Глава 1.3 - Д.А.Соболев. История самолетов

С момента появления первых проектов самолетов у изобретателей имелось естественное стремление реализовать свои идеи на практике. Судостроение и мебельная промышленность обеспечивали создание конструкции сложных форм, а хорошие прочностные свойства дерева - ее малый вес. Для расчаливания крыла с успехом могла быть использована калиброванная проволока, используемая в производстве музыкальных инструментов. Таким образом, уровень техники позволял изготовить планер самолета с высоким весовым совершенством.

Однако воплощению проектов в жизнь в течение длительного времени препятствовал большой вес двигателей, в середине XIX в. лучшие образцы паровой машины - единственного в то время работоспособного типа энергетической установки - весили около 50 кг/л.с. Все попытки использовать для полета силу мускулов были, естественно, безуспешны.

Немаловажное воздействие оказывала также та атмосфера непонимания и насмешек, которая сопутствовала деятельности пионеров авиации. "На нас смотрят как на людей, которые желали бы, положим, построить железную дорогу на Луну или что-нибудь подобное", - писал А.В.Эвальд [127, с. 109 ], первым в России начавший интересоваться вопросами самолетостроения.

Возможность создания летательного аппарата тяжелее воздуха с неподвижным крылом отрицали не только люди, далекие от науки, но и многие крупные ученые XIX в. (Гельмгольц, Навье, Гей-Люссак и др.). Это в немалой степени было обусловлено выводами, вытекающими из ударной теории сопротивления среды, разработанной И.Ньютоном. Согласно этой теории подъемная сила крыла пропорциональна квадрату синуса угла встречи несущей поверхности с набегающим потоком и, следовательно, в практически приемлемом диапазоне углов атаки очень незначительна. Еще одним доводом противников динамического полета являлся так называемый закон "квадрата - куба", по которому вес тел возрастает заметно быстрее линейных Размеров. Следовательно, по мнению некоторых ученых, полет аппаратов тяжелее воздуха если и возможен, то только в виде миниатюрных моделей-игрушек.

Ситуация изменилась к лучшему только в конце XIX столетия. Этому способствовали результаты опытов с летающими моделями самолетов и исследования несущих свойств крыла на наземных установках, создание новых образцов двигателей с меньшим удельным весом, а также то, что во многих странах на летательные аппараты стали смотреть как на новый перспективный вид вооружения и оказывать некоторое содействие их развитию.

Создание летающих моделей

Постройка летающих моделей практиковалась пионерами авиации еще в XVIIIB.; в июне 1783 г. во Франции братья Монгольфье запустили модель теплового аэростата, а год спустя их соотечественники Б.Лоннуа и Ж.Бьенвеню продемонстрировали перед представителями Французской академии наук летающую модель вертолета, источником энергии которой служила тетива лука.

Создание летающих моделей самолетов началось одновременно с появлением первых проектов самолетов. Успешные испытания модели иллюстрировали верность суждений проектировщика, что давало некоторую надежду на воплощение проекта в жизнь.

В 1842-1843 гг. У.Хенсон (проект самолета которого рассмотрен в предыдущей главе) занимался созданием модели с миниатюрным паровым двигателем, которая должна была представлять собой уменьшенную копию запатентованного аппарата.

Сведений о конструкции первой в истории авиации модели самолета сохранилось очень мало. Известно лишь, что она имела монопланное крыло площадью 3,7 м2, обтянутое шелком и подкрепленное проволочными растяжками. Вес одноцилиндровой паровой машины вместе с котлом, топливом и водой составлял 2,7 кг. Общий вес модели равнялся 6,3 кг [311 ].

Опыты с моделью проводилось в 1843 г. в Лондоне в закрытом помещении. Запуск производился с наклонной плоскости. Испытания были неудачны: модель падала сразу же после схода со стартовой рампы.

В 1845 г. У.Хенсон совместно с механиком Д.Стрингфеллоу построил новую модель с паровым двигателем. Этот летательный аппарат был значительно больше модели 1842-1843 гг. По данным секретаря Королевского аэронавтического общества Ф.Брирея, он имел размах 6,1 м, площадь крыла - 6,5 м2, взлетный вес составлял около 12 кг. Горизонтальное оперение могло быть установлено под разными углами к крылу, вертикальное оперение было выполнено неподвижным [160, с. 1-2 ].

В отличие от опытов 1843 г. испытания новой модели проводились на открытом воздухе. Эксперименты вновь не дали положительных результатов. По словам Ф.Стрингфеллоу, сына изобретателя, модель не могла поддерживать себя в воздухе [357 ]. Ф.Брирей, ссылаясь на воспоминания Д.Стрингфеллоу, отмечал, что проведению опытов в значительной мере препятствовала недостаточная жесткость конструкции: под воздействием ветра и влаги постоянно ослабевало натяжение проволочных растяжек и обшивки крыла [160 ]. После семинедельных безрезультатных попыток запустить модель опыты были прекращены.

После второй неудачи Хенсон остыл к своей идее, вскоре уехал в США и больше не занимался авиационными исследованиями. Стрингфеллоу продолжил эксперименты один. В 1848 г. он построил модель самолета с размахом крыльев 3 м. Как и предыдущие модели, этот летательный аппарат представлял собой расчалочный моноплан, снабженный паровым двигателем и двумя толкающими винтовыми пропеллерами. Вместе с тем описание и фотография модели (рис. 3.1) позволяют установить ряд существенных конструктивных отличий от образца 1845 г. Помимо вдвое меньших размеров, модель 1848 г. имела заостренное к концам крыло с плоским профилем и гибкой задней кромкой. Была изменена также и форма винтов - они стали четырехлопастные, меньшего диаметра. Стремясь облегчить конструкцию, Стрингфеллоу отказался от применения на модели шасси и вертикального оперения, сохранив, однако, килевидную гондолу под крылом. Горизонтальное оперение было вынесено назад на балке, что увеличивало его эффективность. Вес модели - 2,9 кг.

Рис. 3.1. Летающая модель Д.Стингфеллоу, 1848г.

Принимая во внимание неудачные испытания модели 1845 г., Стрингфеллоу отказался от испытаний под открытым небом. Разбег с работающими винтами должен был происходить вдоль наклонно натянутой проволоки. Пройдя определенное расстояние и набрав скорость, модель автоматически отцеплялась и уходила в свободный полет. В связи с тем, что аппарат не имел шасси, была предусмотрена специальная полотняная ловушка для подхвата модели при посадке.

Модель Стрингфеллоу неоднократно испытывалась в 1848 г. Сведения о результатах опытов весьма противоречивы. В сообщении, появившемся в газете "Таймс" от 22 августа 1848 г., говорилось: "Вчера после полудня под огромным тентом в Cremorne Garden (Лондон - Д.С.) была проведена серия экспериментов для испытания мощностей машины, изобретенной мистером Стрингфеллоу и предназначенной Для полета по воздуху. Погода была чрезвычайно неблагоприятной и едва ли можно справедливо оценить возможности этой машины... Она, несомненно, обладает определенной пропеллирующей мощностью и, по-видимому, в случае добавления поддерживающей силы сможет сыграть важную роль в воздухоплавательных опытах". Приведенная выдержка свидетельствует, что опыты, предпринятые 21 августа, были неудачными. Однако в сообщениях более позднего времени, принадлежащих Ф.Брирею [160 ] и Ф.Стрингфеллоу [357 ], говорится об успешных запусках модели. Отмечалось, что при опытах в Chard она совершила свободный полет без снижения Дальностью около 10 м, а в Cremorne Garden был осуществлен полет на расстояние свыше 35 м. Сам конструктор писал, что опыты имели "частичный успех" [118, 332 ].

Основываясь на сообщениях Ф.Брирея и Ф.Стрингфеллоу, многие историки авиации отмечали, что первая летающая модель самолета появилась в 1848 г. [22, с. 156; 184; 296, с. 292]. Вместе с тем в ряде работ более позднего периода ставится под сомнение свидетельство о якобы успешных испытаниях аппарата Д.Стрингфеллоу 1848 г. [150,223].

