Авиация и космонавтика 2003 11

Дмитрий СОБОЛЕВ

ПЕРВЫЙ ПОЛЕТ – НЕ ПРОСТО УДАЧА

К 100-летию первого полета самолета

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,