Сэр Хайрем Максим как один из предшественников братьев Райт

Хочу выразить большую благодарность уважаемому коллеге redstar72 за большую помощь в редактировании данной статьи.

В рамках подготовки к столетию* совершённого братьями Райт первого управляемого полета (17 декабря 1903 года) имеет смысл рассказать ещё об одном из их великих предшественников. На этот раз речь пойдет об инженере-изобретателе и промышленнике сэре Хайреме Стивенсе Максиме (1840 – 1916), который подошел к проблеме динамического полета и к конструкции самолёта с точки зрения классической механики. В известном смысле ему удалось доказать правомерность такого подхода, несмотря на то что его самолёт никогда по-настоящему не летал. Он сумел показать, что в авиации даже паровая машина может служить в качестве силовой установки приемлемого веса и мощности, и созданный им двигатель являлся одним из наиболее совершенных в своём роде.

Хайрем Стивенс Максим был типичным американцем, добившимся успеха своими собственными силами – так называемый Self-made man. Он родился 5 февраля 1840 года в штате Мэн и после пяти классов школы стал сам зарабатывать себе на жизнь. Он побывал в ряде городов восточного побережья США и Канады, сменил несколько профессий (разнорабочий, плотник, маляр) и усиленно изучал литературу по естествознанию и машиностроению. Наконец в двадцать четыре года он начал обучение в слесарной мастерской своего дяди в Фитчбурге (Fitchburg), штат Массачусетс, в которой он освоил работу на металлообрабатывающих станках, литейное и кузнечное дело, а также техническое черчение и конструирование.

В начале 1870-х годов Максим уже был главным инженером крупного электротехнического завода в Нью-Йорке. Работая в конце 1870-х над переделкой винтовки Винчестера в самозарядную, он пришел к конструкции пулемёта. Свое изобретение Хайрем Максим предложил военному и военно-морскому ведомствам, но вашингтонские клерки отклонили его, сочтя

«непригодным для практического применения».

В 1881 году во время деловой поездки в Лондон он предложил пулемет британскому военному ведомству и был встречен с большим пониманием. Максим переехал в Великобританию, где продолжил работы над доводкой пулемета. Увеличение темпа стрельбы до 600 выстрелов в минуту принесло ему богатство и дворянский титул. Следует сказать, что во время Первой Мировой войны пулеметы конструкции Максима стояли на вооружении британской, немецкой и русской армий. К данному семейству следует отнести и авиационные пулеметы Vickers и Spandau: система Максима оказалась пригодной к синхронизации с оборотами винта и применялась по обе стороны фронта. Приведенные ниже фотографии показывают истребители Sopwith Camel и Fokker D.VII с установленными на них синхронизированными пулеметами.

синхронные авиационные пулеметы Spandau (система Максима) на истребителе Fokker D.VII

синхронные авиационные пулеметы Vickers (система Максима) на истребителе Sopwith Camel

На рубеже 1880-90-х годов пятидесятилетний сэр Хайрем начал серьезно заниматься авиацией. Как опытный практик он знал, что существующие технические, технологические и теоретические знания в этой области практически равны нулю. Следовательно, путь к созданию конструкции самолёта был начат с очень серьезных инженерных изысканий. Хайрем Максим построил массивный (радиусом 9 метров) круг с приводом от паровой машины мощностью около 7,5 кВт. Целью было определение характеристик крыльев и винтов. Винты Максима должны были иметь поверхность прямого геликоида (винтовая поверхность, образованная движением прямой, вращающейся вокруг перпендикулярной к ней оси и одновременно движущейся поступательно в направлении этой оси). Конструктивно это было реализовано следующим образом: лопасть винта представляла собой раму с двумя прямыми балками, образующими переднюю и заднюю кромки, на которую натягивалась непроницаемая обшивка. Максим изучил зависимость тяги винта от числа оборотов и поступательной скорости и эмпирически установил,  что если величина шага винта не превосходит его диаметр в три раза и более, то воздух проходит через диск винта более-менее в осевом направлении. Наибольшую эффективность винты показывали при шаге, примерно равном диаметру. Результаты исследования винтов были опубликованы в [1], [3] и [4]. 

Другие исследования были связаны с проектированием аэродинамически функциональных поверхностей. Максим выявил аэродинамическую неэффективность крыльев с односторонней обшивкой и пришел к выводу о необходимости делать обшивку двусторонней. Предлагалось выполнить нижнюю поверхность крыла частично проницаемой. Этим создавалась небольшая выпуклость, и профиль крыла сглаживался.   

В 1892 году Хайрем Максим начал проектировать самолёт с силовой установкой. Все существовавшие тогда двигатели имели удельный вес в десятки килограммов на лошадиную силу, и наиболее перспективными были двигатели внутреннего сгорания Отто, однако они были ещё недостаточно надёжными. В конце концов Максим остановил свой выбор на проверенном паровом двигателе. Удельный вес паросилового оборудования (парогенераторы, двигатель, конденсаторы, оборудование для заправки воды и вспомогательное оборудование) тогда варьировался в пределах от 12 до 20 кг/л.с., однако Максиму было известно, что с увеличением мощности этот коэффициент уменьшается. Поэтому самолёт им был задуман мощным и большим. 

Следующим был вопрос материалов для планера. Сначала Максим планировал использовать алюминий, но поскольку детали из него можно было соединять лишь клёпкой, что существенно увеличивало вес конструкции, был вынужден отказаться от этого материала. Вместо алюминия он решил применить тонкостенные (минимальная толщина стенок составляла 1 мм) стальные трубы диаметром от 6 до 76 мм, которые должны были соединяться посредством твёрдой пайки. Что касается конструктивной схемы, то Максим решил создавать полиплан с двумя двигателями, вращавшими толкающие винты в противоположных направлениях.  

Сначала была изготовлена паровая силовая установка, и следует сказать, что у Максима получился настоящий технический шедевр. Основой силовой установки был общий водотрубный паровой котел с давлением до 2,2 МПа. В качестве топлива использовался бензин, из которого в отдельном генераторе создавалась специальная смесь, сгоравшая в 7650 горелках. Вода выпаривалась в 700 медных трубках (внутренний диаметр 19 мм, толщина стенок 0,5 мм, длина 1,4…2,4 м), соединенных с барабаном диаметром 250 мм.

Изолированный асбестом корпус в виде треугольной призмы (длина 2,4 м, высота 1,8 м, ширина 1,5 м) был образован подогревательными трубками (см. рисунок). 

парогенератор конструкции Максима

Каждый из двух двигателей был компаундом с двумя цилиндрами двойного действия. Диаметр цилиндров высокого давления составлял 125 мм, цилиндров низкого давления – 200 мм, общий ход был 305 мм. Выходная мощность одного двигателя при давлении 2,2 МПа и 400 об/мин составляла 132,4 кВт (180 л.с.). Пластина поверхностного конденсатора состояла из 500 медных труб эллиптического сечения и находилась в потоке воздушного винта. Общий вес паросиловой установки с 90 кг воды, но без топлива составлял 924 кг, что соответствует удельному весу всего 3,6 кг/л.с.** (Двигатель внутреннего сгорания самолёта братьев Райт весил 77,3 кг при мощности 12 л.с.; т.е. удельный вес составлял 6,44 кг/л.с.) На представленном снимке сэр Хайрем демонстрирует свою физическую форму и малый вес его парового двигателя. Двухлопастный винт диаметром 5,4 м и шагом 4,9 м был того же типа, что испытывался ранее на круге. Двигатели вращали винты с помощью цепных приводов, передаточное число которых было равно 1. Максимальная измеренная тяга винта составляла 9,5 кН. 

сэр Хайрем и его 180-сильный паровой двигатель

После разработки силовой установки Хайрем Максим занялся конструкцией своего огромного самолёта. В профессиональной литературе чаще всего воспроизводится гравюра (см. рисунок ниже), которая, по всей видимости, изображает первоначальный проект. Фактически построенная машина ближе к реконструкции, выполненной в трех проекциях. Данные о размерах самолёта противоречивы, наиболее достоверным представляется значение размаха крыльев – 31,5 м; чертёж в трёх проекциях был получен в результате геометрической обработки фотографий (см. [14]).  

полный проект многокрылого самолёта Максима

выполненный в трех проекциях приблизительный эскиз большого самолёта конструкции Максима (левая сторона вида спереди в первоначальной конфигурации проекта)

Большой многокрылый самолёт, естественно, не походил на столь популярные тогда формы птицы или летучей мыши. Как говорил сам Хайрем Максим,

«успешный локомотив не имел в своей основе имитацию слона».

