История самолетов 1919 – 1945 - Д. Соболев

В 20-е годы в авиации широко использовались звездообразные двигатели воздушного охлаждения. Благодаря применению новых материалов и улучшению формы оребрения цилиндров удалось создать стационарные моторы большой мощности – свыше 500 л.с. По сравнению с двигателями водяного охлаждения они имели меньший удельный вес, были проще по конструкции, дешевле. Недостатком двигателей воздушного охлаждения являлось большое аэродинамическое сопротивление из-за выступающих в поток плохообтекаемых цилиндров с оребрением и большего миделя такого мотора. Так, коэффициент лобового сопротивления звездообразного двигателя "Юпитер-6" равнялся 0,760 [11, с. 247], тогда как для мотора с водяным охлаждением эта величина составляла только 0,045 (Испано-Сюиза 12 Ybrs) 112, с. 419].

В начале 20-х годов, когда скорость большинства самолетов не превышала 200 км/ч, с этим недостатком двигателя воздушного охлаждения еще можно было мириться. Однако по мере роста скорости летательных аппаратов и облагораживания их внешних форм доля аэродинамического сопротивления звездообразных двигателей стала весьма заметной. Попытки улучшить обтекаемость путем установки обтекателя на корпус коленвала и основания цилиндров (истребители Бристоль "Бульдог", И-5 и др.) не дали большого результата, т.к. основным источником сопротивления являлись оребренные головки цилиндров.

Во второй половине 20-х годов проводились опыты по применению индивидуальных обтекателей цилиндров (самолеты Блекберн "Линкок", Авиа ВН-33, Боинг Р-12). Однако этот способ оказался малоэффективным – Схо снизился только на 7 % 111, с. 247 |. К тому же, установка обтекателей за цилиндрами нередко приводила к перегреву двигателя.

Успех был достигнут на пути создания кольцевых капотов, полностью закрывающих двигатель. Напомню, что в эпоху применения ротативных двигателей такие капоты с вырезом в нижней части для обдува воздухом вращающихся цилиндров применяли на многих самолетах. В 20-е годы ротативные двигатели заменили стационарными и для надежного охлаждения цилиндров от капотов пришлось отказаться. Правда, в 1922 г. американский авиаконструктор В. Кларк применил цилиндрический капот-обтекатель на гоночном самолете Дайтон-Райт XPS-1 с двигателем воздушного охлаждения [7, с. 62], но из-за недоведенности двигателя испытания самолета были неуспешными.

В 1927 г. сотрудник Национальной физической лаборатории (NPL) в Англии Г. Тауненд занимался изучением обтекания тел, наподобие фюзеляжа-монокока или корпуса дирижабля. Он обнаружил, что при расположении кольцевой поверхности у передней части исследуемого тела суммарное аэродинамическое сопротивление уменьшается. Проходя через кольцо, поток ускорялся, а увеличение скорости обтекания препятствовало преждевременному отрыву потока и образованию вихрей. На основе этого открытия он разработал конструкцию обтекателя цилиндров звездообразного двигателя в форме узкого кольца. Этот тип капота получил название "кольцо Тауненда".

Применение кольца Тауненда позволяло уменьшить сопротивление двигателя примерно на 15 % [11, с. 248], при этом не возникало проблем с перегревом силовой установки. В 1930-1931 гг. обтекатели Тауненда были приняты в самолетостроении многих стран.

Одновременно с Таунендом изучением наилучшей формы обтекателя для авиационного двигателя воздушного охлаждения занимался американский экспериментатор Ф. Вейк. В результате опытов в натурной аэродинамической трубе в одном из научных центров НАКА в 1927 г. он нашел форму капота, позволявшую почти вдвое уменьшить лобовое сопротивление двигателя [11, с. 248]. Этот тип капота получил известность как капот НАКА. В отличие от кольца Тауненда, он полностью закрывал двигатель (рис. 2.1).

Капотирование двигателей воздушного охлаждения позволило уменьшить коэффициент лобового сопротивления силовой установки до величины того же порядка, что и на двигателях с водяным охлаждением. Вместе с тем. двигатели воздушного охлаждения были проще, легче, надежнее и дешевле, чем двигатели водяного охлаждения, т.к. отсутствовала водяная рубашка, радиатор и другие агрегаты системы охлаждения, не надо было заботиться о дол иве или замене охлаждающей жидкости, не было опасности остановки в полете двигателя из-за неисправности в системе охлаждения. Все это предопределило преобладающее использование звездообразных двигателей воздушнот охлаждения в авиации в 30-е годы.

