Прописная истина – война определяет прогресс на долгие годы вперед. Нисколько не оправдывая войну, можно сказать, что без развития вооружений и сопутствующей инфраструктуры многие гражданские технологии появились бы гораздо позже. Один из таких примеров – высокооктановый бензин. До начала 20-х годов в баки автомобилей и самолетов заливали преимущественно прямогонный бензин. Октановое число такого топлива не превышало 50–60, что ограничивало степень сжатия в пределах 4–6 единиц. Это создавало серьезные ограничения для моторостроителей – литровую мощность почти невозможно поднять, а с этим и КПД мотора был невыдающимся.
Если поднять степень сжатия на пару-тройку единиц, то начнется детонация, которую водители старой школы помнят как характерный металлический «стук» из-под капота. Это аномальное, взрывное самовоспламенение последних порций рабочей смеси («концевого газа») ещё до того, как до них дошёл нормальный фронт пламени от свечи зажигания. Пока основная масса топлива горит со скоростью десятков метров в секунду, детонационная волна распространяется с локальными скоростями, на порядки большими, порождая ударные волны, резкие скачки давления и температуры в цилиндре. Результат — ударные нагрузки на поршень, шатун, коленчатый вал и стенки цилиндра, перегрев, выкрашивание металла, прогар поршней и в конечном счёте разрушение двигателя за минуты интенсивной работы.
Не вдаваясь в сложную химию, укажем, что чем больше в топливе ароматических углеводородов и разветвленных парафинов, тем выше октановое число. Но поднимать октановое число можно было и иным способом. Современные читатели наверняка уже не помнят про этилированный бензин. В 1921 году в лаборатории General Motors Томас Миджли-младший обнаружил, что микроскопические добавки тетраэтилсвинца (ТЭС) резко подавляют детонацию, «отравляя» цепные реакции самовоспламенения.

Присадка была сравнительно недорогая, и уже в 1924 году GM и Standard Oil of New Jersey основали Ethyl Corporation, а этилированный бензин поднял серийное октановое число до 70–80 единиц. Этого условно было достаточно для наземного транспорта, а вот авиаторам хотелось бы чего-то большего.
К концу 30-х годов появилась принципиальная возможность производства уже «сотого» бензина. Для этого разработали процессы насыщения топлива изооктаном, олефинами и ароматикой. В те времена сложилась полная технологическая цепочка, позволявшая массово выпускать авиабензин с высоким октановым числом, — и именно тогда, в преддверии войны, авиационные штабы крупнейших держав сделали ставку на это топливо, прекрасно понимая, что форсированные моторы с наддувом следующего поколения без него просто не смогут существовать. В качестве эталона детонационной стойкости используется изооктан, у которого октановое число 100. Спустя некоторое время научились производить бензины с еще более высокой стойкостью к детонации, и в авиации появилось «число производительности», позволявшее шкалировать бензины «выше 100», например 100/130, 115/145 или 150. Но всё это было скорее исключением, чем правилом – высокооктановый бензин выпускали в крайне малых объемах. Нефтяным компаниям это было попросту невыгодно.

В деле повышения октанового числа авиабензина решающую роль сыграла фигура, соединившая в себе лётный опыт, инженерное образование и деловую хватку, — Джеймс «Джимми» Дулиттл. К началу 1930-х годов он уже был одним из самых титулованных американских авиаторов: первый в истории полностью «слепой» полёт по приборам, победы в многочисленных гонках, несколько мировых рекордов скорости и, что важнее для нашей темы, докторская степень по авиационной технике Массачусетского технологического института.
В 1930 году Дулиттл вышел в запас из Воздушного корпуса армии США и пришёл в авиационное подразделение Shell, принеся в нефтяную корпорацию редкое сочетание знаний лётчика-испытателя и аналитика. В отличие от коммерческой авиации и большей части военного командования, Дулиттл на собственном опыте понимал: октановое число позволяет поднять степень сжатия и наддув без детонации, а это напрямую конвертируется в мощность, скорость, скороподъёмность, а для бомбардировщиков — и в дальность. Но в начале 1930-х годов лишь 3% самолётов могли воспользоваться 100-октановым бензином, топливо обходилось в производстве около 65 центов за литр при том, что 87-октановый Shell продавала армии по 15 центов. Бушевала Великая депрессия, и армия не была готова тратить на топливо кратно больше. Нефтяники, в свою очередь, отказывались модернизировать производство бензина без гарантированного государственного заказчика.

