Владимир Пышнов - Из истории летательных аппаратов
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
-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; Kv10,3(h0)2/3.
Эта формула послужила выражением для подъемной силы вертолета на режиме висения, т. е. при отсутствии поступательной скорости.
