Самолёты с контра-винтами доктора Рудольфа фон Вагнера

Данный материал, переведенный уважаемым коллегой NF и немного доработанный мной, выкладывается на сайт в продолжение темы проектов Рудольфа фон Вагнера.

Тот кто хоть не много соприкасался с техническими вопросами мореплавания в христианском мире, тот наверняка слышал что-либо о насадках на винты (контра-винтax). Для тех, кому это понятие незнакомо: они служат для формирования более компактной струи, создаваемой винтом корабля, и повышения КПД силовой установки за счет снижения потерь, вызванных завихрениями в струе. Винт противоположного вращения, названный позднее контра-винт, был изобретен в 1905 году доктором Рудольфом Вагнером. Он же в 1917 году предложил Инспекции ВВС свой проект бомбардировщика с паротурбинной силовой установкой мощностью 1000 л.с.

В 1918 году Рудольф Вагнер предложил применять на самолётах свой контра-винт в несколько изменённом виде. Известно ли было в тот момент доктору, что на ряде других предприятий возникли схожие идеи, и что они за несколько недель раньше потенциальных конкурентов оформили эту идею в виде патента, сегодня трудно сказать. Первой оформила данное предложение берлинская фирма Mercur Flugzeugbau GmbH (патент № 326210). Данный патент был плохо проработан и в том виде, в каком он был зарегистрирован, его вряд ли можно было бы с реальной пользой где-либо применить. В этом плане предложение Рудольфа Вагнера, занимавшегося данными проблемами в теории и на практике уже почти 15 лет, было значительно более ценным. В его заявке были рассмотрены вопросы установки углов лопастей контра-винта в зависимости от формы отбрасываемой винтом струи. Свою идею Рудольф Вагнер 8 марта 1918 года оформил в виде патента. Hа самолётах строившихся во время ПМВ эти идеи не применялись.

Рис. 1. Схематическое изображение предложенного Вагнером контра-винта в его первоначальной форме, предназначенной для использования на кораблях. Можно разглядеть на штевне поверхность, которая должна была отбрасывать поток воды

Первую попытку как то реально использовать на самолёте изобретённый им контра-винт Рудольф Вагнер предпринял в 1922 году. В журнале «Automobil- und Flugverkehr» он опубликовал материал, в котором представил свой немного отличный от традиционных взгляд на тему «Будущее воздухоплавания». В данной статье Рудольф Вагнер уделил значительное внимание не только пропагандируемым им паровым турбинам с высокими параметрами пара, но и в сочетании с ними контра-винт, который должен был быть толкающим винтом.

Рис. 2.Схематическое изображение эффективности контра-винта. Сверху винт создаёт мощные отбрасываемые им завихрения, что вызывает значительные потери энергии. В середине и внизу характер распространения водяной струи с контра-винтом расположенным перед и за винтом. В обоих случаях завихрения струи воды уменьшается установленным контра-винтом, что соответствующим образом увеличивает эффективность винта

Примерно в то же время Рудольф Вагнер предложил так называемый «винтокрыл» («Schraubenflugzeug»), который должен был стартовать и приземляться вертикально при помощи контра-винта больших размеров. Данный летательный аппарат напоминал собой нечто похожее на вертолёты с двухлопастным винтом и с вертикально вытянутым фюзеляжем. На данном фюзеляже, если смотреть в направлении сверху вниз, размещались кольцеобразный конденсатор, турбина с пароперегревателем, отсеки для экипажа и пассажиров и, в заключение, топливные баки.

Рис. 3.Первое предложение Рудольфa Вагнерa по применению контра-винта на самолётах датируется 1918-м годом. В данном случае, как это видно из чертежа, задняя часть направляющей лопатки имеет возможность поворачиваться или ей свойственно мягко изгибаться по отношение к передней неподвижно смонтированной части, благодаря чему потери, вызванные ударами и завихрениями потоков воздуха, должны исключаться или снижаться. Контра-винт (патент 341 426) должен был не только улучшать эффективность винта, но и одновременно служить для регулирования работы силовой установки и оборотов винта. При этом уже было предусмотрено даже автоматическое регулирование угла атаки лопастей винта в зависимости от высоты полёта!

Фюзеляж имел четыре крестообразных вертикально выполненных плоскости, являвшихся элементами винта противоположного вращения. В нижней части данных плоскостей размещались рули. По краям размещались обтекатели, создающие небольшое аэродинамическое сопротивление. К нижней части этих обтекателей и к расположенному по центру фюзеляжу крепилось приспособление в виде надутого резервуара, который предназначался для выполнения посадки на твёрдую поверхность и для приводнения. 

Рис. 4. Первая попытка доктора Рудольфa Вагнерa применить на практике предложенный в 1918 году контра-винт на летательном аппарате — так называемый «винтокрыл». Здесь схематичное изображение видов сверху и сбоку. Устройство представляло собой двухлопастной винт очень большого размера и расположенный ниже контра-винт четырьмя лопатками. Данный летательный аппарат должен был использоваться как вертолёт при постройке высотных зданий и в качестве летающего санатория

Столь своеобразно выглядевший подобный вертолёту летательный аппарат должен был служить в качестве средства транспортировки металлических балок при строительстве небоскрёбов, а также в качестве «летающего санатория». Это были лишь некоторые из возможных вариантов использования предложенных Рудольфом Вагнером данных летательных аппаратов. Кредиторы Вагнера были не особо впечатлены этими предложениями и возможностями таких летательных аппаратов. Возможно, винтокрыл в их глазах выглядел слишком подозрительным. В любом случае данный проект доктора Рудольфа Вагнера довольно скоро без лишнего шума был забыт и нигде более не появлялся.

Рис. 5. «Винтокрыл» доктора Рудольфa Вагнерa с силовой установкой мощностью в 1000 л.с. с контра-винтом перед стартом находится на поверхности воды. Проект был разработан в 1922 году!

Рис. 6. «Винтокрыл» с силовой установкой мощностью 1000 л.с. с контра-винтом во время подъёма вертикально вверх!

Тем не менее, сама идея контра-винта оказалась жизнеспособной, и снова и снова занимала Рудольфа Вагнера в течение последующих лет. Так в 1925 году возникли планы по применению на самолётах и дирижаблях контра-винтов. В данном случае предлагалось для привода контра-винтов применять длинные валы. Сам силовой агрегат должен был быть выполнен в виде отдельных элементов, которые были расположены под углом друг к другу и которые можно было бы легко демонтировать. Благодаря целенаправленному изменению формы контра-винта и его размещению Рудольф Вагнер хотел не только более эффективно использовать полученный эффект, но и получить дополнительную тягу от силовой установки. Это означало бы, что таким образом был бы компенсирован вес контра-винта и полученная дополнительная тяга полностью могла бы быть использована летательным аппаратом.

Эта идея систематически дорабатывалась и в 1926 году Рудольф Вагнер разработал два проекта маленьких пассажирских самолётов с толкающими винтами и килем, который должен был служить в качестве контра-винта.

Рис. 7. Вид сверху на самолёт с подвижными прикрепленными к фюзеляжу контра-винтами с четырьмя лопатками и воздушными винтами, расположенными на удлинённой оси. Патент Рудольфa Вагнерa (469 716)

Один их этих проектов представлял собой маленький высокоплан с колесным шасси, который своими формами напоминал разработанный в 1924 году Focke-Wulf A 16. Расположенный впереди двигатель через короткий вал должен был приводить во вращение толкающий винт. Доктор Вагнер считал, что такое расположение силовой установки даст определённое преимущество. Управление самолётом предполагалось осуществлять при помощи потока воздуха отбрасываемого винтом двигателя. Предполагалось, что это позволило бы значительно улучшить управляемость в сравнении с самолётами обычной конструкции.

