Карл Эвальд Брюнс «Планеры от Grunau Baby к Biene»

Карл Эвальд Брюнс «Планеры от Grunau Baby к Biene»

Статья Карла Эвальда Брюнса «Vom „Grunau Baby” zur „Biene” von Karl-Ewald Bruns» из журнала «Luftfahrt International» 11 была переведена уважаемым коллегой NF и немного доработана мной. Перевод был выполнен в августе 2016 года.

После того как в 1951 году в Брауншвейге вновь была образована учебная авиационная группа (при высшем учебном заведении) (Akaflieg), мы вновь захотели как можно быстрее летать. Речь шла о постройке только хорошо себя зарекомендовавших планеров. Других возможностей в то время не имелось. Через год на проходивших в Прине (Prien) на берегу озера Химзе (Chiemsee) планерных соревнований (Idaflieg-Treffen) мы увидели первые приемочные испытательные полеты планеров Ka1 и Spatz, построенного в мюнхенской учебной авиагруппе.

Рис. 1 планер Spatz

Своевременно Э. Шнайдер (E. Schneider) выяснил, что в Австрии вновь была разрешена постройка планеров, и позаботился о документации, необходимой для постройки планера Grunau Baby III. В июне 1951 года приступили к постройке двух планеров Baby III в зимнем институте (Winter-Institut).

В постройку много инвестировали и после ремонта планера, которая была необходима после первой поломки, в 1953 году были начаты регулярные полёты. Вскоре речь зашла о недостатке места для полётов по кругу над аэродромом. Естественно, это касалось не только Baby, некоторые создали условия необходимые для полётов на планере Silber-C. Было определенное разочарования из-за несоответствия малой летной пользы и усилий, затраченных на их восстановление.

Уже вскоре в учебной авиагруппе у меня появилась возможность повлиять на то, чтобы было принято решение построить нечто лучшее. Поскольку разработка конструкции нового планера длилась долго, то в этот интервал времени был построен планер Weihe.

Рис. 2 планер Baby III

Рис. 3 планер Baby III во время постройки

Параллельно этому началась разработка планера SB-5. Однако замыслы создать планер, требовавший меньше времени при постройке чем Baby, более не оставляли меня. Уже при постройке Weihe были предприняты соответствующие меры. Наш самые высокий и маленький коллеги (К. Ф. Шнайдер [K. F. Schleicher]) и Х. Фрике [H. Fricke]) сфотографировались сидя за штурвалом. Увеличение размеров в подходящих масштабах послужило позднее основой для выбора размеров корпуса.

Рис. 4 планер Weihe в полете

Нервюры и обшивка из планок обладавшего частичной двойной кривизной фюзеляжа Weihe были моей пробной работой на звание мастера, но одновременно с этим мне стало понятно: для обычного планера, изготовлением которого самостоятельно занимается группа лиц, такая конструкция была слишком тяжела.

В последующие годы я работал по профессии, чтобы иметь возможность твердо стоять на ногах. В 1959 году во Гамбург-Боберге (Hamburg-Boberg) я вновь приступил к полётам и впервые полетел на планере Baby III Wandsbeck. В то время пока в Боберге я летал на планере Silber-C, я решил построить планер на смену Baby. То, что я мог сделать сам, я сделал в Боберге, где Герд Блессинг (Gerd Blessing) строил свой Wuchtbrumme. Я хорошо поработал, и руководителю мастерской Эмиль Золбриг (Emil Solbrig) не требовалось ничего переделывать после меня. Затем меня взяли к себе Гейнц Хют (Heinz Huth) и Клаус Маттхизен (Klaus Matthiesen), работавший техническим руководителем в сообществе планеристов в Боберга. Здесь я смог основательно изучить все летавшие здесь типы планеров. Во время ночных дежурств зимой я много дискутировал с Гюнтером Бродерсеном (Günter Brodersen), хотя уже тогда Гюнтер раздумывал об отсутствовавшем идеальном моторном планере.

Концепция нового планера была понятной: он должен быть проще и дешевле в постройке чем Baby, но его лётные характеристики должны быть лучше. Это должен был быть летательный аппарат, на котором планерист должен был подобно пчеле собирать опыт и летные часы. По этой причине я решил назвать этот планер Biene (пчела).

Размышления, касавшиеся проектов планеров, не были для меня чем-то незнакомым. В это время планеризм вновь стал развиваться, и появилось множество статей о полетах в журнале «Thermik». Я подружился с ответственным редактором издания Гансом Дойчем (Hans Deutsch). В 1948 году он переехал в Геттинген, и публиковал свои идеи и предложения в журнале. В 1949 году – в промежутке между моей учебой и началом учебы в Высшей технической школе Брауншвайга – я полгода работал сотрудником редакции данного журнала.

Рис. 5 Самый длинный – К. Ф. Шнайдер

Рис. 6 Самый маленький – Х. Фрике

В своё время в статье «Размеры экономичного моторного планера» (Die Größe des wirtschaftlichen Leistungssegelflugzeugs) Хюттер предлагал, что подобный планер должен иметь размах крыла 12-14 метров и площадь 7,5-8,5 м².

Что касается размаха крыла планера, то я решил остановиться на величине в 13 метров. Не в последнюю очередь на это моё решение повлиял тот факт, что размеры чердака моего родного дома в Гамбурге не позволяли размещать конструкции с длиной большей, чем 6,5 метров.

Площадь крыла планера я решил сделать большей, иначе по моим оценкам удельная нагрузка на несущую поверхность крыла планера была бы слишком большой.

При разработке проекта планера типа SB-5 я намеренно решил принять профиль крыла NACA 633-618. В то время еще не имелись материалы, касавшиеся данных по профилям с низким коэффициентом нагрузок (малые значения Re), и я решил взять за основу результаты стандартных замеров NACA Re 3.10‘ и стандартные шероховатости. Впрочем после получения некоторого лётного опыта я понял, что я был несколько пессимистичным в отношении того, что касалось данных с низкой удельной нагрузкой и деревянных конструкций.

Аэродинамические величины вскоре оказались значительно улучшенными в сравнении с тем что имел Baby. Затем позднее появился Ka8 с лучшими расчетными сравнительными данными при медленном полёте. При полёте на большой скорости у лучшими оказались характеристики моего Biene. Все эти расчеты следовало еще подтвердить на практике.

На приведенном ниже графике показаны поляры с зависимостями скоростей снижения от скоростей полета планеров K8, Grunau-Baby и Biene. Поляра для планера Grunau-Baby взята из статьи Н. Хьорта «Летно-технические характеристики планера Grunau-Baby», опубликованной в 51-м выпуске журнала «Thermik», стр.78 («Flugleistungen vom Grunau-Baby», N. Hjorth, Thermik 51/S.78).

Рис. 6а

Мною были рассчитаны продольная устойчивость и положение центра тяжести планера. При расчете рулей я опирался на труб В. Штендера «Основы проектирования планеров» (W. Stender «Entwurfsgrundlagen für Segelflugzeuge»). Формы фюзеляжа я вычерчивал очень долго, поскольку передо мной стояла задача получить приятный внешний вид и в то же время сделать его простым в изготовлении. Так, например, фюзеляж имел совершенно ровную нижнюю сторону, представлявшую собой изготовленную из авиационной фанеры нижнюю плоскость коробчатой балки. В итоге выпуклая часть фюзеляжа создавала незначительное аэродинамическое сопротивление и его высота осталась на уровне Ка6.

Конечно, аэродинамическое сопротивление планера можно было бы немного снизить за счет несколько более узкого фюзеляжа. После того как были подобраны все размеры, я построил модель в масштабе 1:20. При этом я, например, смог определить будут ли рули высоты при их отклонении от нейтрального положения касаться поверхности земли. Построенную модель я взял с собой в Эссен (PfL) где показал модель Кюпперсу (Küppers) и Ренке (Reinke) и получил от них советы относительно разработанной мной конструкции. Особенно это касалось приложения отдельных нагрузок, которые отличны от данных BVS, а также значения допустимых нагрузок для древесины и авиационной фанеры.

В июне 1960 года я зарегестрировал в LBA опытный образец планера и получил для планера Biene регистрационный номер L-227.

Рис. 7 Модель планера Biene

Положение пилота во время полёта, размеры и отклонение рулей были опробованы мной на выполненном в масштабе 1:1 макете.

В это время в результате несчастного случая погиб летавший на планере Sb-5 Траутгофф Рольтс (Traugott Rohlts). Я не знаю, имеет ли это моё предположение основание, но, на мой взгляд, закончившийся его смертью полёт был вызван тем, что во время полёта на планере пилот располагался лёжа. Поэтому я решил оставить положение сидения пилота на Biene с несколько приподнятой спинкой, как это было сделано на Baby. Сегодня я предпочитаю сиденье такое же, как на планере Ka6 E.

Рис. 8 Положение сиденья пилота на макете, выполненном в масштабе 1:1

Расположение консолей крыла на уровне плеч пилота позволяло получить ему более лучший обзор. То же самое касалось и фонаря кабины, вписанного в несущий каркас из авиационной фанеры. Тем временем в полёте был подтверждён отличный обзор из кабины пилота. Первоначально каркас фонаря должен был изготавливаться из стальных труб и иметь сдвижные части. Однако позднее я решил заменить данную конструкцию на плексигласовый фонарь, установленный на Ka 8. Благодаря этой замене форма фонаря стала более совершенной с точки зрения аэродинамики.

При работе над конструкцией планера я преследовал цель создания как можно более простого варианта. Снова и снова я представлял себе как пилот планера, который, как правило, не является квалифицированным авиастроителем, должен будет сам изготавливать детали планера. Обработка деревянных конструкций и конструкций из авиационной фанеры были наиболее распространёнными при производстве моего планера, поскольку навыками деревообработки либо владеют многие, либо этому можно легко научиться. Именно по этой причине я отдавал предпочтение деревянным конструкциям и конструкциям из авиационной фанеры и при производстве фюзеляжа.

В то время применение пластика в изготовлении планеров находилось на начальном этапе и не могло быть принято в расчет. Постройка из пластика пробного крыла и испытания его консолей на нагрузку были мне недоступны. И еще сегодня я сомневаюсь, подходит ли оно для изготовления элементов конструкции по заданному образцу (разве что только для получения неработающей обшивки). Например, у Biene в месте перехода от фюзеляжа к консолям крыла имелась секция из бальзы и стеклопластика толщиной 3 мм. Необходимая форма была получена при помощи микробаллонов.

Что касалось обработки пластмассы в кустарных условиях, то это не представляло сложностей, однако точность, необходимая при постройке формы, всё же требовала приложения усилий и средств. Для несерийного производства учебного планера это было бы слишком дорого. Кроме того, во время изготовления требовалось регулярно контролировать состояние элементов поясов лонжерона, что не представлялось возможным.

Крепёжные элементы из стали могли бы быть изготовлены при помощи сварки специалистом, который имел соответствующее разрешение на проведение сварочных работ на летательных аппаратах. В первую очередь следовало сделать крепёжные элементы как можно более простыми по исполнению. Постройка планера и приобретённый при этом опыт показали мне, что в этой области еще многое можно улучшить. Так, например, сборка и крепления рулей должны быть упрощены.

Рис. 9 Склеивание

При дальнейшем развитии я хотел установить плоские переходы от консолей крыла к фюзеляжу, в котором каждая из консолей крепилась бы отдельно. Это позволяло упростить сборку планера и обойтись без помощника.

Для того чтобы снизить количество приспособлений и облегчить расчеты я решил использовать прямое крыло с равномерно расположенными одинаковыми нервюрами. Передние части нервюр должны были иметь в целом обычную конструкцию с фермой из сосновых планок и авиационной фанеры. В каждой консоли одна из нервюр была бы сплошной и изготовленной из габоновой фанеры (Gabun-Sperrholz). Обычная нервюра весила 44 грамма, нервюра из габоновой фанеры весила 55 грамм.

Нервюра из авиационной фанеры была на 30% тяжелее, но в сравнении с обычной нервюрой затраты на ее изготовление были гораздо меньшими (отпадала необходимость в оснастке и выполнении проклейки). Вследствие этого я решил остановиться на нервюрах полностью изготовленных из авиационной фанеры. За одни выходные я изготовил 16 нервюр. На всех нервюрах имелись одинаковые вырезы, снижавшие их вес; кроме того, я сделал лонжерон крыла коробчатым. Все нервюры от корневых частей крыла и их законцовок были одинаковыми, и при сборке консолей нервюры следовало вставлять от законцовок к корневым частям. В корневых частях крыла размещались верхние и нижние деревянные пояса со сплошным поперечным сечением. Они разделялись скуловыми рейками коробчатого сечения, которые уменьшались к законцовками до 12×12 мм, что как раз подходило для склейки.

Передняя часть крыла работала как торсион и в задней своей части примыкала к лонжерону. Расположенные поперек направления полета клеевые соединения фанерной обшивки передней кромки крыла должны были быть смещены назад насколько это возможно.

В ведомстве, занимающимся регистрацией летательных аппаратов, было высказано сомнение в прочности конструкции, когда обшивка из авиационной фанеры располагалась на 4-8 мм выше, чем сам лонжерон. Однако в данном случае это было обосновано расчетами нагрузки кромки лонжерона, и фанера могла обеспечить прочность выше предъявляемых требований. При испытании на прочность, величина которой должна быть равна n =4,5, не осталось каких либо остаточных деформаций или повреждений.

Непосредственное соединение лонжерона и обшивки позволило бы лонжерону получить большую высоту, но при этом одновременно требовалось в увеличения размеров поясов в форме поперечного сечения лонжерона. Примененная конструкция коробчатого лонжерона крыла с прямоугольным поперечным сечением очень хорошо себя зарекомендовала. Такой лонжерон мог воспринимать значительные нагрузки; при скручивающих нагрузках крыло быстро восстанавливало своё положение и его прочность оказалась выше расчетной.

Для бесступенчатой наклейки полотняной обшивки предусматривались нервюры шириной 6 мм и промежуточные полосы из авиационной фанеры толщиной 15 мм.

Для предотвращения изменения профиля крыла у законцовок перед конечными нервюрами на расстоянии 250 мм нижняя и верхняя изогнутые поверхности крыла были обшиты планками. Эта внешняя обшивка должна была изготавливаться из авиационной фанеры толщиной 0,8 мм, в результате чего усадка клея должна обращать на себя самое серьезное внимание. Возможно тут пришлось бы использовать тонкую секцию из стеклопластика.

Для передачи нагрузок в корневых частях крыла между верхним и нижним поясами располагались поперечные рамы, установленные перед крепёжными элементами крыла и позади лонжерона в месте подвески фюзеляжа.

Элероны были обшиты авиационной фанерой толщиной 1 мм.

Тормозные щитки представляли собой систему Шмеппа-Хирта (Schempp-Hirth). Элероны и данные щитки приводились в действие при помощи ударных штанг.

Несущий элемент конструкции фюзеляжа представлял собой изготовленный из фанеры каркас прямоугольного поперечного сечения с расположенными по углам сосновыми поясами. При сборке фюзеляжа исходным элементом служило плоское днище из авиационной фанеры. Сплошное днище прерывалось только у носового шпангоута (для крепления буксировочного троса) и основного шпангоута в месте крепления подшипника колеса.

Рис. 10 Склеивание элементов конструкции из авиационной фанеры

Рис. 11 Каркас фюзеляжа из авиационной фанеры

Рис. 12 Планер Biene

К этому каркасу сверху и снизу крепились шпангоуты треугольной формы. Также снизу к каркасу крепился несущий элемент, на котором имелось место для полоза, устройства управления и колеса.

Хвостовое оперение имело лонжерон деревянной конструкции (пояса из сосны и перемычки из авиационной фанеры), нервюры из авиационной фанеры и фанерную обшивку. Стабилизатор был полностью обшит фанерой, а руль был обшит вне расположения трубы, работавшей на скручивание.

Рама обтекателя заголовника располагалась над несущим каркасом и соединялась с ним также, как и узлы крепления лонжеронов крыла в переднем и основном шпангоутах. Разъёмы перекрывались секциями из бальзы и стеклопластика.

Опыт, полученный при имевших место до сих полётах был удовлетворительным. В сравнении Ка8 на разворотах не выявлено каких-либо различий. Лётные характеристики должны быть определены при точных замерах.

На материалы, необходимые для изготовления планера, я потратил примерно 3500 DM, к этому следует добавить еще некоторый инструмент и приспособления. Трудности при работе по изготовлению планера оценить сложно, поскольку я мог заниматься Biene время от времени. Я думаю, что группа из 4-5 человек могла бы построить такой планер в течение года без особых затрат свободного времени.

Дальнейшее развитие планера имеет смысл только в том случае, если найдутся люди, заинтересованные в постройке копий этого планера. Что касается изменений конструкции, то возможны некоторые различия с расчетами: это было незначительное увеличение размаха крыла (до 15 метров), а также его относительное удлинение и профиль, которые при медленном полёте позволят превосходить характеристики Ка8.

Рис. 12а Учебный планер B5 Biene

Примечание редакции: редакция журнала охотно перешлет письма читателей автору статьи дальше. Итак, кто участвует?

Сравнение планеров различных типов: