Взлет и посадка | ТМ 1938-08/09

Инж. М. ТАИЦ

200—250 км в час — такова была средняя скорость самолетов всего десять лет назад. 450—500 км в час — такой она стала в наше время. Это увеличение скорости в два раза поразительно само по себе, но еще поразительнее то, что оно достигнуто в основном не за счет увеличения мощности мотора.

Если бы мы захотели увеличить скорость самолета в два раза только за счет мотора, нам пришлось бы увеличить его мощность в восемь раз! Между тем за последние десять лет удельная мощность мотора (т. е. число лошадиных сил, приходящихся на 1 кг веса самолета) увеличилась всего на 25—50%. Удвоенное повышение скорости, происшедшее с 1928 г., объясняется главным образом улучшением внешних аэродинамических форм самолета.

Сравним типичный самолет 1928 г. с современным самолетом. Как изящны, стройны и гладки стали его формы! Самолет 1928 г. — это биплан, его несущие плоскости расположены в два ряда. Между плоскостями и фюзеляжем протянуто множество стоек, тросов и стяжек. Поверхность отделана грубо. Мотор расположен открыто и выступает из фюзеляжа. Так же выступают наружу шасси и другие детали самолета.

Типичный самолет 1927/28 г. Бросаются в глаза лес стоек, открытый мотор, масса выступающих частей, плохая обтекаемость.

Типичный самолет 1938 г. — низкокрылый моноплан со свободно несущими крыльями. Его плоскости расположены в один ряд и приходятся на уровне нижней части фюзеляжа. Они прикреплены к фюзеляжу без всяких стоек и подкосов. Отделка поверхности самолета почти зеркальна. Его моторы вмонтированы в крылья и хорошо закапотированы, т. е. закрыты кожухами обтекаемой формы. Шасси в полете убирается внутрь фюзеляжа. В самолете почти нет выступающих частей.

Современный скоростной одноместный(?) самолет. Обращают на себя внимание небольшие. размеры плоскостей и хвостового оперения. «Зализанность» самолета доведена до пределов. Такой самолет достигает скорости 550 км в час.

Новый самолет отличается от прежнего также размерами крыльев. Площадь его крыльев примерно в два раза меньше, чем у самолета такого же веса в 1928 г. На 1 кв. М поверхности крыла приходится теперь 100—120 кг веса вместо прежних 50—60 кг.

Чем больше нагрузка на 1 кв. м площади крыла, тем больше горючего может взять самолет, тем выше его крейсерская скорость. Уже сейчас встречаются самолеты, у которых нагрузка на 1 кв. м достигает 140 кг. В ближайшие годы эта цифра может вырасти до 200— 250 кг. Другими словами, площадь крыльев при одном и том же весе самолета непрерывно уменьшается. Это, очевидно, один из основных путей, по которому пойдет самолетостроение ближайшего будущего. Но на этом пути возникает очень серьезное препятствие — взлет и посадка. Чем более обтекаемые формы принимает самолет, чем больше нагрузка на 1 кв. м площади его крыльев, тем сложнее становится взлет и посадка.

Почему это происходит?

Чтобы понять это, рассмотрим сначала взлет самолета. Перед взлетом самолет совершает по земле разбег, во время которого постепенно набирает скорость. Чем больше скорость разбега, тем сильнее встречный поток воздуха, тем больше подъемная сила крыльев. Когда подъемная сила становится больше веса самолета, он отрывается от земли.

Так как у современного самолета площадь крыльев меньше, то ему надо развить гораздо большую скорость, чтобы оторваться от земли. Зависимость здесь такая: при прочих равных условиях подъемная сила пропорциональна площади крыльев и квадрату скорости. Это значит, что если плоскости уменьшены в два раза, то скорость должна быть в 1,4 раза больше, чтобы дать такую же подъемную силу. Но чтобы набрать эту большую скорость, приходится удлинять стартовую дорожку почти в два раза. Соответственно дальше должны быть отодвинуты здания, столбы и деревья, расположенные вокруг аэродрома.

Посмотрим теперь, что происходит во время посадки. Предположим, что современный самолет не стал бы применять различных специальных приспособлений для облегчения посадки, речь о которых будет идти ниже. Пусть оба самолета — и современный и прежний — прошли одинаково точно над крышами зданий, окружающих аэродром. У самолета 1928 г. воздушное сопротивление гораздо больше, чем у самолета 1938 г., поэтому он может планировать круче и коснется земли ближе к границе аэродрома. Скорость этого самолета в момент посадки (так называемая «посадочная скорость») будет также значительно меньше, чем у современного.