Автором была проведена численная оценка возможности установившегося полета этой модели. Расчет показал, что если удельный вес парового двигателя не превышал 6 кг/л.с. (1), то (теоретически) прямолинейный полет модели без снижения был возможен (табл. 3.1). Однако на практике добиться полетов модели, не обладавшей даже минимальным избытком мощности и не имевшей запаса продольной и путевой устойчивости (2), было бы чрезвычайно трудно. Возможно, что в нескольких случаях действительно имел место кратковременный полет без снижения, но такие случаи были скорее исключением, чем правилом. В связи с этим едва ли можно считать модель Стрингфеллоу 1848 г. первой летающей моделью самолета.

Косвенно о неуспехе испытаний модели 1848 г. свидетельствует также то, что Стрингфеллоу надолго прекратил опыты с летающими моделями. Только в 1868 г., после двадцатилетнего перерыва, он, по предложению Ф.Брирея, построил новую модель самолета с паровым двигателем, которая предназначалась для демонстрации на аэронавтической выставке в Лондоне.

Таблица 3.1. Сравнение потребной и располагаемой энерговооруженности первых моделей самолетов с паровым двигателем

Конструктор, год испытаний	m/s, кг/м²	V мин,м/с	(N/m)потрл.с./кг	(N/m)_pacпл.с/кг
Стрингфеллоу, 1848	2,4	9	0,060	0,060⁽³⁾
Стрингфеллоу, 1868	2,4	9	0,063	0,060
Мой, Шилл, 1875	9,2	17	0,12	0,031

В отличие от прежних моделей Д.Стрингфеллоу модель 1868 г. имела три несущие поверхности, расположенные одна над другой (рис. 3.2). Выбор новой схемы был сделан, по-видимому, под влиянием публикаций его соотечественников - Д.Кейли и Ф.Уенхема, в которых обосновывались преимущества полипланного крыла. Крылья были соединены с помощью вертикальных стоек и проволочных растяжек. По сравнению с моделью 1848 г. несущие поверхности имели прямолинейные очертания, гибкость задней кромки не предусматривалась. Профиль крыла плоский. Двигатель был установлен в обтекателе между нижним и средним крылом. Он вращал два толкающих винта. Среднее крыло плавно переходило в горизонтальное хвостовое оперение. Вертикальное оперение отсутствовало. Основными материалами аппарата, как и в прежних моделях Стрингфеллоу, были дерево и полотно. Полный вес модели составлял 5,4 кг, общая площадь крыльев - 2,6 м2, мощность двигателя -1/3л.с. [160, с.8].

В целом модель имела весьма рациональную конструктивно-силовую схему. В то же время отсутствие вертикального оперения и поперечного V крыла, а также малое плечо действия горизонтального оперения говорят о недостаточной устойчивости этого аппарата. Модель Стрингфеллоу демонстрировалась на Аэронавтической выставке 1868 г. в Лондоне. Опасаясь пожара, администрация запретила испытывать аппарат в полете и демонстрировала лишь его пробежки вдоль горизонтально натянутой проволоки. Предпринятые позже летные испытания модели на открытом воздухе не увенчались успехом: воздушный поток постоянно гасил пламя спиртовой горелки котла [161 ].

(1) Известно, что удельный вес парового двигателя аналогичной конструкции и близких размеров, изготовленного Стрингфеллоу в 1868 г. для аэронавтической выставки в Лондоне, составлял 5,9 кг/л.с. [345].
(2) Из чертежей модели Хц т - 0,5-0,6.
(3) Мощность модели Стрингфеллоу неизвестна. Приведено значение энерговооруженности при y дв = 6 кг/л.с и m дв ≈ 0,35.

Несмотря на то что модель Л.Стрингфеллоу 1868 г. так и не смогла совершить полет(1), ее создание оказало определенное положительное влияние на развитие конструкции самолета-полиплана. В частности, как отмечал Ч.Гиббс-Смит, сведения о ней повлияли на выбор конструктивно-силовой схемы планеров О.Шанюта и братьев Райт [218, с. 17, 18 ].

Завершая обзор деятельности Д.Стрингфеллоу в области авиамоделизма, следует отметить, что его работы продолжил сын, Ф.Стрингфеллоу. В 1886 г. он изготовил модель самолета с бипланным крылом и паровым двигателем. По существу, она являлась модификацией модели Д.Стрингфеллоу 1848 г. Одно крыло было заменено двумя, вместо толкающих применены тянущие винты. Вес аппарата составлял 8,6 кг [357]. Сведений об испытаниях нет. В отличие от модели 1868 г. эта конструкция осталась малоизвестной и не оказала какого-либо влияния на развитие самолета.

Считается, что триплан 1868 г. был последней построенной Стрингфеллоу моделью самолета. Это, однако, не так. В письме американскому журналисту Д.Беннету 22 марта 1871 г. Д.Стрингфеллоу писал, что после Аэронавтической выставки в Лондоне он изготовил еще одну модель - на этот раз моноплан с размахом крыла 3,6м, для того чтобы сравнить на опыте свойства моноплана и полиплана [278 ]. Испытывалась ли она, неизвестно.

В 1874 г. английский инженер Т.Мой совместно с механиком Р.Шиллом построили модель парового самолета, вес которой достигал почти 100 кг. Площадь крыльев составляла 10,5 м2, мощность мотора - 3 л.с. Как и модель Д.Стрингфеллоу 1868 г., этот аппарат имел несколько несущих поверхностей, однако расположены они были не одна над другой, а уступом, одна за другой (рис. 3.3). Заднее крыло было установлено несколько выше переднего, еще выше располагалось горизонтальное оперение. Крылья имели бамбуковую основу и были обтянуты полотном. Установочный угол атаки составлял 10 градусов. В промежутках между крыльями были размещены два шестилопастных пропеллера диаметром 1,8 м. Лопасти могли изменять свой наклон - при ходе вниз их угол атаки увеличивался. Благодаря этому изобретатели надеялись получить дополнительную подъемную силу.

(1) Из табл. 3.1 следует, что она, как и модель 1848г., не обладала требуемым запасом мощности.

Цилиндры паровой машины, установленной на модели, были объединены в одно целое с парообразователем, что позволяло уменьшить непроизводительные потери тепла. Водотрубный котел отапливался спиртом. Удельный вес двигателя составлял 12кг/л.с.

Модель Моя и Шилла, названная ими "Aerial Steamer" ("Воздушный пароход"), испытывалась в 1875 г. [143,1875г. ]. Опыты производились на привязи на круговом треке диаметром около 100 м. При пробежках достигалась скорость 5,5 м/с, недостаточная для подъема аппарата в воздух (см. табл. 3.1).

Таким образом, создание моделей с паровым двигателем, требовавшее высокого технического мастерства и немалых затрат, не приводило к желаемым результатам. Вместе с тем к середине XIX в. был построен ряд простых моделей, с обычной часовой пружиной, способных к непродолжительным полетам: дирижабли Ч.Грина (1840 г.) и П.Жюльена (1850г.); вертолеты Я.Дегена (1807-1816гг.), Борна (1843г.), Ж.Плина (1855 г.) и др. Это послужило стимулом к созданию летающих моделей самолетов с пружинным двигателем.

В 50-е годы XIX в. такую модель построил Ф. дю Тампль, автор рассмотренного выше проекта самолета с паровым двигателем. Она, как и предложенный в проекте самолет, представляла собой моноплан классической схемы с верхнерасположенным крылом, установленным под углом 14 градусов к оси фюзеляжа, имела тянущий винт. Вес модели составлял 500 г.

Модель испытывалась в полете. Вот как описывает опыт брат изобретателя, Л. дю Тампль: "Для взлета воздушная лодка, поставленная на маленькую тележку с колесиками, была помещена в нижней части наклонной плоскости, угол наклона которой соответственно увеличивал наклон крыльев (1). С пуском двигателя в ход винт увлекал всю систему со скоростью, которая вскоре оказалась достаточной для того, чтобы вертикальная составляющая сопротивления воздуха сделалась больше, чем вес лодки. Тогда последняя поднялась в воздух и, когда винт остановился, снова упала, но без сотрясения, т.к. крылья выполнили роль парашюта. Лодка опустилась на колесики, как птица садится на лапки" [201, с. 40]. Модель Ф. дю Тампля являлась первой известной в настоящее время моделью самолета, совершившей подъем в воздух. Однако из-за большого удельного веса пружинного двигателя, продолжительность ее полета была очень мала (табл. 3.2).

