Hypermotor - Hyper engine

Das Hyper-Triebwerk war ein Studienprojekt des United States Army Air Corps (USAAC) aus den 1930er Jahren , um ein Hochleistungs-Flugzeugtriebwerk zu entwickeln, das den Flugzeugen und Triebwerken, die damals in Europa entwickelt wurden, ebenbürtig oder besser sein sollte. Das Projektziel bestand darin, einen Motor zu produzieren, der 1 PS/in ³ (46 kW/l) Hubraum bei einem Gewicht von weniger als 1 lb/PS liefern konnte. Das ultimative Designziel war ein verbessertes Leistungsgewicht, das für Langstreckenflugzeuge und Bomber geeignet ist.

Kein Serienmotor konnte damals den Anforderungen auch nur annähernd gerecht werden, obwohl dieser Meilenstein von speziell modifizierten oder speziell angefertigten Rennmotoren wie dem Napier Lion und Rolls-Royce R erfüllt wurde . Ein typischer Großmotor der Ära, der Pratt & Whitney R-1830 Twin Wasp Radial, entwickelte etwa 1.200 PS (895 kW) aus 1.830 in ³ (30 L), so dass ein Vortrieb von mindestens 50% erforderlich wäre. Eine einfache Skalierung eines bestehenden Designs würde das Problem nicht lösen. Dies hätte zwar die verfügbare Gesamtleistung erhöht, hätte jedoch keine signifikanten Auswirkungen auf das Leistungsgewicht; dafür waren radikalere Veränderungen erforderlich.

Im Rahmen des Hyper-Programms wurden mehrere Motoren gebaut, aber aus verschiedenen Gründen wurde keine davon in Serie verwendet. Luftgekühlte Motoren verschiedener US-Unternehmen lieferten Anfang der 1940er Jahre ähnliche Nennleistungen, und die Lizenzproduktion des Rolls-Royce Merlin als Packard V-1650 bot eine hyperähnliche Leistung von einem Inline -Motor, während der Allison V-1710 tat dasselbe von einem US-Design, das als privater Versuch außerhalb des Hyperprogramms produziert wurde.

Design und Entwicklung

Verbesserungen in der Konstruktion und leichtere Materialien hatten bereits einige Vorteile auf dem Weg zu einem höheren Leistungsgewicht gebracht . Aluminium wurde anstelle von Stahl eingeführt, als sich die Qualität und Festigkeit der Aluminiumlegierungen in den 1930er Jahren verbesserten; Dadurch wurde das Motorgewicht merklich gesenkt, aber nicht genug, um eine Gesamtverbesserung von 50 % zu erreichen. Um dieses Ziel zu erreichen, müsste auch die Leistung des Motors erhöht werden. Leistung ist eine Kombination aus Energie und der abgegebenen Rate. Um das Leistungsgewicht zu verbessern, müsste man also den Betriebsdruck des Motors, die Betriebsdrehzahl oder eine Kombination aus beidem erhöhen. Weitere Gewinne könnten erzielt werden, indem Verluste wie Reibung, Verbrennungsineffizienzen und Spülverluste eliminiert werden, wodurch mehr von der theoretischen Leistung an den Propeller geliefert wird .

Die USAAC-Ingenieure beschlossen, alle drei Verbesserungen zu untersuchen. Sie kamen bald zu dem Schluss, dass eine Erhöhung der Verbrennungstemperatur und der Spüleffizienz die größte Steigerung aller Möglichkeiten versprach. Um dieses Ziel zu erreichen, schien eine Erhöhung der Motordrehzahl die attraktivste Lösung zu sein. Es gab jedoch eine Reihe praktischer Probleme, die Fortschritte in diesen Bereichen behinderten.

Das Erhöhen des Verdichtungsverhältnisses ist eine einfache Änderung, die den mittleren effektiven Druck (MEP) verbessert , aber zu Motorklopfen durch inkonsistentes Klopfen führt . Unkontrolliertes Klopfen kann den Motor beschädigen und war ein großes Hindernis auf dem Weg zu verbesserten Leistungseinstellungen. Diese Änderung würde auch die Betriebstemperaturen erhöhen, was bei den Ventilen ein Problem darstellte. Die Ventile erreichten bereits Temperaturen, die eine Vorzündung des Kraftstoffs verursachen würden, wenn er an ihnen vorbeiströmte.

