История самолётов 1919 – 1945 - Д. Соболев

Труднее происходило введение убирающегося шасси на самолетах-истребителях, т. к., в отличие от пассажирских и транспортных машин, на многих из них еще применялось бипланное крыло, толщина которого была недостаточна для размещения там колес. Поэтому на первых истребителях шасси обычно приходилось убирать в фюзеляж, примерно как на описанном выше гоночном самолете Дайтон-Райт R В-1, В частности, такая схема уборки колес применялась на американских истребителях фирм Кертисс и Грумман, впервые поднявшихся в воздух в 1932 г. В СССР первыми истребителями с убирающимся шасси были И-М (АНТ-31), сконструированный П. О. Сухим под общим руководством А. Н. Туполева, и И-16 Н. Н. Поликарпова (оба — 1933 г. постройки). По сравнению с американскими, эти самолеты имели более совершенную схему с низкорасположенным свободнонесущим крылом, в которое и убиралось шасси.

Первое время летчики настороженно относились к описываемому новшеству, опасаясь, что в нужный момент механизм выпуска колес не сработает. По этой причине иногда делали так называемое полу убирающееся шасси или шасси «с подтягом». Например, на известном пассажирском самолете Дуглас DC-3, появившемся в 1935 г., колеса не до конца убирались в мотогондолы, выступая примерно на полметра. В результате в случае отказа механизма выпуска шасси пилот сажал бы самолет не на «брюхо», а на колеса.

Полуубирающееся шасси просуществовало недолго, т. к. выступающие колеса вызывали дополнительное сопротивление в полете. В 30-е годы в результате усовершенствования механизмов выпуска и уборки (они стали приводиться в действие электричеством, гидравликой или сжатым воздухом) и появления специальных «аварийных» систем выпуска вероятность отказа привода шасси стала очень мала, и к моменту начала второй мировой войны практически все военные и коммерческие самолеты имели полностью убираемое шасси.

История внедрения винтов изменяемого шага в практику самолетостроения имеет много общего с историей начала применения убирающегося шасси и закрылков. И то, и другое, и третье было изобретено еше на заре авиации, но вошло в практику только в 1930-е годы, когда скорость самолетов возросла настолько, что возникла насущная необходимость «перенастраивать» конструкцию в зависимости от режима полета. При этом внедрение нового происходило в условиях критики со стороны консервативно настроенных инженеров и ученых, считавших эти нововведения не только бесполезными, но и опасными.

Винтом изменяемого шага (ВИШ) называется пропеллер, лопасти которого могут поворачиваться вокруг продольной оси для изменения угла атаки, т. е. «шага» винта. В отличие от крыла, угол атаки лопасти зависит от числа оборотов двигателя и скорости полета. От того, насколько отличается этот угол от оптимального, зависят полезная мощность двигателя и тяга пропеллера. Стремление свести к минимуму это расхождение и улучшить тем самым тяговые характеристики силовой установки и привело к началу работ по замене винта с фиксированными лопастями винтом изменяемого шага.

Первые предложения о применении винта изменяемого шага на самолете появились еще в 70-е годы прошлого века [16, с. 35–36]. В 1910 г. русский техник-самоучка Л. В. Школин применил ВИШ на самолете собственной конструкции, но отсутствие средств не позволило ему довести эти работы до стадии летных испытаний [18, с. 44]. Были и другие проекты, но интереса они не вызвали: диапазон скоростей первых самолетов был очень небольшим, и использование винта изменяемого шага не привело бы к заметному улучшению летных качеств.

Во время первой мировой войны скорость и высота полета самолетов значительно возросли. Это послужило импульсом к применению ВИШ в авиации. В Германии в 1918 г. профессор Г. Рейснер установил пропеллеры с поворотными лопастями на многомоторном высотном бомбардировщике R-30. В Англии на Королевском авиационном заводе (RAF) в 1917–1918 гг. проводились опыты по применению ВИШ на однодвигательных самолетах ВЕ-2с и RE-8. Лопасти могли поворачиваться на угол 10°. Эксперименты с ВИШ велись также в Канаде и США[7, с. 72; 19, с. 258–259].

Летные исследования продемонстрировали аэродинамические преимущества винтов изменяемого шага. Вместе с тем выяснилось, что при увеличении мощности двигателей применяемый в те годы механический привод изменения угла установки лопастей из-за интенсивного износа быстро выходит из строя. Кроме этого, с ростом мощности силовой установки нагрузки на рукоятке управления шагом винта становились недопустимо велики.

Выход был найден в замене механического привода гидравлическим. Практические работы в этой области начались в Англии вскоре после войны. Их возглавили профессор Хеле-Шоу и Т. Бичем. В 1924 г. они получили патент № 250292 на гидравлический привод управления лопастями воздушного винта, причем изменение шага должно было происходить автоматически, в зависимости от режима полета при неизменных оборотах двигателя. Такой винт получил название ВИШ-автомат или винт постоянных оборотов.

Идея Хеле-Шоу и Бичема не встретила понимания и поддержки. Являясь приверженцами нескоростного самолета-биплана, английские авиаконструкторы не видели необходимости в отказе от обычного пропеллера. Так считали и многие ученые. Например, два крупнейших английских специалиста по проектированию воздушных винтов — Э. Лайнам из Авиационного научно-исследовательского института (R АЕ) и Г. Уотте (фирма Metal Propellers) были единодушны во мнении, что больший вес конструкции винта изменяемого шага сведет на нет все его аэродинамические достоинства [20].

Создание ВИШ типа Хеле-Шоу-Бичема задержалось также из-за ряда технических проблем. Для снижения весовых издержек предполагалось использовать пустотелые стальные лопасти, но они оказались недостаточно прочными, при испытаниях часто происходили поломки. Только после того, как их заменили на сплошные алюминиевые лопасти, неприятности прекратились. Неблагоприятно влияли на темп работ и финансовые трудности на фирме Глостер, взявшейся за внедрение конструкции Хеле-Шоу-Бичема в практику.

В результате всех этих неурядиц промышленный выпуск ВИШ-автоматов английской конструкции начался только в 1937 г. Начав первой, Англия в середине 30-х годов была вынуждена производить винты изменяемого шага по купленной в США лицензии.

Стимулом к разработке ВИШ в США послужило появление в конце 20-х годов скоростных монопланов. По сравнению с бипланами периода первой мировой войны и первых послевоенных лет диапазон скоростей этих самолетов был примерно в полтора раза больше. После применения в авиации закрылков разница между минимальной и максимальной скоростями еще больше возросла. В результате винт фиксированного шага, оптимизированный для взлетного режима, терял до 35–40 % своей мощности при полете на максимальной скорости, и наоборот, винт, спроектированный для режима V макс, работал с неполной тягой на взлете (рис. 2.3). Все это заметно сказывалось на скорости, скороподъемности, длине разбега и других характеристиках.

Пионером производства ВИШ в США стала фирма Гамильтон-Стандарт, одна из первых освоившая в 20-е годы выпуск металлических пропеллеров. Конструктор Ф. Колдуэлл, так же как и английские ученые, остановил свой выбор на ВИШ с гидроприводом, но для облегчения задачи решил изготовить пропеллер с ручной регулировкой шага. С помощью особой рукоятки летчик мог установить лопасти в два положения — взлет и горизонтальный полет. Благодаря упрощенной конструкции привода и поддержке со стороны американских авиафирм Колдуэлл, начавший работы на несколько лет позже, чем Хеле-Шоу и Бичем, уже в 1930 г. испытал свой пропеллер на самолете, а еще через два года был налажен серийный выпуск ВИШ фирмы Гамильтон-Стандарт. В 1933 г. такие пропеллеры стали устанавливать на двухмоторном пассажирском самолете Боинг-247. Это даю большой эффект: длина разбега сократилась на 20 %, скороподъемность увеличилась на 22 %, крейсерская скорость — на 5,5 %, высота полета при работе только одного двигателя возросла с 600 до 1200 м [7, с. 74]

Пример с Боингом был настолько впечатляющим, что с тех пор все американские авиаконструкторы скоростных самолетов стали применять винты изменяемого шага. Только за первый год производства Гамильтон-Стандарт выпустила около 1000 винтов изменяемого шага [7, с. 75]. В 1934–1935 гг. лицензии на производство ВИШ купили у нее фирмы Де Хевилленд в Англии. Испано-Сюиза во Франции, Юнкерс в Германии.

Рис. 2.3. Изменение полезной мощности при использовании различных типов винтов: 1 — винт фиксированного шага: 2,3 — винт изменяемого шага

В 1934 г. фирма Гамильтон-Стандарт произвела опытный образец ВИШ с автоматическим изменением положения лопастей и после двух лет испытаний и доводок начала их серийный выпуск. Автоматизация освободила пилота от утомительной необходимости регулировки режима работы мотора и винта, повысила точность выбора угла установки лопастей.