На протяжении нескольких лет идет обсуждении спорной темы о преимуществах и недостатках "утки" со свободно ориентирующимся передним горизонтальным оперением. Тема оказалась крепким орешком, расколоть который решили польские авиастроители.

Реактивный сельскохозяйственный самолет М-15, планеры Swift, Fox, реактивный учебно-тренировочный Bielik, четырехместный двухмоторный Orka - проекты, в которых Эдвард Марганьский (Edward Margański) участвовал в качестве соисполнителя или главного конструктора. Немногие авиационные инженеры имели возможность реализовать свой творческий потенциал в таком диапазоне задач. Несмотря на различия в характеристиках, оригинальность проектов очевидна - каждый планер или самолет Марганьского с полным основанием можно назвать успешным. Однако рациональное мышление Эдварда никак не хотело мириться с общим недостатком не только его, но и большинства планеров и самолетов, которые сегодня поднимаются в небо - потерями полезной подъемной силы на балансировку нормальной схемы.

Еще в 70-е годы прошлого века, когда Марганьский уже работал авиаконструктором, его заинтересовали работы Берта Рутана - "утки" VariEze и Long-Ez.

Впечатляющие скорости и дальности полета двухместных самолетов Рутана сулили в скором времени революцию в самолетостроении. Американский конструктор нашел оптимальные для "утки" решения аэродинамической компоновки и, казалось бы, открыл дорогу массовому использованию этой балансировочной схемы после полувека господства самолетов нормальной схемы.

Однако революция не состоялась. Несмотря на то, что было построено почти две тысячи "уток" VariEze и Long-Ez, которые до сих пор продолжают летать, и появились подобные аппараты других конструкторов, в "большой" дозвуковой авиации в серийное производство поступил только один административный Starship компании Beechcraft, спроектированный с участием того же Рутана. Но производство этих самолетов прекратили вскоре после начала эксплуатации. И сегодня "утки" закрепились только в сегментах сверхлегкой авиатехники и сверхзвуковой авиации. А мировой воздушный флот по-прежнему вынужден компенсировать 10-15% потерь подъемной силы на балансировку каждого самолета нормальной схемы увеличением площади их крыльев, массы и энерговооруженности. В масштабах планеты это колоссальный перерасход материалов, энергии, дополнительное загрязнение окружающей среды.

Эдвард Марганьский считает, что мириться с этим неизбежным злом авиационным инженерам просто стыдно. Поэтому ему не давали покоя мысли о том, что преимущества "утки" должны быть использованы в полной мере, для чего надо минимизировать недостатки этой балансировочной схемы. Эти недостатки хорошо известны. Но в чем их причины и как избавиться от них?

В своей статье польский конструктор обращает внимание на то, что для "уток" характерны меньший, по сравнению с самолетами нормальной схемы, диапазон скоростей, большие взлетные и посадочные скорости, взлетные и посадочные дистанции. В силу особенностей компоновки на "утках" сложно применять такую мощную механизацию крыла, как в самолетах нормальной схемы. Все эти недостатки некритичны для сверхлегких самолетов, но закрывают перспективы перед "утками" в "большой" авиации, так как увеличение взлетно-посадочных полос гражданских аэродромов сводит к нулю потенциальную экономию от эксплуатации самолетов с передним горизонтальным оперением (ПГО).

Кроме того, повышаются требования к квалификации пилота. Еще один жирный крест на применении "уток" ставит характерный для них "клевок", возникающий чаще всего на посадочных режимах, когда вследствие срыва потока на ПГО самолет резко опускает нос, создавая предпосылки к аварии или катастрофе.

Размышляя над недостатками "утки", польский конструктор пришел к заключению о том, что "в любом случае переднее оперение не должно крепиться неподвижно к самолету, но должно изменять свое положение относительно набегающего воздушного потока, а изменения (в основном угла атаки) должны быть реализованы каким-то механизмом, по-видимому, с усложненными зависимостями".

Прежде чем продолжить изложение сути статьи, которую перевел с польского Константин Добрыдин, отмечу отличие терминологии Марганьского от принятой в нашем журнале. Эдвард "уткой" называет самолет или планер с передним горизонтальным оперением (ПГО), даже если у них есть традиционное горизонтальное оперение. В этом случае используется термин "гибрид". Мы же называем такую компоновку схемой с тремя несущими поверхностями. В статье будем пользоваться терминологией автора.

Интересно, что к теме усовершенствования "утки" Марганьского вернула задача сокращения взлетной дистанции реактивного учебно-тренировочного самолета Bielik нормальной схемы:

- Во время рулежки и подлетов (подскоков) проявилась проблема, -пишет в Эдвард. - Для поднятия переднего колеса нужна слишком большая скорость. Причина достаточно прозаична. Коротковатое переднее шасси (взято с самолета Seneca) и, следовательно, слишком маленький установленный угол атаки при разбеге по взлетно-посадочной полосе.

Как быстрей оторвать переднее колесо самолета на взлете? После долгих размышлений и бессонных ночей конструктор высказал идею:

- Нужно в носу самолета установить дополнительную плоскость для балансировки, но, в отличие от горизонтального оперения, эту поверхность закрепить на оси вращения, размещенную так, как флюгер на крыше (на кране, на вершине башни Ратуши), то есть перед центром давления аэродинамических сил, возникающих на той поверхности! Такая нейтральная плоскость не производит подъемной силы, потому что возникает собственно такой момент (как у флюгера), возвращающий к положению равновесия, где эта сила нулевая.

Ну, а если к этой оси вращения пилот приложит момент? На упомянутой поверхности появится сила, которая будет зависимой от воли пилота (если надо, она будет направлена вверх), независимой от угла атаки самолета, его скорости и конфигурации. Эврика! Прорыв в авиации!

Свою идею конструктор решил проверить на практике и начал с испытаний дистанционно пилотируемой летающей модели с размахом крыла 1 м. Ее изготовил инженер Богдан Хахловский (Bogdan Chachlowskiy). С дельтавидным крылом и традиционным оперением она отлично летала, взлетала, приземлялась, выполняла пилотаж.

Эксперимент проходил в два этапа. На первом на модели установили ПГО площадью 12% площади крыла и закрепили его на оси вращения, расположенной в нескольких сантиметрах впереди расчетной точки приложения результирующей аэродинамических сил, действующих на оперение.

Модель сбалансировали так, чтобы сохранить исходное положение центра тяжести. Модель стартует, летает и приземляется. В результате эксперимента Богдан, пилотировавший модель, заявил: "Ничего не изменилось, модель устойчива, управляема, акробатические упражнения крутит как крутила, в конечном итоге вы сами видели".

То есть, гипотеза о том, что свободно ориентируемое или флюгерное ПГО не повлияло на устойчивость и управляемость модели, подтвердилась.

На следующем этапе было принято решение загрузить ПГО. На оси вращения был установлен ролик диаметром около 2 см. На него намотали прикрепленную к нему одним концом авиамодельную резину длиной 50-60 см. Другим концом закрепили ее на радиоуправляемой лебедке. Этот механизм мог создавать постоянный крутящий момент, отклоняющий ПГО. Дистанционно момент изменяли от нуля до величины, соответствующей воздействию силы, равной 15% веса модели в центре приложения аэродинамической силы, создаваемой крылом. Далее дадим слово автору :  

"Эмоции перед этим испытанием были гораздо сильнее, чем предыдущие. Старт с моментом на оси ПГО, равным нулю, быстрый подъем. Увели чение момента и... ничего."

Модель по-прежнему летает так же, как раньше.

Но не совсем. При приземлении модели у руля высоты нет поворота вверх, как ранее (для создания балансировочной силы, направленной вниз), он даже слегка наклонен вниз. Следовательно? Успех! Все силы направлены вверх! На ПГО - потому что это создано натяжением резины; на крыльях - потому что направление подъемной силы вверх возникает по определению; и на оперении - возникает из его конфигурации (заклинение стабилизатора, руль фиксируется после приземления, когда электромеханизм остался в том же самом положении, что при приземлении).

Таким образом, и второй этап испытаний прошел успешно. На схеме видно, что на посадке ПГО расположено под меньшим углом, чем крыло, что исключает срыв потока на ПГО и "клевок". Векторы всех сил направлены вверх, потерь подъемной силы нет.

От испытаний летающей модели перешли к аэродинамическим исследованиям. В трубе Военного технического университета они были проведены под руководством профессора Александра Олейника на инициативных началах. Затем Министерством науки Польши был выделен грант, и исследования были продолжены в Варшавском технологическом университете. Для трех различных компоновок, начиная с модели УТС EM-10 Bielik были построены аэродинамические характеристики (Cya = f (а), Сха = f(a), Cza = f(a), Cm = f(a)), которые показали, что модель с новым ПГО и сочлененным крылом сохраняет устойчивость на больших углах атаки, сохраняя все преимущества традиционной "утки" - меньшее аэродинамическое сопротивление, большую подъемную силу и т.д.

По итогам аэродинамических исследований и параллельных испытаний модели были достигнуты следующие результаты:

• получено значительное увеличение подъемной силы;
• сокращен разбег модели (в большей степени, чем мог быть достигнут по причине увеличения подъемной силы);
• аэродинамическое качество изменилось практически незначительно;
• самолет должен решительно легче выходить из возможного "штопора";
• использование ПГО позволяет самолету лучше реагировать на порывы ветра и эффективно гасит его воздействие.

ЛТХ:

Модификация	Małgosia II
Размах крыла, м	9.10
Длина самолета,м	6.40
Высота самолета,м
Суммарная площадь крыльев,м2
Масса, кг
пустого самолета
максимальная взлетная	750
Тип двигателя	1 ПД Rotax 912
Мощность, л.с. + кгс	1 х 80
Максимальная скорость, км/ч
Крейсерская скорость, км/ч
Практическая дальность, км
Практический потолок, м
Экипаж, чел	2

Доп. информация :

Фотографии:  Małgosia II  Małgosia II  Małgosia IIA  Małgosia IIA  Małgosia IIA  Małgosia IIA  Małgosia IIA  Małgosia IIA  Małgosia IIA  Małgosia IIA  Кабина Małgosia IIA   Схемы:  Małgosia II

Список источников:

Авиация Общего Назначения 2014-12. Сергей Арасланов. Крепкий орешек Samolotypolskie.pl. Aeroem "Małgosia II", 2014 Oblot samolotu "Małgosia IIA" hybryda na lotnisku w Mielcu

Уголок неба. 2019