Лекции 6, в разделе про двигатель в эксплуатации.
На 172N стоит карбюраторный Lycoming O-360; на 172S — IO-360 с впрыском. Это одно из ключевых различий, влияющее на процедуры.
В карбюраторе топливо и воздух смешиваются в общем канале до впускного клапана. Поплавковая камера держит постоянный уровень топлива; распыление обеспечивает разрежение в зоне жиклёра.
Образование льда внутри карбюратора идёт двумя путями:
На самолёте с фиксированным шагом винта признак обледенения карбюратора — обороты двигателя начинают падать без движения ручки газа. Если ручка газа стоит на месте, а RPM медленно уходят вниз, — это карбюраторный лёд. Действия: включить обогрев карбюратора (ручка на себя, тёплый воздух из подкапотного пространства идёт во впускной тракт).
Сразу после включения обогрева RPM ещё немного падают (плотность тёплого воздуха меньше). По мере таяния льда обороты постепенно возвращаются.
«Какой двигатель более устойчив к обледенению — с карбюратором или с системой впрыска?» Правильный ответ — с инжектором. На 172S/IO-360 в кабине нет отдельной ручки carb heat — потому что нет «классического» карбюратора, лёд в этом тракте не образуется.
Выполняется на исполнительном перед взлётом, обычно одновременно с проверкой магнето на 1800 RPM: включить обогрев — обороты должны упасть на ~100 RPM (это значит, что тёплый воздух действительно пошёл во впуск). Выключить обогрев, обороты восстанавливаются.
Самая ценная особенность поршневого авиадвигателя: даже при полном отказе бортовой электросети двигатель продолжает работать, потому что искру обеспечивают два независимых магнето, приводимые от самого двигателя.
Постоянный магнит вращается в катушке, наводя переменное поле. Первичная обмотка замкнута через прерыватель; в нужный момент прерыватель размыкает первичку, и на вторичной обмотке возникает резкий всплеск напряжения. Через распределитель он подаётся на нужную свечу. Конденсаторы гасят искрение прерывателя.
На Cessna 172S — два магнето сзади двигателя. Каждое запитывает свою свечу в каждом цилиндре. Две свечи на цилиндр — это и резервирование, и более полное сгорание смеси (два фронта пламени с разных сторон).
На старых магнето стоял пружинный механизм, который при медленном вращении (запуск стартером) задерживал и резко отпускал магнит, чтобы получить полноценную искру. Отсюда — характерные «щелчки» при ручном проворачивании винта.
Master включает только бортовую электросеть. На запуск двигателя влияет только ключ: стартер — это отдельная цепь, замыкаемая ключом в положении START.
Выполняется в зоне ожидания / runup area после прогрева, в составе подготовки к взлёту (раздел 4 РЛЭ).
Каждое падение ≤ 150 RPM.
Разница между двумя падениями ≤ 50 RPM.
Если оба условия выполняются — зажигание исправно, можно выполнять взлёт. Если падение больше 150 или разница больше 50 — выруливать обратно и разбираться (загрязнена свеча, отказ магнето, проблема с проводкой).
Раздел 4 РЛЭ собирает все стандартные процедуры: осмотр кабины и самолёта, подготовка к запуску, запуск, перед взлётом, взлёт, набор, круиз, снижение, посадка, после посадки, заглушение. Сюда же относится уход на второй круг — это стандартная процедура, а не «особый случай».
Сегодня — запуск для двух модификаций Cessna 172, и сразу после — раздел 3 РЛЭ «Особые случаи в полёте» (Emergency Procedures): пожар при запуске, пожар в полёте, отказ двигателя после взлёта.
Штатный запуск от основной аккумуляторной батареи. Команды кратко — точная последовательность из РЛЭ.
На Lycoming с впрыском «залив» двигателя менее критичен, чем у карбюратора, но запуск проще с уже «продутыми» цилиндрами: сначала топливный насос проталкивает топливо в блок, затем при пуске mixture быстро открывается — это даёт устойчивое воспламенение.