Die Erhöhung der Betriebsgeschwindigkeit ist theoretisch auch eine einfache Änderung der Motorkonstruktion. Bei hohen Betriebsgeschwindigkeiten schließen die Ventile jedoch nicht vollständig, bevor der Nocken sie wieder öffnet, ein Problem, das als „ Ventilschwimmer “ bezeichnet wird. Der Ventilschwimmer lässt Gase im Zylinder durch das teilweise geöffnete Ventil entweichen, wodurch der Motorwirkungsgrad verringert wird. Die Erhöhung des Ventilfederdrucks zum schnelleren Schließen der Ventile führte zu schnellem Nockenverschleiß und erhöhter Reibung, was die Gesamtleistung um mehr als jede gewonnene PS verringerte.

Da Ventile bei beiden Ansätzen zur Leistungssteigerung ein zentrales Thema waren, waren sie in den 1920er und 30er Jahren ein wichtiges Forschungsgebiet. In Großbritannien hatte Harry Ricardo aus genau diesen Gründen ein einflussreiches Papier über das Muffenventilsystem geschrieben und behauptet, es sei der einzige Weg nach vorne. Er hatte einige Erfolge beim Verkauf dieser Idee, vor allem an Bristol Airplane Company Engines, wo Roy Fedden "ein Gläubiger" wurde. Ricardos befreundeter Konkurrent Frank Halford konstruierte mit Napier & Son , einem weiteren bekannten britischen Motorenhersteller, seinen eigenen Hülsenventilmotor .

Die USAAC war nicht so überzeugt, dass das Muffenventil die einzige Lösung war. Ironischerweise war es eines von Ricardos Papieren über das Design der Hülsenventile, das zu den Hypermotor-Bemühungen des USAAC führte. In einem Papier aus den späten 1920er Jahren behauptete er, dass das Ziel von 1 PS/in³ mit Sitzventilmotoren unmöglich zu erreichen sei. Das USAAC-Engineering-Team von Wright Field beschloss, diese Behauptung zu testen, indem sie sie übertraf. Sie schlugen einen Motor mit etwa 1200 Kubikzoll (20 L) vor, in der Hoffnung, dass die kleinere Größe des Motors zu einem geringeren Luftwiderstand und damit zu einer verbesserten Reichweite führen würde .

Hyper Nr.1

Sam Heron , Entwicklungsleiter bei Wright Field und ehemaliger Kollege von Ricardo, während Heron in der Royal Aircraft Factory in Farnborough arbeitete, begann mit der Arbeit an dem Problem mit einem Einzylinder-Testmotor, den er mit einem Liberty . auf Flüssigkeitskühlung umbaute L-12 Motorzylinder. Er drückte die Leistung auf 480 psi mittlerer effektiver Bremsdruck und die Kühlmitteltemperatur auf 300 ° F (149 ° C), bevor er die magischen Zahlen erreichte. 1932 führten die ermutigenden Bemühungen der USAAC dazu, dass die Armee einen Entwicklungsvertrag mit der Continental Motors Company über die weitere Entwicklung des Motorendesigns unterzeichnete. Der Vertrag beschränkte die Rolle von Continental auf Konstruktion und Erprobung und überließ die eigentliche technische Entwicklung der Armee.

Beginnend mit dem L-12-Zylinder verringerten sie den Hub von 7 Zoll auf 5 Zoll, um höhere Motordrehzahlen zu ermöglichen, und verringerten dann die Bohrung von 5 Zoll auf 4,62 Zoll, wodurch der 84 Zoll³-Zylinder entstand. Dies würde in einem V-12-Motor mit 1008 in³ Hubraum verwendet werden . Sie nutzten die obenliegende Nockenwelle des L-12, um mehrere Ventile kleinerer Größe zu betätigen, was die Lade- und Spüleffizienz verbessern würde. Der erste Versuchsmotor von Continental, der Einzylinder Hyper No.1, lief 1933 erstmals.

