ГЛАВА 2. НА ПУТИ К СКОРОСТНОЙ АВИАЦИИ

Условием прогресса техники является опережающее развитие научно-исследова- тсльской деятельности. В 20-е годы авиация развивалась, главным образом, на основе научных достижений периода первой мировой войны. В свою очередь, научно-исследовательские и опытно-конструкторские работы, проводившиеся в 20-е годы, создали предпосылки для качественного скачка в эволюции самолетов в 30-е годы. Данная глава посвящена истории научных открытий и технических изобретений, оказавших революционное влияние на прогресс в авиационной технике в первой половине 30-х годов.

Как известно, в 20-е годы в конструкции самолетов использовались три основных типа обшивки: а) полотняная, не предназначенная для восприятия нагрузок; б) тонкая металлическая гофрированная поверхность, способная выдерживать только нагрузки на кручение; в) фанерная обшивка, которая, наряду с нервюрами и лонжеронами, участвовала в восприятии всех видов нагрузок в полете («работающая обшивка»).

Гладкая работающая обшивка, в отличие от гофра, не увеличивала общую («смачиваемую») поверхность и, по сравнению с полотном, не провисала и не образовывала неровностей, а участие в восприятии нагрузок должно было обеспечивать меньший вес внутренней силовой конструкции. Однако на практике происходило по другому: из-за отсутствия надежных методов расчета тонкостенной подкрепленной оболочки (чем, с точки зрения прочнистов, является крыло с работающей обшивкой) ее вес оказывался намного больше, чем в случае использования полотняной или тонкой гофрированной металлической поверхности. Именно поэтому основоположник применения фанерной обшивки в авиастроении А. Фоккер на своих самолетах употреблял работающую обшивку только в конструкции крыла, фюзеляж же имел легкую полотняную обтяжку.

Первый шаг в развитии расчетов авиационной оболочечной конструкции был сделан во второй половине 20-х годов, когда научный сотрудник фирмы Рорбах Г. Вагнер создал «теорию диагональных напряжений». Согласно выводам Вагнера, подкрепленная по контуру металлическая пластина способна воспринимать возникающие в ней диагональные нагрузки даже после потери устойчивости и, следовательно, нет необходимости в применении очень частого подкрепляющего силового набора в виде нервюр и стрингеров [1]. В начале 30-х годов теория Вагнера получила дальнейшее развитие в работах немецкого ученого Т. фон Кармана, после войны работавшего в США. Карман вывел ряд формул для оценки предельных напряжений в полумонококовой конструкции, пригодных для инженерных расчетов. Правда, из-за ряда допущений в формулах расчеты приходилось проверять экспериментальным методом [2, с. 28–29].

Уточнению теоретических методов расчета свободнонесущего крыла с обшивкой, участвующей в восприятии нагрузок, способствовали исследования сотрудника НАКА П. Куна и нашего соотечественника В. Н. Беляева. Кун установил зависимость распределения напряжений в обшивке от внутренней силовой конструкции, а Беляев дал новый метод расчета свободнонесущего крыла и ввел понятие редукционного коэффициента, позволяющего привести все сечения крыла к материалу с единым модулем упругости [3, с. 75; 4, с. 300].

Новый взгляд на механизм восприятия нагрузок тонкостенной оболочкой способствовал распространению работающей обшивки в самолетостроении, т. к. выводы ученых свидетельствовали о том, что местная потеря устойчивости в обшивке не представляет опасности разрушения, и конструкция может быть легче, чем полагали прежде.

Пионером новых форм в самолетостроении стал американский конструктор Д. Нортроп. В 1927 г. он, работая на фирме Локхид, создал почтово-пассажирский самолет «Вега». Самолет имел свободнонесушее крыло и монококовый фюзеляж с фанерной обшивкой. Применение круглого фюзеляжа-монокока позволяло при тех же габаритных размерах примерно в полтора раза уменьшить площадь миделевого сечения по сравнению с распространенным тогда фюзеляжем с плоскими стенками, минимизировать величину «смачиваемой» поверхности и. в результате, уменьшить коэффициент лобового сопротивления самолета. «Вега» с успехом принимала участие во многих состязаниях, строилась в серии [5, с. 482].

В начале 30-х годов появились первые металлические самолеты с гладкой работающей обшивкой — Нортроп «Альфа», Локхид «Сириус» и др. В отличие от «Веги», они имели пол у монококовую конструкцию: тонкий металлический лист требовал больше стрингеров, нервюр и шпангоутов, чем более жесткая фанерная обшивка. Из-за отсутствия гофра аэродинамическое качество этих самолетов было намного выше, чем у пассажирских «Юнкерсов» и «Фордов» 20-х годов.