Надо сказать, что вначале нашлось немало специалистов, которые были против применения капота НАКА на самолетах. Говорили, что установка капота ограничит обзор из кабины пилота, возникнут трудности с осмотром и ремонтом двигателя [13. с. 15]. Нередко предпочтение отдавалось применению кольца Тауненда, хотя аэродинамическая эффективность капота НАКА была намного выше. Но. как всегда случается, практический опыт победил эмоции и предположения. В 1929 г. капот НАКА с успехом прошел испытания на одномоторном почтово-пассажирском самолете Локхид "Вега" 5С, которые показали беспочвенность приведенных выше опасений. Благодаря закрытому капотом двигателю этот самолет обладал очень малым аэродинамическим сопротивлением (Схо=0.0278), что позволило пилоту Ф. Хоуку выполнить на "Веге" беспосадочный перелет через Соединенные Штаты от одного берега до другого за рекордно короткое время – 18 часов 13 минут [13, с. 16].

При попытке закапотировать двигатели на многомоторных самолетах конструкторы и ученые столкнулись с неожиданной проблемой. Когда капоты НАКА установили на трехмоторном пассажирском "Форде", выяснилось, что это мероприятие практически никак не повлияло на аэродинамическое сопротивление машины. Аэродинамические опыты в трубах показали, что капотирование дает положительный эффект только в том случае, если двигатель расположен в носу фюзеляжа или на передней кромке крыла(16*) . Этот вывод оказал влияние на принципы проектирования будущих многомоторных самолетов.

К середине 30-х годов капоты НАКА стали непременной частью конструкции военных и пассажирских самолетов. Благодаря капотированию двигателей воздушного охлаждения максимальная скорость полета возросла на 6-10 %.

16* На самолете Форд "Тримотор" два мотора находились под крыльями, см. рис. 1 50.

Рис.2.1. Схема работы кольца Тауненда (а) и капота НАКА (б)

В период первой мировой войны 1914- 1918 гг. и в первые послевоенные годы из-за плохих аэродинамических форм самолетов доля сопротивления шасси в общем сопротивлении летательных аппаратов была невелика – 10-15 %. Потеря скорости из-за выступающих под фюзеляж колес составляла 3-5 %, т.е. 3-7 км/ч при VK p=100-150 км/ч [14, с. 38]. Однако по мере улучшения внешних форм самолетов общая величина Сxо уменьшилась с 0,04-0,05 до 0,025-0,030; и доля сопротивления шасси в общем аэродинамическом сопротивлении увеличилась до 20-25 %. Поэтому авиаконструкторы занялись разработкой мер по снижению лобового сопротивления взлетно-посадочного устройства.

Первым шагом в усовершенствовании внешних форм шасси был переход от схемы с неразрезной осью к шасси пирамидального типа, в которых общая поперечная ось отсутствовала. Но расположенные в потоке стойки с амортизаторами и колеса по- прежнему служили источником большого сопротивления. Поэтому на шасси начали устанавливать обтекатели: вначале на стойки, а затем и на колеса. Одними из первых самолетов с обтекателями колес были американские Локхид "Сириус" и "Вега" (1930 г.). В начале 30-х годов обтекатели колес стали применяться на спортивных самолетах: АИР-7 А. С. Яковлева и американском гоночном Веделл-Вильямс-44, а также на военных машинах (истребитель И-5 Н. Н. Поликарпова и др.). Установка обтекателей на шасси безосного типа позволила уменьшить сопротивление последнего на 25 -30 % [15, с. 53].

Однако окончательное решение проблемы могло быть получено только в случае применения убирающегося в полете шасси. Ведь шасси используется только на коротком этапе взлета и посадки, все остальное время оно является источником ненужного сопротивления.

Идея убирающегося шасси возникла много веков назад – естествоиспытатели древности могли видеть, что птица, поднявшись в воздух, подтягивает вверх лапки и прижимает их к телу. Еще в XVI веке Леонардо да Винчи в проектах орнитоптеров предлагал убирать опоры после валета. В XIX столетии убираемое шасси предусматривалось в проектах самолетов Ф. дю Тампля, А. Пено, С. С. Неждановского и др. [16].

Однако на практике все было намного сложнее. Во-первых, надо было найти место куда убирать колеса и стойки. Во-вторых, требовалось обеспечить высокую надежность работы механизма уборки и выпуска шасси, ведь от этого зависела безопасность полета: посадка с невыпущенными колесами или, еще хуже, приземление с только одним выпущенным колесом была чревата самыми тяжелыми последствиями. Наконец, в-третьих, наличие механизма уборки и выпуска вело к увеличению общего веса конструкции, росту стоимости самолета, и надо было быть уверенным, что эти издержки оправдают выгоды от применения убирающегося шасси.