У истоков высотных полетов авиации: о проектах самолетов с гермокабинами (1919 - начало 20-х гг. ХХ века)

2012

НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК МГТУ ГА

№ 182

УДК 9(с)25:6Т5

У ИСТОКОВ ВЫСОТНЫХ ПОЛЕТОВ АВИАЦИИ: О ПРОЕКТАХ САМОЛЕТОВ С ГЕРМОКАБИНАМИ

И.В. МОРОЗОВ

Статья представлена доктором технических наук, профессором Ципенко В.Г.

Рассматриваются существовавшие в первые годы после Первой мировой войны взгляды на перспективы высотных полетов авиации и облик самолетов с гермокабинами, освещается и анализируется первый практический эксперимент по созданию такого самолета.

Ключевые слова: история авиации, высотный самолет, гермокабина, система кондиционирования воздуха, высота полета.

Многие современные самолеты имеют герметичные кабины, в которых поддерживаются необходимые значения давления, температуры и других параметров воздуха, обеспечивая для человека на борту нормальные жизненные условия независимо от высоты полета. Первый известный патент с описанием такого самолета принадлежит Р. Эсно-Пельтри (Франция) и относится к 1907 г. Активная разработка и создание самолетов с гермокабинами начались в 1930-е гг., однако первые практические шаги в этом направлении, которым, в частности, посвящена настоящая статья, были сделаны еще в начале 1920-х гг.

После Первой мировой войны сложилась обстановка, неблагоприятная для развития авиации. Закончилась гонка вооружений, значительно упал объем производства, многие крупные фирмы были вынуждены сменить профиль или обанкротились. Такая ситуация не способствовала развитию технического прогресса в авиастроении. В условиях перепроизводства и отсутствия гарантированных заказов конструкторы в основном шли по пути мелких усовершенствований. В 1919 г. в журнале «Flight» было отмечено, что «во время войны конструкции летательных аппаратов достигли настолько высокого уровня развития, что теперь можно сказать, что достигнут этап, когда маловероятны какие-либо значительные улучшения в характеристиках самолетов. Прогресс, несомненно, будет, но, в основном, в части, касающейся надежности, и улучшить характеристики ожидается только в относительно малой степени» [4].

В то же время, сложившаяся ситуация способствовала активизации поиска новых путей развития авиации: экономическая составляющая - поиску новых областей применения самолетов, техническая - поиску качественно новых решений в их конструкции. Создание высотных самолетов представлялось путем, который обеспечит дальнейшее улучшение характеристик самолетов (как военных, так и появившихся коммерческих) в условиях, когда, как казалось, были практически исчерпаны все «традиционные» резервы для их улучшения: аэродинамическое совершенство, удельная мощность двигателя и др. «... существует одна область, которую мы действительно только начали касаться, когда был заключен мир, и которая может обещать очень большие возможности, особенно в отношении очень дальних перелетов. Мы имеем в виду проблемы, связанные с полетами на больших высотах» - продолжал «Flight» [4]. Например, существовала идея создания в будущем огромного гидросамолета, предназначенного для полетов через Атлантику. Такой самолет, имея гермокабину и нагнетатели для работы силовой установки, мог бы совершать полеты на высоте 10000 - 12000 м, что позволяло бы ему развивать скорость более 250 км/ч. В таком случае перелет из Германии в Америку должен был занимать менее одного дня [1, с. 16].

Для зарождавшейся коммерческой авиации высотные полеты, обещавшие перспективы увеличения скорости, дальности и экономичности вследствие уменьшения плотности воздуха, представляли большой интерес также благодаря идеям о возможности использования дующих на больших высотах устойчивых ветров (струйных течений): «Эти ветры на разных высотах могут быть найдены с попутными курсами, подходящими почти для любого международного торгового маршрута, и могут быть таким образом использованы, предоставляя огромное преимущество воздушной торговле» [6].

Однако ожидавшиеся преимущества высотных полетов были связаны с множеством нерешенных технических проблем, связанных с наличием нагнетателей и винтов изменяемого шага (ВИШ), конструкции которых не были еще достаточно отработаны, гермокабин, опыт по созданию которых отсутствовал вовсе, дополнительного оборудования. Помимо необходимости решения новых технических задач, значительного усложнения конструкции и удорожания производства, перечисленные особенности вели к увеличению массы самолета и увеличению расхода топлива (в т.ч. из-за наличия нагнетателя), в случае отсутствия ВИШ (создание пригодных к практическому применению образцов которых представляло весьма трудную техническую задачу) значительно снижалась эффективность винта. Все это могло свести на нет преимущества высотного полета. В связи с этим, несмотря на возможные многообещающие перспективы полетов на большой высоте, вопрос об их рациональности все же оставался открытым.

В 1919 г. автор одной из статей, посвященных проблеме высотных полетов, обсуждая существующие в то время противоположные мнения относительно их перспективности - о том, что в них не будет никакой практической пользы, и о том, что прирост скорости будет прямо пропорционален уменьшению плотности воздуха - приводит уже довольно точный расчет увеличения скорости с ростом высоты [8]. Согласно этому расчету, при условии сохранения мощности двигателя, на высоте 6000 м прирост скорости будет составлять 21,5 %, на 9100 м - 34,6 %, на 12200 м - 43 %. В то же время отмечается и наличие множества проблем, например, необходимость в увеличивающей массу самолета гермокабине, что приведет к уменьшению скорости, т.е. основного преимущества высотного полета. Указанный расчет является примером более серьезного подхода к проблеме высотных полетов, чем основанный на аналогиях и простых соотношениях, который был распространен в 1910-е гг. Появление публикаций, содержащих уже не общие предложения, а более детальную проработку вопроса о необходимости и возможностях осуществления высотных полетов, свидетельствует не только об интересе к проблеме, но и о начале приближения к этапу практических работ в этом направлении.

Проведенный анализ первых проектов (патентов) самолетов с гермокабинами [2; 7 и др.] позволяет сформировать обобщенный облик перспективного высотного самолета, существовавший в начале 1920-х гг. От обычного самолета он должен был отличаться только наличием источника давления (как правило, нагнетателя с приводом от коленчатого вала двигателя), который брал воздух из атмосферы и снабжал им герметичный отсек с экипажем и пассажирами, а также карбюратор двигателя. Применение общего нагнетателя, не являющего частью конструкции двигателя, можно объяснить желанием изобретателей одновременно решить проблемы обеспечения наддува кабины и мотора, не вдаваясь в вопросы разработки нового двигателя со встроенным нагнетателем. Такой подход позволял применить на самолете уже существующий двигатель, а также избежать тех трудностей, с которыми сталкивались при создании двигателей со встроенным нагнетателем или при установке нагнетателя на уже существующие образцы, в конструкции которых он первоначально предусмотрен не был. На небольших самолетах двигатель размещался за пределами гермокабины, воздух от компрессора подводился к карбюратору по трубопроводу. Самолеты больших размеров позволяли разместить двигатель в том же герметичном объеме, что и экипаж (пассажиры), чтобы одновременно с высотностью обеспечить доступ к нему во время полета. Единым было мнение о том, что в нормальном режиме наддув и проточная вентиляция должны осуществляться атмосферным воздухом, сжимаемым компрессором, т.е. о вентиляционном типе гермокабины для авиации, а также о величине давления в

кабине, которое должно было поддерживаться близким к наиболее благоприятному для человека значению давления атмосферного воздуха на уровне моря (760 мм рт.ст.).

Желание решить сразу весь комплекс проблем, относящихся к полету на большой высоте, неизбежно вело к уменьшению глубины разработки связанных с этим вопросов. Например, практически не прорабатывались вопросы обеспечения воздухонепроницаемости кабины, авторы патентов ограничивались лишь упоминанием о применении «легкого воздухонепроницаемого материала» и резиновых уплотнений выводов. Несмотря на предполагавшуюся высокую скорость полета (например, до 800 км/ч), не предлагалось никаких мер по совершенствованию внешних форм планера и увеличению его прочности, т.к. считалось, что рост аэродинамического сопротивления и нагрузок с увеличением скорости будет полностью компенсироваться уменьшением плотности воздуха.

В целом, в начале 1920-х гг. представления о высотном самолете не изменились со времени появления первых патентов в середине 1910-х гг. На них не повлияло появление двигателей с нагнетателями, которые уже реально позволяли повысить высотность самолета. Единственным новшеством можно считать появление проектов больших пассажирских самолетов с герметичным фюзеляжем, связанное с развитием коммерческой авиации. С развитием гражданской авиации появилась новая область применения гермокабин - использование для перевозки пассажиров, не обязательно на огромной высоте и скорости, но на высоте, большей, чем у обычных транспортных самолетов, которая переносилась бы пассажирами с комфортом. Примером является предложенный французской фирмой «Бреге» проект пассажирского самолета с герметичным фюзеляжем на 20 пассажиров, который, однако, не был реализован (самолет был построен с обычным фюзеляжем). Для дальнейшего развития идеи требовалось получение практического опыта по реализации накопленных предложений, но кризис развития авиации начала 1920-х гг. не способствовал началу практических работ по высотным самолетам.

Исключением стал эксперимент, проведенный в США, где в 1920 г. на аэродроме Мак-Кук Филд Техническим отделом самолетостроения при армии был переоборудован самолет иБВ-9А (А1гео Б.Н.9А американской постройки), получивший гермокабину. По всей видимости, воспоминания непосредственного участника его испытаний, летчика Г. Харриса, являются наиболее полным источником информации об этом необычном эксперименте [3].

Оригинальный иБВ-9А представлял собой двухместный биплан деревянной конструкции, имевший фанерную и полотняную обшивку. Он был оснащен американским двигателем «Либерти» 12 мощностью 400 л.с. Для эксперимента самолет был переоборудован из двухместного, получив гермокабину, которая представляла собой рассчитанную на одного человека клепаную стальную емкость овальной формы. Внутри нее находилось обычное кресло пилота и минимум органов управления: опережение зажигания, РУД, регулирование смеси, переключатель зажигания, РУС, педали. Герметичность выводов обеспечивалась сальниками. Приборы располагались вне гермокабины спереди на специальной панели, которую летчик должен был наблюдать через 15-см иллюминатор. Внутри находился только высотомер (другой высотомер имелся на панели снаружи). Всего кабина имела пять 15-см иллюминаторов: снизу, сверху, спереди, слева, а также справа на круглом съемном стальном люке, имевшем диаметр около 90 см. В обычном полете без герметизации люк крепился на крюках, установленных внутри гермокабины на правой стенке. Для установки в положение, соответствующее герметизации, он поднимался летчиком с крюков и устанавливался в удерживающие направляющие, находящиеся с внешней стороны, затем проворачивался примерно на 240° для плотного прилегания к резиновой прокладке. Открытие люка производилось внутрь из-за наличия избыточного давления при герметизации. На потолке кабины имелся управляемый летчиком клапан для регулировки наддува посредством выпуска воздуха. На передней кромке нижнего левого полукрыла был установлен работающий от набегающего потока нагнетатель Рута (объемный нагнетатель с двумя роторами, имеющими в сечении 8-образную форму), от которого воздух под давлением шел по трубопроводу к нижней передней части кабины. Никаких средств для управления им предусмотрено не

было. Так как самолет предназначался для испытаний гермокабины, его двигатель не был оборудован нагнетателем для увеличения высотности, который, однако, в случае успеха без особого труда мог быть установлен.

Выполнять первый полет был назначен А. Смит, имевший рост чуть ниже большинства других летчиков, что, вероятно, сыграло не последнюю роль в выборе его кандидатуры. Набрав высоту 900 м, Смит попытался привести кабину в герметичное положение, но у него не хватило сил, чтобы поднять люк. 8 июня 1921 г. самолет пилотировал Г. Харрис. На высоте 900 м ему удалось закрыть и зафиксировать люк. «События стали развиваться стремительно. Наддув кабины был разработан с учетом того, что будут большие утечки через все сальники проводки системы управления, и что регулировка давления будет с легкостью обеспечиваться вручную клапаном наверху. Для большей результативности испытаний проектировщики увеличили производительность компрессора на 100 %. Практически сразу после того, как закрылась дверь, в отсеке создавалось давление, пока высотомер внутри отсека не показал 3000 футов ниже уровня моря (соответствует давлению приблизительно 850 мм рт.ст.), хотя высотомер снаружи показывал, что самолет летел на высоте 3000 футов (900 м) над уровнем моря. Моим первым действием было убедиться, что ручной выпускной клапан наверху полностью открыт. Так оно и было, потому что я мог чувствовать сильное течение воздуха через отверстие вентиля. Я начал искать чем разбить окно. Но у меня не было ничего, даже карманного ножа, и поскольку в большинстве испытательных полетов я носил теннисные туфли (чтобы лучше чувствовать управление), у меня не было даже каблука. Открытие открывающейся внутрь двери было невозможно из-за огромного давления в стальном отсеке. Не было никакого способа остановить вращаемый потоком компрессор, пока самолет летел, потому что он работал от собственного пропеллера, отдельного и не связанного с винтом двигателя самолета. Единственное, что оставалось делать, было снижаться на такой малой скорости, на которую я только мог рискнуть, и сесть как можно скорее. Ни разу со времени вскоре после закрытия двери и до остановки самолета давление не опускалось меньше 3000 футов ниже уровня моря. Невозможно было выбраться из этого постоянно увеличивающегося давления. Я не помню, какие именно неудобства чувствовал, хотя сообщалось, что я жаловался на боль в ушах. Воздух в отсеке был некомфортно жарким из-за работы компрессора, и я был весь вымокший от пота на посадке (температура в кабине превышала 65 °С [5, с. 72])» - вспоминал Харрис [3]. После этого полета, едва не закончившегося гибелью летчика, дальнейшие работы были полностью прекращены.

Несмотря на наличие гермокабины, экспериментальный иБВ-9Л не являлся высотным, на что указывает и отсутствие средств увеличения высотности двигателя, и большой вес кабины, имевшей стальную конструкцию. Вероятно, выбор стали в качестве конструкционного материала объясняется ее доступностью для создателей гермокабины, а также возможностью, не проводя детальных расчетов, обеспечить достаточный запас прочности и простоту конструкции в производстве. При этом высокий удельный вес стали (около 7,8 г/см3, что почти в три раза больше удельного веса алюминиевого сплава), видимо, не являлся ограничивающим фактором, т. к. целью эксперимента было изучение самой принципиальной возможности герметизации кабины и связанных с этим вопросов. Не соответствовало наиболее распространенным представлениям о высотном самолете и использование отдельных источников давления для двигателя и кабины. Эти особенности, а также тип нагнетателя, который неконтролируемо работал от набегающего потока, объясняются простотой создания такой системы и минимальными изменениями в конструкции при переоборудовании самолета. Решение использовать уже существующий самолет являлось вполне естественным, оно позволяло минимизировать сложности при создании нового технического объекта, ограничившись лишь разработкой наиболее существенных вопросов, а также значительно сократить затраты времени и средств. Учитывая сказанное выше, этот самолет являлся летающей лабораторией для изучения возможности герметизации кабины и связанных с этим вопросов. Для создания высотных самолетов подобный эксперимент был крайне необходим, т.к. работы по применению нагнетателей для авиадвигателей уже при-

носили результаты в виде новых рекордов высоты, а практический опыт по созданию гермокабин для авиации или воздухоплавания - отсутствовал вовсе.

Этот эксперимент остался малоизвестным эпизодом и не повлиял не развитие авиационной техники. Тем не менее, учитывая распространенность гермокабин сегодня, он представляет несомненный исторический интерес как первая практическая реализация идеи самолета с гермокабиной. Его прекращение после полета Харриса представляется закономерным итогом в условиях, когда увеличение высоты полета еще было возможно только за счет повышения мощности и высотности поршневого двигателя внутреннего сгорания, а развитие идеи по применению гермокабины в практических целях (например, для пассажирских перевозок) задерживал, в частности, начавшийся после войны кризис развития авиации. Другие работы не достигли в первой половине 1920-х гг. этапа начала практической реализации, однако их дальнейшим развитием стало создание в 1930-е гг. первых удачных самолетов с гермокабинами. Первые проекты больших пассажирских самолетов с герметичным фюзеляжем, без которых невозможно представить современную гражданскую авиацию, также появились на рубеже 1910-х - 20-х гг.

ЛИТЕРАТУРА

1. Airplane superchargers. NACA Technical Note. - 1921. - № 48.

2. Boerner A. US Patent 1402736 filed June 22, 1920.

3. Chapter 7: The Pressurized Cabin Gig / General Harold R. Harris. [Электронный ресурс]. URL: http://haroldrharris.com/book-2/chapter-7 (дата обращения: 10.10.2011).

4. Flight. - 1919. October 16. - С. 1378.

5. Mohler S., Johnson B. Wiley Post, His Winnie Mae, and the World's First Pressure Suit. - Washington: Smithsonian Institution Press, 1971.

6. New air record with new device // The New York Times. - 1919. September 15.

7. Nichols E.E. US Patent 1461700 filed July 25, 1921.

8. The possibilities of flying high // Flight. - 1919. November 20. - C. 1498-1501.

THE DAWN OF HIGH-ALTITUDE FLYING OF AVIATION: ABOUT PROJECTS OF PRESSURIZED AIRCRAFT

Morozov I.V.

Views on prospects of aviation high altitude flying and pressurized aircraft appearance existed in first years after World War I are discussed in the article. The first practical experiment on development of such an aircraft is reported and analyzed.

Key words: history of aviation, high-altitude aircraft, pressurized cabin, environmental control system, altitude.

Сведения об авторе

Морозов Илья Валентинович, 1986 г.р., окончил МГТУ ГА (2009), аспирант кафедры гуманитарных и социально-политических наук МГТУ ГА, область научных интересов - история авиации.