Рис. 8. Проект маленького одномоторного пассажирского самолёта с расположенным впереди двигателем, который приводит в движение толкающи винт с контра-винтом. Контра-винт служит в качестве системы управления. Наверху приведен эскиз Мартина Швемера (Martin Schwemer), ниже вид сбоку выполненный в виде схемы. На эскизе для лучшего распознавания конструкции две боковые поверхности системы управления отсутствуют

Второй проект был выполнен в двух вариантах: с поплавками и с обычным колёсным шасси. Он предназначался для применения в качестве пассажирского самолёта и для использования в военных целях. Самолет был выполнен как среднеплан с очень широким и коротким фюзеляжем и с профилем крыла, обеспечивающим подъёмную силу (?). Несущие плоскости и элементы системы управления с контра-винтом были аналогичны вышеописанному меньшему варианту. Шасси у данного варианта имело обтекатели, получившие к тому времени название «штаны».

В немецкой литературе этот самолёт, как правило, был представлен в виде пассажирского, в то время как в американской этот же самолёт с не значительными изменениями считали бомбардировщиком с мощным оборонительным пулеметным вооружением.

Рис. 9. Этот проект Вагнера имеет довольно своеобразный, очень широкий фюзеляж ä la Burnelli (Такая форма фюзеляжа должна была служить в качестве дополнительной несущей поверхности). Проект самолёта предполагалось применять как гражданский самолёт (вверху), так и в военных целях с мощным оборонительным вооружением состоящим из пулемётных огневых точек

Рис. 10. Вариант гидросамолёта созданного в 1926-м году на основе проекта изображенного на рис. 9. Фюзеляж в данном случае уже, иная система управления и вместо шасси установлены поплавки

Во всех ранних проектах самолётов Вагнера имело место использование коротких рычагов в системе управления самолётом и необычайно маленьких по площади поверхностей хвостового оперенная – особенности, которые проявились еще в проектах, разработанных во время Первой Мировой войны.

Вполне естественно, что Вагнер был заинтересован в том, чтобы его контра-винты использовались и на самолётах других фирм, и он получал бы за это соответствующие отчисления. Он подготовил для других компаний и прототипов соответствующие предложения по реконструкции их самолётов. Из всех сделанных им подобных предложений применение нашло только лишь изменение моторной гондолы с толкающим винтом на Dornier WAL.

Рис. 12. У этого двухмоторного самолёта конструкция контра-винта в сравнении с тем, что было изображено на рис.7, значительно улучшено. Вместо соединенного шарнирно с корпусом элемента конструкции на задней кромке крыла установлены элементы, которые работают как контра-винт

Рис. 13. У данного варианта самолёта, изображенного на рис. 12, контра-винт выполнен подвижным на крыле. Его могут дополнять вертикально расположенными стабилизаторами (Leitflächen) (патент 489 796)

Большое количество самых различных заявок на патенты и проектирование всё новых вариантов предложения Вагнера говорит о том, что он как и ранее в своём проекте самолёта с паротурбинной силовой установкой с высокими параметрами пара, своё изобретение постоянно дорабатывал с целью довести его до состояния, позволяющего применять его на самолётах. 16 июня 1928 года он зарегистрировал патент, в котором предложил сразу две версии «Стабилизатора пропеллера для летательных аппаратов приводимых в движение винтами, в частности, для самолётов». В одном из данных вариантов задняя кромка крыла была изменена таким образом, чтобы её можно было бы использовать для управления самолётом в качестве стабилизатора. Во втором варианте эта задняя кромка крыла была частично подвижна посредством применения шарнирных соединений.

Рис. 14. По мнению Вагнера дирижаблям контра-винт так же должен был предоставить определённые преимущества. На чертежах выполненных Швемером (Schwemer) имеется гондола со смонтированным перед ней в целях снижения аэродинамического сопротивления контра-винтом. На разрезе виден установленный за гондолой контра-винт

Насколько хороши были идеи Вагнера?

