Работы Дэвида Р. Дэвиса и проект истребителя Davis Manta. США

Работы Дэвида Р. Дэвиса и проект истребителя Davis Manta. США

Данный материал был переведен уважаемым коллегой NF. Перевод был выполнен в январе 2016 года.

В 1934 году американец Дэвид Р. Дэвис (David R. Davis) разработал новый вариант расчета профилей крыльев самолетов и оформил его в качестве патента. Как показали дальнейшие события эта методика расчетов сыграла большую роль в авиастроении США. Основным в патенте Дэвиса была формула, или, что было бы правильнее, относительно длинная, подобно червяку формула. В то время, когда расчет несущих профилей еще в той или иной степени находилось во младенческом состоянии, новый метод расчета стал сенсацией.

Тем не менее, в конструкторских бюро американских авиастроительных компаний данное предложение восприняли без восторга. До сих пор использовавшийся при подборе профилей метод использовал материалы работ NACA и гораздо быстрее приводил к нужному результату, чем новая формула. Вследствие этого и из-за сложности расчетов формула Дэвиса просто не использовалась многими специалистами, оставаясь для них полностью непонятной.

Если Дэвис надеялся, что промышленники будут вырывать эту формулу у него из рук, то он жестоко просчитался. Ничего подобного не произошло: Дэвису в течение нескольких лет пришлось бороться для того, чтобы хотя бы одна из компаний решила использовать предложенный им метод расчета несущих поверхностей и затем испытать самолет с таким крылом как в аэродинамической трубе, так и в пилотируемом полете.

В конечном итоге компания Consolidated Aircraft Corporation заказала в калифорнийском технологическом институте проведение испытаний модели, крыло которой было рассчитано при помощи упомянутой выше формулы. Модель, которую предполагалось испытать, должна была иметь крыло, которое в дальнейшем предполагалось использовать для новой летающей лодки Model 31. Изобретателю расчетов был предложен очень низкий лицензионный сбор, который составлял всего 0,5 % от стоимости продаваемых Consolidated Aircraft Corporation (Consolidated) самолетов. В данном случае при цене одной летающей лодки Model 31 в $225000, Дэвис должен был получить всего $1125 за каждую из проданных летающих лодок.

Для компании Consolidated новые профили крыла представляли собой большой интерес, поскольку летающая лодка Model 31 по своим летным характеристикам должна была превосходить все до тех пор примененные летающие лодки с большой дальностью полета. По утверждениям Дэвиса рассчитанный по его методу профиль крыла должен был превосходить примерно на 20% все до сих пор использованные аэродинамические профили. И каково же было удивление, когда результаты испытаний в аэродинамической трубе полностью подтвердили слова и расчеты Дэвиса! Из-за сомнений в нормальном функционировании измерительного оборудования аэродинамической трубы, оно было снято, проверено и затем вновь установлено для проведения повторных замеров. Результаты вторых испытаний были такими же, как и первых: новый профиль крыла действительно был гораздо лучше. В отчете, направленном после проведения испытаний институтом руководству компании Consolidated, было отмечено следующее: заметно лучшие показатели профиля рассчитанного по предложенной Дэвисом формуле предположительно получены за счет особенного изменения условий обтекания пограничным слоем поверхности крыла которому пока нет приемлемого объяснения.

Рис. 1 В соответствии с приведенными в патенте формулами (патент зарегистрирован в США под №1.942.688) были произведены расчеты нижней и верхней поверхностей крыла. Результаты расчетов показали превосходство профилей крыла Дэвиса над применяющимися аэродинамическими профилями

На основании проведенных исследований руководство компании Consolidated сделалj решающий шаг: летающая лодка Model 31 была построена с крылом, рассчитанным по методике Дэвиса. Это дало положительный результат уже через несколько месяцев. Новая летающая лодка взлетала с воды после прохождения крайне короткого расстояния, причем длина разбега соответствовала лучшим на тот момент самолетам наземного базирования. Летчик-испытатель Уильям «Билли» Уитли (William «Bill» Wheatley) после состоявшегося 5 мая 1939 года своего первого полета летающей лодке Model 31 года выбрался из неё и с энтузиазмом дал короткий комментарий:

«Летает как истребитель!»

Рис. 2 Впервые методика расчета аэродинамических профилей крыла Дэвиса была использована на разработанной компанией Consolidated летающей лодке с большой дальностью полета Modell 31. Благодаря новому профилю крыла летающая лодка Hush-Hush превосходила все летающие лодки того времени. Однако несмотря на это был построен только один прототип (NX 21731)

Если вспомнить, что летающие лодки в то время обычно летали со скоростями в районе 175 миль/ч (275 км/ч), то Model 31 со своей скоростью в 480 км/ч была очень резвым скакуном. С дальностью полета примерно в 10000 миль (16090 км) данная летающая лодка вполне подходила для использования в качестве дальнего разведчика и бомбардировщика. Взлетный вес с экипажем из пяти человек, двумя звездообразными восемнадцатицилиндровыми двухрядными радиальными двигателями воздушного охлаждения Wright «Duplex Cyclone», развивавшими на взлете 2000 л.с., составлял примерно 22700 кг, размах крыла был примерно 33,5 метра и длина – 22,5 метра.

Летающая лодка Model 31 подверглась большому объему летных испытаний, в ходе которых она полностью должна подтвердить все прогнозы в отношении летных качеств. Несмотря на то, что летающая лодка Model 31 не была запущена в серийное производство и осталась в единственном экземпляре, изобретатель методики расчета аэродинамических профилей крыла разбогател. Несмотря на то, что Дэвид Р. Дэвис по условиям договора получал только 0,5% отчислений от стоимости проданных самолетов, на которых было установлено разработанное в соответствии с его методикой крыло, из-за выдающихся характеристик данных крыльев они использовалтсь на американских тяжелых четырехмоторных бомбардировщиках Consolidated B-24 Liberator. Самолетов данного типа было изготовлено примерно 18 000 экземпляров – это был самый массовый тяжелый бомбардировщик США времен Второй Мировой войны.

Рис. 3 Строившийся компанией Consolidated-Vultee в больших количествах четырехмоторный тяжелый бомбардировщик B-24 Liberator так же получил крыло Дэвиса

На практике было подтверждено, что разработанное по методике Дэвиса крыло имело сопротивление на 25% меньше, чем у сравнимых с ним крыльев обычного типа, и что на больших скоростях это сопротивление оставалось ниже на 10 % чем у обычных крыльев. Обратное аэродинамическое качество разработанного по методике Дэвиса крыла было равно 1:20 вместо обычного в то время 1:13. Благодаря разработке Дэвиса можно было использовать меньшее по размерам крыло с достаточно высоким коэффициентом подъемной силы и низким сопротивлением, что в целом позволило бы получить аэродинамическое сопротивление, которое составляло бы только 75% от аэродинамического сопротивления обычного крыла.

Профиль крыла, разработанный по методике Дэвиса и имевший ряд значительных преимуществ, внешне выглядел достаточно безобидно и при беглом осмотре его легко можно было спутать с часто использовавшимся в то время несколько более толстым профилем Clark Y. Но что касается свойств профилей, как и в других случаях известны небольшие различия. От профиля Clark Y профиль Дэвиса внешне отличается несколько меньшей толщиной и S-образным изгибом на нижней стороне за задним лонжероном.

Вследствие меньшей толщины и его большого удлинения крыла, разработанного по методике Дэвиса, в его конструкции было необходимо использовать несколько лонжеронов. В случае с тяжелым бомбардировщиком B-24 крыло Дэвиса позволяло получить необычайно большую дальность полета. Как уже упоминалось выше, бомбардировщики Liberator производили во внушающем уважение количестве, и изобретатель методики расчета его крыла, получая отчисления за каждый построенный самолет, очень хорошо заработал на этом.

Ставший обладателем солидного банковского счета Дэвид Р. Дэвис не собирался почивать на лаврах. В то время когда летающая лодка Modell 31 была готова, в голову ему пришла другая еще лучшая идея: крыло новой формы вместе с разработанным им профилем позволило бы получить боевому самолету необычайно высокие летные характеристики. Крыло должно было иметь треугольную форму со стреловидной передней кромкой. У внешних секций крыла передняя кромка в районе расположения элеронов стреловидность должна быть несколько меньшей, чем на внутренних секциях, а задняя кромка крыла должна быть сдвинута немного вперед. Внешне такое крыло по форме напоминало гигантскую манту с ее элегантными плавниками, которая благодаря своим движениям как бы летела в воде. Вследствие столь своеобразной формы крыла центр тяжести и точка приложения сил автоматически совпадали и благодаря этому без осложнений можно было получить необходимую продольную устойчивость. Изменение стреловидности передней кромки крыла в районе расположения элеронов обеспечивало устойчивое обтекание воздушного потока и отсутствие срыва потока в большем диапазоне углов атаки. Такая форма крыла делала возможным размещение в нем различных грузов. Помимо этого большим преимуществом крыла была его большая прочность (большая высота лонжеронов, а также простота и легкость конструкции). Если Дэвис смог соединить вместе все эти положительные качества своего крыла, то его использование могло привести к созданию самолета с выдающимися летными характеристиками.

Для этой целив Лос-Анджелесе была основана компания Manta Aircraft Corporation, в которой Дэвид Р. Дэвис получил должность вице-президента, а Уильям Уотерхауз (William Waterhouse) стал руководителем проекта. Уотерхауз был старым опытным специалистом, который принимал участие в разработке истребителя сопровождения Lockheed P-38 Lightning и самолета Чарльза Линдберга Ryan NYP Spirit of St. Louis.

Рис. 4 Форма крыла самолета Manta с уменьшающейся к законцовкам стреловидностью передней кромки крыла и с вытянутой вперед задней кромкой. Ранняя версия ставшего известным крыла серповидной формы

Многообещающий проект, в котором должны были сочетаться дальний бомбардировщик и истребитель-перехватчик, должен был получить двигатели фирмы Allison мощностью всего в 1150 л.с. того же варианта, что и у истребителя Bell P-39 Airacobra. Сравнительно небольшой истребитель с данным двигателем сумел развить максимальную скорость около 600 км/ч. Дэвис считал, что от проектируемого им самолета можно было бы ожидать значительно более высокие летные характеристики (см. таблицу в конце статьи). Помимо высоких летных характеристик заманчиво выглядела и посадочная скорость, которая должна была составить всего 96 км/ч, что было примерно на 60 км/ч ниже, чем у других сопоставимых с ним самолетов! Расчетные показатели Дэвиса были необычайно интересными, поскольку по данным англичан при посадочной скорости британских самолетов-истребителей равной в то время примерно 160 км/ч во время посадок были понесены большие потери, чем в боях!

Рис. 5 Самолет с крылом Manta. На данных схемах двухбалочный самолет оснащен тянущим воздушным винтом, имеет рудиментарный фюзеляж, однокилевое хвостовое оперение; крыло самолет оснащено элеронами. Две точки на осевой линии самолета показывают переднее и заднее расположение центра тяжести данного самолета

Рис. 6 В июне 1942 года в одном материале на тему «Самолеты будущего» (Planes of the Future) компанией General Tire & Rubber Co, Акрон, штат Огайо, демонстрировался проект двухбалочного самолета с двухкилевым оперением и толкающим винтом, крыло которого было похоже на крыло Manta (Aeronautical Engineering Review, июнь 1942 года, Vol. 1, No. 3, p. 22).

Для проведения испытаний в аэродинамической трубе была построена модель самолета с размахом крыла примерно 1,8 метра. Тестирование растянулось более чем на два года и завершились только потому, что эта модель исчезла. Другими словами, потому что эта модель быка выкрадена членами, так называемой «пятой колонны», – шпионами и организаторами саботажа, принадлежащими к агентурной сети стран Оси.

Рис. 7 Виды спереди и сверху модели самолета для испытаний в аэродинамической трубе. Данная модель, якобы, была украдена агентами стран Оси – так называемой «пятой колонной»

Один макет модели супер-самолета Дэвиса в натуральную величину был построен и его много фотографировали. Первый полет по сообщениям прессы, конечно же, мог быть выполнен летом или осенью 1942 года, но об этом пресса не сообщала. Как далеко продвинулись работы по данному проекту, остается неизвестным, но кое-что свидетельствует о том, что к постройке прототипа даже не приступали.

Рис. 8 Полномасштабная модель самолета Manta много раз была сфотографирована, что позволило получить представление о внушительных размерах этого проекта

Одной из причин отказа от строительства могло быть то, что результаты испытаний в аэродинамической трубе, несмотря на оптимистичные утверждения Дэвиса о высоких летных характеристиках, не подтвердились. Возможно, дополнительные расчеты проекта показали, что Manta и с особенно хорошим крылом была не намного лучше, чем прочие самолеты-истребители с такими же силовыми установками, на пример Bell P-39.

Рис. 9 Схемы самолета Manta. На изображении правого борта можно увидеть, что двигатель устанавливался примерно там же, где и располагался центр тяжести самолета

В то время как расчетные данные, касавшиеся технических характеристик, на основании поступивших от Дэвиса материалов в большинстве публикаций, как правило, были противоречивыми. Это не касалось публично опубликованных чертежей и фотографий, поскольку касалось размеров (длины и т.п.), положения стоек шасси (ширины колеи) и типа колеса передней стойки шасси (одиночное или спаренное). Точно это детали так и не были установлены.

ЛЕТНО-ТЕХНИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ

Тип: Davis Manta

Назначение: истребитель-перехватчик/дальний болбардировщик

Компания-производитель: Manta Aircraft Corporation Лос-Анджелес, штат Калифорния, США

Год изготовления: 1942 г.

Источники:

1) Pratt & Whitney «Spirit of ’25‘‘ 34. Kapitel einer luftfahrthistorischen Reihe, hier «The crate the B-17 came in»
2) Brown, Robert Lloyd «The Davis Airfoil», Air Trails, Datum (1942?) und Ausgabe nicht bekannt, S. 18,19, 44, 45
3) «Manta Fighter has contra-rotating props», Populär Science, Juni 1942, S. 62/64
4) «The Manta Fighter», Mechanix lllustrated, Januar 1943, S. 124
5) «Future Fighter?», Air Trails, September 1941, Vol. XVI, Nr. 6, S. 58
6) «Hush-hush boat — Twin engined Consolidated combines high speed and long ränge», Aviation, Juni 1939, S. 38
7) Mc Larren, Robert «The greatest bomber in the worid» Model Airplanes News, September 1940, S. 23
8) «Davis Manta Fighter», Flying Models, Oktober 1956, S. 28
9) US-Patentschrift 1.942.688 «Fluid Foil», Davis
10) US-Patentschrift 2.298.040 «Fluid Fiol», D. R. Davis, angemeldet am 21. August 1939
11) Anzeige der General Tire & Rubber Co, Akron, «Planes of the Future», Aeronautical Engineering Review, Juni 1942, Vol. 1, Nr. 3, S. 22

Источники под № 3 и 4 были любезно предоставлены Майклом Розеном (Michael Rosen), Сан-Франциско

Чертежи выполнены дипломированным инженером Х. Й. Линдштядтом (H. J. Lindstädt)

источник: «Davis «Manta Fighter»» «LUFTFAHRT international» 25