Владимир Пышнов - Из истории летательных аппаратов
Рис. 16. Схема самолета, спроектированного П. Н. Нестеровым в 1912 г, с оперением оригинального типа
Рис. 17. Схема самолета Этриха "Таубе" (1911 г.)
Рис. 18. Схема планирующего семени "Цанония"
Центр тяжести его расположен так, что центровка получается передней. Австрийские конструкторы Этрих и Вельс сначала просто воспроизводили это семя в большом масштабе, а затем добавили к нему хвост, похожий на хвост коршуна, и получилась схема "Таубе". Один из самолетов Этриха "Таубе" был в Петербурге в 1911 г. и летчик Лерхе принял участие в перелете на этом самолете по маршруту Петербург -- Москва. Впоследствии самолеты этой схемы получили распространение в Австрии и Германии -- например, "Гота-таубе", "Румплер-таубе" и др. Были и бипланные варианты схемы "Таубе". Об особенностях аэродинамических свойств схемы "Таубе", к сожалению, автору ничего неизвестно. Аэродинамика их была посредственной из-за наличия у них множества растяжек, открытого расположения двигателя, больших радиаторов охлаждения и других неукрытых деталей. Естественно, скорость их была невелика.
Схема "Таубе" применялась с 1910 по 1915 г., причем в начале первой мировой войны в австро-германской армии таких самолетов было много, и наименование "Таубе" стало нарицательным для самолетов противника России. Однако самолеты "Таубе" постигла та же судьба, что и монопланы "Ньюпор" и "Моран". Германия и Австрия перешли на фюзеляжные бипланы, типичными образцами которых были "Шнейдер", "Альбатрос" и "Даймлер", подобный тому, который был сбит П. Н. Нестеровым. Фюзеляжный биплан начал развиваться в России; Я. М. Гаккель применил эту схему еще в 1908-- 1909 гг., И. И. Сикорский разработал прекрасные образцы фюзеляжных бипланов в 1911-- 1912 г. и применил ее на самолетах "Гранд" и "Илья Муромец".
П. Н. Нестеров принял за основу своего самолета схему "Таубе" по ряду соображений. Во-первых, у этого самолета органы управления не поворачиваются на шарнирах, а выгибаются. Однако вместо раздельных рулей высоты и направления, он применил одну горизонтальную поверхность, которая при выгибании дает эффект не только руля высоты, но и руля направления. Для этой цели ось отгиба расположена косо (см. рис. 16, пунктирная линия). Форма крыльев самолета "Таубе" характерна не только оттянутыми назад концами, но и их выгибом вверх. Благодаря этому в полете концевые части крыла оставались ненагруженными или слабо нагруженными, сохраняя свою эффективность для поперечного управления и при больших углах атаки. Но было здесь и другое соображение.
П. Н. Нестеров хотел избавиться от вертикального оперения, которого не имеют птицы. Не нужно думать, что у самолетов вертикальное оперение было применено только ради выполнения поворотов без крена. Первыми практически применили выгибание крыльев для поперечного управления братья Райт. Применяя это управление, они обнаружили довольно неприятное явление -- при выгибании концов крыльев в разные стороны самолет вращался вокруг продольной оси в нужном направлении и одновременно стремился повернуться вокруг вертикальной оси в обратную сторону.
Так, если летчик накренял самолет вправо, в процессе этого движения самолет обнаруживал довольно сильное стремление повернуться влево, что было совсем нежелательно. Для устранения разворота летчик должен был всегда, одновременно с выгибанием крыльев, действовать и рулем направления, а последний должен был быть достаточно мощным, чтобы преодолевать разворачивающий момент. Это свойство заставило братьев Райт применить своеобразную систему управления. На их самолете было две ручки управления -правая и левая; ножные педали отсутствовали. Левая ручка управляла рулем высоты, а правая при движении в стороны -- выгибанием крыльев, а при движении вперед и назад -- рулем направления. Таким образом, одним косым движением правой ручки можно было одновременно создавать кренящий момент и бороться с заворачивающим моментом.
На самолете братьев Райт эффект заворачивания при накренении проявлялся, может быть, сильнее, чем у других самолетов того времени, из-за большого размаха крыльев, больших углов выгибания их концов и из-за условий полета при довольно больших углах атаки. Явление нежелательного заворачивания при вращении вокруг продольной оси обнаружилось и у других самолетов не только при выгибании концов крыльев, но и при действии элеронами. При обучении полетам у летчиков вырабатывался рефлекс одновременного отклонения ручки и ножных педалей в одну и ту же сторону (например, при отклонении ручки вправо нажимают и на правую педаль).
Объяснение причины возникновения заворачивающего момента казалось довольно простым: в той части крыла, где вследствие увеличения местного угла атаки или отклонения элерона происходит увеличение подъемной силы, одновременно увеличивается и лобовое сопротивление; у противоположного конца крыла вместе с уменьшением подъемной силы уменьшается и сопротивление. Отсюда вытекало соображение, что если исходные углы атаки на концах крыла будут уменьшены (а, еще лучше, близки к нулю), то эффект заворачивания будет ослаблен или даже уничтожен.
В двадцатые годы вопросу борьбы с заворачивающим моментом уделялось большое внимание. Кроме описанного уже уменьшения нагруженности концов крыльев, предлагались: дифференциальное отклонение элеронов, когда поднимающийся элерон отклонялся на больший угол, чем опускающийся; плавающие элероны, которые независимо от угла атаки крыла оставались на нулевом угле атаки; специальные формы профиля элеронов, при которых при поднятии элерона происходил местный срыв обтекания, благодаря чему возникало повышенное сопротивление. Все эти мероприятия не нашли широкого применения и, в сущности, были оставлены. Вопрос борьбы с заворачиванием решался использованием руля направления и повышением путевой устойчивости. Размеры вертикального оперения неуклонно росли из-за необходимости обеспечить путевую устойчивость, уравновешивание самолета при несимметричной тяге двигателей и вывод из штопора. К этому нужно прибавить, что крейсерские режимы полета стали соответствовать меньшим углам атаки крыла и поэтому эффект заворачивания не служил помехой при пилотировании.
Нужно напомнить, что поперечное управление самолетом может производиться не только элеронами и искривлением концов крыльев, но и путем использования эффекта скольжения, вызываемого отклонением руля направления. На большинстве самолетов полет можно производить, не пользуясь поперечным управлением, а используя эффект скольжения, хотя это и имеет известные неудобства. Строились даже самолеты, совсем лишенные поперечного управления. Подобный самолет конструкции А. Г. Фоккера был и во времена П. Н. Нестерова.
Объяснение причины возникновения заворачивающего момента различием в сопротивлениях было, в сущности, неправильным. Рассуждение о различии в сопротивлениях могло относиться к начальному моменту, когда после отклонения элеронов или искривления концов крыла самолет еще не приобрел скорости накренения, или угловой скорости относительно продольной оси самолета. Однако самолеты того времени очень быстро приходили во вращение с постоянной угловой скоростью и благодаря окружным местным скоростям в сечениях крыла подъемные силы крыльев выравнивались. Для определения заворачивающего момента нужно было исходить не из сил сопротивления, а из их составляющих, параллельных продольной оси самолета. В итоге, подъемные силы оказывались равными и различие в силах сопротивления было незначительным. Самое основное заключалось в том, что направления действия подъемных сил в районе концевых частей крыла были различными. У опускающегося конца крыла подъемная сила наклонялась вперед, у поднимающегося -- назад. Взяв составляющие этих сил по направлению продольной оси, мы и получим заворачивающий момент.
Таким образом, причиной возникновения заворачивающего момента являлось органическое свойство крыла, связанное с наличием подъемной силы и угловой скорости вращения вокруг продольной оси. Заворачивающий момент прямо пропорционален окружной скорости концов крыла при вращении и обратно пропорционален скорости полета. Из этого следует, что без отклонения руля направления нельзя выполнять правильное накренение.
Как же управляют креном птицы? Проще всего этот вопрос решается в том случае, если птица может махнуть крылом; тогда вместе с увеличением подъемной силы появится момент, действующий в сторону поворота, а не в обратную. Парящие птицы обычно совершают полет с распущенным хвостом, который создает известную подъемную силу. Они могут поворачивать хвост вокруг продольной оси, наклоняя тем самым подъемную силу хвоста и создавая эффект, аналогичный отклонению вертикального оперения. Однако при парящем полете чаек можно наблюдать, что хвостовое оперение у них полностью сложено и, следовательно, управление полетом происходит исключительно с помощью крыльев. Продольное управление может 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.
