et proizvodit'sya ochen' neznachitel'nym
peremeshcheniem kryl'ev otnositel'no korpusa -- vpered i nazad; poperechnoe
upravlenie -- vygibaniem kryl'ev. CHto kasaetsya putevogo upravleniya i
preodoleniya zavorachivayushchego momenta pri vygibanii kryl'ev pticami, to etot
vopros v polnoj mere ne vyyasnen. Razgadku mozhno iskat' v svoeobrazii
vygibaniya kryl'ev.
Rassmotrim teper', kak rabotaet operenie, predlozhennoe P. N. Nesterovym
(ris. 16 i 19). Dlya prostoty budem rassmatrivat' variant, kotoryj byl
realizovan P. N. Nesterovym na samolete "N'yupor-4" v nachale 1914 g. i
kotoryj byl im ispytan v polete. Shema etogo opereniya shematicheski
vosproizvedena nami po fotografii i, konechno, netochna. Obe poloviny opereniya
povorachivayutsya (ili, vernee, vygibayutsya) otnositel'no osi, sostavlyayushchej ugol
okolo 30o s poperechnoj os'yu. Togda nagruzka, dejstvuyushchaya na
operenie pri ego otklonenii, dast sostavlyayushchie sily -- vertikal'nuyu i
bokovuyu. Esli obe poloviny otkloneny na ravnye ugly, to bokovye sostavlyayushchie
vzaimno nejtralizuyutsya; esli oni otkloneny v protivopolozhnye storony na
ravnye ugly, to napravlenie dejstviya rezul'tiruyushchej bokovoj sily opereniya
budet zaviset' ot ego ugla ataki i eta sila budet ravna nulyu pri nulevom
ugle ataki. Esli nekotorye pticy v planiruyushchem i paryashchem poletah
povorachivayut hvost vokrug prodol'noj osi tulovishcha, to v sheme, predlozhennoj
P. N. Nesterovym, my poluchaem podobnyj zhe geometricheskij effekt pri
otklonenii polovin rulya v raznye storony.
Ris 19. Shema opereniya, ustanovlennogo i ispytannogo P. N. Nesterovym
na samolete "N'yupor-4" v 1913 g
My ne znaem, kakoe vpechatlenie slozhilos' u P. N. Nesterova v rezul'tate
poletov na samolete "N'yupor-4" s predlozhennym im opereniem i kak on uchel
etot opyt pri proektirovanii svoego novogo samoleta. V literature 1910--
1913 gg. mozhno vstretit' bol'shoe kolichestvo statej po voprosam ustojchivosti
i osobenno otnositel'no meropriyatij po bor'be s avariyami. Vyskazyvalos'
mnogo oshibochnyh i dazhe naivnyh soobrazhenij. Stremyas' obespechit' ustojchivost'
samoleta, mnogie avtory izyskivali sredstva dlya uderzhaniya samoleta v
normal'nom polozhenii, baziruyas' na teorii mayatnikov ili giroskopov. Nadezhdy
na teoriyu mayatnika byli voobshche oshibochny, i prichina oshibki byla raz®yasnena N.
E. ZHukovskim. Odnako i giroskop sam po sebe ne mog obespechit' stabil'nost'
polozheniya samoleta v prostranstve.
Samoletom mozhno upravlyat' po vole pilota ili po komandam ot
giroskopicheskogo avtopilota tol'ko pri soblyudenii osnovnyh uslovij dinamiki
poleta i, v pervuyu ochered', pri nalichii dostatochnoj kineticheskoj energii.
|togo mnogie ne uchityvali. A mezhdu tem, eshche v 1891 g. N. E. ZHukovskij v
rabote "O parenii ptic" raskryl osnovy dinamiki poleta letatel'nyh
apparatov. Idei, kotorye vydvigal P. N. Nesterov, v to vremya ne tol'ko ne
byli "modnymi", no i protivorechili shiroko rasprostranennym vzglyadam. Mozhno
skazat', chto P. N. Nesterov yavlyalsya blizhajshim naslednikom idej N. E.
ZHukovskogo. To, chto N. E. ZHukovskij obosnoval teoreticheski, P. N. Nesterov
vypolnil na praktike, s polnym ponimaniem osnov dinamiki poleta.
S togo vremeni mnogoe raz®yasnilos' i peremenilos'. Zabylis' oshibochnye
tolkovaniya i lozhnye teorii. Dinamika poleta v srede postoyannoj plotnosti
poluchila razvitie primenitel'no k dvizheniyu v znachitel'noj oblasti vysot,
kogda plotnost' vozduha menyaetsya, a zatem i primenitel'no k usloviyam poleta,
kogda napravlenie dejstviya sily tyazhesti bystro menyaetsya, t. e. k vyhodu na
krugovye okolozemnye, a zatem i na dal'nie kosmicheskie orbity. Vklad v
teoriyu i praktiku poleta, sdelannyj P. N. Nesterovym, ves'ma cenen sam po
sebe. Ego zhizn' i deyatel'nost' budet sluzhit' nam primerom togo, kak, sochetaya
znaniya, vdumchivost' i otvagu, mozhno za ochen' korotkij srok poluchit'
vazhnejshie rezul'taty.
2. Pervye tyazhelye
gruzopod®emnye samolety
ISTORIYA RAZVITIYA. 1910-- 1921 gg.
Nachalo uspeshnyh poletov otdel'nyh samoletov otnositsya k 1907-- 1908 gg.
Pervye mezhdunarodnye sostyazaniya samoletov i pervye perelety (v tom chisle,
perelet cherez proliv Lamansh) byli osushchestvleny v 1909 g., i aviaciya vstupila
v stadiyu shirokogo rasprostraneniya. |to harakterizovalos' serijnym
proizvodstvom naibolee udachnyh tipov samoletov, poyavleniem aviacionnyh shkol
-- zavodskih, klubnyh i voennyh, shirokoj demonstraciej poletov vo mnogih
gorodah i dal'nejshim razvitiem sportivnyh sostyazanij po ustanovleniyu
rekordnyh dostizhenij i pereletov po razlichnym marshrutam.