Sie stellten schließlich fest, dass Auslassventile kühler laufen könnten, wenn ein mit Natrium gefüllter Hohlkern verwendet wird – das Natrium verflüssigt sich und erhöht die Wärmeübertragung vom Ventilkopf zum Schaft und dann zum relativ kühleren Zylinderkopf, wo das flüssige Kühlmittel es aufnimmt .

Flüssigkeitskühlsysteme verwendeten zu dieser Zeit reines Wasser, was die Betriebstemperatur auf etwa 180 ° F (82 ° C) begrenzte. Die Ingenieure schlugen die Verwendung von Ethylenglykol vor , das Temperaturen von bis zu 280 ° F ermöglichen würde. Zuerst schlugen sie vor, 100 % Glykol zu verwenden, aber aufgrund der geringeren spezifischen Wärme des Glykols (etwa 2/3 der von Wasser) gab es kaum Verbesserungen . Sie stellten schließlich fest, dass eine 50/50-Mischung (nach Volumen) aus Wasser und Glykol eine optimale Wärmeabfuhr bietet.

Hyper Nr.2

Ein zweiter Zylinder wurde zu Hyper Nr. 1 hinzugefügt, um einen horizontalen Boxermotor zur Bewertung eines horizontalen Boxermotors mit 12 Zylindern herzustellen. Nachdem der modifizierte Motor mit verschiedenen Kombinationen von Zylinderbohrung und Hub betrieben wurde, stellte sich heraus, dass die zur Aufrechterhaltung der erforderlichen Leistung erforderliche hohe Kühlmitteltemperatur unpraktisch war. Anschließend wurde ein dritter Hochleistungs-Einzylindermotor mit niedrigeren Betriebsparametern konstruiert. Dieser Motor wurde als "Hyper No. 2" bezeichnet und wurde zum Prüfstand für die Entwicklung der Zylinder, aus denen der O-1430-1 werden sollte.

Kontinental O/V/IV/XIV-1430

Die Armee machte sich offenbar Sorgen um die Entwicklung eines geeigneten Kompressors für den Einsatz in großer Höhe und forderte 1934 für die Weiterentwicklung einen neueren Zylinder mit etwas weniger Leistung und einem größeren Volumen von 118,8 in ³ von 5,5 in (140 mm). Bohrung und 5,0 Zoll (130 mm) Hub. Diese Zylindergröße würde dann in einem 1.425 in ³ 12-Zylinder-Motor verwendet werden, der die gleichen 1.000 PS bei einer Leistung von 0,7 PS/in ³ liefert . Dies stellte seine Leistung auf eine Stufe mit neueren Versuchsmotoren aus Europa wie dem Rolls-Royce PV-12 , zumindest wenn sie mit den höheroktanigen Kraftstoffen betrieben wurden, die die Armee verwenden wollte.

Eine weitere Änderung betraf das Motorlayout. Die Armee war überzeugt, dass zukünftige Flugzeugdesigns Motoren verwenden würden, die in den Flügeln für eine zusätzliche Stromlinienform vergraben sind, und bat Continental, einen großen flachen horizontalen Boxermotor für den Einbau in einen Flügel zu entwickeln. Der daraus resultierende Motor war der Continental O-1430, der eine zehnjährige Entwicklungszeit erforderte, die das Layout zunächst in einen aufrechten V-12-Motor und später in einen invertierten V-12-Motor änderte , bevor er zuverlässig genug war, um für die volle Produktion in Betracht gezogen zu werden als Continental IV-1430 im Jahr 1943. Zu diesem Zeitpunkt hatten andere Motoren bereits ihre 1.600 PS (1.200 kW) Nennleistung überschritten, und obwohl der IV-1430 ein besseres Leistungsgewicht hatte, gab es sonst kaum etwas, was auf eine Produktionsaufnahme hindeutete mitten im Krieg hat sich gelohnt.

Das Projekt wurde schließlich von den Anforderungen des "Request for data R40-C" geleitet, der als Teil des Flugzeugbeschaffungsprogramms für das Geschäftsjahr (FY) 1940 aufgenommen wurde.

Datenanforderung R40-C

Als 1938 zu Ende ging, stand der Krieg in Europa unmittelbar bevor. Zu diesem Zeitpunkt hatten europäische Flugzeuge die US-Designs weit übertroffen. Die beiden Top-Jäger der USAAC, die Seversky P-35 und die Curtiss P-36A , erreichten gerade einmal 300 mph (480 km/h). Gegen die 340+ mph Messerschmitt Bf 109 wären sie völlig deklassiert. Eine von Amerikas Antworten auf dieses Problem, die zweimotorige Lockheed XP-38 , trat in ein erweitertes Testprogramm ein.

Obwohl die XP-38 in der Lage war, Geschwindigkeiten von über 413 Meilen pro Stunde zu fliegen, bedeuteten ihre Doppelmotoren und der relativ große Rahmen, dass sie groß und schwer war. Dies wiederum bedeutete, dass die XP-38 nicht so wendig war wie die meisten einmotorigen Jäger. Der XP-38 hatte auch einen neu eingeführten flüssigkeitsgekühlten Motor, den Allison V-1710 . Die Reihen-V-Zylinder-Anordnung der Allison ermöglichte eine schmale aerodynamische Form, die weniger Luftwiderstand hatte als die luftgekühlten Sternmotor-Jäger, die zu dieser Zeit in Amerika vorherrschten.

Das Beschaffungsprogramm für Kampfflugzeuge für das Geschäftsjahr 1940 war in einem Dokument enthalten, das am 9. Juni 1939 vom stellvertretenden Kriegsminister Louis K. Johnson genehmigt wurde. es wurde nur an eine begrenzte Anzahl von Flugzeugherstellern gesendet. Das Originaldokument war zu senden an:

• Bell Aircraft Corporation
• Konsolidierte Flugzeuggesellschaft
• Curtiss-Wright Corporation Curtiss Airplane Division
• Curtiss-Wright Corporation, St. Louis Flugzeugabteilung
• Grumman Aircraft Engineering Corporation
• Lockheed Aircraft Corporation
• Republic Aviation Corporation
• Vought-Sikorsky Aircraft Division, United Aircraft Corporation
• Vultee Aircraft Division, Aviation Manufacturing Corporation

Nach abschließender Prüfung und Freigabe als Air Corps Type Specification XC-622 wurden weitere vier Hersteller in die Distribution aufgenommen:

• Hughes Aircraft Corporation
• McDonnell Aircraft Company
• Boeing-Flugzeugunternehmen
• Northrop Aircraft, Incorporated

Diese Unternehmen hatten nur zehn Tage Zeit, um den Bedingungen des Dokuments zuzustimmen, und nur 30 Tage, um ihre Entwürfe einzureichen.

GJ 1940

Insgesamt 26 Designs mit einem Mix aus 16 Motormodellen von sechs Motorenherstellern wurden von sieben der ausgewählten Unternehmen eingereicht. Diese Motoren wurden als die „Hyper Engines“ bekannt ist , eine Kontraktion Hallo GH- pro formance - Motoren. Die eingereichten Entwürfe wurden nach einem "Figure of Merit" (FOM)-Bewertungssystem bewertet und dann anhand der FOM-Ergebnisse (die von 444,12 für die Allison V-1710-E8 bis 817,90 für die Pratt and Whitney X-1800-A4G reichten). ) wurden sie in eine von drei Gruppen eingeteilt.

• Diejenigen, die in die erste Gruppe eingeordnet wurden, waren kaum mehr als Modifikationen an bestehenden Designs. Sie wurden als nicht ausreichend fortgeschritten angesehen.
• Diejenigen, die in die dritte Gruppe eingeordnet wurden, schlugen vor, ein Triebwerk zu verwenden, das wahrscheinlich nicht in den Flugzustand gebracht werden würde, wenn die Flugzeugzelle flugbereit war. Sie wurden im zulässigen Zeitrahmen als nicht rentabel erachtet.
• Die verbleibenden zehn Entwürfe wurden in die zweite Gruppe eingeordnet: diejenigen, die eine Weiterentwicklung der Luftfahrttechnik darstellten, mit einem Triebwerk, das bei Bedarf flugbereit war.

