하이퍼 엔진

Hyper engine
Hyper Engine No.1이 파생된 L-12 엔진

하이퍼 엔진은 1930년대 미 육군항공대(USAAC)가 유럽에서 개발 중인 항공기 및 엔진과 같거나 더 나은 고성능 항공기 엔진을 개발하기 위한 연구 프로젝트였다.프로젝트의 목표는 1lb/hp 미만의 중량으로 1hp/in3(46kW/L)의 엔진 배기량을 제공할 수 있는 엔진을 생산하는 것이었습니다.궁극적인 설계 목표는 장거리 여객기와 폭격기에 적합한 중량 대비 동력비 증가였다.

이 이정표는 네이피어 라이온과 롤스로이스 R과 같은 특수 개조 또는 특수 제작된 레이싱 엔진에 의해 충족되었지만, 당시에는 어떠한 생산 엔진도 요구 사항에 근접할 수 없었습니다.그 시대의 전형적인 대형 엔진인 Pratt & Whitney R-1830 R-1830 레이디얼은 1,830인치3(30L)에서 약 1,200마력(895kW)의 출력을 냈기 때문에 적어도 50%의 진보가 필요합니다.기존 설계를 확장하는 것만으로는 문제를 해결할 수 없습니다.총 가용 전력은 증가하겠지만, 중량 대비 전력 비율에는 큰 영향을 미치지 않습니다. 그러기 위해서는 보다 근본적인 변화가 [1]필요했습니다.

하이퍼 프로그램의 일환으로 여러 엔진이 제작되었지만, 여러 가지 이유로 인해 이러한 엔진은 모두 사용되지 않았습니다.1940년대 초까지 다양한 미국 기업의 공랭식 엔진이 유사한 출력을 제공했으며, 패커드 V-1650으로 생산 허가를 받은 롤스로이스 멀린은 인라인에서 하이퍼와 같은 성능을 제공했으며, Alison V-1710은 하이퍼 프로그램 외부에서 생산된 미국 설계에서 하이퍼와 같은 성능을 제공했습니다.

설계 및 개발

구조 개선과 경량화 재료는 이미 몇 가지 이점을 제공했으며, 전력 대 중량 비율을 높였습니다.1930년대 알루미늄 합금의 품질과 강도가 향상되면서 강철 대신 알루미늄이 도입되었습니다. 이 때문에 엔진 중량이 눈에 띄게 감소했지만 전체 50%의 개선을 달성하기에는 충분하지 않았습니다.이 목표를 달성하기 위해서는 엔진의 출력도 증가해야 합니다.출력은 에너지와 공급 속도의 조합이므로, 중량 대비 출력 비율을 개선하려면 엔진의 작동 압력, 작동 속도 또는 두 가지 모두를 높여야 합니다.마찰, 연소 비효율성 및 소거 손실과 같은 손실을 제거함으로써 더 많은 이론적 동력을 [2]프로펠러에 제공할 수 있습니다.

USAAC 엔지니어들은 세 가지 개선 사항을 모두 연구하기로 결정했습니다.머지않아 연소 온도를 높이고 소기 효율을 높이는 것이 모든 가능성 중에서 가장 큰 증가를 약속한다는 결론을 내렸습니다.이 목표를 달성하기 위해서는 엔진 속도를 높이는 것이 가장 매력적인 해결책으로 보였다.그러나, 이러한 분야에서 진전을 저해하는 많은 현실적인 문제들이 있었다.

압축비를 높이는 것은 평균 유효 압력(MEP)을 개선하는 쉬운 변경이지만, 일관성이 없는 폭발로 인해 엔진 노킹이 발생합니다.제어하지 못할 경우 노크가 엔진을 손상시킬 수 있으며, 이는 동력 설정을 개선하는 데 중요한 걸림돌이었습니다.이 변경은 밸브에 문제가 있는 작동 온도도 증가시킵니다.밸브는 이미 연료의 전점화를 일으킬 수 있는 온도에 도달하고 있었다.

작동 속도의 향상은 이론적으로 엔진 설계의 단순한 변경이기도 합니다.그러나 고속 작동 시에는 캠이 밸브를 다시 열기 전에 밸브가 완전히 닫히지 않으며, 이를 "밸브 플로트"라고 합니다.밸브 플로트는 실린더 내의 가스가 부분적으로 열린 밸브를 통해 배출되도록 하여 엔진 효율을 떨어뜨립니다.밸브를 더 빨리 닫는 밸브 스프링 압력이 증가하면 캠 마모 속도가 빨라지고 마찰력이 증가하여 전체 성능이 [3]마력보다 크게 저하됩니다.