Pervye samolety, na kotoryh obychno letali sami konstruktory, byli
odnomestnymi. K 1910 g. stala vyyavlyat'sya potrebnost' v dvuhmestnyh samoletah
dlya "kataniya" passazhirov, obucheniya letchikov i, konechno, dlya ispol'zovaniya
samoletov v kachestve voennyh razvedchikov. Perehod na dvuhmestnye samolety
byl proizveden ochen' prosto -- pozadi letchika ustanavlivali nebol'shoj
stul'chik, na kotoryj i sadilsya passazhir, primerno, kak na motocikle.
Estestvenno, chto ne vse samolety smogli vozit' povyshennuyu nagruzku, no
nekotorye iz nih okazalis' dostatochno gruzopod®emnymi. Zatem konstruktory
stali izyskivat' sposoby uvelicheniya gruzopod®emnosti samoletov putem
primeneniya bolee moshchnyh dvigatelej i uvelicheniya ploshchadi kryl'ev.
Izuchaya istoriyu razvitiya gruzopod®emnyh samoletov, sleduet rassmotret'
teoreticheskie izyskaniya i prakticheskie meropriyatiya konstruktorov. Otdavaya
dolzhnoe teoreticheskim issledovaniyam, my dolzhny skazat', chto v period 1910--
1920 gg. oni ne byli effektivny vsledstvie nedostatochnogo razvitiya
teoreticheskoj aerodinamiki i ogranichennosti provodimyh eksperimentov s
modelyami v aerodinamicheskih trubah.
V periodicheskoj literature togo vremeni mozhno bylo vstretit' mnogo
statej, v kotoryh obsuzhdalis' razlichnye problemy samoletostroeniya i osobenno
voprosy, svyazannye s uvelicheniem skorostej i vysot poleta, a takzhe
gruzopod®emnosti i ustojchivosti samoletov. Naibolee interesnye v nauchnom
otnoshenii raboty pechatalis' v zhurnalah: russkom -- "Vozduhoplavatel'",
francuzskom "L'Aerophille" i nemeckom -- "Z. F. M". Sozdanie bolee
gruzopod®emnyh samoletov bylo svyazano s uvelicheniem ih razmerov i povysheniem
moshchnosti dvigatelej. Problemy masshtaba sooruzhenij i mashin byli uzhe izucheny
bolee gluboko primenitel'no k mostam, arhitekturnym sooruzheniyami i korablyam.
Nekotorye soobrazheniya, vzyatye iz etih oblastej, byli ispol'zovany pri
izuchenii problemy sozdaniya gruzopod®emnyh letatel'nyh apparatov.
V zhurnale "Vozduhoplavatel'" za 1911 g. byla pomeshchena stat'ya izvestnogo
letchika i inzhenera N. A. YAcuka "O maksimal'noj velichine gruzopod®emnosti
aeroplana". V etoj stat'e N. A. YAcuk ssylaetsya na rabotu D. I. Mendeleeva "O
naivygodnejshih razmerah i predel'noj velichine letayushchih mashin tyazhelee
vozduha", vypolnennuyu eshche togda, kogda nikakogo opyta samoletostroeniya ne
bylo. D. I. Mendeleev rassmatrival zadachu ob izmenenii harakteristik
letatel'nyh apparatov opredelennoj shemy pri uvelichenii geometricheskih
razmerov apparata v n raz.
Razvivaya mysli D. I. Mendeleeva, N. A. YAcuk beret v kachestve osnovnogo
usloviya postoyanstvo sootnosheniya moshchnosti dvigatelya i ploshchadi kryl'ev, chto
dlya podobnyh form ekvivalentno postoyanstvu skorosti poleta. Togda
razvivaemaya pod®emnaya sila budet proporcional'na ploshchadi, t. e.
n2; ves dvigatelya, prihodyashchijsya na 1 l. s., prinimalsya
postoyannym, i togda ves dvigatelej Gdv tozhe okazyvalsya
proporcional'nym n2. CHto zhe kasaetsya vesa konstrukcii
Gkon, to ona prinimalas' proporcional'noj kubu masshtaba, t. e.
velichine n3. Takoe predpolozhenie spravedlivo pri uslovii polnogo
podobiya konstrukcii i postoyanstva napryazhenij, vyzyvaemyh vesom gruzov, t. e.
dvigatelej, topliva i poleznoj nagruzki. Postaviv takoe uslovie, N. A. YAcuk
ogovarivaetsya, odnako, chto ono mozhet okazat'sya nepravil'nym.
Iz postavlennyh uslovij vytekaet takoe vyrazhenie dlya velichiny poleznoj
nagruzki:
|ta formula daet bystryj nachal'nyj rost Gpol po mere
uvelicheniya n, a zatem, posle dostizheniya nekotorogo maksimuma, sleduet
bystroe umen'shenie Gpol v rezul'tate rezkogo uvelicheniya vesa
konstrukcii. Izobraziv etu zavisimost' graficheski (ris. 1), my mozhem videt',
chto izmenenie parametra S i pokazatelya stepeni pri vese konstrukcii m, budet
vyzyvat' ochen' znachitel'noe izmenenie kak maksimal'noj poleznoj nagruzki,
tak i sootvetstvuyushchego ej masshtaba letatel'nogo apparata. Ponimaya
nedostovernost' znanij ob istinnyh znacheniyah velichin S i m, avtory
issledovanij, estestvenno, byvali ostorozhny v svoih vyvodah.
Na grafike, privedennom na ris. 1, byli prinyaty razlichnye zavisimosti
vesov konstrukcii i dvigatelej ot masshtabnogo mnozhitelya n. V kachestve
ishodnyh pri n=1 byli prinyaty znacheniya Gdv0/G = 0,25 i
Gkon0/G=0,3; togda Gpol0/G =0,45. Na grafike po osi
ordinat pokazano otnositel'noe izmenenie poleznoj nagruzki, t. e. velichina
Gpol/Gpol 0. Krivaya 1 sootvetstvuet rostu vesa
dvigatelya po n2 i vesa konstrukcii po n3.
Ris. 1. Otnositel'noe izmenenie gruzopod®emnosti samoleta pri izmenenii
ego razmerov dlya raznyh zakonov zavisimosti vesa konstrukcii ot razmerov
samoleta.
V etom sluchae maksimal'naya poleznaya nagruzka budet pri n=1,67, a pri
n=2,5 poleznaya nagruzka stanovitsya ravnoj nulyu vsledstvie rezkogo
vozrastaniya vesa konstrukcii.
