Авиация и космонавтика 2003 11

Дмитрий СОБОЛЕВ

ПЕРВЫЙ ПОЛЕТ – НЕ ПРОСТО УДАЧА

Американские механики-самоучки Уилбер (1867-1912) и Орвилл (1871- 1948) Райты заинтересовались авиацией в последние годы прошлого века. Это было время стремительного технического прогресса. Однако до осуществления одной из самых дерзновенных идей человека – построить машину для полета по воздуху – было, как казалось тогда, еще очень далеко. Неудачей закончились испытания самолетов с паровыми двигателями, построенных А. Ф. Можайским в России, К. Адером во Франции, X Максимом в Англии. Трагическими оказались эксперименты первых планеристов: в 1896 г. в Германии разбился во время полета на самодельном балансирном планере О. Лилиенталь, три года спустя та же судьба постигла его английского последователя П. Пильчера. Одним из немногих, кто продолжал интересоваться планером в конце XIX века, был американский инженер О.Шанют. Он усовершенствовал конструкцию балансирных планеров Лилиенталя, сделал ее более рациональной. Но большинство энтузиастов авиации направили свои усилия на создание воздухоплавательных летательных аппаратов.

К счастью, прогресс основан на том, что отдельные неудачи не могут окончательно остановить развитие перспективной идеи и, в конце концов, она побеждает. Именно гибель Отто Лилиенталя (точнее, сообщения об этом событии в прессе) зародила в братьях Райт интерес к авиации, что через несколько лет напряженной работы привело к созданию первого удачного самолета.

Первое время Уилбер и Орвилл Райты, жившие в небольшом городе Дайтоне, штат Огайо, и работавшие механиками в собственной велосипедной мастерской, просто читали все, что им удавалось достать из авиационной литературы, а потом подолгу обсуждали, какой должна быть будущая «летательная машина», как избежать ошибок их предшественников.

Наконец в 1900 г. братья Райт занялись конструированием летательных аппаратов. Надо сказать, что в это время их замыслы не распространялись далее освоения планерных полетов. Крыло своего будущего планера они решили сделать по образцу американского планера-биплана О. Шанюта, но на этом сходство между аппаратами заканчивалось. Планер братьев Райт не имел хвостового оперения, пилот располагался лежа на нижнем крыле, принципиально иным был метод управления. Выступая на заседании Западного общества инженеров в Чикаго в 1901 г., У. Райт так объяснял эти нововведения: «После долгих размышлений мы в конце концов пришли к выводу, что хвостовое оперение скорее является источником неприятностей, нежели помогает, и решили поэтому совсем отказаться от его применения. Логично предположить, что если планериста расположить в полете горизонтально, а не вертикально, как на аппаратах Лилиенталя, Пильчера и Шанюта, то аэродинамическое сопротивление может быть очень заметно уменьшено… Кроме того, используемый Лилиенталем метод управления который перемещении тела летчика, казался нам недостаточно эффективным; поэтому после длительных обсуждений мы придумали комбинацию, сoстоящую из двух больших поверхностей, как но планере Шанюта, и меньшей поверхности, размещенной на небольшом расстоянии впереди в таком положении, что действие ветра на нее будет компенсировать влияние перемещения центра давления основных поверхностей. Благодаря этому изменения в направлении и скорости ветра будут оказывать небольшое возмущающее воздействие и от планериста потребуется только управлять машиной, что достигается изгибом передней поверхности вверх или вниз».

Плонер-моноплон О Лилиенталя после катастрофы, в которой погиб его конструктор

Планер О Шанюта, 1896 г.

О. и У.Райт испытывают свой первый планер. Китти-Хоук, 1900 г

Однако важнейшим новшеством в конструкции летательного аппарата, о котором Уилбер не упомянул в докладе, была система поперечного управления за счет перекашивания крыла Увеличение угла атаки на одном конце крыла и одновременное его уменьшение на другом создавало управляющий момент, необходимый для выравнивания кренов и для маневрирования в полете Это был прообраз современного элеронного управления.

Данный способ управления планером братья Райт «подсмотрели» у птиц. «Мои наблюдения за полетом сарычей привели меня к убеждению, что они восстанавливают боковое равновесие в случае, когда порыв ветра нарушает его, с помощью крутки концов крыльев. Если задняя кромка конца правого крыла закручивается вверх, а левая – вниз, птица становится как бы живой мельницей и сразу же начинает поворачиваться вокруг оси, представляющей собой линию от ее головы к хвосту», – записал У. Райт в своем дневнике.