밸브는 성능 향상에 대한 두 가지 접근 방식 모두에서 중요한 문제였기 때문에 1920년대와 30년대에 주요 연구 분야가 되었습니다.영국에서 해리 리카도는 정확히 이러한 이유로 슬리브 밸브 시스템에 대한 영향력 있는 논문을 썼는데, 이것이 앞으로 나아갈 수 있는 유일한 길이라고 주장했습니다.그는 이 아이디어를 브리스톨 항공기 회사에 팔아넘기는데 성공했고, 로이 페든은 "신앙자"가 되었다.Ricardo의 우호적인 경쟁자인 Frank Halford는 또 다른 영국의 엔진 [4]제조업체인 Napier & Son과 함께 슬리브 밸브 엔진을 직접 설계했습니다.

USAAC는 슬리브 밸브가 유일한 해결책이라고 확신하지 못했습니다.아이러니하게도 USAAC의 하이퍼 엔진 노력을 이끈 것은 슬리브 밸브 설계에 관한 리카도의 논문 중 하나였다.1920년대 후반의 한 논문에서 그는 포핏 밸브형 엔진으로는 1hp/in† 목표를 달성하는 것이 불가능하다고 주장했다.라이트 필드의 USAAC 엔지니어링 팀은 이 주장을 물리치고 테스트하기로 결정했다.이들은 1200입방인치(20L) 정도의 엔진을 제안했으며, 엔진의 크기가 작을수록 항력이 감소되어 항속거리가 개선될 것으로 기대했다.

하이퍼 No.1

라이트 필드의 개발 책임자이자 리카도의 전 동료였던 샘 헤론은 판버러에 있는 왕립 항공기 공장에서 일하던 중 리버티 L-12 엔진 실린더를 사용하여 액체 냉각으로 전환한 단일 기통 테스트 엔진으로 이 문제를 해결하기 시작했습니다.Magic 숫자에 도달하기 전에 출력을 480psi 브레이크 평균 유효 압력으로, 냉각수 온도를 300°F(149°C)로 높였습니다.1932년까지, USAAC의 고무적인 노력으로 육군은 Continental Motors Company와 엔진 설계의 지속적인 개발을 위한 개발 계약을 체결하게 되었다.이 계약은 컨티넨탈의 역할을 건설과 시험으로 제한하고 실제 공학적 개발을 [5]육군에 맡겼다.

L-12 기통부터는 엔진 속도를 높이기 위해 스트로크를 7인치에서 5인치로 줄이고 보어를 5인치에서 4.62인치로 줄여 84인치 실린더를 만들었습니다.이는 [6]배기량이 1008in†인 V-12 엔진에 사용됩니다.L-12의 오버헤드 캠축을 사용하여 작은 크기의 밸브를 여러 개 작동시켜 충전 및 청소 효율을 개선했습니다.콘티넨탈의 첫 번째 테스트 엔진인 1기통 Hyper No.1은 1933년에 처음 작동했다.

그들은 결국 나트륨으로 채워진 중공 코어를 사용할 때 배기 밸브가 더 차가워질 수 있다는 것을 알아냈습니다. 나트륨은 액상화되어 밸브 헤드에서 밸브 스템으로, 그리고 액체 냉각수가 이를 [6]픽업하는 비교적 차가운 실린더 헤드로의 열 전달을 상당히 증가시킵니다.

그 당시 액체 냉각 시스템은 작동 온도를 약 180°F(82°C)로 제한한 일반 물을 사용했습니다.엔지니어들은 최대 280°F의 온도를 허용하는 에틸렌 글리콜을 사용할 것을 제안했습니다.처음에 그들은 100% 글리콜을 사용할 것을 제안했지만 글리콜의 비열이 낮기 때문에 거의 개선되지 않았다.결국 물과 글리콜의 50/50 혼합물이 최적의 [6]열 제거를 제공한다는 것을 알아냈습니다.

하이퍼 No.2

두 번째 기통을 Hyper No.1에 추가하여 수평 대향 12기통 엔진의 평가를 위한 수평 대향 엔진을 만들었습니다.수정된 엔진을 실린더 보어와 스트로크의 다른 조합으로 작동시킨 결과, 필요한 출력을 유지하는 데 필요한 높은 냉각수 온도가 실용적이지 않은 것으로 나타났습니다.그리고 더 낮은 작동 매개변수로 세 번째 고성능 단일 기통 엔진이 제작되었습니다.이 엔진은 '하이퍼 2호'로 명명되어 O-1430-1이 [6]되는 실린더를 개발하는 테스트 베드가 되었다.

대륙 O/V/IV/XIV-1430

주요 기사:대륙 I-1430
미국 공군 국립박물관 IV-1430-9

육군은 고고도 사용에 적합한 슈퍼차저 개발에 관심을 갖게 되었고, 1934년 추가 개발을 위해 5.5인치(140mm) 보어와 5.0인치(130mm) 스트로크에서 118.8인치로 약간3 성능이 떨어지고 부피가 늘어난 새로운 실린더를 요구했다.이 크기의 실린더는 12기통 엔진의 1,425에3 사용되며, 동일한 1,000hp, 0.7hp/in의3 성능을 발휘합니다.이는 적어도 육군이 [7]사용하기로 계획한 옥탄가스가 높은 연료로 작동했을 때 Rolls-Royce PV-12와 같은 유럽의 신형 실험 엔진과 동등한 성능을 발휘했다.

또 다른 변경 사항은 엔진 레이아웃입니다.육군은 미래의 항공기 설계가 추가적인 합리화를 위해 날개에 묻힌 엔진을 사용할 것이라고 확신하고, 대륙에 완전한 크기의 수평 반대 엔진을 날개 안에 설치할 것을 요청했다.그 결과 만들어진 엔진은 콘티넨탈 O-1430으로 10년의 개발 기간이 필요했는데, 이 개발 기간은 1943년 콘티넨탈 IV-1430으로 완전히 생산될 수 있을 만큼 충분히 신뢰성이 높아지기 전에 처음에는 수직 V-12 엔진으로, 나중에는 역 V-12 엔진으로 배치를 변경했다.당시 다른 엔진은 이미 1,200kW(1,600hp)의 정격을 넘어섰고, IV-1430은 중량 대비 출력이 더 우수했지만, 전쟁 중에 생산을 시작할 [7]만한 가치가 있는 다른 엔진은 거의 없었습니다.

프로젝트는 결국 1940년도 항공기 조달 프로그램의 일부로 포함된 "데이터 요청 R40-C"의 요건에 따라 수행되었다.

데이터 R40-C 요청

1938년이 끝나자 유럽에서의 전쟁이 임박했다.이 시점에서 유럽 항공기는 미국의 [8]디자인을 크게 앞질렀다.USAAC 최고의 전투기 두 대인 세버스키 P-35와 커티스 P-36A는 시속 300마일을 겨우 낼 수 있었다.시속 340마일의 Messerschmitt Bf 109와 비교하면 그들은 완전히 압도당할 것이다.이 문제에 대한 미국의 해답 중 하나인 쌍둥이 엔진인 록히드 XP-38은 연장된 테스트 프로그램에 들어가는 것이었다.

XP-38은 413mph 이상의 속도로 비행할 수 있었지만, 트윈 엔진과 비교적 큰 프레임으로 인해 크고 무거웠다.이는 결국 XP-38이 대부분의 단발 전투기만큼 [9]기동성이 뛰어나지 않다는 것을 의미한다.XP-38에는 새롭게 도입된 액랭식 엔진인 앨리슨 V-1710도 탑재됐다.앨리슨의 직렬 vee 실린더 배열은 좁은 공기역학적 형태를 허용하여 당시 미국에서 [10]우세했던 공랭식 레이디얼 엔진 전투기보다 항력이 낮았습니다.

1940 회계연도의 전투기 조달 프로그램은 육군 차관보 루이스 K가 승인한 문서에 포함되어 있었다.1939년 6월 9일 존슨.이 문서는 "데이터 R40-C 요청서"였으며, 이전 항공기 조달 요청서와 달리 제한된 수의 항공기 제조사들에게만 전송되었다.원본 문서는 다음 [11]주소로 보내질 예정이었습니다.

항공군 유형 사양 XC-622로서 최종 검토 및 승인 후, 추가로 4개의 제조업체가 배포에 추가되었다.

이 회사들은 문서의 조건에 동의하는 데 10일, 디자인을 제출하는 데 30일밖에 걸리지 않았습니다.

1940년도

선정된 6개사의 16개 엔진 모델이 혼합된 총 26개의 디자인이 7개사에 의해 제출되었다.이 엔진들은 고성능 엔진을 축소한 "하이퍼 엔진"으로 알려지게 되었다.제출된 설계는 "Figure of Merit"(FOM) 등급 시스템을 사용하여 등급을 매긴 후 FOM 결과(Allison V-1710-E8의 444.12부터 Pratt와 Whitney X-1800-A4G의 817.90까지)를 사용하여 세 그룹 중 하나로 분류되었습니다.

  • 첫 번째 그룹에 속하는 것은 기존 설계의 수정에 지나지 않았습니다.그들은 충분히 진보된 것으로 여겨지지 않았다.
  • 세 번째 그룹에 속한 이들은 기체가 비행할 준비가 될 때까지 비행 상태로 발전하지 못할 것 같은 엔진을 사용할 것을 제안했다.그들은 허용된 기간 내에 실행 가능한 것으로 간주되지 않았다.
  • 나머지 10개의 디자인은 두 번째 그룹에 속했습니다. 항공 공학에서 진보한 디자인으로, 필요할 때 바로 날 수 있는 엔진을 갖추고 있습니다.

