ГЛАВА 6. ОТ ПЛАНЕРА - К САМОЛЕТУ

Идея снабдить планер легким двигателем для увеличения продолжительности нахождения в воздухе зародилась вскоре после осуществления первых успешных планирующих полетов. Установка двигателя не преследовала вначале цели превращения планера в самолет - взлет должен происходить как обычно, после разбега с возвышенности против ветра, а двигатель предполагалось включать лишь эпизодически для перелета от одного восходящего потока к другому.

Рис 6.1. Мотопланер О.Лилиенталя с углекислотным двигателем

Первым из планеристов, кто решил применить легкий двигатель, был О. Лилиенталь. В 1893 г. он запатентовал [282], а затем и построил моноплан размахом 8 м с одноцилиндровым углекислотным двигателем. Являясь сторонником полета по образцу птиц, Лилиенталь для создания пропульсивной силы решил применить машущее крыло, концы которого были расчленены на "перья". Поворачиваясь под давлением воздуха вокруг своей оси при движении крыла вниз, они должны были образовывать направленную вперед аэродинамическую силу. Двигатель мощностью около 2 л.с. был рассчитан на две минуты работы и весил вместе с резервуарами углекислоты 20 кг. Он подвешивался на грудь летчика. Движение штока передавалось на крылья с помощью цепной передачи. Аппарат испытывался в 1894 г. как планер (рис. 6.1), так как добиться надежной работы двигателя не удалось [229, с.50-52; 284].

После неудачной попытки приобрести легкий бензиновый двигатель О. Лилиенталь поручил инженеру П. Шауэру сконструировать новый углекислотный двигатель. На этом двигателе уже было два цилиндра и установлены они были на центроплане крыла. По словам Шауэра, весной 1896 г. работы были завершены и Лилиенталь во время планирований пробовал делать удары крыльями [229, с.55 ].

В 1896 г. Лилиенталь пришел к выводу о целесообразности заменить цельноповоротное крыло поверхностью с неподвижным центропланом и машущими законцовками. Незадолго до гибели немецкого планериста аппарат (без двигателя) был построен, но испытать его Лилиенталь не успел [229, с. 55-57 ].

Деятельность Лилиенталя по применению механического двигателя в значительной мере обесценивалась идеей использования машущего крыла (1). Применение крыльчатого пропеллера неизбежно вызвало бы неустойчивость в полете, не говоря уже о неэффективности такого движителя. По существу, отмеченные здесь летательные аппараты Лилиенталя представляли собой орнитоптеры со всеми присущими данному классу машин недостатками. Поэтому нельзя согласиться с утверждением, что если бы немецкий планерист не погиб, он, возможно, осуществил бы полет на несколько лет раньше братьев Райт [21 ].

В 1896 г. в Англии П. Пильчер предложил проект мотопланера более совершенной конструкции, чем аппарат О. Лилиенталя. Аппарат, спроектированный на основе наиболее удачного планера Пильчера "Хоук", должен был иметь бензиновый двигатель внутреннего сгорания, толкающий воздушный винт и колесное шасси (рис. 6.2). "Машина будет стартовать точно так же, как планеры, - писал ее конструктор, - разбегаясь вниз с холма, а когда она будет в воздухе, винт будет приведен во вращение и при этом, я надеюсь, удастся поддерживать себя в воздухе в горизонтальном полете. Из опытов с планерами следует, что необходима мощность около 2 л.с.; я применю двигатель примерно в 4 л.с., учитывая неэффективность винта и другие потери. Скорость полета - около 30 миль в час" [338, с. 13-14 ].

Рис. 6.2. Проект мотопланера П.Пильчера

Из приведенной цитаты очевидно, что цель, поставленная перед собой Пильчером, - осуществление горизонтального установившегося полета - существенно отличалась от задач, которые пытался решить Лилиенталь при установке двигателя на планер. Это можно объяснить тем, что английский изобретатель сотрудничал с конструктором самолета Максимом и был убежден в осуществимости моторного полета, Планеризм рассматривался им как промежуточный этап в достижении конечной цели.

Решив приступить к реализации своего проекта, Пильчер, как и все его современники, столкнулся со значительными трудностями в поисках подходящего двигателя, Создание двигателя весом около 5 кг/л.с. удалось закончить только в конце лета 1899 г., всего за месяц до трагической смерти английского пионера авиации [252, с. 306 ].

Другим обстоятельством, задержавшим создание мотопланера, было то, что с конца 1897 г. на Пильчера повлияли успешные полеты планеров-полипланов Шанюта и Херринга в США и он отказался от мысли установить двигатель на уже имевшийся у него планер с монопланным крылом. "Я намерен сделать машину по типу одного из ваших мультипланов... Я имею бензиновый двигатель, хотя он еще не совсем закончен, и я надеюсь поставить его на эту машину", - писал он Шанюту в январе 1898 г. [252, с. 304 ]. Как отмечалось, планер-триплан был построен в 1899г., но испытать его Пильчер не успел.

(1) Отрицательное отношение к винтовому пропеллеру было обусловлено тем, что при остановке двигателя неподвижный винт вызывал бы ухудшение планирующих свойств аппарата. (Напомню, что Лилиенталь рассматривал двигатель лишь как вспомогательное средство для увеличения продолжительности планирования, он должен был включаться эпизодически и на короткое время.)

Еще одним из планеристов XIX столетия, кто решил установить на своем летательном аппарате двигатель, был Херринг. Напомним, что в 1896 г. он совместно с Шанютом сконструировал удобный балансирный планер-биплан. В процессе испытаний этого и других однотипных планеров Херринг приобрел большой опыт пилотирования и готов был сделать следующий шаг - перейти к моторным полетам.

Предварительные опыты начались в конце 1896 г. с полетов на планере-триплане с песчаным балластом, имитирующим вес двигателя [238, с. 72 ]. Эксперименты дали обнадеживающие результаты, и в скором времени был разработан проект мотопланера [177]. Как видно из рис. 6.3, аппарат должен был иметь трипланное крыло, крестообразное хвостовое оперение, колесное шасси. Двигатель приводил во вращение два соосных винтовых пропеллера -тянущий и толкающий. Как и на планерах, аппаратом предполагалось управлять с помощью изменения положения тела пилота, который располагался на подвесном сидении.

Рис. 6.3. Проект мотопланера А.Херринга и О.Шанюта. Рисунок из патента

Первоначально Херринг собирался установить на мотопланере два легких бензиновых двигателя мощностью по 2 л.с. Однако имевшиеся в его распоряжении ДВС были слишком тяжелы и к тому же оказались ненадежны в работе. Поэтому он был вынужден ограничиться применением силовой установки на сжатом воздухе. Двухцилиндровый двигатель развивал мощность 3-5 л.с. и весил при этом всего около 6 кг, но время его работы не превышало 30 с.

Строительство мотопланера было завершено летом 1898 г. За исключением крыла бипланной схемы аппарат в основном соответствовал запатентованной год назад конструкции. Размах крыла составлял 5,5 м, вес вместе с двигателем равнялся 40 кг. Винты имели диаметр 1,5 м [183, с. 217 ].

Первые испытания состоялись 11 октября 1898 г. Они происходили на берегу озера Мичиган, где и в прежние годы Херринг тренировался в полетах на планерах. После разбега против ветра с аппаратом на плечах Херринг запустил двигатель и машина поднялась в воздух. Дальность составила всего 9 м. Повторные испытания происходили 22 октября. Как и при первом опыте, результат оказался более чем скромным -Херрингу удалось продержаться в воздухе всего 8 или 10 с на минимальной высоте. Пройденная дистанция составляла на этот раз 22 м [239 ].

После второго опыта Херринг окончательно убедился в необходимости замены двигателя на сжатом воздухе. Требовался более мощный двигатель. Однако это неизбежно должно было привести к увеличению веса аппарата, что требовало нового метода старта и, главное, сделало бы невозможным балансирное управление. Не сумев найти выход из создавшегося противоречия, Херринг на время прекратил конструкторскую деятельность.

По сообщению журнала "Scientific American" [202 ], в 1903 г. опыты по применению двигателя на балансирном планере проводил соотечественник А. Херринга Г. Уайтхед. Его аппарат имел трипланное крыло и по конструкции напоминал планер-триплан Херринга. Двухцилиндровый бензиновый двигатель, изготовленный самим Уайтхедом, крепился на балках перед нижним крылом, на валу был установлен пропеллер.