Соответственно короче будет пробег по земле.

О том, как труден взлет на тяжело нагруженном самолете, свидетельствует рассказ Героя Советского Союза М. М. Громова. При героическом перелете в июле 1937 г. из Москвы в Америку через Северный полюс нагрузка на 1 кв. м площади крыльев его самолета достигала при взлете 135 кг. Вот как т. Громов описывает этот беспримерный старт:

«Наш старт 12 июля был исключительно тяжелым. Можно с уверенностью сказать, что если бы на борту самолета находилось еще 100 кг, то взлетной дорожки уже не хватило бы. При последнем толчке в самом конце дорожки мне пришлось как бы поддержать машину на большом угле атаки, чтобы не дать ей коснуться земли, которая была так близко за дорожкой. Едва оторвавшись, мы начали убирать шасси. Повторяю, что никогда еще не было у меня такого тяжелого старта».

Взлет и посадка представляют, таким образом, весьма серьезную проблему в современной авиации. Вот почему конструкторы, стремясь уменьшить площадь крыльев и улучшить скоростные и крейсерские качества самолетов, должны одновременно придумывать всевозможные приспособления, облегчающие взлет и посадку.

*

Всего несколько лет назад на самолетах применялись почти исключительно винты фиксированного шага. Так называются винты, у которых угол установки лопастей не может быть изменен в полете.

В настоящее время громадное большинство самолетов снабжено винтами изменяемого шага. Эти винты имеют большие преимущества перед прежними, что особенно сказывается во время взлета.

Прежний винт фиксированного шага обычно подбирался так, чтобы при полете на максимальной скорости мотор развивал свою полную мощность. Но отрыв самолета происходит при небольшой скорости, которая в несколько раз меньше максимальной. Фиксированный шаг, наиболее выгодный для максимальной полетной скорости, оказывался невыгодным для взлетной скорости самолета и снижал на взлете число оборотов мотора. Таким образом, мощность мотора на взлете использовалась всего лишь на 80%. Современные винты изменяемого шага снабжены центробежным масляным регулятором. Этот регулятор, изменяя наклон лопастей, уменьшает и увеличивает шаг во время полета в зависимости от скорости. Шаг винта в полете все время соответствует скорости, и мотор неизменно работает при полном числе оборотов, на всю свою мощность. Угол установки лопастей от наименьшего (при взлете и посадке) изменяется до наибольшего (при максимальной скорости). Эта разница у современных самолетов достигает 10° и более.

При остальных неизменных условиях винт переменного шага может сократить длину разбега самолета почти в два раза. Вот почему длина разбега современного самолета увеличилась всего на 20— 30%, а не вдвое, как это должно было быть в результате удвоенной нагрузки на 1 кв. м площади крыльев.

*

Довольно удачное средство было найдено и для облегчения посадки утяжеленных самолетов. Это — так называемые щитки, расположенные в задней кромке крыла.

В отличие от элеронов щитки сверху совсем не видны, так как они устроены в нижней части крыла. Они вмонтированы так гладко, что их нижняя поверхность в закрытом состоянии составляет как бы продолжение плоскости крыла. Идя на посадку, летчик открывает щитки вниз. Сбоку крыло с открытыми щитками напоминает раскрытый клюв.

Крыло с отклоненными щитками дает большую подъемную силу и повышенное лобовое сопротивление. Посадочная скорость уменьшается на 15—20%. Соответственно сокращается и длина послепосадочного пробега. Для того чтобы еще больше сократить этот пробег, колеса шасси у современных самолетов снабжены тормозами.

Винт с переменным шагом, щитки и тормоза на колесах значительно облегчили взлет и посадку самолетов. Только с их помощью стало возможным почти вдвое уменьшить площадь крыльев, сохранив почти такие же размеры взлетной и посадочной дорожек. Но конструкторская мысль не останавливается на достигнутом. Непрерывно продолжается совершенствование самолета, его аэродинамических форм, увеличение нагрузки на 1 кв. м площади крыльев. Соответственно с этим изыскиваются все новые и новые способы для облегчения взлета и осадки. Рассмотрим наиболее интересные и удачные из этих способов, которые, впрочем, еще не получили большого распространения.

*

В последние месяцы в Америке появилось несколько пассажирских и военных самолетов (бомбардировщиков) с так называемым щитком Фаулера. Этот щиток является, по существу, вспомогательным крылом. В своем нерабочем, закрытом положении он, так же, как и обычный щиток, целиком вмонтирован в крыло и сливается с ним в одно целое. В открытом же положении он не только отклоняется книзу, но одновременно скользит по особым направляющим к краю крыла, к его задней кромке. Получается, как бы увеличение площади крыла.

