была еще одна особенность в управлении. Если летчик небольшим усилием на педалях отклонял руль направления, создавая этим скольжение, то на ручке возникало большое усилие, стремящееся отклонить ее в сторону, обратную ходу педали, так как косое обтекание крыльев приводило к тенденции их перекашивания. У самолета Моран "Парасоль" эта особенность в управлении самолетом проявлялась столь резко, что, отклонив руль направления, летчик не мог удержать ручку от ухода ее в сторону. Указанная специфика управления требовала достаточной тренировки летчика, вызывала трудности при обучении, осложненные отсутствием двойного управления, но при надлежащем освоении техники управления эта особенность позволяла летчику выполнять самые разнообразные фигуры высшего пилотажа -- петли, перевороты, падение листом, штопор и др. Прочность самолета, и особенно его пилотажных вариантов, была высокой. Случаи поломки этого самолета в воздухе автору не известны. При наличии у самолета "Моран-Ж" только одного руля высоты симметричного профиля, без неподвижной части -- стабилизатора, самолет не мог летать с брошенной ручкой. Поскольку на крыло при отсутствии подъемной силы действовал пикирующий момент, в случае брошенной ручки самолет должен был перейти в пикирование с дальнейшим переходом в перевернутый полет. Как известно, после тарана, который произошел на высоте около 1000 м, до высоты 50 м П. Н. Нестеров выполнял спиральный спуск, но затем самолет перешел в пикирование и упал в перевернутом положении. Такое поведение самолета свидетельствует о том, что П. Н. Нестеров потерял сознание и отпустил ручку управления; после перехода на отрицательные углы атаки и отрицательное значение nу он был выброшен из самолета, поскольку не был привязан. Аэродинамическое качество самолета с учетом сопротивления винта было равно примерно 5,7. Однако практически самолет снижался довольно круто по следующей причине: чтобы вращение винта не прекратилось при спуске, летчик старался держать повышенную скорость, тем самым отдаляя самолет от режима максимального качества. Так, при скорости 100-110 км/час аэродинамическое качество становилось равным 4,5. Поломки при посадке были часты -- в основном, погнутость оси колес. При повреждении шасси или при наличии сноса в момент касания самолет становился на нос или даже переворачивался на спину -- "капотировал". Нет сомнения в том, что П. Н. Нестеров в совершенстве овладел самолетом "Моран-Ж", свободно и точно на нем маневрировал и уверенно совершал посадки на небольшие полянки. Следует напомнить, что длина разбега самолета была равна 75-80 м и время разбега -- около 7 сек; длина пробега при посадке -- 80-90 м; взлетная дистанция до набора высоты, равной 10-15 м, составляла около 200 м; угол подъема на малых высотах -- около 8o-10o. При наличии профиля крыла с большой кривизной и установочного угла крыла по отношению к фюзеляжу, равного 5o-6o, линия нулевой подъемной силы составляла с осью фюзеляжа угол 10o-12o. При наборе высоты угол наклона фюзеляжа оказывался меньше наклона траектории и создавалось впечатление, что самолет "вспухает", т. е. поднимается почти при горизонтальном положении фюзеляжа. При спуске, наоборот, наклон фюзеляжа был больше наклона траектории, создавая иллюзию более крутого спуска; но зато это обстоятельство улучшало обзор вперед. В 1918 г. профессор В. П. Ветчинкин в полете на самолете "Моран-Ж", пилотируемом известным летчиком, героем Гражданской войны Ю. А. Братолюбовым, впервые произвел измерения перегрузок при полете в "болтанку" и при выполнении фигур высшего пилотажа. Эти исследования имели очень важное значение для разработки требований к прочности самолетов. НОВАЯ СИСТЕМА УПРАВЛЕНИЯ Перейдем теперь к вопросу, который весьма интересовал П. Н. Нестерова и явился объектом его исследований и конструктивных разработок. Уже первое знакомство с самолетами и средствами управления ими в 1910 г. заставило Петра Николаевича задуматься над причинами различия полетов самолетов и птиц. У всех птиц отсутствует вертикальное оперение, у самолета оно не только имеется, но и играет важную роль в управлении полетом. На самолетах того времени повороты делали без крена или осторожно, с малым креном, боясь, как бы не произошло скольжение на крыло, поскольку не было значительной поверхности, которая этому помешала бы. Нужно сказать, что скольжения на крыло действительно случались, хотя причина их тогда еще не была установлена. Если мы познакомимся с причинами аварий и катастроф в период 1910-- 1917 гг., то мы встретим не столько упоминаний о сваливаниях на крыло и срывах в штопор, сколько о скольжениях на крыло. Присутствуя на аэродроме и прислушиваясь к разговорам летчиков в 1916-- 1917 гг., автор не раз слышал, как они обменивались опытом и рассказывали о случаях скольжения на крыло, а на воздушном празднике весной 1917 г. автор был свидетелем катастрофы, когда самолет "Вуазен" с высоты 40-50 м скользнул на крыло и в положении скольжения ударился боком о землю. Частые случаи скольжения на крыло самолетов того времени не были обследованы. Это можно объяснить тем, что в те времена знание свойств самолетов было недостаточным, а затем интерес к вопросам скольжения отпал, так как более актуальными стали вопросы борьбы со сваливанием на крыло и переходом в штопор. Несомненно, что склонность к устойчивому и неуправляемому скольжению на крыло следует объяснять аэродинамическими особенностями некоторых самолетов. Эти особенности заключаются в применении тонких профилей крыла со значительной кривизной и в слабом развитии вертикального оперения. Если сравнить схему современного спортивного легкого самолета со схемами самолетов 1910-- 1914 гг., то наиболее существенное различие между ними будет заключаться как раз в том, что современные самолеты имеют большую толщину профиля крыла и относительно большую площадь вертикального оперения. Скольжение на крыло, которое являлось причиной аварий, не следует смешивать с тем скольжением, которое легко вызывается простым отклонением руля направления. Если самолет сильно накренить, не меняя величины подъемной силы, то движение его будет характеризоваться двумя ускорениями -- одно, определяемое горизонтальной составляющей подъемной силы и дающее искривление траектории в горизонтальной плоскости, и второе, определяемое недостатком вертикальной составляющей подъемной силы, направленное вниз и вызывающее искривление траектории в вертикальной плоскости. В итоге развивается спиральное движение, и при отсутствии или недостаточности разворота самолета в сторону крена получается скольжение, т. е. косое обтекание. Однако, если бы при накренении была увеличена подъемная сила отклонением руля высоты, кривизны траектории в вертикальной плоскости не было бы. В итоге получается правильный вираж без скольжения. Для П. Н. Нестерова динамика виража с большим углом крена была ясна, и он, получив возможность летать, стал смело применять очень глубокие виражи. Обращаясь к "аварийным" скольжениям, следует указать, что дело было не в том, что оно возникало при накренении без увеличения подъемной силы, а в том, что, оказавшись в скольжении, летчик чувствовал невозможность его устранения. Несмотря на отклонение элеронов против направления крена, а может быть, и отклонение руля направления тоже в сторону, обратную крену, самолет сохранял свое состояние крена и скольжения. Конечно, летчик мог устранить скольжение, отклонив руль направления в сторону крена, но тогда самолет был бы переведен в крутое снижение, чего нельзя было допустить на малой высоте. Потеря эффективности элеронов объяснялась выходом самолета на критические углы атаки. В то же время, моменты от несимметричного срыва обтекания, вызывающие самовращение, были слабы. Впоследствии при выполнении виража с недостаточной скоростью (например, на самолетах Р-1) самолет, начав скольжение в сторону крена, подхваченный моментами самовращения от срыва обтекания со стороны крыла, обратной направлению скольжения, весьма быстро выходил из крена и сваливался в штопор в противоположную сторону. Большинство летчиков раннего периода развития авиации и конструкторов самолетов были спортсменами, которые имели практику езды на автомобиле, мотоцикле, моторной лодке. С. И. Уточкин прямо указывал, что езда на мотоцикле позволила ему быстро овладеть управлением самолетом. Для спортсменов наличие руля направления на самолете представлялось совершенно естественным. Иным был путь П. Н. Нестерова; он сразу почувствовал противоречие между органами управления самолета и птицы. Он поставил себе задачу применить иную схему управления хвостовым оперением. Он указывал, что поворот всего руля или поворот руля как части хвостовой поверхности с переломом формы сечения нежелателен; более целесообразным является выгибание поверхности. Принцип искривления крыльев он считал правильным, но только, по его мнению, форма крыльев самолета должна была бы быть ближе к форме крыльев птицы. Наконец, П. Н. Нестеров интересовался эффектом изменения установочного угла крыла по отношению к фюзеляжу, полагая, что с его помощью можно расширить диапазон скоростей, облегчить взлет и посадку. В своем проекте самолета, который П. Н. Нестеров представил в Главное Инженерное Управление Военного ведомства в 1912 г., он предусматривал указанные выше усовершенствования. Рассматривая схему самолета Нестерова, опубликованную в журнале "Аэро" в 1912 г., и, особенно, более детальную схему, приведенную в труде И. Ф. Шипилова "Выдающийся русский летчик П. Н. Нестеров" (Военное издательство Министерства Обороны СССР, 1952), мы видим (рис. 16), что она напоминает известную в то время схему самолета Этриха "Таубе", но отличается от нее хвостовым оперением. Остановимся немного на истории схемы самолета "Таубе". "Таубе" -- по немецки "голубь", и действительно, схема самолета "Таубе" (рис. 17) напоминает, если не голубя, то, во всяком случае, какую-то птицу. Интересно, что эта схема в действительности "происходит" не от птицы, а от планирующего тропического семени "Цанония". Это семя (рис. 18) представляет собой летающее крылышко с оттянутыми и несколько отогнутыми вверх концами. Pishnoff-68.gif Рис. 16. Схема самолета, спроектированного П. Н. Нестеровым в 1912 г, с оперением оригинального типа Рис. 17. Схема самолета Этриха "Таубе" (1911 г.) Pishnoff-70.gif Рис. 18. Схема планирующего семени "Цанония" Центр тяжести его расположен так, что центровка получается передней. Австрийские конструкторы Этрих и Вельс сначала просто воспроизводили это семя в большом масштабе, а затем добавили к нему хвост, похожий на хвост коршуна, и получилась схема "Таубе". Один из самолетов Этриха "Таубе" был в Петербурге в 1911 г. и летчик Лерхе принял участие в перелете на этом самолете по маршруту Петербург -- Москва. Впоследствии самолеты этой схемы получили распространение в Австрии и Германии -- например, "Гота-таубе", "Румплер-таубе" и др. Были и бипланные варианты схемы "Таубе". Об особенностях аэродинамических свойств схемы "Таубе", к сожалению, автору ничего неизвестно. Аэродинамика их была посредственной из-за наличия у них множества растяжек, открытого расположения двигателя, больших