Как и Херринг, Уайтхед решил стартовать на балансирном планере с работающим двигателем, разбегаясь против ветра. В упомянутой статье говорится, что таким образом Уайтхеду удалось выполнить полет дальностью почти 300 м. Этот факт, однако, вызывает большие сомнения, во-первых, из-за неправдоподобности прежних сообщений о летных достижениях Уайтхеда, во-вторых, из-за явной неустойчивости планера, имевшего курьезное хвостовое оперение в форме полой четырехгранной пирамиды. К этому нужно добавить, что, как и в предыдущих случаях с "полетами" Уайтхеда, не существует ни одной фотографии моторного аппарата в воздухе.

Несмотря на очевидное конструктивное превосходство мотопланеров Пильчера и Херринга перед летательными аппаратами Лилиенталя, эти работы также были обречены на неудачу. Причина заключалась даже не в недостаточной мощности двигателей - они могли быть заменены более мощными. Непреодолимы препятствием в достижении моторного полета являлся балансирный метод управления, так как при весе силовой установки 40-50 кг (а именно столько весили в те годы лучшие ДВС необходимой для горизонтального полета мощности) контролировать положение аппарата в воздухе за счет перемещения тела пилота было уже невозможно.

Как известно, выход из создавшейся ситуации был найден в замене балансирного управления аэродинамическим. Планеры братьев Райт были первыми удачными летательными аппаратами, управляемость которых не зависела от размеров и веса машины, и не случайно, что именно Райтам удалось добиться успеха в преобразовании планера в самолет.

Мысль о создании самолета(1) на основе безмоторного летательного аппарата возникла у братьев Райт в конце 1902 г. после успешных испытаний планера с усовершенствованной системой бокового управления. В письме О. Шанюту от 11 декабря они писали: "Мы намерены в следующем году построить значительно большую и примерно вдвое более тяжелую машину, чем наш настоящий аппарат. На ней мы будем изучать проблемы старта и управления тяжелым аппаратом, и если найдем его хорошо управляемым в полете, мы произведем установку мотора" [327, с. 290]. Вскоре, однако, было решено сразу строить аппарат с двигателем, не теряя времени на испытания его безмоторного варианта.

Решение о создании самолета наложило заметный отпечаток на характер деятельности изобретателей. Если вначале Райты относились к планеризму как к спорту и регулярно знакомили общественность со своими достижениями [327, с. 99-118; 318-335 ], то к моменту окончания работ по созданию самолета они постарались по возможности засекретить сведения о его конструкции, понимая, что первенство в решении проблемы моторного полета принесет им известность и состояние. По указанной причине Райты уклонились от обсуждения деталей сконструированных ими аппаратов с одним из своих конкурентов, С. Ленгли, и отказались от запланированного летом 1903 г. визита французского планериста Ф. Фербера в Китти-Хоук(1).

Двигатель и пропеллеры для самолета были изготовлены в течение зимы и весны 1903 г. Короткие сроки создания силовой установки объясняются тем, что Райты, в отличие от большинства своих предшественников, не ставили перед собой задачи сконструировать сверхлегкий двигатель. Построенный при их участии четырехцилиндровый рядный бензиновый двигатель водяного охлаждения мощностью 12 л.с. представлял собой облегченный вариант обычного автомобильного ДВС и весил со всеми вспомогательными системами 90 кг, т.е. 7,5 кг/л.с. - значительно больше, чем двигатель самолета Ленгли, и даже больше, чем авиационные паровые двигатели конца XIX в. Тем не менее по расчетам братьев Райт он с избытком обладал способностью поднять их самолет в воздух(2).

При разработке пропеллера использовался опыт аэродинамических исследований, проведенных Райтами в 1901-1902 гг. Рассматривая воздушный винт как вращающееся крыло и стремясь подобрать наивыгоднейший для каждого сечения профиль, им удалось создать пропеллер с рекордным для своего времени КПД - 66 % [327, с. 609 ]. Винты соединялись с двигателем с помощью цепной передачи, уменьшавшей частоту вращения пропеллера втрое. Общий вес трансмиссии и винтов составлял 41 кг.

Конструкция самолета была изготовлена по типу планера 1902 г., но в связи с возросшим взлетным весом размеры крыла были увеличены. Увеличена была также площадь органов управления - одинарные поверхности рулей заменили двойными. Как и на планере, руль направления автоматически отклонялся при перекашивании крыла. Под крылом были установлены полозья. Отказ от применения колесного шасси объясняется преобладанием песчаной почвы в Китти-Хоук, где должен был испытываться самолет.

Сборка самолета была завершена в начале ноября 1903 г. Аппарат представлял собой биплан с двумя толкающими пропеллерами, вращающимися в противоположных направлениях. Двигатель был установлен на нижнем крыле, сбоку от летчика. Как и на аппаратах прошлых лет, пилот размещался в полете лежа и управлял перекашиванием крыла движением бедер. Перед пилотом были расположены две рукоятки, одна из которых служила для управления рулем высоты, другая - для включения двигателя. Взлетный вес самолета равнялся 340 кг, площадь крыла -47,4м2, размах - 12,3 м, длина - 6,4 м, диаметр винтов - 2,5 м.

В процессе наземных проб двигателя выяснилась недостаточная прочность валов пропеллеров. Поломки, вызванные перебоями в работе двигателя, удалось устранить только после замены пустотелых валов сплошными. 12 декабря самолет был готов к летным испытаниям.

В связи с большим весом самолета Райты отказались от прежнего метода старта, когда ассистенты разгоняли аппарат до скорости отрыва, поддерживая его за крыло. Кроме того, подобный способ взлета мог вызвать сомнения, происходил ли старт только за счет мощности двигателя. Поэтому было решено, что самолет будет взлетать без какой-либо помощи со стороны. Разбег должен был происходить по деревянному рельсу длиной 18 м, верхняя поверхность которого была обшита железом. Самолет мог катиться по рельсу на маленькой тележке, отделяемой от аппарата после взлета. Для уменьшения длины разбега старт должен был происходить строго против ветра.

Первые испытания "Флайера", как назвали свой самолет братья Райт, происходили 14 декабря 1903 г. Ветер был слабый, и для облегчения взлета рельс расположили на склоне песчаного холма под углом 9. После 16-метровой пробежки под уклон самолет поднялся в воздух, но через несколько мгновений после взлета резко скабрировал и упал на крыло с высоты около 5 м. Время нахождения в воздухе составило всего 3,5 с, дальность - 32 м [327, с. 392 ]. Авария была вызвана слишком резким отклонением руля высоты (как выяснилось впоследствии, он был неправильно сбалансирован) . Повреждения конструкции были невелики, пилот - У. Райт - не пострадал.

17 декабря были произведены повторные испытания самолета. В этот день дул достаточно сильный ветер и старт производился с горизонтально положенного рельса. Всего было выполнено четыре полета. Ниже приводится выдержка из дневника О. Райта с описанием произведенных в этот день опытов: "После прогрева двигателя в течение нескольких минут, чтобы добиться его устойчивой работы, я в 10.35 начал первое испытание. Ветер, по данным нашего анемометра, дул в это время со скоростью немного более 20 миль, 27 миль в соответствии с показаниями правительственного анемометра в Китти-Хоук(1). Освободившись от троса(2), машина устремилась вперед с увеличивавшейся скоростью, достигшей примерно 7 или 8 миль. Аппарат отделился от тележки, как только достиг четвертого рельса(3). М-р Даниэльс(4) сделал фотоснимок сразу после отрыва машины от земли (рис. 6.4 - Д.С.). Я обнаружил, что управлять передним рулем очень трудно из-за того, что он был сбалансирован слишком близко к центру и в связи с этим имел тенденцию самопроизвольно поворачиваться во время взлета и отклонялся слишком сильно в одну или другую сторону. В результате машина внезапно поднялась примерно на 10 футов и затем, при отклонении руля, также резко устремилась к земле. Этим закончился полет, когда было пройдено около 100 футов от конца рельса. Его время составило около 12 секунд (точная величина не известна, т. к. секундомер не был вовремя остановлен). Рычаг включения двигателя был сломан, и треснул полоз, расположенный снизу от руля высоты. После ремонта, в 11.20, Уилл(1) сделал второй опыт. Траектория, как и в моем случае, была волнообразной, вверх и вниз; но дальность была больше, хотя время то же самое. Дистанция не измерялась, но ее можно примерно оценить в 175 футов. Скорость ветра была не так велика. С помощью присутствующих сотрудников станции мы подняли машину и вновь отнесли ее к стартовому рельсу. Примерно в 11.40 я произвел третье испытание. Когда я преодолел то же расстояние, как Уилл, слева налетел сильный порыв ветра, который поднял левое крыло и накрененная машина заметно повернула вправо. Я немедленно повернул руль, чтобы снизиться и затем применил концевое управление(2). Совершенно неожиданно для меня машина коснулась земли левым крылом. Это показывает, что эффективность бокового управления на новой машине намного больше, чем на прежних наших аппаратах. В момент, когда это произошло, машина находилась на высоте 12 или 14 футов. Сразу же после полудня Уилл отправился в четвертый и последний полет. Машина делала скачки вверх и вниз, как прежде, но к моменту, когда она пролетела 300 или 400 футов, Уилл почувствовал, что она управляется намного лучше и движется замечательно ровно. Это происходило до тех пор, пока аппарат не достиг небольшого пригорка, находившегося на расстоянии около 800 футов от места старта. В этот момент вновь началась килевая качка и машина внезапно устремилась к земле. Рама переднего руля была сильно повреждена, но главная рама(1) не пострадала совсем. Расстояние над землей в 852 фута было пройдено за 59 секунд" [327, с. 394-396 ].

