ет производиться очень незначительным перемещением крыльев относительно корпуса -- вперед и назад; поперечное управление -- выгибанием крыльев. Что касается путевого управления и преодоления заворачивающего момента при выгибании крыльев птицами, то этот вопрос в полной мере не выяснен. Разгадку можно искать в своеобразии выгибания крыльев. Рассмотрим теперь, как работает оперение, предложенное П. Н. Нестеровым (рис. 16 и 19). Для простоты будем рассматривать вариант, который был реализован П. Н. Нестеровым на самолете "Ньюпор-4" в начале 1914 г. и который был им испытан в полете. Схема этого оперения схематически воспроизведена нами по фотографии и, конечно, неточна. Обе половины оперения поворачиваются (или, вернее, выгибаются) относительно оси, составляющей угол около 30о с поперечной осью. Тогда нагрузка, действующая на оперение при его отклонении, даст составляющие силы -- вертикальную и боковую. Если обе половины отклонены на равные углы, то боковые составляющие взаимно нейтрализуются; если они отклонены в противоположные стороны на равные углы, то направление действия результирующей боковой силы оперения будет зависеть от его угла атаки и эта сила будет равна нулю при нулевом угле атаки. Если некоторые птицы в планирующем и парящем полетах поворачивают хвост вокруг продольной оси туловища, то в схеме, предложенной П. Н. Нестеровым, мы получаем подобный же геометрический эффект при отклонении половин руля в разные стороны. Рис 19. Схема оперения, установленного и испытанного П. Н. Нестеровым на самолете "Ньюпор-4" в 1913 г Мы не знаем, какое впечатление сложилось у П. Н. Нестерова в результате полетов на самолете "Ньюпор-4" с предложенным им оперением и как он учел этот опыт при проектировании своего нового самолета. В литературе 1910-- 1913 гг. можно встретить большое количество статей по вопросам устойчивости и особенно относительно мероприятий по борьбе с авариями. Высказывалось много ошибочных и даже наивных соображений. Стремясь обеспечить устойчивость самолета, многие авторы изыскивали средства для удержания самолета в нормальном положении, базируясь на теории маятников или гироскопов. Надежды на теорию маятника были вообще ошибочны, и причина ошибки была разъяснена Н. Е. Жуковским. Однако и гироскоп сам по себе не мог обеспечить стабильность положения самолета в пространстве. Самолетом можно управлять по воле пилота или по командам от гироскопического автопилота только при соблюдении основных условий динамики полета и, в первую очередь, при наличии достаточной кинетической энергии. Этого многие не учитывали. А между тем, еще в 1891 г. Н. Е. Жуковский в работе "О парении птиц" раскрыл основы динамики полета летательных аппаратов. Идеи, которые выдвигал П. Н. Нестеров, в то время не только не были "модными", но и противоречили широко распространенным взглядам. Можно сказать, что П. Н. Нестеров являлся ближайшим наследником идей Н. Е. Жуковского. То, что Н. Е. Жуковский обосновал теоретически, П. Н. Нестеров выполнил на практике, с полным пониманием основ динамики полета. С того времени многое разъяснилось и переменилось. Забылись ошибочные толкования и ложные теории. Динамика полета в среде постоянной плотности получила развитие применительно к движению в значительной области высот, когда плотность воздуха меняется, а затем и применительно к условиям полета, когда направление действия силы тяжести быстро меняется, т. е. к выходу на круговые околоземные, а затем и на дальние космические орбиты. Вклад в теорию и практику полета, сделанный П. Н. Нестеровым, весьма ценен сам по себе. Его жизнь и деятельность будет служить нам примером того, как, сочетая знания, вдумчивость и отвагу, можно за очень короткий срок получить важнейшие результаты. 2. Первые тяжелые грузоподъемные самолеты ИСТОРИЯ РАЗВИТИЯ. 1910-- 1921 гг. Начало успешных полетов отдельных самолетов относится к 1907-- 1908 гг. Первые международные состязания самолетов и первые перелеты (в том числе, перелет через пролив Ламанш) были осуществлены в 1909 г., и авиация вступила в стадию широкого распространения. Это характеризовалось серийным производством наиболее удачных типов самолетов, появлением авиационных школ -- заводских, клубных и военных, широкой демонстрацией полетов во многих городах и дальнейшим развитием спортивных состязаний по установлению рекордных достижений и перелетов по различным маршрутам. Первые самолеты, на которых обычно летали сами конструкторы, были одноместными. К 1910 г. стала выявляться потребность в двухместных самолетах для "катания" пассажиров, обучения летчиков и, конечно, для использования самолетов в качестве военных разведчиков. Переход на двухместные самолеты был произведен очень просто -- позади летчика устанавливали небольшой стульчик, на который и садился пассажир, примерно, как на мотоцикле. Естественно, что не все самолеты смогли возить повышенную нагрузку, но некоторые из них оказались достаточно грузоподъемными. Затем конструкторы стали изыскивать способы увеличения грузоподъемности самолетов путем применения более мощных двигателей и увеличения площади крыльев. Изучая историю развития грузоподъемных самолетов, следует рассмотреть теоретические изыскания и практические мероприятия конструкторов. Отдавая должное теоретическим исследованиям, мы должны сказать, что в период 1910-- 1920 гг. они не были эффективны вследствие недостаточного развития теоретической аэродинамики и ограниченности проводимых экспериментов с моделями в аэродинамических трубах. В периодической литературе того времени можно было встретить много статей, в которых обсуждались различные проблемы самолетостроения и особенно вопросы, связанные с увеличением скоростей и высот полета, а также грузоподъемности и устойчивости самолетов. Наиболее интересные в научном отношении работы печатались в журналах: русском -- "Воздухоплаватель", французском "L'Aerophille" и немецком -- "Z. F. М". Создание более грузоподъемных самолетов было связано с увеличением их размеров и повышением мощности двигателей. Проблемы масштаба сооружений и машин были уже изучены более глубоко применительно к мостам, архитектурным сооружениями и кораблям. Некоторые соображения, взятые из этих областей, были использованы при изучении проблемы создания грузоподъемных летательных аппаратов. В журнале "Воздухоплаватель" за 1911 г. была помещена статья известного летчика и инженера Н. А. Яцука "О максимальной величине грузоподъемности аэроплана". В этой статье Н. А. Яцук ссылается на работу Д. И. Менделеева "О наивыгоднейших размерах и предельной величине летающих машин тяжелее воздуха", выполненную еще тогда, когда никакого опыта самолетостроения не было. Д. И. Менделеев рассматривал задачу об изменении характеристик летательных аппаратов определенной схемы при увеличении геометрических размеров аппарата в n раз. Развивая мысли Д. И. Менделеева, Н. А. Яцук берет в качестве основного условия постоянство соотношения мощности двигателя и площади крыльев, что для подобных форм эквивалентно постоянству скорости полета. Тогда развиваемая подъемная сила будет пропорциональна площади, т. е. n2; вес двигателя, приходящийся на 1 л. с., принимался постоянным, и тогда вес двигателей Gдв тоже оказывался пропорциональным n2. Что же касается веса конструкции Gкон, то она принималась пропорциональной кубу масштаба, т. е. величине n3. Такое предположение справедливо при условии полного подобия конструкции и постоянства напряжений, вызываемых весом грузов, т. е. двигателей, топлива и полезной нагрузки. Поставив такое условие, Н. А. Яцук оговаривается, однако, что оно может оказаться неправильным. Из поставленных условий вытекает такое выражение для величины полезной нагрузки: Pishnoff-72.gif Эта формула дает быстрый начальный рост Gпол по мере увеличения n, а затем, после достижения некоторого максимума, следует быстрое уменьшение Gпол в результате резкого увеличения веса конструкции. Изобразив эту зависимость графически (рис. 1), мы можем видеть, что изменение параметра С и показателя степени при весе конструкции m, будет вызывать очень значительное изменение как максимальной полезной нагрузки, так и соответствующего ей масштаба летательного аппарата. Понимая недостоверность знаний об истинных значениях величин С и m, авторы исследований, естественно, бывали осторожны в своих выводах. На графике, приведенном на рис. 1, были приняты различные зависимости весов конструкции и двигателей от масштабного множителя n. В качестве исходных при n=1 были приняты значения Gдв0/G = 0,25 и Gкон0/G=0,3; тогда Gпол0/G =0,45. На графике по оси ординат показано относительное изменение полезной нагрузки, т. е. величина Gпол/Gпол 0. Кривая 1 соответствует росту веса двигателя по n2 и веса конструкции по n3. Pishnoff-74.gif Рис. 1. Относительное изменение грузоподъемности самолета при изменении его размеров для разных законов зависимости веса конструкции от размеров самолета. В этом случае максимальная полезная нагрузка будет при n=1,67, а при n=2,5 полезная нагрузка становится равной нулю вследствие резкого возрастания веса конструкции. Кривая 2 относится к случаю, когда вес конструкции пропорционален n в степени 8/3, т. е. немного ниже кубичной. Как видно, полезная нагрузка самолета в этом случае значительно возросла и имеет максимум при n=2,5. Кривая 3 была построена при весе конструкции, пропорциональном n в степени 5/2, и это дало увеличение полезной нагрузки в 5,5 раза по сравнению с исходным значением. Наконец, кривая 4 построена при условии, что вес конструкции меняется тоже пропорционально n5/2, но, кроме того, с ростом n запас мощности понижается так, что вес двигателей будет пропорционален n в степени 5/3. В этом случае максимальная полезная нагрузка оказалась увеличенной более чем в 10 раз по сравнению с исходной при n=1. Вес самолета будет увеличен в (5,5)2, т. е. в 30 раз; относительные параметры будут такими: Gдв/G=0,14; Gкон/G=0,7; Gпол/G=0,16. В последнем случае, хотя и был достигнут максимум полезной нагрузки, но самолет оказался очень неэкономичным из-за относительной малости полезной нагрузки. Мы привели рис. 1, чтобы показать, какой эффект может дать изменение показателей степени. В той же работе Н. А. Яцук проводит исследование для случая увеличения грузоподъемности самолета при сохранении его размеров, но при увеличении скорости в m раз. В этой задаче он ссылается на французского ученого А. Сее, который опубликовал свою работу в журнале "L'Aerophille" от 15 января 1910 г. Александр Сее был выдающимся ученым того времени, работавшим в области летательных аппаратов. Им было опубликовано много интересных работ в журналах "L'Aerophille" и "La Technique Aeronautique", и они, несомненно, оказали важное влияние на развитие авиационных наук. Задача о зависимости грузоподъемности от скорости формально не отличается от рассмотренной выше, но только по кубичному закону меняется не вес конструкции, а вес двигателей, так как с ростом скорости мощность должна меняться по кубу скорости, а вес двигателей принимается пропорциональным мощности в первой степени. Можно было бы указать, что это тоже очень грубый расчет, так как с ростом мощности, т. е. при увеличении размеров или числа двигателей, аэродинамическое подобие не соблюдается и при увеличении скорости как мощность, так и вес двигателей будут увеличиваться более сильно, чем по кубичной степени. Если исходить из постоянства значений G/N и G/S и принять G/N=10 и G/S=15-30, то мы получим такие выражения для полетного веса и площади крыльев: Pishnoff-75.gif Так, при N = 50 л. с. вес самолета будет равен ~500 кГ и площадь его крыльев S -- от 16 до 32 м2. Эти значения довольно близки к характеристикам многих самолетов 1910-- 1912 гг. Исследуя условия полета, аэродинамики пришли к выводу, что постоянство параметров G/S и G/N не является необходимым. Из выражения для мощности, потребной для полета на подобных режимах при подобных аэродинамических формах, следует, что необходимо иметь постоянство величины Впоследствии эта величина именовалась числом Эверлинга, характеризующим аэродинамическое совершенство самолета. Это вытекает из преобразований формулы для величины мощности, потребной для горизонтального полета, равной: Pishnoff-77.gif где К -- аэродинамическое качество и h -- коэффициент полезного действия винта. Подставляя выражение для скорости, получим Pishnoff-78.gif Для некоторого самолета периода 1911 -- 1912 гг. G/S = 25, G/N=10; тогда Здесь мощность взята полная, а не потребная для горизонтального полета, т. е. с запасом. Поскольку запас мощности примерно двухкратный, для максимальной подъемной силы получим Напоминаем, что данная величина характеризует аэродинамику самолетов указанных лет. Определяя полетный вес, получим следующие формулы: Эти выражения наглядно показывают, как влияет на полетный вес изменение мощности двигателей и площади крыльев. Однако интерес представляет полезная грузоподъемность, т. е. разность полетного веса и суммы весов конструкции и двигателей. В общем случае полетный вес самолета можно представить формулой Pishnoff-82.gif Отношение Nmax/N характеризует запас мощности, который самолет должен иметь при полете на малой высоте. Этот запас выбирается в зависимости от назначения самолета и желаемой высоты потолка. Как минимум, запас мощности бывает около 2; средний запас мощности равен примерно 3, а у маневренных самолетов его доводят до 5-6. У самолета определенной аэродинамической схемы при некотором наивыгоднейшем угле атаки aн аэродинамическое качество максимально, а максимум величины Cу/Cх2/3 соответствует экономическому углу атаки aэ, который примерно в 1,5-1,7 раза больше наивыгоднейшего. Хорошо известно, как сильно было повышено аэродинамическое качество самолетов в процессе их развития. Аналогичным образом возросла и величина Cу/Cх2/3. Аэродинамический фактор явился очень эффективным средством увеличения грузоподъемности самолетов. В 1921 г. была опубликована работа научного сотрудника Центрального Аэрогидродинамического Института, инженера-летчика, В. Л. Моисеенко "Предельные размеры самолетов" (Отдел военной литературы при РВСР, Научная редакция воздушного флота). В первой части работы В. Л. Моисеенко почти повторяет расчеты Н. А. Яцука, но за основной параметр он принимает не отвлеченный фактор масштаба, а мощность двигателей N. Для веса конструкции была принята зависимость от мощности в степени 3/2, что равноценно кубичной степени по фактору масштаба п. В. Л. Моисеенко не ищет оптимальный по грузоподъемности самолет, а просто проверяет конкретные самолеты с точки зрения целесообразности увеличения их размеров и мощности двигателей. В этой части работы В. Л. Моисеенко в сущности показывает, что практически созданные самолеты имеют параметры, близкие к оптимальным. Как исключение, приводится самолет "Илья Муромец", который, по выводам В. Л. Моисеенко, чрезмерно велик. Во второй части своей работы В. Л. Моисеенко рассматривает вопрос об оптимальных размерах самолета в более широком плане, используя для веса конструкции формулу инженера-механика (впоследствии академика) Б. Н. Юрьева. Мы привели работу В. Л. Моисеенко потому, что она отражает взгляды, на возможность создания грузоподъемных самолетов в те годы, когда уже был опыт строительства самолетов "Илья Муромец" и других самолетов, созданных в период первой мировой войны, но еще не получила развития теория индуктивного сопротивления Прандтля, которая изменила взгляды теоретиков и практиков на условия получения большой подъемной силы. Посмотрим, как решали проблему повышения грузоподъемности самолетов конструкторы-практики. На многочисленных авиационных состязаниях и конкурсах самолетов значительное место уделялось достижениям по грузоподъемности, и конструкторы, естественно, задумывались над тем, какими мероприятиями ее можно повысить. Простота конструкции самолетов того времени, примитивность применяемых расчетов, отсутствие каких-либо испытаний на прочность и упрощенная проверка центровки позволяли быстро строить новые самолеты. Очень распространены были и модификации уже готовых самолетов, полученные путем перестройки отдельных их частей. Преуспевающие фирмы создавали по 2-- 3 типа и более самолетов в год. В период 1910-- 1920 гг. конструкторы самолетов руководствовались в своей работе некоторыми теоретическими соображениями, но больше экспериментировали интуитивно, стараясь улучшить свои самолеты. Многие эксперименты оказывались неудачными, но некоторые из них дали положительный эффект. Объяснить причину удачи или неудачи не всегда могли, хотя, естественно, пытались это сделать. Подражательство у конструкторов было так сильно развито, что трудно установить, кто первый применил то или иное удачное нововведение. Как мы уже указывали, увеличение площади крыльев позволяет увеличить подъемную силу, хотя и в слабой степени. В формулу для G площадь S входит под кубичным корнем. Однако конструкторы-практики обратили внимание на то, что увеличение размаха дает значительно лучший эффект, чем увеличение ширины крыла. Это можно наглядно видеть по развитию самолетов фирмы "Фарман". Так, если самолет "Фарман-4" имел размах крыльев 10,5 м, то затем фирма стала наращивать размах верхнего крыла и постепенно перешла к схеме биплана с размахом верхнего крыла, значительно большим, чем размах нижнего. Самолет "Фарман-16" (1912 г.) имел размах крыльев 13,8 м, а "Фарман-22" (1913 г.) -- 15,6 м. Самолеты "Фарман-16" и "Фарман-22" были совершенно подобны, с одинаковыми гондолами экипажа, одинаковой шириной крыльев, но только размах верхнего крыла у самолета "Фарман-22" был увеличен. Оба самолета применялись в России, и автор помнит высказывания летчиков о том, что "Фарман-22" планирует значительно лучше, чем "Фарман-16". Это говорило о более высоком аэродинамическом качестве первого самолета. Соответственно и грузоподъемность его была выше, хотя этому способствовал и более мощный двигатель. К конструкторам, которые осознали выгоду большого размаха крыльев, нужно отнести прежде всего И. И. Сикорского. Если в 1910 г. он строил самолеты с размахом крыльев 10 м, то самолет С-10 (1912 г.), который на конкурсе военных самолетов показал наибольшую грузоподъемность, имел размах крыльев около 16 м. Важно отметить, что как у самолетов "Фарман", так и у самолетов И. И. Сикорского, несмотря на увеличение размаха, ширина крыльев не увеличивалась. Однако самый решительный шаг в сторону увеличения размаха крыльев был сделан И. И. Сикорским в 1913 г., когда он построил сначала самолет "Русский Витязь" ("Гранд") с размахом крыльев 27 м, а затем самолет "Илья Муромец" с размахом 34 м (по некоторым сведениям -- 37 м). И. И. Сикорский как инженер хорошо понимал, что увеличение размаха в 2-- 2,5 раза по сравнению с размахом, типичным для самолетов того времени, поведет к большому утяжелению конструкции и что увеличение площади крыла путем его уширения не вызвало бы такого утяжеления. Однако он выбрал путь увеличения размаха. Некоторые зарубежные конструкторы того времени -- П. Шмидт, Р. Кодрон, Л. Бреге -- доводили размах крыльев до 17-- 17,5 м, но это несравнимо с размахом крыльев самолетов И. И. Сикорского. Автор не помнит, чтобы в каких-либо теоретических работах того времени рекомендовалось столь значительное увеличение размаха. Мы уже указали, что В. Л. Моисеенко в 1921 г. сомневался в выгодности большого размаха. Подробный аэродинамический анализ самолетов "Русский Витязь" и "Илья Муромец" мы приведем далее. Параметры самолета "Илья Муромец" были выбраны, несомненно, очень удачно, и его конструкция была технически последовательна для условий того времени. Если самолет "Русский Витязь" был довольно несуразен, а фюзеляж его тонок, длинен и недостаточно жесткий, то все его недостатки были устранены в конструкции самолета "Илья Муромец". Будучи построен в конце 1913 г., самолет "Илья Муромец" был быстро освоен в эксплуатации и пилотировании даже в довольно сложных условиях. Это уже была не "этажерка" и не "стрекоза", как именовались некоторые самолеты того времени, а действительно воздушный корабль, поднимающий 1,5-- 2 тонны груза и способный к длительным полетам. Всего было построено 73 экземпляра самолетов "Илья Муромец" и последние экземпляры этих самолетов летали еще в 1921-- 1922 гг., т. е. как тип он прожил почти 10 лет -- для того периода этот срок значительный. Десятки самолетов "Илья Муромец" принимали участие в боевых действиях в первой мировой войне и, несмотря на то, что они привлекали внимание германской зенитной артиллерии и истребительной авиации, только один самолет был сбит на фронте. Это определялось его высокой живучестью и наличием круговой пулеметной обороны. Хотя поломок и аварий на этих самолетах было много, но катастроф относительно мало. При той широкой системе подражательства и копирования конструкций, которая имела место в период первой мировой войны, за рубежом самолеты, подобные самолету "Илья Муромец", были созданы только через 4-5 лет, после наступления некоторого промежуточного этапа двухмоторных конструкций, и, тем не менее, зарубежные варианты не были успешными. Так, например, германские самолеты Цеппелин "Штакен", хотя и были по размаху даже больше, чем "Илья Муромец", и имели более мощные двигатели, однако, относительный вес конструкции у них был очень велик и сама конструкция слишком сложна. К 1918-- 1920 гг. относится увлечение трехпланными и даже четырехпланными конструкциями. Примером огромного триплана может служить самолет Tarrant "Tabor", построенный в Англии в 1919 г. Он имел 6 двигателей по 500 л. с. каждый, размах по среднему крылу составлял 40 м, высота самолета около 11 м (у самолета "Илья Муромец" высота была только 4,5 м), двигатели были разнесены не только по размаху, но и по высоте, причем ось винта верхнего двигателя была на высоте около 8 м над землей. Самолет разбился при первой же попытке взлета, еще не оторвавшись от земли, -- в результате резкого подъема хвоста он уткнулся носом в землю. Еще более странно выглядел самолет Капрони СА-60 "Капрониссимо". У него были три трипланных крыла, поставленных одно за другим, размах крыльев составлял около 28 м, самолет имел восемь двигателей по 400 л. с. каждый. Самолет был построен в 1921 г. и тоже разбился при первом взлете. Теория индуктивного сопротивления показала, что расположение несущих систем одна за другой является совершенно нецелесообразным, и самолет "Капрониссимо" лишь демонстрирует, по какому ошибочному пути может идти создание летательного аппарата при отсутствии теории или благоприятного эксперимента с моделями. Был и у нас неудачный эксперимент с трипланом. В 1920-- 1921 гг. специальное конструкторское бюро под названием "Комиссия по тяжелой авиации" (КОМТА), в состав которого входили виднейшие специалисты по аэродинамике и самолетостроению, разработало и построило самолет "КОМТА", который должен был заменить самолет "Илья Муромец". Обладая почти такой же мощностью двигателей, как и самолет "Илья Муромец", самолет "КОМТА" был сделан по трипланной схеме и имел размах крыльев всего 16 м, т. е. вдвое меньше, чем у самолета "Илья Муромец". Самолет долго испытывался и даже без нагрузки с трудом отрывался. После ряда доводок он, кажется в 1922 г., совершил один полет по кругу, но к этому времени было уже ясно, что параметры самолета выбраны неправильно и поверочный расчет с использованием теории индуктивного сопротивления показал, что запас мощности у него даже без нагрузки очень мал. Неудача постигла и самолет В. А. Слесарева "Святогор" (1915-- 1916 гг.); казалось бы, конструктивно он был продуман более тщательно, чем "Илья Муромец", шасси он имел более высокое и более красивое, но, видимо, значительно более тяжелое. Основная причина неудачи заключалась в применении центрального расположения двигателей (в фюзеляже) с передачей мощности на разнесенные винты. Такая передача давала большую потерю мощности и в итоге запас мощности у самолета оказался недостаточным. Следует сказать, что разнесение двигателей по крылу, как это впервые было сделано на самолете "Русский Витязь", является важным фактором в снижении веса конструкции у самолетов с большим размахом крыльев. Центральные силовые установки с расположением двигателей в фюзеляже казались выгодными аэродинамически. При малой надежности двигателей того времени привлекала возможность их ремонта в полете; наконец, с помощью системы передачи можно было легче придать винту оптимальную для него скорость вращения. Хотя самолетов с расположением двигателей в фюзеляже и с передачей мощности на разнесенные винты строилось немало, широкого распространения они не получили. АНАЛИЗ ГРУЗОПОДЪЕМНОСТИ САМОЛЕТОВ На этом мы закончим обзор теоретических исследований и практических конструкций грузоподъемных самолетов в период до 1921-- 1922 гг., когда произошел перелом в понимании условий достижения большой грузоподъемности. Этот перелом был вызван развитием общей теории динамического полета и связан прежде всего с именами ученых -- Н. Е. Жуковского и Л. Прандтля. Всякое научное достижение, открытие и крупное изобретение имеет историю своего развития -- от первичных догадок, через наблюдения, опыты, теоретические построения, частные решения, к полному осознанию физической сущности и, наконец, к итоговой теории, устанавливающей количественные зависимости. Так было и с теорий крыла. Принципы образования тяги и подъемной силы в воздушной среде в механическом отношении аналогичны. Принцип работы воздушных движителей, т. е. устройств для создания силы тяги, был открыт значительно раньше, чем принцип работы крыла. Это можно объяснить тем, что теоретически это было проще, но главное заключается в том, что воздушному винту предшествовал водяной винт и другие водяные движители. Из основ механики следует: чтобы в жидкой или газовой среде при помощи некоторого устройства получить силу тяги, окружающей среде необходимо сообщать секундное количество движения, равное желаемой силе тяги. Иначе говоря, импульс силы тяги должен быть равен, но противоположен по знаку импульсу, сообщенному массам окружающей среды. Все это было изложено, в частности, в теории идеального пропеллера, которая была разработана английским ученым У. Фрудом в 1888 г. При использовании теории идеального пропеллера для величины силы тяги при отсутствии осевой скорости было получено такое выражение: где Pishnoff-86.gif-- ометаемая лопастями площадь; Nдв -- мощность двигателя; h0 -- относительный коэффициент полезного действия, характеризующий побочные потери пропеллера, т. е. сопротивление лопастей и дополнительные скорости потока; r/r0 -- относительная плотность воздуха; Kv=10,3(h0)2/3. Эта формула послужила выражением для подъемной силы вертолета на режиме висения, т. е. при отсутствии поступательной скорости. Принцип создания подъемной силы крылом должен быть вполне аналогичен принципу создания тяги лопастями винта. Можно было утверждать, что за крылом воздушный поток должен иметь некоторую вертикальную составляющую скорости движения, направленную против подъемной силы, т. е. вниз. Основой теории крыла явилась работа Н. Е. Жуковского "О присоединенных вихрях" (1906 г.). В этой работе было сделано важнейшее открытие, а именно, что основной эффект крыла состоит в сообщении набегающему потоку циркуляционного движения, как если бы крыло было заменено вихрем с некоторой циркуляцией скорости J. Тогда величина подъемной силы Y будет простейшим образом связана с величиной J, скоростью полета V, плотностью воздуха r и размахом крыла l: Y=rJVl. Если крыло имеет определенный размах, то с его концов должны сбегать свободные вихри. Н. Е. Жуковский убедился в справедливости этого, поставив специальный эксперимент в аэродинамической трубе. Свободные вихри, которые сбегают с концов крыла и тянутся за ним, очень медленно затухая, являются итогом воздействия крыла на воздушную среду. Исходя из этих вихрей, мы можем восстановить картину воздушных течений и определить секундный импульс, сообщаемый крылом воздушной среде. Схема расчета величины подъемной силы, развиваемой крылом с размахом l и при мощности двигателя Nдв, уже была приведена в статье "На чем летал П. Н. Нестеров" и была получена следующая формула: В случае биплана или триплана вместо размаха l в формулу вставляется эффективный размах lэ: Pishnoff-83.gif Здесь h -- высота коробки крыльев; у бипланов h/l имеет значение 0,l-0,2; у трипланов -- 0,2-0,3. У бипланов разнесение крыльев по высоте эквивалентно увеличению размаха на 6-8%, у трипланов -- на 15-20%. Триплан "КОМТА" имел размах крыльев 16 м, а эффективный размах у него был равен около 19 м. Величину F0 можно найти по известной максимальной скорости, используя выражение для расходования мощности: Pishnoff-88.gif Коэффициент полезного действия винта принимаем ориентировочно равным 0,75-0,80; плотность воздуха и мощность двигателя должны быть взяты в соответствии с высотой, для которой взята максимальная скорость. Лучше брать условия полета на малой высоте, когда мощность нам известна точнее, а доля индуктивного сопротивления меньше. Если в формулу для подъемной силы подставить выражение для аэродинамического качества Pishnoff-89.gif то мы получим: Pishnoff-90.gif Интересно, что эта формула вполне аналогична формуле для статической тяги винта, но только вместо диаметра винта в нее входит размах крыльев и значение Ку здесь значительно больше. Теперь мы можем сопоставить все три формулы для подъемной силы, как они складывались исторически. Запишем их так: Pishnoff-92.gif Если взять для примера N=100 л. с., S=30 м2 и l=12 м, все три формулы дадут примерно одинаковый результат: Y~1400 кГ. Однако третья формула дает наибольшие возможности для анализа, так как значение Ку мы можем раскрыть: Ку=8,6K1/3h2/3. Значения A и В мы взяли по статистике для того времени, и при значительном изменении форм и параметров самолета принятые значения A и В не будут пригодны. Если взять современный самолет с турбовинтовыми двигателями мощностью 10000 л. с., с размахом l=30 м и площадью крыльев S=100 м2, то по первой формуле мы получили бы подъемную силу Y1=140 Т, по второй Y2=47 T и по третьей для аэродинамического качества K=16 и Ky=18 Y3=80 T. Как видно, первые два выражения дали ошибочные результаты. Третья формула ценна не только тем, что она дает наиболее точные результаты, но и тем, что она последовательно раскрывает роль различных параметров, особенно, если ее представить в таком варианте: Pishnoff-93.gif Однако практически при увеличении размаха крыльев увеличивается и F0, и поэтому удобнее пользоваться следующим вариантом формулы: Pishnoff-94.gif Произведем расчет подъемной силы самолета "Илья Муромец": N=600 л. с.; h=0,75; l=32 м. Для определения величины F0 воспользуемся сведениями о том, что при весе 5200 кГ на малой высоте самолет развивал максимальную скорость Vmax=100-105 км/час, или 29 м/сек. Используя приведенную выше формулу для мощности, затрачиваемой на горизонтальный полет, получим: Pishnoff-95.gif F0=14,5 м2 При площади крыльев, равной 145 м2, это даст коэффициент вредного сопротивления Cх0=1,28F0/S=0,128. Если сравнивать с параметрами современных самолетов, то это огромная величина. Поскольку у самолета "Илья Муромец" применялся винт фиксированного шага (винтов с изменяемым в полете шагом тогда еще не было), то при полете с максимальной подъемной силой число оборотов винта понижалось, а вместе с этим уменьшались в некоторой степени мощность двигателей и коэффициент полезного действия винтов. Это приводило к уменьшению подъемной силы примерно на 6-8%. Аэродинамическое качество самолета будет Pishnoff-97.gif Затем находим Ку=0,93•8,6•6,61/3•0,752/3=12 и, наконец, величина максимальной подъемной силы будет равна Y=12(Nдвl)2/3=8650 кГ. Самолет должен обладать избытком подъемной силы для маневрирования и подъема. Только на потолке подъемная сила при работе двигателей на полной мощности будет равна полетному весу, а маневрирование потребует уменьшения высоты. Соотношение Y/G=ny=1,65; эта величина ny невелика, но она обеспечивает надежный полет и высоту потолка около 3000 м. В 1916 г. И. И. Сикорским был построен вариант самолета "Илья Муромец D bis", или, как его называли, "Дим". При мощности двигателей 440 л. с. и с уменьшенным до 26 м размахом на нем была получена подъемная сила около 6000 кГ, или на 30% меньше, чем у основного варианта самолета. По свидетельству инж. В. Моисеенко, "Дим" был забракован по причине малой грузоподъемности. Перейдем теперь к более детальному рассмотрению характеристик и свойств самолета "Русский Витязь" и "Илья Муромец". Самолет "Русский Витязь" Самолет "Русский Витязь" был построен в одном экземпляре, но претерпел несколько видоизменений. Хотя он не получил распространения, но был первым самолетом с очень большим размахом крыльев и послужил предшественником серии самолетов типа "Илья Муромец". Самолет "Русский Витязь" имел размах крыльев 27 м, что в 2,5-3 раза больше, чем у самых крупных. Самолет был спроектирован в 1912 г. и закончен постройкой в начале 1913 г. Несмотря на смелость и новизну конструктивного решения, новый самолет, которому было присвоено первоначально наименование "Гранд-РБВЗ" (Русско-балтийский вагонный завод), уже в марте 1913 г. стал совершать полеты. На нем первоначально были установлены два двигателя по 100 л. с. Из выполненных нами расчетов следует, что самолет должен был иметь максимальную подъемную силу около 3800 кГ, а пустой вес его оказался равным около 3000 кГ. Отсюда ясно, что запас подъемной силы был недостаточен и это с очевидностью показало испытание самолета. Тогда были установлены еще два двигателя по 100 л. с., которые вместе с первоначальными образовали две тандемные установки. Иными словами, двигатели стояли друг за другом, но у одного двигателя винт был тянущий, т. е. установлен перед крылом, а у другого -- толкающий, т. е. установлен за крылом. Тандемная установка была применена здесь впервые в самолетостроении и впоследствии довольно часто применялась на многодвигательных самолетах. Однако затем И. И. Сикорский отказался от этой схемы и расположил все четыре двигателя с тянущими винтами на крыле (рис. 2). Этот вариант и стал называться самолетом "Русский Витязь". При конструировании самолетов мы всегда сталкиваемся с тем, что всякая конструктивная особенность, будучи выгодной в одном отношении, оказывается невыгодной в другом. Это всеобщий закон для конструкции, но в случае летательных аппаратов, когда приходится тщательно экономить в весах и стремиться к достижению минимальных энергетических затрат, противоречивость различных факторов проявляется особенно остро. Так, желая повысить подъемную силу, мы должны увеличить размах крыльев, но это неизбежно ведет к утяжелению конструкции; развивая органы устойчивости, мы, как правило, или повышаем сопротивление движению или утяжеляем самолет, и так получается всегда. За каждым конструктивным мероприятием следует некоторая "плата" за него, и это всегда нужно учитывать. Pishnoff-99.gif Рис. 2. Схема самолета "Русский Витязь" Тандемное расположение двигателей привлекает своей компактностью, уменьшением сопротивления и особенно тем обстоятельством, что оси винтов в этом случае мало удалены от центра тяжести самолета и в случае отказа одного из двигателей заворачивающий момент оказывается относительно небольшим. Этот фактор бывал часто решающим при выборе тандемного расположения двигателей. Отрицательное свойство тандемного расположения винтов состоит в том, что задний винт оказывается в этом случае в струе от переднего винта и его сила тяги понижается. Это особенно существенно при малых скоростях и мало существенно при больших скоростях полета. Если у самолета запас мощности велик, то тандемная установка может оказаться выгодной. У самолета "Русский Витязь" запас мощности был мал, и