Джеймс Дуллитл
Одна только установка каталитического крекинга или алкилирования стоила огромных денег, а без них получить «сотый» бензин было невозможно. Но Дулиттл смог убедить Shell. В 1934 году Shell поставила в испытательный центр Райт-Филд 3,8 тысячи литров 100-октанового топлива по 13 центов за литр — втрое дороже 87-октанового и впятеро дешевле его тогдашней себестоимости. Результаты испытаний оказались красноречивыми: 100-октановый бензин давал на 15–30% больше мощности, чем сопоставимое количество 75-октанового.
Позже он организовал еще несколько статусных и публичных мероприятий, чтобы убедить военное руководство в необходимости перехода на новое топливо. Давление дало результат: к 1936 году одни только мощности Shell достигали 6 миллионов галлонов (около 22,7 миллиона литров) бензина в год, цена 100-октанового упала втрое к 1937-му, а созванный в ноябре 1936 года армейский комитет наконец постановил, что к 1938 году все двигатели Воздушного корпуса должны проектироваться под 100-октановое топливо. И пошло-поехало. К концу Второй мировой войны одни только американские ВВС сжигали более 76 миллионов литров «сотого» бензина в сутки.

На Западе часть историков сравнивает появление у ВВС высокооктанового бензина с изобретением радиолокаторов и даже с эффектом ядерного оружия. Не будем столь категоричны, но укажем, что в воздушном бою решающими параметрами являются не только горизонтальная скорость, но скороподъёмность, потолок и способность сохранять энергию в манёвре, а все они прямо зависят от избыточной мощности двигателя на единицу веса. Высокооктановый бензин обеспечивал союзным истребителям эту избыточную мощность: в Битве за Британию переведённые на 100-октановое топливо «Спитфайры» и «Харрикейны» получили заметный выигрыш в скороподъёмности и приемистости, что позволяло им быстрее набирать высоту на перехват и увереннее вести бой на вертикалях с «Мессершмиттами» Bf 109.
Немецкие двигатели DB 601 работали на 87-октановом B4; даже относительно скромный прирост в полторы-две сотни лошадиных сил, достигнутый простой заменой топлива и регулировкой наддува, в масштабах боя десятков и сотен машин имел большое значение. Британский министр нефти Джеффри Ллойд, оглядываясь на 1940 год, выразил это с предельной ясностью:

Готовность к этой битве была обеспечена заранее: ещё в 1937 году британцы разместили у Shell и Standard Oil заказы на 100-октановое топливо, а в 1938-м договорились о строительстве британского нефтеперерабатывающего завода. Спустя пару лет Соединённые Штаты экспортировали в Великобританию свыше 70 000 тонн высокооктанового горючего. По оценкам, около 53% высокооктанового топлива поступало в Британию из США, остальное давали собственные нефтеперерабатывающие заводы (частично построенные с участием Shell) и иранская нефть.
К концу войны технологический разрыв вырос. В 1944 году союзники создали бензин «сорт-150» с соответствующим числом производительности. Он позволил поднять давление наддува в моторах Merlin и Griffon примерно до 1,7 атмосферы. Благодаря этому истребители смогли догонять крылатые ракеты Фау-1 и почти на равных бороться с реактивными самолетами Люфтваффе. Американские «Мустанги» и «Тандерболты» на высокооктановом топливе летали выше и быстрее немецких машин.

Нехватка высокооктанового бензина вынудила Германию и Японию пойти по пути сложнейшего инженерного экстремизма, который требовал жертв в конструкции и надежности самолетов. Чтобы компенсировать химический дефицит, странам Оси пришлось наращивать рабочий объем двигателей (от 35 до 44,5 литра у Daimler-Benz DB 603 и Jumo 213 против 27 литров у британского Merlin), что неизбежно утяжеляло машины на сотни килограммов, раздувало их габариты и увеличивало лобовое сопротивление, нивелируя прирост мощности.
Параллельно внедрялись «химические костыли» вроде водометанольного впрыска MW 50 для охлаждения смеси и закиси азота GM-1 для высотного форсажа. Это не проходило даром – самолеты везли на себе до 150 кг дополнительного веса в виде баков, насосов и баллонов со сжиженным газом, создавали дополнительные логистические проблемы на разрушенных аэродромах. В результате немецкие и японские пилоты были жестко ограничены 5–10 минутами работы форсажа под угрозой мгновенного прогара поршней и расплавления клапанов. Американские и британские летчики могли вести затяжные бои на максимальном наддуве, используя преимущество в скорости, высоте и ресурсе двигателя на протяжении всего полета.
Если углубиться в историю военного авиабензина времен Второй мировой войны, то можно неожиданно наткнуться на бром. Точнее, на дибромэтан. Союзники добавляли это соединение в топливо для предотвращения осаждения оксида свинца на свечах зажигания и клапанах. Это был неизбежный побочный эффект использования этилированного бензина — без «выносителя» свинца моторы выходили из строя за несколько часов работы.
США обладали абсолютной глобальной монополией на промышленное извлечение брома из морской воды: в 1934 году совместное предприятие Ethyl-Dow запустило на атлантическом побережье Северной Каролины первый в мире завод по добыче брома из океанской воды. Это позволяло союзникам безопасно вводить в базовое горючее огромные дозы тетраэтилсвинца, получая высокооктановое топливо вроде «сорта 150» без риска забить цилиндры нагаром. Германия, лишённая доступа к морскому брому, решала ту же задачу иначе, но, вопреки расхожему мнению, вовсе не отказалась от этилирования: ещё в 1935 году IG Farben получила лицензию на производство тетраэтилсвинца, и немецкий сорт C3 содержал порядка 4,35 кубического сантиметра ТЭС на галлон. Отставание Германии в химии топлива было реальным, но выражалось оно прежде всего в дефиците высокооктановых компонентов и мощностей переработки, а не в отсутствии этиловой присадки как таковой.

Особое место в этой истории занимает Советский Союз, чей опыт был, пожалуй, самым драматичным. Страна, обладавшая второй по величине нефтедобычей в мире и богатейшими бакинскими месторождениями, воевала тем не менее на авиабензине, уступавшем по детонационной стойкости не только союзному, но и германскому. Основным истребительным топливом советских ВВС на протяжении почти всей войны оставался сорт Б-78 с октановым числом около 78 (в лучших своих вариантах, после добавки токсичной этиловой жидкости, — примерно 80), тогда как немецкий B4 имел октановое число 87, а англо-американский бензин — 100 и выше.
Отечественная промышленность массово производила лишь низкооктановый бензин Б-78, который жестко ограничивал степень сжатия и давление наддува советских моторов (на уровне всего 6,4–7,0 единиц), вынуждая инженеров совершать настоящие технические подвиги при модернизации двигателей ВК-105 для «Яков», АМ-38 для штурмовиков Ил-2 и АШ-82 для истребителей «Лавочкина».
Чтобы обойти этот химический тупик без потери мощности, советское моторостроение — вслед за Германией, но раньше западных союзников — массово внедрило непосредственный впрыск топлива прямо в цилиндры (АШ-82ФН, 1943 год): бензин распылялся под давлением, мгновенно испарялся и сильно охлаждал топливную смесь, что вместе с сильным обогащением горючего эффективно отодвигало порог опасной детонации. Однако эти инженерные ухищрения оставались полумерами — они усложняли моторы и увеличивали расход, но так и не смогли полноценно заменить высокооктановое топливо, из-за чего советским самолетам приходилось сражаться на пределе своих физических возможностей.

Главной причиной советского топливного кризиса стала слабость сырьевой и технологической базы: производство элитных компонентов вроде изооктана и алкилата требовало передовых процессов каталитического крекинга и алкилирования, которые в СССР к 1941 году только зарождались (американские установки «Удри» строились буквально накануне войны), из-за чего авиация снабжалась простым бензином прямой перегонки из бакинской нефти, искусственно «разогнанным» ядовитым тетраэтилсвинцом.
Ситуация стала катастрофической в 1942 году, когда немецкое наступление отрезало СССР от ключевых месторождений Северного Кавказа, создало прямую угрозу главным промыслам Баку и вынудило эвакуировать заводы на Урал и в Сибирь. В чем-то выручил ленд-лиз: по разным оценкам, Советский Союз получил по нему около двух с половиной миллионов тонн нефтепродуктов, из которых значительная доля приходилась на высокооктановый авиабензин — прежде всего 100-октановый и 95-октановый. Он шел в первую очередь на самолёты союзного производства, массово воевавшие в советском небе, — «Аэрокобры» P-39, «Кингкобры», «Харрикейны», «Спитфайры», бомбардировщики A-20 «Бостон» и B-25, — чьи двигатели физически не могли работать на 78-м бензине, а также на форсированные отечественные машины.
Параллельно с этим советская наука совершила собственный оборонный прорыв, частично компенсировав дефицит импорта. Под руководством выдающихся учёных, таких как Николай Зелинский и Юсиф Мамедалиев, в СССР была создана передовая школа катализа и химии моторных топлив и в кратчайшие сроки разработаны отечественные алюмосиликатные катализаторы из местных глин, позволившие запустить новые нефтеперерабатывающие заводы «Второго Баку» (в Уфе и Куйбышеве) без оглядки на зарубежное сырье.
Химики разработали методы каталитической ароматизации и промышленного синтеза толуола из нефтяных газов, что помогло вовлекать в производство авиабензинов недефицитные компоненты вроде пиролизных смол и лигроина. Это не только дало фронту новые смесевые марки топлива Б-74 и Б-78, но и позволило советским инженерам на прифронтовых базах эффективно разбавлять импортный бензин отечественной базой, увеличивая объемы готового высокооктанового горючего для истребительной авиации.
К 1943–1944 годам был налажен выпуск более качественного сорта Б-95 (с октановым числом около 95, получаемого смешением базового бензина с изооктаном, алкилатом и каталитически крекированным компонентом), что позволило поднять наддув и мощность поздних модификаций советских истребителей. Тем не менее структурный разрыв сохранялся до конца войны: советская авиация так и не получила в массовом масштабе собственный 100-октановый бензин, и этот дефицит — наряду с довоенными конструкторскими решениями — был одной из причин, по которой советские истребители проектировались под сравнительно умеренные режимы и «выжимали» скорость скорее совершенством аэродинамики и малым весом, чем форсированием мотора. Тем ценнее великий подвиг наших авиаторов и тружеников тыла в Великую Отечественную войну.

• Евгений Федоров