Роллс-Ройс R — британский авиамотор, разработанный специально для воздушных гонок. Строился ограниченной серией (19 штук) в период с 1929 по 1931 гг. Разработанный на базе мотора Buzzard, R представлял собой 12-цилиндровый V-образный четырёхтактный двигатель с рабочим объёмом 37 л, оборудованный нагнетателем и развивавший до 2800 л.с. при массе 774 кг.
Несомненным успехом R стали победы Великобритании в двух последних гонках на кубок Шнейдера (1929 и 1931 гг.). Уже после гонок 1931 г. на самолёте-победителе Supermarine S.6B с использованием специальной топливной смеси был установлен мировой рекорд скорости 656 км/ч, продержавшийся до 1933 г. В течение 30-х гг. прошлого века двигатели R использовались для достижения рекордов скорости на суше и на воде такими гонщиками, как Генри Сигрейв, Малкольм Кэмпбелл и его сын Дональд. Последняя попытка установить рекорд скорости на воде с этим мотором была предпринята Дональдом Кэмпбеллом в 1951 г. и окончилась неудачей.
Опыт, полученный конструкторами фирм Rolls-Royce и Supermarine при создании рекордных образцов двигателя и планера, оказался неоценимым подспорьем в последующих работах над мотором Merlin и истребителем «Спитфайр». Дефорсированная версия R испытывалась в 1933 г. под названием Griffon, однако она не имеет прямого отношения к разработанному в 1939 мотору с таким же названием, хотя в точности совпадает с ним по размеру цилиндров и поршней и рабочему объёму. По состоянию на 2014 г. в музеях Великобритании были выставлены на всеобщее обозрение три экземпляра R.
Разработка и развитие Появление На фирме Rolls-Royce осознавали, что двигатель Napier Lion, обеспечивший самолёту Supermarine S.5 победу в гонках на кубок Шнейдера 1927 г. достиг пика развития, и чтобы иметь реальный шанс на победу в следующих, понадобится новый, более мощный мотор. Первый эскиз «Гоночного H» на базе Buzzard (фирменный индекс H) был отправлен Реджинальду Митчеллу, техническому директору фирмы Supermarine, 3 июля 1928 г., что позволило ему начать разработку нового гоночного гидроплана S.6Eves 2001, p. 174.. Вскоре индекс мотора был изменён на R (сокращение от Racing)Holter 2002, p. 35.. Подписание правительственного контракта на дальнейшую разработку затянулось до февраля 1929 г., таким образом, на доводку мотора к предстоящим соревнованиям оставалось всего шесть месяцевLumsden 2004, p. 168.. Разработка велась командой конструкторов под руководством Эрнеста Хайвса, в которую входили Сирил Лавси, Артур Роуледж и Генри Ройс.
Описание Компоновка R в целом повторяла Buzzard: это был 12-цилиндровый V-образный двигатель с развалом блока цилиндров 60°. Неизменными остались диаметр цилиндра и ход поршня и, соответственно, рабочий объём. Были переделаны цилиндры, усилены шатуны, установлен двухсторонний одноступенчатый нагнетатель Eves 2001, p. 225.. Цилиндры с «мокрыми» гильзами, картер и кожух редуктора отливались из термостойкого алюминиевого сплава , а поскольку ресурс двигателя для гонок был заведомо низким, многие стальные и бронзовые детали также заменялись алюминиевыми поковками[Staff author] 2 October 1931. "The Rolls-Royce Racing Engines " Flight, p. 990. www.flightglobal.com. Retrieved: 14 November 2009..
