ГЛАВА 2. ПЕРВЫЕ ПРОЕКТЫ САМОЛЕТОВ

Д.Кейли - основоположник научного подхода к проектированию самолетов

Изобретение аэростата позволило человеку подняться в воздух, но не решило проблему полета. Основным недостатком этого летательного аппарата было то, что он не мог перемещаться по заранее намеченному маршруту. Несмотря на ряд усовершенствований (клапан стравливания газа для спуска, балласт, якорь, гайдроп), аэростат оставался по сути послушной игрушкой ветра. Это не позволяло использовать его для решения большинства практических задач, и подъемы на нем в основном носили характер аттракциона.

Следует отметить, что задача управления полетом аэростата воспринималась вначале как легко разрешимая. Однако многочисленные попытки перемещать в воздухе воздушный шар с помощью движимых вручную весел, гребных колес или пропеллеров неизменно оканчивались неудачей. Постепенно выяснилось, что большая парусность воздухоплавательных аппаратов требует значительной энерговооруженности для преодоления даже слабого ветра. Силы человеческих мускулов было явно недостаточно, а универсальный тепловой двигатель конца XVIII в. был рассчитан на стационарную установку и по весовым характеристикам не соответствовал возможностям летательных аппаратов легче воздуха.

В связи с бесплодностью попыток создания управляемого аэростата некоторые энтузиасты полета вновь обратились к идее летательного аппарата тяжелее воздуха. Одним из них был английский ученый и изобретатель Д.Кейли, который с 1799 г. начал исследования по летательным аппаратам с неподвижным крылом. Эти работы ознаменовали начало нового этапа в развитии самолета.

Сведения о первом проекте Кейли (1799 г.) дошли до нас в виде гравюры на серебряном диске, который в настоящее время хранится в Музее науки в Лондоне. На рисунке, сделанном ученым, изображена лодка, над которой под некоторым углом размещено прямоугольно крыло (рис. 2.1, а). Горизонтальное перемещение аппарата должно было осуществляться с помощью весел, движимых сидящим в лодке человеком. Позади крыла имелось крестообразное оперение. Оно могло поворачиваться на шарнире для управления в полете.

Помимо серебряного диска сохранились некоторые записи Кейли, касающиеся данного проекта [219, с. 7-9 ]. Из них следует, что изобретатель планировал построить аппарат с площадью крыла 29 м2 и весом 125 кг. Для взлета и посадки предусматривалось колесное шасси.

Данных о постройке и испытаниях летательного аппарата или его модели не обнаружено (1).

В проекте 1799 г. предусматривались основные элементы самолета - неподвижное крыло, фюзеляж, хвостовое оперение, колесное шасси. И все же не следует переоценивать его историческое значение, утверждая, например, что в 1799 г. Кейли впервые предложил отделить систему образования подъемной силы от движителя и создал на основе этой концепции первый проект самолета [219, с. 203]. Нельзя забывать, что большинство конструктивных идей, предложенных английским изобретателем, было выдвинуто ранее в проектах Леонардо да Винчи, Э.Сведенборга и М.Бауэра. Как и предшествующие разработки, проект Кейли обладал рядом существенных недостатков. Отсутствие двигателя, малоэффективный весельный движитель и плохие несущие свойства крыла малого удлинения делали невозможным полет на предложенном им аппарате.

(1) На рисунке, выгравированном на серебряном диске, Кейли изобразил крыло с искривленным профилем. В то же время в документах изобретателя, содержащих сведения о проекте аппарата 1799 г., крыло показано в виде плоской поверхности. Изучение творческого наследия Кейли свидетельствует, что и в последующих конструкциях летательных аппаратов он предполагал использовать плоское крыло. Это обстоятельство привело исследователя работ Кейли Ч.Гиббс-Смита к выводу, что кривизна профиля на рисунке на диске обусловлена действием воздуха на крыло во время полета, а это доказывает, что были проведены испытания модели [219, с. 7]. Мы, однако, не можем разделить убежденность английского историка авиации, так как Кейли вполне мог изобразить воображаемую деформацию гибкого крыла в полете.

Рис. 2.1, Изображение летательного аппарата (а) и диаграмма сил, действующих на крыло в полете (б). Гравюра Д.Кейли

Значительно более важным нам представляется рисунок на другой стороне серебряного диска, изображающий диаграмму сил, действующих на крыло в полете (см. рис. 2.1,б). Этот рисунок ознаменовал начало научного этапа в развитии самолета.

В отличие от своих предшественников (и многих, работавших после него) Кейли не ограничился разработкой только внешнего облика летательного аппарата, а поставил перед собой задачу определить его основные параметры (нагрузку на крыло, центровку, потребную мощность) на основе научных экспериментов. Для этого ученый провел исследования на ротативной машине, опыты с летающими моделями планеров и с полноразмерным планером, т.е. в логической последовательности прошел все этапы, применявшиеся впоследствии при создании самолетов.

Опыты, выполненные Кейли на ротативной машине (1804 г.), были первыми аэродинамическими экспериментами, направленными на разрешение проблем авиации. Суть этих исследований заключалась в определении подъемной силы, развиваемой крылом при различных углах атаки и скорости движения. В качестве исследуемой поверхности использовалась квадратная пластина со стороной 30 см [136, с. 22].

В настоящее время установлено, что данные, полученные Кейли из опытов на ротативной машине, хорошо совпадают с современной теорией крыла малого удлинения [382 ]. Однако сам Кейли писал: "Я сомневаюсь, может ли подъемная сила (для обозначения этого понятия ученый использовал термин "resistance" - "сопротивление". - Д.С.), образующаяся в результате кругового движения, быть равна силе, возникающей в том случае, когда крыло движется по прямой линии параллельно самому себе" [136, с. 23 ].

Рис. 2.2.Модель, сконструированная Д. Кейли в 1908 г. Рисунок из записных книжек Кейли

Для того чтобы устранить эти сомнения, Кейли в том же 1804 г. провел опыты с поступательно движущимся крылом, использовав в качестве экспериментального оборудования летающую модель. Сохранился рисунок (рис. 2.2) и описание конструкции этого исторического летательного аппарата: "Бумажный змей площадью 154 квадратных дюймов крепится к стержню из дерева задней частью, а передняя часть приподнята над ним с помощью шпинька так, что угол наклона составляет 6 градусов. Стержень простирается за границы змея и поддерживает хвост, сделанный из двух перекрещивающихся под прямым углом плоскостей, каждая содержит по 20 дюймов. Хвост может быть установлен под любым углом относительно стержня. ...Положение центра тяжести изменялось втыканием груза острым концом в стержень" [ 136, с. 26 ]. Вес модели составлял 108 г.

Несмотря на то что испытания модели проводились при задней центровке (Хцт = 0,49), а крыло имело малое удлинение, по словам Кейли, удалось добиться полетов дальностью 18-27 м [136, с. 27 ]. Устойчивости модели способствовали малая нагрузка на крыло, большое плечо действия оперения и низкое расположение центра тяжести.

При испытании модели планера были получены значения коэффициента подъемной силы, существенно отличающиеся от тех, которые отмечались при опытах на ротативной машине. По-видимому, это объясняется неточностью определения угла атаки и скорости перемещения при свободных полетах.

В 1808 г. Кейли провел опыты еще с одной моделью летательного аппарата с неподвижным крылом. Эта модель характеризовалась более совершенной формой. Она имела крыло большого удлинения с искривленным профилем и отогнутыми вверх консолями. Очевидно, прототипом данной модели послужила парящая птица, в то время как модель 1804 г. была снабжена крылом в форме воздушного змея. Горизонтальное оперение на модели 1808 г. имело меньший угол установки, чем крыло (об этом свидетельствуют слова Кейли о перемещении центра давления вперед при добавлении к крылу оперения), что обеспечивало переднюю центровку и, следовательно, хорошую продольную устойчивость. Испытания, направленные главным образом на определение точки приложения подъемной силы, проводились на привязи (как воздушный змей) и в свободном полете [136, с. 63-64 ].

Успешные полеты моделей навели Кейли на мысль о создании полноразмерного летательного аппарата. Такой аппарат был построен летом 1809 г. (Кейли не оставил его рисунка). Судя по краткому описанию машины [170, 1810 г., с. 85], она имела вырез в центроплане крыла для пилота, была снабжена хвостовым оперением. Этот летательный аппарат не был планером в современном понимании, а имел дополнительные машущие крылья (Кейли при описании его полетов употребил термин "propelling apparat", который он использовал для обозначения машин, снабженных подвижными поверхностями), которые, однако, не использовались при испытаниях. При пробежках во время ветра удавались кратковременные подъемы в воздух.

Рис.2.3.Рисунок из статьи Д.Кейли "On Aerial Navigation"

Результаты своих исследований в области авиации Д.Кейли опубликовал в1809-1810гг.в статье "О воздушной навигации" [170]. Поскольку эта работа, явившаяся первой публикацией теоретических основ полета аппарата с неподвижным крылом, до сих пор не была переведена на русский язык, приведем из нее ряд выдержек:

"Когда большие птицы, которые имеют значительный размер крыла, сравнимый с их весом, достигают своей предельной скорости, можно часто наблюдать, что они распрямляют крылья и без взмахов ими продолжают скользить некоторое время по горизонтальной траектории. Рисунок (2.3, А - Д.С.) изображает птицу в этот момент.

Пусть ab есть сечение обоих крыльев, противостоящих горизонтальному потоку воздуха (создаваемому их собственным движением), который может быть изображен линией cd и определяется скоростью полета птицы. Угол bdc может быть увеличен по желанию птицы и, чтобы сохранить совершенно горизонтальную траекторию полета без взмахов крыльями, должен непрерывно увеличиваться в некотором соотношении до тех пор, пока движение не прекратится совсем; но в определенный момент положение крыльев может точно отображаться углом bdc. Нарисуем dc перпендикулярно к плоскости крыльев, продолжим линию cd насколько требуется и из точки е, принадлежащей линии de, опустим ef перпендикулярно df. Тогда de будет изображать силу давления под крылом, которую можно разложить на две составляющие - ef и fd; первая характеризует силу, которая поддерживает вес птицы, последняя - тормозящую силу, от действия которой скорость движения в направлении cd будет непрерывно уменьшаться, ef - всегда известная величина, равная весу птицы, и, следовательно, fd также известна, она всегда будет относиться к весу птицы, как синус угла относится к его косинусу, так как углы def и bdc равны между собой. К тормозящей силе крыльев, определенной таким образом, присоединяется лобовое сопротивление, которое тело оказывает потоку" [170, 1809, с. 167-168].

Указывая на возможность использования теории планирующего полета птиц для целей механического полета, Кейли отмечал:

"...вся проблема состоит в том, чтобы сделать поверхность, поддерживающую заданный вес посредством приложения силы к сопротивлению воздуха... Пусть ab (рис. 2.4, Б) представляет собой некоторую поверхность или парус, сделанный из тонкого полотна и имеющий площадь около 200 кв.футов (сторона квадрата будет иметь длину немного больше, чем 14 футов; и все будет иметь жесткую конструкцию. Пусть вес человека и механизма будет 200 фунтов. Тогда, если бы ветер дул в направлении cd со скоростью 35 фт/сек, а в то же время шнур, изображаемый линией cd, выдерживал бы напряжение в 21 фн, механизм поддерживался бы в воздухе или, по крайней мере, был бы в пределах нескольких унций от этого... Совершенно безразлично, дует ли ветер против плоскости или плоскость движется с равной скоростью против воздуха. Следовательно, если бы машину тянули шнуром cd с усилием около 21 фн. со скоростью 35 фт/сек, она двигалась бы в воздухе горизонтально; и если бы вместо шнура использовать какую-нибудь другую движущую силу, действующую в том же направлении и с той же интенсивностью, был бы достигнут требуемый результат. Поэтому если бы был обеспечен требуемый обдув поверхности, происходящий благодаря движению, вызываемому какой-либо силой воздушная навигация была бы достигнута... Если величину поверхности увеличивать, угол встречи с потоком может быть уменьшен и, следовательно, движущая сила уменьшится в той же степени. На практике дополнительное сопротивление повозки и других частей механизма, расходующее значительную часть мощности, будет регулировать пределы, в которых отмеченный принцип, являющийся истинной основой воздушного судоходства, может быть реализован, и та непринужденность, с которой некоторые птицы находится в продолжительном горизонтальном полете без движения крыльями, подтверждает вывод, что для полета требуется небольшая мощность" [170, 1809, с. 168, 171].

Помимо анализа сил, необходимых для полета аппарата с неподвижным крылом, Кейли в статье 1809-1810 гг. исследовал также основные принципы достижения устойчивости и управляемости в воздухе. На основании теоретических рассуждений об устойчивости парашюта и практических экспериментов ученый пришел к выводу, что "...угловая форма с вершиной вниз является главной основой устойчивости в воздушной навигации" [170, 1810, с. 83]. В связи с этим он предложил отклонять консоли крыла немного вверх для обеспечения поперечной устойчивости летательного аппарата. Кейли указывал также на необходимость установки за крылом хвостового оперения. Он писал:

"Чтобы сделать машину совершенно устойчивой, а также дать возможность подниматься и опускаться во время полета, необходимо добавить руль, аналогичный хвосту птицы. Пусть FG (рис. 2.4) есть часть такой поверхности, параллельной потоку, и пусть она способна двигаться вверх и вниз относительно G как центра и фиксироваться в любом положении. Если силы, действующие на машину, будут предварительно уравновешены и если наименьшее давление будет создаваться потоком или на верхней, или на нижней поверхности руля, в соответствии с волей аэронавта машина будет подниматься или опускаться...

Подъем и спуск машины -это единственная цель, для которой предназначен руль. Этот придаток должен снабжаться вертикальным парусом и иметь возможность вращаться из стороны в сторону, в дополнение к его движениям, таким образом, обеспечивая полное управление аппаратом" [170, 1810, с. 83-85].

Рис. 2.4. Рисунок из статьи Д.Кейли "On Aerial Navigation"

Большое внимание Кейли уделял разработке двигателя, пригодного для "воздушного судоходства". Еще в 1804 г. ученый пришел к убеждению, что полет с помощью мускульной силы невозможен [136, с. 14 ]. Единственным распространенным тепловым двигателем этого периода была паровая машина. Однако вес этого типа энергетической установки был очень велик - даже в лучших образцах он составлял около 100 кг/л.с.

Понимания, что при современном ему уровне развития паровых машин их применение на летательном аппарате невозможно, Кейли разработал двигатели собственной конструкции - калорический (в качестве рабочего тела использовался не пар, а горячий воздух) и пороховой (утилизировалась энергия взрыва пороха в цилиндре) , а также анализировал возможности двигателей внутреннего сгорания, работающих на жидком топливе. Эти типы двигателей имели меньший удельный вес (до 25 кг/л.с.), но отличались значительным расходом топлива и были очень ненадежны и опасны в работе, что делало их непригодными для практической эксплуатации. Поэтому в 1810 г. Кейли был вынужден констатировать: "...способ производства движущей силы является единственным, что еще осталось недостигнутым для завершения изобретения" [170, 1810, с. 85].

Конечно не все положения первого исследования, направленного на создание самолета, были безошибочны. Так, при определении численных значений сил, действующих на летательный аппарат с неподвижным крылом в форме квадратной пластины при угле атаки в 6 градусов, Кейли предположил такие значения, которые соответствуют Су = 0,62 и Ка = 9,5, что в 3-4 раза превышает действительные величины (1). В другом месте своей статьи 1809-1810 гг. ученый отмечал, что "...каждый ликвидированный фунт лобового сопротивления позволит поддерживать 30 фунтов дополнительного веса без какой-либо добавочной мощности" [170, 1810, с. 170 ], т.е. полагал К = 30.

Ряд ошибочных положений был связан с конструкцией летательных аппаратов. Вызывает недоумение упорное игнорирование ученым винтового пропеллера как источника горизонтальной тяги. Несмотря на то, что ему, несомненно, было известно об опытах по применению воздушного винта на аэростатах, а в 1796 г. он сам проводил эксперименты с летающей моделью вертолета [219, с. 1-3 ], на всех своих летательных аппаратах с фиксированным крылом Кейли предполагал использовать в качестве движителя машущие поверхности.

(1) Эта ошибка произошла, по-видимому, из-за неточных экспериментальных данных, полученных при испытании модели планера 1804 г.

Другое заблуждение Кейли связано с выбором формы несущей поверхности. Хотя известно, что в 1808 г. при изучении полета птиц ученый заметил, что хорошие парители имеют крыло большого размаха с искривленным профилем [136, с. 51 ], летательные аппараты его конструкции, за исключением модели планера 1808 г., характеризовались плоским крылом с удлинением 1. Несмотря на то, что теоретические основы полета ученый разрабатывал на примере парения птиц, прообразом конструкции его аппаратов служил воздушный змей, отличающийся, как известно, малым удлинением поверхности. Кейли ясно видел весовые преимущества короткого крыла, но не учитывал его аэродинамического несовершенства . (1)

Однако основные положения, опубликованные Кейли в 1809-1810 гг., были верны и представляли собой основополагающий вклад в развитие теории самолета. В статье "О воздушной навигации" впервые была предложена принципиально правильная аэродинамическая схема летательного аппарата с фиксированным крылом, проведен анализ сил, действующих на крыло, отмечена взаимосвязь между подъемной силой, углом атаки, скоростью набегающего потока и площадью несущей поверхности, разработаны принципы достижения устойчивости и управляемости в полете, указано на важность уменьшения лобового сопротивления летательного аппарата и снижение веса его силовой установки.

Сделанные Д .Кейли выводы были во многом схожи с мыслями Леонардо да Винчи о механике полета с помощью неподвижного крыла. Но английский ученый работал тремя веками позже. Опираясь на законы классической механики, он в отличие от отдельных логических умозаключений своего великого предшественника дал цельную и математически обоснованную картину основ проектирования самолета. Напомним, что идеи, содержащиеся в рукописях Леонардо да Винчи, в рассматриваемый период еще не были известны и Кейли самостоятельно пришел к полученным выводам.

Результаты исследований Кейли, опубликованные в научном журнале, могли явиться надежным фундаментом для дальнейшего развития самолетов, ускорить появление этого типа летательного аппарата. Но этого не произошло. Идеи ученого попали на неподготовленную почву и не дали плодов. Даже в наиболее развитой промышленной стране начала XIX в. - Англии - идея летательного аппарата тяжелее воздуха считалась совершенно утопической. Поэтому статья "О воздушной навигации" не вызвала интереса современников и много лет оставалась незамеченной (2).

(1) Об этом свидетельствует критика им У.Хенсона за выбор большого удлинения крыла в проекте самолета 1842 г. [171].
(2) Характерно, что в первых публикациях о деятельности Д.Кейли [197, с. 158; 320, с. 649], появившихся в середине XIX в., вообще не упоминалось о работах ученого по летательным аппаратам с неподвижным крылом.

Первые проекты самолетов с паровым двигателем

За несколько десятилетий, прошедших с момента публикации работы Д .Кейли "О воздушной навигации" до времени появления первых проектов самолетов, во многих областях техники произошли заметные изменения. Особенно интенсивно в этот период развивалась транспортная техника. Для этого имелись и технические предпосылки (улучшение парового двигателя), и потребность в усовершенствовании транспорта со стороны зарождающегося капитализма. К концу 1830-х годов в крупнейших промышленных странах уже функционировал железнодорожный транспорт, использовались пароходы. Применялись также паровые автомобили.

Развитие транспорта требовало уменьшения веса и габаритных размеров паровой машины. Этого удалось добиться благодаря улучшению конструкции паровых котлов, повышению рабочего давления пара и некоторым другим усовершенствованиям. В результате удельный вес парового двигателя удалось снизить в несколько раз. К середине XIX в. появилась возможность создавать двигатели с удельным весом 50-100 кг/л.с. Это в 2-4 раза превышало удельную мощность человеческого организма и неудивительно, что вместо проектов мускулолетов появились предложения о создании летательных аппаратов с паровым двигателем.

В 1835 г. немецкий механик Г.Ребенштейн в своей работе "Искусство плавать по воздуху с помощью и без помощи воздушных шаров" высказал идею использования паровой машины на летательном аппарате с неподвижным крылом. В качестве движителя предлагалось применять плоскость, соединенную со штоком цилиндра и совершающую вместе с ним возвратно-поступательные движения. По оценке изобретателя, для полета со скоростью 110 км/ч требовался двигатель мощностью 5 л.с. [343, с. 35].

Ребенштейн не занимался разработкой конструкции аппарата. Первый в истории авиации технический проект самолета с паровым двигателем был создан в том же 1835 г. механиком из Нюрнберга Ф.Маттисом [301] (1). Согласно проекту аппарат, разработанный на основе опытов с воздушным змеем, должен был иметь плоское ромбовидное крыло, поддерживаемое лонжероном переменного сечения и системой расчалок (рис. 2.5). В центре крыла размещалась паровая машина, впереди имелся отсек для летчика и пассажиров. Управление предполагалось осуществлять с помощью расположенных позади крыла рулей высоты и направления, предусматривался также специальный груз для балансировки в полете. Для взлета и посадки служило колесное шасси. Основной материал конструкции - дерево. Для движения в воздухе должна была применяться установленная под фюзеляжем машущая поверхность. Она была снабжена клапанами, открывающимися при холостом ходе (вперед). Конструкция требовала специальной платформы для взлета с углублением посередине.

Согласно оценке изобретателя самолет при площади крыла 450 м2 и взлетном весе 1075 кг был способен поднять в воздух пилота и шесть пассажиров. Расчетную скорость полета Маттис не указал, отметив, однако, что то расстояние, которое корабль пройдет за сутки, его аппарат преодолеет за один час [301, с. 43 ].

Конечно, приведенные оценки были ошибочны, а сам проект - нереален. Из-за малоэффективности крыльчатого пропеллера, (дань многовековой традиции конструирования летательных аппаратов с машущими крыльями), и плохих несущих свойств плоского ромбовидного крыла малого удлинения потребная для горизонтального полета мощность должна была быть не менее 200 л.с; вес такой паровой машины составил бы в те годы около 10 т. Но, как ни несовершенен был замысел Маттиса, он представляет интерес как первый в истории авиации проект самолета с тепловым двигателем.

(1) Примечательно, что предложение Ребенштейна и проект Маттиса появились тогда, когда была построена первая железная дорога в Германии. Это еще раз подчеркивает влияние успехов парового наземного транспорта на развитие идеи полета.

Проект нюрнбергского изобретателя не привлек внимания современников и долгое время был не известен даже немецким историкам авиации.

Рис. 2.5.Проект самолета Ф.Маттиса. Чертеж из книги Маттиса.

Важнейшей вехой в развитии идеи самолета было появление проекта У.Хенсона (Англия, 1842 г.). Значение этого предложения состояло, во-первых, в том, что это был первый принципиально верный технический проект самолета и, во-вторых, это был первый проект летательного аппарата с неподвижным крылом, получивший широкую известность. Не было, пожалуй, ни одной работы, затрагивающей историю авиации (в том числе и среди опубликованных в XIX в.), где бы не упоминалось об этом проекте.

Рассмотрим подробнее содержание проекта У.Хенсона. В описании, сделанном изобретателем 29 сентября 1842 г., говорилось [236 ]:

"Как видно из чертежей (рис. 2.6, А. - Д.С.), машина состояла из вытянутой поверхности, простирающейся по обе стороны от повозки или лодки, в которой размещены двигатель, топливо, пассажиры, вещи и письма... Вместо того, чтобы обеспечивать поступательное перемещение движением этой вытянутой поверхности, как в случае крыльев птиц, я применяю крыльчатые колеса или другой подходящий механический движитель, работающий от парового или другого достаточно легкого двигателя и таким образом достигается мощность, требуемая для поступательного движения плоскости. Для того чтобы обеспечить управление движением машины вверх и вниз, я добавляю к крылу хвост, который может подниматься и опускаться и, таким образом, когда действует сила, движущая машину, сопротивление воздуха, образуемое из-за отклонения хвоста вверх, будет вызывать подъем машины в воздух; наоборот, если наклон хвоста будет изменен на обратный, машина немедленно станет двигаться вниз по плоскости, более или менее наклонной к горизонту в зависимости от отклонения хвоста. Для того чтобы управлять машиной в боковом направлении, я применяю вертикальный руль или второй хвост, и каким будет его наклон в одну или другую сторону, таким будет направление движения аппарата... Двигатель и котел закреплены в передней части повозки или лодки, так как из опыта я нашел желательным, чтобы вес, несомый описываемой машиной, был бы впереди. Как видно, повозка или лодка имеет три колеса для того, чтобы в момент приземления она могла свободно катиться без каких-либо повреждений. Вследствие надежного контроля, который обеспечивает хвост при спуске машины, можно добиться подхода повозки к земле под таким небольшим наклоном, что в момент приземления пассажиры будут ощущать очень незначительный толчок или вообще не ощутят его... Я полагаю осуществлять старт машины с наклонной плоскости или со склона холма. Машина будет бежать под уклон; пропеллеры будут приведены в действие в тот момент, когда решат, что в скором времени они окажут достаточное действие на воздух, чтобы обеспечить взлет машины и продолжение движения в желаемом направлении".

Рис. 2.6. Проект самолета У.Хенсона. Чертеж из патента (а) и общий вид самолета (б).

Помимо общих сведений о конструкции, способах управления и методе взлета и посадки, в документе содержалось подробное описание отдельных элементов планера и двигателя.

Крыло самолета - прямоугольной формы, с удлинением около 5, трехлонжеронной конструкции. Лонжероны должны были представлять собой пустотелые балки переменного сечения. Продольный силовой набор состоял из обычных и усиленных нервюр. Нервюры имели слегка искривленный профиль относительной толщиной около 4 %. Лонжероны и нервюры предполагалось выполнить из легких пород древесины.

Как видно из рисунка крыло должно было поддерживаться системой проволочных растяжек; были предусмотрены средства для регулировки их натяжения. Несущая поверхность должна была иметь двустороннюю обтяжку из отлакированного шелка. Указывалось на возможность убирать обшивку при стоянке - нервюры, к которым она крепилась, могли перемещаться вдоль лонжеронов.

Цельноповоротное горизонтальное и вертикальное оперение по проекту имело треугольную форму и конструктивно представляло собой матерчатые поверхности, натянутые на стержни, радиально расходящиеся от основания. Управление ими предполагалось осуществлять с помощью тросов. Помимо поворотов горизонтального руля в вертикальной плоскости была предусмотрена возможность изменять его площадь в полете. Для этого горизонтальное оперение должно было складываться и раскрываться, как веер, вокруг точки крепления к основанию (1).

