Владимир Пышнов - Из истории летательных аппаратов
Значительно большее применение нашла несколько иная система: мощность, которую получала турбина от выхлопных газов, подавалась на привод нагнетателя, и двигатель освобождался таким образом от дополнительных затрат мощности на вращение нагнетателя. Достоинство подобных турбокомпрессорных агрегатов заключалось в основном в обеспечении ими большой высотности двигателя и применялись они поэтому на специальных высотных самолетах -рекордных или военных разведчиках и истребителях.
Для сравнения маневренных характеристик самолетов с невысотными и высотными двигателями необходимо принять некоторую систему сравнения. Очевидно, что на малой высоте самолет с невысотным двигателем будет более маневренным. На больших высотах, наоборот, более маневренным будет самолет с высотным двигателем. Однако высотности бывают разные и поэтому трудно выбрать высоту для сравнения. Можно производить сравнение по максимальным перегрузкам, независимо от высоты.
Можно провести и такое условное сравнение: зная мощность высотного двигателя Np на расчетной высоте, находим затем его мощность на малой высоте Nэ, как если бы он был невысотным, или, иначе говоря, продолжаем его характеристику мощности по высотам до высот, меньших расчетной, вплоть до уровня земли.
По этой мощности находим перегрузку nуэ и для самолетов с высотными двигателями. Следует еще указать, что высотность двигателей зависит также и от скорости полета, если заборник воздуха поставлен против потока и в нем используется сжатие от скоростного напора.
Перейдем к обзору маневренных самолетов периода 1932-- 1938 гг. Основные характеристики рассмотренных самолетов даны в табл. 3. Поскольку они имели высотные двигатели с винтами изменяемого шага, значения Y и nу даны для мощностей Nр и Nэ. Характеристики виражей приведены для малых высот, но при условии, что перегрузка соответствует мощности на расчетной высоте. На самом деле мощность у земли несколько меньше, чем на расчетной высоте, но зато плотность воздуха выше, и поэтому в области высот от земли до расчетной подъемная сила, а следовательно, и перегрузка примерно постоянны.
Самыми замечательными по маневренным характеристикам для второй половины тридцатых годов являются самолеты конструкции Н. Н. Поликарпова -"И-15", "И-16" и его модификации и самолет "И-153". Последний самолет можно рассматривать как самое высокое достижение в области конструирования маневренных самолетов с поршневыми двигателями. Самолет "И-153" имел максимальную перегрузку на малой высоте около 4, а по эквивалентной мощности -- более 5. Это позволяло самолету выполнять пилотаж с высокими перегрузками в течение длительного времени без потери энергии.
Самолет "И-153" является дальнейшим развитием самолетов "И-5" и "И-15". Сначала был сделан переход от самолетов "И-5" к самолетам "И-15"; оба они представляют собой бипланы примерно с одинаковыми размахами и площадями крыльев. Мощность двигателя у самолета "И-15" в полтора раза выше, а эквивалентная даже в два раза выше, чем у "И-5"; однако вес пустого самолета "И-15" увеличен примерно на 30%, а полетный вес на 20% по сравнению с весом самолета "И-5". Максимальная подъемная сила увеличилась на 30% и коэффициент перегрузки на малой высоте -- примерно на 8%, достигнув величины около 3,5. На высотах более 2,5 км преимущество в маневренной перегрузке составляет около 30%. На самолете "И-15" были сделаны также некоторые аэродинамические улучшения шасси, капота двигателя и др.
Самолет "И-153", выпущенный примерно через 4 года после самолета "И-15", имел еще более мощный высотный двигатель, на нем были установлены убирающееся шасси и закрытая кабина. Это дало увеличение аэродинамического качества с 9,7 до 11. На маневренных характеристиках, естественно, сказалось в основном увеличение мощности двигателя примерно на 30% при увеличении полетного веса примерно на 17%. В результате маневренная перегрузка увеличилась примерно на 15%, а на больших высотах -- на 30% благодаря более значительной высотности двигателя. Самолет "И-153" был последним истребителем-бипланом с поршневым двигателем и имел наиболее высокие характеристики по сравнению со своими предшественниками и с находившимися в эксплуатации одновременно с ним маневренными бипланами. Высокие характеристики самолета "И-153" получены в результате большого опыта конструкторской деятельности Н. Н. Поликарпова, целеустремленно направленной на создание маневренного истребителя.