По-видимому, машина была задумана в качестве мобильного испытательного оборудования для решения энергетических проблем полёта и взлёта. Все остальные проблемы, в том числе связанные с управляемостью и устойчивостью, должны были быть решены уже в следующей конструкции. Вероятно, сначала отдельно была испытана силовая установка. Она была установлена на тележке, снабженной четырьмя массивными чугунными подпружиненными железнодорожными колесами. Тележка должна была проехать по железнодорожным путям,  специально построенным для этой цели в парке усадьбы Болдуин-Парк (Baldwyns Park). Длина путей составляла 600 м, колея – 2,4 м. На плите тележки был размещен парогенератор и оба паровых двигателя; валы винтов располагались на высоте трех метров от пола тележки на стальной трубчатой конструкции, которая также служила в качестве системы подвески различных конфигураций несущих и стабилизирующих поверхностей. Отметим, что в проекте Максима для управления по вертикали предполагалось использовать носовые и хвостовые управляемые поверхности, а для управления по курсу – изменение скорости вращения винтов.

Однако в доступных источниках пишется о рулежечных испытаниях, во время которых к опорной конструкции была прикреплена массивная восьмиугольная несущая поверхность, над ней первоначально имелась ещё одна дополнительная поверхность прямоугольной формы (впоследствии её сняли, и на более поздних фотографиях она уже отсутствует), а на идущих вперед и назад на расстоянии 5,4 м друг от друга балках устанавливались горизонтальные стабилизаторы и рулевые поверхности. Чтобы подъемная сила не смогла оторвать тележку от колеи, была изготовлена верхняя деревянная колея шириной 9 метров. К ней снизу прилегали специальные опорные ролики, установленные на четырех боковых стрелах, соединенных с рамой тележки. Это сооружение должно было позволить колёсам тележки оторваться от нижней колеи примерно на два дюйма, но не давало по-настоящему взлететь аппарату, устойчивость и управляемость которого были под вопросом. Однако «предохранительная» колея была примерно на 50 метров короче, чем основные стальные рельсы (т.е. Максим оставил «приоткрытую дверь» для возможного взлёта?) Между колесами и рамой тележки были установлены регистрирующие динамометры, фиксировавшие изменения сил реакции между колесами и рельсом. Один из журналистов так описал атмосферу, царившую весной 1893 года во время испытаний машины Хайрема Максима:

«Когда паровые двигатели работали на полную мощность, винты вращались так быстро, что казались вращающимися дисками. Максим громко приказал: «Отпустить». Веревка была отпущена, и самолёт подобно железнодорожному поезду рванулся вперед. Большие колеса замелькали, пар шипел, выхлопная труба пульсировала и булькала; аппарат промчался тысячу восемьсот футов [ок. 550 м] гораздо быстрее, чем это было необходимо в этих испытаниях».

При эксперименте 31 июля 1894 года машина Максима была дополнительно оснащена двумя парами боковых крыльев удлинённой формы, вследствие чего размах достиг указанного выше значения (31,5 м). Поперечное V нижнего крыла составляло порядка 7º, верхнего – примерно вдвое больше (Хайрем Максим понимал стабилизирующий эффект поперечного V). Основная несущая поверхность имела угол установки около 7º. Вес самолёта с экипажем из трех человек достигал 3624 кг. После разбега длиной примерно 300 м самолёт полностью оторвался от стальных рельсов, и одна из балок, несущих верхние опорные колеса, погнулась. Задняя часть самолёта поднялась на высоту около четырех футов, летательный аппарат сошел с рельсов, упал и получил повреждения. Тем не менее, Максим счел эту попытку успешной.

авария самолёта Максима в конфигурации биплана; 31 июля 1894 года

Стоит упомянуть о некоторых задумках, которые Максим планировал реализовать в следующей конструкции. В их числе – обтекатель тележки корпуса, установка вертикальных стабилизаторов и поверхностей управления и автоматическая гироскопическая стабилизация. Однако Максим хотел сохранить центральную несущую поверхность, надеясь, что она может сыграть роль парашюта и при надлежащем положении передних и задних поверхностей управления позволит выполнить хотя бы частично контролируемый спуск.

Однако после июльской аварии сэр Хайрем не стал продолжать свои испытания. Возможно, причиной этому были ужасающие расходы, достигшие более чем 20 тысяч полновесных викторианских фунтов стерлингов. Однако Максиму удалось доказать, что даже многотонный монстр способен создать аэродинамическую подъемную силу, позволяющую ему преодолеть собственный вес – если целенаправленно использовать экспериментально установленные физические закономерности. Он также установил, что решающим фактором является наличие подходящего двигателя.

Отказавшись от испытаний, сэр Хайрем продолжил аэродинамические лабораторные эксперименты. Он усовершенствовал свой испытательный круг и построил несколько аэродинамических труб, став тем самым одним из пионеров в этой области исследований. В этих экспериментальных устройствах могли создаваться воздушные потоки с относительной скоростью от нескольких метров в секунду до 45 м/с. В статье представлен снимок одной из таких аэродинамических труб.

одна из аэродинамических труб Максима, оснащённая механическими аэродинамическими весами

Аэродинамикам известны произведенные Максимом измерения аэродинамических сил, действующих на модели крыльев размахом 1200 мм с различными профилями (плоскими, плосковыпуклыми, двояковыпуклыми и профилями большой относительной толщины), с длиной хорды от 203 до 406 мм, на углах атаки от нуля до около 10º и при скоростях набегающего потока 18 и 21 м/с. На приведенном графике показаны диаграммы зависимостей коэффициентов подъемной силы cL, лобового сопротивления cD и аэродинамического качества cL/cD от угла атаки α, построенные по табличным результатам подлинных испытаний модели крыла с удлинением λ=4 и с типичным профилем Максима.

диаграмма выполненных Максимом исследований профилей крыльев

Другим объектом исследований Максима было сопротивление стержней (опор) различного поперечного сечения. Максим обнаружил существование аэродинамического взаимодействия между обтекаемыми телами. Он, например, измерил сопротивление пары параллельных стержней чечевичного поперечного сечения при различных расстояниях между ними и установил, что сопротивление стремительно возрастает по мере приближения стержней друг к другу. Также были проведены исследования взаимодействия крыльев в многоплоскостных конструкциях. По их результатам была подчеркнута необходимость надлежащего расстояния между несущими плоскостями, и в качестве оптимального рекомендовалось расположение с большим отрицательным смещением. Совокупность результатов своих аэродинамических исследований Максим опубликовал в 1908 году в книге «Полет искусственный и естественный» («Artificial and Natural Flight»), которая принадлежит к золотому фонду научной литературы, посвященной авиации.

Сэр Хайрем Стивенс Максим умер 24 ноября 1916 года.

Список сочинений Хайрема Максима:

• 1. Experiments in Aerodynamics. Journ. of the Soc. of Arts, London, 1894,
• 2. A New Flying Machine. The Century Magazine, 1895,
• 3. Natural and Artifical Flight. The Aeronaut. Annual, 1896,
• 4. Screw Propellers Working in Air, 1897,
• 5. Artifical and Natural Flight. London, 1908.
• 6. Shall we ever fly? A short review, London.

Используемая литература:

• 7. Beneš P. Svět křídel. – Orbis, Praha, 1949,
• 8. Kármán T. v. Aerodynamics. Selected Topics in the Light of Their Historical Development. – Cornell University Press, Ithaca, N. Y, 1954,
• 9. Lilienthal O. Maxim's Flugmaschine. / В книге „Über meine Flugversuche", VDI, Klassiker der-Technik, 1986,
• 10. Moolman V. Der Weg nach Kitty Hawk. Time. –  Life, Amsterdam, 1981,
• 11. Nimfuhr R.: Leitfaden der Luftfahrt und Flugtechnik.  – Hartleben's Verlag, Wien, 1910,
• 12. Streit K. W, Taylor J. W. R. Geschichte der Luftfahrt. – Sigloch, Künzelsau, 1988.
• 13. Trůneček J.: Vzduchoplavba (letadla a balóny). – Šimáček, Praha, 1911.
• 14. Kadeřávek F., Klíma J., Kounovský J. Deskriptivní geometrie. – JČMF, Praha, 1945.

• * – статья написана в 2000 году
• ** – так в тексте, хотя 924/(2×180) = 2,57 кг/л.с.. Возможно, в статье опечатка и вместо «кг/л.с.» следует читать «кг/кВт» – тогда более-менее сходится (но тоже не совсем – 924/(2×132,4) = 3,49).

    
источник: Prof. Ing. Jiří Nožička, DrSc., doc. Ing. Jiří Nožička, CSc. Sir Hiram S. Maxim, další z předchůdců bratrů Wrightových. // Letectvi+Kosmonautika № 25-26/2000, с.74-77