Применение работающей обшивки позволило уменьшить относительную толщину свободнонесущего крыла. Воспринимающая изгибные напряжения обшивка дала возможность разгрузить лонжероны, а это означало, что при той же толщине полок строительная высота лонжерона, определявшая толщину крыла, могла быть уменьшена. В 30-е годы относительная толщина профиля монопланного крыла уменьшилась с 18–22 % до 14–15 %. Таким образом, внедрение работающей обшивки в авиастроении способствовало уменьшению как сопротивления трения, так и профильного сопротивления крыла.

Переход к более совершенным аэродинамическим формам самолетов обеспечил повышение их характеристик в полете, однако одновременно возникли трудности при заходе на посадку. С увеличением аэродинамического качества посадочная глиссада становилась все более пологой, а это создавало сложности при расчете точки касания аэродрома, затрудняло посадку в случае, если аэродром окружали горы, высокие деревья или здания. Таким образом выяснилось, что даже такая безусловно желательная величина как аэродинамическое качество имеет свои неблагоприятные стороны.

Поэтому на самолетах начали применять специальные поверхности на крыле для увеличения подъемной силы и лобового сопротивления при посадке. Аэродинамическое качество при отклоненных посадочных поверхностях снижалось, траектория посадки становилась более крутой, и приземлить самолет было проще.

Самым ранним типом посадочной механизации является обычный (нещелевой) закрылок. Он появился как видоизменение элерона. При отклонении вниз закрылок повышает подъемную силу и сопротивление крыла за счет увеличения кривизны профиля. Первые опыты с такими устройствами проводились в Англии еще до первой мировой войны. В 1914–1916 гг. в России Ф. Ф. Терещенко вел работы по созданию самолета с изменяемой кривизной задней части профиля крыла [6. с. 121–122]. Эксперименты показали прирост подъемной силы при отклонении закрылка, однако в те годы необходимости в посадочной механизации еще не было, и эксперимент так и остался экспериментом.

Как уже известно читателю, вскоре после первой мировой воины были изобретены щелевые предкрылки, позволившие улучшить срывные характеристики самолета. Это изобретение привело к появлению нового вида закрылка — щелевого. Опыты со щелевым закрылком начались практически одновременно в двух странах — Англии (Г. Хилл, фирма Хендли-Пейдж, 1920 г.) и Германии (О. Мадер, фирма Юнкерс. 1919–1921 гг.) [7, с. 81]. Благодаря дополнительной циркуляции эффективность щелевого закрылка была выше, чем обычного, особенно в случае крыла толстого профиля. Но нагрузки на крыло в начале 20-х годов были небольшие, аэродинамическое качество — невысокое и нужды в посадочной механизации не было. Хотя компания Юнкерс начала эксперименты со щелевыми закрылками сразу после войны. впервые такой закрылок появился на самолетах этой фирмы только в 1930 г. (Ju-52).

Одновременно с появлением щелевых закрылков в начале 20-х годов в США был изобретен расщепляющийся закрылок или щиток. Авторы этой конструкции — О. Райт и Д. Якобе [7, с. 82]. По степени увеличения коэффициента подъемной силы щиток занимал промежуточное место между обычным и щелевым закрылками. Однако он был проще но конструкции и легче по весу, а благодаря образованию разрежения за щитком после его раскрытия создавался значительный прирост воздушного сопротивления, что и требовалось для облегчения посадки на пассажирских самолетах с совершенными аэродинамическими формами.

В начале 30-х годов посадочные щитки были установлены на американских монопланах Нортроп «Гамма» и Локхид «Вега». Вскоре они стали применяться на самолетах других стран. В СССР впервые это сделали в 1933 г. в качестве эксперимента, расположив щитки вдоль задней кромки крыла легкого самолета А. С. Яковлева АИР-4. В годы второй мировой войны посадочные шитки имелись на большинстве наших боевых самолетов [4, с. 361].

С переходом на металлическую работающую обшивку вес конструкции возрос, т. к. для восприятия всего разнообразия нагрузок толщина металлического листа должна была быть больше, чем в случае гофрированной обшивки. Для компенсации этого недостатка конструкторы шли на уменьшение площади крыла. Однако увеличение нагрузки на площадь неизбежно вело к росту посадочной скорости. Поэтому с начала 30-х годов от посадочной механизации требовалось не столько уменьшение аэродинамического качества, сколько создание дополнительной подъемной силы.

Новое требование предопределило применение в авиации в 30-е годы так называемых закрылков Фаулера. Специфика этого приспособления заключалась в том, что закрылок выдвигался из крыла, создавая таким образом прирост подъемной силы не только за счет увеличения кривизны профиля, но и за счет увеличения площади крыла. В результате улучшения несущих свойств Су крыла оказывалось заметно больше, чем при применении других видов посадочной механизации.

X. Фаулер, американский инженер и изобретатель, пришел к окончательному варианту выдвижного закрылка в 1924 г. В 1927–1929 гг. он на собственные средства испытал свое изобретение на самолетах. Было установлено, что выдвижной закрылок с относительной хордой и размахом соответственно 40 % и 60 % увеличивает площадь крыла на 22 % и обеспечивает Су макс = 2,82 [8]. Однако из-за отсутствия большой потребности в увеличении Су нос в те годы и сложности закрылков Фаулера по сравнению с другими типами посадочной механизации эти эксперименты не вызвали особого интереса. Только несколько лет спустя, когда аэродинамические продувки и летные испытания подтвердили, что закрылки Фаулера являются наиболее эффективным средством увеличения подъемной силы и, когда было установлено, что при небольших углах отклонения они обладают малым сопротивлением и, следовательно, могут использоваться не только при посадке, но и при взлете, этот вид механизации крыла нашел применение в самолетостроении. Первыми серийными самолетами с закрылками Фаулера были немецкие Физилер Fi-97 (1934 г.) и Мессершмитт Ме-108 (1934 г.), а также двухмоторный американский самолет Локхид-14 (1937 г.).

По образцу закрылков Фаулера в СССР в ЦАГИ в 1936 г. был разработан выдвижной закрылок. Он отличался отсутствием направляющих в механизме выдвижения и уборки, что, по мнению разработчиков, должно было обеспечить большую надежность этого посадочного устройства |9 J. Выдвижной закрылок ЦАГИ применялся на известном советском бомбардировщике периода второй мировой войны Пс-2 и ряде экспериментальных военных самолетов 1939–1942 гг.

Особенно большой эффект посадочные закрылки давали в сочетании с отклонением предкрылков. Это было установлено во время конкурса на самый безопасный самолет, проводившегося в США в 1929 г. по инициативе Д. Гуггенхейма. Победитель этих состязаний, самолет Г. Кертисса «Танеджер», имел посадочную скорость при отклоненных закрылках и предкрылках всего 48 км/ч, при максимальной скорости полета 180 км/ч [10, с. 148].

Посадочная механизация крыла является одним из примеров преждевременных изобретений в авиации. Появившись еще до первой мировой войны, она получила распространение только через два десятилетия, когда возникла необходимость изменять аэродинамические свойства крыла в зависимости от режима полета. С середины 30-х годов щитки и закрылки стали обычными компонентами тяжелых многомоторных самолетов, часто применялись и на одномоторных машинах.

В 20-е годы в авиации широко использовались звездообразные двигатели воздушного охлаждения. Благодаря применению новых материалов и улучшению формы оребрения цилиндров удалось создать стационарные моторы большой мощности — свыше 500 л.с. По сравнению с двигателями водяного охлаждения они имели меньший удельный вес, были проще по конструкции, дешевле. Недостатком двигателей воздушного охлаждения являлось большое аэродинамическое сопротивление из-за выступающих в поток плохообтекаемых цилиндров с оребрением и большего миделя такого мотора. Так, коэффициент лобового сопротивления звездообразного двигателя «Юпитер-6» равнялся 0,760 [11, с. 247], тогда как для мотора с водяным охлаждением эта величина составляла только 0,045 (Испано-Сюиза 12 Ybrs) 112, с. 419].

В начале 20-х годов, когда скорость большинства самолетов не превышала 200 км/ч, с этим недостатком двигателя воздушного охлаждения еще можно было мириться. Однако по мере роста скорости летательных аппаратов и облагораживания их внешних форм доля аэродинамического сопротивления звездообразных двигателей стала весьма заметной. Попытки улучшить обтекаемость путем установки обтекателя на корпус коленвала и основания цилиндров (истребители Бристоль «Бульдог», И-5 и др.) не дали большого результата, т. к. основным источником сопротивления являлись оребренные головки цилиндров.

Во второй половине 20-х годов проводились опыты по применению индивидуальных обтекателей цилиндров (самолеты Блекберн «Линкок», Авиа ВН-33, Боинг Р-12). Однако этот способ оказался малоэффективным — Схо снизился только на 7 % 111, с. 247 |. К тому же, установка обтекателей за цилиндрами нередко приводила к перегреву двигателя.

Успех был достигнут на пути создания кольцевых капотов, полностью закрывающих двигатель. Напомню, что в эпоху применения ротативных двигателей такие капоты с вырезом в нижней части для обдува воздухом вращающихся цилиндров применяли на многих самолетах. В 20-е годы ротативные двигатели заменили стационарными и для надежного охлаждения цилиндров от капотов пришлось отказаться. Правда, в 1922 г. американский авиаконструктор В. Кларк применил цилиндрический капот-обтекатель на гоночном самолете Дайтон-Райт XPS-1 с двигателем воздушного охлаждения [7, с. 62], но из-за недоведенности двигателя испытания самолета были неуспешными.

В 1927 г. сотрудник Национальной физической лаборатории (NPL) в Англии Г. Тауненд занимался изучением обтекания тел, наподобие фюзеляжа-монокока или корпуса дирижабля. Он обнаружил, что при расположении кольцевой поверхности у передней части исследуемого тела суммарное аэродинамическое сопротивление уменьшается. Проходя через кольцо, поток ускорялся, а увеличение скорости обтекания препятствовало преждевременному отрыву потока и образованию вихрей. На основе этого открытия он разработал конструкцию обтекателя цилиндров звездообразного двигателя в форме узкого кольца. Этот тип капота получил название «кольцо Тауненда».

Применение кольца Тауненда позволяло уменьшить сопротивление двигателя примерно на 15 % [11, с. 248], при этом не возникало проблем с перегревом силовой установки. В 1930–1931 гг. обтекатели Тауненда были приняты в самолетостроении многих стран.

Одновременно с Таунендом изучением наилучшей формы обтекателя для авиационного двигателя воздушного охлаждения занимался американский экспериментатор Ф. Вейк. В результате опытов в натурной аэродинамической трубе в одном из научных центров НАКА в 1927 г. он нашел форму капота, позволявшую почти вдвое уменьшить лобовое сопротивление двигателя [11, с. 248]. Этот тип капота получил известность как капот НАКА. В отличие от кольца Тауненда, он полностью закрывал двигатель (рис. 2.1).

Капотирование двигателей воздушного охлаждения позволило уменьшить коэффициент лобового сопротивления силовой установки до величины того же порядка, что и на двигателях с водяным охлаждением. Вместе с тем. двигатели воздушного охлаждения были проще, легче, надежнее и дешевле, чем двигатели водяного охлаждения, т. к. отсутствовала водяная рубашка, радиатор и другие агрегаты системы охлаждения, не надо было заботиться о дол иве или замене охлаждающей жидкости, не было опасности остановки в полете двигателя из-за неисправности в системе охлаждения. Все это предопределило преобладающее использование звездообразных двигателей воздушнот охлаждения в авиации в 30-е годы.

Надо сказать, что вначале нашлось немало специалистов, которые были против применения капота НАКА на самолетах. Говорили, что установка капота ограничит обзор из кабины пилота, возникнут трудности с осмотром и ремонтом двигателя [13. с. 15]. Нередко предпочтение отдавалось применению кольца Тауненда, хотя аэродинамическая эффективность капота НАКА была намного выше. Но. как всегда случается, практический опыт победил эмоции и предположения. В 1929 г. капот НАКА с успехом прошел испытания на одномоторном почтово-пассажирском самолете Локхид «Вега» 5С, которые показали беспочвенность приведенных выше опасений. Благодаря закрытому капотом двигателю этот самолет обладал очень малым аэродинамическим сопротивлением (Схо=0.0278), что позволило пилоту Ф. Хоуку выполнить на «Веге» беспосадочный перелет через Соединенные Штаты от одного берега до другого за рекордно короткое время — 18 часов 13 минут [13, с. 16].

При попытке закапотировать двигатели на многомоторных самолетах конструкторы и ученые столкнулись с неожиданной проблемой. Когда капоты НАКА установили на трехмоторном пассажирском «Форде», выяснилось, что это мероприятие практически никак не повлияло на аэродинамическое сопротивление машины. Аэродинамические опыты в трубах показали, что капотирование дает положительный эффект только в том случае, если двигатель расположен в носу фюзеляжа или на передней кромке крыла[16]. Этот вывод оказал влияние на принципы проектирования будущих многомоторных самолетов.

К середине 30-х годов капоты НАКА стали непременной частью конструкции военных и пассажирских самолетов. Благодаря капотированию двигателей воздушного охлаждения максимальная скорость полета возросла на 6-10 %.

Рис. 2.1. Схема работы кольца Тауненда (а) и капота НАКА (б)

В период первой мировой войны 1914–1918 гг. и в первые послевоенные годы из-за плохих аэродинамических форм самолетов доля сопротивления шасси в общем сопротивлении летательных аппаратов была невелика — 10–15 %. Потеря скорости из-за выступающих под фюзеляж колес составляла 3–5 %, т. е. 3–7 км/ч при VK p=100–150 км/ч [14, с. 38]. Однако по мере улучшения внешних форм самолетов общая величина Сxо уменьшилась с 0,04-0,05 до 0,025-0,030; и доля сопротивления шасси в общем аэродинамическом сопротивлении увеличилась до 20–25 %. Поэтому авиаконструкторы занялись разработкой мер по снижению лобового сопротивления взлетно-посадочного устройства.

Первым шагом в усовершенствовании внешних форм шасси был переход от схемы с неразрезной осью к шасси пирамидального типа, в которых общая поперечная ось отсутствовала. Но расположенные в потоке стойки с амортизаторами и колеса по- прежнему служили источником большого сопротивления. Поэтому на шасси начали устанавливать обтекатели: вначале на стойки, а затем и на колеса. Одними из первых самолетов с обтекателями колес были американские Локхид «Сириус» и «Вега» (1930 г.). В начале 30-х годов обтекатели колес стали применяться на спортивных самолетах: АИР-7 А. С. Яковлева и американском гоночном Веделл-Вильямс-44, а также на военных машинах (истребитель И-5 Н. Н. Поликарпова и др.). Установка обтекателей на шасси безосного типа позволила уменьшить сопротивление последнего на 25–30 % [15, с. 53].

Однако окончательное решение проблемы могло быть получено только в случае применения убирающегося в полете шасси. Ведь шасси используется только на коротком этапе взлета и посадки, все остальное время оно является источником ненужного сопротивления.

Идея убирающегося шасси возникла много веков назад — естествоиспытатели древности могли видеть, что птица, поднявшись в воздух, подтягивает вверх лапки и прижимает их к телу. Еще в XVI веке Леонардо да Винчи в проектах орнитоптеров предлагал убирать опоры после валета. В XIX столетии убираемое шасси предусматривалось в проектах самолетов Ф. дю Тампля, А. Пено, С. С. Неждановского и др. [16].

Однако на практике все было намного сложнее. Во-первых, надо было найти место куда убирать колеса и стойки. Во-вторых, требовалось обеспечить высокую надежность работы механизма уборки и выпуска шасси, ведь от этого зависела безопасность полета: посадка с невыпущенными колесами или, еще хуже, приземление с только одним выпущенным колесом была чревата самыми тяжелыми последствиями. Наконец, в-третьих, наличие механизма уборки и выпуска вело к увеличению общего веса конструкции, росту стоимости самолета, и надо было быть уверенным, что эти издержки оправдают выгоды от применения убирающегося шасси.

Впервые убирающееся шасси нашло применение на гоночных самолетах, для которых уменьшение лобового сопротивления было особенно важно. 11а рис. 2.2 показан американский спортивный скоростной моноплан Дайтон- Райт R В-1, построенный в 1920 г. для участия в воздушных гонках на приз Гордон-Беннета. В связи с расположением крыла в верхней части фюзеляжа было решено задвигать колеса в боковые стенки фюзеляжа. Уборка колес происходила вручную из кабины с помощью троса и ворота. К гоночным самолетам 20-х годов с убирающимся шасси относятся также американский «Вервилл-Сперри», английский самолет фирмы Бристоль [15, с. 72].

Несмотря на то, что убирающееся шасси прошло проверку на гоночных самолетах в начале 20-х годов, оно долгое время не имело практического применения. Причинами этого было отсутствие удачных схем уборки, неуверенность в безотказности действия механизма подъема и опускания колес, сложность уборки и выпуска шасси вручную, особенно на одноместном самолете. Да и небольшие скорости полета, характерные для первого послевоенного десятилетия, мало способствовали воплощению этого новшества в жизнь.

Иногда для специальных целей делали сбрасываемое шасси. Например, в 1927 г. французские летчики Нунжессери Копи при попытке перелета из Европы в Америку применили такое шасси на своем самолете. Шасси должно было быть сброшено после окончания полета над сушей, а посадку у берегов Америки предлагалось осуществить на воду, для чего фюзеляж был сделан водонепроницаемым. Благодаря сбросу шасси организаторы перелета надеялись «убить сразу двух зайцев» — уменьшить аэродинамическое сопротивление и снизить вес самолета. Но полет закончился трагически — самолет и оба летчика пропали без вести над Атлантическим океаном [17. с. 58].

Рис. 2.2. Гоночный самолет RB-1 с убирающимися шасси

Толчком для развития убирающегося шасси послужило появление в 1930 г. в США скоростных гражданских самолетов с гладкой работающей обшивкой, усовершенствованными капотами двигателей. В связи с тем, что фюзеляж был занят полезной нагрузкой и убирать туда колеса было нельзя, для облегчения задачи уборки шасси вместо верхнерасположенного крыла конструкторы самолетов стали применять схему низкоплан. Первым таким самолетом стал Боинг «Мономейл» (1930 г.). Колеса вместе со стойками убирались в нижнюю поверхность крыла путем поворота вбок на 90°. Впоследствии эта схема уборки стала основной в авиастроении. В 1932 г. убирающееся шасси начали применять на почтово-пассажирских самолетах фирмы Локхид, в конструкции бомбардировщиков фирм Боинги Глеин-Мартин, а еще через два года такое шасси становится привычным на тяжелых самолетах. В случае расположения двигателей на крыле колеса обычно убирались в заднюю часть мотогондолы.

Труднее происходило введение убирающегося шасси на самолетах-истребителях, т. к., в отличие от пассажирских и транспортных машин, на многих из них еще применялось бипланное крыло, толщина которого была недостаточна для размещения там колес. Поэтому на первых истребителях шасси обычно приходилось убирать в фюзеляж, примерно как на описанном выше гоночном самолете Дайтон-Райт R В-1, В частности, такая схема уборки колес применялась на американских истребителях фирм Кертисс и Грумман, впервые поднявшихся в воздух в 1932 г. В СССР первыми истребителями с убирающимся шасси были И-М (АНТ-31), сконструированный П. О. Сухим под общим руководством А. Н. Туполева, и И-16 Н. Н. Поликарпова (оба — 1933 г. постройки). По сравнению с американскими, эти самолеты имели более совершенную схему с низкорасположенным свободнонесущим крылом, в которое и убиралось шасси.

Первое время летчики настороженно относились к описываемому новшеству, опасаясь, что в нужный момент механизм выпуска колес не сработает. По этой причине иногда делали так называемое полу убирающееся шасси или шасси «с подтягом». Например, на известном пассажирском самолете Дуглас DC-3, появившемся в 1935 г., колеса не до конца убирались в мотогондолы, выступая примерно на полметра. В результате в случае отказа механизма выпуска шасси пилот сажал бы самолет не на «брюхо», а на колеса.

Полуубирающееся шасси просуществовало недолго, т. к. выступающие колеса вызывали дополнительное сопротивление в полете. В 30-е годы в результате усовершенствования механизмов выпуска и уборки (они стали приводиться в действие электричеством, гидравликой или сжатым воздухом) и появления специальных «аварийных» систем выпуска вероятность отказа привода шасси стала очень мала, и к моменту начала второй мировой войны практически все военные и коммерческие самолеты имели полностью убираемое шасси.

История внедрения винтов изменяемого шага в практику самолетостроения имеет много общего с историей начала применения убирающегося шасси и закрылков. И то, и другое, и третье было изобретено еше на заре авиации, но вошло в практику только в 1930-е годы, когда скорость самолетов возросла настолько, что возникла насущная необходимость «перенастраивать» конструкцию в зависимости от режима полета. При этом внедрение нового происходило в условиях критики со стороны консервативно настроенных инженеров и ученых, считавших эти нововведения не только бесполезными, но и опасными.

Винтом изменяемого шага (ВИШ) называется пропеллер, лопасти которого могут поворачиваться вокруг продольной оси для изменения угла атаки, т. е. «шага» винта. В отличие от крыла, угол атаки лопасти зависит от числа оборотов двигателя и скорости полета. От того, насколько отличается этот угол от оптимального, зависят полезная мощность двигателя и тяга пропеллера. Стремление свести к минимуму это расхождение и улучшить тем самым тяговые характеристики силовой установки и привело к началу работ по замене винта с фиксированными лопастями винтом изменяемого шага.

Первые предложения о применении винта изменяемого шага на самолете появились еще в 70-е годы прошлого века [16, с. 35–36]. В 1910 г. русский техник-самоучка Л. В. Школин применил ВИШ на самолете собственной конструкции, но отсутствие средств не позволило ему довести эти работы до стадии летных испытаний [18, с. 44]. Были и другие проекты, но интереса они не вызвали: диапазон скоростей первых самолетов был очень небольшим, и использование винта изменяемого шага не привело бы к заметному улучшению летных качеств.

Во время первой мировой войны скорость и высота полета самолетов значительно возросли. Это послужило импульсом к применению ВИШ в авиации. В Германии в 1918 г. профессор Г. Рейснер установил пропеллеры с поворотными лопастями на многомоторном высотном бомбардировщике R-30. В Англии на Королевском авиационном заводе (RAF) в 1917–1918 гг. проводились опыты по применению ВИШ на однодвигательных самолетах ВЕ-2с и RE-8. Лопасти могли поворачиваться на угол 10°. Эксперименты с ВИШ велись также в Канаде и США[7, с. 72; 19, с. 258–259].

Летные исследования продемонстрировали аэродинамические преимущества винтов изменяемого шага. Вместе с тем выяснилось, что при увеличении мощности двигателей применяемый в те годы механический привод изменения угла установки лопастей из-за интенсивного износа быстро выходит из строя. Кроме этого, с ростом мощности силовой установки нагрузки на рукоятке управления шагом винта становились недопустимо велики.

Выход был найден в замене механического привода гидравлическим. Практические работы в этой области начались в Англии вскоре после войны. Их возглавили профессор Хеле-Шоу и Т. Бичем. В 1924 г. они получили патент № 250292 на гидравлический привод управления лопастями воздушного винта, причем изменение шага должно было происходить автоматически, в зависимости от режима полета при неизменных оборотах двигателя. Такой винт получил название ВИШ-автомат или винт постоянных оборотов.

Идея Хеле-Шоу и Бичема не встретила понимания и поддержки. Являясь приверженцами нескоростного самолета-биплана, английские авиаконструкторы не видели необходимости в отказе от обычного пропеллера. Так считали и многие ученые. Например, два крупнейших английских специалиста по проектированию воздушных винтов — Э. Лайнам из Авиационного научно-исследовательского института (R АЕ) и Г. Уотте (фирма Metal Propellers) были единодушны во мнении, что больший вес конструкции винта изменяемого шага сведет на нет все его аэродинамические достоинства [20].

Создание ВИШ типа Хеле-Шоу-Бичема задержалось также из-за ряда технических проблем. Для снижения весовых издержек предполагалось использовать пустотелые стальные лопасти, но они оказались недостаточно прочными, при испытаниях часто происходили поломки. Только после того, как их заменили на сплошные алюминиевые лопасти, неприятности прекратились. Неблагоприятно влияли на темп работ и финансовые трудности на фирме Глостер, взявшейся за внедрение конструкции Хеле-Шоу-Бичема в практику.

В результате всех этих неурядиц промышленный выпуск ВИШ-автоматов английской конструкции начался только в 1937 г. Начав первой, Англия в середине 30-х годов была вынуждена производить винты изменяемого шага по купленной в США лицензии.

Стимулом к разработке ВИШ в США послужило появление в конце 20-х годов скоростных монопланов. По сравнению с бипланами периода первой мировой войны и первых послевоенных лет диапазон скоростей этих самолетов был примерно в полтора раза больше. После применения в авиации закрылков разница между минимальной и максимальной скоростями еще больше возросла. В результате винт фиксированного шага, оптимизированный для взлетного режима, терял до 35–40 % своей мощности при полете на максимальной скорости, и наоборот, винт, спроектированный для режима V макс, работал с неполной тягой на взлете (рис. 2.3). Все это заметно сказывалось на скорости, скороподъемности, длине разбега и других характеристиках.

Пионером производства ВИШ в США стала фирма Гамильтон-Стандарт, одна из первых освоившая в 20-е годы выпуск металлических пропеллеров. Конструктор Ф. Колдуэлл, так же как и английские ученые, остановил свой выбор на ВИШ с гидроприводом, но для облегчения задачи решил изготовить пропеллер с ручной регулировкой шага. С помощью особой рукоятки летчик мог установить лопасти в два положения — взлет и горизонтальный полет. Благодаря упрощенной конструкции привода и поддержке со стороны американских авиафирм Колдуэлл, начавший работы на несколько лет позже, чем Хеле-Шоу и Бичем, уже в 1930 г. испытал свой пропеллер на самолете, а еще через два года был налажен серийный выпуск ВИШ фирмы Гамильтон-Стандарт. В 1933 г. такие пропеллеры стали устанавливать на двухмоторном пассажирском самолете Боинг-247. Это даю большой эффект: длина разбега сократилась на 20 %, скороподъемность увеличилась на 22 %, крейсерская скорость — на 5,5 %, высота полета при работе только одного двигателя возросла с 600 до 1200 м [7, с. 74]

Пример с Боингом был настолько впечатляющим, что с тех пор все американские авиаконструкторы скоростных самолетов стали применять винты изменяемого шага. Только за первый год производства Гамильтон-Стандарт выпустила около 1000 винтов изменяемого шага [7, с. 75]. В 1934–1935 гг. лицензии на производство ВИШ купили у нее фирмы Де Хевилленд в Англии. Испано-Сюиза во Франции, Юнкерс в Германии.

Рис. 2.3. Изменение полезной мощности при использовании различных типов винтов: 1 — винт фиксированного шага: 2,3 — винт изменяемого шага

В 1934 г. фирма Гамильтон-Стандарт произвела опытный образец ВИШ с автоматическим изменением положения лопастей и после двух лет испытаний и доводок начала их серийный выпуск. Автоматизация освободила пилота от утомительной необходимости регулировки режима работы мотора и винта, повысила точность выбора угла установки лопастей.

Конкурентом ВИШ с гидроприводом были винты с электроприводом изменения шага. По сравнению с гидроприводом электропривод имел свои плюсы и минусы: ВИШ с электроприводом не требовал установки дополнительных агрегатов на двигателе (насос и др.), но возникали трудности размещения электромотора внутри втулки винта. В связи с этим внедрение ВИШ с электроприводом происходило параллельно внедрению винтов с гидравлическим управлением, один тип не вытеснял другой.

Первый удачный ВИШ с электроприводом построил канадский инженер У. Терн- булл в 1927 г. В 1928 г. американская фирма Кертисс-Райт купила права на производство таких пропеллеров и стала основным конкурентом Гамильтон-Стандарт. После замены деревянных лопастей алюминиевыми и ряда мелких усовершенствований Кертисс-Райт начала промышленный выпуск ВИШ. Винты с ручным управлением скоро были заменены ВИШ-автоматами. В 1935 г. фирма произвела первые 50 регулируемых пропеллеров для «летающих лодок» ВМС США Консолидейтед PBY «Каталина», с 1937 г. ВИШ фирмы Кертисс-Райт применялись на американских пассажирских самолетах Локхид-14 [7, с. 76].

В 30-е годы ВИШ с электроприводом стали выпускать также европейские компании. Немецкая фирма VDM занялась разработкой такого типа пропеллера в 1933 г., а в 1937 г. начала его промышленное производство. Большинство немецких военных самолетов периода второй мировой войны имело ВИШ фирмы VDM. В отличие от винтов фирмы Кертисс-Райт на немецких самолетах электромотор системы регулировки лопастей был расположен в моторном отсеке, а не во втулке винта. Во Франции выпуск авиационных винтов-автоматов с электроприводом в 1935–1938 гг. наладила фирма Ратье.

Появление винтов изменяемого шага было последним крупным нововведением в конструкции самолетов первой половины 30-х годов — эпохи перехода к скоростной авиации.

Значительный временной интервал между изобретением и его практическим использованием (табл. 2.3) можно объяснить тем, что указанные изобретения были сделаны раньше, чем возникла потребность в них. Применение гладкой металлической обшивки, убираемого шасси, посадочной механизации и т. д. могли дать заметный эффект только на скоростных самолетах, развивающих 300 и более км/ч, а в начале 20-х годов таких самолетов еще не было.

Тот факт, что коренные изменения в конструкции самолетов начались, прежде всего, в гражданской авиации США, объясняется тем, что американская пассажирская авиация, в отличие от военной авиации и авиастроения в других странах, не получала государственных субсидий, и в борьбе за выживание авиационные фирмы незамедлительно применяли любые новшества, способные улучшить качество продукции и повысить се конкурентноспособность на мировом рынке.

Примечания:

1

В зарубежной литературе такое крыло называют обычно «крыло Мулавского» [5, с.752]

16

На самолете Форд «Тримотор» два мотора находились под крыльями, см. рис. 1 50.