Рис. 6.4. Взлет самолета братьев Райт 17 декабря 1903г.

Вскоре после того, как самолет в четвертый раз был возвращен на исходную позицию, сильный порыв ветра подхватил стоящий на земле аппарат и опрокинул его. Было сломано крыло, повреждена трансмиссия. В связи с наступившими холодами Райты решили не заниматься длительным восстановительным ремонтом, а продолжить испытания в следующем году на самолете более совершенной конструкции.

Во время испытаний 17 декабря 1903 г. удалось выполнить только четыре коротких полета, общая продолжительность которых составляла менее двух минут. Эти полеты не были первыми в истории авиации отрывами от земли на самолете, не делалось никаких попыток маневрировать в воздухе. Все четыре полета были преждевременно прерваны из-за ошибок в пилотировании. Но, тем не менее, эти испытания явились выдающимся событием в истории - впервые человеку удалось осуществить установившийся полет на самолете. Опираясь на опыт своих предшественников и на собственный опыт планеростроения, братья Райт создали самолет, который обладал не только необходимой для полета энерговооруженностью, аэродинамическим качеством и запасом прочности, но и имел эффективную систему бокового и продольного управления. Последнее, при наличии у экспериментатора летного опыта, обеспечивало возможность балансировки аппарата даже при полете в турбулентных воздушных потоках. Правда, из-за статической неустойчивости "Флайера" его пилотирование требовало большого искусства, и в 1903 г. Райты еще не владели им в должной мере. Несмотря на это, испытания показали, что окончательный успех в деле создания практического самолета близок - аппарат с человеком на борту взлетал под действием собственной мощности и несколько раз подряд совершил полеты без потери высоты и скорости.

Успех, достигнутый братьями Райт, в значительной мере был обусловлен правильным методом проектирования. В отличие от многих своих предшественников и современников Райты не бросались от одного вида конструкции к другому, а последовательно и методично совершенствовали выбранный ими тип летательного аппарата. При этом они удачно сочетали в себе ученых-исследователей, инженеров, механиков и летчиков-испытателей. Такое сочетание качеств позволило им избежать односторонности в подходе к решению проблемы полета, характерной для многих других пионеров авиации.

* * *

В 1898 г., за пять лет до полета самолета братьев Раит, Н.Е.Жуковский писал: "Проще прибавить двигатель к хорошо изученной скользящей летательной машине (планеру. - Д.С.), нежели сесть на машину, которая никогда не летала с человеком" [51, с. 198]. Жизнь подтвердила правоту ученого. Практика планерных полетов дозволила в короткий срок (всего за 10 лет) создать легкие, прочные и хорошо управляемые летательные аппараты, превратить которые в самолет оказалось значительно проще, чем сделать шаг от модели к пилотируемому моторного аппарату.

Конечно, работы по созданию летательных аппаратов базировались не только на достижениях планеризма, но и на всем накопленном мировом опыте авиации. Конструкции бипланов Шанюта-Херринга и братьев Райт возникли как развитие идей Кейли, Уенхема, Стрингфеллоу. Воздушный винт, аэродинамические средства управления и ряд других особенностей первых мотопланеров и самолета братьев Райт также были известны в самолетостроении прежних лет.

Подводя итоги, можно сказать, что планеризм явился катализатором появления самолета, ускорившим его создание, как минимум, на несколько лет. Практика планирующих полетов позволила усовершенствовать конструкцию и систему управления аппаратов с неподвижным крылом, дала летный опыт испытателям самолетов.

---

Реклама: