Утопическое крыло с переменной площадью. Семейство экспериментальных самолетов Varivol конструкции Жака Жери. Часть 1
На протяжении тридцатых годов это изобретение привлекало к себе большое внимание. Оно могло бы совершить переворот в авиации, если бы утопия имела бы связь с реализмом.
Спросите себя: как можно одновременно летать и как можно медленнее и как можно быстрее? В 1928 году французский инженер Жак Жери (Jacques Gérin) был убежден, что обнаружил способ выйти за эти две несовместимые крайности. В ходе работ, длившихся в течение двадцати лет, Жери продвинулся далеко вперед. Данная статья представляет собой поучительную (и полную) историю данных работ.
Содержание:
Посадочная скорость всегда была предметом пристального внимания, и в настоящее время ее стараются удержать в строго ограниченных пределах. Окончание Первой Мировой войны, помимо начала мирной жизни, также ознаменовалось и созданием гражданской авиации. По мере накопления опыта становилось все более очевидным, что низкая посадочная скорость является гарантией безопасности. Таким образом, был задан обманчивый во всей своей простоте вопрос: как примирить способность летать как можно более медленно с достаточно высокой крейсерской скоростью?
Если многие инженеры и изобретатели в то время не воспринимали в полной мере всей сложности аэродинамики – науки, которая тогда носила еще лабораторный характер, – из собственного опыта они знали, что чтобы летать быстро, необходимо иметь несущие плоскости малой площади, а чтобы летать медленно, надо было наоборот, иметь большую площадь несущих поверхностей. С самого зарождения авиации именно таким образом в зависимости от назначения самолетов изменяли площадь несущих поверхностей данных летательных аппаратов. Во Франции Леон Левавассер (Léon Levavasseur) и Жюль Гастамбид (Jules Gastambide) – старые партнеры компании Antoinette – первыми применили подобный принцип. В 1920 году они построили два прототипа, крылья которых были снабжены панелями, выдвигавшимися из передней и задней кромок крыльев. К сожалению, в 1922 году эти эксперименты были прекращены в связи со смертью изобретателя Леона Левавассера.
В Великобритании авиастроительная компания сэра Фредерика Хэндли-Пейджа (Sir Frederick Handley-Page) в те годы предложила другое, более изящное решение проблемы: оно было более сложным с технической и научной точек зрения. Речь шла о другом факторе расчета подъемной силы Cz – коэффициенте подъемной силы, который зависит не только от площади крыла, но и от формы крыла, состояния его поверхности и т.д.. В 1921 году компания Handley-Page представила экспериментальный моноплан HP.20, который еще не получил устройств для увеличения подъемной силы, но мог развивать подъемную силу без изменения площади: значительное увеличение Cz (подъемной силы) до максимального могло быть обеспечено отклонением «поворотных носков крыла» и «закрылков», которые улучшали обтекание воздушного потока, генерирующего подъемную силу на верхней поверхности крыла. Это «щелевое крыло Хэндли-Пейджа» (Handley-Page slotted wing) вызвало большое недоверие – в том числе и в самой Великобритании, – но вскоре было принято во многих странах, включая и Францию.
В те годы боязнь «потери скорости» была навязчивой как среди пилотов, так и среди авиаконструкторов. В силу ряда причин, среди которых срыв потока (потеря подъемной силы) не из-за недостатка скорости, а от избыточного угла атаки, многие бежали за химерой «невозможности потери скорости». Потеря скорости могла произойти на большой скорости во время выполнения резкого маневра, но чаще данная проблема возникала на малых скоростях, когда для удержания подъемной силы требовалось все больше увеличивать угол атаки, и после превышения его максимального значения происходил срыв.
