История самолётов 1919 – 1945 - Д. Соболев

Теория индуктивного сопротивления (или теория крыла конечного размаха) была разработана немецким ученым-аэродинамиком Л. Прандтлем в 1915–1917 гг. В условиях войны она не смогла получить широкого распространения. После того, как достижения немецких ученых стали достоянием мировой науки, она оказала глубокое влияние на проектирование самолетов. Известный советский аэродинамик Б. Н. Юрьев, первым в СССР начавший изучение и популяризацию теории индуктивного сопротивления, так отзывался о ее значении: «В настоящее время она обратилась в важнейший раздел прикладной аэродинамики. Ее успех объясняется многими причинами. Во-первых, эта теория дала четкие ответы на целый ряд фундаментальных вопросов, интересующих авиаконструктора: какова наивыгоднейшая форма крыла, как влияют друг на друга крылья биплана, каково влияние крыльев на хвост самолета, насколько точны опыты в аэродинамических трубах, как влияют стенки трубы на результаты опытов и т. д. Во-вторых, эта теория привлекает инженеров своей простотой и наглядностью» [67. с. 3].

Распространение теории индуктивного сопротивления оказало большое влияние на развитие конструкции самолетов. В частности, осознание конструкторами взаимосвязи удлинения крыла и подъемной силы привело к середине 20-х годов к полному отказу от самолетов с тремя и более крыльями, способствовало распространению схемы моноплан в тяжелой авиации.

В 20-е годы прошла экспериментальную проверку и получила дальнейшее развитие теория пограничного слоя, основы которой Л. Прандтль создал еще до первой мировой войны. Многочисленные опыты показали, что возможны два вида обтекания тела потоком — турбулентное и ламинарное. В первом случае поток представляет собой систему вихрей, во втором случае линии тока параллельны омываемой потоком поверхности, причем скорость потока уменьшается по мере приближения к поверхности; коэффициенты трения в случае ламинарного или турбулентного обтекания существенно отличаются. Теория, подтвержденная тонким экспериментом, сумела объяснить природу срыва потока: было установлено, что это явление происходит при превышении критической толщины пограничного слоя, когда из-за большого градиента давлений воздушный слой отрывается от поверхности крыла. Связь теории с практикой прежде всего проявилась в совершенствовании форм предкрылков, капотов. Позднее, в 30-е годы, развернулись работы по созданию средств управления пограничным слоем, появились так называемые ламинарные профили. Подробнее об этом будет рассказано в четвертой главе.

Мировой опыт проектирования авиационных профилей, накопленный в годы первой мировой войны и в первые послевоенные годы нашел воплощение в виде атласов профилей, на основе которых разработчики самолетов могли заранее выбрать оптимальный для их целей тип крыльевого профиля. В СССР первый такой справочник появился в 1932 г. [68].

К началу 20-х годов типичными профилями были выгнутые, отмечалось увлечение профилями Жуковского типа инверсии параболы. Однако к середине этого десятилетия недостатки профилей большой кривизны — значительное перемещение центра давления в зависимости от угла атаки, большое С% проф — были признаны достаточно серьезными, и началось применение более «спокойных» плоско-выпуклых профилей типа Геттинген-436 и Кларк-Y. Появились lаже профили, в которых положение центра давления практически не менялось с изменением угла атаки. Они получили название безмоментных профилей.

Исследование характеристик крыльевых профилей велось в аэродинамических трубах. В годы первой мировой войны лучшей была аэродинамическая труба Геттингенского института (Германия). Она имела круглое сечение с диаметром рабочей части 2,26 м, максимальная скорость потока составляла 58 м/с. Посте войны появились более совершенные трубы. Построенная в ЦАГИ в 1926 г. труба имела максимальное поперечное сечение рабочей части 6 м и скорость потока 30 м/с; при уменьшении сечения до 3 м скорость достигала 75 м/с. В то время это была самая большая аэродинамическая труба в мире. В 1927 г. в лаборатории им. Ленгли НАКА (NACA — Совещательный комитет по аэронавтике США, аналог нашего ЦАГИ) воздвигли трубу диметром 6,1 м со скоростью потока 47 м/с [73, с. 41–45]. Она предназначалась, главным образом, для испытаний натурных воздушных винтов и изучения их влияния на сопротивление мотогондолы, крыла и фюзеляжа.

