Журнал «Юный техник» - Юный техник, 2000 № 07
В итоге остановились на варианте легкого рекордного самолета «40 000» с авиадизелем Д-11 мощностью 140 л.с. конструкции профессора Т. М.Мелькумова. У этого двигателя расход топлива не превышал 157 г на лошадиную силу в час. Он был вне конкуренции.
У близких по мощности бензиновых моторов М-11 расход составляет 240 г/л.с.ч., а у авиационных газовых турбин той же мощности превышал 450 г/л.с.ч. Сам самолет представлял собой «бесхвостку» с размахом крыла 24,5 м и стартовым весом 2970 кг. Его сухой вес составлял 950 кг, с топливом — 2770. Максимальная скорость — 248 км/ч, крейсерская — 165 км/ч.
На примере этого самолета и рассмотрим основные принципы проектирования сверхдальних машин, применявшиеся группой Е.П. Голубкова.
В момент старта двигатель самолета работает на полную мощность. Однако многих, быть может, удивит, что после отрыва от земли она уже не нужна. Самолет переходит в крейсерский режим полета. Здесь уже достаточно 70 л.с. А дальше и вовсе потребная мощность снижается примерно по 10 л.с. на каждые 400 кг сгоревшего топлива. Когда самолет пойдет на посадку, имея в баках так называемый «навигационный» запас топлива (91 кг), для полета будет достаточно всего 15 л.с.
Есть много двигателей, имеющих очень низкий расход топлива в узком диапазоне мощностей. Но при снижении мощности в 5 — 10 раз расход у них резко возрастает. Такие двигатели для дальних полетов не пригодны. Дизель же Т.М. Мелькумова при мощности 15 л.с. расходует всего 200 г топлива на л.с.ч. — меньше, чем у многих автомобильных дизелей. Только на взлете он возрастает до 165 г на л.с.ч. Но в этом режиме работает лишь несколько минут.
Силовая установка, заметим, — это не только двигатель (хотя он и очень важен), но и винт, и многое другое, что обеспечивает полноценную работу. Для полета с крейсерской скоростью 165 км/ч требовался тихоходный винт большого диаметра.
Было бы очень трудно уберечь его от контакта с землей при взлете и посадке. Поэтому было решено применить соосные винты — два винта на одной оси, вращающиеся в разные стороны.
Многие авиационные двигатели ради снижения веса делаются быстроходными. Но тогда приходится с винтом через редуктор, а это не только лишний вес, но и довольно значительные, особенно при частичных нагрузках, потери мощности. Двигатель же Д-11 тихоходный. Его можно соединить с винтом непосредственно, использовав лишь небольшую шестеренчатую передачу для раздачи мощности на винты. Была и еще одна проблема. Двигатель необходимо охлаждать. Для этого существуют ребра охлаждения цилиндров, обдуваемые встречным потоком воздуха. Но если они выполнены неудачно, то создается весьма значительное сопротивление, которое «съедает» много топлива. Была решена и эта задача.
Проект «45 000». Для него тесен земной шар.
«Бумеранг» — самолет во всех отношениях неплохой, только двигателя для него не нашлось.
Здесь мы подходим к другой стороне проблемы сверхдальнего самолета. Его планер должен обеспечивать минимальное потребление энергии в полете, иметь минимальное сопротивление и вес при достаточном запасе прочности.
После расчетов был выбран диапазон скоростей 150–250 км/ч, при которых обтекание планера ламинарное и не сопровождается образованием вихрей. Но если расположить винт впереди, как это делается обычно, то создаваемый им возмущенный поток вызывает образование вихрей в районе фюзеляжа. Сопротивление сильно возрастет. Поэтому винты расположили в хвосте. Однако при этом поток на фюзеляже становился волнистым, а где-то в конце его и вовсе возникали вихри. Задачу разрешили отсосом воздушного потока у фюзеляжа за средним (миделевым) сечением, направив его в воздухозаборник двигателя. Форма самолета в целом была выбрана такой, чтобы площадь его поверхности получилась минимальной.
В классических схемах хвостовое оперение необходимо для поддержания устойчивости, но подъемную силу оно не создает и как бы является лишним. На преодоление его сопротивления расходуется до 10 % мощности. Его резонно перенесли вперед. Это к тому же повысило устойчивость самолета без сколь-нибудь заметного роста сопротивления.
Продувка моделей самолета в аэродинамической трубе показала очень высокое отношение подъемной силы к сопротивлению — аэродинамическое качество равно 29.
Относительно большой вес самолета допускал его изготовление по традиционной технологии с очень большим (что совсем не вредно при кругосветном полете) запасом прочности.
Примечательно, что наш кругосветный самолет не требует применения экзотических материалов и технологий. Для его изготовления годятся обычные алюминиевые сплавы, а еще лучше — дерево. Кабина экипажа из двух человек размещается в носовой части фюзеляжа.
Техническое предложение по кругосветному самолету было завершено в мае 1984 года, еще до того, как американцы начали работать над самолетом «Вояджер». Однако даже многократное обсуждение проекта в институте показало полное нежелание его руководства работать в этом направлении. Каких-либо возражений по содержанию высказано не было. Все сходились в мнении, что проект весьма перспективен и реально осуществим. Но никаких шагов к его реализации сделано тоже не было. Даже подготовленное сообщение для журнала «Крылья Родины» было опубликовано лишь год спустя.
А тем временем американцы форсировали свою работу по программе «Вояджер»…
Казалось бы, после драки кулаками не машут, но самолет «40 000» таит в себе огромные неиспользованные ресурсы.
Сегодня сформулирована новая задача: дважды облететь земной шар по 56-й параллели, где стоит Москва. Дважды совершить полет, который в свое время мог бы проделать АНТ-25 РДД в 1941 году.
Для решения такой задачи, кроме мелких доработок планера, было решено заняться силовой установкой.
Замена дизеля Д-11, выполненного по классической кривошипно-шатунной схеме, бесшатунным дизелем МБ-8Д конструкции С.С. Баландина, как выяснилось, позволяет увеличить дальность полета до 45–50 тысяч километров.
Проектировщики обратились за помощью непосредственно к С.С.Баландину. Сохранив полностью рабочий процесс и систему питания дизеля Мелькумова, он лишь поставил на него свой бесшатунный механизм (мы писали о нем в «ЮТ» № 7 за 1998 год). Получив значительное снижение потерь на трение, что свойственно бесшатунным двигателям, оказалось возможным снизить минимальный расход топлива до 145 г на л.с.ч. Одновременно значительно возрастал моторесурс.
Примечательно, что двигатели Баландина отдают значительно меньше тепла при охлаждении. А это означает, что меньше и аэродинамическое сопротивление системы охлаждения. Все вместе плюс дополнительные сбрасываемые топливные баки и позволили спроектировать самолет «45 000» с дальностью полета 45–50 тысяч километров!
Земные расстояния для такого самолета становятся столь малыми, что позволяют совершить двойной облет планеты. Неужели и третий шанс побить мировой рекорд дальности мы уступим без борьбы?
А.ИЛЬИН
АНТ-25 на Всемирной выставке. В его кабине мог побывать каждый.
Заметки на полях
ПОСЛЕ ПЕРЕЛЕТА ТОЛЬКО В МУЗЕЙ?!
Нет сомнения, «Вояджер» земной шар облетел. Этот самолет настоящий шедевр инженерного искусства. В его создании, понимая важность задачи, приняли участие многие ведущие американские фирмы, такие, как «Теледайн Континентал Моторе» (ТКМ), «Геркулес», «Мобил Ойл»… Его стартовый вес — 4760 кг. Из них 91 % приходился на топливо. Сорокаметровые крылья, фюзеляж, два больших бензобака вместе с двумя пилотами весили всего 428 кг. Вычтем отсюда предполагаемый вес пилотов. На всю огромную конструкцию остается только 300 кг.
Получить столь малый вес удалось, лишь ликвидировав силовой набор. Весь планер самолета (как у детской пластмассовой модели) состоял из тонкостенной углепластиковой обшивки, подкрепленной легким пенопластом. И только благодаря исключительно равномерному распределению аэродинамических сил обшивка не треснула в полете. А это не исключалось. Риск для пилотов был велик. Потому на протяжении всего полета рядом с «Вояджером» постоянно находились в воздухе один-два спасательных самолета. О его маршруте были осведомлены находившиеся поблизости суда ВМФ США и их союзников. Полет дополнительно отслеживался со спутников, определявших текущие координаты самолета с точностью до метра.
На выставках «Вояджер» всегда окружен плотным кольцом охраны. Она не позволяет «любителям пощупать» даже дотронуться до самолета. И правильно делает. Обшивку его можно проткнуть даже пальцем!
Как же отличается он от знаменитого АНТ-25! С одной лишь радиостанцией на борту, тот летел через полюс над бескрайней ледяной пустыней, попадал в снежные бури, покрывался льдом. На Всемирной выставке в Париже по крыльям самолета-победителя лазили дети. Не запрещалось погулять и взрослому.
