Совсем еще недавно, не более двадцати лет тому назад, испытание нового самолета представляло не только большие трудности, но и весьма серьезную опасность... Конструктор только на основании теоретических расчетов строил новый самолет, при этом он не был уверен в том, что все внесенные им видоизменения и новые элементы оправдают себя в летной практике. История авиации знает немало случаев, когда самолет новой конструкции не мог даже оторваться от земли или же он терпел быструю аварию. В испытаниях такого самолета было больше смелости, чем науки и техники. Обычно на проверку новых самолетов шли наиболее отважные и опытные летчики. И не один из них погиб на этой опасной и самоотверженной работе. Гибли при этом не только люди, но и сама машина, огромное количество труда, ценнейших материалов, творческих усилий. При этом не всегда можно было сказать, какие именно недостатки в новой конструкции послужили причиной неудачи. Приходилось заново рассчитывать, и опять не было полной уверенности, что все основные летные качества новой машины окажутся удовлетворительными. Опять — риск, опять — опасность.
Чтобы быть уверенным в хороших летных качествах будущего самолета, надо прежде всего знать основные условия его полета в воздухе, его аэродинамические свойства.
Представим себе самолет, летящий горизонтально и с постоянной скоростью.
Посмотрим, какие при этом действуют на него силы. Прежде всего следует отметить силу тяжести или вес, который действует по вертикали вниз. Затем на самолет действует сила, направленная вперед. Она вызывается вращением пропеллера. Это так называемая сила тяги винта.
 |
| На летящий самолет действуют следующие силы: сила тяжести (OG),; сила тяги винта (OF); сила лобового сопротивления воздуха (OQ); равнодействующая сила воздуха, сопротивляющегося бегущему на него самолету (OA); подъемная сила (OP). |
Если бы на самолет действовали только эти две силы, то он не смог бы еще летать. В самом деле, под действием силы тяжести он упадет вниз, а сила тяги будет катить его по земле. Однако мы знаем, что самолеты поднимаются и опускаются по желанию летчика; кроме того, мы знаем, что прежде чем подняться в воздух, самолет разбегается и отрывается от земли лишь после того, как он наберет достаточную скорость движения. Стало быть, при этой скорости появляются силы, которые поднимают самолет. Они исчезают, когда самолет опускается на землю. Это — силы воздуха, сопротивляющегося бегущему на него самолету. Они стремятся поднять его, так как крыло самолета поставлено несколько косо к направлению полета. Эти-то силы воздуха и не позволяют летящему самолету упасть вниз. Направлены они как раз в противоположную сторону, чем сила тяжести. Из физики известно, что если на какое-либо тело действуют две равные силы в противоположном направлении и, стало быть, уравновешиваются, то такое тело находится в покое или движется прямолинейно и равномерно и будет из этого состояния выведено, если одна из сил увеличится или уменьшится. При этом тело начнет двигаться в ту сторону, в которую тянет его большая сила. Раз самолет летит, горизонтально, т. е. не поднимается и не опускается, то сила тяжести и подъемная сила, очевидно, друг друга уравновешивают. Если самолет должен подняться, летчик, действуя рулями, расположенными на хвостовой части самолета, переводит его в такое положение, при котором подъемная сила становится больше, чем сила тяжести, и самолет поднимается за счет этого перевеса сил. При снижении, наоборот, самолет ставится а такое положение, чтобы сила тяжести преодолевала подъемную силу. Однако встречный воздух не только создаст подъемную силу, но и оказывает самолету известное сопротивление. Сила этого лобового сопротивления направлена горизонтально и в противоположную сторону силе тяги винта. Если самолет летит с постоянной скоростью, это значит, что сила лобового сопротивления уравновешивает силу тяги винта. Чтобы самолет летел быстрее, сила тяги должна быть больше силы встречного сопротивления воздуха. Сила лобового сопротивления, так же как и подъемная сила, зависит от положения самолета по отношению к направлению полета. Так как крыло является главным органом, благодаря которому на самолете возникают воздушные силы, то, говоря о положении самолета, обычно подразумевают положение крыла. Угол, который образует крыло с направлением движения, называется углом атаки. При различных углах атаки получаются различные величины силы лобового сопротивления и подъемной силы. Кроме того, эти силы зависят от скорости полета, которая в свою очередь зависит от мощности мотора и от типа и формы воздушного винта. Также большое значение имеет здесь профиль крыла, его площадь и размеры, форма и величина фюзеляжа (корпуса самолета), наличие на самолете стоек, подкосов, растяжек и всяких частей, которые могут вызвать в полете сопротивление воздуха.
