РЕАКТИВНЫЙ ДВИГАТЕЛЬ ИЗ… БУМАГИ!

Обычно журнал «Моделист-конструктор» рассказывает на своих страницах о работающих конструкциях, прошедших необходимые испытания. Однако данный материал — исключение из правил, и мы предлагаем читателям самим поучаствовать в доводке весьма оригинальной идеи, пока еще не сделавшей последнего шага к успеху.

Добившись определенных положительных результатов в освоении техники радиоуправления, я приступил к осуществлению мечты, пожалуй, всей моей жизни, — созданию собственной конструкции радиоуправляемого самолета. Разобравшись по Интернету, насколько возможно, в новой технике, я заказал из Китая двигатель «аутраннер» и регулятор к нему. Но пока мои покупки доставлялись, произошло одно важное событие…

Государственная Дума приняла закон об обязательной регистрации летательных аппаратов массой более 250 граммов! Интересовались ли когда-нибудь эти горе-законодатели правилами соревнований по авиамоделизму, и какие международные органы их устанавливают? Знакомы ли они с техникой разных соревновательных классов? Это все вопросы риторические, конечно, поскольку вес даже учебного кордового «фанероида» гарантировано превышает указанную величину.

Тогда может быть, моделистам стоит действительно начать регистрировать свои модели? Но как быть, если многие из них, особенно у новичков, живут всего один полет. А что до нынешних «электричек», то с ними может не быть и его, поскольку у приобретенных в случайных источниках моторов, винтов, аккумуляторов просто не окажется достаточной тяги, чтобы оторвать аппарат от земли. Будут ли школьники бегать по инстанциям, чтобы оформить различные бюрократические бумажки? Наверняка за это придется еще и платить. А затем мучительно раздумывать над обломками: снимать их с учета или все-таки попробовать восстановить?

В результате, в сколько-нибудь серьезных классах авиамоделизм в ближайшем будущем законно сможет существовать только как покупка готовых китайских игрушек из легчайших материалов и интегральной радиоаппаратуры. А как техническое творчество, на доступных самоделках из реек и фанеры учащее молодых аэродинамике и конструкциям летательных аппаратов, он оказался фактически под запретом.

Знаю, что защитники закона начнут рассказывать нам сказки: «Вот принесет террорист беспилотник с бомбой на регистрацию, а мы его тут ка-а-ак схватим!» Однако подобные «отмазки» — далеко не новость, и уже более 30 лет, как предусмотрены в очень серьезных международных документах. Кроме того, интересно, как авторы закона представляют себе использование кордовой или резиномоторной модели для совершения теракта. Как говорил Михаил Задорнов: «Очень хочется представить себе сам процесс».

Словом, когда моя посылка пришла на почту, закон уже вступил в силу. Поэтому первым делом полученные мотор и регулятор отправились на весы: 85 граммов! Без винта, и без аккумуляторов, способных дать почти сотню ватт. Это был приговор моей электрической силовой установке… Я даже не стал тратить время, чтобы хотя бы разок запустить покупку, и сразу переключил свое внимание на пульсирующие воздушно-реактивные двигатели.

ПуВРД — вещь в моделизме известная, достаточно вспомнить такие конструкции, как GADO-300 или РАМ-1. Последний даже попал на плакат «От моделей ученических — до кораблей космических!» Времена, правда, были другие.

На первый взгляд, идея использования реактивного двигателя кажется бесполезной в нынешних условиях. Ведь известные конструкции весят около 300 г, требуют сложных станочных работ, сварки, жаропрочных сталей. Плюс необходим источник сжатого воздуха и высокого напряжения для запуска. Тем не менее, мною было сформировано «безумное» техзадание со следующими особенностями.

1. Технологичные прямоугольные формы каналов входной части

2. Основной материал корпуса двигателя… бумага! Ведь всем известна пиротехника с бумажными оболочками, выдерживающими немалые тепловые и механические нагрузки. Да, корпус, скорее всего, окажется одноразовым, но его наиболее сложная деталь — топливный модуль может использоваться многократно.

3. Запуск — прокачкой воздуха обычной резиновой грушей.

4. Доступность материалов, низкие требования к точности изготовления и низкая трудоемкость. Фактически, двигатель большей частью изготавливается из содержимого мусорного ведра!

5. Отсутствие дефицитных и тяжелых заводских свечей зажигания.

6. Масса — не более 50 г.

Первым отечественным серийным реактивным двигателем, который выпускался в 1960-х годах, был воздушно-реактивный двигатель РАМ-1. В основном он использовался для установки на скоростных кордовых моделях самолетов и моделях глиссеров. Конструкция РАМ-1 проста и количество его деталей невелико. Головка обтекаемой формы состоит из корпуса, в котором спереди находится диффузорная часть жиклера и проходных каналов. Каждый лепесток клапана плотно закрывает одно проходное отверстие. Вся головка заключена в капот, а ее задняя часть имеет наружную резьбу, которая ввинчивается в корпус камеры сгорания.

Труба двигателя состоит из камеры сгорания, реактивного сопла и резонансной выхлопной трубы. Все они соединены точечной электросваркой. Корпус двигателя изготовлен из жаростойкой нержавеющей стали толщиной 0,2 мм, головка из дюралюминия. Топливо в двигатель поступает в виде смеси паров бензина с воздухом. Воспламенение — от запальной свечи. Разрежение, создаваемое при движении воздуха в узкой части диффузора, приводит к тому, что топливо самостоятельно поднимается из бачка по трубопроводу к жиклерным отверстиям, а выходя из них, топливо смешивается с воздухом.

Для запуска двигателя необходимо убедиться в непрерывной подаче электрического тока, наличии искры между электродами свечи и поступлении топлива, после чего следует направить струю воздуха от насоса под отверстие жиклера. Как только двигатель заработает, зажигание нужно отсоединить.

Нормальная работа РАМ-1 сопровождается выделением большого количества тепла (стенки корпуса накаляются докрасна), ровным высоким звуком и длинным голубым «языком» пламени выхлопных газов. Красное или оранжевое пламя означает, что топлива поступает слишком много — нужно понизить уровень горючего. И наоборот, если пламени почти нет, а выхлопы резкие и звонкие, значит смеси недостаточно — надо повысить уровень топлива. Остановка двигателя осуществляется перекрыванием подачи горючего.

По материалам книги «Авиамодельные двигатели», О. К. Гаевский, 1958 г.

ОТ СЛОВ — К ДЕЛУ!

Работы над двигателем продолжались более года, свидетельством чему стала эта ни на что не похожая конструкция. Но начну с «телеграфного» напоминания принципов действия ПуВРД. Бензо-воздушная смесь воспламеняется искрой в рабочей камере. Продукты сгорания выбрасываются через длинную выхлопную трубу, создавая реактивную тягу. Инерция потока газа приводит к тому, что он продолжает двигаться назад по трубе и после вспышки. Это создает разрежение в рабочей камере, которое открывает клапаны. Происходит всасывание свежей порции смеси, после чего цикл повторяется. Электрическая система зажигания требуется только при запуске. В камере работающего двигателя быстро появляются раскаленные (а в нашем двигателе — и тлеющие!) части, обеспечивающие дальнейшее зажигание.

Основная часть корпуса предлагаемого двигателя изготавливается из ватмана, после чего она оклеивается в 3-4 слоя обычной газетной бумагой на огнестойком силикатном клее. Конструкция вроде кажется устрашающей с точки зрения безопасности. Однако практика показала, что прочности такого корпуса более чем достаточно, чтобы выдерживать давление вспышки. А бесконтрольное горение в рабочей камере невозможно из-за малого количества находящегося там воздуха.

Остальные части конструкции опишу в порядке уже успешно решенных технических проблем.

СНАБЖЕНИЕ ВОЗДУХОМ

Обратное движение клапанов плюс утечки из-за невысокой точности их изготовления приводят к тому, что при вспышке задняя часть каналов карбюраторов заполняется выхлопными газами. Поэтому импульс всасывания должен быть очень мощным, чтобы прокачать эту грязь и далее всосать свежую смесь в достаточном объеме. Поэтому длину выхлопной трубы пришлось сделать даже большей, чем у известных, более мощных конструкций. Зато импульс всасывания оказался настолько сильным, что если бы на входе не было суживающихся каналов карбюратора, то он бы деформировал клапаны (проверено!).

Классические конструкции двигателей используют для клапанов тонкую пружинную сталь, и я очень гордился тем, что нашел ее источник — лезвия для безопасной бритвы. Но такие клапаны, похоже, оказались «туговаты». Поэтому я перешел на их изготовление из стенок алюминиевых банок из-под напитков. При сборке двигателя клапаны сначала «прихватываются» клеем «Момент» за нижнюю поперечину к фанерной клапанной решетке, а затем, при установке клапанной решетки, заливаются там силикатным клеем.

Также довольно скоро я пришел к идее наклонной клапанной решетки. Ведь клапаны — это плоские пружины, а их недостаток — небольшое, по сравнению с длиной, перемещение. Наклонное расположение клапанной решетки также улучшает аэродинамику, как для потоков газа внутри двигателя, так и с точки зрения его внешних форм.

У основания клапанов имеется застойная зона, создающая завихрения и неопределенности в направлении течения смеси. Ее выключение с помощью выемки в корпусе дало благоприятные результаты.

СНАБЖЕНИЕ БЕНЗИНОМ

Теоретически мною рассматривались несколько систем снабжения двигателя топливом, а именно: 1 — простейшие карбюраторы; 2 — естественное испарение бензина с развитой пористой поверхности; 3 — принудительное испарение бензина электрическим нагревателем; 4 — разбрызгивание бензина вращающимся от микромоторчика диском. Эксперименты проводились по первым трем пунктам, и ни один из них не оказался совсем уж безнадежным. Но я все же остановился на первом, так как в известных конструкциях двигателей применяется именно он. Кроме того, только этот вариант увеличивает подачу бензина, когда она нужна — при увеличении мощности и скорости модели.

Примитивных карбюраторов — два. Как я надеялся, это должно было облегчить «схватывание» двигателя после стартовой продувки одного из них. Также это должно было сделать работу двигателя более устойчивой в случае обратной вспышки в одном из карбюраторов.

Стоит отметить, что соприкосновение потока смеси с бумажными или фанерными деталями приводит к впитыванию некоторой части бензина, которая оказывается потерянной для рабочего процесса. Так как наклонные клапаны сильно отклоняют поток смеси вверх, я наклеил на верхнюю часть камеры отражатель из фольги. Это полезно и для ресурса двигателя (когда он заработает, конечно). С этой же целью концы распылительных трубок загнуты строго горизонтально. А металлические стенки каналов карбюраторов было решено совместить со… стенками топливного бака. Таким образом, имеющая дело с бензином часть двигателя превратилась в компактный топливный модуль, собранный на пайке из белой жести. Распылительные трубки идут от дна бензобака прямо в канал карбюратора.

В известных двигателях каналы карбюратора имеют круглое сечение, что требует токарных работ. В «Саяке» каналы — прямоугольные. Более того, две из четырех стенок канала — еще и плоские. Представляете, как это упрощает технологию! Каналы имеют закраины, вставляющиеся в отверстия клапанной решетки, что фиксирует топливный модуль и уменьшает соприкосновение потока смеси с фанерой. И только верхняя часть каналов карбюраторов перед распылителями сделана из бумаги.

Наружные стенки каналов выполнены из 3-мм фанеры (можно использовать пластик). Благодаря тому, что верхние и нижние стенки каналов плоскопараллельные, наружные стенки можно двигать, изменяя сечение канала, а, следовательно, регулируя и состав смеси.

Обратный заброс некоторой части выхлопных газов через клапаны в карбюратор может привести еще и к вытеснению бензина из распылительных трубок, что дополнительно увеличивает требования к всасываемому объему. В большой авиации в таких двигателях применялись обратные клапаны в топливной системе. Но в наших микроскопических объемах они бесполезны, да и трудновоспроизводимы. Единственный выход — противопоставить давлению прорвавшихся газов… это же самое давление, но со стороны бензобака. Так в двигателе появился патрубок наддува на выходе, соединенный с верхней частью бака. Патрубок приклеивается уголками из бумаги в несколько слоев на силикатном клее.

Задержка давления на удвоенной длине двигателя приводит к тому, что импульс наддува поступает в бак не во время вспышки, а как раз тогда, когда и требуется подача топлива. Именно после этого усовершенствования топливо, наконец-то, стало поступать в достаточных количествах. Дугообразно изогнутые отрезки хорошо паяющихся металлических трубок можно приобрести в магазинах товаров для рукоделия. Для распылительных трубок используются заготовки диаметром 1,5 мм, для системы наддува — диаметром 2,5 мм. Заливной горловиной служит припаянная к отверстию в баке гайка М2,5. Бак заправляется шприцем, после чего в горловину вкручивается винт. Затем включается зажигание, к входу одного из карбюраторов приставляется резиновая груша и подается поток воздуха для запуска. Но, внимание! Не отпускайте грушу, не отведя ее от карбюратора, во избежание всасывания взрывоопасной бензовоздушной смеси.

РЕГУЛИРОВКА ТОПЛИВНОЙ СИСТЕМЫ

Опытным путем мною был подобран диаметр распылителей в 0,4 мм. Делаются они просто — в конец трубки вставляется обмоточный провод соответствующего диаметра и обжимается плоскогубцами. Сечение каналов каждого из карбюраторов для двигателей данной размерности и конструкции не должно быть больше, чем 5×7 мм, иначе не произойдет подсасывания бензина. Наружные стенки каналов удобнее вклеивать на прозрачном «Моменте». Клей этот вязкий и хорошо герметизирует даже большие щели. Но в то же время он не очень прочный, так что переставить стенку будет нетрудно. Конечно, такая регулировка не очень удобна. Но можно использовать также пережатие трубки наддува для уменьшения подачи бензина.

Оптимальная смесь дает очень громкую и звонкую вспышку. Глухая вспышка с выбросом пламени на выходе двигателя — свидетельство переобогащенной смеси. А глухая вспышка без выброса пламени сообщает о том, что смесь нормальная, но плохо перемешанная (такое было характерно для систем с испарением бензина электронагревателем).

Щелчки искр зажигания также несут информацию. Звонкие звуки говорят, что камера двигателя заполнена воздухом. В заполненной смесью или выхлопными газами они глуше.

Судя по максимально достигнутому результату (о нем — ниже), система питания двигателя налажена удовлетворительно.

ЗАЖИГАНИЕ

Основой для системы зажигания послужила батарейная газовая зажигалка. Свечой же служит клинышек из стеклотекстолита, по краю которого проходит U-образная дорожка фольги. На конце его сделан пропил — это искровой промежуток. Экспериментально выявлено, что свеча может быть вставлена только в боковую стенку. Верхняя стенка быстро покрывается копотью или обугливается, что приводит к утечке искры на это углеродистое покрытие. Внизу же возможно попадание бензина с его протечкой наружу через прорезь для свечи и риском пожара.

Работа двигателя сильно зависит от положения свечи. Двинув ее вперед к клапанной решетке, мы увеличиваем вероятность «схватывания» двигателя даже при недостаточном всасывании. Но мощность вспышки уменьшится из-за того, что вспышка произойдет раньше, чем камера в должной мере заполнится смесью.

РЕЗУЛЬТАТЫ

В одной из серий экспериментов мне удалось получить надежные вспышки при каждой прокачке воздуха. Однажды даже была повторная вспышка. Правда, слишком слабая, чтобы вызвать следующие. Но даже при этих одиночных вспышках двигатель ощутимо подавался вперед, что свидетельствует о потенциально высокой тяге. Общий вес же заправленного двигателя без системы зажигания составил феерические 40 граммов! Однако для дальнейшей самостоятельной работы двигатель «не схватывает».

По-видимому, конфигурация факела смеси при стартовой продувке и при самостоятельном всасывании сильно различаются и искровое зажигание в одной точке не обеспечивает работу во всех режимах.

Возможно, я поставил перед собой слишком высокую планку в смысле доступности и технологичности этого мотора, и для получения работоспособной конструкции требуется частичный возврат к более традиционным решениям. Но я надеюсь, что-то из моих идей и наработок пригодится, и авиамоделисты получат силовую установку неслыханной легкости, простоты в изготовлении и дешевизны. Предлагаю читателям, имеющим практический опыт эксплуатации и создания модельных ДВС, подключиться к этой работе.

Александр ЛИСОВ