В 1926 года в США с целью дать ответ на этот вопрос были проведены соответствующие опыты. ВМФ США предоставил для их проведения летающую лодку-биплан Curtiss HS-2L с двигателем Liberty мощностью в 360 л.с. и высоконагруженным толкающим воздушным винтом. Контра-винт Y-образной формы с низко расположенными лопатками был смонтирован на верхней части фюзеляжа. Две другие лопатки были прикреплены к верхнему крылу. Сравнительно большой угол наклона лопаток позволял Вагнеру надеяться на получение ощутимого прироста тяги. Но результаты полученные в ходе данного опыта были обескураживающими! 

Рис. 15. В целях испытаний предложенного доктором Вагнером контра-винта была переоборудована соответствующим образом американская летающая лодка Curtiss HS-2L с двигателeм Liberty мощностью 360 л.с. Эта летающая лодка с бортовыми опознавательными знаками A-4238 была предоставлена для испытаний от ВМФ США. На нижнем изображении можно обратить внимание на заметное обтекание воздушным потоком элементов конструкции

Контра-винт в сравнении с пропеллером без контра-винта давал определённое преимущество только на небольших оборотах. При высоких оборотах силовая установка, имевшая обычный винт, развивала тягу в 515 кг против 420 кг у силовой установки с контра-винтом. В результате тщательного изучения результатов испытаний была обнаружена причина такой разницы: за тремя лопатками возникали довольно мощные завихрения. Дальнейшие испытания были отложены на неопределённый срок. По крайней мере, автору этих строк о дальнейших подобных испытаниях ничего не известно.

Идея Вагнера, несмотря на негативные результаты, полученные при испытаниях в США, показала, что в принципе эта идея могла бы быть реализована на практике. И это признавали многие. Имеются сведения о проведении аналогичных исследований в ряде других стран. Автору известно, что в ранее принадлежавшей RLM библиотеке имеется эскиз одного русского высокоплана, на котором тоже пытались использовать контра-винт. Чертежи были изготовлены примерно в середине 1930-х годов. Тип самолёта, на котором предполагалось использовать идею контра-винта и название русского издания, откуда были скопированы эти чертежи к сожалению неизвестны.

В конце 1930-х годов немецкий профессор Беетц (Beetz) сделал предложение по использованию стационарного контра-винта с шестью лопатками. В соединении с винтом с двенадцатью лопастями это, по замыслу автора предложения, должно было обеспечить высокую скороподъёмность. Так же профессор Бок (Bock) в 1940-м году выдвинул идею по применению контра-винта совместно с винтом с восемью лопастями как вполне реальную альтернативу к соосным винтам с противоположными направлениями вращения.

Рис. 16. Предложение, сделанное профессором Беетцем из Дюссельдорфа. «Общество Лилиенталя» (Lilienthalgesellschaft) по применению контра-винта на скоростных самолётах. Контра-винт с шестью лопатками в соединении с воздушным винтом с двенадцатью лопастями должен был обеспечивать очень высокую скороподъёмность. Для состояния авиационных двигателей и понижающих редукторов того времени предложение должно быть очень актуальным

Насколько известно ни одно из подобных предложений не было реализовано не на практике, ни даже в виде исследований. Наоборот всё чаще стали применяться силовые установки, у которых в случае необходимости использовались соосные воздушные винты. С точки зрения механики это было проще и имело ряд преимуществ, к тому же пилот самолёта с контра-винтами имел худший обзор за счет наличия их лопаток. Поток воздуха, создаваемого соосными винтами противоположного вращения, был довольно эффективен и на винты можно было передавать значительно большую мощность. Независимо от мощности передаваемой на винт у одномоторных самолётов с соостными винтами отсутствовал создающий столь значительные проблемы крутящий момент. По всей видимости, этих и прочих преимуществ было вполне достаточно, чтобы совершенно исключить применение контра-винтов на самолётах.

Рис. 17. На практике в то время распространение получили не контра-винты «ä la Dr. Wagner», а соосные воздушные винты, в данном случае с двумя трехлопастными винтами, на которые можно было передавать более высокую мощность и эффективность которых была значительно выше

Практического применения работ по контра-винтам, которые доктор Вагнер вёл в течении столь продолжительного периода — за исключением испытаний с летающей лодкой Curtiss — нигде не было. И попытка использования контра-винта в области кораблестроения никого серьёзно не заинтересовала. Такова оказалась судьба этого изобретения доктора Вагнера!

Источники:

1) Wagner, Dipl.-Ing. Dr. phil. Rudolf, Hamburg, „Die Zukunft der Luftfahrt", Automobil-und Flugverkehr, 1922, Nr. 4, S. 121-123.

2) Wagner, Ing. Dr. Rudolf, Hamburg, „Gesundung und Lebensverlängerung auf technischem Wege — ein neues Gebiet der Luftfahrt", Jahrbuch der Technik — Technik und Industrie, 12. Jahrg. 1925/26, Dieck & Co. (Franckh's Techn. Verlag, Stuttgart, S. 123-126.

3) Secor, H. Winfield, E. E. „Helicopter helps build skyscrapers", Science & Invention, November 1925, S. 606.

4) Demuth, Dr. Armin „Steam driven airplane" Science & Invention, Januar 1924, S. 864.

5) Wagner, Dr. Rudolf, Hamburg „IX. Rückblick und Ausblick auf die Entwicklung des Contrapropellers", Jahrbuch der Schiffbautechnischen Gesellschaft, 30. Band, 1929, Verlag von Julius Springer, S. 220-222, sowie S. 242-247 (Kapitel V, „Die Verwendung des Contrapropellers in der Luftfahrt").

6) Harms, Dipl.-Ing. Hans „Der Gegenpropeller", Jahrbuch der Technik — Technik und Industrie, 12. Jahrgang, 1925/26, Dieck & Co. (Franckh's Techn. Verlag, Stuttgart, S.111.

7) Briefwechsel mit Dir.

8) Bock, Prof. G. „Die gegenläufige Luftschraube und ihre Bedeutung für den Schnellflug"; Vortrag gehalten in der 4. Wissenschaftssitzung der ordentlichen Mitglieder (der Deutschen Akademie der Luftfahrtforschung) am 21. Juni 1940. Schriften der Deutschen Akademie der Luftfahrtforschung, Heft 45.

9) Patentschriften, Anmelder Dr. Rudolf Wagner, Hamburg
DRP 341 426 8. 3.1918 Gegenpropeller mit beweglichen Schaufeln 326 210 31.1.1918 Mercur Flugzeugbau GmbH in Berlin
Einrichtung zur Verbeserung des Wirkungsgrades von Luftschrauben mittels Leitschaufeln

483 028 2. 6.1922 Schraubenflugzeug
USA 1.692.397 Helicopter (im wesentlichen identisch mit 483 028)

DRP 467 716 15. 3. 1925 Gegenpropelleranordnung bei mit Luftschrauben betriebenen Fahrzeugen
482 609 11.4. 1926 Gegenpropeller für mit Luftpropellern betriebene Fahrzeuge, insbesondere Luftfahrzeuge
USA 1.609.978 Counter propeller for air propeller driven aircraft (analog 482 609)

DRP 489 796 16. 6. 1928 Propellerleitfläche für mit Luftpropellern betriebene Fahrzeuge, insbesondere Flugzeuge
469 716 15. 3. 1925 Gegenpropelleranordnung bei mit Luftschrauben betriebenen Fahrzeugen.

источник: "Flugzeuge mit Gegenpropeller", LUFTFAHRT international  26