Владимир Пышнов - Из истории летательных аппаратов
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 Kmах6,3-6,6. Для того времени это довольно высокое качество. Эффективное удлинение крыльев llэ/S322/1407,3; в описаниях самолета дается полная несущая площадь вместе с горизонтальным оперением; мы принимаем, как обычно, площадь без оперения S140 м2; Cх01,28F/S 0,13.
Максимальное аэродинамическое качество соответствует коэффициенту подъемной силы
эта величина явно выше максимального значения, и полученное теоретически максимальное аэродинамическое качество практически использовано быть не может. Допуская Cу1,0-1,2, получим Cx0,13+Cy2/pl0,18-0,20 и К5,6-- 6,0. Для уменьшения Cун, если нет возможности уменьшить вредную площадь F, следует увеличить среднюю хорду крыла bcр; так, для получения Cу1,2 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 Ymах8650 кГ, будем иметь:
Заметим, что здесь значение Ymах несколько завышено, так как значение Cу, соответствующее Ymах, не может быть использовано. Упрощенными характеристиками являются параметры КGоG0/(Nl)2/3 и КGG/(Nl)2/3, которые для самолета "Илья Муромец" будут соответственно КGо 5,6 и КG7,3. 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 q58, G/S37 кГ/м2, Cу0,64.
Задаваясь различными значениями Cу и подъемной силы Y, получим потребные скорости горизонтального полета
сопротивление QY Cx/Cу и потребную для полета мощность NQV/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 ViV (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.
Рис. 4. Поляра и профиль крыла самолета "Илья Муромец"
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.
Рис. 6. Характеристики горизонтальных скоростей
Если вес меньше подъемной силы, то мы получим условия маневра без изменения высоты с коэффициентом перегрузки nyY/G; по значениям ny и скорости получим радиус виража
При скоростях, меньших максимальных, и при полной мощности двигателей будет иметь место набор высоты, определяемый избыточной мощностью DNNполн-- N. Максимальную вертикальную скорость получим по максимальному избытку мощности, определяемому максимальной разностью ординат кривых потребных и полезных мощностей на графике:
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.
Рис. 7. Характеристики вертикальных скоростей
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 Ск1,25-1,3 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 m0,08 и аэродинамическом качестве (с учетом близости земли) К8; 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 nyY/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 nу1,4-1,45; 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".
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.