이 10개 설계 중 3개 설계만 승인되었으며,[12] 각각 3대의 항공기로 구성된 제한적인 시제품 운행 계약이 체결되었다.

선택된 [13]세 가지 항공기/엔진 조합:

  1. Vultee Aircraft의 Model 70 Alternate 2, (FOM 점수: 817.9), Pratt & Whitney X-1800-A4G 엔진을 탑재한 Vultee XP-54가 되었습니다.
  2. Curtiss-Wright St Louis의 모델 P248C(FOM 점수: 770.6)로 Continental IV-1430-3 엔진을 탑재한 Curtiss-Wright XP-55 Ascender가 되었습니다.
  3. Northrop의 모델 N2-B(FOM 점수: 725.8)는 Northrop XP-56 Black Bullet이 되었고, Pratt & Whitney X-1800-A3G 엔진을 탑재했습니다.
1940 회계연도의[13] 고성능 엔진
엔진 모델 배열 변위 마력 특정한
마력		 체중 파워 투
중량비
대륙 IV-1430-3 반전 V-12 1,420인치 3,200 rpm으로 1,600 hp 1.12 hp/in † 1,615파운드 .99 hp/lb
Pratt & Whitney X-1800-A3g 24 실린더 H 블록 2,600 인치 2,200 마력 0.85 hp/in † 3,250파운드 .68 hp/lb
Pratt & Whitney X-1800-A4g 24기통 H블록 2,600 인치 2,200 마력 0.85 hp/in † 3,250파운드 .68 hp/lb

1941년도

USAAC의 FY 1942 "Hyper" 엔진 조달 프로그램에서는 3개의 고성능 엔진이 추가로 검토되었습니다.이하와 같습니다.[13]

또한 미 해군은 1942년도에도 [13]자금 지원을 위해 Lycoming XH-2470을 선택했습니다.

1941 회계연도의[13] 고성능 엔진
엔진 모델 배열 변위 마력 특정한
마력		 체중 파워 투
중량비
앨리슨 V-3420 24기통 W엔진 3,421.2 인치 2,100 hp .61 hp/in † 2,600파운드 (1,200 kg) .81 hp/lb
신제품 XH-2470 24 슬롯 수평 반대 2,420인치 2,300 hp 0.93 hp/in † 2,100파운드 (1,100 kg) .96 hp/lb
Pratt & Whitney XH-3130 24기통 H블록 3,130인치(표준) 2,650 hp 0.84 hp/in † 3,250파운드 (1,150kg) .82 hp/lb
라이트 R-2160 42 슬롯 7 뱅크 2,160인치(표준) 2,350 hp 1.09 hp/in † 2,400파운드 (1,100 kg) .98 hp/lb

프로그램 종료

결국, 이 모든 프로그램들은 취소되었고, 살아남은 엔진들은 박물관의 조각이 되었다.

아이러니하게도, Alison V-1710, Pratt & Whitney R-2800 Double Wasp, Wright R-3350 Duplex-Cyclone, Pratt & Whitney R-4360 Wasp Major는 모두 USAAC의 요구 조건을 초과하여 주로 복원된 21세기까지 비행하고 있다.

「 」를 참조해 주세요.

  • 독일 루프트바페의 첨단 중형 폭격기 프로그램인 폭격기 B는 각각 1,500kW 이상의 유사한 고출력 항공 발전소를 사용했다.

레퍼런스

메모들

  1. ^ 화이트 p 211
  2. ^ 비어만 페이지 16, 17
  3. ^ 테일러 p 64
  4. ^ 빙엄 49페이지
  5. ^ 화이트 p 375
  6. ^ a b c d 발저 페이지 28
  7. ^ a b 흰색 p 376
  8. ^ 발저 p 7
  9. ^ Balzer pp 9, 10
  10. ^ 슐라이퍼 p 253
  11. ^ 발저 p 13
  12. ^ 발저 p 15
  13. ^ a b c d e 발저 페이지 24

참고 문헌

  • Balzer, Gerald H. (2008). American Secret Pusher Fighters of World War II. Specialty Press. ISBN 978-1-58007-125-3.
  • Biermann, Arnold E, Corrington, Lester C. and Harries, Myron L. (1942). Effects of Additions of Aromatics on Knocking Characteristics of Several 100-octane Fuels at Two Engine Speeds. Cleveland, Ohio, May: Aircraft Engine Research Laboratory.
  • Bingham, Victor (1998). Major Piston Aero Engines of World War II. Airlife Publishing. ISBN 1-84037-012-2.
  • Schlaifer, Robert and Herron S.D. Development of Aircraft Engines and Development of Aviation Fuels. Harvard University.
  • Taylor, C. Fayette (1971). Aircraft Propulsion, Smithsonian Press, GPO.
  • White, Graham (1995). Allied Piston Engines of World War II. SAE International. ISBN 1-56091-655-9.

추가 정보