История самолетов 1919 – 1945 - Д. Соболев

Пионером новых форм в самолетостроении стал американский конструктор Д. Нортроп. В 1927 г. он, работая на фирме Локхид, создал почтово-пассажирский самолет "Вега". Самолет имел свободнонесушее крыло и монококовый фюзеляж с фанерной обшивкой. Применение круглого фюзеляжа-монокока позволяло при тех же габаритных размерах примерно в полтора раза уменьшить площадь миделевого сечения по сравнению с распространенным тогда фюзеляжем с плоскими стенками, минимизировать величину "смачиваемой" поверхности и. в результате, уменьшить коэффициент лобового сопротивления самолета. "Вега" с успехом принимала участие во многих состязаниях, строилась в серии [5, с. 482].

В начале 30-х годов появились первые металлические самолеты с гладкой работающей обшивкой – Нортроп "Альфа", Локхид "Сириус" и др. В отличие от "Веги", они имели пол у монококовую конструкцию: тонкий металлический лист требовал больше стрингеров, нервюр и шпангоутов, чем более жесткая фанерная обшивка. Из-за отсутствия гофра аэродинамическое качество этих самолетов было намного выше, чем у пассажирских "Юнкерсов" и "Фордов" 20-х годов.

Таблица 2.1. Сравнительные характеристики некоторых пассажирских самолетов

Применение работающей обшивки позволило уменьшить относительную толщину свободнонесущего крыла. Воспринимающая изгибные напряжения обшивка дала возможность разгрузить лонжероны, а это означало, что при той же толщине полок строительная высота лонжерона, определявшая толщину крыла, могла быть уменьшена. В 30-е годы относительная толщина профиля монопланного крыла уменьшилась с 18-22 % до 14-15 %. Таким образом, внедрение работающей обшивки в авиастроении способствовало уменьшению как сопротивления трения, так и профильного сопротивления крыла.

***

Переход к более совершенным аэродинамическим формам самолетов обеспечил повышение их характеристик в полете, однако одновременно возникли трудности при заходе на посадку. С увеличением аэродинамического качества посадочная глиссада становилась все более пологой, а это создавало сложности при расчете точки касания аэродрома, затрудняло посадку в случае, если аэродром окружали горы, высокие деревья или здания. Таким образом выяснилось, что даже такая безусловно желательная величина как аэродинамическое качество имеет свои неблагоприятные стороны.

Поэтому на самолетах начали применять специальные поверхности на крыле для увеличения подъемной силы и лобового сопротивления при посадке. Аэродинамическое качество при отклоненных посадочных поверхностях снижалось, траектория посадки становилась более крутой, и приземлить самолет было проще.

Таблица 2.2. Влияние посадочной механизации на аэродинамические характеристики крыла [11,с. 148-149]

Самым ранним типом посадочной механизации является обычный (нещелевой) закрылок. Он появился как видоизменение элерона. При отклонении вниз закрылок повышает подъемную силу и сопротивление крыла за счет увеличения кривизны профиля. Первые опыты с такими устройствами проводились в Англии еще до первой мировой войны. В 1914-1916 гг. в России Ф. Ф. Терещенко вел работы по созданию самолета с изменяемой кривизной задней части профиля крыла [6. с. 121 -122]. Эксперименты показали прирост подъемной силы при отклонении закрылка, однако в те годы необходимости в посадочной механизации еще не было, и эксперимент так и остался экспериментом.

Как уже известно читателю, вскоре после первой мировой воины были изобретены щелевые предкрылки, позволившие улучшить срывные характеристики самолета. Это изобретение привело к появлению нового вида закрылка – щелевого. Опыты со щелевым закрылком начались практически одновременно в двух странах – Англии (Г. Хилл, фирма Хендли-Пейдж, 1920 г.) и Германии (О. Мадер, фирма Юнкерс. 1919-1921 гг.) [7, с. 81]. Благодаря дополнительной циркуляции эффективность щелевого закрылка была выше, чем обычного, особенно в случае крыла толстого профиля. Но нагрузки на крыло в начале 20-х годов были небольшие, аэродинамическое качество – невысокое и нужды в посадочной механизации не было. Хотя компания Юнкерс начала эксперименты со щелевыми закрылками сразу после войны. впервые такой закрылок появился на самолетах этой фирмы только в 1930 г. (Ju-52).

Одновременно с появлением щелевых закрылков в начале 20-х годов в США был изобретен расщепляющийся закрылок или щиток. Авторы этой конструкции – О. Райт и Д. Якобе [7, с. 82]. По степени увеличения коэффициента подъемной силы щиток занимал промежуточное место между обычным и щелевым закрылками. Однако он был проще но конструкции и легче по весу, а благодаря образованию разрежения за щитком после его раскрытия создавался значительный прирост воздушного сопротивления, что и требовалось для облегчения посадки на пассажирских самолетах с совершенными аэродинамическими формами.

В начале 30-х годов посадочные щитки были установлены на американских монопланах Нортроп "Гамма" и Локхид "Вега". Вскоре они стали применяться на самолетах других стран. В СССР впервые это сделали в 1933 г. в качестве эксперимента, расположив щитки вдоль задней кромки крыла легкого самолета А. С. Яковлева АИР-4. В годы второй мировой войны посадочные шитки имелись на большинстве наших боевых самолетов [4, с. 361].

С переходом на металлическую работающую обшивку вес конструкции возрос, т.к. для восприятия всего разнообразия нагрузок толщина металлического листа должна была быть больше, чем в случае гофрированной обшивки. Для компенсации этого недостатка конструкторы шли на уменьшение площади крыла. Однако увеличение нагрузки на площадь неизбежно вело к росту посадочной скорости. Поэтому с начала 30-х годов от посадочной механизации требовалось не столько уменьшение аэродинамического качества, сколько создание дополнительной подъемной силы.

Новое требование предопределило применение в авиации в 30-е годы так называемых закрылков Фаулера. Специфика этого приспособления заключалась в том, что закрылок выдвигался из крыла, создавая таким образом прирост подъемной силы не только за счет увеличения кривизны профиля, но и за счет увеличения площади крыла. В результате улучшения несущих свойств Су крыла оказывалось заметно больше, чем при применении других видов посадочной механизации.

X. Фаулер, американский инженер и изобретатель, пришел к окончательному варианту выдвижного закрылка в 1924 г. В 1927-1929 гг. он на собственные средства испытал свое изобретение на самолетах. Было установлено, что выдвижной закрылок с относительной хордой и размахом соответственно 40 % и 60 % увеличивает площадь крыла на 22 % и обеспечивает Су макс = 2,82 [8]. Однако из-за отсутствия большой потребности в увеличении Су нос в те годы и сложности закрылков Фаулера по сравнению с другими типами посадочной механизации эти эксперименты не вызвали особого интереса. Только несколько лет спустя, когда аэродинамические продувки и летные испытания подтвердили, что закрылки Фаулера являются наиболее эффективным средством увеличения подъемной силы и, когда было установлено, что при небольших углах отклонения они обладают малым сопротивлением и, следовательно, могут использоваться не только при посадке, но и при взлете, этот вид механизации крыла нашел применение в самолетостроении. Первыми серийными самолетами с закрылками Фаулера были немецкие Физилер Fi-97 (1934 г.) и Мессершмитт Ме-108 (1934 г.), а также двухмоторный американский самолет Локхид-14 (1937 г.).

По образцу закрылков Фаулера в СССР в ЦАГИ в 1936 г. был разработан выдвижной закрылок. Он отличался отсутствием направляющих в механизме выдвижения и уборки, что, по мнению разработчиков, должно было обеспечить большую надежность этого посадочного устройства |9 J. Выдвижной закрылок ЦАГИ применялся на известном советском бомбардировщике периода второй мировой войны Пс-2 и ряде экспериментальных военных самолетов 1939-1942 гг.

Особенно большой эффект посадочные закрылки давали в сочетании с отклонением предкрылков. Это было установлено во время конкурса на самый безопасный самолет, проводившегося в США в 1929 г. по инициативе Д. Гуггенхейма. Победитель этих состязаний, самолет Г. Кертисса "Танеджер", имел посадочную скорость при отклоненных закрылках и предкрылках всего 48 км/ч, при максимальной скорости полета 180 км/ч [10, с. 148].

Посадочная механизация крыла является одним из примеров преждевременных изобретений в авиации. Появившись еще до первой мировой войны, она получила распространение только через два десятилетия, когда возникла необходимость изменять аэродинамические свойства крыла в зависимости от режима полета. С середины 30-х годов щитки и закрылки стали обычными компонентами тяжелых многомоторных самолетов, часто применялись и на одномоторных машинах.