Владимир Пышнов - Из истории летательных аппаратов
На самолетах с двигателем он летал лишь около двух лет, но как много было сделано П. Н. Нестеровым за такой короткий срок! В то время авиацией очень увлекались, летчиками становились отважные и одаренные люди. Самолеты того времени были очень несовершенны, особенно в отношении устойчивости и прочности, так как именно эти вопросы были наиболее слабо изучены.
Нестерову удалось разрешить коренные вопросы техники пилотирования и военного применения самолетов. Личная отвага у него счастливо сочеталась с глубокими знаниями, большой наблюдательностью и любознательностью.
Биографические сведения о жизни и деятельности П. Н. Нестерова уже излагались рядом авторов и едва ли можно добавить к ним что-либо существенное. Чтобы в полной мере оценить заслуги П. Н. Нестерова, необходимо более глубоко осветить научно-техническую сторону его деятельности, чего не могли сделать его современники. Нестеров летал на конкретных самолетах -- в сущности только на трех типах; они обладали вполне определенными свойствами и возможностями. За минувшие 50 лет авиация прошла огромный путь развития -- от скоростей порядка 100-130 км/час до 2500-3000 км/час; соответственно изменились и другие свойства самолетов, возросло их общее техническое совершенство и оснащенность аппаратурой. У Нестерова был единственный авиационный прибор -- высотомер; работу двигателя проверяли на слух; скорость полета тоже определяли на слух и судили о ней по работе рулей.
П. Н. Нестерову, как и многим другим русским летчикам того времени, пришлось летать лишь на самолетах иностранных конструкций. Лишь немногие изобретатели и летчики при заводах могли летать иногда на самолетах отечественной конструкции, строившихся в нескольких экземплярах. Исключением являлся первый многомоторный самолет "Илья Муромец", который строился серийно до Октябрьской революции. Другие серийные самолеты периода первой мировой войны, строившиеся на заводах Лебедева и Анатра, являлись в сущности модификациями германских самолетов фирмы "Альбатрос". Оригинальные отечественные конструкции, за исключением самолета "Илья Муромец" и гидросамолетов Д. П. Григоровича, так и не могли пробить себе дорогу. Только после Октябрьской революции Коммунистическая партия поставила задачу избавиться от иностранной зависимости в области строительства самолетов и двигателей. Это было выполнено менее чем за десять лет.
В данной статье мы хотим детально рассмотреть свойства и технические возможности самолетов, на которых летал П. Н. Нестеров, с целью технического анализа авиации того времени на примере некоторых типичных конструкций, на которых пришлось летать многим русским летчикам. В то время расчеты летных характеристик были ограничены по объему и очень грубы. Технический анализ самолетов, на которых летал П. Н. Нестеров, позволит нам судить о возможностях, которыми он располагал в полете.
НА ПЛАНЕРЕ
Начнем с планера, который П. Н. Нестеров построил собственными силами и средствами и на котором он впервые познакомился со свойствами крылатых летательных аппаратов. Этот планер относился к категории балансирных, коробчатого типа. Термин "балансирный" указывает на средство управления путем перемещения груза относительно крыла вперед, назад и в стороны. Перемещаемым грузом был сам летчик, вес которого составлял около 75% общего веса всего летательного аппарата. Балансирное управление было впервые реализовано Отто Лилиенталем в последнем десятилетии XIX века; он погиб на одном из своих планеров в 1896 г. С планером-монопланом Лилиенталя мы можем детально познакомиться по экземпляру, который был подарен Н. Е. Жуковскому и находится в Научно-мемориальном музее его имени в Москве.
Планеры Лилиенталя -- моноплан и биплан -- были оригинальны по конструкции; напоминая крылья летучей мыши, они имели проволочные растяжки. Шанютом в Америке была разработана другая конструкция, которая очень напоминала известные коробчатые змеи, но только второе, заднее, крыло его было значительно уменьшено. Коробчатые балансирные планеры получили большое распространение вследствие простоты их изготовления и жесткости конструкции и строились с разными изменениями -- в основном, с постепенным уменьшением хвостовой поверхности. Некоторые конструкторы добавляли и органы управления.
Коробчатых балансирных планеров в России строилось много, так как они были дешевы, довольно безопасны и просты в изготовлении. В журнале "Вокруг света" за 1910 г. был детально описан коробчатый балансирный планер, построенный из бамбуковых палок. В 1910 г. в Киеве была опубликована брошюра профессора Н. Б. Делоне "Устройство дешевого и легкого планера и способы летания на нем". Вес этого планера был около 20 кГ и стоимость его оценивалась всего в 20 рублей.
Несмотря на разнообразие конструкций и отдельные особенности, свойства этих планеров были примерно одинаковы, что определялось размахом крыльев, равным около 6 м и площадью крыльев S -- около 16 м2. Их аэродинамическое качество было низким из-за малого эффективного удлинения, грубой формы деталей, обилия растяжек и, конечно, из-за висящей во весь рост фигуры летчика. Примерный вид планера П. Н. Нестерова показан на рис. 1.
Посмотрим, каковы были характеристики планеров того времени и насколько они отличаются от современных. Планеры первого десятилетия XX века имели довольно низкие летные характеристики; на них удавалось совершать только кратковременные полеты, длительностью в несколько секунд, редко -- в десятки секунд. Однако и такой полет привлекал начинающих авиаторов, тем более, что стоимость планера была мала.
Мы изложим здесь основы теории планеров, применявшейся в то время, и современные теории. Ранние способы расчета были очень просты. Угол снижения планера равен величине, обратной аэродинамическому качеству, которое определялось практически, и для бипланов с открытым расположением летчика не превышало 1/3,5-- 1/4. Скорость полета тоже определялась практически или теоретически -- с использованием характеристик крыльев, полученных при лабораторных измерениях в воздушном потоке.
Рис. 1. Схема балансирного планера П. Н. Нестерова
Скорость планирования определялась в основном удельной нагрузкой на крыло G/S, где G -- полетный вес в кГ и S -- площадь крыльев в м2. В среднем можно было считать
Так, при весе около 100 кГ и площади крыльев 16 м2 мы получим скорость по отношению к воздушной среде, равную 9-10 м/сек, и скорость снижения Vy V/K2,2-2,7 м/сек. Такая вертикальная скорость соответствует прыжку с высоты 1/4-1/3 м. При полете против ветра, имеющего скорость 5-6 м/сек, скорость перемещения планера по отношению к поверхности земли составляла 4-5 м/сек. Из этих характеристик легко видеть, что полет на планере мало отличался от бега и прыжков, но только время нахождения человека в воздухе при этом было гораздо больше, чем при простом прыжке с высоты.
Улучшение аэродинамического качества требовало значительного усложнения планера, а уменьшение удельной нагрузки путем увеличения площади крыльев делало планер громоздким, и балансирное управление становилось непригодным. Перейдем к общей теории планера, как она сложилась впоследствии.
Летящее тело подвержено действию силы земного притяжения, определяемого весом тела G. За время полета t тело получит импульс тяготения G*t, который сообщит телу вертикальную скорость Vy9,8t. Чтобы тело двигалось горизонтально или с постоянной вертикальной скоростью, импульс, сообщенный силой тяготения, должен быть передан другому телу -- окружающей воздушной среде или газам, выбрасываемым реактивным двигателем. Передача импульса требует расходования энергии и, кроме того, будут другие факторы, требующие дополнительного расходования энергии. Планер может расходовать только свою энергию высоты, или потенциальную энергию, непрерывно снижаясь по отношению к окружающей воздушной среде. Чтобы планер снижался полого и медленно, необходимо, чтобы на передачу импульса и побочные потери затрачивалось мало энергии. Побочные потери будут возникать из-за наличия лобовых сопротивлений, не связанных прямым образом с созданием подъемной силы.
Крыло, перемещаясь в воздушной среде, воздействует на нее, отталкивая воздух вниз так, что каждую секунду воздействию подвергаются все новые и новые массы воздуха. Крыло воздействует наиболее сильно на слои воздуха, проходящие вблизи него, и это воздействие постепенно ослабевает по мере отдаления массы воздуха от крыла по вертикали. Если условно считать, что воздействие не зависит от расстояния до крыла, мы получим вполне определенную массу воздуха, на которую ежесекундно воздействует крыло в процессе сообщения импульса, называемую секундной массой ms. Оказывается, что она заключена в цилиндрическом отрезке длиной V и диаметром, равным размаху крыла l; отсюда получим