Принципиально другая последовательность — у карбюраторного двигателя нет «инжекторной» прокачки бустерным насосом до форсунок. Вместо неё — ручной праймер, который впрыскивает топливо непосредственно в впускной коллектор.
| 172S (IO-360) | 172N (O-360, карб) | |
|---|---|---|
| Mixture перед стартом | Cut-off, затем прокачка fuel pump | Rich с самого начала |
| Подача топлива на запуск | Fuel pump 5 с при mixture rich, затем cutoff | Primer 2–6 качков |
| Throttle | ~1/4 дюйма | ~1/8–1/9 дюйма |
| Carb heat | Не предусмотрен | Перед стартом — Cold |
При температуре ниже 20 °F (≈ −6 °C) производитель рекомендует внешний подогрев (preheat) перед запуском и, по возможности, внешнее питание. Разъём внешнего питания встроен в транспортную систему самолёта; на 172S он есть штатно.
В разделе 4 РЛЭ для холодной погоды предписано перед запуском несколько раз провернуть винт вручную, чтобы:
Винт вращать против хода нормального вращения, чтобы случайно не запустить магнето (искра при движении винта возможна, особенно при плохом заземлении P-lead).
Любое движение винта на земле приравнивается к работе ключа в положении BOTH: у магнето слабое заземление — искра возможна. Стоять перед винтом и работать руками одинаково опасно как у работающего, так и у «выключенного» двигателя.
Раздел 8.11 РЛЭ описывает эксплуатацию при длительном простое. Если самолёт стоит без полётов, во внутренних полостях двигателя конденсат и атмосферная влага запускают коррозию, и ресурс уходит независимо от налёта.
Раз в 30 дней двигатель должен отработать минимум 1 час в полёте. Гонять двигатель «на земле» вместо этого нельзя: масло не выходит на рабочую температуру, вода из картера не испаряется, коррозия только усиливается.
Аналогичная норма работает для всей конструкции самолёта (см. Лекция 2, ресурс планера). Двигатель, который «не летает», — это двигатель, у которого ресурс сгорает раньше календарно.
Пожар на земле в АОН чаще всего происходит именно в момент запуска: переобогащённая смесь может зажечься в выпускном тракте.
Состояние электрического топливного насоса в процедуре «пожар при запуске» уточнять по актуальной редакции РЛЭ — в кабине ориентироваться на печатный чек-лист.
Поршневой двигатель ограничен по высоте: примерно с 4,5–5 км разрежённость воздуха не позволяет обычному АПД создавать нужную мощность. Решение — турбонагнетатель.
Устройство использует энергию выхлопных газов: они выходят из двигателя и раскручивают крыльчатку («горячую»), которая через общий вал крутит вторую крыльчатку («холодную»), а та заталкивает дополнительный воздух в двигатель. Мощность поддерживается на больших высотах.
Существуют Cessna, которые могут летать выше 5 км. В своё время даже была дизельная Cessna с турбинным двигателем — с практическим потолком около 18 000 м (потолок обычной Cessna 172 — порядка 14 000 фт ≈ 4 500 м).
Реактивные двигатели на самолётах АОН обычно не применяются (исключения — Cirrus с турбопропом и т.п.), но Росавиация требует знать названия и аббревиатуры.
Базовая схема ТРД: воздух проходит через двигатель «как через трубу», уплотняется компрессором (лопатки), попадает в камеру сгорания, смешивается с топливом, воспламеняется, расширяется и формирует мощный импульс, выплёвывающий газ через сопло. Газы раскручивают турбину, которая через вал вращает компрессор. Принцип движения — «принцип кальмара».
| Сокращение | Что значит |
|---|---|
| ТРД | Турбореактивный двигатель — базовая схема. |
| ТРДФ | Турбореактивный форсажный. Форсажная камера — удлинение двигателя, повторное добавление топлива в спутный след выходящих газов. |
| ТРДД | Турбореактивный двухконтурный. Большой вентилятор вокруг газовой части прокачивает воздух по второму контуру и добавляет тяги «холодным» воздухом. |
| ТРДДФ | Двухконтурный с форсажем. |
| ТВД | Турбовинтовой — вал турбины через трансмиссию связан с пропеллером. Так оснащается, например, часть Cirrus и некоторые другие самолёты АОН. |
| ТВВД | Турбовентиляторный. |
| Турбовальный | Вертолёты, отдельные специализированные применения. |
В тесте Росавиации есть вопрос про классификацию газотурбинных двигателей. Преподаватель просит запомнить аббревиатуры: ТРД, ТРДФ, ТРДД, ТРДДФ, ТВД, ТВВД, турбовальный.
Базовый алгоритм расчёта топлива для маршрута. Глубоко эта тема — в дисциплине «Лётные характеристики», но цифры и логику знать надо сразу.
Маршрут разбивается на участки: ИПМ → ППМ-1 → ППМ-2 … → КПМ → запасной аэродром + 30 мин в районе запасного. Для каждого участка определяем высоту полёта, температуру воздуха, режим работы двигателя, истинную скорость TAS, часовой расход GPH, время в полёте (с учётом ветра) и остаток в ППМ. Дополнительно: 1,4 галлона закладывают на запуск, прогрев и руление (по РЛЭ).
Условие, при котором цифры таблицы действительны: командир обеспечил рекомендованный состав рабочей смеси через mixture-ручку. Без обеднения расход ≈ 11 галл/ч — то есть лишние 2 галл/ч, и расчёт по РЛЭ рассыпается. Как именно обеднять по EGT — в Лекции 6.
Преподаватель использует «Pro Небо» (разработано военными лётчиками, требует адаптации). Альтернативы: AirNav Pro (платное), AirCam (com24.ru — для базового планирования).
Дальше идут разделы, которые прозвучали не на занятиях по конструкции, а в курсе аэродинамики и лётных характеристик: расход топлива по таблицам РЛЭ и весь блок про воздушный винт. Они собраны здесь, потому что относятся к силовой установке — но помните, что спрашивать их могут в другой дисциплине.
На C172S с G1000 расходомер в базе; на T/M/I и др. — по скорости из таблицы + подгон mixture (чуть обеднить → ↑ EGT, ↓ расход). Без расходомера: выйти на крейсерскую скорость из POH (например ~125 kt на 1200 m), затем lean до стабильного режима.
Запас жизни летчика: запас по скорости, по высоте, по топливу. Экономичность — на всех этапах: взлёт, маршрут, посадка.
100LL / B-91 — для IO-360; АИ-92 — другая шкала (≈ дробь 115 для авиа), быстрее горит → ↑ температура, прогар клапанов/поршней, нерасчётное расширение, износ колец. Октановое число — сопротивляемость детонации (скорость сгорания), не «лучше горит».
Свечи Lycoming IO-360: калибер 36. Rotax — электронное зажигание ±3° подбирает угол; Lycoming — механическая магнето, точность настройки критична.
Винт + двигатель = винтомоторная группа. Типы шага:
C172: двухлопастной винт Ø 1,93 м, дозвуковой, прямой (не «саблевидный»). Обороты ~680–720 idle … 2700 max. На ТВД — постоянные обороты (Nconst), меняется шаг и нагрузка на винт. Направление вращения: Lycoming IO-360 — левое; обозначение «R» в типе двигателя — правое.
Материалы: дерево, металл, композит. Следующие занятия — винт подробнее, затем взлёт-посадка в комплексе с пройденной аэродинамикой.
Шаг винта — угол атаки лопасти; «расстояние за один оборот» в твёрдой среде пропорционально этому углу.
Шаг меняет регулятор оборотов (governor) или пилот. На C172 — винт неизменяемого шага; на самолётах с втулкой — гидромеханический (масло двигателя) или электромеханический (редуктор через отверстие в коленвале, часто на летающих лодках).
Флюгирование — угол ~85–95° по средней хорде → ↓ Cx, ↑ аэродинамическое качество на ~1,5–2 % при отказе двигателя. Реверс тяги — на ТВД после посадки, струя вперёд, ↓ пробег. Проходная защёлка (beta gate): земной малый газ / полётный малый газ — разные углы на земле и в воздухе.
Диаметр C172 — 1,93 м (C172 с меньшим двигателем — 1,74 м). Ометаемая площадь — круг этого диаметра. Шаг — расстояние, на которое винт «винтился» бы за один оборот, если бы воздух был твёрдым телом; на практике задают через угол атаки средней аэродинамической хорды (из‑за геометрической и аэродинамической крутки).
Угол установки лопасти: обычно 13–50°; флюгерные 0–90°; реверс/тормозные −15…+90°. Аналогия с ASI: измеряем не скорость, а величину, пропорциональную ей (динамическое давление → прогиб мембраны → шкала).
Лопасть — профиль как крыло. Полная аэродинамическая сила R раскладывается на:
Треугольник скоростей: скорость вращения + путевая скорость → результирующий набегающий поток → угол атаки лопасти α. На земле при полных оборотах α максимален → статическая тяга максимальна. С ростом скорости полёта α ↓ → тяга винта ↓.
При той же скорости: ↑ обороты (RUD) → ↑ α → ↑ тяга. Чтобы компенсировать падение тяги на скорости — на винте с изменяемым шагом увеличивают шаг (и мощность); на C172 — только обороты и скорость.
C172S — винт неизменяемого шага: α постоянен → узкий диапазон КПД по скоростям. Variable-pitch: шаг на наборе/эшелоне — экономичная скорость; на взлёте-посадке и кругах — PROP на 100 % (минимальный угол) для большего «хода» RUD и меньшей чувствительности на глиссаде.
Перед посадкой на fixed-pitch: RUD и MIX полностью вытянуты. На variable-pitch: RUD/MIX вытянуты, синий PROP полностью утоплен (100 %). PROP «на себя» — ↑ шаг, ↓ обороты (рефлекс как «назад = меньше мощности»); на себя до флюгерного — аварийный режим.
Располагаемая мощность винта сначала растёт со скоростью, затем падает к нулю — отсюда экономичная скорость (максимум располагаемой тяги на графике). Связь с кривыми Жуковского: располагаемая vs потребная тяга.
Из «Основ полёта» (видео 6.3) — там винт разбирается подробнее, чем в самом курсе по силовой установке.
P = α · ρ · n² · D⁴: α — коэффициент тяги (он прямо пропорционален углу атаки лопасти), ρ — плотность воздуха, n — обороты, D — диаметр. Сразу оговаривается: «вы этой формулой никогда не будете пользоваться, привожу только чтобы подтвердить понимание, из чего создаётся тяга». Отсюда, кстати, видно, почему диаметр так важен: он входит в четвёртой степени.
Полезная мощность винта = тяга × скорость. КПД винта — отношение мощности винта к мощности двигателя. У винта фиксированного шага α постоянен, поэтому и диапазон применения узкий — и по скоростям, и по расходу.
Управление шагом бывает ручным и автоматическим. При автоматическом пилот в изменении шага «никогда не участвует, за это всё делает так называемый governor» — регулятор постоянных оборотов. А сам механизм поворота лопастей — двух видов:
| Гидромеханический (как на Cessna) | Электромеханический |
|---|---|
| Рабочая жидкость — масло самого двигателя. После масляного насоса оно приходит в регулятор и «сидит под давлением, дежурит». Ручка ВИШ соединяет полость втулки винта либо с каналом нагнетания, либо с каналом слива — этим шаг и меняется. | Через сквозное отверстие в коленвале проходит металлический вал; электродвигатель через червячный редуктор поворачивает стаканы, в которых стоят лопасти. Ставят, например, на летающие лодки единичной постройки с Lycoming/Continental 360 и 540. |
Смысл — убрать сопротивление остановленного винта, снизить Cx при отказе или выключении двигателя. Прибавка к аэродинамическому качеству — 1,5–2 %, и он подчёркивает: «это достаточно большая, приемлемая, существенная прибавка». Угол флюгирования — 85–95° по углу атаки средней аэродинамической хорды.
На пробеге лопасть ставят так, чтобы тяга шла вперёд, увеличивая сопротивление, — эффект тормозного парашюта, пробег короче. Чтобы в полёте случайно не уйти в этот диапазон, на больших турбовинтовых есть механизм ограничения шага и два малых газа: земной и полётный, а между ними — проходная защёлка. На земле двигатель стоит на земном малом газе; в полёте, дросселируя до упора назад, лётчик упирается в защёлку — это полётный малый газ; после касания он перещёлкивает собачку и уходит на земной. Иначе на земном малом газе в полёте винт создавал бы лишнее сопротивление.
Взлёт и весь полёт по кругу — ВИШ на 100 %, ручка полностью утоплена, минимальный угол. Набор и эшелон — здесь ВИШ и работает: 70–75 %, чтобы держать наивыгоднейшую скорость и экономить топливо. Снижение — снова 100 %, и вот зачем: на большом шаге маленькое движение рудом даёт большое изменение тяги, и на глиссаде легко проскочить скорость — уйти выше или, прибрав, ниже. На минимальном угле ход руда больше, чувствительность меньше, вероятность ошибки меньше.
И рефлекторная логика, которую он просит понять, а не запоминать: вперёд — больше мощности и оборотов, назад — меньше; ВИШ на себя — шаг растёт, растёт Q, обороты падают, и чтобы удержать вращение, надо добавить руд.
Со всех занятий по силовой установке.
В этой лекции преподаватель не выделил явных «вопросов Росавиации» (часть из них всплывает отдельно — например, по аккумуляторной автономии в учебных тестах школы). Но командир должен помнить наизусть: