Помоги проекту - поделись книгой:
Между тем, природа давала примеры, когда устойчивый полет осуществляется не с помощью каких-то хитроумных устройств, а благодаря особой форме крыла. Наиболее ярким из них служит крылатое семя тропического растения занония макрокарпа (семейство тыквенных). Плод этого растения, созревая, раскрывается и выбрасывает семена, которые благодаря своей необычной форме могут лететь по ветру на большие расстояния. Семя имеет крылышки серповидный формы, их размер достигает 20 см. В полете их тонкая поверхность деформируется таким образом, что отведенные назад концы закручиваются относительно центральной части и создают направленную вниз аэродинамическую силу. Эта сила уравновешивает момент от подъемной силы центральной части семени, равнодействующая которой расположена вблизи передней кромки, немного позади центра тяжести. Так обеспечивается продольная балансировка и продольная устойчивость семени занонии в полете.
Удивительными свойствами летучего семени заинтересовался школьный учитель из Гамбурга Фредерик Альборн. После гибели Отто Лилиенталя при падении его планера в 1896 г. Альборн опубликовал брошюру, в которой отмечал устойчивость полета семени занонии и утверждал, что если бы планер имел крыло такой формы, трагедии бы не произошло.[7] Через несколько лет Альборн повторил свои выводы во время доклада в Вене, подчеркнув, что летающее семя занонии является идеальным примером планера.
Альборн заразил своей убежденностью Иго Этриха, сына богатого австрийского промышленника Игнаца Этриха. Молодой Этрих заинтересовался авиацией под влиянием Лилиенталя и даже приобрел у него планер, но после знакомства с Альборном решил сконструировать новый, по типу семени занонии. В содружестве с другим австрийским энтузиастом авиации, Францем Велсом, он построил летательный аппарат, представляющий собой увеличенную во много раз копию крылатого семени. Его изготовили из бамбука и обтянули полотном. Необходимую крутку концов крыла обесечивали многочисленные растяжки, соединенные с двумя вертикальными стойками. Посадка должна была осуществляться на полозья, а для взлета планер устанавливали на тележку. При испытаниях аппарат скатывался по специальной дорожке, проложенной по склону холма и, набрав скорость, поднимался в воздух.
Опыты с планером, загруженным песчаным балластом, показали, что аппарат устойчиво держится в воздухе. Первый полет с человеком состоялся в октябре 1906 г. Тогда Велсу удалось пролететь расстояние более 200 м. Так как аппарат не имел органов управления, пилот должен был располагаться на планере стоя и для корректировки направления полета отклонять тело в нужную сторону. Этот опыт был первым успешным полетом летательного аппарата схемы "бесхвостка". Более того, это был первый в истории авиации пилотируемый полет на аппарате, обладающем собственной устойчивостью, то есть способным сохранять положение в полете без участия летчика.[8]
После испытания планера Этрих и Веле решили переделать его в самолет. Они установили на нем 24-сильный французский двигатель "Антуанетт", пропеллер, колесное шасси. Для управления применили перекашивание крыла, то есть искусственное изменение его крутки в полете. Однако попытка полета в 1908 г. была безуспешной — так хорошо зарекомендовавшее себя на планере крыло вдруг утратило свои волшебные свойства, и самолет стал неустойчивым. Скорее всего это произошло потому, что поток воздуха от винта деформировал гибкое крыло и оно лишалось присущей ему прежде устойчивости.
Тогда Этрих установил за крылом горизонтальную поверхность, напоминающую хвост голубя. Самолет так и назвали — "Таубе" ("Голубь"). В годы, предшествующие первой мировой войне, "Таубе" получил большое распространение в Австрии и Германии, с 1910 по 1914 гг. там построили свыше 500 таких машин.
В истории науки и техники есть немало примеров, когда исследователи, идя различными путями, приходят к одинаковым результатам. Так случилось и с Джозе Вейсом. Занимаясь изучением планирующего и парящего полета птиц, он разработал принципы самобалансирующегося крыла, совпадающие с теми, которые легли в основу конструкции крыла типа "занония".
Джозе Вейс родился во Франции, но почти всю жизнь прожил в Англии. Он был художником и, рисуя морские пейзажи, подолгу наблюдал за полетами гнездящихся на прибрежных скалах птиц. Постепенно у него созрела убежденность, что проблема создания устойчивого летательного аппарата состоит только в правильном выборе формы крыла. Наилучшим Вейсу представлялось крыло с отведенными назад и закрученными вниз концами и гибкой задней кромкой — форма, подсмотренная им у птиц.
Для проверки своей теории Вейс с 1902 г. проводил опыты со свободнолетающими моделями "бесхвосток". Эксперименты обнадеживали. Дополнительную уверенность Вейсу в том, что он на правильном пути, дала встреча на международных состязаниях авиамоделистов в Париже в 1905 г. с Иго Этрихом, придерживавшимся аналогичных взглядов.
Свои идеи Д.Вейс впервые опубликовал в 1908 г. в патенте на "аэроплан с крылом как у птицы".[9] Помимо отмеченных выше особенностей крыла, Вейс предусматривал регулировку продольной балансировки в полете за счет изменения крутки концов крыла, а для выправления кренов и изменения направления полета служили подвижные поверхности на задней кромке крыла. Их одновременное отклонение обеспечивало торможение в воздухе при заходе на посадку.
В 1909 г. Вейс построил планер из бамбука и полотна с размахом крыла 8 м. По аналогии с птицей крыло имело более толстый профиль у основания, постепенно утончающийся к концам.
Оно поддерживалось подкосами, соединенными с полозьями шасси. Летчик располагался в фюзеляже и управлял планером с помощью укрепленных за крылом рулей высоты. Вейс назвал планер "Олив" в честь одной из своих дочерей (все его следующие аппараты также носили имена его многочисленных дочерей). Во время испытаний на склонах холмов в графстве Суссекс летчик Гордон Инглянд совершил на нем планирующий спуск на расстояние 2400 м. Долгое время это был рекорд дальности безмоторного полета.
Следующим логическим шагом было создание самолета. Заручившись поддержкой фирмы Хендли Пейдж, Вейс в 1909 г. сконструировал увеличенный вариант планера с размахом крыла 10,4 м. Установленный за кабиной французский двигатель "Анзани" мощностью 12 л.с. с помощью цепной передачи вращал два пропеллера, расположенные в вырезах крыла. Взлет должен был осуществляться с отделяемой тележки, посадка — на полозья.
При переходе от планера к самолету Вейса, так же, как и Этриха с Велсом, постигла неудача. "Медж" (так назывался самолет) даже не смог оторваться от земли: мощности двигателя явно не хватало для взлета. Следующий самолет Вейса, "Элси" (1910 г.), с одним расположенным впереди пропеллером, вновь оказался неудачным. И только после установки нового двигателя и обычного хвостового оперения самолет Вейса "Сильвия", построенный в том же 1910 г., сумел подняться в воздух. Но конструкция машины оказалась непрочной, вскоре в одном из полетов произошла поломка, самолет упал и разбился.
Итак, первые попытки создания самолета-"бесхвостки" не увенчались успехом, хотя, анализируя полет объектов флоры и фауны, исследователи пришли к правильным выводам о методах создания самобалансирующегося крыла. Однако никто из них не ставил перед собой задачу создания именно самолета-"бесхвостки"; цель была другой — просто построить самолет, обладающий хорошей устойчивостью. Поэтому они не занимались длительной доводкой своих летательных аппаратов и при первых же затруднениях добавляли к крылу хвост, превращая "бесхвостку" в обычный самолет.
1. Леонардо да Винчи. Избранные естественнонаучные произведения. М., 1955. С. 596.
2. C.Dollfus, H.Bauche. Histoire de Г aeronautics. Paris, 1932. P. 140.
3. J.Forestier. An overview of Clement Ader aeronautical achivments. (Рукопись; копия находится в архиве автора).
4. Dollfus, Bauche. Р. 141.
5. Smithsonian Institute Archives. Record Unit 7003. S.P.Langley Papers. P. 4—5.
6. P.Supf. Das Buch der deutschen Fluggeschichte. Bd.l. Stuttgart, 1956. S. 255.
7. F.Ahlborn. Uber die Stabilitat der Flugapparate. Hamburg, 1897.
8. Планеры Лилиенталя и самолет братьев Райт были статически неустойчивыми и человек должен был постоянно корректировать их равновесие.
9. Патент Великобритании № 17150, 14.08.1908 г.
2
Стрелокрылые самолеты Джона Данна и его последователен
Неудачные испытания первых "бесхвосток", казалось бы, должны были поставить точку в развитии таких самолетов. Однако нашелся человек, который проявил больше упорства и инженерной интуиции, чем его предшественники, и доказал, что бесхвостый самолет может летать. Его звали Джон Уильям Данн.
Данн родился в Ирландии в 1875 г. Его отец был военный, дослужившийся до генерала. Сын выбрал ту же стезю. Он участвовал в войне Великобритании с бурами в Южной Африке, получил чин лейтенанта. Но болезнь сердца — последствие перенесенной в Африке малярии, поставила крест на его военной карьере. В начале 1900-х годов Данн получил инвалидность и вернулся в Англию. Вскоре он начал пробовать себя как авиаконструктор.
Интерес к авиации возник у Данна еще в юношеские годы под влиянием романов Жюля Верна. Он мечтал построить аппарат, который бы не нуждался в управлении и мог летать в любую погоду. Масло в огонь подлило знакомство в 1902 г. с другим великим фантастом, Еебертом Уэлсом, описавшим применение самолетов в будущем в романе "Когда спящий проснется" (1899 г.).
Данн считал, что самолет должен быть таким же устойчивым в воздухе, как лодка на воде. Этого, по его мнению, можно добиться с помощью особой формы крыла. Разработанное в соответствии с его теорией стреловидное самобалансирующееся крыло в отличие от крыла типа "занония" имело четко выраженную стреловидность, прямолинейные очертания, жесткую заднюю кромку. Продольная балансировка достигалась не отгибом концов вверх, как у семени занонии, а равномерным уменьшением угла установки профилей постоянной хорды вдоль размаха крыла (так называемая "отрицательная геометрическая крутка"). Большая стреловидность должна была обеспечивать хорошую путевую устойчивость.
Принципиальное отличие конструкторской деятельности Данна от работ Адера, Этриха и Вейса заключалось в том, что его предшественники при создании первых "бесхвосток" лишь копировали природу, Данн же подошел к решению проблемы как инженер. Отсюда — строгие геометрические формы крыла, ясное понимание условий продольной устойчивости и балансировки. Он также учитывал вопросы динамической устойчивости самолета, справедливо отмечая, что стреловидность крыла способствует демпфированию продольных колебаний.[1]
Опыты с простейшими бумажными моделями доказали устойчивость разработанной Данном конструкции. Можно было приступать к созданию пилотируемого аппарата. Случай представился в 1906 г., когда Данн поступил на службу на Государственный воздухоплавательный завод в Фарнборо. Ему удалось заинтересовать своими идеями руководителя этого предприятия капитана Каппера, и тот через Военного министра добился финансирования проектов Данна. Первым шагом должно было стать создание пилотируемого планера. В случае успешных полетов на нем намечалось установить двигатель.
Планер D.1, строительство которого началось в 1907 г., представлял собой деревянный биплан со стреловидными крыльям. Фюзеляжа не было, летчик располагался на нижнем крыле. Аппарат не имел ни киля, ни руля направления, все управление осуществлялось с помощью особых поверхностей на крыле. Они могли отклоняться одновременно в одну сторону, действуя как рули высоты, или в разные стороны, для выравнивания кренов и поворотов в горизонтальной плоскости. Такие комбинированные рули, получившие позднее название элевоны, стали непременной особенностью всех будущих "бесхвосток".[2] Планер стартовал, разбегаясь со склона на отделяемой тележке, а приземляться должен был на выступающие под крылом полозья.
Так как конечной целью являлось создание военного самолета, работы тщательно засекретили. Конструктор собственноручно собирал планер в специальном охраняемом ангаре. Для испытаний была выбрана безлюдная местность в 800 км к северу от Фарнборо. Планер покрыли камуфляжной окраской, изрисовав темную матерчатую поверхность крыльев белыми полосами, создающими на большом расстоянии искаженное представление о форме летательного аппарата.