В октябре 1927 году в компании Handley-Page были разработаны автоматически открывающиеся слоты, которые инженер и писатель К. Дж. Грей (C. G. Grey) назвал свое изобретение как основополагающее и имеющее в авиации такое же значение, что и пневматические шины для автомобиля. В то же самое время богатый американский промышленник Дэниэл Гуггенхайм (Daniel Guggenheim) объявил о начале конкурса на безопасный самолет (Safe Aircraft Competition); целью состязаний было стимулирование значительного шага вперед в области авиационной безопасности. Среди требований конкурса были указаны характеристики, необходимые для выполнения взлета, посадки и полета на малой скорости. Заявки на участие принимались с 1 сентября 1927 года по 31 октября 1929 года. В соответствии с требованиями компания Handley Page разработала экспериментальный самолет HP 39 Guggenheim Competition Biplane, наименование которого вскоре было сокращено до Gugnunc. Оснащенный предкрылками и закрылками Gugnunc оказался одним из двух выбранных (в конкурсе приняли участие 27 самолетов), но довольствовался утешительным призом: победителем оказался Curtiss Tanager.
Как штора
В 1928 году французский инженер Жак Жери, стремясь разработать собственную систему, начал работы над крылом с переменной площадью. Полная хронология данных работ практически неизвестна, но судя по ряду докладов, воспоминаний, докладных и памятных записок разработка крыла с переменной площадью проводилась и в пятидесятых годах. Большинство этих документов хранится в музее авиации и космонавтики, Ле-Бурже, и в группе по защите авиационного наследия (Groupement pour la Protection du Patrimoine Aéronautique – GPPA) и позволяет проследить всю историю проекта и предлагает свежий взгляд на творческую и пламенную личность.
Принцип рожденного в 1928 году изобретения сочетал в себе самые современные и архаичные черты и заключался в том, чтобы вдоль неподвижного металлического крыла очень большого удлинения [1] развернуть гибкое крыло, свернутое спирально внутри фюзеляжа. Гибкое крыло состояло из прорезиненной ткани, укрепленной сочлененными нервюрами. Под действием внутренних пружин нервюры могли значительно увеличивать собственную выпуклость или же под действием силы ветра, достаточной для придания профилю двойной кривизны большей плоскости, создавая, таким образом,
«профиль с автоматической продольной устойчивостью».
Во второй половине марта 1928 года модели крыла и его профиля были испытаны в аэродинамической трубе Сен-Сира, неподалеку от Версаля. Крыло с полным размахом 3,66 метра было предметом государственного контракта №149/8; 9 ноября оно было испытано в большой аэродинамической трубе в Исси-ле-Мулино (Issy-les-Moulineaux) при различных скоростях воздушного потока вплоть до 145 км/ч. Неподвижная часть крыла имела ширину (длину хорды) 50 см; каждая её консоль состояла из одиннадцати небольших взаимозаменяемых металлических кессонов и служила в качестве направляющей для гибких выдвижных элементов. Когда гибкие элементы были развернуты, длина хорды увеличивалась на один метр, а площадь с 1,85 до 5,50 м².
На протяжении 1930 года прототип крыла был предметом нескольких испытаний в аэродинамической трубе: 7 января были проведены эксплуатационные испытания в Исси-ле-Мулино, а 5 февраля – статические испытания. Испытания прошли вполне удовлетворительно, но несколько раз прерывались незначительными инцидентами, которые потребовали немедленного усиления мелких деталей. Их результаты побудили Жака Жери вернуться к разработанному в декабре 1928 года проекту трансатлантического самолета с взлетным весом 7500 кг, четырьмя 260-сильными двигателями и крыльями переменной площади: в марте техническим службам министерства авиации были поданы расчеты более мощного варианта.
В начале тридцатых годов были сформулированы новые требования, посвященные повышению безопасности и эффективности эксплуатации авиационной техники: металлическая конструкция, рационализация производства, улучшенные аэродинамические характеристики и т.д.. Технический директор министерства авиации Альбер Како (Albert Caquot) писал:
«самолет с его необходимостью взлета и посадки является устройством, оснащенным крылом со слишком большой для полета площадью; вблизи земли избыточные размеры крыла значительно сокращают скорость полета и экономические показатели».
Для Жака Жери эта фраза была больше чем простым поощрением упорства в достижении целей – эта фраза стала его основным принципом.
В июле Жери испытывал в аэродинамической трубе модель самолета с площадью крыла, изменяемой от 10 до 40 м². Предположительно это был самолет с двумя двигателями, установленными тандемно в тщательно профилированной гондоле над фюзеляжем. Жери, ссылаясь на авторитеты, утверждал, что
«с учетом низкой нагрузки на м² (большая площадь) для медленных посадок задача безопасности планера полностью решена».
Тем не менее, в сделанной в том же месяце пояснительной записке №30 Жери косвенно признал, что полученное им максимальное значение Cz (1,7) было не тем, что он ожидал получить. Жак Жери надеялся, что установка слотов в крыло позволит увеличить значение Cz max с 2 до 2,5; он даже объявил эту величину с подозрительной точностью – 2,56! Жери всегда считал себя стоящим на правильном пути, о чем свидетельствует брошюра «К авиационной практике» (Vers l’Aviation Pratique), которую он написал в целях продвижения своего изобретения; следует также сказать, что в рамках этого продвижения помимо брошюры Жаком Жери был написан целый ряд статей. Он также полемизировал, хотя и кратко, со сторонниками концепции самолета-летающее крыло, язвительно замечая, что самолет будет слишком толстым, слишком неудобным для пассажиров из-за отсутствия внешней видимости и слишком большим. Жери выступал сторонником оказавшихся менее перспективными классических многопланов с изменяемой площадью крыльев.
В 1931 году Жак Жери попытался ввести в авиационный лексикон слово или марку Varivol для обозначения самолетов с изменяемой площадью крыла. Вероятно под влиянием компании Handley Page (Gugnunc был представлен в Виллакублэ и затем в мае 1931 года в Ле-Бурже) Жери разработал новое крыло с выдвигающимися элементами. Данное крыло было снабжено несколькими рядами слотов, перемещающихся по направляющим у передней и задней кромок неподвижной части крыла.
«По моему мнению новая модель подвижных поверхностей придаст значительное улучшение!»
– воскликнул он. После развертывания крыло в соответствии с управляющими сигналами от пилота могло приобрести очень сильную выпуклость, а если сила ветра была слишком сильной, то профиль мог автоматически восстановиться и приобрести двойную кривизну (т.е. S-образный профиль – byakin). Модель этого крыла была испытана в ноябре и декабре 1932 года в Сен-Сире, но опять таки поведение крыла при воздействии ветра рассматривалось с большим вниманием, нежели его характеристики.
В сентябре 1933 года масштабная модель Varivol была испытана в аэродинамической трубе Сен-Сира, и Жака Жери ожидал триумф. По крайней мере, это вытекает из чтения воспоминаний: было получено фантастическое значение Cz – 7,4! В декабре 1934 года Жак Жери подал расчеты по самолету Varivol авиационной технической службе (service technique de l’Aéronautique). В марте 1935 года в аэродинамической трубе Исси-ле-Мулино были выполнены новые измерения устойчивости, до сих пор считавшейся удовлетворительной.
Первые летные испытания
В том же году Varivol был изготовлен авиастроительной компанией Compagnie Française d’Aviation (CFA), работником которой был Жери. Компания CFA, созданная в 1921 году в Анже (Angers) для подготовки резервистов, приобрела еще три учебных центра. В 1933 году эта компания, получив двигатели Salmson, построила серию элегантных вспомогательных трехместных самолетов Salmson Phrygane.
Первый Varivol был бипланом с неубирающимся шасси с носовой стойкой и с узким и очень высоким фюзеляжем, форма и конструкция которого позволяли разместить сложенные гибкие крылья: в верхней части находилось сложенное гибкое верхнее крыло, а в нижней части под кабиной пилота – сложенное более крупное гибкое нижнее крыло. В задней части фюзеляж сужался, образуя небольшой по площади киль, на верхней части которого размещалось горизонтальное оперение, имевшее большое относительное удлинение и на удивление малую длину хорды.
С осторожностью, резко контрастировавшей с его радикальными утверждениями (это, кажется, было его характерной чертой), Жак Жери 25 ноября 1934 года написал в журнале «Les Ailes» (Крылья):
«Напомним, что от этой летающей лаборатории ожидается получение не сенсационных характеристик, а квалификационных результатов».
Первые испытания по выдвижению и уборке гибкого крыла были проведены на земле в январе 1936 года. Лишь спустя пять месяцев самолет с демонтированным 135-сильным радиальным двигателем Salmson 9NC был испытан в большой аэродинамической трубе в Шале-Мёдон (Chalais-Meudon). Целью этих испытаний была проверка работы механизмов крыльев, площадь которых изменялась с 6,3 до 26 м².
В июле 1936 года Varivol, наконец, был доставлен на расположенный в Виллакублэ аэродром компании Morane-Saulnier, где Жак Жери приступил к первым полетам. Первые полеты были выполнены по прямой линии на малой высоте с полностью выпущенными гибкими поверхностями.
Вскоре летательный аппарат получил повреждения. Согласно не совсем ясным разъяснениям Жака Жери самолет сильно ударился о землю и подпрыгнул, после чего две боковые стойки шасси сложились; в результате машина приземлилась не на три опоры, как она должна была сделать [2]. После аварийной посадки самолет был не только восстановлен, но и модифицирован: вместо шасси с носовым колесом машина получила классическое шасси с задней стойкой. Также изменениям подверглись и элероны, что было доказательством того, что слишком маленькие рулевые поверхности также были неэффективными.
В конце июля полеты возобновились. 26 июля пилотируемый Жаком Жери Varivol с развернутыми гибкими крыльями совершил 7-8-минутный круговой полет на высоте 120 метров. Но как только пилот уменьшил газ, самолет
«нырнул слишком близко к земле, чтобы можно было отреагировать стабилизатором (и рулем высоты)». [3]
Эта фраза Жака Жери была многозначительной. Она означала, что пилот не успевал осуществить эту компенсацию: сначала он потянул ручку на себя, чтобы скорректировать свою траекторию, но эффекта от этого не было никакого! В последний момент Varivol выровнял линию полета. Жери с уверенностью мог сказать, что в течение короткого пикирования скорость увеличилась настолько, что крыло автоматически приобрело S-образный профиль и, таким образом, стабилизировало летательный аппарат:
«изменение профиля крыла (…) предотвратило катастрофические последствия, которые могли возникнуть по время выполнения жесткой посадки».
Весьма сомнительно, что это было так, и скорее всего с самолетом Varivol произошло сваливание, после чего он вошел в пике и был спасен экранным эффектом земной поверхности.
Подтверждением данной гипотезы может служить факт замены во время ремонта двигателя на почти в два раза более мощный 230-сильный мотор Salmson 9BC. В то же время – всегда с осторожностью, которая выступала противоположностью его уверенным предсказаниям, – изобретатель упомянул постепенное внедрение своего крыла с переменной площадью сначала на небольшом самолете с 300-сильным двигателем и возможностью перевозки шести пассажиров и затем на «небольшом пассажирском самолете», рассчитанном на перевозку 10-12 пассажиров.
Испытания самолета Varivol продолжились в сентябре 1936 года на том же аэродроме, но уже под управлением летчика Демимюда (Demimuid). Жери согласился с ним, что перед тем как совершить продолжительный полет, нужно выполнить несколько полетов по прямой на очень малой высоте; но во время рулежечных испытаний Демимюд был неприятно удивлен, неожиданно обнаружив себя высоко в воздухе. Он как можно скорее вернулся на землю, но произошло это, кажется, не так гладко. 21 сентября 1936 года, как и было запланировано, были выполнены полеты по прямой. 29 сентября, если верить комментариям Жака Лекарма (Jacques Lecarme) относительно Varivol-я в «Истории летных испытаний» (l’Histoire des Essais en Vol) [4], Демимюд получил приказ включить газ на полную мощь. Это был двадцатый взлет; Varivol подпрыгнул, набрал высоту, вздыбился и затем, предположительно после сваливания, разбился.
Экспериментальный самолет Varivol № 1 без двигателя в большой аэродинамической трубе Шале-Мёдон; крылья полностью выпущены. Небольшая длина хорды стабилизатора не может не вызывать удивление, но изобретатель ничего не стал менять. Размах крыльев 11,77 м и 9,865 м; длина 7,74 м; высота 3,50 м; площадь крыльев от 6,3 до 26 м². Общая масса самолета 1300 кг, удельная нагрузка на крыло от 50 до 206 кг/м² (у современного ему MS 406 этот показатель был равен 122 кг/м²). Фотография из фондов музея авиации и космонавтики
Крыло конструкции Жака Жери во время испытаний в Исси-ле-Мулино в конце 1928 года. Гибкое крыло управлялось при помощи дюралюминиевой цепи, тросов и электромотора, работавшего при напряжении 24 В, силе тока 15 А и вращавшего вал с частотой 3700 об/мин. Передняя кромка гибкого крыла скользила внутри неподвижного металлического фланца, принадлежавшего фиксированной части крыла; задняя кромка гибкого крыла раскрывалась подобно клюву. Это крыло весило 150 кг и в крейсерском полете должно было иметь площадь 1,85 м² и 5,5 м² при выполнении взлета и посадки. Неподвижная часть крыла весила 21,5 кг, механика – 10,8 кг, полотняная обшивка подвижной части крыла площадью 4,16 м² – 11,35 кг. Фото из фондов музея авиации и космонавтики
Разработанный Жаком Жаре в конце двадцатых годов проект одно- или двухмоторного самолета. Эскиз самолета с втянутыми гибкими частями крыльев появился в журнале «Les Ailes»
Силовой набор первого варианта самолета Varivol. На снимке хорошо видна носовая стойка шасси, не имевшая возможности поворота колеса. В нижней части снимка показана прикрепленная при помощи шарнира нервюра гибкого крыла. Эти нервюры перемещались по роликовым направляющим, расположенным в передней и задней кромках металлического неподвижного крыла. Фото из фондов музея авиации и космонавтики
Один из первых официальных снимков первого самолета Varivol; судя по модернизированному шасси, снимок был сделан уже после жесткой посадки машины. Гибкие крылья полностью убраны в фюзеляж, и на снимке показаны только неподвижные крылья, которые должны были применяться только в крейсерском полете. На верхнем крыле были установлены очень маленькие треугольные элероны. Рули высоты и направления также имеют маленькие размеры. Фото из фондов музея авиации и космонавтики)
Схема экспериментального самолета Varivol конструкции Жака Жери; синим цветом показаны развернутые гибкие крылья
Жак Жери позирует на фоне своего изобретения. Верхнее крыло развернуто; нижнее гибкое крыло в процессе развертывания (фото из фондов музея авиации и космонавтики)
Жак Жери в кабине самолета Varivol, кажется, показывает на неподвижное крыло, на которое техник в белом халате положил руку. Оснащенное двойным слотом развернутое нижнее гибкое крыло было предвестником поистине революционных событий в мире авиации. Отметим на данном снимке обилие расчалок, которые укрепляли бипланную коробку, и большой люк в нижней части фюзеляжа, при открытии которого можно было развертывать и свертывать нижнее гибкое крыло … а также использовать в качестве отличного воздушного тормоза. Наконец, соединение гибкого крыла и задней кромки фиксированной части крыла (перед рукой техника) имело неровности, что нарушало поток и таким образом уменьшало создаваемую подъемную силу. Фото из фондов музея авиации и космонавтики
Жак Жери в кабине экспериментального самолета Varivol, Виллакублэ (фото из фондов музея авиации и космонавтики)
- удлинение крыла есть отношение размаха крыла к длине его средней хорды. При равном размахе более узкое крыло имеет большее удлинение. Крыло с бóльшим удлинением имеет меньшее индуктивное сопротивление, но его изготовление связано с размерами его консолей
- наиболее эффективным способом повредить шасси с носовой стойкой является посадка на все его опоры, чего Жак Жери знать не мог по причине малой распространенности в те времена шасси такого типа
- величина компенсации руля высоты (облегчение усилий на органы управления и повышение эффективности управления) могла быть получена с помощью вторичной сочлененной поверхности управления, расположенной на задней кромке основного руля направления, или путем изменения регулировки хвостового оперения (угол атаки стабилизатора). Последний метод в настоящее время используется на крупных самолетах
- см. Docavia № 3
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)
