В самом начале ХХ века, когда аэроплан только появился на свет, он рассматривался исключительно как еще один спортивный снаряд. Гонки устраивали все. Каждый играл по своим правилам и чтобы привлечь зрителя и окупить мероприятие, надо было придумать нечто оригинальное. Сын владельца крупнейшего французского оружейного концерна Жак Шнейдер, воздухоплаватель-рекордсмен (его результат подъема на аэростате 10081 м был в то время лучшим в мире) и авиатор, а по основному роду занятий банкир, решил совместить достоинства гонок аэропланов и моторных катеров, которые вызывали у публики одинаково бурный восторг.

 

Жак Шнейдер вообще любил море, и в 1910 году он учредил собственный Кубок для морских авиаторов, который назвал Coupe d'Aviation Maritime Jacques Schneider. Новая гонка в будущем станет настолько популярной, что британский историк авиации Г. Кинг,  втор монографии по самолетам «Сопвич», назовет Кубок Шнейдера «Граалем авиаторов».

гидросамолет, Россия, Кубок Шнейдера, аэроплан, гонки
На этом самолете Депердюссен «Купэ Шнейдер» летчик Морис Прево выиграл первую гонку гидропланов на Кубок Шнейдера весной 1913 г., показав среднюю скорость 73,56 км/ч
 
 гидросамолет, Россия, Кубок Шнейдера, аэроплан, гонки
Гоночный гидроплан Моран тип G с мотором «Гном» 80 сил
гидросамолет, Россия, Кубок Шнейдера, аэроплан, гонки
Победитель гонок 1914 г. поплавковый аэроплан Сопвич «Шнейдер»  у причала в Олбэни.
Это была последняя гонка гидропланов перед началом мировой войны, в которой самолеты фирмы Томаса Сопвича станут одними из лучших истребителей в мире

Развитие схем гидросамолетов

 

По понятным причинам в первых гонках участвовали не только аппараты, которые не строились специально для таких соревнований, но среди них были не только обычные машины, которые были взяты «как есть» или переделаны кратчайшим путем – простой заменой колесного шасси на поплавки. Многие участвовавшие в первых гонках самолеты были двухместными, потому что строились с учетом возможности обучения полетам на них, на чем многие первые авиаторы в основном и зарабатывали. Но второе пилотское место увеличивало вес, размеры и сопротивление фюзеляжа. Однако победа в первой гонке досталась все же специальному гоночному аэроплану, и он был одноместным.

 

В гонке 1913 г. участвовали только поплавковые гидросамолеты, и лучшими оказались монопланы, у которых в то время соотношение между подъемной силой и полным сопротивлением (а эта величина называется аэродинамическим качеством самолета) было лучше.

 

Подъемная сила зависит от площади крыла – у монопланов она меньше. Но и сопротивление (лобовое или сопротивление формы, а также сопротивление трения) прямо пропорционально зависит от площади несущей поверхности. А индуктивное сопротивление, которое получается из-за перетекания воздуха с нижней поверхности крыла (зона повышенного давления) на верхнюю (зона разрежения) через законцовки зависит не только от формы плоскостей, создающих подъемную силу, но и от их количества. Две, четыре шесть законцовок – чем их больше, тем больше стекающих с них вихревых жгутов «пожирают» энергию, которую сообщает самолету силовая установка.

 

Два крыла образуют бипланную коробку, прочность и особенно жесткость которой придают стойки и растяжки. Их на бипланах той поры были десятки, и каждая добавляла аэродинамического сопротивления. Правда, по сравнению с первым фактором, это уже не такой большой вред и, тем не мене, моноплан пока был выигрышнее биплана в том числе и потому, что различных стоек и растяжек для крепления его крыла (а тогда жесткость и одной несущей поверхности без них не обеспечиваллась) у него «торчало в потоке» меньше, чем у биплана.

 

Еще один неприятный момент – сопротивление интерференции, происходящее от взаимодействия возмущений, которые вносят в обтекающий самолет воздушный поток его части. Больше таких частей, больше и таких вредных влияний – естественно, здесь биплан хуже моноплана, но эти потери могут быть велики, а могут быть и ничтожны, все зависит от конкретного места.

 

В то время очень популярны были самолеты великого (и даже величайшего!) французского конструктора Анри Фармана. Их оперение состояло из подвижных вертикальных плоскостей (рулей направления), расположенных сзади крыла, и двух комплектов горизонтальных плоскостей – за крылом и перед ним. Передние были полностью подвижными и играли роль руля высоты, а задние состояли из стабилизатора, который призван был обеспечивать устойчивость самолета в полете, и второго руля высоты, как и первый служившего для управления подъемом и спуском самолета.

 

Профиль этих горизонтальных поверхностей был такой же, как и на крыле – тонкий выпукло-вогнутый, причем выпуклость была как и на крыле вверху, и в горизонтальном полете подъемная сила оперения добавлялась к подъемной силе крыльев. Казалось бы, это хорошо, к тому же такой самолет хорошо слушался рулей («шел за ручкой»), но он не стремился выровняться сам, если попадал в воздушный порыв. И тогда, перефразируя известную поговорку, дело спасения пилота – дело рук самого пилота. Другими словами, если он не сумеет среагировать и правильно сработать рулями, то разобьется.

 

В то время авиаконструкторы и ученые во многих странах мира (в России, в частности, профессор Н.Е. Жуковский) предложили отказаться от переднего руля высоты, не эффективного, но ухудшающего устойчивость, а заднее горизонтальное оперение делать симметричного профиля и ставить относительно оси фюзеляжа под меньшим углом, нежели на нем было установлено крыло. Тогда при правильном положении центра масс (в идеале примерно на 20…25% хорды крыла, чуть впереди его центра давления или фокуса) самолет будет нормально лететь даже если аэродинамическая сила на оперении будет направлена вниз. А при попадании в восходящий или нисходящий воздушный поток (порыв, «воздушную яму» и т.п.) эта сила автоматически (пилот не будет работать рулем высоты!) перераспределится так, что аэроплан сам вернется в горизонтальный полет. Схема самолета с задним расположением оперения и с соблюдением такого «правила продольного V» получила название классической, и она показала свои преимущества уже на первом Кубке Шнейдера (впрочем, как и на других подобных состязаниях тех времен).

 

 

 

Среди первых участников Кубка Шнейдера были аппараты, которые по крену управлялись перекашиванием концов крыльев, как это делали еще братья Райт в 1903 г. Однако с увеличением размеров и веса самолетов повышались и требования к жесткости их несущих поверхностей и «гнуть» их рычагами управления пилоту становилось все труднее. Потому уже на некоторых самолетах, прибывших в Монако в 1913 г. были элероны – подвижные поверхности управления по крену на крыле.

 

Гонщики проходили довольно много разворотов и от того, насколько круто они их выполняли, зависело время полета – главный критерий успеха. Уже в 1913 г. крылья многих аэропланов были установлены с «поперечным V», то есть консоли поднимались от корневых частей к законцовкам. Это улучшало устойчивость при выполнении виража и убирало вредное стремление самолета развернуть нос при входе в крен. Самолет с таким крылом был безопаснее в пилотировании, однако многие конструкторы тогда думали, что это слишком сильно уменьшат скорость и предпочитали надеяться на мастерство пилота.

 

Все самолеты, участвовавшие в гонке 1913 г., имели поплавковое шасси, причем часто объем и запас плавучести поплавков, а значит их вес и аэродинамическое сопротивление были избыточными. На гонке 1914 г. наряду с поплавковыми гидропланами уже присутствовала и летающая лодка – FBA Тип А. Идея совмещения функций шасси (поплавки имели большое сопротивление и вес, который также порождал сопротивление – индуктивное) и фюзеляжа выглядела заманчиво, однако она порождала другие трудности, связанные с размещением силовой установки.

гидросамолет, Россия, Кубок Шнейдера, аэроплан, гонки
Дебютант гонок 1919 г. невезучий «Морской Лев» I. В кабине Бэзил Хоббс
 
Доработанный опытный гидросамолет Фейри N.10 на гонках на Кубок Шнейдера в Борнмуте в сентябре 1919 г.
Доработанный опытный гидросамолет Фейри N.10 на гонках на Кубок Шнейдера в Борнмуте в сентябре 1919 г.