Первая и единственная попытка полета состоялась летом 1907 г. Испытать планер вызвался сам капитан Каппер, не имевший никакого опыта пилотирования. После разбега под уклон аппарат взмыл в воздух. В течение 8 секунд он устойчиво планировал, однако затем, подхваченный нисходящим порывом ветра, резко снизился, задел крылом за препятствие и упал. Высота была небольшой, поэтому Каппер не пострадал.
Несмотря на аварию, военные сочли первый опыт в целом удовлетворительным и спешно занялись переделкой отремонтированного планера в самолет — D.1B. За сидением летчика установили два французских двигателя "Бюше" с общим валом, развивавшие вместе мощность 12 л.с. С помощью ременной передачи вращение вала передавалосв на два расположенных за крылом пропеллера. Для разбега на пологом склоне холма на некоторой высоте от земли соорудили деревянный настил. Работы велись в спешке, так как уже наступила осень, а испытания хотели провести до первого снега.
Принятые меры секретности не смогли уберечь эксперименты от глаз любопытствующих. Английский журнал "Аутомотор" 5 октября сообщал: "В лагере на Шотландском плоскогорье около Глен Тилта продолжаются работы по самолету, созданному небольшой специальной группой британской армии. ...Обстановка секретности, которой окружены эти работы, привлекла внимание иностранных шпионов, и несколько человек, заподозренных в шпионаже, были задержаны поблизости от места испытаний. У них обнаружены подзорные трубы и длиннофокусные фотоаппараты".
Подготовка к полетам закончилась к ноябрю 1907 г. Чтобы корректировать движение самолета в начале разбега, к крыльям привязали канаты, которые должны были удерживать бегущие рядом члены испытательной группы. Когда запустили двигатели, самолет стал разгоняться под уклон так быстро, что один из помощников не смог удержать канат, тележка шасси соскочила с настила, аппарат перевернулся и был сильно поврежден.
В 1908 г. Данн с помощью сотрудников завода в Фарнборо построил самолет D.4 с более мощным двигателем и обычным колесным шасси вместо отделяемой тележки. Чтобы избежать неприятностей при разбеге решили, что самолет будет взлетать с горизонтальной поверхности.
На D.4 использовали крыло от D.1 площадью 47 м². На его концах для большей устойчивости в полете установили вертикальные поверхности, как на французских "Фарманах" и "Вуазенах". Вместо маломощных "Бюше" машину снабдили семицилиндровым 30-сильным двигателем REP, деревянные воздушные винты заменили стальными. По сравнению с D.1 самолет заметно потяжелел, его взлетный вес составил около 500 кг.
Чтобы испытатели самолета могли приобрести опыт пилотирования, Данн сконструировал учебный планер-"бесхвостку" D.3 со стреловидным крылом. Летом 1908 г. группа офицеров-воздухоплавателей выехала на прежнее место испытаний, чтобы поупражняться в коротких планирующих полетах. Времени для этого у них оказалось предостаточно, так как дата испытания D.4 постоянно откладывалась из-за хронических поломок в двигателе. К тому же, вместо обещанных изготовителем 30 л.с. REP развивал не более 25 л.с.
Испытания начались в ноябре 1908 г. Управлял самолетом лейтенант Гиббс, наиболее преуспевший в полетах на планере. Из-за недостатка мощности машина никак не хотела отрываться от земли. Только 4 декабря пилоту удалось поднять D.4 в воздух и пролететь около 10 м. Затем было еще несколько подлетов, наиболее удачный — 10 декабря. После разбега длиной 360 м [!] самолет смог пролететь 36 м. Реалистически оценивая эти результаты, Данн писал, что D.4 "скорее "прыгун", чем самолет".[3]
После малоудачных испытаний D.4 Военное министерство прекратило сотрудничество с Данном. За два года на опыты было израсходовано 2500 фунтов стерлингов, и военные решили больше не тратить деньги впустую. Данну предложили покинуть завод, подарив в качестве "выходного пособия" его последний самолет.