Krivaya 2 otnositsya k sluchayu, kogda ves konstrukcii proporcionalen n v
stepeni 8/3, t. e. nemnogo nizhe kubichnoj. Kak vidno, poleznaya nagruzka
samoleta v etom sluchae znachitel'no vozrosla i imeet maksimum pri n=2,5.
Krivaya 3 byla postroena pri vese konstrukcii, proporcional'nom n v
stepeni 5/2, i eto dalo uvelichenie poleznoj nagruzki v 5,5 raza po sravneniyu
s ishodnym znacheniem.
Nakonec, krivaya 4 postroena pri uslovii, chto ves konstrukcii menyaetsya
tozhe proporcional'no n5/2, no, krome togo, s rostom n zapas
moshchnosti ponizhaetsya tak, chto ves dvigatelej budet proporcionalen n v stepeni
5/3. V etom sluchae maksimal'naya poleznaya nagruzka okazalas' uvelichennoj
bolee chem v 10 raz po sravneniyu s ishodnoj pri n=1. Ves samoleta budet
uvelichen v (5,5)2, t. e. v 30 raz; otnositel'nye parametry budut
takimi: Gdv/G=0,14; Gkon/G=0,7;
Gpol/G=0,16.
V poslednem sluchae, hotya i byl dostignut maksimum poleznoj nagruzki, no
samolet okazalsya ochen' neekonomichnym iz-za otnositel'noj malosti poleznoj
nagruzki. My priveli ris. 1, chtoby pokazat', kakoj effekt mozhet dat'
izmenenie pokazatelej stepeni.
V toj zhe rabote N. A. YAcuk provodit issledovanie dlya sluchaya uvelicheniya
gruzopod®emnosti samoleta pri sohranenii ego razmerov, no pri uvelichenii
skorosti v m raz. V etoj zadache on ssylaetsya na francuzskogo uchenogo A. See,
kotoryj opublikoval svoyu rabotu v zhurnale "L'Aerophille" ot 15 yanvarya 1910
g. Aleksandr See byl vydayushchimsya uchenym togo vremeni, rabotavshim v oblasti
letatel'nyh apparatov. Im bylo opublikovano mnogo interesnyh rabot v
zhurnalah "L'Aerophille" i "La Technique Aeronautique", i oni, nesomnenno,
okazali vazhnoe vliyanie na razvitie aviacionnyh nauk.
Zadacha o zavisimosti gruzopod®emnosti ot skorosti formal'no ne
otlichaetsya ot rassmotrennoj vyshe, no tol'ko po kubichnomu zakonu menyaetsya ne
ves konstrukcii, a ves dvigatelej, tak kak s rostom skorosti moshchnost' dolzhna
menyat'sya po kubu skorosti, a ves dvigatelej prinimaetsya proporcional'nym
moshchnosti v pervoj stepeni. Mozhno bylo by ukazat', chto eto tozhe ochen' grubyj
raschet, tak kak s rostom moshchnosti, t. e. pri uvelichenii razmerov ili chisla
dvigatelej, aerodinamicheskoe podobie ne soblyudaetsya i pri uvelichenii
skorosti kak moshchnost', tak i ves dvigatelej budut uvelichivat'sya bolee
sil'no, chem po kubichnoj stepeni.
Esli ishodit' iz postoyanstva znachenij G/N i G/S i prinyat' G/N=10 i
G/S=15-30, to my poluchim takie vyrazheniya dlya poletnogo vesa i ploshchadi
kryl'ev:
Tak, pri N = 50 l. s. ves samoleta budet raven ~500 kG i ploshchad' ego
kryl'ev S -- ot 16 do 32 m2. |ti znacheniya dovol'no blizki k
harakteristikam mnogih samoletov 1910-- 1912 gg.
Issleduya usloviya poleta, aerodinamiki prishli k vyvodu, chto postoyanstvo
parametrov G/S i G/N ne yavlyaetsya neobhodimym. Iz vyrazheniya dlya moshchnosti,
potrebnoj dlya poleta na podobnyh rezhimah pri podobnyh aerodinamicheskih
formah, sleduet, chto neobhodimo imet' postoyanstvo velichiny
Vposledstvii eta velichina imenovalas' chislom |verlinga, harakterizuyushchim
aerodinamicheskoe sovershenstvo samoleta. |to vytekaet iz preobrazovanij
formuly dlya velichiny moshchnosti, potrebnoj dlya gorizontal'nogo poleta, ravnoj:
gde K -- aerodinamicheskoe kachestvo i h -- koefficient poleznogo
dejstviya vinta.
Podstavlyaya vyrazhenie dlya skorosti, poluchim
Dlya nekotorogo samoleta perioda 1911 -- 1912 gg. G/S = 25, G/N=10;
togda
Zdes' moshchnost' vzyata polnaya, a ne potrebnaya dlya gorizontal'nogo poleta,
t. e. s zapasom. Poskol'ku zapas moshchnosti primerno dvuhkratnyj, dlya
maksimal'noj pod®emnoj sily poluchim
Napominaem, chto dannaya velichina harakterizuet aerodinamiku samoletov
ukazannyh let. Opredelyaya poletnyj ves, poluchim sleduyushchie formuly:
|ti vyrazheniya naglyadno pokazyvayut, kak vliyaet na poletnyj ves izmenenie
moshchnosti dvigatelej i ploshchadi kryl'ev. Odnako interes predstavlyaet poleznaya
gruzopod®emnost', t. e. raznost' poletnogo vesa i summy vesov konstrukcii i
dvigatelej.
V obshchem sluchae poletnyj ves samoleta mozhno predstavit' formuloj
Otnoshenie Nmax/N harakterizuet zapas moshchnosti, kotoryj
samolet dolzhen imet' pri polete na maloj vysote. |tot zapas vybiraetsya v
zavisimosti ot naznacheniya samoleta i zhelaemoj vysoty potolka. Kak minimum,
zapas moshchnosti byvaet okolo 2; srednij zapas moshchnosti raven primerno 3, a u
manevrennyh samoletov ego dovodyat do 5-6.
