С тех пор в авиации можно насчитать пять революционных идей
В пятницу 17 декабря 1903 года в 10 часов 35 минут осуществил свой первый полет самолет, спроектированный и построенный братьями Уилбером и Орвилом Райт. Полет аэроплана Flyer с бензиновым мотором осуществил Орвил Райт, и продолжался этот полет всего 12 секунд. В тот же день Flyer еще три раз поднимался в воздух, каждый раз улучшая свои же рекорды дальности и длительности полета. Наконец, пролетев 255,6 метров за 59 секунд, самолет из-за порыва ветра упал и больше в том году не летал… С того дня прошло 110 лет.
Полет самолета братьев Райт не был первым в истории, как иногда приходится слышать. На 13 лет раньше, 9 октября 1890 года, в воздух поднялся самолет француза Клемента Адера Eole (Эол), оснащенный паровой машиной и пролетел примерно 50 м. Испытания настолько воодушевили военных, что Адеру было выделено специальное финансирование в 650 тыс. франков на постройку более совершенных летательных аппаратов Авион-II и Авион-III (на фото внизу). Кстати говоря, именно Адер придумал концепцию авианосцев и передал свои разработки американцам. Впрочем, это уже другая история…
Поразительно, но вся история освоения человечеством воздушного океана со всеми ее успехами и неудачами, трагедиями, драмами и высокими взлетами мысли и энтузиазма, всеми муками инженерного творчества, созданием мировой индустрии авиастроения – все это происходило на протяжении всего 2-х человеческих поколений!
Революция первая: моторный полет. Летать люди начали задолго до Адера и братьев Райт. К примеру, Карл-Вильгельм Отто Лилиенталь, инженер и исследователь сконструировал и испытал в полете 11 летательных аппаратов, совершив на них более 2 тыс. полетов, но… это были планеры, а не самолеты. Наш соотечественник Александр Федорович Можайский, проектируя в 1876 году свой «воздухоплавательный снаряд», предусматривал в конструкции самолета две паровые машины в качестве привода воздушных винтов, но, неудачные испытания, состоявшиеся 20 июля 1882 года, показали, что этот тип двигателей малопригоден для установки на самолет из-за, как принято говорить сейчас, неудовлетворительных удельных энергетических характеристик.
Начиная с братьев Райт в течение четырех десятилетий все конструкторы самолетов закладывают в свои проекты бензиновые двигатели внутреннего сгорания (ДВС)… Авиастроение становится мощным катализатором прогресса ДВС. По оценкам современных исследователей, именно благодаря потребностям авиации технология ДВС за короткий срок практически достигла вершин совершенства, однако стала настолько сложной, а разработка и производство их настолько дорогостоящими, что, начиная с 40-х годов, количество выпукаемых марок авиационных моторов становится значительно меньше, чем марок самолетов, а конструктор самолета вынужден выбирать двигатель из существующего ассортимента, а не «заказывать» его разработку и изготовление.
Впрочем, уже в конце 30-х годов стало ясно, что поршневой двигатель становится, образно выражаясь, не «двигателем», а «тормозом» авиации. Рост мощности двигателя, как выяснилось, не приводит к соответствующему росту скорости. Добавка мощности в 1000 (!) л.с. давала обеспечивала дополнительную скорость всего в 50-60 км/час. Было подсчитано — чтобы истребитель мог лететь со скоростью 1000 км/час, ему нужен двигатель мощностью в 12200 л.с. Такой мотор весил бы более 6 т! Причиной наступавшего кризиса являлось резкое падение эффективности воздушного винта на больших скоростях. Решением проблемы могла быть лишь реактивная тяга. Во всем мире стартует «инженерная гонка» за скорейшее овладение этой технологией.
Пальма первенства в практическом освоении этого принципа принадлежит Германии. Первые работы по турбореактивным двигателям (ТРД) начал Эрнст Хейнкель, задумавший воплотить в металл идеи Ганса фон Охайна, получившего в 1936 году патент на «Процесс организации воздушных течений, в частности в двигателях летательных аппаратов» — по-существу, описывающий ТРД. В полной мере осуществить задуманное Хейнкелю не удалось, но, благодаря его настойчивости, энтузиазму и государственному финансированию, за разработку и производство двигателей взялись Junkers и BMW. В итоге немецкие авиаконструкторы получили Jumo 004 (с центробежным компрессором) и BMW 003 (с осевым компрессором), которые к концу войны выпускались серийно.
Первым в мире серийным самолетом с турбореактивным двигателем стал истребитель Me.262 фирмы Messerschmitt, совершивший первый полет 18 июля 1942 года. Поднявшийся в воздух еще раньше, 15 мая этого же года советский ракетный самолет БИ-1 являлся экспериментальной машиной, дальнейшая работа по которой была остановлена.
Идея же, позволившая вывести авиацию на гиперзвук принадлежит французскому инженеру Рене Лорену, который в 1913 году запатентовал во Франции новый тип воздушно-реактивного двигателя – прямоточный. Отличала его, с одной стороны, необыкновенная простота конструкции, а с другой, способность работать на сверхвысоких гиперзвуковых скоростях и на очень больших высотах, где из-за разреженности атмосферы не могут применяться другие типы двигателей. Первый в истории авиации полет самолета с прямоточным двигателем Leduc 010 состоялся 19 ноября 1946 года.
И именно прямоточным двигателем оснащен самый скоростной самолет в мире – экспериментальный беспилотник, гиперзвуковой Х-43А. Зафиксированная скорость его полета рекордна – 11230 км/час, что в 9,6 раза превышает скорость звука.
Революция вторая: металлическая обшивка. Стереотипы представлений о летательных аппаратах, как «потомках» китайских воздушных змеев долго держали в плену конструкторов авиационной техники. Еще 12 лет после первых полетов Райт все самолеты продолжали делать из дерева и ткани… Поистине прорывную идею, открывавшую путь дальнейшему прогрессу авиации, нашли и реализовали, опять таки, немцы – в 1915 году был построен первый в мире цельнометаллический самолет Junkers J-1. Только через 9 лет, в 1924 году году в СССР был построен первый цельнометаллический самолет АНТ-2 конструкции А.Н. Туполева, еще через год – первый в мире металлический бомбардировщик ТБ-1. Дальше, как говорится, процесс пошел… Но, не без драматической схватки за обладание технологией.
Основатель компании Junkers & Co, талантливый немецкий инженер Хуго Юнкерс за несколько лет получил изрядное количество патентов на разработанные им ключевые для авиастроения технологии обработки листового металла. Делиться своими секретами Юнкерс ни с кем не спешил, тем более с Советами…
Развернулась, вероятно одна из первых шпионских схваток за обладание промышленными секретами. Из секретного доклада К.Е. Ворошилову, датированному 1925 годом, мы узнаем, что из здания завода Юнкерс в Филях была тайно вывезена документация и чертежи цельнометаллического самолета (ее, говоря проще, похитили), а также о том, что с рядом инженеров компании Юнкерс достигнуты приватные «соглашения об оказании помощи» в организации выпуска металлических самолетов в СССР. Сам Юнкерс судился с Генри Фордом, когда тот продал несколько своих металлических самолетов в Европе и – внимание! – одержал победу, вынудив Форда уйти с этого рынка. Позднее он вчинил иск к СССР за демонстрацию АНТ-2 в Германии, но тут удача ему не улыбнулась – советское патентное ведомство к этому моменту не успело оформить патент Юнкерса в СССР, и суд оставил иск без удовлетворения.
Революция третья: аэродинамика. Еще братья Райт пришли к твердому убеждению, что строительству аэропланов необходимо должны предшествовать расчеты на базе аэродинамики. Сама же научная дисциплина возникла благодаря работам целого ряда ученых, в числе которых особо выделяют имена Эрнста Маха (на фото) (основоположник газовой динамики, исследователь сверхзвукового движения тел, процессов возникновения ударной волны) и Н.Е. Жуковского. Еще в 1892 году Жуковским были выведены уравнения динамики летательного аппарата, в 1904 году он формулирует основы теории подъемной силы крыла и тяги воздушного винта, исследует свойства различных профилей крыла. Еще через год он делает свой знаменитый доклад «О присоединенных вихрях», где закладываются теоретические основы аэродинамики крыла самолета.
Впрочем, оказалось, что практически воспользоваться теоретическими положениями аэродинамики весьма затруднительно – вручную производить численные решения уравнений аэродинамики требует слишком много времени. Именно поэтому Н.Е. Жуковский направляет силы на развитие экспериментальной аэродинамики и всячески способствует основанию 1 декабря 1918 года в Москве Центрального аэрогидродинамического института на базе Аэродинамической лаборатории МВТУ и Авиационного расчетно-испытательного бюро. На многие годы основной методикой решения проблем аэродинамики становится натурный эксперимент… До сих пор одна из аэродинамических труб ЦАГИ Т-101 (сечение эллиптического канала 24х14 м) является самой большой аэродинамической трубой в Европе, позволяющей «продувать» не только модели, но и реальные самолеты.
Революция четвертая: вычислительный эксперимент. Следует отметить также, что параллельно с экспериментальной аэродинамикой успешно стартовала аэродинамика вычислительная, являющаяся сегодня основой процессов разработки и конструирования летательных аппаратов. А начало ей положил немец Конрад Цузе. Именно он в 1938 году спроектировал и построил первый лампово-релейный компьютер Z-1, которым в 1941 году заинтересовался Исследовательский институт аэродинамики. При его поддержке Цузе создает вычислители Z-2 и Z-3. Именно Z-3 использовался для проведения аэродинамических расчетов первого в истории авиации перспективного стреловидного крыла для компании «Фокке-Вульф» и ее самолета Та.183.
Во многом благодаря прогрессу электронного моделирования и вычислительного эксперимента в авиацию пришло не только стреловидное крыло, открывшее возможность шагнуть «за звук», но и высокоэффективная механизация крыла и такие новации, как несущий интегральный фюзеляж маневренных истребителей, гиперзвуковых и аэрокосмических самолетов.
Революция пятая: автопилот. Еще до первого своего полета, выступая в 1901 году на заседании Западного общества инженеров в Чикаго, Уилбер Райт особо подчеркивал необычайную сложность задачи управления самолетом в полете. Изучая эту проблему, братья Райт пришли в выводу: «Вопрос сохранения равновесия является непреодолимым препятствием при всех серьезных попытках решить проблему полета человека в воздухе». Преодолеть это «непреодолимое препятствие», по их мнению, можно лишь при помощи специально сконструированной системы управления и такой конфигурации элементов планера самолета, при которой движение его в воздухе было бы устойчиво.
С развитием гироскопических приборов и появлением в 70-х годах XIX века первых автоматических стабилизаторов курса морских торпед естественно возникли идеи оснастить автоматическими стабилизаторами движения и самолеты. В 1911 году американский летчик Элмер Сперри (впоследствии – основатель корпорации Sperry Corporation) изобрел первый в мире авиационый стабилизатор полета с массивным гироскопом. Первый полет с этим автопилотом был выполнен в 1912 году. А в 1947 году состоялся первый в мире полностью автоматический перелет через океан американского военно-транспортного самолета «Douglas» С-54 «Skymaster», причем, взлет и посадка были также выполнены автоматически.
Но, особое значение теория и техника автоматического управления приобрела в последние годы в связи с приходом в авиацию высокоманевренных, но статически неустойчивых летательных аппаратов. Ни один из современных истребителей, практически, не способен летать без непрерывного автоматического управления, обеспечивающего стабильный полет и правильный выбор режимов работы двигательной установки.
Источник: Компьютерра