На этом авиаконструкторская карьера Данна могла бы закончиться, если бы его не поддержал богатый владелец расположенного неподалеку от места испытаний поместья Блэр Этхолл. С его помощью в 1910 г. Данн основал в Лондоне фирму Блэр Этхолл Эрплейн. В том же году к конструктору впервые пришел успех благодаря его новому самолету D.5.
Эта машина была значительно совершеннее прежних. Сохранив ту же форму и конструкцию крыла со стреловидностью 30°, Данн установил на самолете значительно более мощный двигатель, увеличил диаметр винтов, усовершенствовал трансмиссию. Самолет стал двухместным. Двигатель, летчик и пассажир располагались в закрытой с боков гондоле. Сзади к ней крепилась ферменная конструкция, несущая два винта, соединенных с двигателем с помощью цепной передачи. Вместо неуклюжей четырехколесной тележки конструктор применил трехколесное шасси с хвостовой опорой и дополнительными "страховочными" полозьями на концах крыла.
Как и прежде, управление самолетом осуществлялось элевонами на концах верхнего крыла. Каждый из них был связан со своим рычагом в кабине. Для изменения высоты полета летчик отклонял оба рычага в одну сторону, для накренения и поворота — в разные. Характерно, что рычаги могли жестко фиксироваться в любом положении. Это показывает, насколько Данн рассчитывал на собственную устойчивость самолета.
Изготовить самолет поручили недавно образованной авиастроительной фирме Шорт. На этот раз Данн решил сам испытать свое детище. В марте 1910 г. D.5 впервые поднялся в воздух, а 27 мая Данн совершил на нем полет дальностью более 3 км. Это был первый в истории авиации полет самолета схемы "бесхвостка".
Вот что писал по этому поводу английский журнал "Флайт": "Одним из самых значительных среди недавних событий ... является достижение лейтенанта Д.У.Данна. В районе Истчарча (о.Шеппи) он совершил на машине собственной конструкции полет на расстояние 2 1/4 мили. Самолет показал себя настолько устойчивым, что не было никакой необходимости притрагиваться к рычагам управления, ими пользовались только, если требовалось изменить курс. Не вызывает сомнения, что этот полет знаменует собой начало важного периода в развитии самолета..."[4]
Сведения о необычном самолете, который может летать без участия летчика, стали появляться и на страницах журналов других стран. В российском "Вестнике воздухоплавания" отмечалось: "Теперь можно сказать, что проблема абсолютной устойчивости аппаратов значительно ближе к разрешению. Лейтенант Дюнн (так в тексте журнала — Д.С.), много лет работавший над ее разрешением, наконец сконструировал аппарат, который совершил ряд удачных полетов. Недавно Дюнн, поднявшись на 60 фут. при небольшом ветре после разбега на 40 ярд., поддерживал еще на некотором расстоянии достигнутую высоту и затем, оставив рули, целиком предоставил аппарат своей судьбе. Аэроплан спокойно продолжал свой путь, отложив в воздухе еще две мили."[5]
Данн надеялся, что военные заинтересуются использованием самолета в качестве разведчика, так как благодаря отличной устойчивости летчик-наблюдатель мог отвлечься от управления и сделать записи увиденного. Эту возможность он продемонстрировал в декабре 1910 г. перед авторитетной комиссией, в состав которой входил знаменитый Орвилл Райт. В отчете комиссии сказано: "Во втором полете, продолжительностью 2 минуты 29 секунд, мистер Данн делал заметки на листе бумаги... Бумага была не жесткая и требовалось использовать обе руки для того, чтобы делать эти заметки карандашом, что показывает, что обе руки были сняты с рычагов управления на время, необходимое, чтобы сделать записи во время полета. При снижении после выключения двигателя мистер Данн поднял обе руки в воздух и продолжал держать руки в том же положении во время посадки".[6]
Для того, чтобы улучшить обзор вниз, Данн в 1911 — 1912 гг. сконструировал ряд монопланов с крылом, расположенным над головой летчика (схема "парасоль"). Крыло сохраняло ту же стреловидную форму, однако концы были отогнуты вниз для лучшей путевой устойчивости. Другое отличие заключалось в том, что наряду с отрицательной круткой крыла Данн предусмотрел изменение кривизны профиля по размаху (это называется "аэродинамическая крутка крыла"). Этим конструктор стремился достичь еще большей продольной устойчивости. Ради простоты и экономии веса Данн отказался от гондолы для пилота и применил один толкающий винт, надетый непосредственно на вал двигателя. Полностью изменилась конструкция шасси.