Для повышения устойчивости пути над фюзеляжем вдоль его продольной оси предполагалось натянуть парус.

С целью уменьшить вес двигателя - паровой машины - изобретатель предложил заменить обычный котел системой конических сосудов, а также предусмотрел применение воздушного конденсатора. В качестве источника тяги на самолете должны были быть установлены шестилопастные толкающие винты. Они приводились в движение от двигателя ременной передачей.

Взлетный вес самолета Хенсон оценивал в 1350 кг, площадь крыла - 420 м2, площадь горизонтального оперения - 140 м2. Мощность двигателя должна была составлять 25-30 л.с.

Как видно из приведенных чертежей и описания, проект Хенсона содержал ряд важных усовершенствований конструкции самолета. Эти усовершенствования в первую очередь касались выбора типа пропеллера, формы и конструктивно-силовой схемы крыла.

Хенсон был первым, кто предложил применить на самолете винтовой пропеллер. Вероятно, что данная идея возникла под влиянием сведений об успешных испытаниях винта на английском пароходе "Архимед" в 1838 г. По-видимому, также по аналогии с водным транспортом, была выбрана схема с толкающими пропеллерами. Для устранения реактивного момента винты должны были вращаться в противоположных направлениях.

(1) У.Хенсон не объяснил назначения этого действия. По мнению одного из исследователей его работ, М.Деви, с помощью изменения площади горизонтального оперения предполагалось уравновешивать самолет при различных центровках [184, с. 33-34].

Хенсон был также первым изобретателем, предложившим на самолете крыло большого удлинения. Сама по себе идея такого крыла не нова. Еще в 1784 г. житель немецкого города Баден К.Меервейн, наблюдая полет птиц, указывал, что "...длина крыльев более способствует летанию, нежели их ширина" [308, с. 26]. Однако до 1842г. эта мысль не находила воплощения в проектах самолетов.

Идея применения продольных и поперечных элементов в каркасе крыла также была высказана задолго до Хенсона. Заслуга английского изобретателя состоит в том, что он предложил сделать крыло в виде пространственной конструкции с двухсторонней обтяжкой. Им впервые были разработаны профилированные нервюры с различной кривизной верхней и нижней поверхностей. Такая конструкция улучшала аэродинамические свойства несущей поверхности, позволяла увеличить строительную высоту лонжеронов, давала возможность использовать внутренний объем крыла. К сожалению, преимущества данной конструктивной схемы были поняты значительно позже.

Как и Д.Кейли, У.Хенсон уделял внимание проблеме снижения лобового сопротивления в полете. Он, в частности, предлагал придать стойкам и расчалкам удобообтекаемую форму.

В рассматриваемом проекте предлагалось использовать для облегчения взлета самолета наклонную плоскость. Эта идея была более совершенна, чем предложение начинать полет после прыжка с высоты (Л. да Винчи, Э.Сведенборг и др.), так как первый из указанных способов был более безопасным. Впоследствии предложенный Хенсоном метод старта в ряде случаев использовался при взлете тяжело нагруженных самолетов, например в 1937 г. во время беспосадочного перелета из СССР в США через Северный полюс на АНТ-25.

Наряду со множеством прогрессивных технических идей проект Хенсона содержал и некоторые ошибочные положения. Изобретатель не предусмотрел средств поперечного управления, считая, как и другие конструкторы самолетов XIX в., это ненужным. Из-за неудачного месторасположения органов путевой стабилизации и управления их эффективность была мала. Далека от наивыгоднейшей была форма профиля крыла с заостренным носком и максимальной толщиной на половине длины хорды. Значительно занижена была потребная мощность двигателя.

Некоторые ошибочные положения проекта У.Хенсона (отсутствие средств поперечного управления, неоптимальная форма профиля, заниженные значения нужной для полета мощности) были естественны для своего времени, другие явились следствием недостаточного внимания к работе своего предшественника - Д.Кейли.

Несмотря на отдельные недоработки, можно констатировать, что проект У.Хенсона в целом представлял выдающееся для своего времени достижение технической мысли. Ни в одном из последующих предложений, сделанных в XIX в., не содержалось такого количества прогрессивных конструкторских идей. Наиболее ценным вкладом в развитие самолета являлась идея применения воздушного винта вместо значительно менее совершенного крыльчатого пропеллера.

Проект У.Хенсона в отличие от предложений Д.Кейли, Г.Ребенштейна и Ф.Маттиса, незамедлительно приобрел большую известность. Рисунки самолета публиковались в журналах "Illustrated London News", "L'Illustration" и других изданиях (рис. 2.6 Б). Публикации вызвали интерес широкой публики, однако мнение ученых того времени было единодушно отрицательным - проект был признан нереальным [290, 307].

Критика в адрес проекта и неудачные попытки У.Хенсона реализовать свой замысел в виде летающих моделей (см. разд. 3.1) явились причиной того, что новые проекты самолетов появились только 10 лет спустя.

Новым стимулом к разработке конструкций самолетов послужили отчасти успешные опыты А.Жиффара по применению паровой машины на летательном аппарате легче воздуха во Франции в 1852 г.

В 1853 г. М.Лу (Франция) опубликовал проект птицеподобного самолета, приводимого в движение двумя винтовыми пропеллерами большого диаметра (рис. 2.7) [291 ]. Пропеллеры должны были располагаться в вырезах крыла. В конструкции самолета были предусмотрены рули высоты Е и направления Н, вертикальный стабилизатор Н' колесное шасси. Крыло подкреплялось проволочными расчалками. Двигатель (Лу не указал конкретного типа силовой установки) предполагалось установить в центральной части закрытого фюзеляжа. По оценке изобретателя скорость полета самолета равнялась бы 220-265 км/ч. Взлет должен был осуществляться с естественной возвышенности; благодаря движению под уклон достигалась необходимая скорость, которая затем поддерживалась работой двигателя. Проект М.Лу был первым проектом самолета, предложенным во Франции.

Три года спустя в Англии Г.Карлингфорд запатентовал конструкцию самолета с мускульным приводом пропеллера (рис. 2.8) [167]. Также как и у М.Лу, это должен был быть птицеподобный летательный аппарат, напоминавший при виде в плане сокола, планирующего с частично сложенными крыльями. Изобретатель писал в патенте: "Воздушная машина сделана в форме лодки с искривленными крыльями по бокам и хвостом, который может быть поднят или опущен по необходимости. Винтовой пропеллер, известный, как "винт Карлингфорда", смонтирован на наклонном валу спереди и приводится в движение вручную с помощью соответствующей передачи... Рама крыльев сделана из полых реек и обтянута сеткой и покрытым лаком шелком с обеих сторон. При отсутствии ветра машина может стартовать, подвешенная между вертикальными стойками и устремляемая вперед грузом и тросом, протянутым через блоки".

Рис 2.7.Проект самолета М.Лу. Чертеж из книги Лу.

Рис. 2.8.Проект самолета-мускулолета Г.Калингфорда. Рисунок из патента

Идея мускулолета в середине XIX в. была уже архаична, и об этом проекте можно было бы и не упоминать, если бы он не содержал некоторые новые конструктивные решения, получившие затем применение в самолетостроении. К ним относятся использование тянущего пропеллера и старт с помощью катапульты. Как известно, схема самолета с тянущим винтом стала общепризнанной со второй половины 1910-х годов, а идея использовать работу падающего груза для ускорения при взлете была успешно опробована в 1904 г. братьями Райт в США.

Птицеподобные летательные аппараты, предложенные М.Лу и Г.Карлингфордом, представляли собой шаг назад в развитии идеи самолета. Изобретатели не оценили большинства прогрессивных решений, заложенных в работе Д.Кейли и проекте У.Хенсона. На фоне многочисленных предложений по управляемым аэростатам, вертолетам и орнитоптерам значение их работ заключается в основном в поддержании интереса к самолету.

В 1857 г. во Франции Ф. дю Тампль запатентовал проект самолета [192 ], который отличался значительно более высоким уровнем технической проработки и рядом новых конструкторских решений. Летательный аппарат должен был представлять собой свободнонесущий моноплан с верхнерасположенным крылом, напоминающим при виде в плане крыло альбатроса (1). Несущая поверхность поддерживалась двумя изогнутыми перекрещивающимися лонжеронами из дерева или металла. Между ними натягивалась веревочная оплетка, к которой предполагалось крепить обшивку из легкой прорезиненной ткани. Гибкое крыло могло деформироваться в полете. Отгиб концов и задней кромки крыла вверх, по замыслу изобретателя, должен был способствовать поперечной и продольной устойчивости в полете. Фюзеляж предполагалось выполнить в форме лодки.

(1) Дю Тампль был морским офицером, и неудивительно, что прототипом самолета была выбрана эта крупная морская птица, способная совершать продолжительные парящие полеты.

В качестве двигателя дю Тампль предлагал использовать паровую машину, но предусматривал также возможность применения электрического мотора. Двигатель приводил в движение деревянный двенадцатилопастный винт диаметром 4 м, установленный в носовой части фюзеляжа.

Ф. дю Тампль первым предложил использовать упругое крыло для автоматической балансировки самолета. Практика самолетостроения показала, что из-за нестабильности моментных характеристик такого крыла в полете данная идея бесперспективна. Однако в конце XIX и даже начале XX вв. мысль об использовании на летательных аппаратах гибкого крыла, а также попытки обеспечения устойчивости за счет упругости крепления горизонтальных поверхностей к фюзеляжу встречались довольно часто.

Другие нововведения, содержащиеся в проекте самолета дю Тампля, - свободно-несущее крыло, убирающееся шасси с амортизацией, применение алюминия в качестве конструкционного материала - много лет спустя нашли широкое применение в авиации. Но в XIX в. эти идеи не соответствовали уровню технического прогресса и не смогли оказать заметного влияния на развитие первых самолетов.

На основе данного проекта Ф. дю Тамплем в 1870-е годы был построен первый в истории авиации натурный самолет.

Все рассмотренные выше проекты были разработаны в наиболее развитых в промышленном отношении странах - Англии, Франции, Германии. В России первые предложения по созданию самолетов появились в 1860-е годы (1).

(1) П.Д.Дузь пишет, что в 1850-е годы в России был разработан проект большого самолета с паровым двигателем [47, с. 43]. Однако это утверждение неверно. То, что Дузь называет проектом самолета, в действительности было проектом управляемого аэростата, который назывался "Самолет" [29].

В 1863 г. А.В.Эвальд в газете "Голос" дал описание "идеального проекта самолета" [126 ]. Он, в частности, отмечал:

"1). Для легчайшего разрезания воздуха при движении вперед самолет должен представлять в вертикальном разрезе фигуру, как можно более подходящую к математической линии.

2) Для лучшего противодействия притяжению Земли самолет должен представлять в плане как можно большую плоскость, то есть состоять из парашюта (крыла. -Д.С.).

3). Для поступательного движения самолет должен быть снабжен орудием, которое бы способно было сообщать ему постоянные толчки.

4). Чтобы эти толчки своей силой не разрушали механизмы самолета, они должны быть как можно слабее и вследствие того (для сообщения достаточной силы) повторяться как можно чаще.

5). Из всех орудий, известных в наше время, способнее других исполнит сказанные условия архимедов винт.

6). Архимедов винт может сообщить самолету только одну силу, а движение самолета требует двух сил: одну для противодействия притяжению земли, а другую для поступательного движения. Для постоянного сопротивления притяжению земли самолет должен лежать в воздухе не горизонтально, а наклонно, передним концом вверх, чего достигнуть очень нетрудно, простым перемещением центра тяжести. Таким образом, при равномерном движении архимедова винта и известном наклонении самолета он будет двигаться или горизонтально или по наклонной вверх и вниз, смотря по тому, как мы будем передвигать центр тяжести.

7). Для поворотов в горизонтальной плоскости мы уже имеем средство, именно руль.

8). Для удерживания самолета в равновесии центр тяжести его должен лежать, разумеется, внизу, для чего плоскости парашюта следует дать повышение к краям, наподобие того, как держат свои крылья животные".

В качестве двигателя Эвальд предусматривал применение паровой машины, отмечая ряд недостатков этого типа силовой установки.

А.В.Эвальд, как и Д.Кейли, ограничился рассмотрением основных характерных особенностей самолета, не проводя детальной разработки его конструкции. Тем не мене эта публикация показывает, что к началу второй половины XIX в. русскими изобретателями были ясно осознаны основные принципы проектирования самолета. А.В.Эвальд предусмотрел почти все необходимое для полета: двигатель, крыло, пропеллер, форму, обеспечивающую малое лобовое сопротивление, средства продольного и путевого управления, меры достижения устойчивости.

Первый технический проект был разработан в России год спустя. В 1864 г. артиллерийский офицер Н.А.Телешов запатентовал за рубежом (совместно с М.Менноном и Г.Струве) конструкцию многоместного пассажирского самолета с паровым двигателем (рис.2.9) [364 ]. Аппарат должен был иметь хорошо обтекаемый сигарообразный фюзеляж, внутри которого на двух палубах - верхней и нижней - располагались пассажиры и багаж. В центре предполагалось установить двухцилиндровую паровую машину В, для уменьшения веса штоки поворотных цилиндров должны были действовать непосредственно на вал пропеллера Е. К верхней части фюзеляжа крепилась парашютообразная несущая поверхность, имеющая при виде сверху форму шестиугольника. Она должна была иметь ферменную конструкцию с двухсторонней обтяжкой. Для управления предусматривались рули высоты D и направления J, а для балансировки в полете - переставной весовой регулятор Р. Как следует из описания проекта, многие конструкторские решения были заимствованы из опыта судостроения.

