Сражение с ветряными мельницами. Новаторские проекты самолетов с поворотными винтами конструкции Хайрама Отвелла
Содержание:
Предисловие редакции: Концепцию «самолета с поворотными винтами», которая получила наибольшую известность в виде используемых вооруженными силами США ультрасовременных конвертопланов Bell Boeing V-22 Osprey, можно проследить на протяжении почти всей истории авиации. После недавнего приобретения некоторых документов, которые много лет считались утерянными, Мэтью Уиллис (Matthew Willis) исследует имевшие шанс на практическую реализацию, но забытые работы Хайрема Отвелла (Hiram Cannon Otwell) – пионера в области конвертопланов.
Попытки создать работоспособного самолета с поворотными винтами (конвертоплана) в истории авиации были необычайно долгими. Когда в 2005 году первое подразделение Корпуса морской пехоты США было, наконец, оснащено конвертопланами Bell Boeing V-22 Osprey, прошло целое столетие с момента первой заявки на выдачу патента на поворачивающиеся пропеллеры и несущие винты. В то время было гораздо больше промахов, чем попаданий, в основном из-за того, что технологии того времени не соответствовали необходимой сложности оборудования.
Однако один почти забытый сторонник конвертопланов Хайрем Отвелл предложил вариант, который, возможно, доказал свою практическую ценность. Отвелл разработал свой вариант в 1930-х годах и в в конечном итоге предложил концепцию, которая была аналогична той концепции, которая в наши дни делает Osprey пригодным для полетов. К сожалению, Хайрему Отвеллу не удалось ни найти финансирование, ни заинтересовать кого-либо своими идеями, которые не пошли дальше чертежей и моделей., а его поворачивающаяся моторная гондола была отвергнута как принципиально нереализуемая теми же американскими военными, которые сегодня эксплуатируют конвертопланы Osprey.
Небольшой пакет материалов, относящихся к предложениям Отвелла, появился в продаже в 2020 году, давая представление о моменте истории авиации, который в противном случае фактически исчез, оставив о себе всего лишь пару записей в списках американского патентного ведомства.
Концепция
Идея изменения направления оси воздушного винта самолета с целью сокращения длины разбега и пробега или даже полного перехода к вертикальным взлету и посадке существовала чуть ли не c момента начала полетов летательных аппаратов тяжелее воздуха, оснащенных неподвижным крылом и силовыми установками. Швейцарцы братья Дюфо (Dufaux) признаны первыми, кто предложил эту идею и приложил серьезные усилия, чтобы она заработала. Их патент на «Самолет или летательный аппарат для воздушной навигации», поданный в феврале 1905 года и выданный в США в марте 1907 года, предлагал отклонение воздушных винтов с помощью вращающегося барабана, содержащего двигатель самолета и валы, которые выступали из барабана в стороны и которые вращали два воздушных винта. Испытания модели показали, что идея вертикального взлета и перехода к горизонтальному полёту была работоспособна, но полноразмерная машина так и не оторвалась от земли.
начальная страница патента США братьев Дюфо (№846830), поданного 25 февраля 1905 года и выданного 12 марта 1907 года. На данной странице показан вид сверху летательного аппарата с наклоняемыми винтами, а также крылья двойного Т-образного поперечного сечения, отмеченные литерами «А» и «В» и соединенные рычагами разной длины. Братья Арман и Анри Дефо продолжали строить бипланы в 1910-1912 годах
Несколько лет спустя американский изобретатель Джордж Лебергер (George Lehberger) предложил аналогичную «летающую машину». В отличие от концепции братьев Дюфо, в конструкции, разработанной Лебергером в 1911 году, двигатель был неподвижен, но вращение передается на выступающие валы. В 1929 году Лебергер предпринял еще одну попытку, подав патентную заявку на патент на «летающую машину», предназначенную для того, чтобы позволить
«летающим машинам тяжелее воздуха … подниматься и опускаться вертикально.»
Таким образом, этот проект, вероятно, можно считать первым «настоящим» самолётом с поворотными винтами в современном понимании, который подобно вертолету выполняет вертикальные взлет и посадку после чего переходит в горизонтальный полет и обратно.
Это должна была быть сложная конструкция, включавшая в свой состав соосные роторы противоположного вращения, приводимые в движение через поворотный вал, установленный на верхней части фюзеляжа. Данный проект включал в себя концепцию поворотного крыла, поскольку Джордж Лебергер считал, что вертикальные перемещения будут затруднены горизонтальным расположением крыла. Консоли крыла могли быть отклонены дифференциально, чтобы в вертикальном полете самолет мог поворачиваться относительно своей вертикальной оси. Опять же, нет никаких доказательств, что эта машина когда-либо выходила на стадию изготовления. Несмотря на очевидную непрактичность проектов Лембергера его, особенно в США, обычно представляют как отца конвертоплана. Однако спустя пару лет после патента Лебергера другой американец разработал гораздо более простую компоновочную схему конвертоплана, которая потенциально могла позволить успешно выполнять укороченные взлет и посадку, и даже полноценные перемещения по вертикали.
За работу принимается Хайрем Отвелл
Нам мало что известно о Хайреме Отвелле. Он родился в 1876 году в штате Миссури и по профессии был фотографом. Неясно откуда у Отвилла появился интерес к авиации и инновациям в этой области. В 1930 году Хайрем Отвелл переехал в Калифорнию и в июне того же года подал заявку на получение патента на «Крепления авиационных двигателей». При этом Отвилл стал человеком, чье первенство в предложении поворачивать моторную гондолу в качестве средства изменения направления тяги может быть документально подтверждено. Одним махом он покончил с длинными валами с коническими зубчатыми передачами с их большими потерями механической энергии, дополнительной массой, сложностью и низкой надежностью, которые доминировали в предыдущих попытках разработать поворотный несущий винт и которые присутствовали в последующих попытках еще в течение трех десятилетий.
В отличие от всех предыдущих попыток, предложения Отвелла были направлены не на создание полноценного летательного аппарата, а в качестве средства применения некоторых преимуществ концепции конвертоплана к обычным самолетам. Его идеи были достаточно просты, чтобы не нуждаться в специальной конструкции, разработанной под них.
Первая патентная заявка была подана Отвеллом 7 июня 1930 года и была удовлетворена 14 октября 1932 года. Она касалась
«средств для наклона оси воздушного винта на любой желаемый угол без необходимости использования гибкого соединения между воздушным винтом и его приводным двигателем».
Патент также охватывал
«прочные и жесткие крепления для удержания двигателя в его различных положениях»,
«простое и легко управляемое средство для наклона двигателя, которое может быть применено к множеству двигателей»
и
«средства подачи топлива в двигатель во всех его положениях».
Хайрем Отвелл писал в своем патенте:
«Хотя мое изобретение может быть применено к одномоторным самолетам, оно найдет свое лучшее применение в самолетах с несколькими двигателями. В таких машинах некоторые двигатели могут быть установлены стационарно для обеспечения движущей силы вперед, в то время как другие могут быть приспособлены для поворота и перевода в наклонное или вертикальное положение, с тем чтобы их можно было использовать для облегчения взлета и посадки или в чрезвычайных ситуациях путем создания подъемной силы.»
В патенте было рекомендовано, чтобы стационарные и подвижные двигатели устанавливались симметрично – например, по два с каждой стороны плоскости симметрии, причем один из них должен был быть поворотным.
«Однако я не намерен ограничивать изобретение каким-либо конкретным количеством или расположением двигателей».
Далее Отвелл предлагает, что
«изобретение легче всего применить к самолетам того типа, которые оснащены одним или несколькими радиальными двигателями с расположением цилиндров. Моторы установлены над самым верхним крылом, и по этой причине данное размещение двигателей показано на чертежах.»
иллюстрации из патента Хайрема Отвелла, выданного в октябре 1932 года. На рис. 1 (Fig 1) показан вид спереди прикрепленных к крылу поворотных моторных гондол. На рис. 2 (Fig 2) в виде сбоку показаны моторная гондола и двигатель, установленные в горизонтальном положении. На рис. 3 (Fig 3) в виде сверху показан анкер со скользящим клином, который располагается в пазах направляющей. На рис. 4 (Fig 4) показан механизм угловой фиксации поворотной моторной гондолы. Рисунок представлен автором статьи
Остальная часть патентного документа была посвящена описанию деталей установки. Как предполагалось в 1930 году двигатель должен был быть установлен на моторной раме, которая могла поворачиваться вокруг вала, при этом задняя оконечность рамы располагалась на криволинейной направляющей. Подпружиненный стержень, соединенный с упорами в направляющей, фиксирует линию тяги под одним из ряда заданных углов, от полностью вертикального до горизонтального. Моторная рама должна была поворачиваться относительно вала с помощью цепи, приводимой в действие кривошипом, установленным в кабине самолета. Топливопровод был выведен в центр вала; часть топливопровода была свернута в спираль, чтобы она могла разворачиваться при повороте гондолы. В патенте были предложены механизмы для соединения двух или более узлов двигателей с одиночным входом для управления углом поворота гондолы. Следует отметить, что в патенте Отвелла используется термин «наклон», в то время как в патенте Лехбергера 1930 года данного термина нет.
Распространение информации
Хайрем Отвелл предпринял некоторые усилия по коммерческому применению своей поворачивающейся моторной гондолы. Для этих целей он подготовил два (в некоторой степени любительских) концепт-арта, на которых изображен трехмоторный самолет с двумя двигателями, установленными над крылом в вертикальном положении. Рисунок-вставка в одной из этих иллюстраций изображал садящихся на воду чаек и сопровождался девизом «легкий как птица», давая некоторое представление о желаемых преимуществах.
еще одна иллюстрация сомнительного качества, по-видимому, изображена пара трехмоторных самолета, оснащенных отклоняемыми моторными гондолами Отвелла. Дальняя машина летит с двигателями, установленными в горизонтальном положении для полета вперед, в то время как ближняя машина, по всей видимости, готовится приземлиться на несколько неровную площадку из очень недружелюбно выглядящих камней! Рисунок представлен автором статьи
Хайрем Отвелл продвигал свою концепцию с помощью нескольких иллюстраций низкого качества. На данном рисунке показан трехмоторный самолет с радиальными поршневыми двигателями, установленными на верхней поверхности крыла и отклоненными в вертикальное положение. В нижнем левом углу рисунок-вставка с садящимися на воду птицами, демонстрирующий эффективность концепции. Рисунок представлен автором статьи
В дальнейшем были проведены работы по детальному проектированию поворотной моторной гондолы. На недатированном чертеже, который не был частью патента 1932 года, но который, по-видимому, был подготовлен в рамках новой патентной заявки, с большей степенью детализации была показана цепная передача, предназначенная для изменения угла тяги воздушного винта.
В то время другие изобретатели работали над аналогичными концепциями, и Хайрем Отвелл внимательно следил за конкурентами. В материалы, посвященные его проектам, Отвеллом была включена небольшая газетная вырезка из «Сан-Франциско кроникл» от 2 ноября 1932 года. В ней говорилось, что изобретатель Герр Хадсон (Herr Hudson) из Грейт-Фоллс (Great Falls), штат Монтана, работает над
«самолетом, который включает в себя поворачивающиеся силовую установку и консоли крыла и который, как утверждается, взлетает после разбега длиной всего в несколько футов … Крылья и двигатель поворачиваются на оси, делая пропеллер фактически набором лопастей автожира.»
От разработанного Герром Хадсоном проекта самолета с поворотным крылом ничего не осталось.
Несмотря на очевидную практичность идеи Отвелла, недостатки, присущие патенту 1932 года, очевидны при взгляде на сопровождающие патент рисунки. Крепления на квадрантной направляющей для фиксации отклоненной на заданный угол поворотной моторной гондолы были неудобными, потенциально тяжелыми и, вероятно, привели бы к высокому лобовому сопротивлению. Через восемь месяцев после подтверждения патента 1932 года, 13 октября 1932 года, Отвелл подал заявку на получение нового патента.
Второй патент был также выдан на «Крепления авиационных двигателей» и начинался фразой:
«Данное изобретение к усовершенствованию креплений авиационных двигателей».
В дополнение к целям, изложенным в патенте 1932 года, в новой заявке предлагались
«средство, посредством которого практически не возникает нагрузки на рабочий механизм, либо в течение периода изменения, либо в течение периода покоя»,
и
«устройство, которое является экономичным в изготовлении.»
В своем патенте Хайрем Отвелл отмечал:
«Часто бывает так, что при отрыве от земли или возвращении к земной поверхности возникает мысль, что было бы выгодно, если бы двигатели могли быть отрегулированы таким образом, чтобы они давали направленное вверх небольшое тяговое усилие, тем самым снижая скорость посадки или уменьшая длину пробега, необходимую при большой нагрузке.»
В новой заявке на патент весь собранный узел был упрощен и оптимизирован как в практическом, так и в аэродинамическом отношении. Хайрем Отвелл избавился от предназначенных для наклона моторной гондолы неуклюжей направляющей и пружинного механизма для зацепления с ней, а также он внешней цепной передачи, заменив их расположенной внутри моторной гондолы червячной и зубчатой передач, хотя для вращения червячной передачи по-прежнему требовался частично открытый цепной привод. Каждая гондола должна была быть установлена между двумя «станинами», т.е. вертикальными стойками, которые были более аэродинамически чистыми, чем в более раннем патенте.
иллюстрация из усовершенствованного и упрощенного патента Отвелла от 10 июля 1934 года. На рис. 5 (Fig 5) показан изогнутый трубопровод с пружинами, обозначенными числом «36». Рисунок представлен автором статьи
Также были проведены дополнительные работы по проектированию системы подачи топлива. В каждой станине был размещен уложенный изгибами топливопровод; соседние изгибы трубопровода были соединены между собой пружинами с целью позволить трубопроводу растягиваться при перемещении двигателя. Вопрос о том, была бы предлагаемая конструкция была достаточно прочной со структурной точки зрения, но в целом она была достаточно простой. Безусловно, перепроектированная система изменения угла моторной гондолы была эстетически более привлекательной. Вторая заявка на патент была удовлетворена 10 июля 1934 года.
Практическая проверка концепции
Работы Хайрема Отвелла продолжались в течение 1930-х годов и на этот раз дело дошло до практических испытаний. Была построена крупномасштабная модель, оснащенная силовой установкой и предназначенная для испытаний в свободном полете. Этому способствовала все возрастающая доступность подходящих двигателей для летающих моделей. Сохранилось несколько фотографий модели, которая, по-видимому, была изготовлена в соответствии с проектом, разработанным либо Отвиллом, либо для него. На одной из фотографий виден прикрепленный к стене чертеж, самолёт на котором по размерам и формам соответствует масштабной модели. Модель, представляющая собой реализацию в металле патента 1934 года, приводилась в действие тремя двигателями. Один двигатель был установлен в передней оконечности фюзеляжа, а два других были установлены на верхней поверхности крыла в поворотных гондолах, изготовленных в соответствии с патентом 1934 года. Угол наклона двигателей, установленных на крыле, можно было изменить с помощью цепной передачи, аналогичной цепному приводу, предназначенному для полноразмерного самолета.
модель самолета была изготовлена для проверки концепции Хайрема Отвелла и базируется на его патенте 1934 года. Представленная на фотографиях модель трехмоторного самолета не имеет элеронов и обшивки крыла, причем верхний снимок был сделан до того как были установлены поворотные моторные рамы и сами крыльевые двигатели. На рисунке в центре-слева показана модель с установленными горизонтально крыльевыми двигателями. Ни нижнем снимке показана модель с двигателями, установленными вертикально для совершения посадки. В модели использованы двигатели с искровым зажиганием Forster .99 с эффективной мощностью по 0,6 л.с.. В патенте говорилось, что двигатели можно было установить под любым углом между горизонтальным и вертикальным положениями
Маловероятно, что модель была изготовлена ранее 1936 года, поскольку двигатели типа Forster .99 поступили в продажу не ранее этого года. На одной серии фотографий модель изображена находящейся в помещении. На этих снимках крыло еще не имеет обшивки, а элероны еще не установлены. На другой серии фотографий модель изображена на открытом воздухе и, по-видимому, уже завершенной. В обеих сериях снимков двигатели были показаны в трех положениях: горизонтальном, вертикальном и под углом около 45 °, хотя в патенте 1934 года указано, что двигатель может принимать бесконечное количество положений между двумя крайними положениями.
СЛЕВА: модель с установленными элеронами и с обшивкой крыла и с двигателями «отклоненными для взлета и посадки». На центральной части крыла находится небольшая рукоятка для регулировки угла наклона моторных гондол. СПРАВА: Письмо от 4 марта 1944 года из Управления материально-технического обеспечения ВВС армии США Джину Отвеллу из Эль-Серрито, Калифорния. Спасибо, но нет…
Нет никакой дополнительной информации о характеристиках этой модели и, к сожалению, нет никаких фотографий, показывающих ее в полете. Неясно даже, была ли предпринята какая-либо попытка запустить модель, и если да, то была ли она успешной.
Человек, опередивший свое время?
Хайрем Отвелл умер в 1939 году и, вероятно, он так и не смог привлечь интереса к своему прототипу системы поворота воздушных винтов. Однако существует своего рода постскриптум.
В недавно обнаруженный материал было включено письмо заместителя начальника материально-технического обеспечения ВВС армии США полковника Дж. Ф. Филлипса (Col J.F. Phillips), датированное 4 марта 1944 года и адресованное г-ну Джину С. Отвеллу (Mr Gene C. Otwell; почти наверняка его родственнику – возможно, сыну Хайрама). Джин Отвелл написал генералу Генри «Хэпу» Арнольду в предыдущем месяце; в письмо были включены два патента и три или четыре фотографии и были предложены идеи покойного Хайрама для использования в военных самолетах. В ответе полковника Филлипса говорилось:
«Идея, воплощенная в патентных заявках, которые были представлены вместе с вашим письмом, не нова для армейских ВВС. Конструкции, использующие принцип вращения двигателя вокруг оси, перпендикулярной полету, имеют определенные врожденные недостатки, которые делают их непрактичными для применения на военных самолетах. В настоящем письме нет смысла обсуждать принцип, на котором основаны возражения армейских ВВС. Тем не менее, мы ценим вашу заинтересованность в представлении этих идей на рассмотрение.»
Характер этих возражений остается неясным. По-прежнему интерес вызывал конвертоплан как в качестве самолета, способного выполнять вертикальные взлет и посадку, так и в качестве более отграниченной версии с укороченными взлетом и посадкой. В командовании ВВС США сделали ставку на конвертоплан Transcendental Model 1-G, который имел сложную систему валов и работы над которым были начаты в 1945 году. Эта машина так никогда не смогла удовлетворить требования американских военных. В 1955 году прототип разбился, и два года спустя работы по этой программе были прекращены.
Немецкий легкий самолет Dornier Do 29, который впервые поднялся в воздух в декабре 1958 года, приблизился к идее Отвелла: с поворотом задних секций моторных гондол с толкающими винтами вниз для сокращения взлета и посадки. Однако в отличие от предложений Отвелла двигатели Do 29 оставались неподвижными и поворачивались только несшие винты короткие валы. Однако только в 1970-х годах был изготовлен и облетан Grumman XV-15 – летательный аппарат с полностью поворачивающимися моторными гондолами, который в конечном итоге привел к V-22 Osprey. Очевидно, американским военным удалось преодолеть свои возражения в отношении поворотных двигателей.
ПРИЛОЖЕНИЕ
Три конвертоплана, которые были разработаны и которые никогда не летали (и один который полетел)
Несмотря на то, что изобретение Хайрема Отвелла, касавшееся изменения угла тяги пропеллера за счет наклона всей гондолы двигателя, было проигнорировано работы над конвертопланами были продолжены. Ряд авиационных конструкторов независимо друг от друга пришли к схожим техническим решениям. Первым после Отвелла был британский дизайнер Лесли Бейнс (Leslie Baynes), который в конце 1930-х — начале 1940-х годов разработал конвертоплан Baynes Heliplane, который и сегодня выглядит поразительно современным. В патентах, полученных в 1937 и 1938 годах, Лесли Бейнс стремился объединить некоторые преимущества вертолеты и самолета, на законцовках крыла которого были установлены несущие винты, которые могли поворачиваться на 90°. Несущие винты приводились во вращение валами от двигателя, установленного на фюзеляже. Лесли Бейнс также изобрел новую форму силовой установки – свободнопоршневой газогенератор, подававший горячие газы в турбину. В 1940 году Бейнс объединил обе идеи в конвертоплан с турбинами, которые были установлены на законцовках крыла и которые должны были поворачиваться от вертикали к горизонтали. Однако из-за более приоритетных работ военного времени данная идея не была реализована.
рисунок конвертоплана Baynes Heliplane. Рисунок представлен автором статьи
В 1960 годах – по мере того как идея конвертоплана приближалась к своей практической реализуемости – появлялось все больше новых проектов. Как и предсказывал Бейнс, разработка небольших, но мощных газотурбинных двигателей сделала поворотную гондолу гораздо более привлекательной, чем сложные несущие винты с механическим приводом от вала. В Западной Германии компания Weserflug Flugzeugbau с целью создания конвертопланов серии WFG P16/P23/P24 осовременила свои разработки начала 1940-х годов. В проектах, разработанных компанией Weser в годы войны, внешние секции консолей крыла поворачивались вместе с прикрепленными гондолами. В проектах 1960-х годов поворачивались только гондолы. Проекты были предложены в качестве административных самолетов, пассажирских самолетов и в качестве противовертолетных боевых самолетов.
модель проекта конвертоплана WFG P16. Снимок представлен автором статьи
В том же десятилетии в компании Westland стали серьезно изучать концепцию конвертоплана. Работы получили дополнительный импульс после поглощения компании после поглощения Fairey Aviation Ltd, которая вложила большие усилия в создание винтокрыла Rotodyne. В компании отдавали предпочтение Westland
«наклоняемым источнику питания и несущему винту»
и в начале 1970-х годов создала полномасштабный макет узла гондолы для проекта малого транспортного конвертоплана Westland WE-01. Компанией были разработаны проекты более крупных военных и гражданских конвертопланов, но ни один из них не пошел дальше чертежной доски.
модель поворотной гондолы проекта конвертоплана Westland WE-01. Снимок представлен автором статьи
В компании Bell также приняли концепцию поворотных моторных гондол, и в 1977 году опытный конвертоплан Bell XV-15 впервые поднялся в воздух. К этому времени поворотные гондолы можно было считать обычным техническим решением, уже продемонстрировавшим преимущества над поворотным крылом чтобы стать стандартным компоновочным решением конвертопланов.
опытный конвертоплан XV-15 совершил первый полет 3 мая 1977 года. Были изготовлены только два прототипа, но результаты их испытаний привели к созданию серийного винтокрыла Bell Boeing V-22 Osprey. Снимок представлен автором статьи
источник: Matthew Willis «Tilting at windmills» «The Aviation Historian» №39, pages 122-129