(1) Этот метод запуска показывает, что в те годы еще не понимали разницы между углом атаки и углом тангажа. Разбег модели вверх по наклонной плоскости являлся невыгодным, так как подъемная сила крыла оставалась той же (не зависит от угла наклона траектории разбега) и в то же время появляется тормозящая составляющая силы веса. Д.С.

В связи с несовершенством пружинного двигателя большинство построенных позже моделей самолетов оказалось неспособным к полету. Так, например, неудачей окончились опыты с моделями, предпринятые в России А.В.Эвальдом (1861 г.) [126, с. 1048 ] и В.Крессом (1864 г.) [264, с. 40 ]. Первый из указанных аппаратов, будучи запущенным с руки, спланировал под углом около 30 градусов, а модель Кресса, снабженная полозьями для разбега, могла только двигаться по земле.

Некоторый успех был достигнут только в 1870-е годы. Л.Печковский в книге "Прогресс воздухоплавания", изданной в Москве в 1882 г., пишет о модели некоего Дедюлина из С.-Петербурга: "Летунчик его приводится в движение одним двигательным винтом. Двигателем служила часовая пружина, направление определялось постановкой рулевого хвоста. Заводя пружину, держали летунчика так, что передняя часть его была несколько выше задней. Когда отпускали этот снаряд, то от действия винта он поднимался под углом данного наклона и в то же время, повинуясь своему рулю, описывал, смотря по углу установки руля, большие или меньшие круги. Восходящая спираль полета прекращалась лишь с окончательным развитием пружины, и тогда летунчик плавно падал на землю".

Таблица 3.2. Максимальное расчетное время горизонтального полета моделей самолетов XIX в. при использовании различных типов двигателей

Двигатель	а, кгм/кг	m дв	к	п	V, м/с	г,с (1)
Пружина	10	0.4	5	0,4	5	2
Резиномотор (работа на кручение)	130	0,3	5	0,4	5	11
Поршневой, на сжатом воздухе	70	0,6	5	0,3	5	18

В 1876-1877 гг. с успехом демонстрировалась модель самолета А.Ф.Можайского, морского офицера, в 1880-е годы построившего первый в России самолет. Испытания происходили в С.-Петербурге в помещении манежа кавалерийской школы. В отличие от аппарата Дедюлина модель Можайского взлетала после разбега по длинному столу. По свидетельству очевидца, модель "...бегала и летала совершенно свободно и опускалась очень плавно; полет происходил даже в том случае, когда на модель клали кортик, - что, сравнительно, представляет груз весьма значительного размера" [31, с 198 ] (2).

(1) Т = а m дв K п / V где a - удельная энергоемкость двигателя; п - КПД силовой установки.
(2) Принимая во внимание большой удельный вес пружинного двигателя, сообщение о полетах модели, нагруженной кортиком, вызывает сомнения.

Еще одним типом двигателя, который мог быть использован в авиамоделизме, была пороховая ракета. Простота конструкции, способность развивать значительную тягу, отсутствие необходимости в применении пропеллера и трансмиссии - все это, казалось, делало твердотопливный ракетный двигатель (РДТТ) идеальным типом авиамодельной силовой установки. Немаловажное значение имело и то, что в XIX в. пороховые ракеты достаточно широко применялись на практике и технология их производства была хорошо известна.

Как отмечалось в предыдущей главе, идея создания малоразмерного летательного аппарата с неподвижным крылом, снабженного пороховой ракетой, была высказана в 1835 г. техником из Нюрнберга Ф. Маттисом. Была ли она реализована, не известно.

В 1958 г. П.Маффиотти (Испания) опубликовал в журнале "Revista de obras publicas" описание своих опытов с моделью самолета, снабженной пороховой ракетой. Аппарат имел эллипсовидное крыло размахом 0,9 м, к которому сзади крепилось хвостовое оперение. В центре крыла была установлена ракета, ее заряд весил всего 4 г. Вес всей модели составлял 137 г. Она запускалась со специальной площадки и в безветренную погоду совершала полеты со скоростью 4,3 - 2,5 м/с [191, с. 146-148]. Согласно проведенной нами оценке, максимальная продолжительность полета не превышала 5 с. Необычно малая для реактивного летательного аппарата скоростью объясняется очень малой нагрузкой на крыло, а также тем, что ракета была установлена под углом 30 градусов к горизонтали и ее тяга компенсировала часть веса модели.

В последующем модели самолетов с пороховым РДТТ строили Э.Форланини (Италия, 1885 г.) и А.В.Эвальд (Россия, 1886 г.). Модель итальянского конструктора оказывалась в воздухе после разбега вдоль двух горизонтально натянутых проволок, а модель Эвальда взлетала по-самолетному, после разбега на колесиках. О результатах испытания моделей Форланини имеются противоречивые сведения (1). Летательный аппарат Эвальда при испытаниях в начале 1887 г. "...прокатился по земле немного более сажени, затем плавно поднялся в воздух под углом около десяти градусов, описав в воздухе очень красивую дугу, и точно также плавно опустился на землю без малейшего толчка, и, прокатившись еще около сажени с небольшим, остановился" [128, с. 220].

Несмотря на то, что с помощью пороховой ракеты удалось добиться подъемов моделей самолетов в воздух, этот тип двигателя, также как и пружина, позволял осуществить только очень кратковременный полет. Другим недостатком моделей с РДТТ было изменение центровки в полете - по мере выгорания пороха центр тяжести аппарата смещался вперед. По указанным причинам в XIX в. пороховая ракета не получила распространения в авиамоделизме.

В начале второй половины XIX в. была выдвинута идея резиномотора, который вскоре стал основным типом авиамодельного двигателя.

Сырая резина, или каучук были давно известны в Европе. С 40-х годов XIX в. в результате изобретения вулканизации резины удалось значительно повысить эластичность и прочность этого материала, что открыло перспективы его практического использования. Такие свойства вулканизированной резины, как способность к очень большой линейной деформации (под нагрузкой резиновая лента может в 5-7 раз увеличивать свою длину) и малый удельный вес (1,1 г/см ), навели на мысль о возможности использования предварительно растянутой резины в качестве источника энергии для авиамоделей.

(1) Э.Форланини в письме А.Крокко, написанном в 1924 г., т.е. более чем через сорок лет после эксперимента, отмечал, что одна из моделей, имевшая размах около двух метров, совершала полеты дальностью 180 м [145, с. 73]. Вместе с тем, по данным французского историка авиации Ж.Дюгема, испытания моделей реактивных самолетов Форланини были неудачными из-за неустойчивости аппаратов в воздухе [191, с. 218].

Первое упоминание об авиационном резиномоторе встречается в рукописях Д.Кейли, датированных 1853 г. [219, с. 186-188]. В 1858 г. французский механик П.Жюльен, независимо от Кейли, пришел к идее создания резиномотора и впервые применил его на модели самолета. Сконструированный им резиномотор, также как и мотор, предложенный Кейли, состоял из растянутого резинового шнура, намотанного на два конических барабанчика. Вращение барабанчиков передавалось на винтовые пропеллеры.

Сведений о конструкции модели Жюльена очень мало. Известно лишь, что она имело крыло размахом около одного метра и два двухлопастных пропеллера. Вес модели составлял всего 36 г. [212, с. 59 ]. Ее полеты были весьма непродолжительны - около 5 с, а их дальность не превышала 10-12 м, но, тем не менее, "дееспособность" авиационного резиномотора была доказана.

В начале 1870-х годов А.Пено усовершенствовал резиномотор, заменив растянутую резину на закрученную. Хотя удельная энергоемкость двигателя при этом уменьшалась(1), применение работающей на кручение резины позволяло передавать вращение непосредственно на винт, а главное, не создавало нагрузки на фюзеляж и позволяло сделать конструкцию легкой.

Наряду с усовершенствованием резиномотора, успеху в деле создания летающих моделей самолетов способствовали изыскания Пено, направленные на повышение устойчивости летательных аппаратов. Сконструированная им в 1871 г. модель самолета "Планофор" (рис. 3.4) обладала собственной устойчивостью относительно всех трех осей. Продольная устойчивость обеспечивалась горизонтальным оперением, вынесенным на балке за крыло и имевшим меньший установочный угол, чем основная несущая поверхность, поперечная - отгибом кверху концов крыла и оперения, путевая - вертикальными законцовками и килем позади крыла (на рисунке не показан)(2).