Бурное развитие авиации в годы первой мировой войны, и особенно – появление истребителей как самолетов самых скоростных и маневренных, привело к тому, что на некоторое время моноплан утратил свое преимущество в аэродинамическом качестве – размеры и масса самолетов выросли, изменилось соотношение между подъемной силой, сопротивлением и тягой силовой установки, которая определялась мощностью мотора и коэффициентом полезного воздушного винта.

Летающая лодка Макки М.7 военной авиации Швеции
Летающая лодка Макки М.7 военной авиации Швеции

Но точно определить (не только рассчитать, но даже и замерить, имея самолет!) в то время не могли, потому для упрощения выбора его параметров при проектировании первые конструкторы придумали соотношения между весом самолета, площадью несущей поверхности и мощностью мотора.

 

Удельная нагрузка на квадратный метр крыла – это отношение веса самолета к площади несущей поверхности. Чем оно меньше, тем самолет маневреннее. В принципе, это хорошо, однако с уменьшение этой величины обычно достигается наращиванием площади крыла, что ведет к росту аэродинамического сопротивления. К тому же такой аппарат чувствительнее к управляющем воздействиям, в том числе и к внешним,  тем, что не зависят от пилота.

 

В то время нагрузка на крыло серийных самолетов постепенно повышалась, но среди участников гонок на Кубок Шнейдера в первый период 1913-1922 гг. она и так была высока – первый победитель, Депердюссен «Купэ Шнейдер» имел нагрузку 48,1 кг на квадратный метр, а самая большая нагрузка в 59,1 кг/кв.м была у итальянской летающей лодки Макки М.9, выставленной на гонку 1921 г.

 

Зато нагрузка на мощность (отношение веса самолета к мощности мотора) непрерывно снижалась – от 10,5 … 13,5 кг/л.с. в 1913-м до 2,9 … 3,7 кг/л.с. в 1922 г. Это, конечно, не единственный параметр, определявший результат, но бесспорно важный. И не только для гоночных самолетов.

 

Наконец, отношение мощности мотора к площади крыла определяет способность самолета к разгону. Она тоже выросла «за отчетный период» с 2,0 … 3,7 л.с./кв.м до 12,6 … 15,3 л.с./кв.м. А «пиковое значение» в 21,8 л.с./кв.м. принадлежит английскому аппарату Сопвич «1919 Шнейдер»: его мотор Космос «Юпитер» был мощным, легким, но «куплено» это надежностью: на доводку данного двигателя потребовалось более пяти лет и участие фирмы «Бристоль», располагавшей более квалифицированными специалистами, чем разработчик.

 

 

 

Развитие силовых установок

 

Силовая установка состоит не только из мотора. В нее входят многочисленные системы: крепления двигателя, топливопитания, зажигания, отвода выхлопных газов, смазки, охлаждения (как самого мотора, так и масла в его системе смазки), ну и конечно система управления (не только мотором, но и всей силовой установкой!), а для не реактивных самолетов, о которых идет речь, – и воздушный винт. Именно он преобразует мощность вращения вала мотора в тягу, которая заставляет самолет двигаться.

 

Абсолютное большинство участников первых гонок Шнейдера 1913 и 1914 гг. имели звездообразные моторы воздушного охлаждения. Они были ротативными, то есть вращались вместе с воздушным винтом. При всех недостатках, это решение обеспечивало им хорошее охлаждение и как следствие – отсутствие опасности заклинивания от перегрева.

 

Обычная мощность такого мотора была 100 л.с., но эта величина перестала удовлетворять авиаконструкторов уже в 1914 г. Ее можно было увеличить за счет числа и/или рабочего объема цилиндров или путем увеличения оборотов, но ни тот путь, ни другой для ротативных моторов не годился – слишком сильно росла нагрузка на корневое крепление коленвала, которым такой мотор соединялся с корпусом самолета.

 

Потому не удивительно, что в годы I мировой войны рядные моторы обогнали в росте мощности моторы ротативные. В этот период появились и неротативные звездообразные моторы воздушного охлаждения. Они давали возможность наращивать мощность указанными ниже путями, имели меньшую длину, чем рядные моторы, но большую фронтальную поверхность, которая определяла мидель, т.е. максимальное сечение фюзеляжа или мотогондолы, если мотор был не в фюзеляже. Именно это обстоятельство определило негативное к ним отношение со стороны многих авиаконструкторов, работавших над скоростными самолетами – как истребителями, так и гоночными.

 

Итак, в годы I мировой войны появились рядные моторы мощностью 200…300 и даже 450 л.с. Типичным представителем первой категории был французский мотор Испано-Сюиза H.S.8, выпускавшийся массовой серией с 1916 г. Он был V-образным, т.е. восемь его цилиндров стояли в два ряда так, что их оси на виде спереди образовывали литеру V. Английская фирма «Нэпир и сын» в 1917 г. добавила между этими двумя рядами цилиндров третий, придумав так называемую W-образную схему и открыв дорогу для дальнейшего роста мощности – ее 12-цилиндровый (4 ряда по 3 «банки») мотор «Лайон» развил гигантскую мощность в 450 сил!

 

Первые рядные моторы, как и звездообразные, имели воздушное охлаждение. Но обдувавший оребренные цилиндры такого мотора холодный воздух встречного потока постепенно нагревался и отобрать нужное количество тепла от задних цилиндров уже не мог. Потому такие моторы, как Испано-Сюиза H.S.8, Изотта-Фраскини V.6 или Нэпир «Лайон» имели охлаждение водяное.

 

Их цилиндры омывала вода, которая нагревалась. Затем она пропускалась через радиатор, представлявший собой большой пакет трубок, который обдувался все тем же встречным воздушным потоком, который отбирал и уносил с собой тепло, накопленное водой. И получалось, что рядный мотор сам имел меньшее аэродинамическое сопротивление, но требовал радиатора, сопротивление которого было тем больше, чем мощнее мотор. А когда мощность мотора подошла к отметке 200 л.с. оказалось, что охлаждать надо не только цилиндры мотора, но и масло в нем, иначе оно перестает быть смазкой – в добавок к водяному понадобился еще и маслорадиатор.

 

Конструкторы пытались найти какой-то компромисс между «пользой» и «вредом» от радиатора, изобретая все новые их конструкции. Но на скоростных аэропланах прижились пока два варианта – трубчатый лобовой (его в авиации внедрила французская моторостроительная фирма Hispano-Suiza), и пластинчатый внешний, автором которого стало также французское предприятие Lamblin.

Гоночный гидросамолет Макки М.19, занявший III место в гонках на Кубок Шнейдера 1921 г.
Гоночный гидросамолет Макки М.19, занявший III место в гонках на Кубок Шнейдера 1921 г.

Гоночный гидросамолет Супермарин «Си Лайон» I</p><p>Дебютант гонок 1919 г. невезучий «Морской Лев» I. В кабине Бэзил Хоббс
Гоночный гидросамолет Супермарин «Си Лайон» I

О взаимоотношениях между силовой установкой самолета и общей компоновкой самолета

 

На первых воздушных судах мотор ставили сзади, и установленный на нем воздушный винт давал воздушную струю в свободное (или почти свободное) пространство подобно гребному винту судна морского. Но воздух – не вода и довольно быстро стало понятно, что для аэроплана лучше, если свободное пространство находится перед винтом, а не за ним. Это и дало преимущество в тяге и скорости аэропланам фирм «Депердюссен», «Ньюпор», «Моран», «Сопвич» и другим, которые были очевидными лидерами первых гонок на Кубок Шнейдера.

 

Все это были модификации обычных сухопутных самолетов, в которых колеса были замены на поплавки. Но как мы уже говорили, некоторые конструкторы считали, что поплавковое шасси это непозволительная роскошь, поскольку мидель поплавков был сравним с миделем фюзеляжа, да и крепление их тоже добавляет сопротивления. Они предпочитали строить летающие лодки, которые тоже имели дополнительные поплавки, но маленькие – для устойчивости на воде.

 

Да, лодка совмещала функции шасси и фюзеляжа, но, находясь на взлете и посадке в воде, не могла служить для размещения непосредственно на ней воздушного винта. Однако для самолетов той размерности и массы самолета, мощности силовой установки и лобовой проекции мотогондолы, которые сформировались к началу 20-х гг., летающие лодки все же давали определенное преимущество, чем и воспользовались конструкторы итальянских фирм «Савойя» и «Макки». Не удивительно, что именно эти предприятия в то время были мировыми лидерами в «легкой» гидроавиации вообще, а не только в воздушных гонках.

 

Совершенствование аэродинамических форм самолетов

Разложив в хронологическом порядке фото различных аэропланов, участвовавших в гонках на Кубок Шнейдера, можно воочию увидеть, как они становятся все красивее внешне, приобретают все более рациональную и «лаконичную» конструкцию, в которой остается все меньше различных внешних подкрепляющих элементов – только силовая установка, фюзеляж, крыло, оперение да поплавки. Формы всего этого и в плановых проекциях, и в сечениях становились все более обтекаемыми и приобретали неповторимую красоту, понятную даже тем, кото никогда не слышал о законах аэродинамики.

 

Цель конструктора была одна: все максимально обжать и «облагородить», чтобы снизить все компоненты аэродинамического сопротивления самолета. Справедливости ради надо сказать, что в то время, в 1913 – 1922 гг., пока мало кто задумывался о сопротивлении индуктивном, которое зависело (как выяснили несколько позже) от формы крыла в плане и от его относительного удлинения (чтобы получить его делим квадрат размаха на площадь и видим «длинное» наше крыло или «короткое»). Чем больше относительное удлинение, тем меньше индуктивное сопротивление, но тогда этого пока не знали, потому выбирали его в основном из соображений конструктивных в узком пределе 5-6 единиц – редко больше.

 

Зато к концу I мировой войны стали отказываться от тонких выпукло-вогнутых (их строительная высота в самом «толстом» месте составлала лишь 3-6% длины хорды) профилей крыла. Новые снизу были почти плоскими и даже выпуклыми, что вело к некоторому уменьшению подъемной силы, но сопротивление при этом падало быстрее.

 

На рубеже 20-х гг. на самолетах-истребителях стали появляться крылья с относительной толщиной профиля 10, 15 и даже 18%, а рост строительной высоты крыла в 2 раза увеличивает величину выдерживаемого лонжероном изгибающего момента в 8 раз, а перерезывающей силы – в 4 раза. Это опять же позволяет снизить массу и сопротивление самолета в целом.

 

Однако этим последним преимуществом, уже известным в то время, большинство охотников за Кубком Шнейдера пока еще не пользовались.

 

Второй обладатель Кубка англичанин Пикстон в 1914 г. принес самый большой относительный прирост средней скорости полета по трассе – 90%, что в абсолютных величинах составило более 66 км/ч. Это была убедительная демонстрация преимущества бипланов над монопланами, которое начало складываться в то время, ведь роста мощности мотора тогда не произошло.

 

Прошла мировая война, скорости военных аэропланов выросли в среднем в 2,5 раза, а результат гонки 1919 г. – лишь на 26%, что было менее 37 км/ч, да и тот засчитан не был. Первой пришла летающая лодка с толкающим мотором установленным за крылом, но пилот нрушил правила и попал под дисквалификацию.

 

Лучший показатель 1920 г. оказался еще хуже, чем в 1919-м, тем не менее, в фаворе у гонщиков остаются летающие лодки – бипланы.

 

Следующий 1921 г. принес улучшение лишь на 9,9% и 17 км/ч соотвественно, зато 1922 г. снова вернулись к более-менее приличному темпу роста – 23,8% и 45 км/ч. Но это был последний успех турнира, доставшийся летающей лодке. 

Нашли опечатку? Выделите фрагмент и нажмите Ctrl+Enter.

Новости о науке, технике, вооружении и технологиях.

Подпишитесь и будете получать свежий дайджест лучших статей за неделю!