Прежде чем применить новый способ управления на планере, Райты испытали его на воздушном змее и остались довольны действием системы перекашивания крыла.

Первый планер братья Райт построили летом 1900 г. Он имел размах 5,2 м и весил 22 кг. Основным материалом его, как и всех последующих конструкций Райтов, была сосна, обшивка – полотно Двухлонжеронное крыло имело своеобразный профиль, сильно искривленный впереди и почти плоский сзади. Это, как полагали конструкторы, позволяло придать большую стабильность положению центра давления.

Стрела прогиба профиля составляла 1/23 длины хорды.

Испытания планера проходили осенью 1900 г. в уединенном местечке Китти Хоук на побережье Атлантического океана. Мягкая песчаная почва и постоянно дующие ветры делали его очень удобным для полетов. Аппарат с человеком на борту должен был запускаться на привязи, как воздушный змей. Благодаря такому методу испытаний братья Райт надеялись получить хорошую практику в управлении, не подвергая себя при этом опасности.

Однако этим планам не дано было осуществиться Подъемная сила крыла оказалась значительно меньше, чем ожидалось, и силы ветра было недостаточно, чтобы поднять человека в воздух. Поэтому аппарат испытывался почти всегда беспилотно, управляемый с земли Непродолжительные полеты с человеком удавались только при планирующих спусках с возвышенностей после предварительного разбега навстречу ветру. Так как пилот лежал на крыле и поэтому не мог участвовать в разбеге, планер разгоняли до скорости отрыва два ассистента, поддерживающие аппарат за крыло.

Из-за недостаточной подъемной силы крыла общее время нахождения братьев Райт в полете за «полевой сезон» 1900 г. составило всего около 2 минут. Этого было, конечно, слишком мало, чтобы сделать окончательные выводы об особенностях летательного аппарата и приобрести необходимые навыки пилотирования Поэтому в 1901 г Райты построили новый планер, больших размеров. Площадь его крыла равнялась 27 м 2 , размах – 6,7 м, вес – 45 кг. Кривизна профиля была увеличена до 1/12. Система управления осталась той же, за исключением того, что перекашивание крыла осуществлялось теперь не отклонением ручки, а перемещением вбок деревянной рамки, управляемой движением бедер лежавшего на крыле человека.

Испытания нового планера начались в Китти Хоук в июле 1901 г. На этот раз аппарат испытывался только в свободном полете. Как и при экспериментах предыдущего года, достигнутые результаты были намного хуже ожидаемых. Угол снижения в полете составлял 10-13° вместо 3° по расчетам. Кроме того выявился ряд серьезных недостатков в управлении. Одним из них была малоэффективность, а иногда и реверс действия переднерасположенного руля высоты. Кок выяснилось, это было вызвано аномальным перемещением центра давления крыла сильно изогнутого профиля на малых углах атаки (назад, по мере уменьшения угла атаки). Данный дефект удалось устранить уменьшением кривизны профиля.

У Райт в полете на планере образца 1901 г.

Иногда случались аварии, но благодаря небольшой высоте полетов и мягкой песчаной почве все оканчивалось благополучно

Третий, самый удачный планер братьев Райт

Другим труднообъяснимым явлением была обратная реакция планера на перекашивание крыла. «Мы обнаружили, – писал У Райт О. Шанюту в августе 1901 г., – что наш аппарат ни при каких обстоятельствах не поворачивает в сторону опущенного крыла. Этот очень неожиданный результат опрокидывает все наши теории о методе выполнения разворотов». В данном случае братья Райт впервые столкнулись с хорошо известным сейчас эффектом неблагоприятного момента рыскания при отклонении элеронов или перекашивании крыла. Он объясняется возникновением на конце крыла с увеличенным местным углом атаки дополнительного аэродинамического сопротивления, стремящегося развернуть аппарат в нежелательном направлении.

За время опытов 1901 г. Райты, поочередно пилотируя планер, выполнили несколько сотен полетов! Максимальная дальность планирования составила 118 м Однако изобретатели были еще далеки от окончательного успеха. Несмотря на все меры, принятые для улучшения планирующих свойств и управляемости планера, летательный аппарат 1901 г. не обладал заметными преимуществами перед балансирными планерами прежних лет.

Первый по-настоящему удачный планер был создан братьями Райт в 1902 г. Его постройке предшествовали интенсивные исследования профилей и формы крыла в сконструированной ими же аэродинамической трубе. Это позволило сделать ряд усовершенствований, повысивших аэродинамическое качество нового летательного аппарата. Важнейшим из них было применение крыла значительно большего удлинения (6,4 вместо 3, как на планерах 1900 и 1901 гг.), а также изменение профиля крыла. В результате аэродинамическое качество возросло примерно в полтора раза.

Большое значение имело и усовершенствование системы бокового управления. Убедившись в невозможности контролировать направление полета только с помощью перекашивания крыла, Райты установили на новом планере за крылом вертикальное оперение. Первоначально оно было неподвижным и состояло из двух плоскостей, расположенных параллельно друг другу. Вскоре, однако, выяснилось, что эта мера не устраняет нежелательный момент рыскания при перекашивании. Поднятое крыло по-прежнему противодействовало повороту, усиливался крен и возникала реальная опасность неуправляемого скольжения; в одном из полетов О. Райт потерпел из-за этого аварию.

Выход был найден в замене неподвижного вертикального стабилизатора подвижным, кинематически связанным с системой перекашивания крыла так, что руль направления автоматически поворачивался в сторону крена. Благодаря этому скомпенсировалась разница в сопротивлении опущенного и поднятого крыла и появилась возможность совершать правильные развороты с креном. Данное техническое решение было запатентовано братьями Райт в марте 1903 г.

На планере с усовершенствованной системой управления братья Райт в 1902 г. выполнили около 1000 полетов Общее время нахождения в воздухе составило 4 часа. Лучший полет имел дальность 190 м и продолжался 22 секунды. В следующем году рекордная продолжительность полета была увеличено до 70 секунд. Несмотря на большие размеры (размах крыла 10 м, площадь 30,5 м 2 ), планер надежно управлялся даже при сильном ветре. О. Шанют, присутствовавший при полетах, отметил превосходство аппарата братьев Райт над всеми построенными ранее планерами.

Следующим логическим шагом было создание на основе планера самолета. В конце 1902 г. братья Райт поделились этим замыслом с Шанютом. Они писали: «Мы намерены в следующем году построить значительно большую и примерно вдвое более тяжелую машину, чем наш настоящий аппарат На ней мы будем изучать проблемы старта и управления тяжелым аппаратом, и, если найдем его хорошо управляемым в полете, мы установим на нем двигатель». Вскоре, однако, было решено сразу строить самолет, не теряя времени на испытания его безмоторного варианта.

Решение о создании самолета наложило заметный отпечаток на характер деятельности изобретателей. Если вначале Райты относились к полетом на планерах как к спорту и регулярно знакомили общественность со своими достижениями, то, начав работу над самолетом, они постарались по возможности засекретить сведения о его конструкции, понимая, что первенство в решении проблемы моторного полета принесет им известность и состояние. По этой причине они уклонились от обсуждения деталей своей конструкторской деятельности с американским ученым и изобретателем С. Ленгли, также занимавшимся строительством самолета, отказали в визите в Китти Хоук французскому планеристу Ф. Ферберу.

Двигатель самолета братьев Райт

Небольшая поломка самолета Райт 11 декабря 1903 г.

Двигатель и пропеллеры для самолета были изготовлены в Дайтоне в течение зимы и лета 1903 г. Короткий срок создания силовой установки объясняется тем, что Райты, в отличие от своих предшественников, не ставили перед собой задачи сконструировать какой-то особенный сверхлегкий мотор. Построенный по их заказу четырехцилиндровый бензиновый двигатель водяного охлаждения мощностью 12 л. с. представлял собой облегченный вариант обычного автомобильного двигателя и весил 90 кг. Его удельный вес – 7,5 кг/л. с. – был даже больше, чем у паровых двигателей самолетов Адера и Максима. Тем не менее, по расчетам братьев Райт, он обладал мощностью, требуемой, чтобы поднять их самолет в воздух. (По оценке братьев Райт, потребная для полета их самолета мощность равнялась 8 л. с. В действительности этой мощности было бы недостаточно (при k= 7, #951;_проп= 0,66, ?#951;_трансм= 0,95, v= 11 м/с, N_потр = 10 л.с.), и только счастливая случайность (реальная мощность двигателя оказалась больше, чем ожидалось) позволила получить требуемую для полета энерговооруженность.