Рис.2.9. Проект самолета Телешова. Чертеж из патента.

Несмотря на очевидную практическую невыполнимость предложения Н.А.Телешова, данный проект представляет интерес как прообраз идеи многоместного авиалайнера.

В США интерес к самолетам начали проявлять только в 1870-е годы. Описание самолета как летательного аппарата будущего впервые появилось в американской прессе в 1876 г. [265], а год спустя патентное ведомство США выдало первый патент на самолет (╧ 190730; рис. 2.10). Автор патента, Ф.Барнетт, не указал, какой тип двигателя он предполагает употребить для полета. Известно, что позднее он безуспешно пытался подняться в воздух на моноплане с мускульным приводом винтов [173, с. 132-134].

Рис. 2.10. Проект самолета Ф.Банетта. Чертеж из патента.

* * *

Во всех рассмотренных проектах предлагались самолеты так называемой нормальной или классической схемы, т.е. схемы с горизонтальным оперением, расположенным позади крыла. Выбор такой аэродинамической компоновки основывался на копировании конфигурации птиц. По аналогии с птичьим хвостовое оперение должно было иметь веерообразную форму, а располагали его непосредственно за крылом.

В 1870 г. появился первый проект винтомоторного самолета схемы "бесхвостка" [235 ]. Изобретатель Р.Харт (Англия) не указал причин, по которым он отказался от применения хвостового оперения. Можно предположить, что он рассчитывал на самоустойчивость изолированного крыла - в соответствии с формулой Фосселя-Аванцини, полученной в конце 1860-х годов [255 ] для плоской пластины при увеличении угла атаки центр давления смещается назад и создает восстанавливающий момент.

В проекте Р.Харта рассматривался моноплан с крылом прямоугольной формы. Самолет должен был иметь толкающий винт, приводимый в движение паровым или мускульным двигателем. Балансировку в полете предполагалось осуществлять перемещением центра тяжести аппарата, а управление - с помощью отклоняемых поверхностей, расположенных на задней кромке крыла. При одновременном действии закрылки должны были выполнять функцию рулей высоты, при раздельном - аэродинамических тормозов для создания моментов рысканья (вертикальный руль не предусматривался). Дифференциальное отклонение закрылков должно было служить также для уравновешивания реактивного момента пропеллера.

В данном проекте впервые на самолете был предложен пропеллер с изменяемым в полете шагом, причем шаг мог меняться автоматически в зависимости от скорости вращения, в результате взаимодействия аэродинамических сил и сил упругости пружин-фиксаторов.

Рис. 2.11. Проект самолета-амфибии А.Пено. Чертеж из патента.

Проект Харта отличался рядом новых конструкторских идей (аэродинамические тормоза, автомат изменения шага винта). Вместе с тем изобретателю не удалось правильно решить задачу устойчивости самолета без горизонтального оперения. Как показала практика, величины восстанавливающих моментов изолированной пластины при изменении угла атаки намного меньше требуемых для автоматической продольной балансировки в полете.

Впервые задача создания устойчивого самолета схемы "бесхвостка" была теоретически решена французским исследователем и конструктором А.Пено. В 1876 г. им, совместно с механиком П.Гошо, был получен патент на "бесхвостый" самолет-амфибию с паровым двигателем и фюзеляжем в форме лодки (рис. 2.11) [330]. Обладая опытом в создании летающих моделей, Пено предложил достигать продольной балансировки самолета без горизонтального оперения применением в крыле профиля с отогнутой вверх задней кромкой. Продольная устойчивость при этом должна была обеспечиваться расположением центра тяжести вблизи передней кромки крыла. Поперечная устойчивость достигалась отгибом вверх концов крыла, путевая - вертикальным килем. Для управления по тангажу были предусмотрены рули высоты, расположенные на задней части центроплана крыла. Управление по курсу могло осуществляться рулем направления, а также аэродинамическими тормозами, представляющими собой расщепляющиеся щитки на концах крыла . (1)

В конструкции самолета было предложено много передовых для своего времени технических идей. Многолонжеронное крыло должно было иметь металлическую обшивку, работающую совместно с основным силовым набором. Для уменьшения изгибающего момента, действующего на крыло в полете, предусматривалась отрицательная крутка вдоль размаха. Были предложены также остекление кабины пилота, единая ручка управления высотой и направлением полета, приборное оборудование (магнитный компас, барометрический альтиметр, анемометр - указатель скорости движения, датчик угла тангажа) и даже автопилот, состоящий из датчиков (компас и компактный трос, подвешенный под фюзеляжем и сигнализирующий о близости земли) и электромеханизма, отклоняющего рули высоты и направления. Четырехколесное убирающееся шасси должно было иметь резиновую или пневматическую амортизацию. Для предохранения задней части фюзеляжа предусматривался хвостовой костыль.

В случае взлета с воды самолет должен был глиссировать на днище фюзеляжа или на наклонных металлических поверхностях под фюзеляжем - подводных крыльях. Для стоянки на воде предусматривалась установка поплавков под крыльями (на рисунке не показаны).

А.Пено предполагал использоваться на самолете винты с изменяемым по команде пилота шагом. Это было сделано для облегчения взлета. При уменьшении угла установки лопастей обороты винтов увеличивались. При взлете летчик должен был быстро увеличить шаг, добиваясь при этом заметного импульса тяги . (2) Для большей жесткости лопастей их планировалось выполнить из металла.

По оценке Пено, взлетный вес самолета составлял 1200 кг (при двух членах экипажа), потребная мощность двигателя - 20-30 л.с, максимальная скорость - 90 км/ч.

Проект Пено отличался высоким уровнем технического предвидения. Это был первый проект самолета, в котором предусматривалась возможность с брошенной ручкой управления. Пено подчеркивал: "...рули высоты являются просто рулями маневренности, которые служат для обеспечения спуска или подъема, устойчивое равновесие достигается... с помощью отгиба кверху задней части поддерживающей поверхности" [330, с. 284 ]. Реализация данной идеи позволила бы повысить безопасность полетов, облегчить работу летчика. Многие конструкторские решения, приложенные в данном патенте (работающая металлическая обшивка, автопилот и др.), более чем на полвека опередили свое время.

(1) Мысль об использовании аэродинамических тормозов для путевого управления, как и многие другие идеи в авиации, возникла в результате наблюдений за полетом птиц [70, с. 548]. Это техническое решение было оправдано в случае, если вертикальное оперение отсутствовало или плечо его действия было мало
(2) Этот метод старта применялся позднее на автожирах.

Зарождение идеи самолета-полиплана

Анализ первых проектов самолетов с паровым двигателем показывает, что в середине XIX в. сформировалась рациональная конструктивно-силовая схема самолета - расчалочный моноплан с крылом, образованным продольными и поперечными силовыми элементами из дерева или легкого металла, обтянутыми воздухонепроницаемой материей. Весовое совершенство такой конструкции было достаточно высоким.

Основным камнем преткновения являлся большой вес силовой установки. Несмотря на то что за полвека удельный вес паровой машины удалось уменьшить в четыре раза - с 200 до 50 кг/л.с, - даже в случае применения наиболее совершенных образцов двигателя возможность успешной реализации предложенных проектов вызывала большие сомнения [99, 307 ].

Одним из средств уменьшения мощности, необходимой для полета, было уменьшение скорости полета, так как N = PV. Из известного уже в те годы соотношения У = к SV следовало, что для сохранения той же подъемной силы при уменьшении V необходимо было увеличить площадь крыла. Однако при увеличении площади крыла за счет большего размаха резко возрастал вес конструкции крыла (mкр = klкр), а увеличение площади путем увеличения хорды крыла вело к росту длины и веса фюзеляжа . (1)

В результате сложившегося противоречия зародилась идея полиплана - летательного аппарата с несколькими несущими поверхностями.

Мысль о применении схемы с несколькими расположенными одно над другим крыльями впервые высказал Д.Кейли. В 1843 г., анализируя проект самолета У .Хенсона, Д.Кейли пришел к следующему выводу: "... чтобы получить достаточную величину поверхности для поддерживания большого веса в воздухе, следует делать не одну, а несколько параллельных плоскостей одна над другой на удобном расстоянии, благодаря чему можно создать более компактную конструкцию, с меньшим размахом" [171, с. 274].

Эту идею ученый воплотил в конструкции аппарата с тремя неподвижными крыльями малого удлинения и пропульсивной системой в виде двух машущих поверхностей, движимых вручную (рис. 2.12). Особенностью этого летательного аппарата (помимо полипланного крыла) было наличие двух хвостовых оперений: верхнее выполняло функцию переставного стабилизатора, а нижнее служило рулем высоты и направления. Машина было построена в 1849 г. и испытывалась (как планер) с мальчиком на борту [219, с. 127-134 ].

В начале 1850-х годов Д.Кейли работал над увеличенным вариантом аппарата, предназначенным для полета взрослого человека [219, с. 177-184]. Достоверных сведений о постройке и испытаниях этой машины не обнаружено.

(1) При этом, конечно, ухудшились бы и аэродинамические свойства крыла. Однако в середине XIX в. влияние формы крыла на его свойства еще не было изучено и, как правило, не принималось во внимание.

Идея самолета-полиплана получила дальнейшее развитие в работах одного из основоположников Аэронавтического общества Великобритании Ф.Уенхема. В отличие от Кейли, который предлагал применять схему "полиплан" для уменьшения размаха крыла при сохранении той же площади, Уенхем полагал выгодным в первую очередь увеличивать размах несущих поверхностей, считая, что при малых углах атаки вся подъемная сила создается узкой полоской вблизи передней кромки. (1) Если на летательном аппарате Кейли = 1, то согласно воззрениям Уенхема отношение длины к ширине крыла должно составлять 10-12. Для обеспечения достаточно большой площади при использовании узких крыльев предлагалось располагать 5-6 поверхностей одна над другой.

Результаты своих исследований Ф.Уенхем доложил в 1866 г. на заседании Аэронавтического общества [371 ]. В докладе также сообщалось, что с 1859 г. для проверки своих теоретических выводов исследователь построил несколько планеров-мускулолетов с полипланным крылом. Как и следовало ожидать, их испытания были неуспешны: хрупкие и неустойчивые аппараты ломались при первых попытках взлета.

Идея самолета-полиплана, зародившись в Англии, нашла вскоре приверженцев и в других странах. В 1868 г. в России М.Сауляк в статье "К вопросу о воздухоплавании" писал: "Если мы желаем дать телу квадратную плоскость в 100 кв. футов, то можно вместо одной большой плоскости устроить 4 меньших в 25 кв. футов каждую на расстоянии, примерно 4 футов одна от другой для свободного прохода между ними воздуха [98].

Рис. 2.12. Триплан Д.Кейли. Рисунок из записных книжек Кейли

Разновидностью схемы "полиплан" является схема "тандем" - компоновка, в которой несущие поверхности размещены одна за другой.

Схема "тандем", также как и схема с несколькими крыльями одно над другим, впервые была предложена в проектах аппаратов с крыльчатым пропеллером (Т.Уолкер, Англия, 1831 г. [370]; Клод, Франция, 1864 г.; Данжар, Франция, 1871 г. [173 ]). В первом проекте крыло-пропеллер необходимо было перемещать вручную (рис. 2.13), во втором - с помощью паровой машины. В проекте Данжара наряду с крыльчатым был предусмотрен и винтовой пропеллер. Выбор схемы "тандем" в отмеченных выше проектах был обусловлен, по-видимому, стремлением расположить пропеллер вблизи точек приложения веса и аэродинамических сил.

(1) В действительности Су профиля не зависит от длины его хорды. Таким образом, верная по существу мысль об аэродинамических преимуществах крылах большого удлинения, основывалась в данном случае на ошибочных предпосылках.

Анализ конструкции первых летательных аппаратов с несколькими несущими поверхностями показывает, что изобретатели, как правило, не учитывали ухудшения несущих свойств из-за интерференции близко расположенных крыльев. В связи с неудачной аэродинамической компоновкой подъемная сила оказалась бы в полтора-два раза меньше по сравнению с теоретически возможной (при том же размахе). Ошибочным, конечно, было и мнение, что несколько коротких крыльев обладают той же подъемной силой, как и одно крыло, имеющее при равной площади в соответствующее число раз больший размах.

Несмотря на отдельные ошибки, мысль о возможности замены одного неподвижного крыла несколькими являлась прогрессивным шагом в развитии идеи самолета. В случае правильной компоновки применение схемы "полиплан" позволяло увеличить грузоподъемность летательного аппарата. Однако до последнего десятилетия XIX в. концепция самолета-"полиплана" не получила распространения. Слишком убедительным казался пример птиц, свободно обходящихся в полете одной парой крыльев. Понадобился еще длительный период экспериментов с воздушными змеями, планерами и летающими моделями, прежде чем схема "полиплан" (точнее, ее разновидность - "биплан") нашла применение в авиации.

Рис. 2.13. Проект летательного аппарата Т.Уолкера. Изображение из книги Уолкера

Проекты реактивных самолетов

Способ уменьшения потребной мощности силовой установки путем увеличения площади крыльев и соответствующего снижения расчетной скорости полета помимо неизбежного увеличения веса конструкции имел еще один существенный недостаток. В рассматриваемый период, когда расчетная скорость полета не превышала нескольких десятков километров в час, ее дальнейшее уменьшение привело бы к тому, что самолет не смог двигаться даже против сравнительно несильного ветра. В результате он утрачивал свои основные преимущества - быстроту перемещения и независимость от направления воздушных потоков.

Уменьшение скорости полета было не единственным способом снижения потребного веса силовой установки. Если бы удалось найти новый тип авиационного двигателя, имеющий значительно большую удельную мощность, чем паровая машина, энергетический аспект проблемы полета удалось бы разрешить без снижения скорости. Попытки замены паровой машины другими типами механического двигателя (калориферным, двигателем внутреннего сгорания) не увенчались успехом из-за низкого КПД и ненадежности этих энергетических установок в середине XIX в. Поэтому ряд изобретателей обратился к идее использования на самолете реактивного двигателя. Простота конструкции значительная тяга и отсутствие необходимости в пропеллере, казалось бы, делали его идеальным типом авиационной силовой установки.

Первые предложения об использовании реактивного двигателя на транспорте были сделаны еще в XV-XVIII вв. (табл. 2.1). Таким образом, появление проектов реактивных самолетов явилось логическим продолжением работ по применению двигателей прямой реакции в технике.

Таблица 2.1. Первые предложения об использовании реактивного двигателя на транспорте

Тип двигателя
Область применения
Наземный и водный транспорт
летательные аппараты
На сжатом паре или газе
Реактивный автомобиль, проект, Англия, начало XVIII в.
Аэростат Миолана и Жа▄нинэ, Франция, 1783 г.
Пороховая ракета
Реактивный автомобиль, проект Фонтана, Италия, 1420 г.
Аэростат неизвестного изобретателя, проект, Италия, 1831 г.
Водометный
Судно Рензея, США, 1784 г.

В работах по истории авиационной и ракетной техники вопрос о приоритете в разработке идеи реактивного самолета освещается по-разному. Ряд исследователей считает, что впервые предложение использовать реактивный двигатель на самолете было высказано в 1841 г. английским изобретателем Ч.Голайтли [82, с. 172; 105, с163; 276, с. 86 ]. Г.Виссманн начинает изложение проектов реактивных самолетов с проекта анонимного немецкого изобретателя (1847 г.) [379, с. 229-230]. Нельзя, однако, согласиться ни с одним из этих утверждений, так как в действительности указанные проекты не являются проектами самолетов.

Единственным источником сведений о проекте Ч.Голайтли является к карикатура на предложенный им летательный аппарат (рис. 2.14), так как описания патента не обнаружено. Анализ приведенного рисунка показывает, что изобретенное устройство не имеет крыла и, следовательно, относится к классу ракет, а не самолетов.

Рис 2.14 Карикатура на проект реактивного летательного аппарата Ч. Голайтли.

Проект летательного аппарата, разработанный в 1847 г. в Германии (рис. 2.15), который Г.Виссманн и некоторые другие историки авиации [22, с. 183; 49, с. 57 ] считают проектом самолета с реактивным двигателем, в действительности является проектом орнитоптера, причем не с реактивным, а с поршневым двигателем. Поршень, перемещаемый газами от взрывов зарядов нитроглицерина, с помощью троса и системы блоков должен был передавать движение крыльям [249 ].

Рис. 2.15. Проект летательного аппарата неизвестного немецкого изобретателя, опубликованный в 1847г.

Рис. 2.16. Изображение воздушного змея с пороховой ракетой в качестве двигателя. Рисунок из книги Ф. Маттиса

Первые проекты реактивных самолетов были разработаны в середине 1860-х годов XIX в. (П.Маффиотти, Ш. де Луврие, Н.А.Телешов). Однако прежде чем приступить к изложению и анализу их содержания, необходимо отметить, что данным проектам предшествовали предложения об использовании реактивного двигателя на моделях самолетов. Этот важный момент в развитии идеи реактивного полета до настоящего времени в литературе не рассматривался.

Мысль о возможности создания летающей модели реактивного самолета впервые была высказана в 1835 г. в работах Г.Ребенштейна [343] и Ф.Маттиса [301 ]. Так совпало, что обе работы были опубликованы не только одновременно, но и в одном и том же городе - Нюрнберге.

Г.Ребенштейн, рассматривая возможность создания самолета, отмечал: "При опыте в малом виде (на модели. - Д.С.) не требуется никакого особенного снаряда для отталкивательной силы. Нужно только заключить в сжатом пространстве угольную кислоту, обладающую при обыкновенной температуре 40 или 44 атмосферами упругости, и выпускаемую из отверстия, которое можно произвольно уменьшать или увеличивать" [343, с. 35 ]. В работе Ф. Маттиса в качестве источника реактивной силы предлагалась пороховая ракета. Изобретатель указывал на возможность применения такого двигателя для полета воздушного змея (рис. 2.16), а также упоминал о возможности создания на этом принципе пилотируемого летательного аппарата [301, с. 14-15]. Сведения о реализации указанных предложений отсутствуют.

Преимуществом реактивных двигателей на сжатом газе или порохе была их простота. Однако продолжительность работы таких источников тяги составляла всего несколько секунд и их использование на самолете не имело смысла. Поэтому в проектах реактивных аппаратов, предназначенных для полета человека, обычно предусматривалось применение более сложных силовых установок, в которых расход сжатого газа или пара пополнялся бы специальным генератором рабочего тела.

Первые проекты реактивных самолетов создали в 1865 г. П.Маффиотти (Испания) и Ш. де Луврие (Франция).

Проект испанского изобретателя, над которым он работал в 1863-1865 гг., остался незавершенным. Анализ архивных документов, опубликованных сыном изобретателя в 1882 г. [248 ], показывает, что основное внимание уделялось конструированию двигателя. В качестве рабочего тела предполагалось использовать воздух, который должен был расширяться при увеличении его температуры в специальном нагревателе и выбрасываться через сопло. По принципу работы этот тип силовой установки представлял собой прямоточный воздушно-реактивный двигатель, но вместо впрыска топлива в камеру сгорания предлагался конвекционный способ увеличения температуры и давления рабочего тела. Тяга, развиваемая таким двигателем, была бы, конечно, очень мала.

Рис. 2.17. Проект реактивного самолета Ш. Де Луврие. Рисунок из патента

О проекте французского ученого и изобретателя Ш. де Луврие имеются более подробные сведения. Первоначально (1863 г.) Луврие разрабатывал проект винтомоторного самолета с двигателем, работающим на сжатом воздухе [292], однако два года спустя предложил заменить винтомоторный двигатель реактивным [293]. В описании этого проекта, которое появилось в печати в 1867 г. [325], говорилось: "Длина каждой стороны змея (крыла. -Д.С.) должна составлять 10 м. Он будет иметь металлическое покрытие, натянутое на раму из бамбука или труб из листового железа... Гондолу, имеющую форму ялика, предполагается выполнить из очень тонкой меди. Она будет иметь 7м в длину, миделевое сечение составит 1/4 м. Человек должен располагаться в центре, в лежачем положении. На концах гондолы будут размещены склады жидкого горючего; сзади крепится руль. Гондола связана со змеем двумя прочными стойками и системой проволочных вант, посредством которых должен регулироваться наклон плоскости. Гондола будет установлена на двух парах колес, на которых она должна катиться при взлете и приземлении. На двух брусьях между гондолой и змеем будут прикреплены параллельно оси гондолы два маленьких генератора (двигателя. -Д.С.) цилиндро-конической формы из листовой стали 2 мм толщиной, имеющие длину 3 м 40 см и диаметр 0,28 м".

Как следует из описания и из чертежа (рис. 2.17), "Аэронав" (так изобретатель назвал самолет) должен был представлять собой расчалочный моноплан схемы "бесхвостка" с верхнерасположенным крылом ромбовидной формы. Путевое управление предполагалось обеспечивать с помощью руля направления, продольное - изменением наклона крыла. Два реактивных двигателя планировалось установить между крылом и фюзеляжем. Топливо из фюзеляжа должно было поступать в двигатели с помощью насоса. Расчетная скорость полета составляла 220 км/ч, вес конструкции - 150 кг, взлетный вес - 600 кг.

Принцип работы двигателя заключался в следующем: топливо (керосин или бензин) смешивалось с поступавшим в двигатель воздухом, смесь воспламенялась от электрической искры и образовавшиеся при сгорании газы вылетали через сопло. При воспламенении горючей смеси клапаны прерывали подачу топлива и воздуха. Частота вспышек равнялась 30-40 в минуту (1). По расчетам изобретателя, такой двигатель был очень легким и экономичным (2).

Рис. 2.18. Проект реактивного самолета Н.А.Телешова. Рисунок из патента

Проект Ш. де Луврие рассматривался во Французской академии наук, где не встретил поддержки. Отсутствие финансовой помощи не позволило изобретателю реализовать свой замысел, был построен только двигатель [180].

Наиболее интересной частью проекта "Аэронава" была конструкция двигателя. Силовая установка, работающая на топливо-воздушной смеси, являлась прототипом современного воздушно-реактивного двигателя. Прерывистость горения позволяла ограничить давление в камере сгорания (до 5-6 атм) [180, с. 151 ] и в отличие от прямоточного воздушно-реактивного двигателя (ПВРД) обеспечивала некоторую тягу при взлете.

Конструкция самолета Луврие была весьма несовершенна. Размещение двигателя и крыла отдельно от фюзеляжа не позволяло обеспечить жесткость конструкции, и вибрация, вызванная работой пульсирующего воздушно-реактивного двигателя (ПуВРД) быстро разрушила бы самолет (3). Явно неудовлетворительно были решены вопросы устойчивости и управляемости "Аэронава". Малое удлинение крыла и значительное сопротивление стоек и расчалок увеличивали требуемую для полета тягу.

Более совершенный проект самолета с воздушно-реактивным двигателем был разработан в России в 1867 г. Н.А.Телешовым. Самолет, названный "Усовершенствованная система воздухоплавания" [365], должен был представлять собой моноплан с верхнерасположенным крылом треугольной формы (рис. 2.18). Угол стреловидности по передней кромке составлял 45 градусов. "Крылья, - писал Телешов,-состоят из нескольких рам, которые соединяются с помощью стержней; рамы и стержни могут быть из железа или любого другого подходящего металла. На этих рамах, соединенных указанным способом, натянуто полотно, которое должно быть как можно более воздухонепроницаемым. Крылья могут также крепиться для большей прочности при помощи растяжек. Корпус аппарата или воздушного корабля состоит из стержней из железа или другого подходящего металла, соединенных заклепками; внешняя поверхность корпуса покрыта полотном или другой подходящей тканью. Рули состоят также из рам, которые сделаны из железа или другого металла, покрытого тканью, подобной той, которая на крыльях. Эти рули приводятся в движение с помощью передачи, заканчивающейся внутри корабля". Для уменьшения лобового сопротивления носовой части фюзеляжа и передней части крыла предполагалось придать заостренную форму.

(1) Благодаря применению двух двигателей частота пульсации удваивалась
(2) По оценке Луврие, удельный вес двигателя - 1 кг/л.с, удельный расход топлива - 0 2 кг/л с На практике в те годы, эти величины, конечно, не могли быть достигнуты. При расчетах ошибочно полагалось что термический КПД двигателя равен единице [ 191, с. 179].
(3) Луврие осознавал этот недостаток и, стремясь уменьшить пульсацию реактивной струи, предложил в 1868 г. разместить в потоке газов винт - прототип газовой турбины [294].

Рис. 2.19.Проект реактивного самолета Д. Батлера и Э.Эдвардса. Рисунок из патента

Как и Ш. де Луврие, Н.А.Телешов планировал установить на самолете пульсирующий воз- душно-реактивный двигатель на жидком топливе. Основным отличием двигателя Телешова было то, что пары топлива должны были смешиваться с воздухом еще до поступления в камеру сгорания. Для этого было предусмотрено особое устройство типа современного карбюратора.

Для взлета самолет должен был разбегаться на колесах по рельсам или стартовать со специальной отделяемой тележки.

В проекте самолета "Усовершенствованная система воздухоплавания" предлагалась рациональная компоновка скоростного реактивного самолета. Применение ферменно-геодезической конструктивно-силовой схемы в сочетании с треугольным крылом обеспечивало высокую жесткость конструкции, а хорошо обтекаемые формы - малое лобовое сопротивление. Однако рассматриваемый проект слишком (более чем на три четверти века) обогнал свое время и, как следовало ожидать, так и остался на бумаге.

Одновременно с проектом Н.А.Телешова в Англии был запатентован проект реактивного самолета конструкции Д.Батлера и Э.Эдвардса [166]. Самолет английских изобретателей также должен был иметь крыло треугольной формы, но стреловидность его по передней кромке была значительно больше - около 80 градусов (рис. 2.19). Под крылом располагались килевая поверхность и двигатель, для управления имелись рули высоты и направления. Для продольной балансировки был предусмотрен подвижный груз. Крыло имело поперечную V-образность. Горизонтальное оперение отсутствовало. При старте самолет должен был устанавливаться на тележку, скатывающуюся по наклонным рельсам. Для амортизации при посадке были предусмотрены пружины.

