Дискообразный летательный аппарат Джонсона «Uniplane». США

Данный материал был переведен уважаемым коллегой NF и немного доработан мной.

Введение

Тот кто жил в 1935 году вблизи Чикаго в один прекрасный день имел некоторые шансы увидеть на расположенной по близости спортплощадке, на соседском луге или, возможно, даже в своём собственном саду необычный на вид самолёт, имевший почти круглую форму. Самолёт, о котором тут идёт речь, делал это с удовольствием. Его пилот мистер Джонсон (Johnson) не предусматривал в своём плане полётов посадки на первых попавшихся площадках. Его к этим не запланированным посадкам снова и снова принуждал маломощный дымящий двигатель. В этом плане пилот и его самолёт испытали более чем достаточно приключений и произошло это не благодаря опыту пилота, а в следствии уникальных характеристик самолёта, который на взлёте имел скорость не более 40 км/ч, а при приземлении 36 км/ч. Об этом приметном самолёте мы и хотим рассказать в ниже расположенной статье.

«Uniplane» Джонсона

«Uniplane» Джонсона не являлся первым в мире летательным аппаратом дискообразной формы. Еще в 1885/1886-x годах французский физик де Сандерваль (de Sanderval) представил множество моделей планеров (так он назвал тогда свои летательные аппараты), из которых по крайней мере один получил дискообразную форму. В трех точках под диском подвешивался уравновешенный балласт и летательный аппарат в таком виде совершал экспериментальные полёты. 40 спустя в 1926 году проживавший в Чикаго С.П. Немет (S. P. Nemeth) разработал еще одну модель дискообразного летательного аппарата. Эта модель была испытана в аэродинамической трубе в университете города Мичиган. После успеха изготовленного Неметом летательного аппарата в 1936 году был изготовлен еще один летательный аппарат по аналогичной схеме. Машина Немета в то время часто называлась «самолет-зонт»(«umbrella plane»). За исключением особой формы крыла это был самый обычный высокоплан.

Рис. 1.«Летающая тарелка» де Сандерваля уравновешенная балластом, подвешенным на трех тросах, в свободном полёте. Изготовленный французским физиком опытный летательный аппарат, возможно, является первой изготовленной на нашей планете «летающей тарелкой»

У Джонсона всё выглядело совершенно иначе. Он разрабатывал свою машину из расчетa возможности ею выполнять вертикальные старт и посадку. Конструктор разработал особый вид круглого крыла с расположенным в центре вырезом, под которым должна была располагаться двигатель и приводимый им в движение винт. Вместе с рядом прочих агрегатов воздушный винт должен был создавать над крылом небольшое пространство с пониженным давлением, что по задумке конструктора позволяло бы машине взлетать. В ходе испытаний построенной подобным образом модели данное предложение функционировало. В то же время и выяснилось, что для данной машины необходимо было иметь силовую установку большой мощности, что поставило под вопрос саму возможность практического использования таких летательных аппаратов. Поэтому Джонсону пришлось изменить свои первоначальные планы. Его следующий проект летательного аппарата стартовал как обычные самолёты, но получил крыло круглой формы без выреза.

Неудача, которая сопутствовала Джонсону в его первой попытке создания летательного аппарата, стала причиной того, что и тут при создании второго типа самолёта сначала были построены одно- и двухмоторные модели с размахом крыльев около 900 мм и имевшие привод от резиновых шнуров.

Рис. 2.Один из двух самолётов с крыльями круглой формы изготовленных С.П. Неметом в Чикаго в первой половине 30-х годов. Обе самолёта высокопланы

Джонсон демонстрировал созданные им модели на разного рода мероприятиях и даже в холле чикагской гостиницы «Stevens». Известная лётчица-рекордсменка Амелия Эрхард (Amelia Earhart) увидела эти необычные модели и под воздействием впечатления, которое они на неё произвели, назвала их «летающими черепахами», что если обратить внимание на внешний вид этих моделей было не так уж и не правильным.

Экспериментальные модели, как это обычно и бывает, не были детскими игрушками. Они служили для выяснения ряда важных деталей: были исследованы различные формы хвостового оперения, профили и даже что-то вроде автоматического управления. Джонсон быстро понял, что очень популярный тогда профиль с прямой нижней поверхностью Clark Y не позволял получить необходимую устойчивость самолётов в полёте, вследствие чего он начал исследовать симметричные и прочие профили.

Рис. 3.Один из предшественников «Uniplane»-а с двумя винтами, приводимыми в движение резиновыми шнурами. Элероны и рули высоты выполнены как единое целое в виде элевонов. Профиль крыла — Clark Y. Для уравновешивания разворачивающего момента винты расположены на неодинаковом расстоянии от фюзеляжа. Сиденье пилота расположено у самой носовой оконечности и обеспечивает хороший обзор что позднее отсутствовало у «Uniplane»-а. Чертежи этой модели служили приложением к патенту

Несмотря на все это, сначала результаты испытаний были неудовлетворительными. Тесты показали, что модели с крыльями, контуры в плане которых были близки к контуру яйца, были более устойчивы, чем модели с круглыми в плане крыльями. Джонсон начал проводить систематические опыты с простыми моделями сделанными из обычного картона. Крылья у всех этих моделей были дискообразной формы, но соотношения между длиной и шириной крыла были различными. Результаты испытаний показали, что наиболее устойчивыми в полёте оказались модели, крылья которых имели яйцеобразный вид в плане. Следующей моделью, которую Джонсон построил, была модель именно с такой формой крыла. Размах крыла у этой модели был всего 350 мм при длина модели около 400 мм. Профиль крыла NACA M-6 с постоянной точкой приложения сил. Эта мини-модель летала настолько хорошо и при этом была так устойчива в воздухе, что Джонсон решил спроектировать самолёт, в основе которого лежали бы принципы, на которых была построена эта мини-модель.

Рис. 4.Первоначально использовавшееся крыло с профилем Clark Y с прямой нижней стороной крыла в ходе полётов Джонсона оказалось для данного самолёта неподходящим. Профиль крыла был изменён на М-6 со стабильной точкой приложения сил. Оба вышеуказанных профиля на первый взгляд довольно схожи. Их различие заключается в форме средних линий и задних кромках. «Маленькое отличие» заметно так же и тут

После постройки первой модели 12 августа 1931 года Джонсон зарегистрировал в патентном ведомстве свой самолёт с круглым крылом. Патентное ведомство, как это обычно и случалось в подобных случаях, направило предложение Джонсона для оценки его характеристик в NACA. Но там было установлено, что о работах по данной теме им не известно. Как сообщал Джонсон, К.Х. Циммерман (C. H. Zimmerman) получил распоряжение о проведении испытаний в аэродинамической трубе крыльев круглой формы для того чтобы на деле убедиться в преимуществах или в недостатках предложенных Джонсоном крыльев данной формы.

Результаты исследований Циммермана были опубликованы в мае 1932 года в докладе NACA Report No. 431 «Characteristics of Clark Y Airfoils of Small Aspect Ratio». Этот доклад стал классическим в части того, что касалось летающих дисков. Доклад подтвердил то, что ранее сказал Джонсон. В ходе работ по данной теме Циммерман получил ряд предложений, которые позволили улучшить идею Джонсона. В опубликованном в 1935 году докладе NACA «Technical Note No. 539» сообщалось о преимуществах  крыла круглой формы. Циммерман не оставил без внимания эту идею и в дальнейшем интенсивно работал по данной теме. В дальнейшем эти работы привели к созданию компанией Chance Vought прототипов известного «летающего блина» («Flying Flapjack») – V-173 и XF5U-1.

Рис. 5.На патентных чертежах изображена модель, которая получила значительные доработки в сравнении с предыдущими вариантами. Установленное между килем и элевонами (действующими как рули высоты и элероны) горизонтальное оперение имеет возможность перестановки руля высоты во время полёта (27). Кабина пилота расположена близко к передней кромке крыла, что обеспечивает хороший обзор. В патенте было указано, что помимо крыла круглой формы можно использовать крылья овальной и прочих форм, которые позже показали себя с лучшей стороны.

На чертеже, прилагающемся к патенту, можно отметить значительное сходство ряда элементов конструкции с «летающей тарелкой», построенной во время войны в Брандисе (Brandis)

8 ноября 1932 года Джонсон получает патент на свой «Circular flying wing» («самолёт-летающее крыло») с крылом круглой формы. Хотя NACA и не советовало ему заниматься далее этими работами, тем не менее на следующий год Джонсон приступил к постройке одноместного самолёта по предложенной им схеме. Средства на его постройку он зарабатывал, работая по 9 часов в день лифтером. Джонсон экономил на всём, стараясь все имеющиеся у него деньги тратить на постройку самолёта, который был готов в сентябре 1934 года. При постройке самолёта пришлось использовать отдельные элементы конструкций других самолётов. Так фюзеляж был взят от маленького самолёта Heath, шасси от Monocoupe, силовая установка представляла собой переделку из сполна отработавшего своё мотоциклетного двигателя, который не мог уже развивать номинальную мощность в 41 л.с. и который в дальнейшем создавал Джонсону ряд проблем.

Ранее испытывавшиеся модели в относительно короткое время привели к хорошим результатам, то самолёт должен был не только лететь по заданному им курсу, но еще и управляться во время полёта. И тут выявились значительные недостатки хвостового оперения самолёта.

Рис. 6. Один из многочисленных патентов Циммермана. Расположение силовых установок на его «летающем блине»

Сначала «Uniplane» получил двухкилевое оперение, между шайбами которого размещался руль высоты. В ходе пробных полётов выяснилось, что руль высоты при его установке на большой угол оказался мало полезным. Руль высоты был демонтирован и самолёт много раз подвергся разного рода доработкам: так вместо временно установленных элевонов (комбинация элеронов и рулей высоты) на самолёт были установлены обычные рули высоты. Двухкилевое оперение было заменено на один очень высокий киль. Этот высокий киль одновременно служил страховкой на случай если при посадке самолёт перевернётся. Тем не менее, на практике высокий киль оказался излишне эффективным и реагировал на малейшие изменения. После уменьшения его размеров примерно на треть самолёт стал очень вяло слушаться рулей. Ocобенно плохо самолёт реагировал на повороты влево в направлении против крутящего момента, создаваемого силовой установкой. Тогда перед лобовым стеклом кабины пилота был установлен специальный гребень благодаря чему все имевшие место ранее проблемы с управлением самолёта были устранены.

Странный драндулет Джонсона был облётан своим создателем, который перед этим совершил всего лишь один полет на учебном Piper-е. В основном Джонсон учился летать на созданном им «Uniplane»-е. «Uniplane» прилежно летал совеpшив в течении двух лет более 100 полётов, более половины из которых протекала не вполне гладко.

В большинстве случаев вина лежала на обладавшем недостаточной надежностью моторе-ветеране, который выдавал только часть своей мощности и нередко просто не работал.

Джонсон был неисправимым оптимистом и, не смотря на столь ненадёжный двигатель, он вновь и вновь пытался выполнять длительные полёты. «Длительными» они были протяженностью более 6 и 12 километров при высоте полёта примерно 100 метров! Из восьми подобных полётов только два завершились приземлением на аэродроме взлета, тогда как шесть других закончились аварийными посадками, выполненными вскоре после старта. Во время одной из таких аварийных посадок «Uniplane» загремел, оказавшись посаженным поперёк на одной из дорог, зацепив крылом придорожные канавы по обе ее стороны. Не удивительно, что случайно проезжавший мимо владелец похоронного бюро был вынужден развернуться и стать свидетелем всего происходящего на дороге. Не смотря на всю комичность ситуации c «Uniplane»-ом его владелец всё это время не получал каких либо повреждений: вынужденные посадки были его сильной стороной.

Это преимущество с высокой долей вероятности не могло бы быть как-то отнесено к числу достоинств самолёта и его было недостаточно для достижения каких-либо коммерческих успехов. «Uniplane» как и большинство других «летающих сковородок» был явно не «скаковая лошадь». Его скорость в сравнении с обычными самолётами, оснащенными двигателями сопоставимой мощности, была слишком мала.

К тому же обзор из кабины пилота у этой машины в одномоторном (более дешевом) варианте при взлёте и посадке был чрезвычайно плохим. Это стало причиной того, что Джонсон не смог получить средства на дальнейшее развитие своего изобретения в виде $100000 из фонда Министерства торговли США (Dept. of Commerce). В 1936 году «Uniplane» вновь совершил шесть вынужденных посадок, две из которых стали причиной поломок, и самолёт в итоге стал непригодным к полётам. Не смотря на то, что самолёт был безопасен при вынужденных посадках, хорошо управлялся, был недорог при изготовлении и имел хорошие посадочные характеристики Джонсон вынужден был отказаться от дальнейших работ по нему.

Рис. 7.На этих схемах «Uniplane»-а с пяти сторон показаны изменения, которые описанный в патенте самолёт в дальнейшем получил в ходе работ

После этого почти 10 лет ничего не было слышно об «Uniplane»-е, пока Джонсон под впечатлением успеха циммермановского Chance-Vought XF5U-1 вновь не решился вернуться к своему старому увлечению. На этот раз он решил сделать из своего «Uniplane»-а кое-что получше. Ему пришла в голову идея создать гибрид автомобиля, лодки и самолёта, который смог бы передвигаться по автомобильным дорогам, плыть как моторная лодка и иметь возможность взлетать и садиться с воды и с обычного наземного аэродрома. Из этих планов так же ничего не вышло. Первое американское «летающее блюдце» вновь было забыто. При этом «Uniplane» с надёжным, с несколько большей мощности двигателем и более приемлемым обзором мог бы стать вполне пригодным одноместным самолётом.

Хронология работ по опытному самолёту «Uniplane»

Описание прототипа самолёта Джонсонa «Uniplane»

Одноместный экспериментальный самолёт «Uniplane», сконструированный Ричардом Бертоном Джонсоном (Richard Burton Johnson) был собран в 1933-1934 годах.

«Uniplane» был выполнен по схеме «летающее крыло». Профиль крыла яйцеобразный, законцовки крыла смещены ближе к задней кромке. Крыло свободнонесущее. Самолет одноместный. В качестве силовой установки на нём использовался переделанный четырехцилиндровый мотоциклетный двигатель с номинальной мощностью в 41 л.с.

Фюзеляж

Фюзеляж, выполненный из сварных труб и полностью утопленный в крыле, был взят от корпуса, изготовленного фирмой Heath.

Оперение

Первоначально использовалось двухкилевое оперение с установленным между шайбами рулём высоты. Позднее оперение было переделано, и самолёт получил один центрально установленный высокий вертикальный киль с центрально установленным рулём высоты. Окончательно машина получила уменьшенный киль и дополнительный передний киль.

Шасси

Основные стойки шасси раздельные и были взяты от разобранного самолета Monocoupe. Амортизаторы располагались в крыле. Ширина колеи около 1,56 м.

Силовая установка

Четырехцилиндровый двигатель с вертикально расположенными цилиндрами. Капот легкосьёмный.

Несущие плоскости

Обтянутое полотном крыло имело деревянный каркас: нервюры и лонжероны были выполнены из ели и клееной фанеры. Участки конструкции, испытывавшие большие нагрузки, были выполнены с большим запасом прочности. В кабине пилота по обоим бортам в нижней части и перед пилотом имелись небольшие стеклянные панели, через которые пилот имел возможность видеть нижнюю сторону крыла.

Система управления

Управление самолётом первоначально осуществлялось при помощи вращающейся рукоятки, которую пилот держал в одной руке, и педали газа. Под ручкой размещался электрический предохранитель. Позднее педаль газа была перенесена на левую сторону кабины. Самолёт управлялся на очень больших углах атаки (в два раза больших чем у обычных самолётов) и был полностью управляем относительно продольной оси.

Технические данные самолёта Джонсона «Uniplane»

Годы постройки: 1933/1934 гг.
Экипаж: 1 человек
Размах крыла: 4,267 м
Максимальная ширина крыла: 4,877 м
Длина: 4,877 м
Площадь крыла: 16,7 м²
Соотношение размаха крыла к ширине: 1,07
Взлётный вес: 295 кг
Силовая установка: переделанный мотоциклетный четырехцилиндровый двигатель с номинальной мощностью 41 л.с. при 2800 об/мин
Скорость при взлёте: 40 км/ч
Скорость при посадке: 36 км/ч

Источники:

1) Johnson, Richard B., «UNIPLANE»
Modell Airplane News, October 1947, S. 24, 25, 50
2) Johnson, Richard Burton „Circular Wing" AirTrails, April 1949
3) Nemeth, S. P., ,Circular wing" ebenda
4) Zimmerman, Charles H., ,Characteristics of Clark Y Airfoils of Small Aspect Ratio", NACA Report Nr. 431
5) Zimmerman, Charles H., NACA Technical Note 539
(siehe auch NACA Reports 93, 124, 182, 244, 286, 315, 460 und 586)
6) Archiv Verfasser

источник: "UNIPLANE" LUFTFAHRT international 19