При создании пропеллеров использовался опыт аэродинамических экспериментов в трубе, проведенных Райтами зимой 1901 – 1902 гг. Рассматривая воздушный винт как вращающееся крыло и подбирая для каждого сечения наивыгоднейший профиль, братьям удалось изготовить пропеллер с отличным для своего времени КПД – 66%. Винты соединялись с двигателем с помощью цепной передачи, уменьшавшей число оборотов пропеллера втрое. Общий вес пропеллеров и трансмиссии составлял 41 кг.

Самолет был сконструирован по образцу планера 1902 г., но в связи с возросшим весом аппарата размеры крыла были увеличены. Увеличена была и площадь органов управления – одинарные поверхности рулей заменили сдвоенными. Как на планере, руль направления автоматически отклонялся при перекашивании крыла. Под крылом установили полозья для посадки на песчаную почву.

Окончательная сборка самолета производилась осенью 1903 г., после прибытия к месту испытаний, в Китти Хоук. Самолет представлял собой биплан с двумя толкающими пропеллерами, вращающимися в противоположных направлениях. Двигатель находился на нижнем крыле, сбоку от летчика. Как на аппаратах прежних лет, человек размещался в полете лежа и управлял перекашиванием крыла боковым движением бедер. Впереди имелись две рукоятки, одна – для управления рулем высоты, вторая – для включения и выключения двигателя. Взлетный вес равнялся 340 кг, площадь крыла – 47,4 м2 , размах – 12,3 м, длина самолета – 6,4 м, диаметр пропеллеров – 2,6 м.

При наземных испытаниях выяснилась недостаточная прочность валов пропеллеров. Устранение дефекта заняло много времени, между тем наступила зима, начались холода, ненастная ветреная погода. Тем не менее братья Райт решили не откладывать окончательное испытание самолета на год.

Из-за большого веса самолета Райты были вынуждены отказаться от прежнего метода старта, когда добровольные помощники из числа местных жителей помогали аппарату взлететь, поддерживая его за крыло. Кроме того, этот метод мог вызвать сомнения, был ли полет осуществлен только за счет мощности двигателя. Поэтому решили, что самолет будет взлетать без какой-либо помощи со стороны. Разбег должен был происходить по деревянному рельсу длиной 18 м, верхняя поверхность которого обшита железом. Самолет мог катиться по рельсу на маленькой тележке, отделяющейся после взлета. Для уменьшения длины разбега старт должен был производиться строго против ветра.

Исторический полета самолета братьев Райт 17 декабря 1903 г.

Первые летные испытания «Флаера», как назвали свой самолет братья Райт, состоялись 14 декабря. Ветер был слабый, и, чтобы укоротить разбег, рельс расположили на склоне песчаного холма под углом 9° После 16-метровой пробежки под уклон с работающим двигателем самолет поднялся в воздух, но через несколько мгновений резко скабрировал и упал на крыло с высоты около 5 м на мягкий песок. Повреждения конструкции были невелики, пилот – Уилбер Райт – не пострадал. Как показал хронометр, самолет находился в воздухе всего 3,5 секунды. Авария была вызвана слишком резким отклонением руля высоты (как вскоре выяснилось, он был неправильно сбалансирован).

17 декабря состоялись повторные испытания самолета. В этот день дул достаточно сильный ветер, и взлет производился с горизонтально лежащего рельса Вот выдержка из дневника Орвилла Райта с описанием полетов: «После прогрева двигателя в течение нескольких минут, чтобы добиться его устойчивой работы, я в 10.35 начал первое испытание. Ветер, по данным нашего анемометра, дул в это время со скоростью немного более 20 миль, 27 миль в соответствии с показаниями правительственного анемометра в Китти Хоук (1*). Освободившись от троса(2*), машина устремилась вперед с увеличивавшейся скоростью, достигшей примерно 7 или 8 миль. Аппарат отделился от тележки, как только достиг четвертого рельса (3*). М-р Даниэльс( 4*) сделал фотоснимок сразу после отрыва машины от земли. Я обнаружил, что управлять передним рулем очень трудно из-за того, что он был сбалансирован слишком близко к центру и в связи с этим имел тенденцию самопроизвольно поворачиваться во время взлета и отклонялся слишком сильно в одну или другую сторону. В результате машина внезапно поднялась примерно на 10 футов и затем, при отклонении руля, так же резко устремилась к земле. Этим закончился полет, когда было пройдено около 100 футов от конца рельса. Его время составило около 12 секунд (точная величина неизвестна, так как секундомер не был вовремя выключен). Рычаг включения двигателя был сломан, и треснул полоз, расположенный снизу от руля высоты.