Nur drei dieser zehn Entwürfe wurden genehmigt, und es wurden Verträge über einen begrenzten Prototypenlauf von jeweils drei Flugzeugen abgeschlossen.

Die drei ausgewählten Flugzeug/Triebwerk-Kombinationen:

1. Das Model 70 Alternate 2 von Vultee Aircraft (FOM-Score: 817.9), das zur Vultee XP-54 wurde , angetrieben vom Pratt & Whitney X-1800-A4G- Triebwerk
2. Curtiss-Wright St. Louis 'Modell P248C, (FOM-Score: 770,6), das zum Curtiss-Wright XP-55 Ascender wurde , angetrieben vom Continental IV-1430-3 Motor
3. Northrops Modell N2-B (FOM-Score: 725,8), das zum Northrop XP-56 Black Bullet wurde , angetrieben vom Pratt & Whitney X-1800-A3G- Triebwerk

Die Hochleistungsmotoren des FY 1940

Motormodell	Aufbau	Verschiebung	Pferdestärken	Spezifische PS	Gewicht	Leistung zu Gewicht - Verhältnis
Kontinental IV-1430-3	invertiertes V-12	1.430 in³	1.600 PS bei 3.200 U/min	1,12 PS/in³	1,615 lb	0,99 PS/lb
Pratt & Whitney X-1800-A3G	24 Zylinder H-Block	2.600 in³	2.200 PS	.85 PS/in³	3.250 Pfund	0,68 PS/lb
Pratt & Whitney X-1800-A4G	24-Zylinder-H-Block	2.600 in³	2.200 PS	.85 PS/in³	3.250 Pfund	0,68 PS/lb

GJ 1941

Drei zusätzliche Hochleistungstriebwerke wurden für das "Hyper"-Triebwerksbeschaffungsprogramm der USAAC im Jahr 1942 in Betracht gezogen. Sie sind:

• Wright R-2160 "Tornado"
• Pratt & Whitney H-3130
• Allison V-3420

Nicht zu vergessen, die US Navy wählte auch im FY 1942 die Lycoming XH-2470 zur Finanzierung aus.

Die Hochleistungsmotoren des GJ 1941

Motormodell	Aufbau	Verschiebung	Pferdestärken	Spezifische PS	Gewicht	Leistung zu Gewicht - Verhältnis
Allison V-3420	24-Zylinder- W-Motor	3.421,2 in³	2.100 PS	0,61 PS/in³	2.600 Pfund (1.200 kg)	.81 PS/lb
Lycoming XH-2470	24-Zylinder liegend gegenüber	2.470 in³	2.300 PS	0,93 PS/in³	2.430 lb (1.100 kg)	0,96 PS/lb
Pratt & Whitney XH-3130	24-Zylinder-H-Block	3.130 in³	2.650 PS	0,84 PS/in³	3.250 Pfund (1.470 kg)	.82 PS/lb
Wright R-2160	42-Zylinder 7-Bank	2.160 in³	2.350 PS	1,09 PS/in³	2.400 Pfund (1.100 kg)	0,98 PS/lb

Programmende

Am Ende wurden alle diese Programme abgesagt und die überlebenden Motoren wurden zu Museumsstücken.

Ironischerweise Motoren, die nicht im Programm berücksichtigt wurden; die Allison V-1710 , Pratt & Whitney R-2800 Double Wasp , Wright R-3350 Duplex-Cyclone und Pratt & Whitney R-4360 Wasp Major übertrafen alle die USAAC-Anforderungen und fliegen weiter bis ins 21. Jahrhundert, hauptsächlich mit restaurierten Warbirds Flugzeug.

Siehe auch

• Bomber B , dasfortschrittliche mittlere Bomberprogrammder deutschen Luftwaffe , das ähnliche Hochleistungsflugzeuge mit einer Leistung von über 1.500 kW pro Stück verwendet.

Verweise

Anmerkungen

Literaturverzeichnis

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