(1) По оценке А.Пено, удельная энергоемкость растянутой резины - 500 кг .м/кг, скрученной - 130 кг.м/кг[329].
(2) Уместно напомнить, что за много лет до Пено аналогичные конструктивные меры обеспечения устойчивости летательного аппарата с неподвижным крылом предлагал Д.Кейли. Однако, как уже отмечалось, публикация Кейли 1809-1810 гг. осталась незамеченной современниками ,а о его опытах с летающими моделями планеров стало известно только в XX столетии. Пено разработал и теоретически обосновал способы обеспечения устойчивости своей модели независимо от Кейли.

"Планофор" имел крайне простую конструкцию: к стержню длиной 0,5 м крепилось крыло примерно такой же длины и стабилизирующие поверхности; снизу имелся резиновый шнур, присоединенный одним концом к оси пропеллера. Вес модели составлял 16 г, нагрузка на крыло - 0,33 кг/м2.

Основная заслуга А.Пено как конструктора состоит в том, что в модели "Планофора" им было найдено рациональное сочетание простоты, легкости, устойчивости и энерговооруженности. Рациональность технических идей, заложенных в конструкции "Планофора", подтверждается тем, что современные резиномоторные модели самолетов не имеют принципиальных отличий от модели 1871 г.

Испытания происходили летом 1871 г. под открытым небом. Пено оставил следующее описание полетов модели: "Если, закрутив сначала винт примерно на 240 оборотов, выпустить "Планофор" из рук в горизонтальном положении, то он сначала на мгновение опустится, потом, приобретя скорость, вновь поднимется и в устойчивом полете на высоте 7-8 футов от земли преодолеет расстояние в 40 метров, оставаясь в воздухе 11 секунд. Я даже видел, как он пролетел до 60 метров, держась в воздухе 13 секунд.

В течение всего полета руль с чрезвычайной отчетливостью сразу же исправляет уклонения аэроплана вверх или вниз, при этом замечается волнообразность полета, как у воробьев и зеленых дятлов. Наконец, когда движение подходит к концу, аппарат мягко, без повреждений, опускается на землю по наклонной линии" [329, с7].

Опыты А.Пено со свободнолетающей моделью самолета явились важной вехой в истории авиации. Впервые широкие круги общественности получили доказательство возможности полета крылатого аппарата под действием собственной мощности, пусть даже и маленькой модели. Сведения о полетах "Планофора", опубликованные в журналах многих стран, стимулировали деятельность энтузиастов самолетостроения, привели к повсеместному созданию летающих моделей самолетов. Уже в сере-дине 1870-х годов во Франции летало несколько типов аппаратов, а еще несколько лет спустя резиномоторные модели самолетов появились в России (А.Ф.Можайский), Австрии (В.Кресс), Англии (Т.Мой) и некоторых других странах.

В последние десятилетия XIX в. эксперименты с летающими моделями велись в двух основных направлениях:

В 1870-1890-е годы были построены и испытаны модели таких нетрадиционных ("нептицеподобных") схем, как "тандем", "бесхвостка", "утка", "биплан" ("полиплан").

Первые опыты с моделью планера с тандемным расположением крыльев провел Т.Уолкер в Англии еще в начале XIX в. Модель, изготовленная из деревянных планок и бумаги, запускалась рукой и, как пишет ее создатель, успешно летала в комнате [370 ]. Изображение модели схемы "тандем" мы находим и в рабочих тетрадях Д.Кейли за 1853 г., однако нет упоминаний о создании и испытаниях этого аппарата [219]. В 1873-1874 гг. соотечественник Уолкера и Кейли Д.Браун проводил публичные демонстрации полетов безмоторных моделей с тандемным крылом (рис. 3.5) [158 ]. Аппараты, названные Брауном "аэропланами", продемонстрировали отличную продольную устойчивость и способствовали распространению схемы "тандем" в авиации в конце XIX - начале XX вв. Хорошую устойчивость показали также модели "тандем" В.К.Германа [31, с. 549], К.Штайгера [355], В.Кресса [264, с. 41 ], С.Ленгли [270, с. 13]. Последние две модели были положены в основу полноразмерных самолетов.

В1890-е годы в России были проведены опыты с моделями планеров, направленные на изучение возможности устойчивого полета без горизонтального оперения. Один из экспериментаторов, В.В.Котов, писал: "В моделях самолетов-аэропланов, в коих не сделано особых рулей (горизонтального оперения. - Д.С.) употребляется мною равносильный поставке последних "на повышение" загиб тыльного края (крыла) несколько вверх по всему его протяжению или лишь в некоторых местах его половин симметрично, или только в средней части" [62, с. 53 ]. Другими словами, Котовым была экспериментально доказана самоустойчивость крыла при придании профилю S-образной формы. С.С.Неждановский на опытах с преобразуемыми в планер змеями доказал возможность устойчивого полета без горизонтального оперения в случае применения стреловидного крыла с отрицательной круткой вдоль размаха [11, ╧2990/3]. Оба способа нашли впоследствии широкое применение на самолетах и планерах схемы "бесхвостка"(1).

С.С.Неждановским была создана также первая известная в истории авиации модель летательного аппарата схемы "утка". Она демонстрировалась в 1894 г. на IX съезде естествоиспытателей и врачей. Очевидец полетов Б.Бубенкин писал: "С.С.Неждановский демонстрировал модель очень устойчивого планера, который представлял собой два плана (крыла. - Д.С): один впереди другого, и передний был несравненно меньше... Вторая поверхность аэроплана, дающая ему устойчивость, называлась стабилизатором. Чем расстояние между главным, поддерживающим планом и стабилизатором больше, тем устойчивее аэроплан" [18, с. 32 ].

Кроме моделей схемы "моноплан", во второй половине XIX в. был построен ряд летающих беспилотных аппаратов с несколькими несущими поверхностями, расположенными одна над другой. Данную конфигурацию имели, помимо отмеченной выше модели самолета Д.Стрингфеллоу, модель-планер Ш.Ренара (Франция, 1871) [186, с. 120], некоторые резиномоторные модели С.Ленгли (США, начало 1890-х годов) [270, с. 6-20], модель самолета С.С.Неждановского (Россия, 1893 г.) [11, ╧2990/3]. Число крыльев варьировалось от двух (Ленгли) до десяти (Ренар). Полеты моделей были, как правило, неустойчивы, причем с увеличением числа крыльев неустойчивость возрастала: сильно завихренный поток за крылом лишал хвостовое оперение его стабилизирующих свойств.

(1) Модели В.В.Котова и С.С.Неждановского не были первыми летавшими "бесхвостками". Во второй половине 1880-х годов поднимались в воздух модели самолетов А.В.Эвальда (Россия) и Л.Харгрейва (Австралия), также не имевшие хвостового оперения. Однако на данных летательных аппаратах не было предусмотрено специальных мер по обеспечению балансировки в полете; устойчивость достигалась, по-видимому, благодаря случайной деформации крыла, имевшего гибкую заднюю кромку.

Рис. 3.6. Коробчатый воздушный змей Л.Харгрейва

При изучении наилучшей аэродинамической компоновки летательного аппарата I наряду со свободнолетающими моделями применялись и воздушные змеи. Наиболее значимые результаты в этой области были достигнуты австралийским экспериментатором Л.Харгрейвом. В начале 1890-х годов он обратил внимание на змей в виде полой коробки или цилиндра, распространенный в Японии и некоторых странах Юго-Восточной Азии. Замкнутая пространственная форма обеспечивала прочность и жесткость конструкции при малом весе. Для улучшения устойчивости Харгрейв решил изготовить змей из двух таких ячеек, расположив их одна за другой. После нескольких опытов в 1893 г. ему удалось создать удачную конструкцию из двух вытянутых в поперечном направлении полых коробок, соединенных системой стержней и расчалок (рис. 3.6) [352, с, 69 ]. Данный тип воздушного змея, получивший название "коробчатый", отличался большой подъемной силой и хорошей устойчивостью. В начале XX в. он послужил прототипом при создании ряда самолетов в Европе (1).

Отмеченные выше эксперименты показали, что птицеподобная форма является отнюдь не единственной при конструировании самолета - устойчивый полет возможен при применении нескольких несущих поверхностей, при горизонтальном оперении, расположенном впереди крыла и даже в том случае, когда оперение вообще отсутствует.

Недостатками резиномотора были небольшая продолжительность работы и изменение тяги винта во время раскрутки резинового шнура. В связи с этим не прекращался поиск новых типов авиамодельного двигателя, обеспечивающих более продолжительный и стабильный полет.

В начале 1870-х годов на вооружении появились морские торпеды с двигателем на сжатом воздухе. Это навело на мысль о применении сжатого газа при создании моделей самолетов. Наибольшую известность получила модель В.Татена, построенная во Франции во 1879 г. [108 ]. Аппарат представлял собой моноплан с размахом крыла 1,9 м (рис. 3.7). Воздух, сжатый под давлением 10 атмосфер, поступал из резервуара в поршневой двигатель, приводящий в движение пропеллеры. Модель испытывалась на корде. Из-за недостаточной устойчивости продолжительность полетов была очень невелика.

(1) За несколько лет до появления змея Харгрейва модель аппарата описанной выше конфигурации изготовил О.Шанют (США, 1888 г.) [176]. Она испытывалась как планер. В отличие от Харгрейва, Шанют не оценил преимуществ данной компоновки и вскоре прекратил свои опыты.

Рис. 3.7. Модель самолета с двигателем на сжатом воздухе. (В.Татен, 1879г.)

Модель самолета с двигателем на сжатом воздухе испытывал также Л.Харгрейв в Австралии в 1890 г. (рис. 3.8). Модель не имела шасси и запускалась в полет рукой. Результаты были обнадеживающие: дальность полетов превысила 100 м [231 ]. Интересно, что модель успешно летала даже с таким несовершенным типом пропеллера, как крыльчатый (первое время Харгрейв избегал обычного воздушного винта, так как опасался влияния реактивного момента от пропеллера на устойчивость аппарата).

Немецкий изобретатель И.Гофман применял на модели двигатель на сжатой до жидкого состояния углекислоте. Пары углекислоты в смеси с воздухом выбрасывались через сопло, создавая пропульсивную силу. Во время опытов аппарат пролетал большой зал [242, с. 64-65 ].

Пружина, резиномотор, двигатель на сжатом газе являлись примерами силовых установок, использующих упругостную энергию предварительно деформированного рабочего тела. Эти двигатели отличались простотой и, как следствие, легкостью конструкции, и не случайно, что только тогда, когда сложный паровой двигатель с топкою, котлом, машиной и трансмиссией был заменен обычной пружиной или резиной, модель самолета смогла совершить полет. Однако резкое возрастание веса таких двигателей при увеличении мощности и времени работы делало бесперспективным использование упругостной энергии для создания пилотируемого летательного аппарата -конечной цели пионеров авиации XIX в. Поэтому изобретатели вновь и вновь возвращались к постройке моделей самолетов с паровой машиной.

Модели самолетов с паровым Двигателем отличались значительно большими размерами, весом. Это объясняется тем, что создать очень маленькую паровую машинку со множеством точных Деталей технически крайне сложно. Кроме того, с уменьшением Размеров парового двигателя его удельный вес неизбежно возрастал, так как многие его элементы - трубки котла, золотники и т.п. - пришлось бы из технологических соображений делать заведомо больших размеров, чем требовалось.

Рис.3.8. Модель Л.Харгрейва с двигателем на сжатом воздухе

Следует также отметить, что чем большими размерами обладал беспилотный летательный аппарат, тем легче было бы предпринять следующий шаг - изготовить пилотируемый вариант.

Первые успехи в создании летающих моделей самолетов с паровым двигателем были достигнуты только в конце XIX в., когда удалось уменьшить удельный вес силовой установки до 3-4 кг/л.с.

В 1890 г. во Франции В.Татен совместно с механиком Ш.Рише построил модель самолета с паровым двигателем мощностью в 1 л.с. Это был расчалочный моноплан классической схемы с трапециевидным крылом размахом 6,6 м. Крыло имело деревянный каркас и шелковую обшивку. Двигатель с запасом топлива и воды на полет дальностью 5 км размещался в фюзеляже. Он приводил в движение два винтовых пропеллера - тянущий и толкающий. Для старта была сконструирована отделяемая при взлете колесная тележка. Вес аппарата составлял 33 кг. При испытании модель стартовала с наклонной плоскости. После того как она пролетела 60-80 м, произошла авария из-за обрыва проволочной расчалки [363 ].

После восстановления модели, в процессе которого мощность двигателя была увеличена до 1,3 л.с, испытания были продолжены. В 1896 г. аппарат преодолел по воздуху дистанцию около 70 м, а в 1897 г. - вдвое дальше. В обоих случаях наблюдалась тенденция к кабрированию, вызывавшая в конце концов потерю устойчивости и падение модели [181]. Можно предположить, что причиной этого было изменение центровки в полете из-за выпаривания воды и выгорания топлива.

В последнее десятилетие XIX в. совершили полеты модели с паровым двигателем, построенные Л.Харгрейвом, Ч.Парсонсом, И.Гофманом. Дальность полета лучших образцов составляла около 100 м. Аппараты Харгрейва и Парсонса имели сравнительно небольшие размеры и могли запускаться с руки [173, 316]; модель И.Гофмана взлетала после разбега на колесах, причем в момент взлета шасси автоматически складывалось, а площадь и размах крыла увеличивались [242, с. 67-70 ].

Наиболее совершенные модели самолетов с паровым двигателем были построены в середине 1890-х годов под руководством С.Ленгли (США). Во время испытаний в 1896 г. дальность их полета превысила 1 км. Это выдающееся для своего времени достижение оказало огромное влияние на современников и в значительной мере способствовало развитию работ по самолетам.

С.Ленгли начал работы по созданию моделей самолетов с паровым двигателем в 1891 г., когда он убедился в ограниченных возможностях резиномотора. Эти работы финансировались Смитсонианским институтом и рядом других фондов [ 183, с. 134 ], что расширяло возможности исследователя по сравнению с другими изобретателями. В период с 1891 по 1895 гг. было построено семь больших моделей, получивших название "Аэродром". Однако удовлетворительного сочетания прочности, легкости, устойчивости и энерговооруженности удалось добиться только на последних двух образцах (╧ 5 и ╧ 6) [270, с. 33-122]. Эти летательные аппараты имели два прямоугольных крыла одинакового размаха, расположенных одно за другим, и крестообразное хвостовое оперение (рис. 3.9). Для обеспечения поперечной устойчивости крылья были отклонены вверх под углом 15 градусов. Два двухлопастных воздушных винта диаметром 0,8 м размещались за передним крылом.

Модели имели смешанную конструкцию: фюзеляж, в котором размещался двигатель, был выполнен из стальных труб, крылья имели деревянный силовой набор и шелковую обтяжку. Имелась система мачт и проволочных растяжек.

В центре фюзеляжа между крыльями размещался спиральный трубчатый котел, отапливаемый бензином. На "Аэродроме" ╧ 5 была установлена одна паровая машина мощностью 1 л.с, на модели ╧ 6 - две, примерно по 0,4 л.с, с непосредственным приводом на винты.

Помимо различий в конструкции силовой установки "Аэродром" ╧ 6 отличался несколько меньшими размерами и меньшим весом планера и паровой машины. Это позволяло брать больший запас топлива и воды (табл. 3.3).

Для испытаний на реке Потомак вблизи Вашингтона была построена плавучая катапульта, выбрасывающая модель в воздух с помощью сильной пружины. Посадка осуществлялась на воду.

Первый успешный полет модели "Аэродром" ╧ 5 состоялся 6 мая 1896 г. С.Ленгли свидетельствовал:

"Сразу же после старта аэродром медленно опустился на три или четыре фута, но сразу же затем начал подниматься, наклон увеличивался примерно до 10 градусов с горизонтом, а затем модель оставалась под таким углом наклона во время всего полета. Вскоре после старта аэродром начал поворачиваться вправо и двигался по кругу с большой устойчивостью, описывая спираль... Во время первых двух поворотов машина постоянно набирала высоту и в конце второго круга достигла высоты, оцениваемой различными наблюдателями в 70-100 футов. На этой высоте, после полета в течение 1 минуты 20 секунд, пропеллеры стали вращаться заметно медленнее и машина начала плавно спускаться, одновременно двигаясь вперед и уменьшая Угол наклона до тех пор, пока носовая часть не отклонилась вниз. Машина коснулась воды к югу от точки старта; время, которое она находилась в полете, составляет одну минуту тридцать секунд. По замеру траектории модели на карте общая дистанция полета была примерно 3300 футов [270, с. 107 ].