Самолет Батлера и Эдвардса, внешне напоминающий школьные "бумажные стрелы", должен был обладать хорошей устойчивостью в полете. Однако подъемная сила крыла малого удлинения была очень незначительна. Этот недостаток самолета понимали и его изобретатели, в связи с чем в проекте отмечалось, что для увеличения грузоподъемности можно установить несколько пар крыльев.

В отличие от рассмотренных выше проектов самолетов с воздушно-реактивным двигателем, Батлер и Эдвардс предполагали осуществлять полет за счет реакции струи пара, выходящей под давлением из сопла в задней части самолета. Генератором пара должен был служить котел высокого давления.

Недостатком предложенного типа реактивного двигателя была его чрезвычайная неэкономичность. Поэтому в патенте предусматривалась также возможность применения на самолете воздушного винта, вращаемого непосредственно реакцией пара или с помощью трансмиссии от обычной паровой машины. В последнем случае двойная матерчатая обшивка крыла должна была быть заменена на металлическую, внутри которой происходила бы конденсация пара.

В 1868 г. в Англии появился еще один проект реактивного самолета - Д.Хантера [246 ]. Изобретатель предлагал применить в двигателе горючий газ, используемый в те годы для освещения улиц. Конструкция самолета была весьма примитивной, и мы не будем останавливаться на ее рассмотрении. Отметим только, что предполагалось сделать крыло с изменяемым в полете размахом и углом установки.

При рассмотрении работ в области проектирования реактивных самолетов можно заметить, что все отмеченные выше проекты появились почти одновременно в различных странах: с 1865 по 1868 гг. Ни ранее, ни позже (вплоть до 80-х годов XIX в.) разработка проектов реактивных самолетов не велась.

Это обстоятельство вызывает еще большее удивление, если учесть, что к моменту появления проектов реактивных самолетов в технике не было сделано каких-либо изобретений, позволивших усовершенствовать двигатель прямой реакции. Более того, пороховые ракеты - единственный применявшийся на практике реактивный снаряд - к 60-м годам XIX в. стали использоваться более ограничено и постепенно вытеснялись усовершенствованным ствольным оружием.

Скорее всего всплеск интереса к проблеме создания летательных аппаратов тяжелее воздуха, в том числе и реактивных, был вызван публикацией "Манифеста динамического воздухоплавания" Ф.Надара в 1863 г. [315 ]. В данной работе содержался призыв отказаться от попыток усовершенствовать аэростат и сконцентрировать усилия для создания аппарата тяжелее воздуха. Напечатанный большим тиражом "Манифест" был разослан в научные и общественные организации многих стран, передан известным представителям науки, техники и промышленности. По данным французского историка Ж.Дюгема, П.Маффиотти и Ш. де Луврие были знакомы с этим документом [191 ]. Несомненно, знал о нем и Н.А.Телешов, поддерживавший контакты с пионерами французской авиации.

В отличие от создателей первых проектов винтомоторных самолетов У.Хенсона, Ф.Тампля, А.Пено и других, весьма детально прорабатывавших конструкцию планера летательного аппарата, проектанты самолетов с реактивным двигателем, как правило, ограничивались разработкой общей компоновки аппарата, уделяя основное внимание конструированию силовой установки. Такой подход вполне объясним, так 'как паровой двигатель был уже хорошо изучен, а воздушно-реактивный являлся принципиально новым образцом энергетической техники. На детальную проработку нового двигателя и конструкции планера самолета у изобретателя не хватало ни сил, ни знаний.

В 80-е годы XIX в., когда в связи с организацией военных воздухоплавательных частей сформировались новые предпосылки для развития авиации, вновь стали появляться предложения об использовании двигателя прямой реакции на самолете. При этом большое внимание уделялось повышению экономичности реактивной силовой установки за счет конструктивных мер или применения нового, более энергоемкого горючего. Большое количество предложений в этой области было сделано русскими изобретателями С.С.Неждановским, А.Винклером, Ф.Р.Гешвендом. Из-за недостаточного уровня развития энергетической техники вес отечественных паровых двигателей был значительно больше, чем у лучших зарубежных образцов. Задача энергетического обеспечения полета стояла в России особенно остро.

Рис. 2.20. Проект "Парапет". Из брошюры Ф.Р. Гешвенда

Рис. 2.21. Реактивный летательный аппарат. Рисунок А.Г.Белла

С.С.Неждановский занимался проблемой использования реактивного двигателя для целей полета с 1880 г. Начав с разработки идеи аппарата с ракетодинамическим принципом поддержания, он вскоре осознал выгодность применения наряду с реактивным двигателем и крыла для создания аэродинамической подъемной силы. В его записях встречаются идеи самолетов с реактивными двигателями, работающими на сжатом газе (1882 г.), водяном паре (1884 г.), смеси нитроглицерина со спиртом или глицерином и воздухом (1889 г.). По оценке Неждановского, скорость некоторых таких самолетов должна была достигать 50 м/с (180 км/ч) [11, ╧2990/1, с. 141; ╧2990/2, с. 42].

Стремясь повысить экономичность предложенных им авиационных реактивных силовых установок, Неждановский выдвинул идею применения на сопле эжекторных насадок, предназначенных для подсоса воздуха к выхлопной струе. Хотя, как выяснилось впоследствии, использование таких насадок дает лишь очень незначительный прирост тяги. Сама мысль об увеличении экономичности реактивных двигателей за счет подвода окружающего воздуха к струе сгоревших газов оказалась принципиально верной и в настоящее время нашла воплощение в конструкции; двухконтурных турбореактивных двигателей (ТРД).

Необычная идея получения реактивной тяги содержалась в проекте самолета А.Винклера. Впервые он был рассмотрен на заседании воздухоплавательного отдела РТО в 1881 г. [31, с. 480]. В качестве источника энергии для полета изобретатель предложил создать пульсирующий ракетный двигатель, работающий на смеси газообразного кислорода и водорода, которые должны были получаться в результате электролиза находящейся на борту воды. Смешиваясь в камере сгорания в определенной пропорции, газы образовывали гремучую смесь, которая воспламенялась бы электрической искрой. Ток, необходимый для электролиза воды и воспламенения горючей смеси, должна была давать гальваническая батарея.

В том же 1881 г. идея реактивного двигателя на гремучей смеси была запатентована в Англии А.Ван-де-Керкхове и Т.Снирсом [369 ]. В отличие от А.Винклера, указанные изобретатели предлагали установить свой двигатель на гидросамолете, очевидно для удобства периодического пополнения предназначенной для электролиза воды.

Еще один проект реактивного самолета был опубликован в 1887 г. [37]. Автор этого проекта, киевский архитектор Ф.Р.Гешвенд, предлагал в качестве источника пропульсивной силы использовать струю сжатого пара. Генератором пара служил трубчатый паровой котел. Для уменьшения расхода пара Гешвенд (независимо от Неждановского) разработал систему эжекторных насадок для подсоса воздуха.

Конструктивно самолет Ф.Р.Гешвенда, названный им "Паролет", должен был представлять собой биплан-"бесхвостку" с крыльями эллипсовидной формы (рис. 2.20). Площадь крыльев составляла 32,5 м2, размах - 3 м. Фюзеляж с конусообразным носом для "рассечения воздуха" имел закрытую застекленную кабину для двух-трех пассажиров. Впереди кабины должен был размещаться котел и место пилота. Общая длина фюзеляжа -9 м. Для взлета и посадки служило четырех- колесное шасси. По замыслу изобретателя основным материалом для постройки "Паролета" должны были быть стальные трубы и полосы, цинковые и латунные листы. Обшивку крыльев предлагалось сделать полотняной. Полный вес самолета согласно проекту составлял около 1300 кг.

Для взлета самолет должен был разбегаться по рельсам до скорости 116 км/ч. Крылья имели угол атаки 16 градусов, а тяга, по оценке изобретателя, составила бы 1350 кг. После взлета угол атаки должен был постепенно уменьшаться, а скорость -увеличиваться. Максимальная расчетная скорость - 280 км/ч.

По оценке Гешвенда перелет "Паролета" по маршруту Киев - Петербург мог быть осуществлен за шесть часов с пятью-шестью остановками для заправки горючим (керосин). Заправочные станции должны были быть оборудованы для разбега самолета.

Уверенный в правильности своих идей (1), Гешвенд решился приступить к изготовлению аппарата, рассчитанного на 6 пассажиров [31, с. 354 ]. Однако отрицательный отзыв комиссии по применению воздухоплавания к военным целям, куда изобретатель обратился за помощью, не позволил реализовать этот замысел.

Изучение рукописного наследия известного американского ученого и изобретателя А.Белла показало, что он также интересовался проблемой реактивного полета. В начале 1890-х годов Белл проводил опыты с реактивными двигателями, работающими на пару или спирте. Автором обнаружен эскиз реактивного самолета (или модели), выполненный Беллом в 1893 г. (рис. 2.21) [277].

Учитывая повсеместное распространение реактивного двигателя в современной авиации, первые проекты реактивных самолетом представляют значительный исторический интерес. Однако в XIX в. это направление работ по созданию самолета было бесперспективно. Очень небольшие (с позиций наших дней) скорости, на которые были рассчитаны первые самолеты, делали совершенно нецелесообразным использование реактивного двигателя, даже если бы такой двигатель удалось создать (2).

(1) В действительности, как показывают расчеты [82, с. 168], максимальная тяга "Паролета" не превысила бы 10 кг, что в 135 раз меньше, чем ожидалось изобретателем.
(2) Для ВРД, работающего на углеводородном топливе, полный КПД полн - 0,00082V/Ср=2-3кг/кг.ч [92, с. 125]. При скорости 100-200 км/ч, на которую были рассчитаны реактивные самолеты XIX в., и удельный расход топлива был бы менее 1 %.

Некоторые новые идеи, предложенные в проектах конца XIX в.

В последние десятилетия XIX в. заметно возросло число предложений по созданию самолета. Только в России в 1880-1890-е годы было выдвинуто около 20 таких проектов. Активность изобретателей стимулировало создание специальных организаций, предназначенных для решения проблемы управляемого самолета. Немаловажное значение имела и общая атмосфера ускоренного развития технического прогресса, характерная для рассматриваемого периода.

Не ставя перед собой задачи осветить все проекты, мы остановимся на тех, которые отличались необычностью технических решений, новаторством заложенных в них идей.

Достижения электротехники и начало применения электричества на транспорте привело к появлению идеи использования электроэнергии для полета. В начале 80-х годов XIX в. во Франции велись отчасти успешные опыты по применению электродвигателя на дирижаблях. Эти работы оказали влияние и на сторонников динамического полета. В конце XIX в. появились два проекта самолетов, на которых в качестве силовой установки предполагалось использовать электродвигатель. Авторами проектов были русские изобретатели Н.А.Шишков и В.А.Татаринов.

Большой вес гальванической батареи для электродвигателя и успешные опыты по передаче тока по проводам на большие расстояния привели Шишкова к идее питания самолета электроэнергией с земли. В связи с этим проект получил название "Воздушная электрическая дорога" [125]. Аппарат должен был лететь над натянутой на столбах проволокой, с которой с помощью подвижного контакта ток мог поступать на борт к электродвигателю, вращающему воздушный винт.

По проекту изобретателя самолет должен был представлять собой моноплан с толкающим винтом. Крыло - плоское, металлическое, малого удлинения. Фюзеляж - деревянная или металлическая лодка - имел закрытую пассажирскую кабину. Горизонтальное оперение отсутствовало, управление в вертикальной плоскости предполагалось осуществлять с помощью изменения угла установки крыла.

Отсутствие бортового источника энергии лишало самолет независимости направления движения. Поэтому в проекте В.А.Татаринова, представленном в Главное инженерное управление в 1891 г. [31, с. 488-491], на борту самолета наряду с, электромотором должна была находиться и аккумуляторная батарея весом около 70 кг. Согласно расчетам полный вес самолета составлял 375 кг. Крыло площадью 73 м2 предполагалось сделать из камыша, обтянутого шелком. Консоли крыла могли складываться для удобства перемещения по земле. Силу тяги должен был обеспечивать вентилятор, нагнетающий воздух в особый мешок под крылом с горизонтальной прорезью сзади. Управление самолетом, по замыслу изобретателя, обеспечивалось изменением положения гондолы с пассажирами относительно крыла.

Идея использования электродвигателя в качестве основной силовой установки самолета долгое время оставалась неосуществимой из-за значительного веса аккумуляторных батарей. Только в наши дни, благодаря созданию солнечных батарей, появились некоторые перспективы воплощения этого замысла в жизнь.

В последние годы XIX столетия двигатель внутреннего сгорания стал с успехом применяться на летательных аппаратах и изобретения, направленные на решение энергетической проблемы полета, на время утратили актуальность.

Из условия горизонтального полета самолета следует:

Приведенная формула показывает, что снижение относительного веса двигателя (m дв) могло быть получено не только за счет уменьшения его удельного веса или нагрузки на крыло, которая пропорциональна квадрату скорости, но и благодаря повышению аэродинамического совершенства планера и пропеллера.

Одним из первых, кто обратил внимание на важность мер по снижению аэродинамического сопротивления самолета, был С.С.Неждановский. В 1883 г. он высказал идею размещать отдельные агрегаты самолета внутри крыла. Приводя схему размещения двигателя в крыле. Неждановский подчеркивал, что "...удовлетворительное устройство машины (самолета - Д.С.) зависит от ее легкости и формы, обусловливающей малое сопротивление воздуха" [11, ╧ 1079, с. 136]. Позднее, в 1893 г. ученый предложил убирать в полете шасси, причем уборка должна была осуществляться с помощью сжатого воздуха ("для раската и остановки на земле 3 ноги с колесами, ноги вращать вперед, подтягивая немедленно при поднятии в воздух... Для поднятия колес накачать в резервуар воздух ручным насосом" [11, ╧ 2990/3, с. 84 ].