Принципиальным новшеством в развитии авиационного экспериментального оборудования стало создание аэродинамической трубы переменной плотности. Благодаря применению сжатого воздуха удавалось изменять число Рейнольдса[15] и таким образом достичь большей достоверности результатов. Идея создания такой трубы принадлежит немецкому ученому М. Мунку, после первой мировой войны переехавшему в США. Первая труба переменной плотности была построена в 1923 г. в НАКА [74, с. 21].

Изучение характеристик крыльев и разработка профилей с более стабильными моментными характеристиками способствовали улучшению устойчивости самолетов. Теория индуктивного сопротивления позволила численно оценить влияние крыла на работу хвостового оперения, в результате выбор параметров последнего дел алея уже не эмпирически, а на научной основе. К концу 20-х годов одно из непременных условий устойчивости — передняя центровка — стало общеизвестным в самолетостроении, появилось понятие запаса устойчивости [69]. Раньше это часто не соблюдалось. Например, первый советский истребитель-моноплан ИЛ-400, потерпевший аварию при испытаниях в 1923 г., имел центровку 52 % средней аэродинамической хорды [20, с. 328].

Изучение явления штопора самолета, начатое в годы войны, приобрело большую актуальность в 20-е годы. По мере характерных для развития авиации увеличения нагрузки на крыло самопроизвольный штопор случался все чаше. Экспериментальные и теоретические исследования позволили выявить целый ряд факторов, влиявших на склонность самолета к штопору — положение центра тяжести, профиль крыла, расположение и площадь рулей и оперения и др. [70; 71 |. В результате были разработаны некоторые общие конструктивные рекомендации, однако никаких определенных указаний по проектированию отдельных типов самолетов выработать не удалось, т. к. выбор схемы и даже незначительные изменения в конструкции иногда очень сильно влияли на характер протекания штопора.

В основу прочностных расчетов самолетов были положены нормы прочности, разработанные в Германии в 1916–1918 гг. Созданные на основе замера сил, действующих на самолет в полете, они регламентировали запас прочности в зависимости от типа самолета и вида нагрузки. После войны в разных странах (Англия, СССР, США, Франция) проводилось уточнение норм путем летных экспериментов и более детальной разбивки самолетов по группам, было введено общепринятое сейчас понятие «коэффициент безопасности» [72]. Расчет на прочность основывался на общеинженерных методах расчета ферменных конструкций, участие обшивки в восприятии нагрузок не принималось во внимание, даже если это была металлическая обшивка.

По мере развития скоростных качеств самолетов и уточнения действующих на самолет нагрузок расчетная величина разрушающей перегрузки постоянно возрастала: 1912 г. — 3; 1914 г. — 4; 1918 г. — 8; 1923 г. — 12 [72]. Однако постепенно совершенствующаяся методика статического расчета позволила сохранить относительный вес конструкции в пределах 0,30-0,35.

Обобщение и развитие научных данных, полученных в годы первой мировой войны, оказало существенное воздействие на прогресс самолетостроения. Если в начале века проводился лишь проверочный расчет — полетит ли самолет, то позднее в практику конструкторской работы вошел предварительный аэродинамический расчет. Это оказало влияние на выбор схемы и параметров самолета, типа и мощности двигателя и т. д. Эмпирический подход в конструировании начал уступать место научно-обоснованному проектированию.

Как известно, основной дилеммой для авиаконструктора является выбор соотношения между весом и аэродинамикой летательного аппарата. Оба фактора имеют большое влияние на летные характеристики самолета. Однако, если улучшение полетных свойств благодаря уменьшению веса конструкции не зависит от скорости, то влияние аэродинамического «облагораживания» пропорционально квадрату скорости воздушного потока: сх = kV2. В 20-е годы скорость самолетов составляла 200–300 км/ч, и меры, направленные на улучшение внешних форм, сравнительно мало сказывались на технических характеристиках. Например, уменьшение коэффициента лобового сопротивления на 20 %, требующее дополнительных усилий и затрат и ведущее к увеличению веса планера самолета, давало прирост в скорости только на 25–30 км/ч. Поэтому не удивительно, что в рассматриваемый период выбор вес — аэродинамика делался в пользу веса, и плохообтекаемые расчалочные бипланы доминировали над более обтекаемыми, но более тяжелыми свободнонесущими монопланами. Даже специальные гоночные самолеты в 20-е годы часто делали по бипланной схеме. Принципы конструирования аэродинамически совершенного самолета были хорошо известны [75], но они интересовали больше ученых-аэродинамиков, чем конструкторов-практиков.