В конце того же года были произведены испытания модели "Аэродром" ╧ 6. Благодаря большему запасу воды и топлива дальность ее полета составила почти полтора километра. Продолжительность полета равнялась 1 мин 45 с [270, с. 109 ].

Опыты Ленгли в 1896 г. явились завершающей стадией "модельного периода" в развитии самолета. Они убедительно доказали возможность создания летательного аппарата тяжелее воздуха сравнительно больших размеров с неподвижным крылом, способного к продолжительному устойчивому полету под действием собственной мощности.

Таблица 3.3. Веса планера, силовой установки, топлива и воды моделей "Аэродром" ╧ 5 и "Аэродром" ╧ 6 при испытаниях 1896 г. [270, с. 297-298 ]

Веса, г	"Аэродром" ∙ 5	"Аэродром" ∙ 6
Конструкции	6780	5850
Силовой установки	3895	3670
Топлива и воды	1100	2600
Полный вес	11775	12120

Создание летающих моделей в значительной мере способствовало развитию практических работ в области самолетостроения. В 70-е годы XIX в. благодаря изобретению резиномотора и реализации на модели методов достижения естественной устойчивости, разработанных Д.Кейли и А.Пено, была продемонстрирована принципиальная возможность полета самолета. Появление моделей с паровым двигателем позволило во много раз увеличить дальность полета.

Помимо "пропаганды" возможностей самолета, опыты с моделями внесли весомый вклад в развитие принципов проектирования летательных аппаратов. Благодаря описанным выше экспериментам были проведены уже известные и разработаны новые методы обеспечения устойчивости, изучены свойства аппаратов различных аэродинамических и конструктивно-силовых схем (табл. 3.4). Некоторые из построенных в XIX в. моделей стали прототипами первых самолетов.

Анализ деятельности пионеров авиамоделизма показывает, что основное внимание в разработке мер по обеспечению устойчивости в полете уделялось проблеме продольной балансировки. Это объясняется тем, что путевая и поперечная устойчивость достигалась сравнительно просто - вертикальным оперением и (или) поперечным V-крыла. Кроме того, некоторый недостаток боковой устойчивости был, вообще говоря, менее опасен; если, к примеру, колебания по крену на угол 20 градусов имели своим следствием только некоторое уменьшение подъемной силы, то продольное вращение в том же диапазоне углов могло вызвать полную потерю несущих свойств крыла и падение аппарата.

Для обеспечения горизонтальной устойчивости наиболее широко применялись горизонтальный стабилизатор, установленный под меньшим углом атаки, чем крыло (Кейли, Пено и др.), разнос несущих поверхностей вдоль продольной оси (Браун, Герман, Ленгли и др.), крыло с гибкой задней кромкой (Стрингфеллоу, Пено, Кресс, Харгрейв). Вместе с тем попытки ограничиться обеспечением только продольной устойчивости модели (Стрингфеллоу, Татен) приводили к неудаче. Наилучшей стабильностью полета обладали модели, в конструкции которых были предусмотрены меры по обеспечению устойчивости относительно всех трех осей (Пено, Ленгли).

Таблица 3.4. Классификация летающих моделей XIX в. по типу двигателя и аэродинамической схеме (1)

Двигатель	Аэродинамическая схема
Двигатель	классической схемы	тандем	"бесхвостка"	моноплан-"утка"	биплан (полиплан)	биплан-тандем
Отсутствует	Кейли (Англия), 1804, 1808,1849, 1853 гг. Арендт (Россия), 1880-е гг. Ланкастер (США), 1880-е гг. Ланчекстер (Англия), 1890-е гг.	Уолкер (Англия), ранее 1810 г. Браун (Англия), 1873-1874 гг. Герман (Россия), 1893 г.	Котов (Россия), 1890-е гг. Неждановский (Россия), 1890-е гг.	Неждановский (Россия), 1894 г.	Ренар (Франция), 1871 г. Лилиенталь (Германия), 1895	Шанют (США), 1888 г. Харгрейв (Австралия), 1893 г. (2) Неждановский (Россия). (2) 1890-е гг.²
Пружина	Дю Тампль (Франция), 1850-е гг. Кресс (Россия), 1864 г. Можайский (Россия), 1876-1877 гг.
Резиномотор	Пено (Франция), 1871 г. Можайский (Россия), 1877г.Кресс (Австро-Венгрия), 1877 г. Мой (Англия), 1879г. Гофман (Германия), 1880-е гг. Ленгли (США),нач 1890-х гг. Ланчестер (Англия), 1890-е гг.	Штайгер (Германия), нач. 1890-х гг. Ленгли (США), нач. 1890-х гг. Кресс (Австро-Венгрия) 1892 г.	Харгрейв (Австралия), кон. 1880-х		Ленгли (США), 1891 г.
На сжатом газе	Татен (Франция) 1879 г. Гофман (Герма ния),1897г		Харгрейв (Австралия) 1890-1891 гг
Пороховая ракета	Маффиотти (Испания) 1850-е гг.		Эвальд (Рос сия), 1886-1887 гг.
Паровая машина	Хенсон (Англия), 1842-1843 гг. Хенсон, Стрингфеллоу (Англия), 1845 г.Стрингфеллоу (Англия), 1848, 1851, ок. 1870 г. Татен, Рише (Франция), 1890-1896 гг. Парсонс (Англия), 1893 г. Гофман (Германия) , кон. 1890-х гг.	Мой, Шилл (Англия), 1875г.Ленгли(США), 1896 г.	Харгрейв (Австралия), 1892-1893 гг.		Стрингфеллоу (Англия), 1868 г. Стрингфеллоу-сын (Англия), 1886 г.

(1) B таблицу не включены модели Дедюлина, Жюльена, Форланини и некоторые другие, аэродинамическая схема которых неизвестна.
(2) Воздушный змей.

Аэродинамические исследования крыла

Опыты с летающими моделями имели большое значение на начальном этапе развития самолета. Но все же возможности этих экспериментов были весьма ограничены. Исследования на моделях давали в основном качественное представление о поведении аппарата в воздухе и не позволяли с достаточной точностью определить величины аэродинамических сил, положение центра давления крыла и других параметров, необходимых для научно обоснованного проектирования самолета. Поэтому наряду с опытами с летающими моделями некоторыми экспериметаторами велись аэродинамические исследования на наземных экспериментальных установках. (1)

К моменту появления первых проектов самолетов уже имелся некоторый опыт в области экспериментальной аэро- и гидродинамики. В XVIII в. проводились отдельные работы по определению сил, действующих на тела различной формы при обтекании их потоком воды или воздуха (Б.Робинс, Д.Смитон, Ш.Борда и др.). В большинстве случаев они велись на установках, в которых исследуемое тело помещалось на рычаге, приводившемся во вращение вокруг вертикальной оси (ротативная машина). Эти эксперименты были направлены на решение задач гидравлики и баллистики, изучение вопросов судостроения и некоторых других областей техники, но совершенно не затрагивали проблем полета, которые в то время вообще не занимали ученых.

Первые исследования аэродинамики крыла были проведены в 1804 г. Д.Кейли. В 1842-1844 гг. его соотечественник, механик и публицист Д.Чапман продолжил изучение свойств крыла. Интерес Чапмана к аэродинамике был вызван появлением проекта самолета Хенсона, и основной целью исследований была оценка возможных характеристик этого аппарата. Чапман при участии Хенсона провел более 1000 опытов на ротативной установке для определения аэродинамических свойств крыла и пропеллера [279 ]. К сожалению, эти интересные эксперименты не были опубликованы.

(1) Попытки аэродинамического расчета с помощью методов классической механики (Г.Гельмгольц, Г.Кирхгоф, лорд Релей и др.) из-за неучета всей сложности реальной картины обтекания крыла приводили к результатам, значительно отличавшимся от опытных данных. В связи с этим большинство пионеров авиации обоснованно считало, что в основе исследований аэродинамики летательных аппаратов должен

Создание во второй половине XIX в. научных обществ, предназначенных для изучение проблемы полета, способствовало развитию работ в области экспериментальной аэродинамики летательных аппаратов. Первое такое общество было организовано во Франции в 1852 г., в 1866 г. - Аэронавтическое общество Великобритании, в 1881 г. - воздухоплавательный отдел Русского технического общества.

Большинство исследований производилось на ротативных установках (М.А.Рыкачев, конец 1860-х - начало 1870-х годов; А.Пено, 1870-е годы; слегли, конец 1880-х годов и др.). Вместе с тем, из-за очевидных недостатков этих установок (наличие центробежной составляющей потока, завихрение воздуха подвижными частями установки и т.п.) все большее распространение стали получать опыты, в которых испытуемое тело подвергалось воздействию прямолинейного потока воздуха. К их числу относятся исследования на естественном ветре (О.Лилиенталь, 1870-1880-е годы), эксперименты с помощью движущейся по земле тележки (А.Ф.Можайский, 1883 г.; Лайнфильд, 1883 г.; Х.Максим, 1892-1894 гг.) и, наконец, первые опыты с пластинами в аэродинамических трубах (Ф.Уенхем и Ч.Брук, 1871 г.; Г.Филлипс, начало 1880-х годов; К.Э.Циолковский, 1897-1898 гг. и др.(1)

Рис.3.10. Результаты первых аэродинамических экспериментов с пластингами и сравнение их с данными, полученными по формуле И. Ньютона

Несмотря на разнообразие и, как правило, несовершенство оборудования, обусловившее некоторые расхождения в результатах, был сделан один общий вывод, что подъемная сила пластины в диапазоне летных углов атаки значительно больше, чем получается по формуле "квадрата синуса" И.Ньютона (рис. 3.10.). Этот вывод, ставший очевидным к середине второй половины XIX в. явился важным доводом в пользу сторонников создания самолетов.

Но все же, как показали эксперименты, крыло в форме плоской пластины обладает весьма небольшим коэффициентом подъемной силы. В связи с этим был предпринят поиск такого профиля, который позволял бы крылу поднять в воздухе больший вес.

За много лет до создания первых самолетов было замечено, что крыло птицы имеет искривленный профиль. Высказывались отдельные предположения о выгодности применения такого профиля на летательном аппарате (Д.Кейли, 1808 г; Ф.Уенхем, 1866 г.; Н.А.Арендт, 1874 г.), но из-за недоказанности этой гипотезы в подавляющем большинстве проектов, на моделях и на первых самолетах использовали крыло в виде плоской пластины. Принцип действия такого крыла был вполне понятен, конструкция - проста.

Рис. 3.11. Профили Г.Филлипса. Рисунок из патента

Преимущества искривленного профиля были экспериментально доказаны 1880 годы (1). В первой половине этого десятилетия в Англии Г.Филлипс на опытах в аэродинамической трубе собственной конструкции показал, что отношение подъемной силы к сопротивлению вогнутой пластины значительно больше, чем у плоской. Исходя из верного предположения, что преимущества изогнутого профиля обусловлены разряжением воздуха над верхней поверхностью, он разработал серию крыльевых профилей различной кривизны (рис. 3.11.), которые он запатентовал в 1884 г. [334]

Независимо от Г.Филлипса в Германии О.Лилиенталь выполнил большой объем экспериментов с вогнутыми пластинами. В качестве оптимальной кривизны исследователь принимал кривизну птичьего крыла в полете. Для достижения той формы профиля, которую имеет крыло птицы в воздухе, Лилиенталь деформировал его с помощью песчаного балласта, имитирующего аэродинамическую нагрузку в полете. Опыты проводились на естественном ветре с профилями различной кривизны. Как и Филлипс, Лилиенталь пришел к выводу о значительно лучших свойствах крыла с изогнутым профилем по сравнению с плоским. Это он объяснял тем, что движение частиц со стороны вогнутой поверхности вызывает центробежную силу, с которой частицы воздуха у верхней поверхности стремятся удалиться от нее и производят всасывающее действие, также направленное вверх. Результаты своих многолетних экспериментов Лилиенталь изложил в 1889 г. в книге "Полет птиц как основа искусства летать" [281 ], получившей широкую известность.

В последнее десятилетие XIX в. заключение Лилиенталя о преимуществах изогнутого профиля получили подтверждения в опытах Манчестера и Х.Максима (Англия), Д.К.Чернова и Е.С.Федорова (Россия), Г.Вельнера (Австрия), Л .Харгрейва (Австралия) и др. Исследования обычно велись с профилями одинарной кривизны с острыми кромками. Некоторые экспериментаторы указывали на преимущества профилей с закругленными кромками [281, 268 ] и профилей с плоской нижней поверхностью [352, с. 67 ], однако эти идеи не получили тогда распространения.

(1) В 1752-1753 гг. в Англии Д. Смитон, проводя опыты с крыльями ветряных мельниц, пришел к выводу о преимуществах искривленного профиля [300]. Но в связи с тем, что исследования Смитона не имели отношения к вопросам полета, они "выпали" из круга зрения пионеров авиации и достоинства крыла с выпуклым профилем стали общеизвестны более 100 лет спустя.

Даже такая несовершенная, с современных позиций, форма крыла, как выгнутая пластина, позволяла получить примерно на 1/3 больший коэффициент подъемной силы, а ее аэродинамическое качество было почти вдвое выше, чем у плоской пластины. Преимущества крыла с искривленным профилем были столь значительны, что начиная с 1890-х годов оно стало использоваться всеми конструкторами самолетов.

Созданию крыла с улучшенными несущими свойствами способствовало также осознание того факта, что подъемная сила возрастает с увеличением удлинения несущей поверхности.

Как и предположение о преимуществах выпуклого профиля, идея крыла большого удлинения возникла из наблюдения за птицами еще в XVIII в. [308, с. 26 ]. Позднее на это указывали Ф.Уенхем, О.Лилиенталь и др. Однако пример воздушного змея показывал, что летательный аппарат может держаться в воздухе и при малом кр, а то, что вес крыла быстро возрастает с увеличением его размаха, было общеизвестно. Поэтому долгое время гипотеза о выгодности большого удлинения, оставаясь недоказанной, не принималась во внимание большинством конструкторов самолетов. Эту точку зрения разделяли и ученые. Д.Кейли одним из основных недостатков проекта самолета С.Хенсона считал то, что в нем предусматривалось крыло сравнительно большого удлинения [171 ].

Рис. 3.12. Экспериментальная установка Г.Филлипса, 1893г.

Первое экспериментальное подтверждение преимуществ крыла большого удлинения было получено в опытах Ф.Уенхема и Ч.Брука в аэродинамической трубе (Англия, 1871 г.). "Эксперимент показал, - писал Брук, - что при одинаковой площади поверхности длинное узкое крыло оказывает на воздух большее воздействие, чем короткое и широкое" [340, с. 161 ]. Однако из-за неточности других полученных ими результатов, вызванной несовершенством техники эксперимента, этот вывод также был подвергнут сомнению.

В начале 1890-х годов положительное влияние удлинения крыла на его подъемную силу было подтверждено экспериментами К.Э.Циолковского [118], слегли [269], Ф.С.Федорова [111 ] и некоторых других исследователей. Правда, был известен лишь факт; причины положительного влияния удлинения на свойства крыла стали понятны позднее, после появления теории индуктивного сопротивления.

Стремление максимально использовать преимущества большого удлинения и в то же время обеспечить жесткость и небольшой вес конструкции привело к появлению решетчатых крыльев, напоминающих внешне оконное жалюзи. Так, например, крыло, сконструированное в Англии Г.Филлипсом, представляло собой раму длиной 6,8м и высотой 2,8 м, внутри которой располагались одна над другой 50 узких пластинок с вогнутым профилем. В 1893 г. это крыло, установленное на тележке с паровым двигателем мощностью 5,5 л.с, вращающим винтовой пропеллер, испытывалось на круговом треке (рис. 3.12.). Опыты показали высокую эффективность системы крыльев - тележка приподнималась над землей при нагрузке на мощность 33 кг/л.с. [112](1).

Разновидностью "крыла-жалюзи" было крыло, предложенное Д.К.Черновым. Анализируя возможные варианты расположения поверхностей, он писал: "Если их расположить в ряд..., то только передний элемент будет выполнять свое назначение как следует, т.е. врезаться в спокойный воздух; все же следующие за ним будут встречать уже сильно возмущенную среду - вихри от предшествующих элементов, и действие их будет более или менее нарушено. Казалось бы, лучше поставить их в вертикальный ряд...; но и здесь можно ожидать влияние вихрей от находящихся один над другим элементов, если расстояние между ними не будет достаточно велико, а в таком случае вся система элементов заняла бы много места". Наилучшим Чернов полагал ступенчатое расположение крыльев [121, с. 20-21 ] (2).

В числе первых исследований в области аэродинамики крыла следует отметить также работы по определению зависимости положения центра давления от угла атаки. Изучение этого вопроса должно было способствовать решению проблемы обеспечения продольной устойчивости самолета. Еще в 1804 г. Аванцини (Италия) заметил, что с уменьшением угла атаки центр давления крыла смещается вперед [146]. К концу XIX в. удалось выявить эту зависимость для плоской пластины в численном виде [44, 255], однако появление искривленного профиля вновь усложнило задачу. Поэтому основную роль в разработке мер по обеспечению устойчивости самолета на данном этапе сыграли опыты с летающими моделями.

(1) Иногда эту экспериментальную установку Филлипса называют летательным аппаратом (например [22, с. 309]. Однако она не имела органов стабилизации и управления и никогда не предназначалась для полетов.
(2) Многие Д.К.Чернова считают изобретателем разрезного (щелевого) крыла [47, с. 66; 123, с. 28]. Это неверно. Как следует из приведенной цитаты, Чернов, наоборот, говорил о недостатках крыла, расчлененного на элементы вдоль его хорды.

Важное место среди исследований с пластинами уделялось определению наивыгоднейшего угла атаки, т.е. угла, при котором отношение подъемной силы к сопротивлению было бы наибольшим. Сильно отличающиеся условия эксперимента привели к значительным расхождениям в результатах различных исследователей:

Тем не менее можно было сделать вывод, что наибольшие значения отношения подъемной силы к аэродинамическому сопротивлению достигаются при намного меньших углах атаки, чем считалось прежде (1).

Первые аэродинамические исследования воздушных винтов начались в середине XIX в. В Англии этим вопросом занимался Д.Чапман, в России - Р.Черносвитов, М.А.Рыкачев. Изучением свойств авиационных пропеллеров интересовался также А.Ф.Можайский. Эти опыты были еще очень несовершенны и не привели к появлению высокоэффективных винтовых пропеллеров. Например, КПД винтов самолета Можайского не превышал 50% [1, с. 77]. Улучшить свойства пропеллеров удалось только на рубеже XIX и XX вв. на основе данных о характеристиках искривленных крыльевых профилей.

Несовершенство оборудования, несоблюдение исследователями критериев подобия и другие недостатки аэродинамических экспериментов XIX в. не позволили получить точные данные для выбора расчетных параметров самолета. Тем не менее первые аэродинамические исследования оказали несомненное влияние на развитие самолета, способствовали началу практических работ в этой области. К наиболее значительным результатам следует отнести доказательство неприменимости "закона квадрата синуса" для небольших (летных) углов атаки и выявление благоприятного влияния выгнутого профиля и большого удлинения на аэродинамические характеристики крыла.

Немаловажное значение имело то, что в конце XIX в. под влиянием новейших данных экспериментальной аэродинамики и опытов с моделями видные представители официальной науки - Л.Больцман, Н.Е.Жуковский, С.Ленгли и другие - впервые во всеуслышание заявили о возможности создания самолета.

Успехи двигателестроения

Во второй половине XIX в. началось техническое перевооружение армий капиталистических государств. "Политика канонерок", характерная для зарождающегося империализма, обусловила стремительное развитие военно-морского флота. Одним из основных требований, предъявляемых к военным судам, было повышение скоростных качеств. Для этого в первую очередь требовалось увеличить их энерговооруженность. Правительства начали выделять значительные средства на усовершенствование паровых машин - основного типа транспортной энергетической установки того времени. Вскоре это дало плоды - в результате усилий многих ученых и инженеров удельную мощность паровых двигателей удалось увеличить в несколько раз, сократилось время "подъема паров", повысилась экономичность.

(1) Напомним, что в 1857 г. Ф. дю Тампль полагал для самолета Aнв ≈ 35 .

Рис. 3.13. Изменение удельного веса двигателей: 1 - паровые машины, 2-электродвигатели, 3-двигатели внутреннего сгорания

Усовершенствованию парового двигателя способствовали такие нововведения, как появление конструкций с последовательным расширением пара в цилиндрах ("компаунд-машины"), замена чугуна более легкими стальными пустотелыми отливками, распространение водотрубных котлов с высоким КПД и быстрым парообразованием, создание поверхностных холодильников или конденсаторов, применение перегрева пара, использование для нагрева воды нефти или спирта вместо угля. Благодаря повышению температуры и давления рабочего тела КПД паровых двигателей только за период с 1863 по 1872 гг. увеличился в два раза [49, с.81-88 ].

Лучшие образцы паровых машин 1870-х годов, предназначенных для нужд военно-морского флота, весили около 20 кг/л.с, а братьям Хересгофф (США) удалось создать двигатель мощностью 4 л.с, вес которого вместе с котлом составлял всего 22,65 кг.

В связи со снижением веса и улучшением эксплуатационных характеристик судовых паровых машин идея использования теплового двигателя на летательном аппарате получила практическую основу.

Новой предпосылкой для развития авиации явилось создание в конце XIX в. работоспособных образцов двигателя внутреннего сгорания (ДВС).

Идея такого двигателя зародилась еще в XVII в. Однако долгое время она считалась невыполнимой из-за высоких температур в цилиндре, которым не могли противостоять материалы деталей. Только в 1860 г. Ж.Ленуару во Франции удалось построить работоспособный ДВС с водяным охлаждением, работающий на светильном газе. Этот двигатель, также как и появившиеся вскоре двигатели Отто-Ланглена и Брайтона, еще во многом копировали паровую машину и обладали большим расходом горючего, значительным весом и размерами. Качественное улучшение характеристик ДВС произошло во второй половине 1870-х годов, когда Н.Отто (Германия) создал четырехтактный двигатель с предварительным сжатием горючей смеси.

В 1883 г. Г.Даймлер в Германии сконструировал двигатель, работающий не на газе, как предыдущие, а на бензине. В связи с этим отпала необходимость в громоздких резервуарах для хранения газообразного топлива и ДВС стал пригодным для использования на транспорте. Вскоре появились первые автомобили, мотоциклы и моторные лодки с бензиновым двигателем. Под влиянием стремительно развивавшегося автомобилестроения ДВС быстро совершенствовался: создание поплавкового карбюратора, улучшение системы зажигания и другие нововведения повысили его надежность и экономичность и скоро бензиновый поршневой двигатель стал основным типом силовой установки на транспорте.

Развитие ДВС происходило независимо от развития авиации. Но конструкторы летательных аппаратов внимательно следили за его успехами. Еще в начале XIX в. Д.Кейли анализировал возможности применения ДВС в авиации. В 1870-е годы была сделана первая попытка применить ДВС на управляемом аэростате Хенлейна (Австрия) . Хотя из-за большого веса и ненадежности работы установленного на аппарате газового двигателя Ленуара опыты вскоре были прекращены, принципиальные преимущества ДВС по сравнению с паровой машиной - отсутствие котла и конденсатора, компактность, быстрота запуска и др. - продолжали привлекать авиаконструкторов к этому типу силовой установки. Вскоре после появления ДВС Даймлера О.С.Костович построил в России первый авиационный бензиновый двигатель. В самом конце XIX в. в Германии появились дирижабли Вольферта, Шварца и Цеппелина с бензиновым ДВС. Испытания последнего из указанных аппаратов были вполне успешны.

Следует отметить, что первые ДВС еще уступали по удельному весу лучшим образцам паровой машины (рис. 3.13). Однако снижение этого параметра происходило очень быстро, надежность и экономичность неуклонно возрастали, и к концу XIX в. перспективность использования ДВС в авиации не вызывала сомнений.

ГЛАВА 3. ПРЕДПОСЫЛКИ НАЧАЛА ПРАКТИЧЕСКИХ РАБОТ ПО САМОЛЕТАМ

Создание летающих моделей

Аэродинамические исследования крыла

Успехи двигателестроения