Щиток Фаулера дает большой прирост подъемной силы. В то же время, в отличие от обычного щитка, он не так сильно увеличивает лобовое сопротивление. Это свойство особенно ценно при взлете. Обычный щиток тоже дает прирост подъемной силы, и, пользуясь им, летчик тоже может оторвать самолет при меньшей взлетной скорости. Но обычный щиток одновременно сильно увеличивает лобовое сопротивление, и поэтому летчику приходится совершать большой разбег, прежде чем он разовьет необходимую скорость.

Профиль крыла самолета: вверху — без щитков; в середине — с обычным щитком; внизу — со щитком Фаулера. В отклоненном положении щиток Фаулера составляет как бы продолжение крыла.

Вот почему обычный щиток, очень помогающий при посадке, не играет большой роли при взлете, в то время как щиток Фаулера одинаково ценен и для той, и для другой цели. Опыты показали, что, пользуясь щитком Фаулера, можно сократить длину разбега почти на 20%.

*

Вот еще один из способов облегчения взлета, который особенно успешно начинает применяться в Англии. Это -— доливка горючего в воздухе. Самолет вылетает с аэродрома с небольшим количеством бензина. На некоторой высоте он выпускает трос, длиной метров в 50, заканчивающийся крюком. Второй самолет, так называемый авиазаправщик, взлетая вслед за первым, выпускает кабель, на конце которого прикреплен груз. С помощью этого кабеля авиазаправщик, пролетая на некоторой высоте над тросом, захватывает его и присоединяет к нему бензинопроводку. Механик заправляемого самолета втягивает бензинопроводку к себе в самолет, и начинается заправка.

При болтанке или порывистом ветре трудно держать оба самолета на равном расстоянии друг от друга. Чтобы предохранить бензинопроводку от разрыва, в нее включен автоматический прибор. Этот прибор разъединяет проводку, как только она натягивается до известного предела, и вновь соединяет, когда самолеты сблизятся снова. При разъединении проводки клапан прибора автоматически предохраняет от выливания бензина.

Такой метод заправки может оказаться очень ценным, особенно в тех случаях, когда самолет должен пройти без посадки большое расстояние. В этих случаях бензин составляет до 35% всей нагрузки самолета.

Однако как ни прост этот способ, но при плохой видимости, в тумане и при сильном ветре применять его очень трудно. Это снижает его ценность и препятствует широкому распространению.

*

На морских судах для взлета гидропланов уже много лет с успехом применяется катапульта. С помощью электромотора или сжатого воздуха катапульта сообщает большую скорость тележке, на которой установлен самолет. Тележка, с установленным на ней гидропланом, совершает небольшой разбег по короткому рельсовому пути, длина которого не больше 30—35 м. К концу пути гидроплан набирает достаточную скорость, отцепляется от тележки и поднимается в воздух.

Взлет гидроплана при помощи катапульты с борта французского крейсера. Короткий разбег по рельсам на тележке — и гидроплан в воздухе.

Так применяется катапульта в морской авиаций. Можно применить катапульту и для взлета сухопутной машины. К сожалению, катапульта не освобождает от необходимости иметь просторные аэродромы. Гидроплан, «выстреленный» в воздух с катапульты, после полета сядет на воду. А куда будет садиться сухопутный самолет? Ведь для посадки самолета требуется почти такая же большая свободная площадь, как и для взлета.

Взлет сухопутного самолета при помощи полевой катапульты. Самолет бежит по аэродрому на своих колесах и взлетает после короткого разбега в 35—40 м.

Таким образом, катапульта решает только часть задачи. Все же за последнее время она начинает находить применение и для сухопутных самолетов. Полевые катапульты, или акселераторы, несколько отличаются от морских. Сухопутный самолет разбегается не на специальной тележке, а на своих колесах по поверхности аэродрома. Только хвост его ставится на тележку, для того чтобы крылья при разбеге сразу становились под нужным углом. Время разбега так коротко, что летчику было бы трудно успеть придать самолету нужное положение.

В № 7 журнала«Техника—молодежи» рассказывалось об одном интересном опыте английской фирмы «Шорт-Майо». Фирма нашла удачную конструкцию сдвоенного самолета. Это — тоже одна из попыток облегчить взлет. Нижний самолет, сравнительно легко нагруженный, является своеобразной авиаматкой. Он служит только для того, чтобы поднять до некоторой высоты верхний самолет, который нагружен так тяжело, что не мог бы взлететь самостоятельно. После достижения определенной высоты и скорости верхний самолет отделяется от нижнего и продолжает полет самостоятельно. Таков принцип «сдвоенного самолета». Осуществить этот простой принцип оказалось не так-то легко. Особенно трудно было добиться безопасной и надежной отцепки верхнего самолета от нижнего.

Такими, самыми разнообразными путями конструкторы стараются облегчить взлет тяжело нагруженных самолетов. Значительно сложнее решить вторую часть задачи, т. е. облегчить посадку современного самолета с его гладкими обтекаемыми формами и с большой нагрузкой на 1 кв. м. Правда, у самолетов, совершающих дальние рейсы, к моменту посадки вес значительно уменьшается. В этих случаях нет нужды в специальных посадочных приспособлениях, если не считать простых щитков и тормозов на колесах, которые стали уже обычными.

Но у очень многих самолетов разного назначения вес при посадке мало чем отличается от взлетного веса. Вот почему конструкторы уделяют особое внимание щиткам, облегчающим посадку.

Роль щитков при посадке, как мы уже говорили, сводится к тому, что они увеличивают подъемную силу крыла и поэтому дают возможность совершать посадку при меньшей скорости. Было много попыток увеличить подъемную силу крыла при посадке какими-либо другими средствами. Конструкторы предлагали воспользоваться для этого раздвижными крыльями или производить сдувание пограничного слоя. Но все эти мероприятия конструктивно оказались весьма сложными и пока не получили распространения.

*

Конечно, очень важно по возможности уменьшить посадочную скорость, но, в конце концов, самолет мог бы сесть на небольшом аэродроме даже и при сравнительно большой скорости, если бы летчик имел возможность затормозить и «погасить» эту скорость на протяжении посадочной дорожки. Однако даже применяемые тормозы на колесах шасси не дают этой возможности. Тормозами после посадки можно пользоваться лишь в середине и в конце пробега, когда скорость самолета уменьшится сама собой. Если же резко затормозить в начале пробега, когда скорость самолета достигает 80—90 км в. час, авария почти неизбежна.

Почему это происходит?

У современного самолета шасси состоит из двух колес, расположенных впереди центра тяжести, и третьего, хвостового колеса (на устарелых конструкциях место третьего колеса занимает костыль). При резком торможении двух передних колес сила инерции, действующая на центр тяжести, приподнимает заднюю часть самолета и стремится перекинуть самолет через нос. Происходит так называемый «капот».

В последнее время в Америке проведены удачные опыты с новым шасси, которое названо «трехколесным». Название это, как мы видим, условное. Шасси современных самолетов давно уже состоит из трех колес, но только в новом шасси колеса расположены иначе: два колеса находятся сзади центра тяжести, а одно — впереди.

Американский самолет с новым трехколесным шасси. Одно колесо шасси расположено впереди и два —  сзади центра тяжести.

Новое шасси значительно увеличивает устойчивость самолета. При посадке с таким шасси можно начать торможение с первого же момента. Центр тяжести находится впереди заторможенных колес. Сила инерции уже не будет стремиться перекидывать машину. Самолет будет только скользить по дорожке на заторможенных колесах. Длина послепосадочного пробега сильно сокращается. При опытных полетах с новым шасси летчик начинал тормозить колеса даже в воздухе и совершал благополучную посадку с заранее заторможенными колесами.

Многие специалисты авиации в Америке высказывают мысль, что через пять-шесть лет вряд ли останется хоть один самолет с двухколесным шасси. Насколько они правы, покажет будущее.

Какое из указанных приспособлений для облегчения взлета и посадки имеет будущее — сказать сейчас трудно. По-видимому, в той или иной мере будут применяться почти все из перечисленных способов. Составной самолет, например, удобен для взлета небольших, но тяжело нагруженных машин. Катапульта имеет преимущества в тех случаях, когда необходимо осуществить вылет большого числа самолетов в короткое время. Бесспорно, удачной новинкой является трехколесное шасси.

Нет сомнения, что в самом ближайшем будущем появится еще немало остроумных и смелых способов, облегчающих взлет и посадку, от которых в большой степени зависит все дальнейшее развитие авиации. Решение этой задачи может изменить и внешний облик, и качества современных самолетов.

Сравнительная схема взлета самолета 1928 г. и самолета 1938 г. (без щитков).

Сравнительная схема посадки самолета 1928 г. и самолета 1938 г. (без щитков).