Чтобы сделать двигатель как можно более компактным, в него был внесён ряд изменений по сравнению с прототипом, в частности, изменениям подверглись кожух редуктора и газораспределительного механизма, чтобы они вписывались в обводы носа самолёта. Воздухозаборник перенесли в развал блока цилиндров (что, к тому же, уменьшало риск попадания туда брызг), а вспомогательные механизмы, располагавшиеся под двигателем, приподняли, чтобы уменьшить высоту фюзеляжа"[Staff author] 2 October 1931. "The Rolls-Royce Racing Engines " Flight, p. 989. www.flightglobal.com. Retrieved: 14 November 2009.. Длина блока уменьшилась за счёт отказа от смещения цилиндров, что требовало применения сочленённых шатунов. Вначале использовалось вильчатое крепление, когда один шатун крепится в промежутке, образованном раздвоенной головкой другого, однако после аварии на испытаниях в 1931 г. перешли к схеме с прицепными шатунами.
Артур Руббра отзывался о внедрении прицепных шатунов как о «головной боли», поскольку такая схема порождала множество проблем. Из-за сложной геометрии движения, главный и прицепной шатуны имели разную эффективную длину, и поршень с прицепным шатуном получал больший ход. Соответственно, приходилось удлинять гильзу, чтобы предотвратить выход из неё нижнего поршневого кольца. Прицепные шатуны использовались впоследствии в двигателе Goshawk, однако на Merlin Артур Роуледж вновь вернулся к переработанной вильчатой схемеRubbra 1990, p. 60..
Двигатели позднего выпуска отличались новыми выпускными клапанами, шток которых заполнялся натрием для лучшего охлаждения, модификации подверглась нижняя отливка картера, были внедрены дополнительные маслосъёмные кольца, располагавшиеся ниже пальцев поршней, которые впоследствии использовались на Merlin. Также в мае 1931 г. был установлен сбалансированный коленчатый вал, а степень сжатия «спринтерского» мотора, подготовленного к гонкам этого года, увеличили с 6:1 до 7:1.
Система зажигания включала в себя два расположенных сзади магнето с приводом от коленчатого вала, каждое обслуживало одну из двух свечей, установленных в каждом цилиндре. Эта общепринятая для авиационных двигателей схема обеспечивала продолжение работы при отказе одного магнето и более эффективное сгорание смеси, чем при использовании одной свечиGunston 2006, p. 60..
Охлаждение Обеспечение охлаждения мощного двигателя в сочетании с требованием минимизировать аэродинамическое сопротивление стало новым вызовом для конструкторов фирм Rolls-Royce и Supermarine. Традиционный сотовый радиатор имел бы недопустимо высокое лобовое сопротивление, поэтому было решено использовать для теплообмена поверхность крыла и поплавков S.6. Самолёт получил двойную обшивку, в которой циркулировала охлаждающая жидкость. Масло охлаждалось таким же образом, поступая через каналы в фюзеляже в обшивку оперения. S.6 в то время описывался как «летающий радиатор», способный, согласно расчётам, рассеивать 745 кВт тепла в полёте. Однако даже с использованием этой системы в ходе гонок отмечался перегрев двигателя, и пилотам приходилось сбрасывать газ для восстановления нормальной рабочей температуры[Staff author] 16 July 1942. "Voices From The Past, Recorded talks by Schneider Trophy Contest designers and the winning pilot " Flight, p. 61. www.flightglobal.com. Retrieved 21 October 2009..
Не столь очевидной мерой избежать перегрева было умышленное использование переобогащённой смеси, свидетельством чему были частые сообщения о чёрном дыме из выхлопных патрубковEves 2001, p. 208.. Хотя это и приводило к некоторой потере мощности, однако повышало надёжность и снижало риск детонации .
Наддув и топливо
Секретом высокой удельной мощности R была конструкция нагнетателя, выдерживавшего, благодаря значительной механической прочности, большую скорость вращения, а также специальный состав горючего. Центробежный компрессор с двухсторонней крыльчаткой был новой разработкой фирмы, его приводное отношение составляло почти 8:1, что обеспечивало давление наддува до 124 кПаHolter 2002, p. 175. (для сравнения, у ранних моделей Kestrel максимальное давление наддува составляло всего 40 кПа и достигло этого уровня лишь к 1934 гLumsden 2003, p. 195.. Столь высокое давление поначалу приводило к отказам свечей зажигания, после чего были установлены свечи Lodge X170, зарекомендовавшие себя как исключительно надёжныеEves 2001, pp. 230–231..