После ремонта, в 11.20, Уилл( 5*) сделал второй опыт. Траектория, как и в моем случае, была волнообразной, вверх и вниз, но дальность была больше, хотя время то же самое. Дистанция не измерялась, но ее можно примерно оценить в 175 футов. Скорость ветра была не так велика С помощью присутствующих сотрудников станции мы подняли машину и вновь отнесли ее к стартовому рельсу. Примерно в 11.40 я произвел третье испытание. Когда я пролетел то же расстояние, как Уилл, слева налетел сильный порыв ветра, который поднял левое крыло, и накрененная машина заметно повернула вправо. Я немедленно повернул руль, чтобы снизиться, и затем применил концевое управление( 6*) . Совершенно неожиданно для меня машина коснулась земли левым крылом. Это показывает, что эффективность бокового управления на новой машине намного больше, чем на прежних наших аппаратах. В тот момент, когда это произошло, машина находилась на высоте 12 или 14 футов. Сразу же после полудня Уилл отправился в четвертый, и последний, полет. Машина делала скачки вверх и вниз, как прежде, но к моменту, когда она пролетела 300 или 400 футов, Уилл почувствовал, что она управляется намного лучше и движется замечательно ровно. Это происходило до тех пор, пока аппарат не достиг небольшого пригорка, находившегося на расстоянии около 800 футов от места старта. В это время вновь началась килевая качка, и машина внезапно устремилась к земле. Рама переднего руля была сильно повреждена, но главная рама (конструкция крыла – Д. С) не пострадала совсем. Расстояние над землей в 852 фута было пройдено за 59 секунд».

Вскоре после того, как самолет в четвертый раз перенесли на исходную позицию, сильный порыв ветра подхватил аппарат и опрокинул его. Было сломано крыло, сильно повреждена трансмиссия. Из-за непогоды братья Райт не стали восстанавливать самолет и вернулись в Дайтон.

Испытания 17 декабря 1903 г. были первыми в истории авиации полетами самолета. Правда, ранее на самолетах Адсра во Франции, Максима в Англии и Ято в Германии удавалось выполнять короткие «подлеты», но это были лишь неуправляемые прыжки по воздуху на несколько десятков метров, заканчивавшиеся авариями. «Флаер» братьев Райт в течение одного дня несколько раз поднимался в воздух, управлялся в полете. Это был первый летательный аппарат тяжелее воздуха, способный совершать продолжительный установившийся полет.

Успех, достигнутый братьями Райт, был обусловлен верным подходом к проектированию самолета. «Проще прибавить двигатель к хорошо изученной скользящей летательной машине (планеру. – Д С), нежели сесть на машину, которая никогда не летала с человеком», – писал в 1898 г. Н. Е. Жуковский. Этого же принципа придерживались братья Райт. Последовательно и методично совершенствовали они свой летательный аппарат, переходя от беспилотной модели к планеру, от планера – к самолету. При этом они удачно сочетали в себе качества ученых- исследователей, инженеров-проектировщиков, механиков и летчиков-испытателей

1* В Китти Хоук размешалась метеорологическая станция Установленный там анемометр измерял скорость ветра но высоте 1.0 м

2* До старта самолет с работоюшим двигателем удерживался но месте тросом – Д С

3* Применяемый для взлета рельс состоял из четырех частей по 4,5 м. укладываемых одно за другой. – Д С.

4 * Один из служаших расположенной вблизи водной спасательной станции, пришедший посмотреть на испытания – Д. С

5* Уилбер Райт. – Д. С.

6* Имеется в виду перекашивание крыла

(Окончание следует)

А. ПАШКОВ