Век полетов: из истории авиации

Век полетов: из истории авиации

Уолтер Бойни 

Братья Райт не только завоевали небо. Они пробудили гениальных инженеров, которые создали новый мир

Полетом на своем «Летуне», который состоялся возле Кити-Хок 17 декабря 1903 года, братья Орвилл и Уилбер Райт не только реализовали древнюю мечту – завоевать небо. Они устроили аэровоздушный аналог астрономического Большого взрыва. И, хоть это стало очевидно только сегодня, их странноватый летательный аппарат содержал, в зародыше, все элементы, которые сегодня используются в современном самолете – от крыльев и мотора до пропеллера и шасси. Не так известны достижения людей, чьи имена упоминаются реже, чем имена братьев Райт. Уже в 1910 году Генри Коанда из Румынии продемонстрировал реактивный двигатель. Убираемое шасси появилось в следующем году, а два вида пропеллеров с переменным шагом винта появились годом позже. Уже в начале 1920-х в общем, если не в деталях, определились формы современной авиации – включая цельнометаллические и композитные конструкции, стреловидные крылья и герметичные кабины.

Крылья

Если мотор – это сердце самолета, крылья можно считать его душой. Со времен братьев Райт изобретатели, путем изменения конструкции, старались выжать из крыльев больше подъемной силы. То, к чему великий американский строитель мостов Октав Чанут пришел через удачную конструкцию своих бипланов, которые использовали систему ферм для крепления, братьям Райт подсказала интуиция. У моноплана, может, и меньше лобовое сопротивление, но он гораздо более хрупкий.

Биплан, к тому же, очень подходил для придуманной братьями  уникальной системы управления при помощи «скручивания» крыльев, которую они в результате гениального озарения соединили с рулем высоты в модели 1902 года. В итоге руль автоматически координировал повороты самолета и помогал решить проблему управления. 

В попытках улучшить свойства системы многие изобретатели экспериментировали с крыльями. Авиатор Луи Блеруа особенно преуспевал в создании монопланов, пока возросшая мощность и скорость не создали столь высокие требования к его конструкциям, что изобретатель не смог с ними справиться. Другие изобретатели предлагали увеличить число крыльев: триплан Фоккера имел три пары крыльев, а гидроплан Caproni Ca 60 Triple Hydro был снабжен девятью парами. Но чрезмерный вес и сильное лобовое сопротивление привели к провалу многокрылые конструкции.

Некоторые инженеры исследовали формы и компоновки, которые не умирали многие десятилетия. Так, проект самолета, построенного по схеме «утка», неудачника Юджина Лефебвра снова появился в 1931 году в виде самолета Focke Wulf «Ente» и в 1943-м в виде самолетов Curtiss XP-55 и Rutan LongEZE.

Джон Дан начал экспериментировать с бесхвостыми летательными аппаратами со стреловидными крыльями в 1911-м. За ним последовали такие светила, как Александр Липпиш, Реймар и Уолтер Хортен и Джон Нортроп. Привычная ныне конфигурация с треугольным крылом появилась в разработках Липпиша и была использована многими конструкторами, включая компании Convair и Dassault. Маломасштабная модель Kitchen «Doughnut» летала в Чикаго в 1911 году. За ней появились модель компании Arup и модели Чарльза Циммермана Chance Vought V-173 и Chance XF5U-1. 

На другом конце спектра тоже шло развитие. Придумали крыло с изменяемой площадью и стреловидное крыло с изменяемой геометрией. Все усилия были направлены на увеличение скорости. Вскоре изобретатели стали пытаться улучшить форму крыльев для высотных летательных аппаратов. Одним из первых успехов стали автоматические закрылки, впервые появившиеся на самолете Breguet 14 в 1916 году. С увеличением посадочных скоростей в послевоенные годы простые щелевые закрылки заменили более сложными закрылками Фаулера. Носок крыла тоже не избежал улучшений. Компания – изготовитель самолетов Handley Page запатентовала предкрылки в начале 1920-х. Эта технология в конце концов привела к тройным щелевым закрылкам и предкрылкам по передней кромке крыла у самолета Boeing 727. Поскольку братья Райт запатентовали свою систему управления, но не самолет, изобретатели со всего мира стали искать альтернативные способы управления воздушной машиной. Глен Хэммонд Кёртис вызвал долгую и мучительную судебную тяжбу, когда заявил, что его элероны на среднем крыле не нарушают патента братьев Райт. Другие конкуренты, полагаясь на то, что большие расстояния и длительные судебные тяжбы защитят их, просто переняли метод искривления крыла и использование элеронов, даже не принося извинений первооткрывателям. Из-за Первой мировой войны пришлось уладить патентные дела, и в последующие годы появилось много вариантов управляющих поверхностей.

В летающем крыле Northrop N-9M были использованы разделенные рули высоты на задней кромке крыла, триммеры тангажа и элевоны (для управления по крену и тангажу). Таким образом, всеми поверхностями можно было управлять вместе или раздельно. Великолепный B-58 Hustler фирмы Convair был снабжен рулем, элевонами и сложной автоматической системой триммеров. Скоростные требования привели к появлению стабилизаторов, которые можно встретить и сегодня на North America F-100 и McDonnell Douglas F-4. Многие из сегодняшних истребителей, такие как Northrop Grumman F-14 и Boeing F/A-18, снабжены раздельно управляемыми стабилизаторами для управления по тангажу и крену. 

Создание тяги

Для своего «Летуна» братьям Райт удалось создать удивительно мощный двигатель. Но им пришлось поработать и над тем, как использовать эту мощь. К собственному удивлению они обнаружили, что никаких данных об эффективности пропеллеров нет. Расследование показало, что не существовало формул для вычисления параметров морских пропеллеров, и их делали, основываясь на опыте и интуиции. С увеличением мощности двигателей менялись и пропеллеры, и постепенно они стали лучше и эффективнее передавать мощность. Целью, конечно, было создание пропеллеров, которые бы помогли на этапах взлета, набора высоты и полета. В конце концов для снижения лобового сопротивления при теряющих мощность двигателях было изобретено флюгирование, то есть способность пропеллера свободно вращаться. Реверс тяги радикально сократил длину пробега при посадке и улучшил торможение. С приходом реактивного века понадобились сложные системы шасси, которые соответствовали бы мощности скоростных двигателей. Вертолет поставил серьезные проблемы достижения нужной тяги и подъемной силы. 

Конструкции различались по сложности – от простых лопастей ранних версий автожиров до сверхсложной роторной системы модели Bell/Boeing V-22 Osprey.

Моторы

Хотя братья Райт интуитивно предполагали, что управление станет самой сложной из задач, они беспокоились и о мощности. Когда они не смогли найти достаточно легкий и мощный двигатель, они спроектировали и построили его самостоятельно. Так же, как и все остальные элементы в конструкции братьев, простой, но элегантный четырехцилиндровый, четырехтактный двигатель был спроектирован точно под задачу. Нужно было выдать относительно много лошадиных сил за относительно короткое время. Конструкторам требовалось 8 л.с. только для отрыва «Летуна» от земли. Но надеялись они на 12. И были счастливы, когда удалось получить 16 л.с. 

Вскоре у братьев появились десятки имитаторов. Некоторые из них, такие как Кёртис, уже имели большой опыт в создании моторов. Некоторые изготовители стали предлагать легкие, мощные моторы для использования на самолетах. Большая часть из них выстраивала четыре, шесть или восемь цилиндров в ряд или в форме буквы «V». Охлаждение было жидкостным или воздушным. Мощность зависела в основном от объема цилиндров: большее количество цилиндров большего размера давало больше мощности, но и, конечно, прибавляло вес. Первый существенный прорыв в этой области случился в 1909-м, с появлением роторного двигателя «Гном», построенного Луисом и Лореном Сегуинами. Идея присоединить пропеллер к цилиндрам, которые вращались вокруг неподвижного коленчатого вала, не была новой. Новаторским было превосходное исполнение. Пятицилиндровый «Гном» весил около 50 кг и давал 34 л.с. на 1300 об./мин. Семицилиндровый, 50-сильный «Гном», который установили на биплане Voisin Луиса Паулана, был первым таким мотором, оказавшимся в воздухе. Произошло это 16 июня 1909 года. Разработка роторных двигателей шла быстро, в основном из-за высокого отношения мощности к весу. И даже тот факт, что они потребляли много топлива (смесь бензина с касторовым маслом) и давали невыносимый выхлоп, никого не останавливал. Но доминировать все же стали обычные двигатели с жидкостным охлаждением, рядные и V-образные. Сердце самолета – его мотор никогда не был так популярен, как сама воздушная машина. Когда мы читаем о самолетах Первой мировой (Fokker D VII, SPAD XIII и истребителе Bristol F.2B), мы редко слышим о 185-сильном BMW, 235-сильном Hispano-Suiza и 275-сильном Falcon от Rolls-Royce, которые, соответственно, служили сердцами перечисленных самолетов. И все же всегда все начиналось с моторов. Будь то великолепные гоночные моторы Rolls-Royce, из которых в конце концов появился двигатель Merlin, или, начиная с середины 1920-х, появление радиальной конфигурации, которая прожила до века реактивных двигателей. Жидкостное охлаждение, популярность которого стала сильно расти с приходом хладагентов, допускавших высокие температуры и радиаторы меньшего размера, пользовалось особенной популярностью в истребителях, поскольку их формы способствовали лучшим аэродинамическим свойствам. В 1921 году эксперименты инженера Чарльза Лоуренса спровоцировали конкуренцию между компаниями Pratt & Whitney и Wright Aeronautical. Она привела к появлению самых мощных и надежных радиальных моторов того времени. Такие моторы снабжали обтекателями, которые улучшали охлаждение и увеличивали скорость.

Реактивные самолеты

К 1942 году поршневые моторы практически исчерпали свои возможности. Выигрыш в мощности был возможен только при увеличении числа цилиндров и использовании все более сложных нагнетателей, систем впрыска воды, спирта или химикатов в топливо. Пропеллеры также достигли верхней точки эффективности, давали сверхзвуковые скорости. К счастью, замена поршневому двигателю была под рукой, благодаря изыскательским работам Фрэнка Уиттла, служившего в Королевских ВВС Великобритании летчиком-испытателем, а также Ганса Йохима Пабста фон Охайна, свежеиспеченного кандидата наук из немецкого Университета в Гёттингене. Независимо друг от друга они успешно разработали реактивные двигатели. Уиттлу британское правительство поначалу отказало, а вот Охайн получил поддержку фабриканта Эрнста Хайнкеля. Так появился первый реактивный самолет Heinkel He 178, внутри которого стоял разработанный Охайном двигатель HeS 3B. Первый полет был совершен 27 августа 1939 года. Двигатель Power Jets W.1 Уиттла впервые взлетел на самолете Gloster E.28/39 15 мая 1941 года. Эти двигатели давали примерно такую же мощность, как и более сложные поршневые. И пусть топлива требовалось много, а надежность была низкой, очень быстро новые двигатели пришли на смену старым.