Конструктор самолета должен правильно рассчитать подъемную силу и лобовое сопротивление, так как величины этих сил определяют в конечном счете, насколько самолет будет быстроходным, какой груз он сможет поднять и насколько быстро он будет взлетать. При проектировании самолета нужно учесть много весьма важных «мелочей», от которых зависят летные качества самолета. Необходимо правильно рассчитать рули высоты, расположенные на хвосте самолета.
С их помощью летчик изменяет угол атаки, а следовательно, подъемную силу. Не менее важно правильно сконструировать и рули направления. Для устойчивости самолета на хвосте надо еще установить дополнительные плоскости (стабилизатор и киль). От всех этих органон управления и устойчивости, составляющих так называемое хвостовое оперение самолета, зависит, насколько самолет будет устойчив и управляем, т. е. послушен действиям летчика.
Весьма важная проблема — это подбор воздушного винта, ибо плохо подобранный пропеллер может значительно снизить летные качества самолета.
Важно знать, как «работают» отдельные части самолета это поможет выбрать для них наиболее приемлемые и экономичные формы. Важно наперед знать, каковы будут качества самолета, с тем, чтобы заранее можно было внести необходимые изменения в конструкцию самолета. Поэтому конструктор еще до постройки самолета должен иметь уверенность, что идет по правильному пути, что основные аэродинамические свойства его самолета будут достаточно высоки. Теоретические расчеты пока еще не могут дать полной уверенности в том, что выбранная конструкция будет вполне удовлетворительной. Они нуждаются еще в практической проверке. Но теперь уже не строят готовый самолет с тем, чтобы с риском для жизни проверить его летные качества в воздухе. Теперь делают сначала небольшую модель будущего самолета и проверяют ее в так называемой аэродинамической трубе.
*
Одна из первых аэродинамических труб в мире была построена в 1902 г. в лаборатории Московского университета знаменитым русским ученым проф.
Н. Е. Жуковским. Основой для создания аэродинамических труб послужил так называемый закон обратимости аэродинамических явлений.
Выше мы уже говорили, что при движении самолета возникают воздушные силы, которые уравновешиваются с силами тяжести и тяги винта. Представим себе теперь, что самолет остановился, по воздух начал двигаться навстречу ему с той же скоростью, с какой перед этим летел самолет. Оказывается, что если бы так случилось, то от взаимодействия между крыльями самолета и набегающим па них воздухом возникли бы в точности те же силы, которые возникали и раньше при полете аэроплана. Это и называется «обратимостью аэродинамических явлений». Пользуясь этим законом, не нужно уже запускать в воздух самолет или его модель, а можно оставить их неподвижными, посылая только им навстречу достаточно мощную струю воздуха. Это гораздо проще и удобнее для испытании. Вот в аэродинамической трубе и можно испытать, таким образом, модель самолета. Труба эта представляет собой деревянный или бетонный канал, внутри которого движется поток воздуха, засасываемый вентилятором. В середине трубы на специальной подвеске прикрепляется модель самолета. Подвеска связана целой системой тросов с измерительными приборами, которые показывают различные силы, возникающие при испытании модели.
 |
| Схема аэродинамической труби: А — вентилятор; Д — расширяющаяся часть трубы — диффузор; Р — рабочая часть, где подвешена модель самолета М; К — коллектор. Стрелки показывают движение воздуха. |
Главная задача строителей трубы — это создать ровный воздушный поток, параллельный стенкам трубы, особенно в ее рабочей части, т. е. там, где помещается испытуемая модель. Поток должен иметь по возможности большую скорость, не быть завихренным, скорость при заданных оборотах вентилятора должна быть постоянна.
Эти условия заставляют делать аэродинамическую трубу не просто в виде цилиндра, а в виде комбинации целого ряда форм. Вентиляторы для аэродинамических труб отличаются большой мощностью, они могут давать большую скорость воздушного потока.
Аэродинамическая труба состоит из следующих основных частей. Сначала идет так называемый коллектор через который воздух попадает в трубу. Для более ровного поступления воздуха в трубу коллектору придают форму раструба с плавными очертаниями стенок. Затем расположена рабочая часть трубы. Здесь производится испытание модели. Чтобы поток воздуха был равный и шел параллельно стенкам, между коллектором и рабочей частью ставят специальную решетку, состоящую из ряда небольших каналов, образующих вместе подобие пчелиных сот. Рабочую часть делают обычно восьмигранной: формы, но есть трубы, в которых рабочие части имеют круглые, овальные и иные сечения.
Из рабочей части воздушный поток попадает в диффузор. Эго расширяющийся канал в виде воронки, в конце которого вращается всасывающий вентилятор. От формы диффузора в значительной мере зависит скорость воздушного потока, так как известно, что чем уже отверстие воронки, через которое должен пройти воздух, засасываемый данным вентилятором, тем больше будет скорость воздуха в устье воронки, т. е. в рабочей части аэродинамической трубы. Разумеется, это сужение формы диффузора можно делать в известных пределах.
Пройдя через вентилятор, «отработавший» воздух уходит в специальный зал, где и теряет свою скорость.
*
Наибольшей известностью в СССР пользуются аэродинамические трубы Центрального аэрогидродимамического института (ЦАГИ) в Москве. В этих трубах испытаны модели и предсказана «летная судьба» многих самолетов, являющихся гордостью советской авиации.
 |
| Испытание самолета в натуральную величину (крылья сняты) в большой аэродинамической трубе ЦАГИ. |
Большая аэродинамическая труба ЦАГИ, построенная в 1925 г., представляет собой сочетание двух труб, одна из которых — большая является продолжением другой, меньшей. Воздух, пройдя меньшую рабочую часть и ее диффузор, попадает в коллектор большей части. Обе рабочие части имеют восьмигранную форму, очень удобную дли испытаний. Диаметр первой рабочей части равен 3 м, а второй — 6 м. Благодаря такой величине во второй рабочей части можно испытывать очень крупные модели, а также некоторые части самолетов в натуральную величину. Здесь, например, производились испытания в натуральную величину небольших самолетов (со снятыми крыльями), мотоциклета с коляской, пропеллеров, ветряков и т. д.
 |
| Большая аэродинамическая грубя ЦАГИ представляет собой сочетание двух труб. Диаметр первой рабочей части — 3 м, а второй — 6 м. Труба сделана раздвижной. Воздух совершает здесь круговое движение (см. стрелки). |
Воздух в этой трубе совершает круговое движение: из вентилятора он отводится по обратным каналам в зал, откуда вновь попадает в коллектор. Пройдя первую часть трубы, воздух уже теряет свою скорость. Поэтому во вторую часть трубы воздух прогоняют через особый коллектор непосредственно из зала, минуя первую часть. Для этого трубу сделали раздвижной. При работе второй рабочей части диффузор первой части откатывается на специальной тележке от коллектора второй части, и, таким образом, открывается доступ воздуха непосредственно из зала.
 |
| Коллектор шестиметровой рабочей части большой аэродинамической труби ЦАГИ. Подвижная часть oтоддвинута. |
Основные стандартные испытания проводятся в меньшей части трубы. При этом обе части сомкнуты.
В шестиметровой же части проводятся лишь те испытания, для которых требуется либо большой масштаб модели, либо части самолета в натуральную величину (винт, шасси, фюзеляж и т. д.). При этом труба раздвигается.
В большой трубе ЦАГИ поставлен весьма мощный вентилятор.
Он приводится во вращение электромотором в 650 л. с. и дает до 310 оборотов в минуту. В различных частях трубы он даст различную максимальную скорость воздушного потока. Скорость потока тем меньше, чем больше поперечное сечение трубы. Поэтому в трехметровой трубе скорость воздуха достигает 80 м в секунду (228 км в час), а в шести метровой трубе — не более 28 м в секунду.
 |
| В большей трубе ЦАГИ поставлен мощный вентилятор. Он приводится во вращение электромотором в 650 лош. сил и дает до 310 оборотов в минуту. |
Те силы, которые возникают при продувке модели в трубе, определяются с помощью специальных измерительных приборов. Приборы эти расположены в кабинах, находящихся в полостях трубы. В такой кабине вы увидите весы, на которых измеряются подъемная сила и лобовое сопротивление модели, особый прибор дли испытания устойчивости модели, измеритель скорости потока воздуха в трубе, пульт управления электромотором, приводящим в действие вентилятор.
Модель подвешивается к весам с помощью системы проволок. Для удобства испытаний модель укрепляется в перевернутом положении вверх колесами. Проволоки, замеряющие подъемную силу, идут наверх, за потолок рабочей части, в верхнюю кабину, где они прикрепляются к обычным десятичным весам. Для натяжения проволок к модели подвешиваются контргрузы, помещающиеся в нижней кабине, под полом рабочей части. Подъемная сила, возникающая на модели под действием потока воздуха, давит ее книзу (так как модель перевернута). Это давление уравновешивается на весах гирями, вес которых и дает величину подъемной силы.
 |
| Испытуемая модель подвешивается в аэродинамической трубе к весам с помощью системы прополок. На весах Р1, Р2, Р3 измеряется подъемная сила, на весах Q — сила лобового сопротивления. Углы атаки меняются помощью сектора S, на который наматывается трос, идущий от хвостовой части модели. |
Сила лобового сопротивления, действующая на модель вдоль трубы, уравновешивается натяжением проволоки, оттянутой от модели вперед. Эта сила также измеряется весом гирь.
В верхней кабине имеется специальное устройство, которое с помощью тросов может менять наклон крыльев модели к направлению воздушного потока, т. е. может ставить модель под тем или иным углом атаки. Таким образом можно проверить, какими получаются сила лобового сопротивления и подъемная сила при тех или иных углах атаки.
Скорость потока воздуха в трубе измеряется на манометре, к которому двумя резиновыми трубками присоединен так называемый насадок Пито. Этот насадок располагается в потоке, недалеко от модели. Он состоит из двух трубок, одна из которых воспринимает давление воздушного потока, направленное вдоль трубы, а другая — поперек ее. Через резиновые трубки давления эти передаются манометру, который показывает разницу между давлениями. Это и даст возможность подсчитать скорость потока воздуха. Испытание проводится так. Модель, предварительно тщательно выверенная, подвешивается в рабочей части к весам и устанавливается в начальное положение. Экспериментаторы рассаживаются по местам — у весов, у манометра и пульта управления вентилятором. Вентилятору дается ход, причем по манометру следят, когда установится нужная скорость потока воздуха. Одновременно идет работа на весах. Когда равновесие достигнуто, т. е. силы, действующие на модель, уравновешены грузами, по сигналу берут отсчет. Затем меняют угол атаки модели, снова берут отсчет и так до тех пор, пока не будут обследованы все заданные углы атаки.
Для изучения устойчивости будущего самолета пользуются так называемым моментным прибором. Он дает возможность определить, какие силы действуют на хвостовое оперение, как они стремятся повернуть самолет при установке рулей в то или иное положение. В результате такой проверки строится диаграмма устойчивости. Эти диаграммы используются конструкторами при проектировании самолетов. По ним также проверяют, насколько правильно выбраны формы и соотношения между размерами отдельных частей самолета.
Следует заметить, что при испытании модели в трубе мы несколько идеализируем действительность, предполагая полет в спокойной атмосфере. В действительности такие условия бывают чрезвычайно редко. Ветер, разница температур различных слоев воздуха и как следствие этого — области пониженной плотности, так называемые «ямы», — вот действительная обстановка полета. Однако эти дополнительные явления не являются решающими, так как основное в полете самолета — это подъемная сила, сила лобового сопротивления и силы, действующие на органы управления. Учет же указанных дополнительных воздушных явлений может быть произведен впоследствии и не вызывает необходимости в каких-либо принципиальных переделках самолета.
В последние годы все чаще стали делать аэродинамические трубы с открытой рабочей частью. В таких трубах рабочая часть не имеет стенок, и модель испытывается в свободной струе воздуха. «Отработавший» воздух проходит по специальному обратному каналу, выравнивается решеткой и вновь попадает через сопло в рабочую часть. Таким образом движение воздуха происходит по замкнутому пути.
В ЦАГИ работает такая аэродинамическая труба открытого типа. Диаметр ее рабочей части равен 2,25 м.
 |
| Схема трубы ЦАГИ с открытой рабочей частью. Направление воздушного потока показано стрелками. А — сопло, В — диффузор, С — вентилятор, D — обратный канал, Е — направляющие лопатки. |
В этой трубе установлен четырехлопастной вентилятор, который вращается от электромотора в 350 л. с. Вентилятор дает скорость воздушного потока до 60 м в секунду.
В трубе весьма тщательно подобраны формы сопла, всасывающей части, обратного канала, что обеспечивает ровный поток в открытой рабочей части.
В тех местах трубы, где поток меняет свое направление, поставлены специальные направляющие лопатки.
Испытуемая модель крепится к весам, находящимся на специальной тележке, вкатывающейся в рабочую часть.
Удобство подобной трубы с открытой рабочей частью заключается в том, что во время испытания одной модели другая может монтироваться вне трубы, на других весах, и перерыв между двумя испытаниями получается весьма коротким. Таким образом повышается пропускная способность трубы.
*
Правильность испытаний модели самолета в аэродинамической трубе зависит прежде всего от того, насколько точно соблюден так называемый «закон подобия». Если мы возьмем размер модели (например, ширину ее крыла) и помножим его на скорость воздушного потока в трубе, то произведение это должно равняться размаху крыльев настоящего самолета, умноженному на ту скорость, с какой будет летать самолет. Только при соблюдении этого «закона подобия» результаты испытания модели можно применить к самолету в натуральную величину. Но здесь встают трудности: так как размеры модели малы, то, чтобы получить необходимую величину произведения, надо увеличить второй множитель, т. е. скорость воздушного потока в трубе. Таким образом, мы вынуждены добиваться очень больших скоростей воздуха.
Это требует установки весьма мощных вентиляторов и на много удорожает стоимость трубы. Поэтому часто приходится несколько отступать от «закона подобия» и вводить в результаты испытаний дополнительные поправки.
Избежать этого недостатка можно, например, построив аэродинамическую трубу таких размеров, которые позволили бы испытывать самолеты в натуральную величину. Сейчас такие трубы и строятся. В США, в лаборатории им. Ланглея, установлена подобная гигантская труба. В ней испытываются самолеты в натуральную величину.
Самолет здесь испытывается при тех же скоростях, при каких ом будет летать и в воздухе.
 |
| Американская аэродинамическая труба с вертикальным направлением потока воздуха в рабочей части. В этой трубе производятся испытания моделей самолетов на штопор. |
Опыты в этой трубе проводятся поэтому достаточно точно.
Американская труба имеет открытую рабочую часть овальной формы. Сечение се равно по высоте 9 м, а по ширине 18 м.
Поток воздуха создается двумя вентиляторами, вращающимися от электромоторов по 1000 л. с. каждый. Скорость потока доходит до 52 м в секунду.
Большой интерес представляет гигантская труба, недавно выстроенная в Шалэ-Медоне (Франция). Размеры ее открытой рабочей части составляют 8 м в высоту и 16 м в ширину.
Труба имеет шесть вентиляторов, приводимых во вращение шестью электромоторами по 1000 л. с. каждый.
Скорость потока доходит до 60 м в секунду. Труба не имеет обратных каналов, а питается воздухом прямо с улицы и туда же выбрасывает отработавший воздух.
*
В современных аэродинамических трубах можно изучать не только нормальный полет, но даже и такую фигуру высшего пилотажа, как штопор. Это одна из сложнейших фигур, к тому же весьма опасная при неудачной конструкции самолета или неправильных действиях летчика. При штопоре самолет падает вертикально вниз и притом быстро вращается.
Изучением штопора занято сейчас большинство аэродинамических лабораторий. С этой целью в США, в той же лаборатории им. Ланглея, построена вертикальная труба с открытой рабочей частью. Труба имеет круглое сечение диаметром около полутора метров.
По своему устройству она напоминает описанную выше трубу ЦАГИ, но поставленную вертикально.
Специальный моторчик вращает испытуемую модель, и, таким образом, в миниатюре воспроизводится штопор, подобный натуральному.
Силы, действующие при этом на модель, измеряются специальным пневматическим устройством.
Вертикальная аэродинамическая труба имеется и у нас, в лаборатории Московского Университета.
Интересные работы по изучению штопора производятся в ЦАГИ на специальном приборе, в большой трубе.
Следует отметить, что ЦАГИ в этом отношении добился крупных результатов, позволяющих еще в период постройки самолета предсказывать, будет ли он безопасен в штопоре.
*
Авиация переходит сейчас к очень большим скоростям.
Мировой рекорд скорости достиг уже 709 км в час (установлен в октябре 1934 г. итальянским летчиком Аджелло на самолете Макки-Кастольди). Завоевание стратосферы сулит нам возможность летать с еще большими скоростями.
В связи с этим встала задача — изучить законы сопротивления воздуха при значительно больших скоростях, чем это делалось раньше.
Сейчас уже приходится иметь дело с потоками воздуха, имеющими скорость звука (340 метров в секунду) и выше. А овладение стратосферой сулит скорость полета до 1000 км в час.
Здесь приходится устанавливать совершенно новые закономерности. Законы сопротивления воздуха, действительные для скоростей до 250 м в секунду, становятся для более высоких скоростей уже неприменимыми. Характер взаимодействия воздуха и тела, двигающегося в нем со скоростью звука, иной, чем при тех скоростях, которые имели самолеты до последнего времени.
Сейчас в ряде лабораторий построены трубы, дающие скорости воздушного потока, превышающие скорость звука. Такая труба построена и в ЦАГИ.
Максимальная скорость, достигнутая в ней, пока составляет 550 м в секунду. Аэродинамические силы измеряются специальными весами, очень прочными, так как нагрузки на модель весьма велики.
 |
| Труба высоких скоростей ЦАГИ. Максимальная скорость воздушного потока, достигнутая в ней, равна 550 метрам в секунду. |
Таким образом, аэродинамика дает в руки конструкторов весьма надежное средство для овладения сверхскоростными перелетами.
Комментариев нет:
Отправить комментарий