U samoleta opredelennoj aerodinamicheskoj shemy pri nekotorom
naivygodnejshem ugle ataki an aerodinamicheskoe kachestvo
maksimal'no, a maksimum velichiny Cu/Ch2/3
sootvetstvuet ekonomicheskomu uglu ataki ae, kotoryj primerno v
1,5-1,7 raza bol'she naivygodnejshego. Horosho izvestno, kak sil'no bylo
povysheno aerodinamicheskoe kachestvo samoletov v processe ih razvitiya.
Analogichnym obrazom vozrosla i velichina
Cu/Ch2/3. Aerodinamicheskij faktor yavilsya
ochen' effektivnym sredstvom uvelicheniya gruzopod®emnosti samoletov.
V 1921 g. byla opublikovana rabota nauchnogo sotrudnika Central'nogo
Aerogidrodinamicheskogo Instituta, inzhenera-letchika, V. L. Moiseenko
"Predel'nye razmery samoletov" (Otdel voennoj literatury pri RVSR, Nauchnaya
redakciya vozdushnogo flota). V pervoj chasti raboty V. L. Moiseenko pochti
povtoryaet raschety N. A. YAcuka, no za osnovnoj parametr on prinimaet ne
otvlechennyj faktor masshtaba, a moshchnost' dvigatelej N.
Dlya vesa konstrukcii byla prinyata zavisimost' ot moshchnosti v stepeni
3/2, chto ravnocenno kubichnoj stepeni po faktoru masshtaba p. V. L. Moiseenko
ne ishchet optimal'nyj po gruzopod®emnosti samolet, a prosto proveryaet
konkretnye samolety s tochki zreniya celesoobraznosti uvelicheniya ih razmerov i
moshchnosti dvigatelej. V etoj chasti raboty V. L. Moiseenko v sushchnosti
pokazyvaet, chto prakticheski sozdannye samolety imeyut parametry, blizkie k
optimal'nym. Kak isklyuchenie, privoditsya samolet "Il'ya Muromec", kotoryj, po
vyvodam V. L. Moiseenko, chrezmerno velik.
Vo vtoroj chasti svoej raboty V. L. Moiseenko rassmatrivaet vopros ob
optimal'nyh razmerah samoleta v bolee shirokom plane, ispol'zuya dlya vesa
konstrukcii formulu inzhenera-mehanika (vposledstvii akademika) B. N. YUr'eva.
My priveli rabotu V. L. Moiseenko potomu, chto ona otrazhaet vzglyady, na
vozmozhnost' sozdaniya gruzopod®emnyh samoletov v te gody, kogda uzhe byl opyt
stroitel'stva samoletov "Il'ya Muromec" i drugih samoletov, sozdannyh v
period pervoj mirovoj vojny, no eshche ne poluchila razvitiya teoriya induktivnogo
soprotivleniya Prandtlya, kotoraya izmenila vzglyady teoretikov i praktikov na
usloviya polucheniya bol'shoj pod®emnoj sily.
Posmotrim, kak reshali problemu povysheniya gruzopod®emnosti samoletov
konstruktory-praktiki. Na mnogochislennyh aviacionnyh sostyazaniyah i konkursah
samoletov znachitel'noe mesto udelyalos' dostizheniyam po gruzopod®emnosti, i
konstruktory, estestvenno, zadumyvalis' nad tem, kakimi meropriyatiyami ee
mozhno povysit'. Prostota konstrukcii samoletov togo vremeni, primitivnost'
primenyaemyh raschetov, otsutstvie kakih-libo ispytanij na prochnost' i
uproshchennaya proverka centrovki pozvolyali bystro stroit' novye samolety. Ochen'
rasprostraneny byli i modifikacii uzhe gotovyh samoletov, poluchennye putem
perestrojki otdel'nyh ih chastej. Preuspevayushchie firmy sozdavali po 2-- 3 tipa
i bolee samoletov v god.
V period 1910-- 1920 gg. konstruktory samoletov rukovodstvovalis' v
svoej rabote nekotorymi teoreticheskimi soobrazheniyami, no bol'she
eksperimentirovali intuitivno, starayas' uluchshit' svoi samolety. Mnogie
eksperimenty okazyvalis' neudachnymi, no nekotorye iz nih dali polozhitel'nyj
effekt. Ob®yasnit' prichinu udachi ili neudachi ne vsegda mogli, hotya,
estestvenno, pytalis' eto sdelat'. Podrazhatel'stvo u konstruktorov bylo tak
sil'no razvito, chto trudno ustanovit', kto pervyj primenil to ili inoe
udachnoe novovvedenie.
Kak my uzhe ukazyvali, uvelichenie ploshchadi kryl'ev pozvolyaet uvelichit'
pod®emnuyu silu, hotya i v slaboj stepeni. V formulu dlya G ploshchad' S vhodit
pod kubichnym kornem. Odnako konstruktory-praktiki obratili vnimanie na to,
chto uvelichenie razmaha daet znachitel'no luchshij effekt, chem uvelichenie shiriny
kryla. |to mozhno naglyadno videt' po razvitiyu samoletov firmy "Farman".
Tak, esli samolet "Farman-4" imel razmah kryl'ev 10,5 m, to zatem firma
stala narashchivat' razmah verhnego kryla i postepenno pereshla k sheme biplana
s razmahom verhnego kryla, znachitel'no bol'shim, chem razmah nizhnego. Samolet
"Farman-16" (1912 g.) imel razmah kryl'ev 13,8 m, a "Farman-22" (1913 g.) --
15,6 m. Samolety "Farman-16" i "Farman-22" byli sovershenno podobny, s
odinakovymi gondolami ekipazha, odinakovoj shirinoj kryl'ev, no tol'ko razmah
verhnego kryla u samoleta "Farman-22" byl uvelichen. Oba samoleta primenyalis'
v Rossii, i avtor pomnit vyskazyvaniya letchikov o tom, chto "Farman-22"
planiruet znachitel'no luchshe, chem "Farman-16". |to govorilo o bolee vysokom
aerodinamicheskom kachestve pervogo samoleta. Sootvetstvenno i
gruzopod®emnost' ego byla vyshe, hotya etomu sposobstvoval i bolee moshchnyj
dvigatel'.
K konstruktoram, kotorye osoznali vygodu bol'shogo razmaha kryl'ev,
nuzhno otnesti prezhde vsego I. I. Sikorskogo. Esli v 1910 g. on stroil
samolety s razmahom kryl'ev 10 m, to samolet S-10 (1912 g.), kotoryj na
konkurse voennyh samoletov pokazal naibol'shuyu gruzopod®emnost', imel razmah
kryl'ev okolo 16 m. Vazhno otmetit', chto kak u samoletov "Farman", tak i u
samoletov I. I. Sikorskogo, nesmotrya na uvelichenie razmaha, shirina kryl'ev
ne uvelichivalas'.
Odnako samyj reshitel'nyj shag v storonu uvelicheniya razmaha kryl'ev byl
sdelan I. I. Sikorskim v 1913 g., kogda on postroil snachala samolet "Russkij
Vityaz'" ("Grand") s razmahom kryl'ev 27 m, a zatem samolet "Il'ya Muromec" s
razmahom 34 m (po nekotorym svedeniyam -- 37 m). I. I. Sikorskij kak inzhener
horosho ponimal, chto uvelichenie razmaha v 2-- 2,5 raza po sravneniyu s
razmahom, tipichnym dlya samoletov togo vremeni, povedet k bol'shomu utyazheleniyu
konstrukcii i chto uvelichenie ploshchadi kryla putem ego ushireniya ne vyzvalo by
takogo utyazheleniya. Odnako on vybral put' uvelicheniya razmaha.
Nekotorye zarubezhnye konstruktory togo vremeni -- P. SHmidt, R. Kodron,
L. Brege -- dovodili razmah kryl'ev do 17-- 17,5 m, no eto nesravnimo s
razmahom kryl'ev samoletov I. I. Sikorskogo. Avtor ne pomnit, chtoby v
kakih-libo teoreticheskih rabotah togo vremeni rekomendovalos' stol'
znachitel'noe uvelichenie razmaha. My uzhe ukazali, chto V. L. Moiseenko v 1921
g. somnevalsya v vygodnosti bol'shogo razmaha. Podrobnyj aerodinamicheskij
analiz samoletov "Russkij Vityaz'" i "Il'ya Muromec" my privedem dalee.
Parametry samoleta "Il'ya Muromec" byli vybrany, nesomnenno, ochen'
udachno, i ego konstrukciya byla tehnicheski posledovatel'na dlya uslovij togo
vremeni. Esli samolet "Russkij Vityaz'" byl dovol'no nesurazen, a fyuzelyazh ego
tonok, dlinen i nedostatochno zhestkij, to vse ego nedostatki byli ustraneny v
konstrukcii samoleta "Il'ya Muromec". Buduchi postroen v konce 1913 g.,
samolet "Il'ya Muromec" byl bystro osvoen v ekspluatacii i pilotirovanii dazhe
v dovol'no slozhnyh usloviyah. |to uzhe byla ne "etazherka" i ne "strekoza", kak
imenovalis' nekotorye samolety togo vremeni, a dejstvitel'no vozdushnyj
korabl', podnimayushchij 1,5-- 2 tonny gruza i sposobnyj k dlitel'nym poletam.
Vsego bylo postroeno 73 ekzemplyara samoletov "Il'ya Muromec" i poslednie
ekzemplyary etih samoletov letali eshche v 1921-- 1922 gg., t. e. kak tip on
prozhil pochti 10 let -- dlya togo perioda etot srok znachitel'nyj. Desyatki
samoletov "Il'ya Muromec" prinimali uchastie v boevyh dejstviyah v pervoj
mirovoj vojne i, nesmotrya na to, chto oni privlekali vnimanie germanskoj
zenitnoj artillerii i istrebitel'noj aviacii, tol'ko odin samolet byl sbit
na fronte. |to opredelyalos' ego vysokoj zhivuchest'yu i nalichiem krugovoj
pulemetnoj oborony. Hotya polomok i avarij na etih samoletah bylo mnogo, no
katastrof otnositel'no malo.
Pri toj shirokoj sisteme podrazhatel'stva i kopirovaniya konstrukcij,
kotoraya imela mesto v period pervoj mirovoj vojny, za rubezhom samolety,
podobnye samoletu "Il'ya Muromec", byli sozdany tol'ko cherez 4-5 let, posle
nastupleniya nekotorogo promezhutochnogo etapa dvuhmotornyh konstrukcij, i, tem
ne menee, zarubezhnye varianty ne byli uspeshnymi.
Tak, naprimer, germanskie samolety Ceppelin "SHtaken", hotya i byli po
razmahu dazhe bol'she, chem "Il'ya Muromec", i imeli bolee moshchnye dvigateli,
odnako, otnositel'nyj ves konstrukcii u nih byl ochen' velik i sama
konstrukciya slishkom slozhna.
K 1918-- 1920 gg. otnositsya uvlechenie trehplannymi i dazhe
chetyrehplannymi konstrukciyami. Primerom ogromnogo triplana mozhet sluzhit'
samolet Tarrant "Tabor", postroennyj v Anglii v 1919 g. On imel 6 dvigatelej
po 500 l. s. kazhdyj, razmah po srednemu krylu sostavlyal 40 m, vysota
samoleta okolo 11 m (u samoleta "Il'ya Muromec" vysota byla tol'ko 4,5 m),
dvigateli byli razneseny ne tol'ko po razmahu, no i po vysote, prichem os'
vinta verhnego dvigatelya byla na vysote okolo 8 m nad zemlej. Samolet
razbilsya pri pervoj zhe popytke vzleta, eshche ne otorvavshis' ot zemli, -- v
rezul'tate rezkogo pod®ema hvosta on utknulsya nosom v zemlyu.
Eshche bolee stranno vyglyadel samolet Kaproni SA-60 "Kapronissimo". U nego
byli tri triplannyh kryla, postavlennyh odno za drugim, razmah kryl'ev
sostavlyal okolo 28 m, samolet imel vosem' dvigatelej po 400 l. s. kazhdyj.
Samolet byl postroen v 1921 g. i tozhe razbilsya pri pervom vzlete. Teoriya
induktivnogo soprotivleniya pokazala, chto raspolozhenie nesushchih sistem odna za
drugoj yavlyaetsya sovershenno necelesoobraznym, i samolet "Kapronissimo" lish'
demonstriruet, po kakomu oshibochnomu puti mozhet idti sozdanie letatel'nogo
apparata pri otsutstvii teorii ili blagopriyatnogo eksperimenta s modelyami.
Byl i u nas neudachnyj eksperiment s triplanom. V 1920-- 1921 gg.
special'noe konstruktorskoe byuro pod nazvaniem "Komissiya po tyazheloj aviacii"
(KOMTA), v sostav kotorogo vhodili vidnejshie specialisty po aerodinamike i
samoletostroeniyu, razrabotalo i postroilo samolet "KOMTA", kotoryj dolzhen
byl zamenit' samolet "Il'ya Muromec". Obladaya pochti takoj zhe moshchnost'yu
dvigatelej, kak i samolet "Il'ya Muromec", samolet "KOMTA" byl sdelan po
triplannoj sheme i imel razmah kryl'ev vsego 16 m, t. e. vdvoe men'she, chem u
samoleta "Il'ya Muromec". Samolet dolgo ispytyvalsya i dazhe bez nagruzki s
trudom otryvalsya. Posle ryada dovodok on, kazhetsya v 1922 g., sovershil odin
polet po krugu, no k etomu vremeni bylo uzhe yasno, chto parametry samoleta
vybrany nepravil'no i poverochnyj raschet s ispol'zovaniem teorii induktivnogo
soprotivleniya pokazal, chto zapas moshchnosti u nego dazhe bez nagruzki ochen'
mal.
Neudacha postigla i samolet V. A. Slesareva "Svyatogor" (1915-- 1916
gg.); kazalos' by, konstruktivno on byl produman bolee tshchatel'no, chem "Il'ya
Muromec", shassi on imel bolee vysokoe i bolee krasivoe, no, vidimo,
znachitel'no bolee tyazheloe. Osnovnaya prichina neudachi zaklyuchalas' v primenenii
central'nogo raspolozheniya dvigatelej (v fyuzelyazhe) s peredachej moshchnosti na
raznesennye vinty. Takaya peredacha davala bol'shuyu poteryu moshchnosti i v itoge
zapas moshchnosti u samoleta okazalsya nedostatochnym.
Sleduet skazat', chto raznesenie dvigatelej po krylu, kak eto vpervye
bylo sdelano na samolete "Russkij Vityaz'", yavlyaetsya vazhnym faktorom v
snizhenii vesa konstrukcii u samoletov s bol'shim razmahom kryl'ev.
Central'nye silovye ustanovki s raspolozheniem dvigatelej v fyuzelyazhe
kazalis' vygodnymi aerodinamicheski. Pri maloj nadezhnosti dvigatelej togo
vremeni privlekala vozmozhnost' ih remonta v polete; nakonec, s pomoshch'yu
sistemy peredachi mozhno bylo legche pridat' vintu optimal'nuyu dlya nego
skorost' vrashcheniya. Hotya samoletov s raspolozheniem dvigatelej v fyuzelyazhe i s
peredachej moshchnosti na raznesennye vinty stroilos' nemalo, shirokogo
rasprostraneniya oni ne poluchili.
ANALIZ GRUZOPOD¬EMNOSTI
SAMOLETOV
Na etom my zakonchim obzor teoreticheskih issledovanij i prakticheskih
konstrukcij gruzopod®emnyh samoletov v period do 1921-- 1922 gg., kogda
proizoshel perelom v ponimanii uslovij dostizheniya bol'shoj gruzopod®emnosti.
|tot perelom byl vyzvan razvitiem obshchej teorii dinamicheskogo poleta i svyazan
prezhde vsego s imenami uchenyh -- N. E. ZHukovskogo i L. Prandtlya. Vsyakoe
nauchnoe dostizhenie, otkrytie i krupnoe izobretenie imeet istoriyu svoego
razvitiya -- ot pervichnyh dogadok, cherez nablyudeniya, opyty, teoreticheskie
postroeniya, chastnye resheniya, k polnomu osoznaniyu fizicheskoj sushchnosti i,
nakonec, k itogovoj teorii, ustanavlivayushchej kolichestvennye zavisimosti.
Tak bylo i s teorij kryla. Principy obrazovaniya tyagi i pod®emnoj sily v
vozdushnoj srede v mehanicheskom otnoshenii analogichny. Princip raboty
vozdushnyh dvizhitelej, t. e. ustrojstv dlya sozdaniya sily tyagi, byl otkryt
znachitel'no ran'she, chem princip raboty kryla. |to mozhno ob®yasnit' tem, chto
teoreticheski eto bylo proshche, no glavnoe zaklyuchaetsya v tom, chto vozdushnomu
vintu predshestvoval vodyanoj vint i drugie vodyanye dvizhiteli. Iz osnov
mehaniki sleduet: chtoby v zhidkoj ili gazovoj srede pri pomoshchi nekotorogo
ustrojstva poluchit' silu tyagi, okruzhayushchej srede neobhodimo soobshchat'
sekundnoe kolichestvo dvizheniya, ravnoe zhelaemoj sile tyagi. Inache govorya,
impul's sily tyagi dolzhen byt' raven, no protivopolozhen po znaku impul'su,
soobshchennomu massam okruzhayushchej sredy. Vse eto bylo izlozheno, v chastnosti, v
teorii ideal'nogo propellera, kotoraya byla razrabotana anglijskim uchenym U.
Frudom v 1888 g.
Pri ispol'zovanii teorii ideal'nogo propellera dlya velichiny sily tyagi
pri otsutstvii osevoj skorosti bylo polucheno takoe vyrazhenie:
gde
--
ometaemaya lopastyami ploshchad';
Ndv -- moshchnost' dvigatelya;
h0 -- otnositel'nyj koefficient poleznogo dejstviya,
harakterizuyushchij pobochnye poteri propellera, t. e. soprotivlenie lopastej i
dopolnitel'nye skorosti potoka;
r/r0 -- otnositel'naya plotnost' vozduha;
Kv=10,3(h0)2/3.
|ta formula posluzhila vyrazheniem dlya pod®emnoj sily vertoleta na rezhime
viseniya, t. e. pri otsutstvii postupatel'noj skorosti.
Princip sozdaniya pod®emnoj sily krylom dolzhen byt' vpolne analogichen
principu sozdaniya tyagi lopastyami vinta. Mozhno bylo utverzhdat', chto za krylom
vozdushnyj potok dolzhen imet' nekotoruyu vertikal'nuyu sostavlyayushchuyu skorosti
dvizheniya, napravlennuyu protiv pod®emnoj sily, t. e. vniz.
Osnovoj teorii kryla yavilas' rabota N. E. ZHukovskogo "O prisoedinennyh
vihryah" (1906 g.). V etoj rabote bylo sdelano vazhnejshee otkrytie, a imenno,
chto osnovnoj effekt kryla sostoit v soobshchenii nabegayushchemu potoku
cirkulyacionnogo dvizheniya, kak esli by krylo bylo zameneno vihrem s nekotoroj
cirkulyaciej skorosti J. Togda velichina pod®emnoj sily Y budet prostejshim
obrazom svyazana s velichinoj J, skorost'yu poleta V, plotnost'yu vozduha r i
razmahom kryla l: Y=rJVl.
Esli krylo imeet opredelennyj razmah, to s ego koncov dolzhny sbegat'
svobodnye vihri. N. E. ZHukovskij ubedilsya v spravedlivosti etogo, postaviv
special'nyj eksperiment v aerodinamicheskoj trube.
Svobodnye vihri, kotorye sbegayut s koncov kryla i tyanutsya za nim, ochen'
medlenno zatuhaya, yavlyayutsya itogom vozdejstviya kryla na vozdushnuyu sredu.
Ishodya iz etih vihrej, my mozhem vosstanovit' kartinu vozdushnyh techenij i
opredelit' sekundnyj impul's, soobshchaemyj krylom vozdushnoj srede.
Shema rascheta velichiny pod®emnoj sily, razvivaemoj krylom s razmahom l
i pri moshchnosti dvigatelya Ndv, uzhe byla privedena v stat'e "Na chem
letal P. N. Nesterov" i byla poluchena sleduyushchaya formula:
V sluchae biplana ili triplana vmesto razmaha l v formulu vstavlyaetsya
effektivnyj razmah le:
Zdes' h -- vysota korobki kryl'ev; u biplanov h/l imeet znachenie
0,l-0,2; u triplanov -- 0,2-0,3. U biplanov raznesenie kryl'ev po vysote
ekvivalentno uvelicheniyu razmaha na 6-8%, u triplanov -- na 15-20%. Triplan
"KOMTA" imel razmah kryl'ev 16 m, a effektivnyj razmah u nego byl raven
okolo 19 m.
Velichinu F0 mozhno najti po izvestnoj maksimal'noj skorosti,
ispol'zuya vyrazhenie dlya rashodovaniya moshchnosti:
Koefficient poleznogo dejstviya vinta prinimaem orientirovochno ravnym
0,75-0,80; plotnost' vozduha i moshchnost' dvigatelya dolzhny byt' vzyaty v
sootvetstvii s vysotoj, dlya kotoroj vzyata maksimal'naya skorost'. Luchshe brat'
usloviya poleta na maloj vysote, kogda moshchnost' nam izvestna tochnee, a dolya
induktivnogo soprotivleniya men'she.
Esli v formulu dlya pod®emnoj sily podstavit' vyrazhenie dlya
aerodinamicheskogo kachestva
to my poluchim:
Interesno, chto eta formula vpolne analogichna formule dlya staticheskoj
tyagi vinta, no tol'ko vmesto diametra vinta v nee vhodit razmah kryl'ev i
znachenie Ku zdes' znachitel'no bol'she. Teper' my mozhem sopostavit'
vse tri formuly dlya pod®emnoj sily, kak oni skladyvalis' istoricheski.
Zapishem ih tak:
Esli vzyat' dlya primera N=100 l. s., S=30 m2 i l=12 m, vse
tri formuly dadut primerno odinakovyj rezul'tat: Y~1400 kG. Odnako tret'ya
formula daet naibol'shie vozmozhnosti dlya analiza, tak kak znachenie
Ku my mozhem raskryt':
Ku=8,6K1/3h2/3. Znacheniya A i V my vzyali po
statistike dlya togo vremeni, i pri znachitel'nom izmenenii form i parametrov
samoleta prinyatye znacheniya A i V ne budut prigodny.
Esli vzyat' sovremennyj samolet s turbovintovymi dvigatelyami moshchnost'yu
10000 l. s., s razmahom l=30 m i ploshchad'yu kryl'ev S=100 m2, to po
pervoj formule my poluchili by pod®emnuyu silu Y1=140 T, po vtoroj
Y2=47 T i po tret'ej dlya aerodinamicheskogo kachestva K=16 i
Ky=18 Y3=80 T. Kak vidno, pervye dva vyrazheniya dali
oshibochnye rezul'taty.
Tret'ya formula cenna ne tol'ko tem, chto ona daet naibolee tochnye
rezul'taty, no i tem, chto ona posledovatel'no raskryvaet rol' razlichnyh
parametrov, osobenno, esli ee predstavit' v takom variante:
Odnako prakticheski pri uvelichenii razmaha kryl'ev uvelichivaetsya i
F0, i poetomu udobnee pol'zovat'sya sleduyushchim variantom formuly:
Proizvedem raschet pod®emnoj sily samoleta "Il'ya Muromec": N=600 l. s.;
h=0,75; l=32 m. Dlya opredeleniya velichiny F0 vospol'zuemsya
svedeniyami o tom, chto pri vese 5200 kG na maloj vysote samolet razvival
maksimal'nuyu skorost' Vmax=100-105 km/chas, ili 29 m/sek.
Ispol'zuya privedennuyu vyshe formulu dlya moshchnosti, zatrachivaemoj na
gorizontal'nyj polet, poluchim:
F0=14,5 m2
Pri ploshchadi kryl'ev, ravnoj 145 m2, eto dast koefficient
vrednogo soprotivleniya Ch0=1,28F0/S=0,128. Esli
sravnivat' s parametrami sovremennyh samoletov, to eto ogromnaya velichina.
Poskol'ku u samoleta "Il'ya Muromec" primenyalsya vint fiksirovannogo shaga
(vintov s izmenyaemym v polete shagom togda eshche ne bylo), to pri polete s
maksimal'noj pod®emnoj siloj chislo oborotov vinta ponizhalos', a vmeste s
etim umen'shalis' v nekotoroj stepeni moshchnost' dvigatelej i koefficient
poleznogo dejstviya vintov. |to privodilo k umen'sheniyu pod®emnoj sily
primerno na 6-8%. Aerodinamicheskoe kachestvo samoleta budet
Zatem nahodim
Ku=0,93•8,6•6,61/3•0,752/3=12 i, nakonec,
velichina maksimal'noj pod®emnoj sily budet ravna
Y=12(Ndvl)2/3=8650 kG.
Samolet dolzhen obladat' izbytkom pod®emnoj sily dlya manevrirovaniya i
pod®ema. Tol'ko na potolke pod®emnaya sila pri rabote dvigatelej na polnoj
moshchnosti budet ravna poletnomu vesu, a manevrirovanie potrebuet umen'sheniya
vysoty. Sootnoshenie Y/G=ny=1,65; eta velichina ny
nevelika, no ona obespechivaet nadezhnyj polet i vysotu potolka okolo 3000 m.
V 1916 g. I. I. Sikorskim byl postroen variant samoleta "Il'ya Muromec D
bis", ili, kak ego nazyvali, "Dim". Pri moshchnosti dvigatelej 440 l. s. i s
umen'shennym do 26 m razmahom na nem byla poluchena pod®emnaya sila okolo 6000
kG, ili na 30% men'she, chem u osnovnogo varianta samoleta. Po svidetel'stvu
inzh. V. Moiseenko, "Dim" byl zabrakovan po prichine maloj gruzopod®emnosti.
Perejdem teper' k bolee detal'nomu rassmotreniyu harakteristik i svojstv
samoleta "Russkij Vityaz'" i "Il'ya Muromec".
Samolet "Russkij Vityaz'"
Samolet "Russkij Vityaz'" byl postroen v odnom ekzemplyare, no preterpel
neskol'ko vidoizmenenij. Hotya on ne poluchil rasprostraneniya, no byl pervym
samoletom s ochen' bol'shim razmahom kryl'ev i posluzhil predshestvennikom serii
samoletov tipa "Il'ya Muromec". Samolet "Russkij Vityaz'" imel razmah kryl'ev
27 m, chto v 2,5-3 raza bol'she, chem u samyh krupnyh.
Samolet byl sproektirovan v 1912 g. i zakonchen postrojkoj v nachale 1913
g. Nesmotrya na smelost' i noviznu konstruktivnogo resheniya, novyj samolet,
kotoromu bylo prisvoeno pervonachal'no naimenovanie "Grand-RBVZ"
(Russko-baltijskij vagonnyj zavod), uzhe v marte 1913 g. stal sovershat'
polety. Na nem pervonachal'no byli ustanovleny dva dvigatelya po 100 l. s. Iz
vypolnennyh nami raschetov sleduet, chto samolet dolzhen byl imet' maksimal'nuyu
pod®emnuyu silu okolo 3800 kG, a pustoj ves ego okazalsya ravnym okolo 3000
kG. Otsyuda yasno, chto zapas pod®emnoj sily byl nedostatochen i eto s
ochevidnost'yu pokazalo ispytanie samoleta. Togda byli ustanovleny eshche dva
dvigatelya po 100 l. s., kotorye vmeste s pervonachal'nymi obrazovali dve
tandemnye ustanovki. Inymi slovami, dvigateli stoyali drug za drugom, no u
odnogo dvigatelya vint byl tyanushchij, t. e. ustanovlen pered krylom, a u
drugogo -- tolkayushchij, t. e. ustanovlen za krylom. Tandemnaya ustanovka byla
primenena zdes' vpervye v samoletostroenii i vposledstvii dovol'no chasto
primenyalas' na mnogodvigatel'nyh samoletah. Odnako zatem I. I. Sikorskij
otkazalsya ot etoj shemy i raspolozhil vse chetyre dvigatelya s tyanushchimi vintami
na kryle (ris. 2).
|tot variant i stal nazyvat'sya samoletom "Russkij Vityaz'".
Pri konstruirovanii samoletov my vsegda stalkivaemsya s tem, chto vsyakaya
konstruktivnaya osobennost', buduchi vygodnoj v odnom otnoshenii, okazyvaetsya
nevygodnoj v drugom. |to vseobshchij zakon dlya konstrukcii, no v sluchae
letatel'nyh apparatov, kogda prihoditsya tshchatel'no ekonomit' v vesah i
stremit'sya k dostizheniyu minimal'nyh energeticheskih zatrat, protivorechivost'
razlichnyh faktorov proyavlyaetsya osobenno ostro. Tak, zhelaya povysit' pod®emnuyu
silu, my dolzhny uvelichit' razmah kryl'ev, no eto neizbezhno vedet k
utyazheleniyu konstrukcii; razvivaya organy ustojchivosti, my, kak pravilo, ili
povyshaem soprotivlenie dvizheniyu ili utyazhelyaem samolet, i tak poluchaetsya
vsegda. Za kazhdym konstruktivnym meropriyatiem sleduet nekotoraya "plata" za
nego, i eto vsegda nuzhno uchityvat'.
Ris. 2. Shema samoleta "Russkij Vityaz'"
Tandemnoe raspolozhenie dvigatelej privlekaet svoej kompaktnost'yu,
umen'sheniem soprotivleniya i osobenno tem obstoyatel'stvom, chto osi vintov v
etom sluchae malo udaleny ot centra tyazhesti samoleta i v sluchae otkaza odnogo
iz dvigatelej zavorachivayushchij moment okazyvaetsya otnositel'no nebol'shim. |tot
faktor byval chasto reshayushchim pri vybore tandemnogo raspolozheniya dvigatelej.
Otricatel'noe svojstvo tandemnogo raspolozheniya vintov sostoit v tom,
chto zadnij vint okazyvaetsya v etom sluchae v strue ot perednego vinta i ego
sila tyagi ponizhaetsya. |to osobenno sushchestvenno pri malyh skorostyah i malo
sushchestvenno pri bol'shih skorostyah poleta. Esli u samoleta zapas moshchnosti
velik, to tandemnaya ustanovka mozhet okazat'sya vygodnoj. U samoleta "Russkij
Vityaz'" zapas moshchnosti byl mal, i