Потребление топлива снизилось, а надежность возросла до такой степени, что теперь главный враг современных реактивных самолетов – коррозия, а не износ. Мощность новых двигателей возрастала темпами, которые были не слыханы для поршневых моторов. Первые реактивные двигатели были либо турбореактивными, либо прямоточными. Со временем они становились все более замысловатыми, но так и не достигли уровня сложности последнего поколения поршневых. Гениальность разработок Pratt & Whitney обнаружилась в начале 1950-х, когда появился двухконтурный двигатель JT-3, который давал тягу в 45 кН, потреблял не много топлива и для тех времен обладал фантастическим временем между рекомендуемыми осмотрами – 15 тыс. часов. Для сравнения: ранний немецкий реактивный двигатель Junkers Jumo 004, стоявший в самолете Messerschmitt Me 262, требовал осмотра раз в 25 часов. В 1958 году компания Pratt & Whitney совершила следующий шаг, разработав турбовентиляторный TF33, который стал гражданской версией военного двигателя JT8D. Казалось, двигатель совершает невозможное: получает тягу ни за что, просто прокачивая холодный воздух через подсоединенный вентилятор. На протяжении последовавших лет разработки аналогичных двигателей компаниями General Electric, Rolls-Royce и другими шли по пути улучшения эффективности и экономии топлива. До недавних пор конструкторы не ставили новые двигатели в новые самолеты. Но сегодня при разработке самолетов будущего новые лайнеры рисуют вокруг новых же моторов. Например, двухпалубный аэробус A380 на 555 пассажиров разрабатывается одновременно с 311-килоньютоновскими двигателями. Там будут стоять либо Rolls-Royce Trent 900, либо двигатели альянса General Electric/Pratt & Whitney GP7000.

Вначале считалось, что реактивный двигатель – удел высотных истребителей. Однако вскоре такие моторы стали ставить на бомбардировщики и транспортники, и будущее пропеллеров стало казаться блеклым. Но с самого начала инженеры планировали использовать реактивные двигатели для разгона пропеллеров – так выгоднее на дозвуковых скоростях. Первый турбовинтовой двигатель совершил экспериментальный полет на самолете Gloster Meteor, но коммерческое применение началось с чрезвычайно успешного авиалайнера Vickers Viscount в 1948 году. Турбовинтовые двигатели стали основой для моделей, которым нужно подниматься на большие высоты и летать на средних скоростях. Приход реактивной силы открыл дорогу высоким скоростям и большим высотам и поставил перед создателями моторов новые проблемы. Чтобы экипажу было удобно на любой высоте, пришлось обеспечивать герметичность самолета. А в поисках высоких скоростей крылья пришлось делать меньше. Появились новые материалы, которые выдерживали большее напряжение и множественные перепады давления. С увеличением мощности двигателей появилась возможность строить самолеты большего размера с моторами меньшего размера. На сегодня два самых больших самолета в мире – Boeing 747 и Airbus Industrie A380 – четырехмоторные (имеются в виду пассажирские; самым большим в мире транспортным самолетом является шестимоторный «Ан-225 Мрiя», его максимальный взлетный вес превышает 600 т, что в полтора раза больше взлетного веса упомянутых лайнеров. – Ред. «ПМ»). Но большинство крупных лайнеров снабжены всего двумя двигателями. 

Сверхзвуковые самолеты (например, недавно завершивший службу Concorde, или «Ту-144», или Rockwell XB-70) построены и успешно летали, хотя экономными их назвать нельзя. Любопытно, что будущее реактивных двигателей, возможно, лежит в области моторов без движущихся частей – прямоточных. В двигателях последнего поколения (так называемых «скрэмджетах») поток воздуха по всему двигателю все время сверхзвуковой. Когда такие двигатели доведут до ума, время трансатлантического перелета сократится до пары часов.

Каким бы захватывающим ни был прогресс в развитии авиации, весьма приятно сознавать, как много идей братьев Райт (включая конфигурацию биплана, пропеллеры, вращающиеся в противоположных направлениях, схему «утка») дожили до наших дней. И особенно любопытно, что в 2003 году НАСА экспериментировало с гибким «активным аэроэластическим крылом» (AAW), которое теперь стоит на самолете Dryden Boeing F/A 18. Новое крыло обещает полную управляемость самолета по крену и отказ от хвостового оперения, что даст выигрыш в весе, уменьшит лобовое сопротивление и повысит невидимость для радаров. Орвилл и Уилбер гордились бы.