радиаторов охлаждения и других неукрытых деталей. Естественно, скорость их была невелика. Схема "Таубе" применялась с 1910 по 1915 г., причем в начале первой мировой войны в австро-германской армии таких самолетов было много, и наименование "Таубе" стало нарицательным для самолетов противника России. Однако самолеты "Таубе" постигла та же судьба, что и монопланы "Ньюпор" и "Моран". Германия и Австрия перешли на фюзеляжные бипланы, типичными образцами которых были "Шнейдер", "Альбатрос" и "Даймлер", подобный тому, который был сбит П. Н. Нестеровым. Фюзеляжный биплан начал развиваться в России; Я. М. Гаккель применил эту схему еще в 1908-- 1909 гг., И. И. Сикорский разработал прекрасные образцы фюзеляжных бипланов в 1911-- 1912 г. и применил ее на самолетах "Гранд" и "Илья Муромец". П. Н. Нестеров принял за основу своего самолета схему "Таубе" по ряду соображений. Во-первых, у этого самолета органы управления не поворачиваются на шарнирах, а выгибаются. Однако вместо раздельных рулей высоты и направления, он применил одну горизонтальную поверхность, которая при выгибании дает эффект не только руля высоты, но и руля направления. Для этой цели ось отгиба расположена косо (см. рис. 16, пунктирная линия). Форма крыльев самолета "Таубе" характерна не только оттянутыми назад концами, но и их выгибом вверх. Благодаря этому в полете концевые части крыла оставались ненагруженными или слабо нагруженными, сохраняя свою эффективность для поперечного управления и при больших углах атаки. Но было здесь и другое соображение. П. Н. Нестеров хотел избавиться от вертикального оперения, которого не имеют птицы. Не нужно думать, что у самолетов вертикальное оперение было применено только ради выполнения поворотов без крена. Первыми практически применили выгибание крыльев для поперечного управления братья Райт. Применяя это управление, они обнаружили довольно неприятное явление -- при выгибании концов крыльев в разные стороны самолет вращался вокруг продольной оси в нужном направлении и одновременно стремился повернуться вокруг вертикальной оси в обратную сторону. Так, если летчик накренял самолет вправо, в процессе этого движения самолет обнаруживал довольно сильное стремление повернуться влево, что было совсем нежелательно. Для устранения разворота летчик должен был всегда, одновременно с выгибанием крыльев, действовать и рулем направления, а последний должен был быть достаточно мощным, чтобы преодолевать разворачивающий момент. Это свойство заставило братьев Райт применить своеобразную систему управления. На их самолете было две ручки управления -- правая и левая; ножные педали отсутствовали. Левая ручка управляла рулем высоты, а правая при движении в стороны -- выгибанием крыльев, а при движении вперед и назад -- рулем направления. Таким образом, одним косым движением правой ручки можно было одновременно создавать кренящий момент и бороться с заворачивающим моментом. На самолете братьев Райт эффект заворачивания при накренении проявлялся, может быть, сильнее, чем у других самолетов того времени, из-за большого размаха крыльев, больших углов выгибания их концов и из-за условий полета при довольно больших углах атаки. Явление нежелательного заворачивания при вращении вокруг продольной оси обнаружилось и у других самолетов не только при выгибании концов крыльев, но и при действии элеронами. При обучении полетам у летчиков вырабатывался рефлекс одновременного отклонения ручки и ножных педалей в одну и ту же сторону (например, при отклонении ручки вправо нажимают и на правую педаль). Объяснение причины возникновения заворачивающего момента казалось довольно простым: в той части крыла, где вследствие увеличения местного угла атаки или отклонения элерона происходит увеличение подъемной силы, одновременно увеличивается и лобовое сопротивление; у противоположного конца крыла вместе с уменьшением подъемной силы уменьшается и сопротивление. Отсюда вытекало соображение, что если исходные углы атаки на концах крыла будут уменьшены (а, еще лучше, близки к нулю), то эффект заворачивания будет ослаблен или даже уничтожен. В двадцатые годы вопросу борьбы с заворачивающим моментом уделялось большое внимание. Кроме описанного уже уменьшения нагруженности концов крыльев, предлагались: дифференциальное отклонение элеронов, когда поднимающийся элерон отклонялся на больший угол, чем опускающийся; плавающие элероны, которые независимо от угла атаки крыла оставались на нулевом угле атаки; специальные формы профиля элеронов, при которых при поднятии элерона происходил местный срыв обтекания, благодаря чему возникало повышенное сопротивление. Все эти мероприятия не нашли широкого применения и, в сущности, были оставлены. Вопрос борьбы с заворачиванием решался использованием руля направления и повышением путевой устойчивости. Размеры вертикального оперения неуклонно росли из-за необходимости обеспечить путевую устойчивость, уравновешивание самолета при несимметричной тяге двигателей и вывод из штопора. К этому нужно прибавить, что крейсерские режимы полета стали соответствовать меньшим углам атаки крыла и поэтому эффект заворачивания не служил помехой при пилотировании. Нужно напомнить, что поперечное управление самолетом может производиться не только элеронами и искривлением концов крыльев, но и путем использования эффекта скольжения, вызываемого отклонением руля направления. На большинстве самолетов полет можно производить, не пользуясь поперечным управлением, а используя эффект скольжения, хотя это и имеет известные неудобства. Строились даже самолеты, совсем лишенные поперечного управления. Подобный самолет конструкции А. Г. Фоккера был и во времена П. Н. Нестерова. Объяснение причины возникновения заворачивающего момента различием в сопротивлениях было, в сущности, неправильным. Рассуждение о различии в сопротивлениях могло относиться к начальному моменту, когда после отклонения элеронов или искривления концов крыла самолет еще не приобрел скорости накренения, или угловой скорости относительно продольной оси самолета. Однако самолеты того времени очень быстро приходили во вращение с постоянной угловой скоростью и благодаря окружным местным скоростям в сечениях крыла подъемные силы крыльев выравнивались. Для определения заворачивающего момента нужно было исходить не из сил сопротивления, а из их составляющих, параллельных продольной оси самолета. В итоге, подъемные силы оказывались равными и различие в силах сопротивления было незначительным. Самое основное заключалось в том, что направления действия подъемных сил в районе концевых частей крыла были различными. У опускающегося конца крыла подъемная сила наклонялась вперед, у поднимающегося -- назад. Взяв составляющие этих сил по направлению продольной оси, мы и получим заворачивающий момент. Таким образом, причиной возникновения заворачивающего момента являлось органическое свойство крыла, связанное с наличием подъемной силы и угловой скорости вращения вокруг продольной оси. Заворачивающий момент прямо пропорционален окружной скорости концов крыла при вращении и обратно пропорционален скорости полета. Из этого следует, что без отклонения руля направления нельзя выполнять правильное накренение. Как же управляют креном птицы? Проще всего этот вопрос решается в том случае, если птица может махнуть крылом; тогда вместе с увеличением подъемной силы появится момент, действующий в сторону поворота, а не в обратную. Парящие птицы обычно совершают полет с распущенным хвостом, который создает известную подъемную силу. Они могут поворачивать хвост вокруг продольной оси, наклоняя тем самым подъемную силу хвоста и создавая эффект, аналогичный отклонению вертикального оперения. Однако при парящем полете чаек можно наблюдать, что хвостовое оперение у них полностью сложено и, следовательно, управление полетом происходит исключительно с помощью крыльев. Продольное управление может производиться очень незначительным перемещением крыльев относительно корпуса -- вперед и назад; поперечное управление -- выгибанием крыльев. Что касается путевого управления и преодоления заворачивающего момента при выгибании крыльев птицами, то этот вопрос в полной мере не выяснен. Разгадку можно искать в своеобразии выгибания крыльев. Рассмотрим теперь, как работает оперение, предложенное П. Н. Нестеровым (рис. 16 и 19). Для простоты будем рассматривать вариант, который был реализован П. Н. Нестеровым на самолете "Ньюпор-4" в начале 1914 г. и который был им испытан в полете. Схема этого оперения схематически воспроизведена нами по фотографии и, конечно, неточна. Обе половины оперения поворачиваются (или, вернее, выгибаются) относительно оси, составляющей угол около 30о с поперечной осью. Тогда нагрузка, действующая на оперение при его отклонении, даст составляющие силы -- вертикальную и боковую. Если обе половины отклонены на равные углы, то боковые составляющие взаимно нейтрализуются; если они отклонены в противоположные стороны на равные углы, то направление действия результирующей боковой силы оперения будет зависеть от его угла атаки и эта сила будет равна нулю при нулевом угле атаки. Если некоторые птицы в планирующем и парящем полетах поворачивают хвост вокруг продольной оси туловища, то в схеме, предложенной П. Н. Нестеровым, мы получаем подобный же геометрический эффект при отклонении половин руля в разные стороны. Рис 19. Схема оперения, установленного и испытанного П. Н. Нестеровым на самолете "Ньюпор-4" в 1913 г Мы не знаем, какое впечатление сложилось у П. Н. Нестерова в результате полетов на самолете "Ньюпор-4" с предложенным им оперением и как он учел этот опыт при проектировании своего нового самолета. В литературе 1910-- 1913 гг. можно встретить большое количество статей по вопросам устойчивости и особенно относительно мероприятий по борьбе с авариями. Высказывалось много ошибочных и даже наивных соображений. Стремясь обеспечить устойчивость самолета, многие авторы изыскивали средства для удержания самолета в нормальном положении, базируясь на теории маятников или гироскопов. Надежды на теорию маятника были вообще ошибочны, и причина ошибки была разъяснена Н. Е. Жуковским. Однако и гироскоп сам по себе не мог обеспечить стабильность положения самолета в пространстве. Самолетом можно управлять по воле пилота или по командам от гироскопического автопилота только при соблюдении основных условий динамики полета и, в первую очередь, при наличии достаточной кинетической энергии. Этого многие не учитывали. А между тем, еще в 1891 г. Н. Е. Жуковский в работе "О парении птиц" раскрыл основы динамики полета летательных аппаратов. Идеи, которые выдвигал П. Н. Нестеров, в то время не только не были "модными", но и противоречили широко распространенным взглядам. Можно сказать, что П. Н. Нестеров являлся ближайшим наследником идей Н. Е. Жуковского. То, что Н. Е. Жуковский обосновал теоретически, П. Н. Нестеров выполнил на практике, с полным пониманием основ динамики полета. С того времени многое разъяснилось и переменилось. Забылись ошибочные толкования и ложные теории. Динамика полета в среде постоянной плотности получила развитие применительно к движению в значительной области высот, когда плотность воздуха меняется, а затем и применительно к условиям полета, когда направление действия силы тяжести быстро меняется, т. е. к выходу на круговые околоземные, а затем и на дальние космические орбиты. Вклад в теорию и практику полета, сделанный П. Н. Нестеровым, весьма ценен сам по себе. Его жизнь и деятельность будет служить нам примером того, как, сочетая знания, вдумчивость и отвагу, можно за очень короткий срок получить важнейшие результаты. 2. Первые тяжелые грузоподъемные самолеты ИСТОРИЯ РАЗВИТИЯ. 1910-- 1921 гг. Начало успешных полетов отдельных самолетов относится к 1907-- 1908 гг. Первые международные состязания самолетов и первые перелеты (в том числе, перелет через пролив Ламанш) были осуществлены в 1909 г., и авиация вступила в стадию широкого распространения. Это характеризовалось серийным производством наиболее удачных типов самолетов, появлением авиационных школ -- заводских, клубных и военных, широкой демонстрацией полетов во многих городах и дальнейшим развитием спортивных состязаний по установлению рекордных достижений и перелетов по различным маршрутам. Первые самолеты, на которых обычно летали сами конструкторы, были одноместными. К 1910 г. стала выявляться потребность в двухместных самолетах для "катания" пассажиров, обучения летчиков и, конечно, для использования самолетов в качестве военных разведчиков. Переход на двухместные самолеты был произведен очень просто -- позади летчика устанавливали небольшой стульчик, на который и садился пассажир, примерно, как на мотоцикле. Естественно, что не все самолеты смогли возить повышенную нагрузку, но некоторые из них оказались достаточно грузоподъемными. Затем конструкторы стали изыскивать способы увеличения грузоподъемности самолетов путем применения более мощных двигателей и увеличения площади крыльев. Изучая историю развития грузоподъемных самолетов, следует рассмотреть теоретические изыскания и практические мероприятия конструкторов. Отдавая должное теоретическим исследованиям, мы должны сказать, что в период 1910-- 1920 гг. они не были эффективны вследствие недостаточного развития теоретической аэродинамики и ограниченности проводимых экспериментов с моделями в аэродинамических трубах. В периодической литературе того времени можно было встретить много статей, в которых обсуждались различные проблемы самолетостроения и особенно вопросы, связанные с увеличением скоростей и высот полета, а также грузоподъемности и устойчивости самолетов. Наиболее интересные в научном отношении работы печатались в журналах: русском -- "Воздухоплаватель", французском "L'Aerophille" и немецком -- "Z. F. М". Создание более грузоподъемных самолетов было связано с увеличением их размеров и повышением мощности двигателей. Проблемы масштаба сооружений и машин были уже изучены более глубоко применительно к мостам, архитектурным сооружениями и кораблям. Некоторые соображения, взятые из этих областей, были использованы при изучении проблемы создания грузоподъемных летательных аппаратов. В журнале "Воздухоплаватель" за 1911 г. была помещена статья известного летчика и инженера Н. А. Яцука "О максимальной величине грузоподъемности аэроплана". В этой статье Н. А. Яцук ссылается на работу Д. И. Менделеева "О наивыгоднейших размерах и предельной величине летающих машин тяжелее воздуха", выполненную еще тогда, когда никакого опыта самолетостроения не было. Д. И. Менделеев рассматривал задачу об изменении характеристик летательных аппаратов определенной схемы при увеличении геометрических размеров аппарата в n раз. Развивая мысли Д. И. Менделеева, Н. А. Яцук берет в качестве основного условия постоянство соотношения мощности двигателя и площади крыльев, что для подобных форм эквивалентно постоянству скорости полета. Тогда развиваемая подъемная сила будет пропорциональна площади, т. е. n2; вес двигателя, приходящийся на 1 л. с., принимался постоянным, и тогда вес двигателей Gдв тоже оказывался пропорциональным n2. Что же касается веса конструкции Gкон, то она принималась пропорциональной кубу масштаба, т. е. величине n3. Такое предположение справедливо при условии полного подобия конструкции и постоянства напряжений, вызываемых весом грузов, т. е. двигателей, топлива и полезной нагрузки. Поставив такое условие, Н. А. Яцук оговаривается, однако, что оно может оказаться неправильным. Из поставленных условий вытекает такое выражение для величины полезной нагрузки: Pishnoff-72.gif Эта формула дает быстрый начальный рост Gпол по мере увеличения n, а затем, после достижения некоторого максимума, следует быстрое уменьшение Gпол в результате резкого увеличения веса конструкции. Изобразив эту зависимость графически (рис. 1), мы можем видеть, что изменение параметра С и показателя степени при весе конструкции m, будет вызывать очень значительное изменение как максимальной полезной нагрузки, так и соответствующего ей масштаба летательного аппарата. Понимая недостоверность знаний об истинных значениях величин С и m, авторы исследований, естественно, бывали осторожны в своих выводах. На графике, приведенном на рис. 1, были приняты различные зависимости весов конструкции и двигателей от масштабного множителя n. В качестве исходных при n=1 были приняты значения Gдв0/G = 0,25 и Gкон0/G=0,3; тогда Gпол0/G =0,45. На графике по оси ординат показано относительное изменение полезной нагрузки, т. е. величина Gпол/Gпол 0. Кривая 1 соответствует росту веса двигателя по n2 и веса конструкции по n3. Pishnoff-74.gif Рис. 1. Относительное изменение грузоподъемности самолета при изменении его размеров для разных законов зависимости веса конструкции от размеров самолета. В этом случае максимальная полезная нагрузка будет при n=1,67, а при n=2,5 полезная нагрузка становится равной нулю вследствие резкого возрастания веса конструкции. Кривая 2 относится к случаю, когда вес конструкции пропорционален n в степени 8/3, т. е. немного ниже кубичной. Как видно, полезная нагрузка самолета в этом случае значительно возросла и имеет максимум при n=2,5. Кривая 3 была построена при весе конструкции, пропорциональном n в степени 5/2, и это дало увеличение полезной нагрузки в 5,5 раза по сравнению с исходным значением. Наконец, кривая 4 построена при условии, что вес конструкции меняется тоже пропорционально n5/2, но, кроме того, с ростом n запас мощности понижается так, что вес двигателей будет пропорционален n в степени 5/3. В этом случае максимальная полезная нагрузка оказалась увеличенной более чем в 10 раз по сравнению с исходной при n=1. Вес самолета будет увеличен в (5,5)2, т. е. в 30 раз; относительные параметры будут такими: Gдв/G=0,14; Gкон/G=0,7; Gпол/G=0,16. В последнем случае, хотя и был достигнут максимум полезной нагрузки, но самолет оказался очень неэкономичным из-за относительной малости полезной нагрузки. Мы привели рис. 1, чтобы показать, какой эффект может дать изменение показателей степени. В той же работе Н. А. Яцук проводит исследование для случая увеличения грузоподъемности самолета при сохранении его размеров, но при увеличении скорости в m раз. В этой задаче он ссылается на французского ученого А. Сее, который опубликовал свою работу в журнале "L'Aerophille" от 15 января 1910 г. Александр Сее был выдающимся ученым того времени, работавшим в области летательных аппаратов. Им было опубликовано много интересных работ в журналах "L'Aerophille" и "La Technique Aeronautique", и они, несомненно, оказали важное влияние на развитие авиационных наук. Задача о зависимости грузоподъемности от скорости формально не отличается от рассмотренной выше, но только по кубичному закону меняется не вес конструкции, а вес двигателей, так как с ростом скорости мощность должна меняться по кубу скорости, а вес двигателей принимается пропорциональным мощности в первой степени. Можно было бы указать, что это тоже очень грубый расчет, так как с ростом мощности, т. е. при увеличении размеров или числа двигателей, аэродинамическое подобие не соблюдается и при увеличении скорости как мощность, так и вес двигателей будут увеличиваться более сильно, чем по кубичной степени. Если исходить из постоянства значений G/N и G/S и принять G/N=10 и G/S=15-30, то мы получим такие выражения для полетного веса и площади крыльев: Pishnoff-75.gif Так, при N = 50 л. с. вес самолета будет равен ~500 кГ и площадь его крыльев S -- от 16 до 32 м2. Эти значения довольно близки к характеристикам многих самолетов 1910-- 1912 гг. Исследуя условия полета, аэродинамики пришли к выводу, что постоянство параметров G/S и G/N не является необходимым. Из выражения для мощности, потребной для полета на подобных режимах при подобных аэродинамических формах, следует, что необходимо иметь постоянство величины Впоследствии эта величина именовалась числом Эверлинга, характеризующим аэродинамическое совершенство самолета. Это вытекает из преобразований формулы для величины мощности, потребной для горизонтального полета, равной: Pishnoff-77.gif где К -- аэродинамическое качество и h -- коэффициент полезного действия винта. Подставляя выражение для скорости, получим Pishnoff-78.gif Для некоторого самолета периода 1911 -- 1912 гг. G/S = 25, G/N=10; тогда Здесь мощность взята полная, а не потребная для горизонтального полета, т. е. с запасом. Поскольку запас мощности примерно двухкратный, для максимальной подъемной силы получим Напоминаем, что данная величина характеризует аэродинамику самолетов указанных лет. Определяя полетный вес, получим следующие формулы: Эти выражения наглядно показывают, как влияет на полетный вес изменение мощности двигателей и площади крыльев. Однако интерес представляет полезная грузоподъемность, т. е. разность полетного веса и суммы весов конструкции и двигателей. В общем случае полетный вес самолета можно представить формулой Pishnoff-82.gif Отношение Nmax/N характеризует запас мощности, который самолет должен иметь при полете на малой высоте. Этот запас выбирается в зависимости от назначения самолета и желаемой высоты потолка. Как минимум, запас мощности бывает около 2; средний запас мощности равен примерно 3, а у маневренных самолетов его доводят до 5-6. У самолета определенной аэродинамической схемы при некотором наивыгоднейшем угле атаки aн аэродинамическое качество максимально, а максимум величины Cу/Cх2/3 соответствует экономическому углу атаки aэ, который примерно в 1,5-1,7 раза больше наивыгоднейшего. Хорошо известно, как сильно было повышено аэродинамическое качество самолетов в процессе их развития. Аналогичным образом возросла и величина Cу/Cх2/3. Аэродинамический фактор явился очень эффективным средством увеличения грузоподъемности самолетов. В 1921 г. была опубликована работа научного сотрудника Центрального Аэрогидродинамического Института, инженера-летчика, В. Л. Моисеенко "Предельные размеры самолетов" (Отдел военной литературы при РВСР, Научная редакция воздушного флота). В первой части работы В. Л. Моисеенко почти повторяет расчеты Н. А. Яцука, но за основной параметр он принимает не отвлеченный фактор масштаба, а мощность двигателей N. Для веса конструкции была принята зависимость от мощности в степени 3/2, что равноценно кубичной степени по фактору масштаба п. В. Л. Моисеенко не ищет оптимальный по грузоподъемности самолет, а просто проверяет конкретные самолеты с точки зрения целесообразности увеличения их размеров и мощности двигателей. В этой части работы В. Л. Моисеенко в сущности показывает, что практически созданные самолеты имеют параметры, близкие к оптимальным. Как исключение, приводится самолет "Илья Муромец", который, по выводам В. Л. Моисеенко, чрезмерно велик. Во второй части своей работы В. Л. Моисеенко рассматривает вопрос об оптимальных размерах самолета в более широком плане, используя для веса конструкции формулу инженера-механика (впоследствии академика) Б. Н. Юрьева. Мы привели работу В. Л. Моисеенко потому, что она отражает взгляды, на возможность создания грузоподъемных самолетов в те годы, когда уже был опыт строительства самолетов "Илья Муромец" и других самолетов, созданных в период первой мировой войны, но еще не получила развития теория индуктивного сопротивления Прандтля, которая изменила взгляды теоретиков и практиков на условия получения большой подъемной силы. Посмотрим, как решали проблему повышения грузоподъемности самолетов конструкторы-практики. На многочисленных авиационных состязаниях и конкурсах самолетов значительное место уделялось достижениям по грузоподъемности, и конструкторы, естественно, задумывались над тем, какими мероприятиями ее можно повысить. Простота конструкции самолетов того времени, примитивность применяемых расчетов, отсутствие каких-либо испытаний на прочность и упрощенная проверка центровки позволяли быстро строить новые самолеты. Очень распространены были и модификации уже готовых самолетов, полученные путем перестройки отдельных их частей. Преуспевающие фирмы создавали по 2-- 3 типа и более самолетов в год. В период 1910-- 1920 гг. конструкторы самолетов руководствовались в своей работе некоторыми теоретическими соображениями, но больше экспериментировали интуитивно, стараясь улучшить свои самолеты. Многие эксперименты оказывались неудачными, но некоторые из них дали положительный эффект. Объяснить причину удачи или неудачи не всегда могли, хотя, естественно, пытались это сделать. Подражательство у конструкторов было так сильно развито, что трудно установить, кто первый применил то или иное удачное нововведение. Как мы уже указывали, увеличение площади крыльев позволяет увеличить подъемную силу, хотя и в слабой степени. В формулу для G площадь S входит под кубичным корнем. Однако конструкторы-практики обратили внимание на то, что увеличение размаха дает значительно лучший эффект, чем увеличение ширины крыла. Это можно наглядно видеть по развитию самолетов фирмы "Фарман". Так, если самолет "Фарман-4" имел размах крыльев 10,5 м, то затем фирма стала наращивать размах верхнего крыла и постепенно перешла к схеме биплана с размахом верхнего крыла, значительно большим, чем размах нижнего. Самолет "Фарман-16" (1912 г.) имел размах крыльев 13,8 м, а "Фарман-22" (1913 г.) -- 15,6 м. Самолеты "Фарман-16" и "Фарман-22" были совершенно подобны, с одинаковыми гондолами экипажа, одинаковой шириной крыльев, но только размах верхнего крыла у самолета "Фарман-22" был увеличен. Оба самолета применялись в России, и автор помнит высказывания летчиков о том, что "Фарман-22" планирует значительно лучше, чем "Фарман-16". Это говорило о более высоком аэродинамическом качестве первого самолета. Соответственно и грузоподъемность его была выше, хотя этому способствовал и более мощный двигатель. К конструкторам, которые осознали выгоду большого размаха крыльев, нужно отнести прежде всего И. И. Сикорского. Если в 1910 г. он строил самолеты с размахом крыльев 10 м, то самолет С-10 (1912 г.), который на конкурсе военных самолетов показал наибольшую грузоподъемность, имел размах крыльев около 16 м. Важно отметить, что как у самолетов "Фарман", так и у самолетов И. И. Сикорского, несмотря на увеличение размаха, ширина крыльев не увеличивалась. Однако самый решительный шаг в сторону увеличения размаха крыльев был сделан И. И. Сикорским в 1913 г., когда он построил сначала самолет "Русский Витязь" ("Гранд") с размахом крыльев 27 м, а затем самолет "Илья Муромец" с размахом 34 м (по некоторым сведениям -- 37 м). И. И. Сикорский как инженер хорошо понимал, что увеличение размаха в 2-- 2,5 раза по сравнению с размахом, типичным для самолетов того времени, поведет к большому утяжелению конструкции и что увеличение площади крыла путем его уширения не вызвало бы такого утяжеления. Однако он выбрал путь увеличения размаха. Некоторые зарубежные конструкторы того времени -- П. Шмидт, Р. Кодрон, Л. Бреге -- доводили размах крыльев до 17-- 17,5 м, но это несравнимо с размахом крыльев самолетов И. И. Сикорского. Автор не помнит, чтобы в каких-либо теоретических работах того времени рекомендовалось столь значительное увеличение размаха. Мы уже указали, что В. Л. Моисеенко в 1921 г. сомневался в выгодности большого размаха. Подробный аэродинамический анализ самолетов "Русский Витязь" и "Илья Муромец" мы приведем далее. Параметры самолета "Илья Муромец" были выбраны, несомненно, очень удачно, и его конструкция была технически последовательна для условий того времени. Если самолет "Русский Витязь" был довольно несуразен, а фюзеляж его тонок, длинен и недостаточно жесткий, то все его недостатки были устранены в конструкции самолета "Илья Муромец". Будучи построен в конце 1913 г., самолет "Илья Муромец" был быстро освоен в эксплуатации и пилотировании даже в довольно сложных условиях. Это уже была не "этажерка" и не "стрекоза", как именовались некоторые самолеты того времени, а действительно воздушный корабль, поднимающий 1,5-- 2 тонны груза и способный к длительным полетам. Всего было построено 73 экземпляра самолетов "Илья Муромец" и последние экземпляры этих самолетов летали еще в 1921-- 1922 гг., т. е. как тип он прожил почти 10 лет -- для того периода этот срок значительный. Десятки самолетов "Илья Муромец" принимали участие в боевых действиях в первой мировой войне и, несмотря на то, что они привлекали внимание германской зенитной артиллерии и истребительной авиации, только один самолет был сбит на фронте. Это определялось его высокой живучестью и наличием круговой пулеметной обороны. Хотя поломок и аварий на этих самолетах было много, но катастроф относительно мало. При той широкой системе подражательства и копирования конструкций, которая имела место в период первой мировой войны, за рубежом самолеты, подобные самолету "Илья Муромец", были созданы только через 4-5 лет, после наступления некоторого промежуточного этапа двухмоторных конструкций, и, тем не менее, зарубежные варианты не были успешными. Так, например, германские самолеты Цеппелин "Штакен", хотя и были по размаху даже больше, чем "Илья Муромец", и имели более мощные двигатели, однако, относительный вес конструкции у них был очень велик и сама конструкция слишком сложна. К 1918-- 1920 гг. относится увлечение трехпланными и даже четырехпланными конструкциями. Примером огромного триплана может служить самолет Tarrant "Tabor", построенный в Англии в 1919 г. Он имел 6 двигателей по 500 л. с. каждый, размах по среднему крылу составлял 40 м, высота самолета около 11 м (у самолета "Илья Муромец" высота была только 4,5 м), двигатели были разнесены не только по размаху, но и по высоте, причем ось винта верхнего двигателя была на высоте около 8 м над землей. Самолет разбился при первой же попытке взлета, еще не оторвавшись от земли, -- в результате резкого подъема хвоста он уткнулся носом в землю. Еще более странно выглядел самолет Капрони СА-60 "Капрониссимо". У него были три трипланных крыла, поставленных одно за другим, размах крыльев составлял около 28 м, самолет имел восемь двигателей по 400 л. с. каждый. Самолет был построен в 1921 г. и тоже разбился при первом взлете. Теория индуктивного сопротивления показала, что расположение несущих систем одна за другой является совершенно нецелесообразным, и самолет "Капрониссимо" лишь демонстрирует, по какому ошибочному пути может идти создание летательного аппарата при отсутствии теории или благоприятного эксперимента с моделями. Был и у нас неудачный эксперимент с трипланом. В 1920-- 1921 гг. специальное конструкторское бюро под названием "Комиссия по тяжелой авиации" (КОМТА), в состав которого входили виднейшие специалисты по аэродинамике и самолетостроению, разработало и построило самолет "КОМТА", который должен был заменить самолет "Илья Муромец". Обладая почти такой же мощностью двигателей, как и самолет "Илья Муромец", самолет "КОМТА" был сделан по трипланной схеме и имел размах крыльев всего 16 м, т. е. вдвое меньше, чем у самолета "Илья Муромец". Самолет долго испытывался и даже без нагрузки с трудом отрывался. После ряда доводок он, кажется в 1922 г., совершил один полет по кругу, но к этому времени было уже ясно, что параметры самолета выбраны неправильно и поверочный расчет с использованием теории индуктивного сопротивления показал, что запас мощности у него даже без нагрузки очень мал. Неудача постигла и самолет В. А. Слесарева "Святогор" (1915-- 1916 гг.); казалось бы, конструктивно он был продуман более тщательно, чем "Илья Муромец", шасси он имел более высокое и более красивое, но, видимо, значительно более тяжелое. Основная причина неудачи заключалась в применении центрального расположения двигателей (в фюзеляже) с передачей мощности на разнесенные винты. Такая передача давала большую потерю мощности и в итоге запас мощности у самолета оказался недостаточным. Следует сказать, что разнесение двигателей по крылу, как это впервые было сделано на самолете "Русский Витязь", является важным фактором в снижении веса конструкции у самолетов с большим размахом крыльев. Центральные силовые установки с расположением двигателей в фюзеляже казались выгодными аэродинамически. При малой надежности двигателей того времени привлекала возможность их ремонта в полете; наконец, с помощью системы передачи можно было легче придать винту оптимальную для него скорость вращения. Хотя самолетов с расположением двигателей в фюзеляже и с передачей мощности на разнесенные винты строилось немало, широкого распространения они не получили. АНАЛИЗ ГРУЗОПОДЪЕМНОСТИ САМОЛЕТОВ На этом мы закончим обзор теоретических исследований и практических конструкций грузоподъемных самолетов в период до 1921-- 1922 гг., когда произошел перелом в понимании условий достижения большой грузоподъемности. Этот перелом был вызван развитием общей теории динамического полета и связан прежде всего с именами ученых -- Н. Е. Жуковского и Л. Прандтля. Всякое научное достижение, открытие и крупное изобретение имеет историю своего развития -- от первичных догадок, через наблюдения, опыты, теоретические построения, частные решения, к полному осознанию физической сущности и, наконец, к итоговой теории, устанавливающей количественные зависимости. Так было и с теорий крыла. Принципы образования тяги и подъемной силы в воздушной среде в механическом отношении аналогичны. Принцип работы воздушных движителей, т. е. устройств для создания силы тяги, был открыт значительно раньше, чем принцип работы крыла. Это можно объяснить тем, что теоретически это было проще, но главное заключается в том, что воздушному винту предшествовал водяной винт и другие водяные движители. Из основ механики следует: чтобы в жидкой или газовой среде при помощи некоторого устройства получить силу тяги, окружающей среде необходимо сообщать секундное количество движения, равное желаемой силе тяги. Иначе говоря, импульс силы тяги должен быть равен, но противоположен по знаку импульсу, сообщенному массам окружающей среды. Все это было изложено, в частности, в теории идеального пропеллера, которая была разработана английским ученым У. Фрудом в 1888 г. При использовании теории идеального пропеллера для величины силы тяги при отсутствии осевой скорости было получено такое выражение: где Pishnoff-86.gif-- ометаемая лопастями площадь; Nдв -- мощность двигателя; h0 -- относительный коэффициент полезного действия, характеризующий побочные потери пропеллера, т. е. сопротивление лопастей и дополнительные скорости потока; r/r0 -- относительная плотность воздуха; Kv=10,3(h0)2/3. Эта формула послужила выражением для подъемной силы вертолета на режиме висения, т. е. при отсутствии поступательной скорости. Принцип создания подъемной силы крылом должен быть вполне аналогичен принципу создания тяги лопастями винта. Можно было утверждать, что за крылом воздушный поток должен иметь некоторую вертикальную составляющую скорости движения, направленную против подъемной силы, т. е. вниз. Основой теории крыла явилась работа Н. Е. Жуковского "О присоединенных вихрях" (1906 г.). В этой работе было сделано важнейшее открытие, а именно, что основной эффект крыла состоит в сообщении набегающему потоку циркуляционного движения, как если бы крыло было заменено вихрем с некоторой циркуляцией скорости J. Тогда величина подъемной силы Y будет простейшим образом связана с величиной J, скоростью полета V, плотностью воздуха r и размахом крыла l: Y=rJVl. Если крыло имеет определенный размах, то с его концов должны сбегать свободные вихри. Н. Е. Жуковский убедился в справедливости этого, поставив специальный эксперимент в аэродинамической трубе. Свободные вихри, которые сбегают с концов крыла и тянутся за ним, очень медленно затухая, являются итогом воздействия крыла на воздушную среду. Исходя из этих вихрей, мы можем восстановить картину воздушных течений и определить секундный импульс, сообщаемый крылом воздушной среде. Схема расчета величины подъемной силы, развиваемой крылом с размахом l и при мощности двигателя Nдв, уже была приведена в статье "На чем летал П. Н. Нестеров" и была получена следующая формула: В случае биплана или триплана вместо размаха l в формулу вставляется эффективный размах lэ: Pishnoff-83.gif Здесь h -- высота коробки крыльев; у бипланов h/l имеет значение 0,l-0,2; у трипланов -- 0,2-0,3. У бипланов разнесение крыльев по высоте эквивалентно увеличению размаха на 6-8%, у трипланов -- на 15-20%. Триплан "КОМТА" имел размах крыльев 16 м, а эффективный размах у него был равен около 19 м. Величину F0 можно найти по известной максимальной скорости, используя выражение для расходования мощности: Pishnoff-88.gif Коэффициент полезного действия винта принимаем ориентировочно равным 0,75-0,80; плотность воздуха и мощность двигателя должны быть взяты в соответствии с высотой, для которой взята максимальная скорость. Лучше брать условия полета на малой высоте, когда мощность нам известна точнее, а доля индуктивного сопротивления меньше. Если в формулу для подъемной силы подставить выражение для аэродинамического качества Pishnoff-89.gif то мы получим: Pishnoff-90.gif Интересно, что эта формула вполне аналогична формуле для статической тяги винта, но только вместо диаметра винта в нее входит размах крыльев и значение Ку здесь значительно больше. Теперь мы можем сопоставить все три формулы для подъемной силы, как они складывались исторически. Запишем их так: Pishnoff-92.gif Если взять для примера N=100 л. с., S=30 м2 и l=12 м, все три формулы дадут примерно одинаковый результат: Y~1400 кГ. Однако третья формула дает наибольшие возможности для анализа, так как значение Ку мы можем раскрыть: Ку=8,6K1/3h2/3. Значения A и В мы взяли по статистике для того времени, и при значительном изменении форм и параметров самолета принятые значения A и В не будут пригодны. Если взять современный самолет с турбовинтовыми двигателями мощностью 10000 л. с., с размахом l=30 м и площадью крыльев S=100 м2, то по первой формуле мы получили бы подъемную силу Y1=140 Т, по второй Y2=47 T и по третьей для аэродинамического качества K=16 и Ky=18 Y3=80 T. Как видно, первые два выражения дали ошибочные результаты. Третья формула ценна не только тем, что она дает наиболее точные результаты, но и тем, что она последовательно раскрывает роль различных параметров, особенно, если ее представить в таком варианте: Pishnoff-93.gif Однако практически при увеличении размаха крыльев увеличивается и F0, и поэтому удобнее пользоваться следующим вариантом формулы: Pishnoff-94.gif Произведем расчет подъемной силы самолета "Илья Муромец": N=600 л. с.; h=0,75; l=32 м. Для определения величины F0 воспользуемся сведениями о том, что при весе 5200 кГ на малой высоте самолет развивал максимальную скорость Vmax=100-105 км/час, или 29 м/сек. Используя приведенную выше формулу для мощности, затрачиваемой на горизонтальный полет, получим: Pishnoff-95.gif F0=14,5 м2 При площади крыльев, равной 145 м2, это даст коэффициент вредного сопротивления Cх0=1,28F0/S=0,128. Если сравнивать с параметрами современных самолетов, то это огромная величина. Поскольку у самолета "Илья Муромец" применялся винт фиксированного шага (винтов с изменяемым в полете шагом тогда еще не было), то при полете с максимальной подъемной силой число оборотов винта понижалось, а вместе с этим уменьшались в некоторой степени мощность двигателей и коэффициент полезного действия винтов. Это приводило к уменьшению подъемной силы примерно на 6-8%. Аэродинамическое качество самолета будет Pishnoff-97.gif Затем находим Ку=0,93∙8,6∙6,61/3∙0,752/3=12 и, наконец, величина максимальной подъемной силы будет равна Y=12(Nдвl)2/3=8650 кГ. Самолет должен обладать избытком подъемной силы для маневрирования и подъема. Только на потолке подъемная сила при работе двигателей на полной мощности будет равна полетному весу, а маневрирование потребует уменьшения высоты. Соотношение Y/G=ny=1,65; эта величина ny невелика, но она обеспечивает надежный полет и высоту потолка около 3000 м. В 1916 г. И. И. Сикорским был построен вариант самолета "Илья Муромец D bis", или, как его называли, "Дим". При мощности двигателей 440 л. с. и с уменьшенным до 26 м размахом на нем была получена подъемная сила около 6000 кГ, или на 30% меньше, чем у основного варианта самолета. По свидетельству инж. В. Моисеенко, "Дим" был забракован по причине малой грузоподъемности. Перейдем теперь к более детальному рассмотрению характеристик и свойств самолета "Русский Витязь" и "Илья Муромец". Самолет "Русский Витязь" Самолет "Русский Витязь" был построен в одном экземпляре, но претерпел несколько видоизменений. Хотя он не получил распространения, но был первым самолетом с очень большим размахом крыльев и послужил предшественником серии самолетов типа "Илья Муромец". Самолет "Русский Витязь" имел размах крыльев 27 м, что в 2,5-3 раза больше, чем у самых крупных. Самолет был спроектирован в 1912 г. и закончен постройкой в начале 1913 г. Несмотря на смелость и новизну конструктивного решения, новый самолет, которому было присвоено первоначально наименование "Гранд-РБВЗ" (Русско-балтийский вагонный завод), уже в марте 1913 г. стал совершать полеты. На нем первоначально были установлены два двигателя по 100 л. с. Из выполненных нами расчетов следует, что самолет должен был иметь максимальную подъемную силу около 3800 кГ, а пустой вес его оказался равным около 3000 кГ. Отсюда ясно, что запас подъемной силы был недостаточен и это с очевидностью показало испытание самолета. Тогда были установлены еще два двигателя по 100 л. с., которые вместе с первоначальными образовали две тандемные установки. Иными словами, двигатели стояли друг за другом, но у одного двигателя винт был тянущий, т. е. установлен перед крылом, а у другого -- толкающий, т. е. установлен за крылом. Тандемная установка была применена здесь впервые в самолетостроении и впоследствии довольно часто применялась на многодвигательных самолетах. Однако затем И. И. Сикорский отказался от этой схемы и расположил все четыре двигателя с тянущими винтами на крыле (рис. 2). Этот вариант и стал называться самолетом "Русский Витязь". При конструировании самолетов мы всегда сталкиваемся с тем, что всякая конструктивная особенность, будучи выгодной в одном отношении, оказывается невыгодной в другом. Это всеобщий закон для конструкции, но в случае летательных аппаратов, когда приходится тщательно экономить в весах и стремиться к достижению минимальных энергетических затрат, противоречивость различных факторов проявляется особенно остро. Так, желая повысить подъемную силу, мы должны увеличить размах крыльев, но это неизбежно ведет к утяжелению конструкции; развивая органы устойчивости, мы, как правило, или повышаем сопротивление движению или утяжеляем самолет, и так получается всегда. За каждым конструктивным мероприятием следует некоторая "плата" за него, и это всегда нужно учитывать. Pishnoff-99.gif Рис. 2. Схема самолета "Русский Витязь" Тандемное расположение двигателей привлекает своей компактностью, уменьшением сопротивления и особенно тем обстоятельством, что оси винтов в этом случае мало удалены от центра тяжести самолета и в случае отказа одного из двигателей заворачивающий момент оказывается относительно небольшим. Этот фактор бывал часто решающим при выборе тандемного расположения двигателей. Отрицательное свойство тандемного расположения винтов состоит в том, что задний винт оказывается в этом случае в струе от переднего винта и его сила тяги понижается. Это особенно существенно при малых скоростях и мало существенно при больших скоростях полета. Если у самолета запас мощности велик, то тандемная установка может оказаться выгодной. У самолета "Русский Витязь" запас мощности был мал, и поэтому более выгодными были разнесенные винты. Разнесение двигателей по крылу способствует разгружению крыла от изгибающего момента и тем самым дает возможность уменьшить вес конструкции -- это тоже немаловажный фактор. Таким образом, в зависимости от ряда обстоятельств, выгодным оказывается одно или другое решение. Если взять некоторую деталь самолета, например, стойку между крыльями, то можно сделать ее легкой, но сравнительно толстой -- пустотелой или же, наоборот, сделать ее более тяжелой, но тонкой. Чтобы способствовать выбору лучшего решения, было введено понятие об авиационном весе. Под авиационным весом понимался вес груза, на несение которого данным самолетом затрачивалась такая же мощность, как и мощность, затрачиваемая на несение рассматриваемой детали, не только обладающей весом, но и повышающей сопротивление самолета. Исходя из минимума авиационного веса, можно было выбрать оптимальную конструкцию данной детали. Если исходить только из условия получения максимальной полезной грузоподъемности, не стремясь получить большие величины скорости и дальности полета, то оказывается, что преимущества имеют конструкции, в которых предпочтение отдается уменьшению веса. Такое мнение складывалось в связи с тем, что исходили из упрощенных оценок веса конструкции и роли сил сопротивления. Впоследствии выяснилось, что можно очень значительно уменьшить силы сопротивления самолета вместе с довольно значительным уменьшением веса конструкции. Свободнонесущие крылья очень большого размаха оказались не тяжелее ферменных конструкций, подобных бипланным коробкам самолетов "Русский Витязь" и ряда других. При рассмотрении схемы самолета "Русский Витязь" бросается в глаза большая длина фюзеляжа и довольно большая площадь горизонтального оперения. Есть указания на то, что имелись опасения по поводу устойчивости самолета, и поэтому мощность его горизонтального оперения была повышена. Характеристикой мощности оперения служит величина Pishnoff-100.gif где Sго -- площадь горизонтального оперения; Lго -- расстояние от центра тяжести самолета до центра давления горизонтального оперения; bср -- средняя ширина крыла. Для самолета "Русский Витязь" Аго приблизительно равно 1,0, что примерно в 2,5 раза больше среднего значения этой величины для самолетов того времени, да и для более позднего. Вопросы устойчивости мы рассмотрим более детально применительно к самолету "Илья Муромец". Строительная высота фюзеляжа самолета "Русский Витязь" была относительно мала, и для увеличения его жесткости был поставлен наружный шпренгель. Кабина экипажа значительно выдавалась из фюзеляжа и имела довольно грубую аэродинамическую форму. Эти недостатки были устранены в конструкции самолета "Илья Муромец". Шасси самолета довольно сложное -- имело 8 колес и 6 лыж. Грубость аэродинамических форм, обилие стоек и растяжек обусловили большое значение приведенной площади сопротивления F0, которая составляет около 10% площади крыла. Для современных дозвуковых самолетов она составляет лишь около 1,5-- 2% площади крыла. Учитывая эффект биплана, получим для самолета "Русский Витязь" эквивалентный размах крыла, равный 28,3 м; при значении F0, равном около 12 м2, и мощности двигателей Nдв=400 л. с. получим максимальное аэродинамическое качество около 6 и максимальную подъемную силу около 5800 кГ. При полетном весе 4200 кГ запас подъемной силы будет Y/G=l,38; это, конечно, очень небольшой запас, и он мог обеспечить лишь пологие виражи на малых высотах и высоту теоретического потолка около 2,5 км при практическом потолке около 2 км. 2-го августа 1913 г. самолет "Русский Витязь" совершил рекордный по продолжительности полет, пролетав с 7-ю пассажирами 1 час 54 мин. Вес пассажиров около 550 кГ, часовой расход топлива около 90-- 100 кг; полный запас топлива около 200-- 250 кГ. Тогда величина нагрузки будет равна 700-- 750 кГ и при весе пустотелого самолета, равном 3500 кГ, взлетный вес получится 4200-- 4300 кГ. Самолет "Русский Витязь" пострадал от совершенно неожиданного происшествия: над ним пролетал другой самолет, ротативный двигатель которого сорвался с моторамы и упал прямо на центральную часть крыла самолета "Русский Витязь". Самолет "Русский Витязь" не восстанавливали не только из-за того, что он был сильно поврежден, но, видимо, и потому, что к этому времени был разработан и, вероятно, уже строился более совершенный самолет -- "Илья Муромец". Самолет "Илья Муромец" Первый экземпляр самолета "Илья Муромец" был закончен постройкой в конце 1913 г. и совершил свой первый полет 11 декабря 1913 г., а в мае 1914 г. совершил свой первый полет второй экземпляр самолета этого типа -- с более мощными двигателями. Об успехе новой конструкции свидетельствовали как регулярные полеты, так и рекордные достижения. Из них следует отметить полет с 10-ю пассажирами на высоту 2000 м; полет с шестью пассажирами продолжительностью 6 час 33 мин и полет с 15-ю пассажирами (включая экипаж). От самолета "Русский Витязь" самолет "Илья Муромец" отличался прежде всего увеличенным размахом крыльев, который (по некоторым материалам) на первом экземпляре самолета был равен 37 м. Самолеты, которые строились впоследствии имели размах крыльев от 30 до 33 м. Pishnoff-101.gif Рис. 3. Схема самолета "Илья Муромец" Фюзеляж самолета был несколько укорочен, а главное, была увеличена почти в два раза его строительная высота, и тем самым значительно повышена жесткость и уменьшено сопротивление. Вместе с увеличением размаха крыльев увеличилась и их площадь. При рассмотрении схемы самолета с современной точки зрения бросается в глаза отсутствие носовой части, достаточно далеко выдвинутой вперед (рис. 3). Это свидетельствует об отсутствии стремления получить "переднюю" центровку, о преимуществах которой тогда еще не было широко известно. Самолеты "Илья Муромец" прошли суровую школу боевых полетов в первую мировую войну в качестве разведчиков и тяжелых бомбардировщиков русской армии. Это были первые самолеты, которые несли многопудовые бомбы, имели несколько оборонительных пулеметных установок, в том числе, установки поверх центроплана, на шасси и сзади -- в концевой части фюзеляжа. На самолетах "Илья Муромец" впервые был освоен полет в закрытой кабине, носовая часть которой была полностью застеклена и обеспечивала отличный обзор передней полусферы. На этих самолетах впервые были установлены разнообразные пилотажные, навигационные и бомбардировочные приборы, а также был освоен полет в сложных условиях, при отсутствии видимости земли и при необходимости "пробивания" облаков. Первые полеты самолета "Илья Муромец" были вполне успешны, а вскоре на нем были установлены рекорды не только грузоподъемности, но и дальности и продолжительности полета. Это свидетельствует об удовлетворительном решении вопросов устойчивости и управляемости и наличии хорошего запаса подъемной силы у самолета. Несмотря на свой, казалось бы, малый запас прочности, самолет "Илья Муромец" успешно переносил полеты в "болтанку", которой в то время старались избегать даже при полетах на небольших и более прочных самолетах. На протяжении примерно 5 лет серийного производства самолеты "Илья Муромец" подвергались модификациям в основном в связи с заменой двигателей. Некоторые изменения были внесены в размеры самолета -- размах и площадь крыльев. Следует отметить также модификацию самолета, связанную с увеличением запаса его прочности, которая явилась реакцией конструкторского бюро на имевший место случай поломки самолета в воздухе. На некоторых самолетах были уширены крылья; видимо, это было связано с повышением полетного веса при установке более мощных двигателей. Однако, как мы покажем далее, хорда крыльев у самолетов "Илья Муромец" была относительно мала, и это не позволяло самолету выходить на режимы максимальной грузоподъемности. Вообще же самолет "Илья Муромец" был выдающимся для своего времени явлением по его летным характеристикам и надежности. С позиций современных знаний по самолету можно было бы сделать много критических замечаний, однако, без детального рассмотрения особенностей самолета нужно быть осторожными в суждениях. Рассмотрим основные аэродинамические и динамические характеристики самолета "Илья Муромец". Начнем с аэродинамического качества; для его определения требуется очень ограниченный материал. Мы уже приводили расчет аэродинамического качества и получили Kmах=6,3-6,6. Для того времени это довольно высокое качество. Эффективное удлинение крыльев l=lэ/S=322/140=7,3; в описаниях самолета дается полная несущая площадь вместе с горизонтальным оперением; мы принимаем, как обычно, площадь без оперения S=140 м2; Cх0=1,28F/S =0,13. Максимальное аэродинамическое качество соответствует коэффициенту подъемной силы Pishnoff-102.gif эта величина явно выше максимального значения, и полученное теоретически максимальное аэродинамическое качество практически использовано быть не может. Допуская Cу=1,0-1,2, получим Cx=0,13+Cy2/pl=0,18-0,20 и К=5,6-- 6,0. Для уменьшения Cун, если нет возможности уменьшить вредную площадь F, следует увеличить среднюю хорду крыла bcр; так, для получения Cу=1,2 нужно крылья уширить таким образом, чтобы их площадь стала равной примерно 200 м2. Вторым важнейшим параметром самолета является максимальная подъемная сила Ymах и отношения подъемной силы к весу пустого самолета и к полетному весу. Используя полученное в разделе "Анализ грузоподъемности самолетов" значение Ymах=8650 кГ, будем иметь: Pishnoff-103.gif Заметим, что здесь значение Ymах несколько завышено, так как значение Cу, соответствующее Ymах, не может быть использовано. Упрощенными характеристиками являются параметры КGо=G0/(Nl)2/3 и КG=G/(Nl)2/3, которые для самолета "Илья Муромец" будут соответственно КGо= 5,6 и КG=7,3. Величина КGо для самолета "Илья Муромец" только немного выше, чем у тяжелых самолетов 1935-- 1945 гг. Для более полной характеристики самолета приводим результаты аэродинамического расчета. На рис. 4 дана поляра самолета с крылом тонкого профиля и относительной кривизной средней линии около 7%. Такие профили дают сильное увеличение сопротивления на малых Cу, однако, самолет "Илья Муромец" при малых Cу не летает; даже при максимальной скорости на малой высоте при q=58, G/S=37 кГ/м2, Cу=0,64. Задаваясь различными значениями Cу и подъемной силы Y, получим потребные скорости горизонтального полета Pishnoff-105.gif сопротивление Q=Y∙Cx/Cу и потребную для полета мощность N=QV/75. На рис. 5 приведены потребные мощности для значений подъемной силы 4; 5; 6 и 7 Т. Чтобы график был пригоден для разных высот, по оси абсцисс отложена индикаторная скорость Vi=V∙(r/ro)1/2, а по оси ординат величина N=(r/ro)1/2. На том же графике нанесены полезные (располагаемые) мощности винтомоторной группы Nпол, тоже умноженные на (r/ro)1/2 для соответствующих высот полета. Эти характеристики были получены обычными методами для двухлопастных винтов с диаметром 3 м и шагом 2 м для расчетного числа оборотов 1300 об/мин. Pishnoff-106.gif Pishnoff-107.gif Рис. 4. Поляра и профиль крыла самолета "Илья Муромец" Pishnoff-108.gif Рис. 5. График потребных и располагаемых мощностей По точкам пересечения кривых потребных и располагаемых мощностей для соответствующих высот мы получим скорости полета при работе двигателей на максимальном режиме на постоянной высоте при разных значениях подъемной силы Y. Полученные характеристики приведены на рис. 6. Если вес самолета равен подъемной силе, то это будет соответствовать горизонтальному полету, и график даст зависимости максимальной и минимальной скоростей от высоты. Pishnoff-109.gif Рис. 6. Характеристики горизонтальных скоростей Если вес меньше подъемной силы, то мы получим условия маневра без изменения высоты с коэффициентом перегрузки ny=Y/G; по значениям ny и скорости получим радиус виража Pishnoff-110.gif При скоростях, меньших максимальных, и при полной мощности двигателей будет иметь место набор высоты, определяемый избыточной мощностью DN=Nполн-- N. Максимальную вертикальную скорость получим по максимальному избытку мощности, определяемому максимальной разностью ординат кривых потребных и полезных мощностей на графике: Pishnoff-111.gif Значения Vy определяем для разных высот и строим график (рис. 7), по которому уточняем высоту потолка и можем произвести расчет времени подъема на разные высоты. Время подъема на различные высоты можно найти путем интегрирования функции Vy по h. Однако для самолета, подобного самолету "Илья Муромец", можно применить простые соотношения -- за 18 мин самолет поднимается на высоту, равную 50% от высоты потолка, за 36 мин -- на 75% и за 1 час -- на 90% от высоты потолка, независима от полетного веса. Pishnoff-112.gif Рис. 7. Характеристики вертикальных скоростей Pishnoff-113.gif Рис. 8. Характеристики взлета для самолета "Илья Муромец" Расчет расхода бензина выполнен для среднего полетного веса 5000 кГ и получен минимальный часовой расход около 100 кг/час при скорости 80-85 км/час, что дает расход на 1 км пути Ск=1,25-1,3 кг/км; при скорости 100 км/час километровый расход составляет около 1,5 кг/км при часовом расходе 150 кг/час. Для расчета разбега исходим из таких значений силы тяги:
V, м/сек 0 10 15 20 25
Р, кГ 1800 1720 1570 1300 1200
Длины разбега при разных весах были рассчитаны при коэффициенте трения m=0,08 и аэродинамическом качестве (с учетом близости земли) К=8; зависимость длины разбега от веса показана на рис. 8. Кроме того, на графике нанесены значения среднего ускорения jср и минимального ускорения jmin. В описаниях самолетов "Илья Муромец" приводятся различные значения взлетного веса. Это и понятно -- самолеты несколько раз модифицировались, двигатели на них менялись, и вообще не существует строгого критерия, определяющего взлетный вес. Каждый конкретный самолет может эксплуатироваться с различными полетными весами в зависимости от условий и целей полета. Максимальный взлетный вес может определяться разными факторами. Так, в условиях военного применения решающим фактором является желаемая высота потолка. Автору рассказывали, что когда первый самолет "Илья Муромец" отправляли на фронт в 1914 г., то для получения высоты потолка, равной не менее 2000 м, самолет пришлось разгрузить, убрав из него копию картины Васнецова "Три богатыря" и демонтировав фотолабораторию. Если высота потолка не является определяющей, то максимальный вес находят из условий маневрирования с тем, чтобы величина ny=Y/G была не менее 1,2-1,3, или же исходя из условий взлета. Практика полетов показала, что ускорение при разбеге должно быть не менее 1,5 м/сек2. Малое ускорение плохо не только тем, что при этом получается большая длина разбега, а еще и тем, что оно сильно меняется под влиянием малых изменений сил тяги или сопротивления. Исходя из высказанных соображений, взлетный вес самолета "Илья Муромец" не должен был превышать 5300-5500 кГ, потолок при этом будет равен 2300-2500 м и длина разбега около 200 м. При весе пустого самолета, равном 4100-4200 кГ, вес полной нагрузки будет равен 1200-1300 кГ; максимальный коэффициент перегрузки, обеспеченный тягой на малых высотах, будет nу=1,4-1,45; заметим, что при более точном расчете максимальная подъемная сила оказалась равной около 8000 кГ. Указанная перегрузка позволяет делать виражи с креном до 45o; практически делались виражи, видимо, более пологие. При крене 30o и скорости 90 км/час мы получим радиус виража около 110 м и время совершения полного круга, равное 28-30 сек. При запасе топлива 500-600 кг время полета будет равно 5-- 6 час, а дальность полета 400-450 км; при перелете, выполненном в 1914 г., запас топлива был доведен до 940 кг и было покрыто расстояние 700 км за 7 час 25 мин. Это дает среднюю скорость 94 км/час, часовой расход топлива около 120 кг/час (часть топлива, видимо, оставалась неизрасходованной) и километровый расход не более 1,35 кг/км. Это близко к его величине, полученной по расчету. Перейдем к рассмотрению вопросов управляемости и устойчивости. На рис. 9 показаны для сравнения схемы самолетов "Илья Муромец" и Ил-18. Оба самолета имеют одинаковую площадь крыльев, близкие по значению размахи крыльев и почти одинаковые площади горизонтального оперения. Бросается в глаза прежде всего то обстоятельство, что фюзеляж и двигатели самолета "Илья Муромец" едва выдаются вперед за крыло, в то время как почти половина фюзеляжа самолета Ил-18 выдвинута вперед и двигатели тоже сильно вынесены вперед. Длина самолета Ил-18 в два раза больше длины самолета "Илья Муромец". Pishnoff-114.gif Рис. 9. Схемы самолетов "Илья Муромец" (а) и Ил-18 (б) Когда разрабатывался самолет "Илья Муромец", еще не были выработаны критерии для суждения об устойчивости и управляемости самолетов. Были, конечно, некоторые теоретические соображения, но оценку свойств самолета давал летчик, исходя из особенностей его пилотирования. Вопросам развития идей и теорий по обеспечению устойчивости и управляемости самолетов мы посвятим специальную работу. Здесь мы попытаемся дать оценку самолета "Илья Муромец", исходя из основных современных критериев. Выявление характеристик этого самолета в отношении его управляемости и устойчивости представляет большой интерес, поскольку самолет был достаточно тяжелым, своеобразным по схеме, и опыт его эксплуатации в полете достаточно велик. К сожалению, не сохранилось каких-либо материалов, расчетов и отзывов летчиков, и поэтому мы вынуждены прибегать к расчетам, которые, естественно, довольно приближенны. Первый вопрос, который приходится решать конструктору для обеспечения управляемости самолета, это выбор площади рулей и их расстояния от центра тяжести самолета. Этот вопрос решается исходя из практики строительства самолетов, т. е. из статистики. Статистика дает значительные колебания величин относительных площадей органов управления и конструктор делает выбор в соответствии с особенностями своего замысла. Когда самолет начинают испытывать в полете, площади органов управления часто подвергаются изменениям. Площадь горизонтального оперения самолета "Илья Муромец" составляет около 23% площади крыла и потому его следует оценить как относительно большое по величине. Плечо оперения составляет около 40% размаха крыльев, что близко к среднему значению этой величины. Следующий очень важный вопрос -- это выбор положения центра тяжести. Ему всегда уделяли много внимания, но в ранние годы развития авиации критерии выбора положения центра тяжести еще не были надежно обоснованы. Конечно, и тогда хорошо понимали, что центр тяжести должен совпадать с центром давления системы "крыло-оперение". Существовали три основных типа продольной балансировки -- с несущим стабилизатором, с нейтральным и с отрицательным. Для самолета "Илья Муромец" был выбран первый тип и поэтому стабилизатор был поставлен примерно с таким же установочным углом, как и крыло, и профиль стабилизатора был близок к профилю крыла. Прилагая в центрах давления крыла и оперения силы, пропорциональные их площадям, и складывая их, мы получим общий центр давления, где и должен находиться центр тяжести. Проделав этот расчет, мы получим точку, лежащую на расстоянии, равном 90% длины хорды крыла, от передней кромки. Иными словами, центровка самолета была около 90%, что по современным взглядам нужно оценить как чрезвычайно заднюю Примерный расчет положения центра тяжести дал такое же значение. Идея несущего оперения впоследствии была отвергнута. Развитие теории крыла показало, что за крылом имеется скос потока и что стабилизатор, установленный под тем же углом, что и крыло, будет иметь значительно сниженную подъемную силу, а центр давления самолета будет смещен вперед. Установка стабилизатора под углом, большим, чем угол установки крыла, опасна из-за возможности затягивания самолета в пикирование, и это обстоятельство было давно известно. Однако самолет "Илья Муромец" летал с указанной задней центровкой, а недостаток подъемной силы стабилизатора восполняли отклонением вниз мощного руля высоты. Согласно принципам балансировки самолетов, которые были развиты в период 1920-- 1930 гг., центр тяжести самолета должен находиться впереди точки, называемой аэродинамическим фокусом самолета. Положение фокуса определяется следующим образом. Предположим, что мы увеличиваем угол атаки самолета на небольшую величину; тогда получим приращения подъемных сил крыла и оперения DYкр и DYго; прилагаем их в точках фокуса крыла и оперения, которые находятся на расстояниях, равных 1/4 длины хорды (соответственно крыла и оперения), и складываем как параллельные силы; их равнодействующая и пройдет через фокус. Особенность расчета положения фокуса состоит в том, что нужно учесть величину удлинения крыльев при определении приращения Су и учесть воздействие крыла на оперение. Применительно к самолету "Илья Муромец" мы получим следующее. Пусть у крыла приращение подъемной силы DYкр=1000; тогда у оперения мы получили бы меньшее приращение -- соответственно меньшей площади, равное 0,23DYкр, но вследствие того, что оперение имеет меньшее удлинение, приращение будет еще меньше, и составит 0,17DYкр. Pishnoff-115.gif Рис. 10. Схема центровки самолета "Илья Муромец" При увеличении угла атаки крыла усилится и скос потока за крылом, который составит около 35% угла атаки, и соответственно снизится приращение подъемной силы оперения. В итоге получим DYго=0,11 DYкр=110. Определяя положение фокуса самолета (рис. 10), получим его на расстоянии 1,25 м позади фокуса крыла, или на расстоянии 1,88 м от передней кромки крыла. Это составит 0,75 длины хорды крыла и, значит, в итоге центр тяжести оказался не впереди фокуса, а позади него -- на расстоянии, равном 15% длины хорды крыла. Самолет, у которого центр тяжести расположен позади фокуса, расценивается как статически неустойчивый по углу атаки, т. е. как не способный сохранять угол атаки автоматически. При пилотировании статическая неустойчивость проявляется прежде всего в том, что для увеличения угла атаки сначала нужно отклонить руль высоты, как обычно, вверх, но, когда самолет уже повернется, руль высоты следует не только вернуть в исходное положение, но и отклонить его в обратную сторону, чтобы не допустить дальнейшего увеличения угла атаки (тенденцию к чему самолет проявит). В итоге, при пилотировании летчику приходится больше работать рулем высоты, а освободить штурвал у такого самолета вообще нельзя. Обратное отклонение руля высоты при статической неустойчивости будет особенно заметно при посадке, когда перед касанием самолетом земли руль окажется сильно отклоненным вниз. Указанное явление, конечно, усложняет пилотирование и требует повышенного внимания. Однако летчики, так или иначе, осваивались с этими особенностями. Статическая неустойчивость самолета может привести к неустойчивости самолета по перегрузке, что является уже опасным и поэтому совершенно недопустимым. Пусть в полете по некоторой причине изменился угол атаки; это может быть движение рулем высоты или действие восходящего воздушного потока. Изменение угла атаки приведет к увеличению подъемной силы на величину DY и, следовательно, к увеличению коэффициента перегрузки на величину Dn= DY/G. Статически устойчивый самолет автоматически вернется к исходному углу атаки, и приращение будет ликвидировано. Однако на уменьшение перегрузки будет влиять еще один фактор. Перегрузка возникает при изменении угла атаки. Угол атаки представляет собой разность утла тангажа самолета, измеряемого по линии нулевой подъемной силы J, и угла наклона траектории q, т. е. a= J-- q. При возникновении перегрузки линия полета (вектор скорости) начинает поворачиваться с некоторой угловой скоростью, которую легко определить из выражения: Pishnoff-116.gif При наличии статической неустойчивости, т. е. когда фокус лежит позади центра тяжести, самолет тоже начинает вращаться с некоторой угловой скоростью в сторону увеличения угла тангажа. Расчет этой угловой скорости более сложен, так как для этого нужно сопоставить момент от возникшей перегрузки с тормозящим моментом от движения горизонтального оперения. Для того чтобы перегрузка стала увеличиваться, угловая скорость вращения самолета должна быть больше угловой скорости вращения вектора скорости. Допустим, что Dny=0,1 и скорость полета равна 25 м/сек; тогда угловая скорость вектора скорости будет около 0,04 или 2,3 град/сек. Избыточная подъемная сила DY=GDny=500 кГ, находящаяся на расстоянии 0,375 м впереди центра тяжести, даст вращающий момент Мвр=186 кГ∙м. Учитываем также тормозящий момент оперения от увеличения его угла атаки при вращении Da=w∙aго/V и равный Pishnoff-117.gif Приравнивая оба момента, получим угловую скорость самолета wсам=0,0075 1/сек, или 0,43 град/сек. Оказывается, вектор скорости будет вращаться значительно быстрее, чем самолет, и угол атаки будет уменьшаться. Значит, самолет "Илья Муромец" устойчив по перегрузке. Если бы мы взяли более быстроходный самолет с таким же положением фокуса и центра тяжести, то угловая скорость вращения вектора скорости оказалась бы меньше, а угловая скорость вращения самолета больше, и такой самолет оказался бы неустойчивым по перегрузке. Математические теории устойчивости самолета были разработаны довольно давно и к 1910 г. были опубликованы теории Фербера, Г. А. Ботезата и др. Все эти теории были близки друг к другу и исходили из линеаризации уравнений движения, разделения движений на продольные и боковые, и в итоге, возмущенное движение самолета характеризовалось линейными дифференциальными уравнениями четвертого порядка. Впоследствии было найдено, что движения самолета, как продольные, так и боковые, можно разделить на малые -- короткопериодические и большие -- длиннопериодические. Для сравнительно быстроходных самолетов такое разделение было вполне приемлемо, а расчет сильно упрощался, так как уравнение четвертого порядка разделялось на два уравнения второго порядка. Подобное разделение движений на малые и большие применяется и в настоящее время. Интересно рассмотреть, применимо ли такое разделение для самолета "Илья Муромец". Произведенный нами расчет дал следующий результат. Уравнение четвертого порядка для продольных движений самолета "Илья Муромец" имеет такой вид: Pishnoff-118.gif Ему соответствует характеристическое уравнение l4 + Bl3 + Cl2 + Dl + E = 0; B = 9; C=13; D = 3,5; E=-1. В результате мы получили корни характеристического уравнения l1=-7,3; l2=0,18; l3=-1,17 и l4=-0,7. Три корня отрицательны и свидетельствуют об устойчивости трех составляющих движений, а один корень положительный. Постоянные времени для устойчивых движений будут: Т1=0,135 сек; Т2=0,85 сек; Т3=1,43 сек. Постоянная времени для неустойчивого движения будет Т4=5,5 сек. Малые значения постоянных времени устойчивых составляющих характеризуют чрезвычайно быстрое затухание этих движений. Практически эти движения будут представляться совершенно заторможенными и неощутимыми для экипажа самолета. Неустойчивое движение с постоянной времени, равной 5,5 сек, характеризуется тем, что всякое нарушение параметров движения, например, перегрузки, будет возрастать вдвое за время, равное 0,7∙5,5=3,8-4 сек. Например, если в результате возмущения перегрузка увеличилась на 0,1 и стала равной 1,1, то через 4 сек она будет равна 1,2, через 8 сек -- 1,4 и через 12 сек -- 1,8. Устранить такое изменение перегрузки для летчика никакого труда не составит, а при полете в неспокойной атмосфере неустойчивость будет вообще незаметна, так как летчик будет устранять нарушения угла тангажа J с интервалами времени не более 2-3 сек. Опыт управления неустойчивыми системами показывает, что трудность удержания равновесия появляется при постоянных времени менее 0,2-0,3 сек. Неустойчивость с постоянной времени, равной 5 сек, следует оценить как весьма слабо выраженную. Важной характеристикой управляемости самолета является соотношение между моментом, вызванным отклонением руля высоты, и усилием, приложенным летчиком. Это соотношение имеет размерность длины и называется приведенным рычагом продольного управления LB. Для самолета "Илья Муромец" мы получили значение Lв приблизительно 100 м; для большого по размерам самолета это сравнительно мало, что объясняется отсутствием аэродинамической компенсации на руле высоты. Если летчик прилагает к штурвалу усилие, равное 1 кГ, то тем самым он прилагает к самолету момент около 100 кГ∙м, что вызывает угловое ускорение около 0,02 1/сек2; соответственно, усилие, равное 10 кГ, даст угловое ускорение 0,2 1/сек2. На некоторых вариантах самолета "Илья Муромец" стрелок мог перемещаться к кормовой установке, что сообщало самолету момент около 1000 кГ∙м; тогда для удержания самолета в равновесии летчику нужно было приложить к штурвалу усилие около 10 кГ. Это, конечно, многовато. Основной характеристикой продольной управляемости самолета служит соотношение приращений усилия DPв на ручке или на штурвале управления и перегрузки Dny. Оно обозначается символом dPв/dny или Pвn. Имея характеристику запаса продольной устойчивости по перегрузке x0=xF-- хT и приведенную длину рычага продольного управления Lв, мы легко найдем желаемую характеристику. Прилагая в фокусе самолета, положение которого определено с учетом эффекта вращения, силу, равную весу самолета G, мы тем самым увеличим коэффициент перегрузки на единицу и получим момент Mz= Gx0. Для уравновешивания этого момента мы должны отклонить руль высоты, приложив к штурвалу некоторое усилие DРв. Зная величину Lв, мы получим Mz= DРв∙Lв и затем искомую характеристику управляемости: G x0+ DРв Lв=0; DРв= - Gx0/Lв; Pвn = -5000∙0.9/100= - 45 кГ. Мы получили около 45 кГ на единицу перегрузки, что довольно близко к тому значению, которое имеется у современных самолетов. Если учесть весовой момент руля высоты, то величина Pвn значительно увеличится; продольное управление самолета "Илья Муромец", вероятно, было довольно тяжелым. Специального рассмотрения боковой устойчивости самолета не требуется. Совершенно ясно, что у большого тихоходного самолета боковые движения апериодично устойчивы и их характеризуют малые постоянные времени. Для самолета с разнесенными двигателями интересно рассмотреть возможность полета с несимметричной тягой при остановке боковых двигателей. Остановка одного крайнего двигателя при скорости 90 км/час приводит к возникновению заворачивающего момента, равного около 1700 кГ∙м, а остановка обоих двигателей, расположенных с одной стороны, дает заворачивающий момент около 2500 кГ∙м. Максимальный момент, который дает отклонение рулей направления, составляет около 3500 кГ∙м; следовательно, при помощи рулей направления можно уравновесить заворачивающий момент при остановке двух двигателей, расположенных с одной стороны. Остановимся еще на движении крена при отклонении элеронов. При отклонении элеронов самолет начинает вращаться с некоторым угловым ускорением, которое, однако, быстро уменьшается в результате действия демпфирующего момента от вращения, после чего устанавливается угловая скорость накренения, когда момент от элеронов уравновешивается моментом от эффекта вращения. У тихоходного самолета "Илья Муромец", обладающего большим размахом крыльев, эффект от вращения должен быть особенно велик. При отклонении элеронов на 10о; при скорости полета 25 м/сек мы получим кренящий момент Мх э, равный около 6000 кГ∙м; при моменте инерции относительно продольной оси самолета Jx примерно 50000 кГ∙м∙сек2 начальное угловое ускорение будет dwx/dt= Мх э /Jx =0,12 рад/сек2, демпфирующий момент от вращения будет около Image89.gif При постижении равновесия моментов от вращения и от элеронов угловая скорость будет равна Pishnoff-122.gif или 7о в секунду, а конец крыла будет опускаться с вертикальной скоростью, равной 0,12∙16=2 м/сек. Диаграмма зависимости угла крена от времени получилась в виде почти прямой линии (рис. 11), т. е. как при вращении с постоянной угловой скоростью, но только эта прямая сдвинута примерно на 1 сек от момента отклонения элеронов. После установки элеронов в нейтральное положение самолет затормозит свое движение крена, пройдя примерно еще 7о угла крена, или 70% от угла отклонения элеронов. При плавном действии элеронами (как обычно и действуют при пилотировании) самолет сразу начинает вращаться с постоянной угловой скоростью при отклонении элеронов и сразу останавливается при нейтральном положении элеронов. Самолет "Илья Муромец" является классическим примером самолета с полностью заторможенными вращательными движениями, когда, несмотря на значительную величину моментов инерции, инерционность почти совсем не проявляется. Pishnoff-123.gif Рис. 11. График изменения угла крена по времени при отклонении элеронов Мы довольно подробно рассмотрели аэродинамические и динамические характеристики самолета "Илья Муромец" для того, чтобы продемонстрировать, сколь своеобразны были его свойства. На этом мы заканчиваем рассмотрение начального периода развития тяжелых самолетов. Последующие периоды также были весьма интересны и поучительны, и мы намерены вернуться к их рассмотрению в дальнейшем. 3. Маневренные истребители ВВЕДЕНИЕ Среди различных направлений развития самолетов своеобразна история развития маневренных истребителей. Хотя термин "маневренный истребитель" имел ограниченное распространение, но при анализе истории развития истребителей мы можем отчетливо выявить стремление к соревнованию по показателю маневренности. Самолеты-истребители первоначально предназначались для борьбы с разведчиками и бомбардировщиками противника и для решения этой задачи особых требований к маневренности истребителя не предъявлялось. Однако почти всегда существовали преимущества истребителя над более тяжелыми самолетами в отношении маневренности и скорости. Только в очень редких случаях разведчик или легкий бомбардировщик оказывался более быстроходным или более маневренным, чем истребитель. Необходимость в самолетах, предназначенных для борьбы с разведчиками и бомбардировщиками, возникла уже в первые месяцы первой мировой войны 1914-- 1918 гг. В истории авиации навсегда сохранится память о воздушном бое, проведенном летчиком П. Н. Нестеровым с австрийским бомбардировщиком в 1914 г., когда П. Н. Нестеров, не имея на своем самолете специального вооружения, решил повредить вражеский самолет, нанеся ему непосредственный удар своим самолетом. Как известно, оба самолета погибли. Можно предположить, что П. Н. Нестеров пытался повредить воздушный винт самолета противника, задев его своим шасси. На рис. 1 показана вероятная схема момента сближения самолетов. В то время на самолетах применялись деревянные, довольно тонкие винты, которые при работе наход