Утопическое крыло с переменной площадью. Семейство экспериментальных самолетов Varivol конструкции Жака Жери. Часть 2
Содержание:
Плохая база
Несчастный Демимюд погиб, однако, по словам Жери, виновата в этом была не его система крыла переменной площади, а слишком малые размеры горизонтального оперения и непосредственно руля высоты самолета … чем сильно удивил журнал «Les Ailes» – журнал, который до сих пор давал мало поводов для критики изобретателя. Хвостовое оперение было рассчитано Жаком Жери для полетов на крейсерской скорости с убранными гибкими крыльями. Тем не менее, любое изменение в соотношении площадей между крыльями и хвостовым оперением сопровождалось изменением летных качеств. Пилотирование первого самолета Varivol существенно отличалось в зависимости от того, были ли развернуты или свернуты гибкие крылья.
Хотя идея увеличения безопасности полета привлекала к себе внимание в начале тридцатых годов и представлялась тогда в качестве важного элемента французских авиационных исследований, но фактически разработанное Жаком Жери крыло с переменной площадью было абсурдом. Оно было испорчено серьезными недостатками в самой концепции, ошибками в ходе проектирования и их сокрытием, причем последнее было вызвано непреодолимой склонностью воспринимать фантазию как реальность. Varivol был создан на основе ложных, излишне теоретических, идей, которые сразу вывели самолет за пределы диапазона режимов полета. Жери провозгласил эту ерунду, вера в которую, как мы видели ранее, была широко распространена:
«Для снижения скорости необходим безопасный летательный аппарат… Превышение скорости, то есть и опасное пикирование, вблизи земли должно быть запрещено, поскольку в этом случае самолет перестает быть машиной (…) управление которой доступно рядовому пилоту».
Самолет Жака Жери продемонстрировал, что не имел никакого другого призвания кроме того, чтобы достичь поверхности земли с нагрузками и скоростью, которые превосходили расчеты. Этому было множество причин. Жери интересовали только мощность двигателя и площадь крыла, которая всегда рассчитывалась исходя из минимального значения, необходимого для поддержания высоты при полете с полной нагрузкой на крейсерской скорости. Точно так же он считал возможным перейти к режиму получения максимально возможной подъемной силы на самых малых скоростях. При этом он лишил свой Varivol каких-либо маневренных качеств, сделав самолет чрезвычайно опасным. Самолету для горизонтального полета всегда нужна немного бóльшая площадь несущих поверхностей по той простой причине, что подъемная сила уравновешивает вес самолета, а последний постоянно изменяется как в сторону увеличения, так и уменьшения. Как известно, вес является произведением умножения массы на ускорение или силу (так в тексте – byakin). На земле вес самолета равен его массе, умноженной на ускорение свободного падения (1g). Во время полета малейшее изменение траектории создает центробежную силу, которая дополняет силу тяжести: масса остается неизменной, но меняется вес. Если площадь крыла строго рассчитывается для балансировки веса и является слишком маленькой, то воздействие дополнительных сил сразу же приведет самолет к резкой потере высоты.
Однако это было не слишком драматично в той ситуации, когда масса самолета постоянно уменьшается вследствие сгорания топлива. Однако у данной концепции были и другие серьезные недостатки. Разработанный Жаком Жери способ изменения площади крыла – так же как и у Леона Левавассера – действовал с крылом постоянного размаха, и как следствие, развертывание гибкого крыла вызывало уменьшение относительного удлинения несущей поверхности и пропорциональное увеличение индуктивного сопротивления. Увеличение лобового сопротивления среди всего прочего увеличивало кривизну профиля крыла. Однако лобовое сопротивление уравновешивалось мощностью, и Жери измерил мощность силовой установки, необходимую для крейсерского полета с минимальной полезной нагрузкой, когда сопротивление близко к минимальному. Следовательно, весьма вероятно, что максимальной мощности первого из установленных на Varivol двигателя (135 л.с.) едва хватало для балансировки лобового сопротивления самолета в его посадочной конфигурации. Это может объяснить жесткость посадок [5].
Жери не признавал эти проблемы и упорно не принимал их во внимание. Такой же точки зрения он придерживался в пятидесятые годы, несмотря на оговорки, сглаженные при передаче П. Ребюфе (P. Rebuffet), бывшего в феврале 1936 году руководителем секции экспериментов и измерений большой аэродинамической трубы Шале-Мёдон:
«Мы можем предложить крыло с выпущенными в медленном полете, у которого за счет двойных задних слотов и двух закрылков максимальное значение Cz max достигается равным 3. Но если наше большое медленно летящее крыло по площади в пять раз больше первоначальной площадки типа нашей, то окончательное значение Cz max будет равно 3 × 5 = 15».
Это рассуждение также является ошибочным, так как приводит к заключению, что плотность жидкости меняется в зависимости от ее расхода.
Софизм Жака Жери, видимо, скрывал глубокое разочарование: в Мёдоне Cz max самолета Varivol был измерен в диапазоне углов атаки от 1,6° до 11,2°. Затем по мере того, как крылья выпрямлялись под действием относительного ветра, самолет проваливался вниз со скоростью от 1–70 км/ч до 0,5–120 км/ч с отрицательным углом атаки; при этом угол атаки фюзеляжа оставался неизменным.
Помимо всего прочего, продолжительность выпуска и уборки гибких крыльев, измеренная при скорости ветра от 80 до 170 км/ч, была очень велика. Она колебалась в диапазоне от 28 до 40 секунд для малого верхнего крыла и от 35 до 62 секунд для большого нижнего крыла. Совершенно случайно испытания показали, что при увеличении скорости выпуска и уборки гибких крыльев риск возрастал.
Жак Жери прошел мимо крыльев с большим относительным удлинением, указав на отсутствие у них некоторых преимуществ (жесткость). Следует сказать, что Жери не знал всех свойств крыльев с большим относительным удлинением. Также Жак Жери прошел мимо действительно интересного изобретения: трубчатого лонжерона, который использовали в своих самолетах авиастроительные компании: британская Hawker и (особенно) немецкая Blohm und Voss. Жери гнался за мечтой, которая чуть не довела его до безумия. В 1930 или 1931 году в одной из многочисленных статей, посвященной крылу переменной площади, повествование постепенно из реальности переходило в сказку, в которой Varivol постепенно теряет один двигатель за другим, входит в туман и, тем не менее, невозмутимо продолжает свой путь; у самолета остался один-единственный двигатель, гибкие крылья развернуты и на достаточно медленной, чтобы избежать возникающих перед ним дымовых труб, скорости в 40 км/ч, а затем:
«Вот, наконец, ваша терраса. Небольшой скачок, летательный аппарат останавливается, и Вы дома».
В то время, когда перелет через Атлантический океан был сверхчеловеческим подвигом, люди охотно представляли себе 1950 год, в котором большие города будут перегружены личными вертолетами, и подобного рода литература в отличие от сегодняшних дней не вызывала неверия.
В 1934 году Жак Жери разработал четырехмоторный трансатлантический самолет со взлетным весом 21 тонна, названный им Arbalète. Описание этого самолета и его очень необычных форм было дано в мартовском выпуске за 1935 год журнала «L’Aérophile» (Аэрофил). В нем было сказано, что «в течение нескольких минут» фюзеляж самолета может быть изменен, и машина станет бомбардировщиком, «способным пикировать со скоростью до 1000 км/ч».
В 1938 году переполненный энтузиазмом Жак Жери представил новый проект одномоторного самолета-моноплана с изменяемой площадью крыла, разработанный для участия в гонках на приз Дётч-де-ля-Мёрт (coupe Deutsch de la Meurthe). Это был Varivol V-6é, недавно обнаруженный в Анже сотрудниками GPPA (см «Fana de l’Aviation» №371).
Последний. Гоночный самолет V-6é
Гоночный самолет Varivol V-6é был изготовлен компанией Breguet. Основу конструкции крыла составлял лонжерон, изготовленный из стальных хромомолибденовых труб, и легкоснимаемой обшивки из листов магниевого сплава. Фюзеляж самолета включал в себя элементы, являвшиеся характерными для продукции компании Caudron (ручка управления и рычаги педального управления); фонарь кабины также походил на фонарь самолетов производства компании Caudron. Однако об этом самолете, обладавшем вытянутыми линиями и великолепным силуэтом, столь характерными для оснащавшихся рядными двигателями гоночных самолетов тридцатых годов, у нас пока мало информации. Постройка самолета была прервана войной. В начале 1944 году Жери описал этот самолет, когда Жорж Уар (George Houart) позволил ему выступить в одном из выпусков журнала «À Tire d’Ailes» (взмах крыльев). Данное издание выпускалось во время оккупации по причине невозможности продолжать выпускать журнал «Ailes».
На этот раз Жак Жери учел уроки своих предыдущих неудач. В новом самолете изменение площади крыла сопровождалось изменением его размаха; в результате при увеличении площади относительное удлинение крыла уменьшалось меньше, чем это было раньше: с 14 до 10. Небольшие металлические консоли с размахом 3,65 метра каждая и средней длиной хорды 0,52 метра. Каждая из консолей могла перемещаться вдоль неподвижного лонжерона и удлинять на 2,75 метра размах крыла. Увеличение длины хорды до 2,3 метров происходило путем развертывания прорезиненных гибких поверхностей, сложенных в фюзеляже между пилотом и двигателем. Таким образом, площадь крыла увеличивалась с 8,10 до 16,3 м². Увеличивавшие размах перемещающиеся поверхности крыла имели неподвижные слоты в задней части передней кромки. Данные передние поверхности были изготовлены из прорезиненной ткани и укреплены металлическими нервюрами. Увеличивающее длину хорды гибкое крыло имело S-образный профиль, напоминавший о мягких крыльях самолетов Blériot и Caudron G III обр. 1913 года. Перемещавшиеся жесткие части крыла также имели слоты, управление которыми осуществлял пилот. Расположенные по всему их размаху элероны могли совместно отклоняться вниз и выступать в качестве закрылков.
Конечно, площадь руля направления не была переменной, но элероны и рули высоты были оснащены редукторами, которые при разворачивании гибких поверхностей увеличивали их отклонения до 78% и 24% соответственно. Жери планировал установить на самолет 350-сильный двигатель Béarn. С этой силовой установкой Жери надеялся на высоте 1800 метров достичь скорости 455 км/ч, у земли с развернутым гибким крылом скорости 92 км/ч, а при оснащении двигателя Béarn наддувом на высоте 8000 метров – 644 км/ч. Он даже представлял себе вариант своего самолета с рядным двенадцатицилиндровым двигателем Hispano-Suiza 12Y-31 (как у истребителя Morane-Saulnier 406), который на высоте 6000 метров достигал бы скорости 760 км/ч; еще одним вариантом самолета был проект с 1650-сильным двигателем, который
«у земли был в состоянии летать со скоростью 800 км/ч».
Весной 1946 года V-6é был оснащен 240-сильным двигателем Renault 6Q, о чем свидетельствует дата «май 1946», отчеканенная на пластинке, прикрепленной к топливному баку двигателя Renault. Фактически самолет стал объектом контракта после повреждений, полученных им в Англете (Anglet), где был расположен филиал компании Breguet. Договор №4323/45, заключенный 1 октября 1945 года, возможно, был своего рода компенсацией нанесенного в ходе войны ущерба: он предусматривал, что летательный аппарат будет отремонтирован за счет государства Национальным обществом самолётостроения северной Франции (SNCAN – Société Nationale des Constructions Aéronautiques du Nord), и содержал комплект документации с расчетами, условиями испытаний в аэродинамической трубе и в полете (последнее под ответственность производителя) а также с возможным пилотированием самолета летчиком, которого должно было предоставить государство.
С 3 по 5 сентября 1946 года по требованию авиационной технической службы самолет прошел шесть часов испытаний в большой аэродинамической трубе Шале-Мёдон как с остановленным, так и с работающим двигателем, после чего приступили к полноценной работе.
В ходе испытаний было установлено, что при увеличении площади крыла оно под действием скорости ветра принимает все бóльшие значения угла атаки и поперечного V, но одновременно с этим не вибрирует. Испытания были прерваны, когда на скорости 145 км/ч изгиб законцовок крыла достиг критических 33 см. В отчете по испытаниям был сделан вывод, что эффект увеличения подъемной силы при развертывании гибкого крыла был явно выраженным, но измерить его было очень трудно, поскольку гибкие и жесткие части крыла имели разные длины хорд и аэродинамические профили. Также в отчете говорилось, что с увеличенной площадью крыла максимальное значение Cz max самолета уменьшалось… Мы не знаем, что стало с самолетом; можно предположить, что по результатам испытаний в аэродинамической трубе он был признан слишком опасным и скорее всего так и никогда не поднимался в воздух. Самолет хранился в ангаре до 1999 года, и затем год на свежем воздухе, после чего был обнаружен сотрудниками GPPA.
В течение нескольких лет Жак Жери с пафосом пытался защитить свое изобретение. Мы знаем, что он получил от государства новый контракт (№3416/47) в размере 480000 франков на разработку проекта сверхзвукового бомбардировщика (предположительно) V15/48. Этот Varivol должен был быть оснащен небольшими треугольными подвижными частями крыла, которые перемещались бы наружу вдоль лонжерона прямоугольного крыла и состояли из металлических кессонов, вложенных один в другой внутри фюзеляжа. Мы не смогли обнаружить детали конструкции этих кессонных крыльев, которые должны были быть применены в ряде проектов:
- • одномоторный пассажирский самолет V30 с взаимозаменяемыми брюшными салонами. Были предусмотрены три варианта: салон на 12 пассажиров; салон на четырех пассажиров, топливный бак и отсек для грузов; интегрированный с поплавком салон на десять пассажиров, преобразовывавший V30 в гидросамолет;
- • одномоторный военно-транспортный самолет V40 с классическим шасси и парашютируемой кабиной, в которой должен был находиться отряд десантников. Кабина должна была сбрасываться, а парашютисты держаться за горизонтальные планки, расположенные на уровне их голов. Надувные валики длиной 4 метра и диаметром 2,5 метра должны были смягчить посадку кабины, спуск которой должны были замедлить … тридцать парашютов (Жери не учел, что при таком количестве были значительные шансы, что их стропы могут банально перепутаться, либо сами они могли бы не раскрыться);
- • перехватчик V13 с покрывавшимися полотном выдвижными консолями крыла и реактивной силовой установкой – пульсирующим или прямоточным воздушно-реактивным двигателем;
- • странный летательный аппарат V23 с двумя двигателями, оснащенными винтами, и расположенным в фюзеляже выдвижным прямоточным воздушно-реактивным двигателем.
Вихрь
Вероятно в 1952 году, когда сэр Фредерик Хэндли-Пейдж прочитал лекцию об увеличении подъёмной силы с помощью двойных щелевых закрылков (разработаны Генри Фаулером [Henry Fowler] и испытаны в 1951 году на пассажирском авиалайнере Handley-Page Hermes V [номер гражданской регистрации G-ALEV]), осуществлявших усиленные всасывание и сдув пограничного слоя, Жак Жери с говорливым смирением вспомнил свой прошлый опыт и попытался доказать, что его изобретение имеет в два раза меньший вес и потому является более выгодным, чем устройство, за которым стоит великая британская авиастроительная компания. Жери заявил, что он в состоянии спроектировать самолет с вдвое менее мощной силовой установкой, но по крайней мере столь же эффективный, что и Hermes V, после чего представил аванпроект пассажирского самолета с турбовинтовым двигателем в передней части фюзеляжа и турбореактивным двигателем в задней его части. По словам Жери, этот двухмоторный самолет должен был перевозить 37 пассажиров на дальность 2500 километров, т.е. его самолет должен был быть менее мощным и более быстрым, чем первый турбореактивный авиалайнер – новейший четырехмоторный пассажирский самолет De Havilland 106 Comet I.
Жак Жери был вновь опьянен вихрем расчетов, который в конечном итоге поглотил изобретателя. Несмотря на то, что он был быстро забыт, по существу он был прав. Произошедшая на взлете недавняя авария сверхзвукового авиалайнера Concorde напомнила о его предупреждениях относительно опасности большой взлетной скорости («Разбег на скорости от 300 до 400 км/ч является просто опасным: если лопнет пневматик, то сразу же наступит катастрофа…»). Критическое значение для коммерческих самолетов устройств, которые увеличивают подъемную силу, демонстрируется ежедневно, и поэтому когда Жери начал свои исследования, к ним стоило относиться очень серьезно.
При выпуске закрылков Фаулера – наиболее эффективных устройств увеличения подъемной силы – площадь крыла увеличивается за счет резкого увеличения средней кривизны поверхности. Кроме того, вызванное выпуском закрылков Фаулера увеличение площади и хорды крыла (примерно 10% длины хорды) обладало всеми достоинствами системы Жака Жери и, что более важно, было лишено всех её недостатков и принципиально не ставило под сомнение летные качества самолета.
Жак Жери обладал слишком живым воображением, уводившим его далеко в сторону от реальности и не позволявшим отличить чистое теоретизирование от практического применения. Но можно сказать, что если бы в 1930 году во Франции в области авиационной науки была бы оптимизирована работа серьезных научно-исследовательский организаций (как это было сделано в 1945 году) и если бы порывы Жака Жери были бы строго дисциплинированы, то, несомненно, результаты работ были бы другими и гораздо более успешными. Впоследствии Жак Жери работал в автомобильной промышленности. В настоящее время его последний самолет восстанавливается и его можно увидеть в региональном музее авиации на аэродроме Анже-Марсе.
Varivol V-6é в большой аэродинамической трубе Шале-Мёдона с убранным гибким крылом. Размах крыла от 8,10 до 13,6 метров; длина 8,40 метров; высота 2,84 метра; площадь крыла от 4,83 до 18,05 м². Общая масса 1450 кг (фотография музея авиации и космонавтики)
Схема гоночного самолета Varivol V-6é конструкции Жака Жери. Синим цветом показано развернутое гибкое крыло
Varivol V-6é, обнаруженный в Бургундии сотрудниками GPPA
Нижняя часть фюзеляжа Varivol V-6é без листов обшивки из магниевых сплавов. На снимке хорошо заметны две оси и барабаны, на которые должно было натягиваться гибкое крыло
Приборная панель Varivol V-6é, на которой можно увидеть различные электрические контакты, с помощью которых пилот должен был регулировать увеличение и уменьшение площади крыла. Эти действия могли быть прекращены в любой момент (фотография GPPA)
Varivol V-6é в большой аэродинамической трубе Шале-Мёдона. Следует отметить, что этот самолет имеет слот только на передней кромке крыла. Выпуск гибкого крыла осуществлялся электродвигателями; для обеспечения идеально симметричного выхода обеих половин крыла система была снабжена большим количеством механических контактов (фотография музея авиации и космонавтики)
проекты самолетов Varivol; сверху вниз:
• проект Arbalète 1935 года, представленный в журнале «L’Aérophile»: четыре 860-сильных двигателя. Размах крыльев 26 метров; длина 18 метров; высота 4,75 метра; площадь крыльев от 26,6 до 287 м². Масса пустого 8600 кг (в том числе и 1100 кг крыльев); общая масса 21000 кг (с 2500 кг полезной нагрузки). Максимальная скорость 564 км/ч;
• проект V3, показанный в двух конфигурациях (выпущенное и втянутое гибкое крыло);
• проект бомбардировщика V15/48, размеры фюзеляжа которого были близки размерам фюзеляжа бомбардировщика Boeing B-47;
• проект V23, в конфигурации с размещенным внутри фюзеляжа прямоточным воздушно-реактивным двигателем;
• одна из многих версий проекта V30 или V40 (интегрированный с поплавком салон)
- [5] на современных самолетах средства механизации крыла создают настолько большую подъемную силу, что тянут за собой шлейф возмущенного воздуха, что в ряде случаев создает серьезные проблемы при заходе на второй круг во время выполнения посадки (прерывание процедуры снижения при выполнении посадки)
источник: MICHEL BÉNICHOU, CHRISTIAN RAVEL et PIERRE GAILLARD «Les Varivol de Jacques Gérin. La surface variable utopique» // Le Fana de l’Aviation 2000-12 (373)
