Текст книги "История самолетов 1919 – 1945"

Автор книги: Дмитрий Соболев

сообщить о нарушении

Текущая страница: 8 (всего у книги 26 страниц)

В 1929 г. испытания были продолжены. 30 сентября фон Опель на новом летательном аппарате, на этот раз с хвостовым оперением, установленном на балках за крылом, и снабженном целой батареей из 16 пороховых ракет, совершил 10-минутный полет, во время которого скорость достигала 160 км/ч (рис. 1.91). В конце 20-х – начале 30-х годов опыты по применению ракетных двигателей на планерах проводили также Рааб-Катценштейн, Хети и Эспенлауб в Германии. Катаньо в Италии, Сван в США. Постройкой ракетоплана занималась группа студентов-энтузиастов из Ленинградского политехнического института, но эта работа не была завершена [62, с. 32-33].

Опыты с пороховыми двигателями показали принципиальную возможность полета реактивного летательного аппарата. Однако они не могли дать практического результата. Из-за кратковременности работы порохового РДТТ время полетов, как правило, измерялось секундами. Эксперименты часто сопровождались взрывами и пожарами.

Большее практическое значение имели работы по применению пороховых ракетных двигателей в качестве стартовых ускорителей. Если для горизонтального полета самолета было достаточно иметь тяговооруженность порядка 1/10-1/12, то для излета отношение тяги винта к весу долж– но было составлять не менее 1 /4-1/5, Это затрудняло взлет тяжело нагруженных самолетов, особенно ест и старт происходил с мягкого грунта.

Рис. 1.91. Ракетоплан немецких конструкторов, 1929 г.

Опыты по использованию пороховых ракетных двигателей в качестве вспомогательной силовой установки для облегчения взлета самолета начались в Германии и в СССР в 1929-1930 гг. В Германии по инициативе И. Винклера летом 1929 г. ракетные ускорители были установлены на крыле металлического одномоторного самолета Юнкерс W-34. Самолет был снабжен поплавковым шасси и взлет с ускорителями происходил с воды [63]. В СССР работы по созданию авиационных пороховых стартовых ускорителей возглавил В. И. Дудаков. В 1931 г. было выполнено около 100 взлетов на учебном У-1 с ускорителями (рис. 1.92), затем в 1931 – 1934 гг. проводились опыты по использованию ракетных ускорителей для взлета тяжелых самолетов ТБ-1. Эксперименты показали, что благодаря дополнительной силовой установке длина разбега уменьшается более, чем в 4 раза [64, с. 64-66].

Подводя итоги опытов по применению твердотопливных ракетных двигателей в авиации, С. П. Королев в докладе на Всесоюзной конференции по изучению стратосферы в 1934 г. заявил: "…если можно говорить о применении пороховых ракетных двигателей к самолетам, то только в качестве вспомогательного средства и, в первую очередь, как мощного кратковременно действующего источника силы для взлета" [65 с. 417]. Будущее подтвердило правоту этих слов.

Задача повышения мощности двигателя и ее сохранение на больших высотах возродила интерес к казалось бы давно забытому паровому авиационному двигателю. Правда, теперь говорилось уже не о поршневом двигателе, а об использовании в авиации паровой турбины. Опыт применения этого типа энергетической установки в различных областях техники показывал, что мощность установки может достигать десятков тысяч лошадиных сил, в то время как мощность двигателя внутреннего сгорания из-за ряда физико-технических ограничений (детонация топлива, жаропрочность материалов, влияние инерционных сил движущихся масс, проблема "лба" при увеличении чиста и размера цилиндров и т.д.) была ограничена величиной примерно 1000 л.с. В связи с характерной для конца 20-х – начала 30-х годов тенденцией к созданию самолетов-гигантов, мысль о применении в авиации сверхмощной паросиловой установки казалась многим очень заманчивой. В начале 30-х годов в авиационных журналах появились проекты самолетных паровых турбин, разработанные изобретателями в Германии, США, Франции, Италии [66, с. 247– 305]. В Московском авиационном институте также велись работы по созданию паровой авиационной силовой установки. Однако ни один из этих замыслов не нашел применения. Реализация шеи оказалась невозможной из-за большого веса парового двигателя (напомню о необходимости запаса воды, тяжелом паровом котле) и проблемы размещения конденсатора пара, площадь которого должна была быть значительно больше, чем площадь радиатора двигателя внутреннего сгорания. Созданный в МАИ паровой двигатель при мощности 150 л.с. весил более 300 кг. Еще тяжелее оказался испытанный в США на самолете паровой двигатель братьев Беслер [9, с. 110].

Рис. 1.92. Ракетный ускоритель на самолете У-1

Несмотря на это, работы по проектированию авиационных паровых турбин не пропали даром. Опыт был использован при создании турбореактивных двигателей (ТРД). Этот тип двигателя оказался несравненно более перспективным, т.к. из-за отсутствия необходимости в системах парообразования и конденсации был намного легче, компактнее, удобнее. Преимущества ТРД перед паровой турбиной хорошо понимали и в 20-е годы, однако проблема прочности деталей в условиях высоких температур задержала его появление до конца 30-х годов.

Итак, в поисках новых форм развития самолетов конструкторы и изобретатели далеко не всегда оказывались на правильном пути. Но сам процесс поиска является необходимым условием прогресса. Хотя многие конструкторы необычных самолетов и двигателей и не создали в 20-е – 30-е годы пригодных для широкого использования образцов, в процессе экспериментов решались важные технические вопросы. Например, на первых "летающих крыльях" были отработаны вопросы управления самолетом без горизонтального оперения, опыт конструкции втулки несущего винта .автожиров был с успехом использован при создании первых вертолетов, проекты паротурбинной силовой установки благоприятно повлияли на развитие ТРД. Да и сами неудачи помогали избежать в дальнейшем ошибочных направлений в развитии авиации.

Общая оценка развития самолетов в 20-е и начале 30-х годов

Темпы развития летных характеристик самолетов в 20-е годы были ниже, чем в другие периоды истории авиации. Так, за 10 послевоенных лет скорость самолета– истребителя увеличилась примерно на 80 км/ч, разведчика – на 60 км/ч, бомбардировщика – на 50 км/ч, тогда как за период с 1909 по 1918 гг. скорости в авиации возросли, в среднем, более чем на 100 км/ч. Максимальная скорость пассажирских самолетов и самолетов общего назначения к началу 30-х годов, как правило, не -ре вы шала 200 км/ч, т.е. почти не отличалась от скорости лучших самолетов заверяющей стадии первой мировой войны. Мало изменился и коэффициент аэродинамического лобового сопротивления летательных аппаратов. Это объясняется тем, что в самолетостроении 20-х годов доминировала та же схема, что и в период первой мировой войны – биплан со стойками и расчалками между крыльями. Развитие летных свойств происходило, главным образом, за счет увеличения мощности и снижения удельного веса авиационных двигателей.

В начале главы говорилось о неблагоприятной для развития авиации обстановке, сложившейся в первые послевоенные годы. Основные усилия были направлены на сбыт накопленных за время войны запасов авиационной техники, а не на создание новых конструкций. Эта ситуация не способствовала также развитию самолетов в странах, не имевших ранее собственной авиапромышленности, руководство этих стран предпочитало приобретать по "бросовым" ценам английские, французские и итальянские самолеты и двигатели образца 1917-1918 гг., нежели создавать самостоятельную самолетостроительную индустрию. К немногим новым государствам, вошедшим в начале 20-х годов в число активных производителей новой авиационной техники, относятся Голландия и Чехословакия. В Голландии основным создателем самолетов был переехавший туда из Германии известный авиаконструктор А. Фоккер. Чехословакия развивала свою авиапромышленность на основе самолетостроительных заводов бывшей Австро-Венгрии.

К середине 20-х годов послевоенный кризис в развитии авиации, в основном, завершился. Возросло количество новых типов самолетов, несколько повысился темп роста летных характеристик. Выдающиеся авиационные перелеты, в особенности беспосадочный перелет Ч. Линдберга из США в Европу в 1927 г., возродили былой интерес к авиации. Быстрыми темпами развивалась пассажирская авиация, большое внимание привлекла идея легкомоторного"массового" самолета. Однако этот благополучный этап в развитии самолетов был недолгим. В 1929 г. разразился мировой экономический кризис. Экономическая депрессия пагубно отразилась на темпах развития авиации, в первую очередь невоенной. Многие конструкторские бюро в США и в Европе обанкротились, другие были вынуждены резко сократить выпуск продукции.

Основным техническим новшеством в авиации 20-х годов стало создание металлических самолетов. Зародившись в Германии в годы первой мировой войны, металлическое самолетостроение получило к концу 20-х годов широкое распространение во всем мире. Поданным П. М. Крейсона, из 195 выпущенных в 1929 г. в мире новых типов самолетов 40 имели цельнометаллическую конструкцию, а на 98 типах металл составлял заметную часть конструкции [4, с. 51]. Наиболее интенсивно металлическое самолетостроение развивалось в Германии (Юнкерс. Рорбах, Дорнье) и в СССР (Туполев). В этих странах металл впервые был использован при создании самолетов со свободнонесущим крылом – схемы, ставшей позднее основной в самолетостроении. После окончания мировой войны развитие авиации в этих странах начиналось почти с нуля и внедрять принципиально новые подходы в самолетостроении было легче, чем в государствах с мошной авиапромышленностью, ориентированной на выпуск образцов эпохи первой мировой войны.

Металл стал применяться также при изготовлении пропеллеров. Характерные для периода первой мировой войны деревянные винты выдерживали нагрузку в несколько сотен лошадиных сил. однако, когда мощность начала приближаться к тысяче лошадиных сил и возросли обороты авиадвигателей, прочность древесины стала недостаточна, участились случаи поломки пропеллеров. В первой половине 20-х годов американские фирмы Кертисс-Рид и Гамильтон освоили производство металлических воздушных винтов, немного позднее пропеллеры с металлическими лопастями начали делать фирма Фейри в Англии, Левассер и Ратье во Франции [55, с. 78]. В СССР металлические винты на самолетах появились в 30-е годы.

Еще одним достижением рассматриваемого периода было создание пассажирской авиации. В 1929 г. общий налет пассажирских самолетов составил около 100 миллионов километров [27, с. 100]. Самолеты с колесным и поплавковым шасси перевозили людей и грузы на всех континентах Земли. Правда, беспосадочные трансокеанские перелеты из-за ограниченной дальности самолетов были еще "не по плечу" гражданской авиации. Воздушные перевозки на сверхдальние расстояния осуществлялись с помощью дирижаблей. Наибольшую известность приобрели немецкие дирижабли, построенные на верфях в Фридрихсгафене, которые немцам удалось сохранить, несмотря на суровые ограничения Версальского договора. LZ-127 объемом 10500 м³ начал регулярные трансатлантические полеты в 1932 г. За 5 лет на нем было выполнено 136 полетов в Южную Америку и 7 полетов в США. перевезено 13110 пассажиров.

Авиационная наука, как и авиационная техника, в 20-е годы развивалась, в основном, по пути уточнения и постепенного внедрения в практику научных достижений периода первой мировой войны, таких, как теория индуктивного сопротивления, теория пограничного слоя, разработка норм прочности и др.

Теория индуктивного сопротивления (или теория крыла конечного размаха) была разработана немецким ученым-аэродинамиком Л. Прандтлем в 1915-1917 гг. В условиях войны она не смогла получить широкого распространения. После того, как достижения немецких ученых стали достоянием мировой науки, она оказала глубокое влияние на проектирование самолетов. Известный советский аэродинамик Б. Н. Юрьев, первым в СССР начавший изучение и популяризацию теории индуктивного сопротивления, так отзывался о ее значении: "В настоящее время она обратилась в важнейший раздел прикладной аэродинамики. Ее успех объясняется многими причинами. Во-первых, эта теория дала четкие ответы на целый ряд фундаментальных вопросов, интересующих авиаконструктора: какова наивыгоднейшая форма крыла, как влияют друг на друга крылья биплана, каково влияние крыльев на хвост самолета, насколько точны опыты в аэродинамических трубах, как влияют стенки трубы на результаты опытов и т.д. Во-вторых, эта теория привлекает инженеров своей простотой и наглядностью" [67. с. 3].

Распространение теории индуктивного сопротивления оказало большое влияние на развитие конструкции самолетов. В частности, осознание конструкторами взаимосвязи удлинения крыла и подъемной силы привело к середине 20-х годов к полному отказу от самолетов с тремя и более крыльями, способствовало распространению схемы моноплан в тяжелой авиации.

В 20-е годы прошла экспериментальную проверку и получила дальнейшее развитие теория пограничного слоя, основы которой Л. Прандтль создал еще до первой мировой войны. Многочисленные опыты показали, что возможны два вида обтекания тела потоком – турбулентное и ламинарное. В первом случае поток представляет собой систему вихрей, во втором случае линии тока параллельны омываемой потоком поверхности, причем скорость потока уменьшается по мере приближения к поверхности; коэффициенты трения в случае ламинарного или турбулентного обтекания существенно отличаются. Теория, подтвержденная тонким экспериментом, сумела объяснить природу срыва потока: было установлено, что это явление происходит при превышении критической толщины пограничного слоя, когда из-за большого градиента давлений воздушный слой отрывается от поверхности крыла. Связь теории с практикой прежде всего проявилась в совершенствовании форм предкрылков, капотов. Позднее, в 30-е годы, развернулись работы по созданию средств управления пограничным слоем, появились так называемые ламинарные профили. Подробнее об этом будет рассказано в четвертой главе.

Мировой опыт проектирования авиационных профилей, накопленный в годы первой мировой войны и в первые послевоенные годы нашел воплощение в виде атласов профилей, на основе которых разработчики самолетов могли заранее выбрать оптимальный для их целей тип крыльевого профиля. В СССР первый такой справочник появился в 1932 г. [68].

К началу 20-х годов типичными профилями были выгнутые, отмечалось увлечение профилями Жуковского типа инверсии параболы. Однако к середине этого десятилетия недостатки профилей большой кривизны – значительное перемещение центра давления в зависимости от угла атаки, большое С% проф – были признаны достаточно серьезными, и началось применение более "спокойных" плоско-выпуклых профилей типа Геттинген-436 и Кларк-Y. Появились lаже профили, в которых положение центра давления практически не менялось с изменением угла атаки. Они получили название безмоментных профилей.

Исследование характеристик крыльевых профилей велось в аэродинамических трубах. В годы первой мировой войны лучшей была аэродинамическая труба Геттингенского института (Германия). Она имела круглое сечение с диаметром рабочей части 2,26 м, максимальная скорость потока составляла 58 м/с. Посте войны появились более совершенные трубы. Построенная в ЦАГИ в 1926 г. труба имела максимальное поперечное сечение рабочей части 6 м и скорость потока 30 м/с; при уменьшении сечения до 3 м скорость достигала 75 м/с. В то время это была самая большая аэродинамическая труба в мире. В 1927 г.в лаборатории им. Ленгли НАКА (NACA – Совещательный комитет по аэронавтике США, аналог нашего ЦАГИ) воздвигли трубу диметром 6,1 м со скоростью потока 47 м/с [73, с. 41-45]. Она предназначалась, главным образом, для испытаний натурных воздушных винтов и изучения их влияния на сопротивление мотогондолы, крыла и фюзеляжа.

Принципиальным новшеством в развитии авиационного экспериментального оборудования стало создание аэродинамической трубы переменной плотности. Благодаря применению сжатого воздуха удавалось изменять число Рейнольдса( 15*

[Закрыть]) и таким образом достичь большей достоверности результатов. Идея создания такой трубы принадлежит немецкому ученому М. Мунку, после первой мировой войны переехавшему в США. Первая труба переменной плотности была построена в 1923 г. в НАКА [74, с. 21].

Изучение характеристик крыльев и разработка профилей с более стабильными моментными характеристиками способствовали улучшению устойчивости самолетов. Теория индуктивного сопротивления позволила численно оценить влияние крыла на работу хвостового оперения, в результате выбор параметров последнего дел алея уже не эмпирически, а на научной основе. К концу 20-х годов одно из непременных условий устойчивости – передняя центровка -стало общеизвестным в самолетостроении, появилось понятие запаса устойчивости [69]. Раньше это часто не соблюдалось. Например, первый советский истребитель-моноплан ИЛ-400, потерпевший аварию при испытаниях в 1923 г., имел центровку 52 % средней аэродинамической хорды [20, с. 328].

Изучение явления штопора самолета, начатое в годы войны, приобрело большую актуальность в 20-е годы. По мере характерных для развития авиации увеличения нагрузки на крыло самопроизвольный штопор случался все чаше. Экспериментальные и теоретические исследования позволили выявить целый ряд факторов, влиявших на склонность самолета к штопору – положение центра тяжести, профиль крыла, расположение и площадь рулей и оперения и др. [70; 71 |. В результате были разработаны некоторые общие конструктивные рекомендации, однако никаких определенных указаний по проектированию отдельных типов самолетов выработать не удалось, т.к. выбор схемы и даже незначительные изменения в конструкции иногда очень сильно влияли на характер протекания штопора.

В основу прочностных расчетов самолетов были положены нормы прочности, разработанные в Германии в 1916-1918 гг. Созданные на основе замера сил, действующих на самолет в полете, они регламентировали запас прочности в зависимости от типа самолета и вида нагрузки. После войны в разных странах (Англия, СССР, США, Франция) проводилось уточнение норм путем летных экспериментов и более детальной разбивки самолетов по группам, было введено общепринятое сейчас понятие "коэффициент безопасности" [72]. Расчет на прочность основывался на общеинженерных методах расчета ферменных конструкций, участие обшивки в восприятии нагрузок не принималось во внимание, даже если это была металлическая обшивка.

По мере развития скоростных качеств самолетов и уточнения действующих на самолет нагрузок расчетная величина разрушающей перегрузки постоянно возрастала: 1912 г. – 3; 1914 г. – 4; 1918 г. – 8; 1923 г. – 12 [72]. Однако постепенно совершенствующаяся методика статического расчета позволила сохранить относительный вес конструкции в пределах 0,30-0,35.

Обобщение и развитие научных данных, полученных в годы первой мировой войны, оказало существенное воздействие на прогресс самолетостроения. Если в начале века проводился лишь проверочный расчет – полетит ли самолет, то позднее в практику конструкторской работы вошел предварительный аэродинамический расчет. Это оказало влияние на выбор схемы и параметров самолета, типа и мощности двигателя и т.д. Эмпирический подход в конструировании начал уступать место научно-обоснованному проектированию.

Как известно, основной дилеммой для авиаконструктора является выбор соотношения между весом и аэродинамикой летательного аппарата. Оба фактора имеют большое влияние на летные характеристики самолета. Однако, если улучшение полетных свойств благодаря уменьшению веса конструкции не зависит от скорости, то влияние аэродинамического "облагораживания" пропорционально квадрату скорости воздушного потока: с х= kV2. В 20-е годы скорость самолетов составляла 200– 300 км/ч, и меры, направленные на улучшение внешних форм, сравнительно мало сказывались на технических характеристиках. Например, уменьшение коэффициента лобового сопротивления на 20 %, требующее дополнительных усилий и затрат и ведущее к увеличению веса планера самолета, давало прирост в скорости только на 25-30 км/ч. Поэтому не удивительно, что в рассматриваемый период выбор вес – аэродинамика делался в пользу веса, и плохообтекаемые расчалочные бипланы доминировали над более обтекаемыми, но более тяжелыми свободнонесущими монопланами. Даже специальные гоночные самолеты в 20-е годы часто делали по бипланной схеме. Принципы конструирования аэродинамически совершенного самолета были хорошо известны [75], но они интересовали больше ученых-аэродинамиков, чем конструкторов-практиков.

В 20-е годы авиация стала играть заметную роль не только в военной сфере, но и в мирной жизни. Кроме пассажирских и почтовых перевозок самолеты начали использовать в медицине как транспортное средство для срочной врачебной помощи, сельском хозяйстве (опыление посевов), для тушения лесных пожаров, для спасения людей на море, для географических и метеорологических исследовании. Во многих странах авиапромышленность стала одной из основных технических отраслей. Особенно интенсивно развитие авиационного производства происходило во второй половине 20-х годов. Только за 1925– 1929 гг. в мире было построено более 50 тысяч самолетов, 3/4 из них составляли военные машины [76, с. 579]. Затраты на авиацию в 1930 г. составляли: в Англии – 8202 тыс. фунтов стерлингов (около 200 млн.рублей по курсу того времени), во Франции – 750 млн. франков (100 млн. руб.), в США – 38549 тыс. долларов (190 млн. руб.) [1, с. 61].

Если вначале развитие авиации основывалось на достижениях других видов техники (двигателестроение, судостроение и т.д.), то в 20-е годы авиационная техника сама начала оказывать влияние на общий научно-технический прогресс. Успешное продвижение авиации требовало развития новых специальных производств, создания новых материалов. Впоследствии эти новшества находили применение во многих областях техники. Так, например, в 20-е – 30-е годы авиационные материалы – дюраль, высокопрочные легированные стали – были использованы в транспортном машиностроении (корпуса кораблей, автомобилей, вагонов) и в станкостроении. Результаты авиационных аэродинамических исследований начали применять при создании скоростного наземного транспорта, при проектировании крупных зданий и инженерных сооружений. Методы прочностного расчета, позволявшие создавать прочные и легкие конструкции, стали использовать во многих областях общего машиностроения. Это лишь некоторые примеры.

Если сравнивать послевоенное пятнадцатилетие с другими этапами в истории авиации, его можно охарактеризовать, в целом, как этап экстенсивного развития. И все же, как следует из данной главы, это был заметный шаг в эволюции авиационной техники.

15 * Критерий подобия, показывающий соответствие условий эксперимента реальным условиям. Значение Re пропорционально плотности воздуха.