В XIX в. было уже известно, что аэродинамическая сила, действующая на крыло, пропорциональна квадрату скорости полета. Это натолкнуло изобретателей на мысль о возможности применения на самолете крыла изменяемой в полете площади: с увеличением скорости площадь несущей поверхности, а следовательно, и лобовое сопротивление могли быть уменьшены. Данная идея содержалась в проекте самолета, предложенного жителем Москвы И.И.Сытиным в 1889 г. [177]. Самолет, представлявший собой расчалочный моноплан в форме птицы (рис. 2.22), должен был приводиться в движение углекислотным двигателем, вращающим два толкающих пропеллера. Уменьшение размаха крыла в полете предполагалось осуществлять с помощью гибкой стальной тяги, в исходное положение крыло возвращалось пружиной. Силовые элементы планера самолета Сытин предполагал выполнить из стальных труб, в качестве материала для обшивки могли служить стальные листы, дерево, плотные ткани или сильно спрессованная бумага.

Необычное предложение, направленное на улучшение аэродинамических качеств самолета, было сделано А.Лазаревым в 1884 г.: предлагалось обдувать верхнюю поверхность крыла струей отработанного пара (от паровой машины), увеличивая тем самым разрежение над ним [66 ]. Как известно, схожее техническое решение применяется сейчас на некоторых транспортных самолетах укороченного взлета и посадки.

В рассматриваемый период появились проекты самолетов, схемы свободнонесущий моноплан. На первый взгляд может показаться, что мысль о создании самолета по облику птицы является тривиальной. Однако заслуга изобретателей состоит в том, что они указали на аэродинамические преимущества указанной компоновки. Дальнейшее развитие авиации подтвердило правоту их идей.

Проект самолета схемы свободнонесущий моноплан опубликовал в 1891 г. швейцарский художник К.Штайгер-Кирхгофер [355 ]. Отсутствие специальных знаний у изобретателя компенсировалось несомненным даром технического предвидения: конструкция предложенного им самолета отличалась многими перспективными решениями. Это был моноплан с верхнерасположенным крылом типа "чайка" и тянущими пропеллерами (рис. 2.23). Для уменьшения лобового сопротивления аппарат Должен был иметь удобообтекаемый монококовый фюзеляж с закрытой кабиной пилота. Был предусмотрен также механизм для изменения угла установки лопастей винта в полете. Крыло имело выпуклый профиль с закругленной передней кромкой.

Следует, однако, отметить, что изобретателю не удалось правильно решить многие технические проблемы, связанные с проектированием самолета. Разработав совершенную аэродинамическую компоновку, Штайгер-Кирхгофер вместе с тем ошибочно полагал возможным использовать для полета двигатель на сжатом воздухе. К недостаткам проекта относится также несовершенство системы управления. Для изменения высоты полета предлагалось изменять положение центра тяжести или перемещать крыло вдоль продольной оси самолета. Путевое управление должно | было осуществляться путем изменения скорости вращения одного из винтов или применения аэродинамических тормозов на крыле. Явно занижена была и расчетная I мощность: при весе самолета 500 кг, площади крыла 63 м2 и скорости полета 36 км/ч | изобретатель полагал достаточным иметь на борту двигатель в 5 л.с.

Рис. 2.22. Проект самолета И.И.Сытина. Рисунок из патентной заявки

В 1894 г. в России К.Э.Циолковский независимо от К.Штайгер-Кирхгофера опубликовал проект моноплана, отличавшегося перспективной компоновкой и высокой степенью аэродинамического совершенства [119]. По уровню проектирования эта работа занимает особе место среди других предложений по созданию самолета. Если рассмотренные выше проекты основывались, как правило, на умозрительных заключениях, без сколь-либо серьезного математического обоснования выбора схемы и пара- метров, то проект К.Э.Циолковского опирался на глубокую и всестороннюю научную проработку, во многом схожую с методами современного проектирования. Проведенный ученым предварительный поиск включал, в частности, расчет оптимальных значений удлинения и относительной толщины крыла, анализ влияния отдельных параметров самолета на его летные характеристики; для определения взлетного веса использовалось уравнение относительных весов, при этом был проведен анализ каждого из его составляющих. Такой глубокий предварительный расчет при проектировании самолета был сделан впервые.

Рис. 2.23. Проект самолета-моноплана. Из книги К. Штайгер-Кирхгоффера

Строго научный подход обусловил прогрессивность решений. Согласно проекту самолет К.Э.Циолковского представлял собой свободнонесущий моноплан классической схемы с бензиновым двигателем внутреннего сгорания (рис. 2.24). Основным материалом конструкции должен был служить алюминий. Самолет предлагалось снабдить двумя соосными винтами, вращающимися в разные стороны. Крыло с расчетным удлинением 4 и относительной толщиной около 5 % имело выпуклый профиль и сужалось к концам, соединение несущей поверхности с фюзеляжем - по типу "чайка". На самолете было предусмотрено колесное шасси, для управления имелись вертикальный и горизонтальный рули. Фюзеляж хорошо обтекаемой формы с овальным поперечным сечением был рассчитан на перевозку в закрытой кабине одного-четырех человек. Согласно расчету в одноместном варианте взлетный вес самолета составлял 450 кг, мощность двигателей - 18,6 л.с., скорость - 128 км/ч, максимальная продолжительность полета -4 ч.

Рис. 2.24. Проект моноплана со свободнонесущим крылом. Из статьи К.Э.Циолковского, 1894г.

Несмотря на большой вес выпускаемых в те годы в России двигателей, К.Э.Циолковский верил в осуществимость своих идей. Он писал: "Если судить по энергии существующих двигателей, то следовало бы отказаться от мечтаний летать посредством птицеподобных снарядов... Однако у меня есть теоретические основания верить в возможность построения чрезвычайно легких и в то же время сильных петрольных (нефтяных. -Д.С.) двигателей, вполне удовлетворяющих задаче летания. Вот почему я не отказываюсь от дальнейшей разработки этого интересного вопроса" [119, с. 741 ].

Рис. 2.25. Проект самолета Г.Коха с винтом внутри фюзеляжа

Еще один проект самолета со свободнонесущим монопланным крылом и закрытым фюзеляжем был запатентован в 1897 г. английским ученым Ф.Ланчестером '[267]. Наибольший интерес в данном проекте представляет идея применения на концах крыла вертикальных поверхностей для уменьшения потерь подъемной силы из-за перетекания воздуха.

Стремление повысить КПД винтового пропеллера привело к идее размещать его внутри фюзеляжа. Это, по расчетам изобретателей, должно было устранить непроизводительные потери мощности из-за перемещения воздуха в плоскости винта.

Проекты самолетов с пропеллером в фюзеляже появились в 90-е годы XIX в. Наибольшую известность получил проект Г.Коха (Германия) (рис. 2.25) [259]. Паровой двигатель в 50 л.с. с помощью особой муфты мог передавать мощность на колеса при разбеге или на пропеллер в полете.

Менее известен проект самолета чешского инженера Г.Фингера (1895 г.) [206 ]. Самолет, названный изобретателем "Циклон", должен был иметь цилиндрический фюзеляж длиной 6-8 м и диаметром 1,5-2 м. Спереди и сзади в нем предполагалось установить два пропеллера, управление в полете - осуществлять изменением наклона заднего винта. Над крылом имелась вспомогательная горизонтальная поверхность, которая также предназначалась для управления в полете.

Проведенные в конце XIX в. эксперименты показали, что при работе винта перетекание воздуха в плоскости вращения практически отсутствует, а следовательно, заключать винт в кожух нет необходимости [304 ] (1).

Серьезной проблемой на пути создания самолета представлялся полет в неспокойной атмосфере. Многие пионеры авиации считали: порывы ветра могут быть такими внезапными, что летчик будет не в состоянии среагировать на них и своевременно выравнить аппарат. В связи с этим в последние десятилетия XIX в. зародилась заманчивая идея применения на самолете устройства, которое бы автоматически, независимо от летчика, отклоняло управляющие поверхности для возвращения аппарата в исходное положение. Так, например, в программе экспериментов, разработанной в 1884 г. отечественными энтузиастами динамического полета Н.А.Арендтом и В.Д.Спициным, говорилось: "...произвести опыты замены чувствительности человеческого организма при полете электрическими приспособлениями, кои сделали бы воздухоплавательный прибор по возможности автоматичным" [31, с. 282 ].

Наиболее очевидным казалось использование для обеспечения автоматической устойчивости маятникового устройства. Маятниковый автопилот на самолете предлагали С.К.Джевецкий (Россия, 1883 г.) [43], А.Гупиль (Франция, 1884 г.) [225], А. де Граффиньи (Франция, 1891 г.) [226], Г. Да Пра (Италия, 1898 г.) [139], С.Ленгли (США, 1899 г.) [270, с. 212 ]. Предполагалось применение как регуляторов прямого действия (движение маятника непосредственно передавалось на аэродинамические органы), так и более совершенных, с электрическим исполнительным механизмом (Пено, Джевецкий). Наибольший интерес среди отмеченных выше работ представляет проект А.Гупиля, в котором впервые в истории самолета были предусмотрены аэродинамические средства стабилизации относительно продольной оси.

(1) Некоторые зарубежные историки авиации [223, с. 68; 368, с. 154] считают, что летательные аппараты с винтом в фюзеляже являлись прообразами самолетов с турбореактивным двигателем. Это неверно, так как имеется лишь некоторое чисто внешнее сходство; принцип работы ТРД (сгорание топлива в сжатом воздухе) коренным образом отличается от способа получения тяги в отмеченных выше проектах.

Рис. 2.26 Проект самолета А.Гупиля с элеронами

А.Гупиль не был первым, кто задумался над необходимостью применения на летательном аппарате особых поверхностей для стабилизации нулевого крена. Еще в 1709 г. в проекте Б.Гусмао предусматривались подвижные крылья для поддержания поперечного равновесия в полете [200]. В 1868 г. в Англии М.Боультон получил патент на средства для устранения случайных кренов в полете с помощью "лопастей или подвижных поверхностей, установленных на стержнях, перпендикулярных длине аппарата" [156 ]. Эти органы управления могли отклоняться как вручную, так и автоматически. В связи с тем, что данное устройство предлагалось для орнитоптера, плодотворная идея Боультона осталась незамеченной пионерами самолетостроения.

В проекте А.Гупиля предлагался самолет-моноплан птицеподобных очертаний (рис. 2.26). Тянущий винт должен был приводиться в движение паровой машиной. Для движения по земле имелись полозья. На самолете помимо обычных органов управления - руля высоты и направления - был предусмотрен маятниковый стабилизатор тангажа и крена. "Регулятор, - писал А.Гупиль, - может работать автоматически или вручную для корректировки наклона в вертикальной плоскости или крена; он состоит из качающегося балансира, чей вес образован сидящим в кресле пилотом. Балансир, качаясь под действием различных наклонов аппарата, с помощью передачи поворачивает относительно горизонтальной оси две управляемые поверхности, которые размещены впереди справа и слева от аэроплана (d на рис. 2.26. - Д. С.). Если аэроплан наклоняется вправо, правая плоскость подставляет свою нижнюю поверхность потоку, левая - свою верхнюю поверхность, в результате динамическое давление выпрямляет аппарат. В случае наклона аппарата влево происходит обратное действие. Если аэроплан наклонится вперед, оба регулятора подставят свои нижние поверхности потоку и поднимут нос аппарата, и наоборот, если аэроплан будет подниматься слишком сильно" [225 с. 103 ].

Как видно из приведенной цитаты, разработанные Гупилем органы управления представляли собой элероны. Однако предназначались они не для управления, а только для стабилизации траектории полета (1).

Серьезным недостатком маятникового автопилота было нарушение его работы при наличии сил ускорения в полете. Этот дефект ярко проявился при испытании моделей: под влиянием центробежной силы при вираже маятниковый регулятор не выправлял крен, а наоборот, усиливал его [186, с. 120].

Указанный недостаток мог быть устранен в случае замены маятника гироскопом.

Мысль о возможности применения системы гироскопов для удержания тела в заданном положении в пространстве была высказана К.Э.Циолковским в 1883 г. в работе "Свободное пространство". 11 лет спустя ученый предложил использовать гироскопический автопилот на самолете. Он писал: "...мне кажется, для аэроплана следует употребить как регулятор горизонтальности маленький быстро вращающийся работою слабого электрического мотора диск, укрепленный на осях таким образом, чтобы его плоскость могла всегда сохранять одно положение, несмотря на вращение и наклонение снаряда. При быстром непрерывно поддерживаемом вращении диска (гироскоп или жироскоп), его плоскость будет неподвижна относительно снаряда, пока сам он не изменяет своего направления, но стоит только снаряду изменить это направление, как относительное положение вращающегося диска окажется измененным. Понятно, такое изменение может служить причиной замыкания и размыкания электрического тока, действующего на электромагнит и руль, который ∙ и заставляет чуть уклонившийся снаряд прийти снова в горизонтальное положение" [119, с. 742].

Независимо от К.Э.Циолковского в первой половине 1890-х годов разработкой гироскопического автомата продольной устойчивости самолета занимался Х.Максим. В отличие от перспективной идеи об использовании электроэнергии отклонение горизонтальных рулей в приборе Максима должно было осуществляться силой пара [304, с. 91 -97 ]. Английский изобретатель предполагал установить автомат на построенном им в 1892-1894 гг. самолете, но не осуществил этот замысел. Была построена только модель.

Идея гироскопического автопилота, зародившаяся в конце XIX в., с 1930-х годов нашла широкое применение в авиации.

Развитие идеи самолета в рассматриваемый период происходило в условиях конкурентной борьбы со сторонниками других типов летательных аппаратов, в частности вертолета. Неоспоримым преимуществом самолета являлась меньшая потребная Для полета мощность. Вертолет, в свою очередь, также обладал рядом достоинств, основным из которых была возможность вертикального взлета и посадки. Это позволяло обходиться без специально подготовленных аэродромов, уменьшало опасность при вынужденной посадке в случае отказа двигателя.

(1) В 1916-1917 гг. а США фирма Кертисс построила и испытала самолет Гупиля. Опыты показали, что в случае некоторой доработки системы управления и установки современного двигателя возможен полет и даже повороты в воздухе. Следует, однако, отметить, что в отличие от замысла Гупиля, подвижные боковые поверхности использовались при испытаниях исключительно для управления, и отклонялись не автоматически, а вручную [438, с. 923].

Во второй половине XIX в. появились предложения о создании летательных аппаратов, которые объединяли бы достоинства самолета и вертолета. Конструктивно они обычно представляли собой гибрид указанных типов машин. Не ставя перед собой цели осветить все эти проекты, мы остановимся на рассмотрении только таких аппаратов, у которых в горизонтальном полете подъемная сила образуется исключительно за счет крыла. В современной авиации они известны как самолеты вертикального взлета и посадки (СВВП).

Первые предложенные СВВП имели схему с поворотными винтами. При взлете и посадке пропеллеры устанавливались в горизонтальной плоскости и создавали вертикальную тягу, а в полете - поворачивались на 90 градусов и выполняли роль обычных самолетных винтов. Первый проект самолета такого типа принадлежит П.Маффиотти. Самолет вертикального взлета с поворотным винтом предлагал также Т.Мой (Англия, 1875 г.) [143, 1875 г., с. 10]. На нем должен был быть установлен паровой двигатель мощностью 100 л.с.

В 1881 г. в России был предложен проект самолета, вертикальный взлет и посадка которого должны были осуществляться благодаря повороту крыла с установленными на нем двигателями [28 ]. Помимо того, что данная схема взлета предлагалась впервые, это был также первый проект СВВП, стартующего с помощью реактивного двигателя.

Наряду с вертикально взлетающими и садящимися аппаратами в рассматриваемый период появились также проекты самолетов укороченного взлета и посадки. Определенный исторический интерес представляет проект С.И.Барановского "Летун" (1883 г.) [72 ]. Изобретателем предлагался самолет-моноплан с двумя толкающими пропеллерами и одним горизонтальным винтом в носовой части для управления по тангажу. При стоянке крылья могли складываться назад. Для уменьшения дистанции взлета корпус аппарата, благодаря особой конструкции шасси, должен был устанавливаться со значительным наклоном к горизонту. Тип двигателя для полета изобретатель не указал.

Еще один способ вертикального (или укороченного) подъема и спуска предлагался в отмеченном выше проекте И.И.Сытина [177 ]. На самолете планировалось применить вспомогательные винты с вертикальной осью. Они должны были работать на взлетно-посадочных режимах за счет отбора мощности от маршевого двигателя.

Как следует из приведенных выше сведений, во второй половине XIX в. были предложены все основные схемы самолетов вертикального взлета и посадки: с поворотными винтами, с поворотным крылом, с наклонным положением фюзеляжа при взлете, с останавливаемыми в горизонтальном полете винтами. Конечно, в те годы эти проекты были неосуществимы. Главным препятствием служило отсутствие мощных и легких двигателей для вертикального старта. Не решенными были и такие сложные проблемы, как обеспечение устойчивости и управляемости на переходных режимах, синхронизация вращения винтов, и т.д. Тем не менее эти работы заслуживают упоминания, так как большинство заложенных в них идей было повторено на самолетах второй половины XX в.

Общая оценка подхода к проектированию самолетов

В период 1830-1890-х годов было выдвинуто более 50 проектов самолетов, в основном с паровым механическим двигателем (табл. 2.2). Анализ приведенного выше материала позволяет выявить два основных направления в проектировании: 1) Проектирование на основе изучения и копирования полета птиц; 2) Умозрительный, "кабинетный" метод проектирования летательных аппаратов.

Для первого из указанных направлений, представителями которого являлись У.Хенсон, М.Лу, Г.Карлингфорд, Ф. дю Тампль, С.И.Барановский, А.Гупиль, И.И.Сытин, К.Штайгер, К.Э.Циолковский, было характерно проектирование самолетов-монопланов с оперением, расположенным за крылом. По аналогии с птичьим крылом несущим поверхностям придавалась нередко сложная криволинейная форма, предусматривался кривленный профиль. Нагрузка на крыло принималась, как у птиц-парителей, 3-8 кг/м2, удлинение крыла - не менее 2. Веерообразное хвостовое оперение должно было располагаться непосредственно за крылом. В качестве конструкционного материала обычно выбиралось дерево, для обшивки служило полотно. Основным типом двигателя была паровая машина, движитель - винтовой пропеллер.

Представителями другого направления в проектировании самолетов были Ф.Маттис, Н.А.Телешов, П.Маффиоти, Ш. де Луврие, Д.Батлер и Э.Эдвардс, Д.Хантер, Р.Харт, Данжар, А.Винклер, Н.А.Шишков, С.С.Неждановский, Ф.Р.Гешвенд, Г.Филлипс и другие. Разработанные ими конструкции отличались необычными аэродинамическими схемами - "бесхвостка", "тандем", "полиплан"; крыло, как правило, имело четкие геометрические формы (круг, треугольник, прямоугольник, ромб, шестиугольник), плоскую поверхность, малое удлинение и напоминало, скорее, воздушный змей, чем крылья птиц. Для данных проектов были характерны предложения использовать в качестве силовой установки наряду с паровой машиной реактивный или электрический двигатель. Предусматривалось широкое применение металла в конструкции. Следует отметить также такие идеи, как использование вспомогательных подъемных двигателей, расположение винта в фюзеляже. Расчетная скорость некоторых из этих аппаратов должна была составлять 200 км/ч и более. В целом самолеты, предложенные в этих проектах, были весьма далеки от реальных возможностей техники своего времени.

Несмотря на различные подходы к проектированию, можно выделить ряд особенностей, характерных для самолетов, предложенных в проектах XIX в.: широкое распространение схемы "расчалочный моноплан", высокое расположение крыла относительно фюзеляжа для обеспечения устойчивости, отсутствие органов поперечного управления, применение наземных средств для облегчения взлета (наклонная плоскость, катапульта). Наряду с аэродинамическими рулями обычно предусматривалась возможность изменения центровки самолета для продольной балансировки в полете.

В результате проектной деятельности выкристаллизовалась рациональная конструктивно-силовая схема, были найдены выгодные в весовом отношении материалы, предложен более эффективный по сравнению с машущим крылом движитель - воздушный винт, разработаны способы путевого и продольного управления. В некоторых проектах содержались такие перспективные идеи, как схема "свободнонесущий Моноплан", использование алюминия в конструкции, металлическая работающая обшивка, профилированные нервюры, убирающееся шасси с амортизацией, винт изменяемого шага и др.

Таблица 2.2. Классификация проектов самолетов XIX в. по типу двигателя и аэродинамической схеме (1)

Аэродинамическая
схема
Тип двигателя
паровой (паровая
машина)
реактивный
электрический
Моноплан классической схемы
Маттис, 1835
Хенсон, 1842
Лу, 1853
Тампль, 1857
Телешов, 1864
Гупиль, 1884
Сытин, 1889(2)
Граффиньи, 1890(2)
Штайгер, 1891(2)
Циолковский,
1894(3)
Маффиотти, 1865
Телешов, 1867
Моноплан-"бесхвостка"
Харт, 1870
Пено, 1876
Кох, 1893
Луврие, 1865
Батлер, Эдвардс,
1867
Хантер, 1868
Винклер, 1881
Неждановский,
1882-1889
Шишков, 1882
Татаринов, 1891
Биплан-"бесхвостка"
Гешвенд, 1887
Моноплан-"тандем"
Клодель,1864
Кох, 1896
Пра, 1898(3)
Полиплан-"тандем"
Филлипс, 1890

(1) Не включены проекты самолетов с мускульным приводом, а также те проекты, в которых не указан тип двигателя.
(2) В качестве рабочего тела предусмотрено использование углекислоты или сжатого воздуха
(3) Предусматривалось также применение бензинового двигателя внутреннего сгорания.

Конечно, далеко не все идеи, содержащиеся в проектах самолетов XIX в., были верными. Ранее уже отмечалось о бесперспективности предложений по установке пропеллера внутри фюзеляжа; нереальной в рассматриваемый период была также идея создания самолета с мускульным, реактивным или электрическим двигателем. К числу ошибочных следует отнести и мысль об образовании пропульсивной силы при самоколебаниях в потоке гибкой хвостовой части крыла [62 ]. Явно непрактичными были идеи о возможности превращения крыла в парашют при посадке [107, 226 ] и об использовании водорода для увеличения подъемной силы самолета [116, ф.802, оп. 3, д. 1372 ]. Не получили распространения в авиации самолеты с большим числом крыльев, такие, например, как 26-план, предлагавшийся в проекте Г.Филлипса [335].

Слабым звеном в проектировании самолетов был выбор расчетных параметров -удлинения крыла и кривизны профиля, полетного угла атаки, нагрузки на крыло, необходимой для полета мощности, площади оперения. Если при разработке конструкции изобретатели могли в определенной степени опираться на опыт создания летательных аппаратов легче воздуха, судостроения и других смежных областей техники, то научно обоснованной методики выбора большинства расчетных параметров не существовало. Экспериментальная аэродинамика самолета еще не получила развития, а попытки установить необходимые величины на основе изучения полета птиц были малоуспешны из-за значительного разброса искомых параметров у разных птиц и трудности измерения некоторых из них (например, угла атаки или потребной для полета мощности). В результате многие важнейшие расчетные параметры выбирались, по-существу, произвольно и значительно отличались друг от друга (табл. 2.3).

Таблица 2.3. Параметры самолетов в проектах XIX в.

Автор проекта, год
кр
d нв,
град
m/s, кг/м2
N/m, л.с./кг
Аг.о
Ав.о
Маттис, 1835
1.8
10-15
2.4
0.1
0.010
Хенсон, 1842
4.4
3.2
00.2
0.2
0.004
Тампль, 1857
3.0
35
10
0.06
0.5
0.016
Луврие, 1865
1.0
6
0
0.002
Пено, 1876
4.0
2
16
0.02
0
0.012
Гешвенд, 1887
0.3
16
41
0.13
0
0.05
Граффиньи, 1890
1.6
15
0.04
Циолковский, 1894
4.0
0.04
0.03
0.008

Из-за невысокого аэродинамического качества и ошибочной оценки потребной мощности полет предложенных в рассмотренных выше проектах самолетов был, как правило, теоретически невозможен. Расчет показывает, что для горизонтального полета мощность двигателей обычно должна была быть во много раз больше, чем полагали изобретатели (табл. 2.4).

Отсутствие практической проверки не позволяло выявить прогрессивное и отбросить ошибочное в работах изобретателей XIX в. Поэтому развитие концепции самолета в целом не происходило. Несмотря на ряд блестящих предвидений, общий уровень проектов конца XIX в. был, пожалуй, даже ниже, чем в середине столетия: по мере отхода от естественного прототипа - птицы - появляются все более фантастические, оторванные от жизни предложения.

Для дальнейшего развития идеи самолета необходимо было сделать следующий шаг к практике.

Таблица 2.4. Сравнение потребной и располагаемой энерговооруженности самолетов, предложенный в проектах XIX в.

Автор проекта
Ka макс
N/m потр (1), л.с./кг
Хенсон
6
0.046
0,48-0,31
Тампль
5
0,06
0,11
Луврие
3
0,3 (P/m)потр
0,10(Ррасп (2) /Рпотр)
Пено
6
0,048
0,52-0,35
Гешвенд
1
1 (P/m)потр
0,007 (Ррасп/Рпотр)
Штойгер
10
0,03
0,3
Циолковский
10
0,03
1,3

(1) Здесь и далее определение мощности, необходимой для горизонтального полета аппаратов с неподвижным крылом и винтомоторной силовой установкой, велось по формуле Nпотр ≈ mV 75кг. При этом, если V, К и Г неизвестны, скорость полета определялась из соотношения V - 4 m/s су кмакс (Су - 0,4-0,7 в зависимости от формы профиля [1, с. 276]), К определялось на основе данных аэродинамического расчета самолета Можайского [1, с. 67-74] с пересчетом на соответствующее удлинение крыла. Для самолетов с реактивным двигателем потребная тяга Рпотр - mk.
(2) Ррасп - mcw g, где mc - секундный расход воздуха; W - скорость истечения газа.




 

  Реклама:




             Rambler's Top100 Rambler's Top100