К 140-летию возможных испытаний самолета Можайского или «причем тут F-22»?
Интересная статья из жж Андрея Фирсова, которая, думаю, заинтересует читателей и коллег.
В очереднадцатом номере журанала «Авиация и Космнавтика» вышла статья Ю.Кузьмина о приоритетах работ Можайского — мнимых и настоящих. Так что хотелось бы ее дополнить…
Самолет Александра Федоровича Можайского традиционно рассматривается как первый летательный аппарат тяжелее воздуха, вышедший на испытания. Как отмечалось в лекции 12 марта 1903 г. Е. С. Федорова, «аэроплан Можайского был в России первым построенным и подвергшимся испытанию прибором этого типа, предназначенного для поднятия людей» [«Записки Русского технического общества», 1904, № 4, стр. 230.]. В то же время вопрос, были ли испытания успешны, и удалось ли совершить на самолете Можайского хотя бы кратковременный полет, до сих пор является спорным, в первую очередь из-за отсутствия сохранившихся документов об испытаниях самолета. Как отмечал синхронный источник: «Опыты его не удались по причинам посторонним» [«Русский инвалид», 7 октября 1884 г., № 222, стр. 4.].
Реплика самолета А.Ф. Можайского в фильме 1950-го года. «Жуковский»
Не в последнюю очередь отсутствие достоверных сведений об испытаниях связанно с режимом секретности, который старался поддерживать А.Ф.Можайский в работе над своим самолетом, предполагая в дальнейшем его военное использование (в оборудование самолета А.Ф. Можайский в частности включил прицел). Как описывал в 1877 г. перспективы самолета Можайского корабельный инженер полковник П. Богословский в статье в «Кронштадтском вестнике»: «Представьте только, какую панику, какой ужас способна навести на неприятеля одна такая летучка, вооруженная адскими снадобьями динамита и нитроглицерина, и какое губительное расстройство может она произвести на его сборных пунктах и сообщениях!» В результате обеспечения секретности сохранились лишь отрывочные свидетельства современников о проводимых испытаниях самолета Можайского, в которых не было четкого видения, совершал ли самолет Можайского отрыв от земли или нет.
Фактически для широкой общественности история создания самолета Можайского и его испытания стали известны в Советском Союзе благодаря работам авиационного историка Петра Дмитриевича Дузя, в первую очередь благодаря изданной в 1944 г. книги «История воздухоплавания и авиации в СССР. Период до 1914 г.» А первые публикации П.Д. Дузя по самолету Можайского относятся к 1939 г. (Дузь П. Д. Паровой двигатель в авиации). До этого о работах Можайского в советский период практически даже не упоминали. Например, в книге Л. Г. Устьянцева «За 20 лет авиации» о Можайском не сказано ни слово, хотя упомянуты такие пионеры авиации как Генсон, К.Адер, О.Лилиенталь, Пильчеро, Шанют, Фербер… После Великой Отечественный войны в развернувшейся в Советском Союзе борьбе за отечественные приоритеты в науке интерес к самолету Можайского, как первому, вышедшему на испытания аппарату тяжелее воздуха и возможно совершавшего первые полеты, приобрел государственный размах, вплоть до предложений построить реплику самолета и провести ее испытания.
Подобная борьбе за приоритеты в авиации характерна не только для нашей страны. Например, в 1910-х Смитсоновский институт США решил оспорить приоритет братьев Райт в постройке первого самолета. В начале 1900-х Смитсоновский институт поддерживал работы американского конструктора в области авиации и своего профессора Семиуэла Ленгли, который вывел на испытания самолет свой конструкции «Аэродром» в октябре 1903 г. Хотя испытания закончились неудачей, Смитсоновский институт выставил самолет Ленгли в свой экспозиции с указанием, как первый в мире самолет. В результате возникшей судебной тяжбы с братьями Райт институт договорился с другим пионером авиации – конструктором Гленном Кертиссом (также ведшего судебные тяжбы с Райтами), о доработке самолета Ленгли и проведения на нем испытаний. В результате Кертисс сумел на самолете Ленгли, после внесения в него более 35 доработок, добиться в 1914 г. краткого полета на поплавках, хотя судебный процесс в итоге был проигран (ссылаясь, что самолет не «восстановлен», а доработан).
Таким же образом «борьба за приоритеты» в нашей стране привела к широкому интересу к самолету Можайского во второй половине 1940-х – начале 1950-х годов, приуроченному в том числе и к празднованию 125-летию Можайского. В дальнейшем интерес к самолету Можайского вновь возрос к столетию постройки самолета – в 1970-80-х гг., или к «столетию самолетостроения в России». Уже в современное время определенный интерес к работам Можайского возник на Украине, так как его имение располагается на ее территории (под Винницой). Это дает украинцам право утверждать, что первый самолет был построен, испытан и даже облетан именно «украинцем» Можайским.
Соответственно при каждом подъеме общественного интереса к самолету Можайского вставал вопрос о возможности его свободного полета. С поддержкой этого интереса государственными органами возникала возможность проведения серьезных научных изысканий по самолету Можайского. Результатом этого стал целый ряд аэродинамических исследований конструкции самолета Можайского, в том числе с проведением продувок моделей самолета:
- в 1949-50 гг. в Государственным научно-испытательном институте ВВС (ГК НИИ ВВС);
- в 1975 г. в Рижском Высшем Военном авиационном Инженерном училище им. Я.Алксниса под руководством проф. Р.И. Виноградова (РВВАКУ);
- в 1979-81 гг. в Центральном аэродинамическом институте им. Н.Е.Жуковского.
Главной целью этих исследований было определение аэродинамического качества самолета Можайского и потребной тяги, необходимой для его полета. В зависимости от результатов продувок в аэродинамических трубах и расчета развиваемой силовой установкой тяги, исследователи делали выводы, довольно значительно различающие по своему спектру решений.
Схема самолета Можайского в реконструкции Шаврова
Так, исследователи ЦАГИ определили аэродинамическое качество самолета Можайского в К=4.05. При мощности силовой установки в 30 л.с. был сделан вывод, что полет самолета был возможен только со снижением под углом 9 гр.
Исследователи РВВАКУ оценили аэродинамическое качество в К=6.05 и возможность полета со снижением под углом в 3 гр.
Наиболее оптимистичный результат получился в результате самых первых аэродинамических исследований в ГК НИИ ВВС – К=11.1. Из чего было сделано заключение: «самолет… имел удовлетворительные аэродинамические характеристики для нормального устойчивого полета». Фактически этот результат подтверждал возможность полета самолета Можайского.
Однако, при изучении отчета ГК НИИ ВВС возник ряд вопросов к методике проведения испытаний и их оценки. Полученное аэродинамическое качество в К=11.1 действительно обеспечивало полет самолет с крылом площадью 370 кв.м при скорости сваливания 40 км/ч, имея мощность на волу 21 л.с. (или 30 «индикаторных» л.с.). Однако представленная для испытаний модель сильно отличалась от предполагаемого вида самолета Можайского, фактически представляя собой изолированное крыло без стоек шасси, мачты для растяжек и самих растяжек (тогда так дули, а на отсутствие стоек и растяжек вводили поправочный коэффициент потери К, но в данном случае это не видно), вырезов в крыле под боковые винты и т.п. Поэтому получение высокого аэродинамического качество на такой модели было не удивительно.
Продувочная модель самолета А.Ф. Можайского в ГК НИИ ВВС
Особенно обращал на себя внимание среди выводов в отчете ГК НИИ ВВС – последний, 5-м пункт: «Хвостовое оперение модели, расположенное у задней кромки крыла, оказывает влияние на перераспределение давления по крылу, отчего при отклонении руля высоты вверх значительно снижается подъемная сила крыла». В самом тексте отчета отмечается, что «…самолет Можайского по своим аэродинамическим характеристикам находит [так в документе] на самолете схемы «летающего крыло» или бесхвостки при отклонении элевонов и балансирных закрылков, расположенных на задних кромках крыла».
В подтверждении этого приведен график зависимости аэродинамического качества (К) от угла отклонения вверх руля высоты – то есть при переводе его во взлетное положение.
Графики поляры крыла и зависимости аэродинамического качества от угла отклонения руля высоты вверх (задается отрицательным значением, указаны красным)
На графике видно, что при отклонении руля высоты вверх на 20 гр. аэродинамическое качество падает с К=10 до менее 4, что фактически исключает взлет самолета Можайского с используемой силовой установкой. Это подтверждается свидетельством очевидцев, которые отмечают, что аппарат «раскатывался по деревянным рельсам», а в записке Главного инженерного управления Военного министерства, составленной в 1884 году, отмечалось со ссылкой на сведения «из частных источников», что самолёт Можайского «был даже им и приводим в действие, взбегая вверх по наклонным рельсам, но взлететь не мог».
Можно отметить, что последующие исследователи аэродинамики самолета Можайского не обращали серьезного внимание на аэродинамическую схему самолета. Более того, в общедоступной электронной «Википедии», в довольно обширной статье по самолету Можайского сказано, что он выполнен по «классической аэродинамической схеме». Необходимо отметить, что схема «летающее крыло» наиболее редкая в ряду конструкций самолетов, и практически никогда не имела широкого практического применения. Самый массовый самолет по схеме «летающего крыла» – американский бомбардировщик Нортроп В-2, выпущенной серий всего в 21 экземпляр.
Не в последнюю очередь такое отрицательное отношение к «летающим крыльям» связано с проблемами управляемости, также присущими самолетам по схеме «бесхвостка». Управляющие поверхности на задней кромке самолета такой схемы носят название элевонов, что указывает об их отличие от обычных рулей высоты и элеронов. Эффект от элевонов состоит в том, что для увеличения угла тангажа самолета в горизонтальном полете при подъеме элевонов вверх подъемная сила крыла уменьшается, а его сопротивление возрастает. В результате при попытке набора высоты в дозвуковом полете самолет сначала делает просадку вниз и только с дальнейшим увеличением угла тангажа и, как следствие, ростом подъемной силы на крыле переходит на набор высоты. Об этой особенности схем «летающее крыло» и «бесхвостка» часто забывают и конструктора и пилоты.
Классическим примером этому может служить недавняя авария новейшего американского «стелс»-истребителя 5-го поколения Локхид F-22 13 апреля 2018 г., когда самолет приземлился с убранным шасси на взлетную полосу. Расследование показало, что пилоты F-22 в своем большинстве осуществляют взлет вопреки инструкции, «подрывая» самолет еще до достижения взлетной скорости и сразу убирая при этом шасси, как только они отрываются от взлетной полосы. Такое нарушение летной инструкции было возможно благодаря рекордной тяговооруженности самолета (больше 1) и управляемому вектору тяги за счет отклоняемых сопел двигателей. Открывая самолет еще до достижения взлетной скорости с большим углом тангажа, самолет совершал полет фактически вблизи влияния экранного эффекта земли. По инструкции такой взлет не приветствовался, так как при этом самолет гораздо медленнее набирал скорость. Однако такая практика была принята у пилотов F-22 со времени летной переподготовки в учебной части с 1990-х годов.
Авария американского истребителя F-22 18 апреля 2018 г.
К аварии дорогостоящего самолета привели два фактора, которые не учел пилот. Если посмотреть на схему самолета F-22, то она кажется нормальной, однако цельноповоротные стабилизаторы расположены сразу за крылом, как хвостовое оперение у самолета Можайского. То есть фактически стабилизаторы F-22 при отклонении вверх, работают как мощные щелевые закрылки и резко снижают аэродинамическое качество самолета, как и на аппарате Можайского.
Схема самолета F-22 – сплошной заливкой показан стабилизатор, красной линией – фактическое соответствие самолета аэродинамической схеме «летающего крыла»
Почему же тогда все F-22 не падают на землю при взлете, как в этом аварийном случае 18 апреля? Дело в том, что основные места базирования истребителей F-22 расположены на побережье США – то есть практически на уровне моря, и полеты проводятся при фактически «стандартной атмосфере», а высокая тяговооруженность самолета позволяет выполнять такие запрещенные «трюки». В аварийном случае F-22 совершил посадку на промежуточном аэродроме континентальной части США, расположенным на высоте 1200 м (пилот летел на подтверждение своей квалификации по программе «Топ ган»). Большее разряжение воздух на такой высоте было достаточно, что при описанном взлете с аэродрома в среднегорье с нарушением летной инструкции, самолет сразу же после отрыва и попытки пилота перевести его на набор сделал «просадку», зацепил землю и проехал на фюзеляже с убранным шасси почти два километра.
Сравнивая эту аварию F-22 с испытаниями самолета Можайского, учитывая аэродинамическое качество и тяговооруженность последнего, отрыв от земли самолета Можайского фактически исключается.
В то же время многие историки и исследователи конструкции самолета Можайского допускают возможность его кратковременно отрыва от земли или «подлета» в следствии «спуска по наклонной плоскости» или «порыва ветра», часто ссылаясь на то, что с этого начинали свои полеты пионеры авиации: братья Райт, А. Сантос-Дюмон, Л. д’Лагранж и А.Фарман. Однако тут нужно опять же обратить внимание на аэродинамическую схему их самолетов: и у Райтов, и у Сантос-Дюмона и у самолета Вуазена, на котором совершали свои полеты д’Лагранж и А.Фарман была аэродинамическая схема «утка» – то есть с рулем высоты впереди крыла.
Схемы самолетов (слева – направо): Вуазена, братьев Райт и Сантос-Дюмона, направление полета – справа налево, красной заливкой выделен руль высоты
Такая схема обладает на взлете свойствами практически противоположными «летающему крылу» – руль высоты на взлетном режиме отклоняется вниз, а не вверх, как на нормальной схеме и на «летающем крыле». При этом на стабилизаторе «утки» или цельнопоротном руле высоты образуется подъемная сила – в результате чего аэродинамическое качество самолета на взлете увеличивается, а не уменьшается. Собственно благодаря этому происходили первые отрывы от земли указанных самолетов. Но после того, как пилот переводил руль высоты в нейтральное положение, аэродинамическое качество самолета вновь уменьшалось, и самолет «возвращался» на землю, теряя высоту. Д’Лагранж на своем самолете «Ваузен» сделал больше 300 подобных подлетов, прежде чем ему удалось найти такое положение руля высоты, при котором оказался возможен более-менее длительный горизонтальный полет, пролетев в результате несколько сот метров. Анри Фарман на своем экземпляре «Вуазена» по результатам подлетов выполнил доработку – сделал стабилизатор несущим. В результате чего А. Фарману удалось выполнить первый официально зарегистрированный полет по замкнутому маршруту длиной 1 км. У Можайского с самолетом по типу «летающего крыла», как мы видели выше из результатов продувок, для этого не было шансов.
Кстати, эксперимент с «репликой» самолета Можайского таки был проведен, только этого никто не заметил. Тут наднясь уважаемый deruluft напомнил о таком конструкторе — Москалеве:
автора этого самого самолета «Стрела», которым он гордился/пиарился «всю дорогу» после войны… Внешне, конечно, не похоже, но схема — летающее крыло малого удлинения с теми же самыми «болячками»! Описание полетов на этом самолете можно найти в мемуарах наших летчиков-испытателей с характерным штрихом: самолет хоть и отрывался от земли, но никак не хотел набирать высоту, то есть полет фактически проходил только вблизи экрана. При этом нужно учесть, что нагрузка на мощность самолета «Стрела» Москалева была в … 20 раз меньше, чем у самолета Можайского! Да уж …
Таким образом, можно сделать вывод, который не был сделан в проведенном исследовании ГК НИИ ВВС, – выбранная аэродинамическая схема самолета не позволяла самолету Можайского оторваться от земли при имеющейся силовой установке. Поэтому нигде прямо не говорится о возможном полете или даже подлета самолета – предположения об этом делаются только на основании утверждения, что самолет во время испытаний опрокинулся, что могло быть следствием узкой базы его шасси. Следует отметить, что сообщения о возможном подлете самолета Можайского возникают в более поздних по отношению ко времени испытаний источниках, как например, в 16-м томе «Военной энциклопедии» И.Д. Сытина за 1909 г.: «первый полет аэроплана на военном поле в Красном селе дал результаты неважные: аппарат отделился от земли, но, будучи неустойчивым, накренился на бок и поломал крыло». Вывод из этого утверждения, что самолет был неустойчив в воздухе и поэтому мог опрокинуться, противоречит результатам продувок в ГК НИИ ВВС, по которым было сделано заключение, что: «характеристики продольной и боковой устойчивости самолета Можайского близки к оптимальным для данной компоновки самолета… Самолет обладал продольной и боковой устойчивости для нормального полета».
К тому же в случае, если бы полет, даже кратковременный состоялся, безусловно, Можайский бы воспользовался этим, как главным аргументом для получения достаточного финансирования своих работ.
Хотя прямо в отчете ГК НИИ ВВС не говорилось, что аэродинамическая схема мешает взлету самолета, и заключение о возможности «установившегося полета» (с заявленным аэродинамическим качеством и если бы самолет взлетел) было положительным, вероятно эти выводы об особенности схемы самолета и работы руля высоты из отчета привели к тому, что предложение построить в начале 1950-х гг. летающую реплику самолета Можайского, так и не было реализовано.
Можно заключить, что полет на самолете Можайского в его исходном виде с располагаемой силовой установкой был невозможен. Это по результатам испытаний в 1883-85 гг. понял и сам Можайский, следствием чего стал заказ двигателей бóльшей мощности.
Таким образом, за Можайским остается приоритет постройки первого в мире пилотируемого самолета, выведенного на летные испытания. Полет же самолета Можайского в исходном виде был невозможен, однако не исключен в случае установки двигателей бóльшей мощности, которых конструктор самолета так и не дождался. Задача создания летающего самолета оказалась слишком сложной и комплексной для работавшего фактически в одиночку А.Ф. Можайского: требовалось решить проблемы аэродинамики и конструкции самолета, создать для него силовую установку – рекордную по своим характеристикам, подобрать необходимые винты. Учитывая полное отсутствие предшественников, которые могли бы создать самолет, пригодный для полета, и какого-то летного опыта, на который можно было опереться, Можайский фактически вступил в те области аэродинамики полета, которые до сих пор составляют известную сложность для практической реализации, пройдя дальше всех в своих работах по сравнению с другими пионерами авиации XIX века.
