Создание цельнометаллических самолётов в годы Первой Мировой войны – не только классики

Данный материал был переведен уважаемым коллегой NF и немного доработан мной.

Клаудиус Дорнье, Хуго Юнкерс и Адольф Рорбах считаются пионерами цельнометаллического самолетостроения. Они разработали предпосылки для использования совершенно новых технологий в авиастроении, которые через несколько лет после Первой Мировой войны стали общепринятыми во всём мире и, таким образом, проложили дорогу с современному самолётостроению.

Сначала Юнкерс работал с гладкой металлической обшивкой, затем до 30-х годов с гофрированной.

Дорнье же наоборот с самого начала применял гладкую обшивку. Рорбах в Штаакене (Staaken) во время войны разработал пятимоторный бомбардировщик. О том как точно выглядел этот самолет сегодня мало что известно и можно предположить, что по исполнению, внешнему виду и форме эта машина должна была быть очень близка к производившемуся в 1919 году фирмой Staaken моноплану. Все три этих типа внешней металлической обшивки оправдали себя и десятилетиями применялись авиаконструкторами на более совершенных машинах.

Первые успехи в области создания металлических самолетов у этих пионеров авиастроения были достигнуты еще в последние годы войны. Преимущества металлической обшивки, её устойчивость к повреждениям и погодным условиям вскоре привлекли к себе внимание конкурентов, и те в свою очередь предприняли собственные усилия в этом направлении. В большинстве случаев до завершения войны конкуренты не смогли ликвидировать отставание в данной области от трех вышеназванных фирм и далеко не всегда опробовали свои изобретения на практике. Но, тем не менее, уже к концу 1918 года появились многочисленные многообещающие наработки, которые базировались на идеях пионеров в этой области. Ни одно из этих изобретений, за исключением вышеупомянутых работ, в последующие годы из-за проигранной войны и связанных с этим запретов на производство самолётов и разразившейся инфляцией не смогли быть осуществлены на практике. Часть из разработанных к тому времени решений были вполне реализуемы при производстве и технически доведены до соответствующего уровня.

Некоторые из них можно было модернизировать и, используя современные материалы, и сегодня применять в авиастроении. Из разработанных тогда идей вследствие потери части архивов не все из этих предложений могут быть сегодня внимательно рассмотрены, но, тем не менее, имеется ряд интересных примеров.

Пауль Леш (Paul Lesch) из Грайца (Greiz) (под Цвикау (Zwickau)) в начале 1918 года предложил крыло, которое не имело лонжерона и состояло из многочисленных поперечных элементов. Будучи полыми внутри, эти поперечные элементы должны были быть изготовлены в желаемых формах и размерax. Металлическая обшивка крыла при помощи заклёпок крепилась к поперечным элементам. Жесткость конструкции крыла обеспечивалась клепаными соединениями поперечных элементов друг с другом. Благодаря отсутствию внешних и внутренних связующих конструкций предложенное Лешем крыло должно было быть особенно лёгким и в то же время очень прочным.

Рис. 1 Схематическое изображение крыла, изготовленного из предложенных Лешем металлических элементов. Крыло состояло из пустотелых отдельных элементов (а) и расположенных между ними тонких деталей из листового металла, служивших для повышения жёсткости и придававших болеe совершенную с точки зрения аэродинамики форму (b)

Расстояние между похожими на аэродинамические гребни продольными ребрами жесткости должно было составлять 350-400 мм.

Крыло разработанного в 1918 году одноместного истребителя Kondor E 3a лишь внешне напоминало разработку Леша. Внутри конструкция крыла этого истребителя значительно отличалась наличием четырех лонжеронов.

Рис. 2 Эскиз одного цельнометаллического двухместного самолёта-низкоплана, изготовленного в соответствии с идеями Леша. Эскиз был изготовлен предположительно в 1918 году. Внешние рёбра жесткости крыла расположены на расстоянии 350-400 мм друг от друга. Крыло разработанного в 1918 году одноместного истребителя Kondor E 3 только внешне напоминает собой крыло предложенное Лешем

На рис. 1 схематично показано такое крыло. На рис. 2 изображен гипотетический самолёт с крылом Леша. Предположительно Леш не имел в дальнейшем возможности заниматься изготовлением своего крыла, но имелся целый ряд аналогичных конструкций, так же оснащенных внешними рёбрами жесткости, которые позже изготавливались и летали.

К числу этих конструкций принадлежал созданный компанией Emigh Trojan Aircraft Company, г. Даглас (Douglas), штат Аризона, лёгкий двухместный самолёт Trojan A2. При его разработке исходили из соображений строгой экономии средств. Так, например, где это только было возможно, использовались одинаковые элементы конструкции: детали верхней и нижней секций крыла, правый и левый рули. Крыло Trojan A2, за исключением двух лёгких лонжеронов крыла, расположенных на 20% и 80% длины хорды, было полностью пустым. Внешнее крыло с размахом примерно 4 метра состояло из восьми внешних рёбер жесткости определённой формы. В ходе испытания данного крыла оно показало запас прочности на 300 % больший чем это было необходимо. Его лётные характеристики были отличными. Внешние рёбра жесткости не создавали каких-либо помех для обеспечения необходимого обзора пилоту. Внешние рёбра создавали лишь небольшие аэродинамические потери в пограничном слое, величина которых оценивалась изготовителем в 4%.

Таким образом, крыло предложенное ранее Лешем, спустя более чем 30 лет на практике показало свою пользу. Это крыло без каких либо проблем могло использоваться уже в годы Первой Мировой войны. И вполне возможно в этом случае мог использоваться вариант «мокрого крыла», в полостях которого можно было размещать топливо.

Берлинская компания Allgemeine Elektricitäts-Gesellschaft (AEG) так же занималась исследованиями, связанными с использованием на самолётах металлических конструкций. В 1912 году AEG изготовила свой первый самолёт в названном тогда «металлическом варианте». Моноплан с 75-сильным двигателем фирмы Körting был не цельнометаллическим самолётом, и его фюзеляж представлял собой конструкцию из бесшовных тянутых сваренных автогеном стальным труб. Такая технология изготовления в то время для самолетостроения была инновационной.

Рис. 3 Предложенное фирмой AEG цельнометаллическое крыло с лонжероном волноборазной формы (патент 322432). Передняя кромка крыла (h) и задняя (i) только придают крылу определённую форму и не являются несущими элементами конструкции крыла. Лонжерон крыла состоит из верхней (b) и нижней (c) стенок волнообразной формы и расположенными между ними соединяющими их зигзагообразными элементами, изготовленными из тонкого листа металла (e). Данный элемент облегчен за счет вырезов (f) и усилен соединениями путём гофровой обжимки (g). Сверху показан поперечный разрез крыла. Снизу вид сбоку лонжерона крыла

Другие фирмы в то время еще не использовали подобные материалы для изготовления каркасов самолётов и вообще не использовали сварку, в то время как AEG уже получила большой опыт в этой области. Фирма развила эту технологию (которая позднее, конечно, была применена и многими другими фирмами, в том числе Fokker) настолько, что гидросамолёты и сухопутные самолёты, включая и гигантские самолёты с размахом крыльев до 36 метров, изготавливались по технологиям разработанным ранее AEG.

В связи с этим следует отметить, что разработанные фирмой AEG самолёты были монопланами со свободнонесущими крыльями, имевшими толстый профиль. Позднее эти профили, если так можно сказать, «вернулись в авиацию уже на самолётах фирмы Junkers». Подобные чертежи должны были оставаться в архивах фирмы AEG в Хеннингсдорфере (Henningsdorfer), но еще не удалось установить были ли подобные материалы где-либо когда-либо опубликованы.

Рис. 4 Три элемента предложенных фирмой AEG цельнометаллических крыла: секция, придающая форму передней кромке крыла; собственно несущие элементы крыла (лонжерон выполненный из рифлёных металлических листов в виде верхней и нижней частей); задняя секция, так же только придающая  форму крылу. Позднее крыло аналогичной конструкции вновь появилось в разработках фирмы Rohrbach. Обшивка крыльев из рифлёных металлических листов предположительно могла бы получить еще один слой из гладких листов металла или быть обтянутой материей для снижения аэродинамического сопротивления

Фирма AEG в апреле 1918 года зарегистрировала в патентном ведомстве патент «metallene Tragfläche für Flugzeuge» (металлические несущие плоскости для самолётов). В результате этого предложения лонжероны этих крыльев должны были быть выполнены сверху и снизу из тонких рифлёных металлических листов. Впадины на внешней поверхности должны были быть расположены параллельно размаху крыла и перпендикулярно направлению полёта самолёта. Выполненные из гофрированного металла эти секции должны были крепиться друг с другом при помощи зигзагообразной секций и с использованием заранее просверленных отверстий. Соответствующим образом выполненные изгибы на внешней поверхности листов должны были усилить конструкцию (рис.3,4).

Аналогично тому, как позднее на фирме Rohrbach стали изготавливать несущие плоскости (рис. 5),на фирме AEG решили использовать новый метод изготовления несущих плоскостей с лонжеронами в передней и задней частях крыла. При этом в передней и задней его частях образовывались пустые секции, которые служили только для придания кромкам крыла необходимой формы и не являлись несущими элементами конструкции крыла.

Впадины и выступы на внешних поверхностях крыла, расположенные перпендикулярно к направлению полёта, создавали в полёте огромное сопротивление, и потому наверняка необходимо было обтянуть их полотном или еще одним слоем лёгкой гладкой обшивки.

Остаётся неизвестным, было ли фирмой AEG до завершения войны в 1918 году опробовано на практике нечто подобное. В любом случае использовать подобные разработки в годы Первой Мировой войны уже не представлялось бы возможным.

Рис. 5 Аналогично предложению фирмы AEG Адольф Рорбах изначально предполагал применять крыло, лонжерон которого представляла бы собой часть внешней обшивки крыла. Переднюю и заднюю кромки крыла образовывали крепящиеся к лонжерону придающие крылу определённую форму секции. В ходе дальнейших работ фирма Rohrbach разработала новое крыло, у которого лонжерон был утоплен в крыле как на показанной здесь внешней секции правой консоли  крыла гидросамолёта We 271-V1

В то время как Леш и фирма AEG так же как и Дорнье, Юнкерс и Рорбах стремились применять полностью металлическую внешнюю обшивку, фирма Rumpler планировала использовать несущие плоскости, которые имели бы и металлическую внешнюю обшивку, и одновременно полотняную обшивку части поверхности.

Рис. 6 Запатентованная разработка крыла c металлической обшивкой (патент 325133) фирмы Rumpler. Под номерами (7) и (29) обозначены выступы внешней обшивки, под  которыми (18) и (29) располагаются заклёпки

Часть внешней обшивки крыла сверху и снизу лонжеронов должна была крепиться к ним при помощи заклёпок. В то время еще не практиковался метод клепки, при котором заклёпки не выступали над внешней поверхностью крыла. В этом случае для снижения аэродинамического сопротивления предусматривалось применять выступы на внешней обшивке, которые закрывали бы заклёпки и одновременно служили бы в качестве дополнительной обшивки, что в целом придавало бы внешней обшивке более совершенную с точки зрения аэродинамики форму (рис. 6).

Заключение

Не одно из этих трех вышеописанных изобретений не являлось техническим прорывом. Ни одно их этих изобретений не смогло быть использовано на практике до завершения Первой Мировой войны. Все они были, как и многие другие идеи, изобретения и предложения не более чем интересными предложениями в части развития новых технологий в самолётостроении, исходившими из Германии, и которые спустя годы после Первой Мировой войны основательно изменили самолётостроение во всём мире.

Источники

1) Deutsche Patentschrift Nr. 332898, Klasse 77h Gruppe 7, Paul Lesch in Greiz, „Metallene Flugzeugtragfläche", patentiert im Deutschen Reiche vom 5. Februar 1918 ab.
2) Jane's All The World's Aircraft 1951 /52
3) Air Trails, April 1950, S. 28 ff.
4) Deutsche Patentschrift Nr. 322432, Klasse 77h Gruppe 7, Allgemeine Elektricitäts-Gesellschaft in Berlin, „Metallene Tragfläche für Flugzeuge", patentiert im Deutschen Reiche vom 14. April 1918 ab.
5) Luftfahrt & Schule, 3. Jahrg., Nr. 4,15. Januar 1938, ohne Verfasser, vermutlich AEG-Archiv „25 Jahre Metall-Flugzeugbau"
6) Deutsche Patentschrift Nr. 325133, Klasse 77h Gruppe 7, Rumpler-Werke A.-G. in Berlin-Johannisthal, „Tragdeck für Flugzeuge mit Leichtmetallbespannung", patentiert im Deutschen Reiche vom 1. August 1918 ab.
7) Abbildungen 2 und 4: Dipl.-Ing. H. J. Lindstädt.
8)Archiv des Verfassers.

источник: "Ganzmetallflugzeugbau im ersten Weltkrieg — mal ganz anders" LUFTFAHRT international 23