Рецептуру топливной смеси разрабатывал специалист по моторным топливам . После опытов с чистым бензолом в первых тестовых запусках он пришёл к смеси из 89% бензола и 11% авиационного бензина с добавлением 5 мл тетраэтилсвинца на имперский галлон (4,55 л). На этой смеси был выигран кубок Шнейдера в 1929 г., и она использовалась до июня 1931 г., когда было обнаружено, что добавка 10% метанола даёт прирост мощности на 15 кВт и дополнительное преимущество в виде снижения удельного веса топлива. При установлении рекорда скорости в 1931 г. в топливо добавлялся ацетон для предотвращения осечек зажигания. Итоговая смесь состояла, таким образом, из 60% метанола, 30% бензола и 10% ацетона с добавкой 4,2 мл тетраэтилсвинца на галлонEves 2001, p. 230..
В первых запусках R развил мощность 1400 л.с. (1040 кВт) и показал 450 об/мин. на холостом ходу. С увеличением давления наддува и новым топливом, разработанным Бэнксом, окончательная мощность достигла 2350 л.с. (1890 кВт) при 3200 об/мин., более чем вдвое превзойдя Buzzard Lumsden 2003, p. 198.. Испытания продолжались, и была выяснена возможность кратковременного форсирования до 2783 л.с. (2075 кВт) при 3400 об/мин и наддуве 145 кПаGunston 1989, p. 139., но на практике ею не воспользовались из опасения, что планер S.6B не выдержит подобной нагрузки, и неспособности самолёта взять на борт необходимое количество топлива, потребление которого на форсаже резко возрасталоLumsden 2003, p. 199..
Испытания Наземные Первый запуск R1 состоялся на фабрике Rolls-Royce в Дерби 7 апреля 1929 г., на следующий день был запущен R7. Стендовые испытания выявили множество механических поломок, в частности, прогорание клапанов, обрывы шатунов и заклинивание упорного подшипникаHolter 2002, p. 38., гораздо больше, чем ожидалось, возникло сложностей с пружинами клапанов, одно время после 10 минут работы обнаруживались 2-3 разрушенные пружины. Однако в ходе непрерывных переделок и испытаний все эти проблемы были решены. Тайком от Ройса инженеры также установили поршневые кольца фирмы Wellworthy, более приспособленные к тому, чтобы выдерживать усилие в 13 тонн при сгорании смеси в цилиндре.
В наземных испытаниях R были задействованы три мотора Kestrel: первый имитировал встречный поток, второй обеспечивал вентиляцию стенда, а третий охлаждал картер. Нагнетатель испытывался на отдельной установке с приводом от ещё одного Kestrel. Для обслуживания испытательного стенда требовалось 8 человек включая «главного испытателя», который фиксировал параметры и руководил остальными операторами. Одним из главных испытателей был Виктор Холливелл, впоследствии погибший при установлении рекорда скорости на лодке . Условия в помещении для испытаний были чрезвычайно неприятными: глухота и шум в ушах преследовали операторов до двух суток даже при использовании ватных вкладышей. Времени на разработку отводилось мало, и оглушительный рёв R и трёх Kestrel, работавших на высоких оборотах сутки напролёт, вызвал недовольство местных жителей. Тогда вмешался мэр Дерби с призывом к людям потерпеть шум ради престижа Британии, после чего испытания продолжались ещё 7 месяцев.
В ходе 25-минутного теста ранний образец R расходовал 270 литров предварительно подогретого касторового масла, большая часть которого выбрасывалась через выхлопные отверстия и забрызгивала стены. Взвесь касторки оказывала на работников слабительный эффект, для снижения которого им выдавали молоко. Для каждого сеанса испытаний готовилось до 900 л топливной смеси, из которых 360 л расходовалось только на прогрев мотора до рабочей температуры. Для наземных испытаний применялись такие же пропеллеры с большим шагом, как и в последующих лётных.
Лётные испытания