У истоков практической аэродинамики

Мощная авиационная техника – это реальность нашего времени. Начав развивать ее столетие тому назад, люди смогли оснастить свой воздушный флот самолетами различного назначения. Было время, когда еще толком никто не мог определить, каким должен быть самолет, называемый в те годы аэропланом. 

В начале 20-го столетия в русской авиации был замечательный летчик, изобретатель и конструктор Сергей Алексеевич Ульянин. Путь в небо он начал с разработки, постройки и применения воздушных змеев. Он их собирал в виде каркаса из бамбуковых стержней и обтягивал миткалевой тканью. Змеи Ульянина отличались высокой прочностью и надежностью и быстро затмили привязные воздушные шары, применявшиеся в войсках с целью разведки и наблюдений. Ульянин составлял из змеев воздушные поезда, поднимавшие в гондоле до четырех человек на высоту до 400 м. Каждый змейковый поезд Ульянин проверял и только после этого разрешал подъем своих подчиненных.

Ульянин был первым конструктором, уделившим особое внимание прочности и надежности летательных аппаратов тяжелее воздуха. Его коробчатые змеи были весьма прочны и надежны. 

Можно предположить, что на выбор конструкции первых аэропланов оказали влияние коробчатые змеи Ульянина. В своей основе строительная механика этих змеев имела те расчетные методы, которые обеспечивали коробкам высокую жесткость. Не следует забывать, что в качестве материалов использовались дерево и ткань. 

Заговорив о конструкторской деятельности Сергея Ульянина, снова обращаюсь к его проекту двухмоторного аэроплана 1909 г. Перечитываю материалы, связанные с проектом, разработанным по схеме с передним горизонтальным оперением. Прихожу к выводу, что для ее обоснования Сергей Алексеевич провел глубокий анализ других схем, по которым тогда строились аэропланы. О выводах и наблюдениях Ульянина хочу сказать, что вижу в его высказываниях веские важные и полезные суждения. 

Обращает на себя внимание анализ аэродинамических и конструктивных свойств и качеств существовавших аэропланов. В мыслях Ульянина виден подход конструктора, владеющего основами практической аэродинамики и теории полета аэроплана, которых в те годы, по моему мнению, как самостоятельных наук, еще не существовало. Лаконично и точно Сергей Ульянин назвал главное, чему должна удовлетворять конструкция летательного аппарата тяжелее воздуха. Подвергая анализу компоновку аэроплана братьев Райт, Ульянин отмечает, что этот аппарат не имеет стремления к автоматической устойчивости – способности его автоматически, без участия летчика, восстанавливать небольшие нарушения устойчивого равновесия. Выведенный внешними причинами из состояния равновесия и, поколебавшись относительно своего центра тяжести (ЦТ), аэроплан, благодаря действию восстанавливающих сил и моментов сил, в конечном счете, примет положение равновесия относительно ЦТ.

Ульянин считал, что вся ответственность за устойчивость аэроплана Райта возлагается на верную руку пилота: 

«Управление рулями глубины (высоты – прим. авт.) должно быть крайне верно и тонко, а потому требует большого искусства. Рули глубины очень большие и сравнительно на коротком рычаге от центра тяжести, отчего действуют довольно резко. Малейшее передвижение руля глубины вызывает немедленный наклон аппарата, отчего весь полет Райта является почти всегда волнообразным». 

Ульянин отмечает у Райта выгодное расположение позади аэроплана воздушных винтов, их большой диаметр. Очень важным считает Ульянин, что «воздух, откинутый ими (отброшенный лопастями двух винтов назад – прим.авт.), ничего не встречает на своем пути». Поясним. Если вращающийся воздушный винт отбрасывает закрученный им воздух на поверхность и части самолета, то этим вызывается существенное увеличение лобового сопротивления аэроплана. При двух винтах – тем более. 

По поводу компоновки «Фармана», Сергей Алексеевич писал:

«Фарман имеет позади аэроплана (коробки биплана – прим.авт.), несущий стабилизатор. Это дает некоторую автоматическую устойчивость аэроплану. Управление рулем глубины более грубое, чем у Райта, и полет много легче, т.е. требует менее искусства, чем на аэроплане Райта». Недостатком «Фармана» и «Вуазена» Ульянин считал расположение (…) стабилизатора позади коробки биплана, так как «под несущим стабилизатором всегда существует воздушная «подушка», а над ним разреженное пространство, отчего стабилизатор во время полета легче сместить вверх, чем вниз». 

Действительно, хвостовая часть самолета со стабилизатором за счет появившейся на нем подъемной силы во время полета легко начинает смещаться вверх и с трудом – вниз. Усложняется управление рулем высоты.

Формируя практические действия, Ульянин отмечает необходимость отклонения руля глубины на значительно больший угол при переводе самолета на подъем, чем на величину угла при переходе на снижение. Он подчеркивает, что желательно при подъеме самолета иметь меньшее лобовое сопротивление, чем при снижении и посадке. (Эти рассуждения верны при положительном угле установки стабилизатора и без учета скоса потока за крылом – прим.ред.) 

Самолет устойчивее за счет этого на взлете и при наборе высоты. Ульянин предупреждает летчика, что малейшая ошибка при отклонении руля глубины вниз может привести к стремлению аэроплана «клюнуть» носом. Он имел в виду большое значение выдерживания в полете определенного угла атаки крыла, так как при ошибке аэроплан может потерять устойчивость, сорваться в штопор, поскольку при этом нарушается обтекание крыла и других частей машины воздухом. Как видим, уже в 1909 году Ульянин придавал большое значение продольной устойчивости самолета. Он приводил пример, когда Вуазен установил под рулем глубины колесо шасси, чтобы предупредить этим возможность капотирования – удара о землю с переворотом самолета вверх колесами шасси. Такая посадка обычно завершается катастрофой с тяжелыми последствиями для экипажа. 

Ульянин обращает внимание на зависимость углов отклонения рулей и растения между центрами давления рулей и тяжести самолета. Иными словами, он обращает внимание на плечи моментов сил, действующих на крыло и на стабилизатор, благодаря чему обеспечивается балансировка и, следовательно, продольная устойчивость самолета. Ульянин приходит к выводу, что аэроплан Фармана это биплан-тандем, у которого задний биплан (коробка крыльев) выполняет роль стабилизатора. Этим он подчеркивает существенное значение второго биплана (переднего), как органа управления самолетом. 

По этим замечаниям можно судить о высокой оценке схемы с передним горизонтальным оперением, которой Ульянин отдавал предпочтение. Существенное замечание он делает о том, что воздушный винт в аэроплане Фармана находится и работает в менее благоприятных условиях, чем в аппарате Райта. Во-первых, он один и меньшего диаметра, во-вторых, отбрасываемый им воздух встречает на своем пути стабилизатор, что уменьшает скорость полета, так как при большей скорости отбрасываемого и закрученного потока воздуха, лобовое сопротивление стабилизатора увеличивается. 

Сергей Алексеевич отмечает, как достоинство «Фармана», объединение колес шасси и салазок. Из-за отсутствия колес, аэроплан Райта не может взлететь с любого места. Во французских аэропланах отсутствие салазок требует усиления шасси. Они после посадки по инерции долго катятся по аэродрому. Поскольку у Фармана колеса на резиновых амортизаторах, то они так проседают, что салазки касаются земли. 

Аэроплан «Антуанет» монопланной схемы Ульянин считал перспективным. Отмечал его удачную аэродинамическую компоновку, выгодное расположение руля глубины за стабилизатором. Это увеличивает плечо руля высоты от ЦТ аэроплана, а значит, и величину восстанавливающего момента при нарушении продольного равновесия и устойчивости аэроплана. Профиль аэродинамической дужки руля высоты плоский и при симметричном профиле стабилизатора дает одинаковую силу сопротивления при отклонении вверх и вниз. Но зато плоский стабилизатор не дает (большого – прим. ред.) прироста подъемной силы аэроплана. 

Такой четкий и подробный анализ аэродинамических свойств крыльев и органов управления аэропланов, построенных в первые годы 20-го столетия, был впервые в России сделан С.А.Ульяниным. Это позволяет считать Ульянина основоположником практической аэродинамики в авиации. Науки, которая соединила в себе теоретические основы авиации с практическим их воплощением в конструкциях создаваемых аэропланов. Напомним, что вопросами практического применения аэродинамики Ульянин занимался в период разработки, постройки и применения им воздушных змеев в российских вооруженных силах. Ульянин один из первых авиаторов обратил внимание на влияние воздушного винта на самолет. В частности, в «Антуанете», один винт и ометаемая им при вращении часть размаха крыла только здесь увеличивает подъемную силу. На остальной части крыла это не происходит. 

Он делает вывод о том, что горизонтальное оперение должно компоноваться из стабилизатора и прикрепленного к нему по задней кромке руля высоты. Профиль горизонтального оперения должен быть несущим и создавать в полете подъемную силу, как бы этим «помогая» крылу. 

Ульянин считал, что руль глубины целесообразно располагать впереди на фюзеляже, чтобы он не находился в потоке воздуха за винтом. Правда, за винтом руль эффективнее, но, как считал Ульянин, 

«тогда его работа будет зависеть от числа оборотов винта».

Если же в полете мотор остановится, то управление самолетом весьма затруднится. Поэтому предлагается 

«винты… расположить позади всего аэроплана и иметь, как у «Райта», два больших винта». 

Касаясь устройства шасси, Ульянин считал, что необходимо иметь колеса для разбега и салазки для спуска. В начале 20-го столетия многие проблемы аэродинамики аэроплана только начинали находить решения. Сергей Алексеевич своими работами и предложениями существенно тому содействовал. Это также относится к его предложению размещать пассажиров и членов экипажа одного за другим; к нахождению экспериментальным путем сооотношения длины и ширины аэроплана и его частей, определяемое ныне величиной удлинения, как отношения длины и ширины (размах к хорде) для крыла, стабилизатора, руля, фюзеляжа и т.п.
 
Ульянин обратил внимание на то, чтобы одна аэродинамическая поверхность в полете не закрывала другую. При этом образуется «аэродинамическая тень», снижающая эффективность работы заслоненной части. Ульянин считал, что движение рук пилота должно соответствовать естественным рефлексам человека, направленным на сохранение им равновесия в полете и при эволюциях аэроплана. 

Для повышения надежности аэроплана Ульянин предложил в своем проекте: 

«Чтобы сделать аэроплан более надежным и безопасным, следует иметь на нем два мотора и таких, чтобы сила каждого из них была достаточна для поддержания полета аэроплана». 

С одной стороны, выражаясь современным языком, это «поэлементное дублирование узлов», а с другой – еще и повышение «коэффициента использования этих узлов». 

Из проекта следует, что 

«Избыток силы при двух моторах выгоден тем, что в случае надобности можно развивать большую скорость, поднять больший груз, а при средней скорости моторы будут работать в нормальных условиях без перегрузки, как это бывает у большинства существующих аэропланов». 

В первые годы 21-го столетия может показаться сверхнаивным обращаться к событиям почти столетней давности. Но неоспоримый факт. Инженерно-техническая деятельность Ульянина, которая «с нуля» последовательно преодолевала неведомые, непознанные и даже непредставлямые им явления, привела к творческому подвигу в области самолетостроения. 

Замечательно, что в этом, похоже, за аэропланом в России поднималась передовая техническая мысль исследователей, ученых, конструкторов различных отраслей промышленности, летчиков. Самолет полностью вошел в жизнь землян. И не следует забывать, что разработанная Ульяниным в те годы конструкция самолета с передним горизонтальным оперением, актуальна в авиации настоящего. Этой схемой и сегодня пользуются конструкторы в различных странах мира. Таковы, думается, могут быть суждения об истоках практической аэродинамики. 

источник: Виктор Турьян «У истоков практической аэродинамики» «Крылья Родины» 6.2003