Н. Н. Поликарповым был построен целый ряд самолетов-бипланов, которые имели высокие характеристики для своего времени. Однако он понимал, что бипланам присущи органические недостатки и что переход на монопланы неизбежен. В 1934 г. Н. Н. Поликарпов выпускает свой знаменитый самолет "И-16", в котором он стремился совместить скоростные и маневренные свойства.
Хотя к 1934 г. истребители-монопланы стали строить и другие конструкторы, отечественные и иностранные, тем не менее, самолет "И-16" был весьма оригинален по своим формам; он казался чрезмерно коротким и тупоносым. Хвостовое оперение располагалось почти вслед за крылом, и это вызывало сомнение по поводу устойчивости самолета. Были опасения и относительно надежности его выхода из штопора. Самолет испытывал замечательный мастер высшего пилотажа -- Валерий Павлович Чкалов; при испытаниях самолет показал замечательные для того времени скоростные и маневренные качества. Именно во время этих испытаний было показано, что скорость является важнейшим фактором маневренности, так как самолет, получив разгон, приобретает дополнительную кинетическую энергию и при малом лобовом сопротивлении эта энергия сохраняется длительное время.
Из материалов, приведенных в табл. 3, видно, что по характеристике веса пустого KG0 самолет "И-16" мало уступал лучшим истребителям-бипланам, а его характеристика сопротивления была почти вдвое меньше, чем у них (F00,4). Коэффициент перегрузки у самолета "И-16" был более 3, а с более мощным двигателем -- более 3,5 на малой высоте.
Сомнения в отношении устойчивости самолета "И-16" быстро рассеялись. Правда, первые серии самолета, на котором был установлен относительно легкий двигатель, имели заднюю центровку и недостаточную устойчивость по перегрузке. Некоторым летчикам это даже нравилось, так как градиент усилия по перегрузке был мал и самолет был очень "резвым".
Однако то, что было хорошо при маневрировании в хорошую погоду, оказалось плохим при полете в сложных метеорологических условиях при отсутствии видимости. В этих условиях летчик не мог контролировать поведение самолета по угловой скорости тангажа. После установки более тяжелых двигателей центр тяжести самолета сдвинулся вперед, и самолет стал прост в пилотировании, несмотря на свой короткий хвост. Удаление хвостового оперения от центра тяжести самолета сказывается на демпфирующем эффекте продольного движения; однако это не единственный фактор; демпфирование в большой мере определяется действием крыла. При характеристиках плотности rсамG/gSl, присущих самолету "И-16", демпфирование продольных движений достаточно велико.
Самолет "И-16", будучи близким к бипланам по перегрузке, имел значительно меньшую площадь крыльев и, следовательно, более высокую удельную нагрузку. Это не отразилось существенно на его взлетно-посадочных характеристиках, особенно на последующих модификациях самолета, снабженных посадочными щитками, однако радиусы кривизны траектории при маневре с максимальной перегрузкой увеличились, что видно из табл. 3. Самолет "И-16" явился как бы промежуточным звеном для перехода к скоростным истребителям-монопланам периода второй мировой войны. На нем стал возможен высший пилотаж в виде комбинации и вращений и движений в вертикальной плоскости, что является характерным для современной программы высшего пилотажа.
Опасения в отношении трудности выхода самолета из штопора не оправдались. Послушав споры ученых, в которых принимал участие и автор, В. П. Чкалов решил испытать самолет, и оказалось, что даже при задней центровке самолет легко выходил из штопора, чего не наблюдалось у самолетов-бипланов "И-15" и "И-153". В. П. Чкаловым была даже предложена новая фигура -восходящий штопор. Самолет разгонялся путем снижения, выводился на вертикальную восходящую траекторию, и затем, когда скорость в достаточной мере уменьшалась, рули ставились в штопорное положение и самолет делал штопор вверх, пока не иссякал запас скорости. Условия начала штопора определялись допустимой перегрузкой по прочности самолета.
Преимущество самолета "И-16" в отношении маневренности определялось также более высоким уровнем кинетической энергии при полете на максимальной скорости. Так, если для самолетов "И-5" и "И-15" значения hк были соответственно 310 и 400 м, то для самолета "И-16" и его модификации 1938 г. эти значения были соответственно равны 630 и 700 м.