Первым из семейства бесхвостых монопланов Данна стал одноместный D.6 с тем же двигателем водяного охлаждения английской фирмы Грин, что и у D.5. На D.7 установили более легкий французский ротативный двигатель "Гном" мощностью 50 л.с. и на 3 м² уменьшили площадь крыла. Во время испытаний в июне 1911 г. он достиг скорости почти 100 км/ч, что по тем временам считалось совсем неплохим результатом. В 1912 г. состоялись испытания двухместного моноплана D.7bis с новым "Гномом" мощностью 70 л.с.
Монопланы Данна летали в целом неплохо, хотя из-за стреловидности крыла и сложного шасси были явно перетяжелены: взлетный вес самого легкого из них, D.7, равнялся 640 кг. В начале 1912 г. на D.7 конструктор вновь продемонстрировал возможность полета без вмешательства летчика. Этот самолет, снабженный табличкой с надписью "Автоматический безопасный самолет Данна", был показан на авиационной выставке в Англии. Однако заказов на него не последовало, так как Военное министерство Великобритании из-за частых случаев поломки крыльев монопланов решило принимать на вооружение только бипланы.
Тогда Данн вновь занялся бипланами. Появившийся в 1912 г. D.8 стал лучшим из его самолетов. Внешне он очень напоминал D.5, но имел только один винт. Двигатель — "Гном", 50 л.с. Крыло сочетало геометрическую и аэродинамическую крутку по размаху. Площадь элевонов возросла, к тому же теперь они располагались и на верхнем, и на нижнем крыле. Система управления осталась той же, правда конструктор на всякий случай установил вторую пару рычагов рядом с местом пассажира. Шасси — с ферменной опорой впереди основных колес, предотвращающей капотирование самолета.
Как и прежние машины Данна, D.8 изготовила фирма Шорт. Взлетный вес самолета равнялся 860 кг, максимальная скорость полета — 90 км/ч. Надежный двигатель позволял ему уверенно держаться в воздухе, а увеличенная площадь рулевых поверхностей облегчила управление. На самолете летали многие английские летчики. Благодаря высокой устойчивости D.8 на нем научился летать даже инвалид — однорукий капитан А.Карден. В июне 1912 г. в Королевском аэроклубе он сдал на этом самолете экзамен на звание пилота.
В том же 1912 г. второй экземпляр D.8 с двигателем "Гном" мощностью 80 л.с. прошел испытания по программе Военного министерства, после чего последовал заказ на два таких самолета для английского авиационного корпуса. Еще один D.8, с двигателем "Грин" мощностью 60 л.с., был построен в 1913 г.
Вскоре к самолету начали проявлять интерес за рубежом. Один экземпляр решила приобрести фирма Ньюпор. 11 —12 августа 1913 г. французский летчик Феликс перелетел на D.8 из Англии во Францию. Там во время авиационных состязаний Феликс для демонстрации превосходной устойчивости самолета на глазах у изумленных зрителей во время полета вылез из кабины и прошелся по крылу ни кем не управляемой машины. В том же году на авиационной выставке в Париже был показан вариант этого самолета, построенный фирмой Ньюпор.
Другим зарубежным партнером Данна стал американский предприниматель и строитель скоростных яхт С.Берджес. В 1913 г., заинтригованный уникальными свойствами бесхвостых бипланов Данна, он приобрел лицензию на право производства таких самолетов в США. Берджес доработал D.8, упростив конструкцию, уменьшив ее вес и установив более мощный двигатель. Кроме этого, имея дело с яхтсменами, он заменил колесное шасси большим поплавком, решив сделать из самолета своего рода летающую яхту.
Поделиться книгой: