Одна из основных систем самолета – шасси
«Только в полетах живут самолеты», – пел композитор Юрий Антонов в своем шлягере 1980-х «Долгожданный самолет». Действительно, летательный аппарат должен летать. Но приличную часть своей жизни он проводит и на земле. Тогда летательный аппарат становится «наземным транспортным средством». Торможение, руление, разгон, даже простая стоянка – это все этапы этой земной жизни самолета. И одним из главных средств, обеспечивающих эти этапы, становится шасси.
20 лет службы
Наиболее распространенным являются колесное шасси, но бывают шасси и с лыжами, и с поплавками, и даже с гусеницами. На самолетах, летающих с небольшой скоростью, шасси делают жестко закрепленными, а на скоростных – убирающимися, что снижает лобовое сопротивление.
Как писал в 2002 году инженер компании Airbus-Deutschland GmbH Герд Ролофф (Gerd Roloff), на шасси приходится 2,5-5 % от максимальной взлетной массы современного коммерческого самолета и 1,5-1,75 % от его стоимости. Однако около 20 % прямых затрат на техническое обслуживание лайнера идет именно на шасси. Одно колесо может выдерживать нагрузку до 30 т, а рассчитано оно на работу при скорости до 300 км/ч. Для современного самолетного шасси промежуток между его капитальными ремонтами составляет около 20 тыс. часов, а общий срок службы 60 тыс. часов эксплуатации или 20 лет. Это примерно столько же, сколько и для всего самолета в целом. Но эти сроки – для шасси. Шины меняются значительно чаще – после каждых 100-400 взлетов-посадок.
Число колес шасси зависит от массы летательного аппарата. На тяжелых самолетах их количество может составлять несколько десятков. Для удобства уборки и выпуска их объединяют в отдельные тележки. Так, например, самый большой на сегодня серийный пассажирский самолет Airbus A380 с максимальной взлетной массой 575 т имеет 22 колеса – два на носовой стойке, по четыре в двух тележках под каждой плоскостью крыла и по шесть в еще двух тележках под фюзеляжем. При разработке самолета высказывалось мнение, что 380-й может повредить покрытие взлетно-посадочных полос. Чтобы развеять эти опасения, компания Airbus в 1998 году изготовила тележку, нагружаемую балластом. Ее вес был таким же, как и у A380. Тележка стояла на штатном шасси самолета. Ее катали по территории Airbus в аэропорту Тулузы. На экспериментальном участке в покрытие встроили датчиками, измерявшие оказываемое на покрытие рулежки давление. По результатам испытаний установили, что покрытие большинства взлетно-посадочных полос не нуждается в укреплении для приема A380, несмотря на его высокий вес.
Самое же большое количество колес в шасси самолета было у специального транспортного лайнера Ан-225, построенного в Советском Союзе в 1984-88 годах для перевозки многоразового космического корабля «Буран». Для поддержания самолета с максимальной взлетной массой 640 т использовалось 32 колеса: по два на двух носовых стойках и по 14 на двух основных тележках. Это шасси было разработано и изготовлено, как и большинство подобных отечественных агрегатов, нижегородским предприятием «Гидромаш».
Основными требованиями к самолетному шасси являются хорошая амортизация, короткий тормозной путь при посадке, высокая устойчивость к качению при маневрировании на грунте, небольшой занимаемый объем при складывании, низкое лобовое сопротивление (особенно для жестко закрепленных, не убираемых шасси). Важны и общие для самолетов эксплуатационные требования – высокая надежность и безопасность, низкие расходы на обслуживание, малый вес.
Изобрести колесо
Со словом «шасси» больше всего ассоциируется сегодня слово «колесо». Ведь более 90 % летательных аппаратов из всего земного авиационного парка имеют шасси колесного типа.
В 1969 году советский ансамбль «Поющие гитары» выпустил юморную и задорную «Песенку велосипедистов»[1]:
Трудно было человеку
Десять тысяч лет назад
Он пешком ходил в аптеку
На работу, в зоосад.
Он не знал велосипеда,
Слепо верил в чудеса,
Потому, что не изведал
Всех достоинств колеса.
Действительно, колесо стало одним из самых выдающихся изобретений древнего человека. Где, когда и кто его изобрел, остается до сих пор неясными. Археологи неоднократно находили древние рисунки и игрушки, отдаленно напоминающие колесный транспорт. География таких находок обширна: Ближний Восток, Центральная и Восточная Европа, Китай. Но такие достаточно неоднозначные рисунки и игрушки отнюдь не гарантируют существование реальных телег и колесниц. Да к тому же датировка этих рисунков и игрушек дает значительный разброс, чтобы однозначно сказать – эта находка древнее, чем другие.
Долгое время считалось, что первое колесо появилось у шумеров в Древней Месопотамии (современный Ирак). Считается, что там примерно в 4200-4000 годах до н. э. мог уже появиться гончарный круг – каменное колесо, вращающееся на деревянной оси. Но самый старый из таких гончарных кругов, найденный на территории древнего города-государства Ур (это юг Ирака), археологи датировали примерно 3100 годом до н. э.
На территории соседнего древнего города-государства Урук, соперничавшего с Уром, на территории развалин храма Э-Ана были обнаружены глиняные таблички, на которых изображены колесные повозки. Их датируются примерно 3500-3350 годами до н. э.
В 1985 году кубанский археолог Александр Кондрашов раскопал у станицы Старокорсунской в Краснодарском крае могильник, в котором обнаружили остатки двух деревянных колес диаметром 60 см. На основании исследований выяснилось, что та двухколесная повозка была изготовлена не позднее 3500 года до н. э.
Обнаруженное в 2002 году в болотах в 20 км к югу от Любляны (столицы Словении) деревянное колесо диаметром 70 см оказалось не многим моложе: радиоуглеродный анализ, проведенный в лаборатории VERA в Вене, показал, что ему 5100-5350 лет, то есть колесо было сделано в 3350-3100 годах до н. э.
Есть и более древние свидетельства использования колеса, правда, они косвенные. Еще в 1894 году между городками Лоне и Цюшеном на севере германской земли Гессен была обнаружена древняя каменная гробница. На мегалитической плите были гравировки. Одним из наиболее распространенных символов – линия с присоединенным сверху полукругом, что интерпретировали как стилизованное изображение крупного рогатого скота. Обычно два таких символа связаны линией с дополнительной чертой между «волами», что может быть простым изображением плуга. Есть изображения двух «волов», связаны чем-то, напоминающим ярмо и шест. Это интерпретируется как телега. Создание Цюшенской гробницы современные археологи относят к концу 4 тыс. до н. э.
Еще более древние находки обнаружил в 1981 году румынский археолог Марин Дину (Marin Dinu) в районе села Кукутень в регионе Западная Молдавия в 52 км к северо-западу от города Яссы. При раскопках остатков фундаментов глинобитных домов были найдены миниатюрные глиняные колеса, чаши в форме колесниц на четырех колесах и фигурки животных с осевыми отверстиями, явно предполагавшими установку их также на колесики. Находки, отнесенные к Кукутень-Трипольской культуре, были датированы первой половиной четвертого тысячелетия до нашей эры или даже второй половиной пятого тысячелетия (где-то между 4500 и 3500 годами до н. э.). Это на сегодня самые ранние представления о колесном транспорте в мире. Как считают некоторые исследователи, например, финский профессор Аско Парпола (Asko Parpola) из Хельсинкского университета, такие игрушки и столовые предметы на колесах явно доказывают использование древними людьми и полноразмерных повозок. С тех пор, видимо, человек и «изведал все достоинства колеса», делая телеги, колесницы, кареты, а потом – и самолеты с колесным шасси.
Дорайтовские «падения с размахом»
Первый полноценный проект винтомоторного самолета был создан и запатентован в 1842 году. Его разработал английский изобретатель Уильям Сэмюель Хенсон (William Samuel Henson), прозванный современниками «Сумасшедшим Хенсоном» (Mad-man Henson). Его партнером по проекту был Джон Стрингфеллоу (John Stringfellow), которого сумасшедшим не называли. Он занимался на тот момент разработкой и обслуживанием паровых двигателей для станков. В патенте Хенсона и Стрингфеллоу самолет назывался «Воздушный паровой экипаж “Ариэль”» (Aerial Steam Carriage) (Патент Великобритании № 9478).
«Экипаж» имел все основные конструктивные элементы, которые есть у современного самолета: крыло, фюзеляж, горизонтальное и вертикальное оперение, силовая установка (паровая, естественно). Аппарат имел и шасси, состоявшее из трех колес. В 1843 году Хенсон и Стрингфеллоу с партнерами зарегистрировали акционерное общество Aeriel Transit Company для строительства «экипажа». Для начала была построена уменьшенная модель «Ариэля». Она имела размах крыла 6 м, а для вращения двух винтов стоял паровой двигатель мощностью 1 л. с. Но дальше экспериментов с моделью дело не пошло. Максимум, что смог «мини-Ариэль», это пролететь прямо около 30 ярдов (27,4 м), стартовав с направляющей проволоки. Самостоятельно взлететь и приземлиться на шасси моделька оказалась не способна. Поэтому собрать денег на полноразмерный аппарат акционерам не удалось. Британские газеты назвали «Ариэль» выдумкой сумасшедшего и мошенничеством. Хенсон бросил проект и эмигрировал с семьей в Америку.
Первый полномасштабный самолет появился с другой стороны Ла-Манша. Его построил французский морской офицер Жан-Мари Феликс дю Тампль де ла Круа (Jean-Marie Félix du Temple de la Croix). В промежутках между участием в войнах он занимался изобретательством. Так вернувшись с юга России после Крымской войны (там в конце 1855 года он участвовал в штурме крепости Кинбурн в устье Днепра), дю Тампль в 1857 году разработал проект самолета-моноплана. Аппарат должен был иметь крыло обратной стреловидности, паровой двигатель и один тянущий винт. Шасси моноплана дю Тампля было трехколесным – две стойки впереди и одна сзади. Передние стойки были значительно выше задней, что обеспечивало на земле достаточно большой угол атаки – около 20-25 °. Внутри стоек планировались пружинные амортизаторы. В полете стойки должны были убираться, прижимаясь к днищу фюзеляжа. Диаметр колес был небольшим, что свидетельствовало о возможности взлета и посадки только на подготовленные площадки с твердым и ровным покрытием.
В том же году дю Тампль построил в Тулоне модель своего моноплана весом 0,7 кг. Правда, в качестве силовой установки он поставил на него не паровой двигатель, а пружину от часового механизма. Но эта модель с использованием собственного шасси смогла взлететь с земли и сесть. Французы считают это первым в мире полетом модели самолета. С ними не согласны англичане, считающие первым полет модели самолета «Ариэль» Хенсона за 10 лет до того.
Сразу после первого полета модели Феликс дю Тампль запатентовал свое изобретение, назвав его «воздушное передвижение путем имитации полета птиц» (locomotion aérienne par imitation du vol des oiseaux). Но участие моряка-изобретателя в последовавших войнах в Италии (1859 год) и в Мексике (в 1863-64 годах) замедлили реализацию самолетного проекта. Лишь вернувшись из Нового Света он в 1869 году приступил на свои средства и средства брата, бригадного генерала Луи дю Тампля (Louis du Temple) к постройке в старом арсенале Шербура полноразмерного моноплана. Реальный самолет получился существенно тяжелее, чем планировал его разработчик: он весил 81,6 кг при размахе крыла 13 м. Много веса добавили лонжероны крыла из катаного алюминиевого листа. Для снижения веса Феликс дю Тампль отказался в том числе и от убираемого шасси, сделав его жестко закрепленным. Доводка моноплана до летного состояния заняла годы. Он проходил, как бы сегодня сказали, наземные испытания: в частности, с помощью динамометра была измерена тяга винта, приводимого в движение паровой машиной.
А вот поднялся ли тот самолет в воздух или нет, до сих пор остается неясным. По версии одних историков авиации, правда, озвученной уже в XX веке, в 1874 году состоялась первая попытка полета моноплана под управлением некоего молодого матроса. По этой версии, разбег самолета проходил на уклоне, в ходе которого аэроплан подпрыгнул над землей и пролетел сам несколько метров. Но, как говорил герой мультфильма «История игрушек» Базз Лайтер (Buzz Lightyear): «Это не полет, это падение… с размахом».
Кстати, те рассказы не имели никаких серьезных подтверждений. Даже сам Дю Тампль никогда не заявлял, что его машина летала. Судя по всему, испытания (если они вообще были) закончились неудачей. Сам дю Тампль лишь запатентовал в 1878 году облегченный паровой котел, вариант которого потом использовался при создании торпедных катеров. В том же 1878 году моноплан дю Тампля был выставлен на Всемирной выставке в Париже, но и там он не летал. В декабре 1885 года в журнале «Cosmos les Mondes» вышла статья С.Бернара (S.Bernard) «Аппарат капитана Феликса дю Тампля» (Appareil du commandant Felix du Temple), опубликованная с разрешения самого дю Тампля. В ней говорилось: «За 10 лет испытаний и доводок ржавчина, удары и ремонт лишили многие детали их первоначальной прочности. В связи с этим г-н дю Тампль не решился перейти к летным испытаниям».
Также, видимо, никогда не летал российский «Воздухоплавательный снаряд», проект которого разработал тоже морской офицер Александр Можайский (он никогда для своего изобретения не использовал термин «самолет»). Изготовление его полномасштабной версии началось на военном поле недалеко от Красного Села под Санкт-Петербургом летом 1882 года. Это был моноплан с тонким прямоугольным крылом, стоящим под углом 3 °. Три винта аэроплана (один на носу и два в прорезях крыла ближе к хвосту) приводились в действие паровой машиной. По оценкам исследователей, размах крыла самолета Можайского составлял около 23 м при длине всего самолета 23-25 м. Разгон «Воздухоплавательного снаряда» перед взлетом должен был происходить под уклоном по деревянной рампе. С шасси изобретатель не стал сильно заморачиваться, сделав их как у колесных экипажей. Четыре стойки шасси с пружинной амортизацией имели колею около 3 м и базу более 9 м. Такое шасси имели слишком малую колею, что должно было привести к неустойчивости самолета при разбеге и посадке.
Никаких подробных документов о летных испытаниях самолета Можайского не сохранилось. Лишь в записке Главного инженерного управления Военного министерства России от 1884 года говорилось, что по информации из частных источников самолет Можайского «был даже им и приводим в действие, взбегая вверх по наклонным рельсам, но взлететь не мог». Правда, это мог быть отчет только о наземных пробежках «снаряда». Однако начиная с последнего десятилетия XIX века – то есть уже после смерти моряка-изобретателя в 1890 году – в России стали появляться публикации, в которых утверждалось, что «Воздухоплавательный снаряд» отрывался от земли под действием тяги винтов, но потерпел аварию с повреждением крыла и, возможно, шасси. Кто называл в качестве даты первого испытательного полета 1882 год, кто 1883-й, кто 1884-й или даже 1885-й.
Во второй половине XX века в Советском Союзе было выполнено несколько исследований проекта Можайского вплоть до продувок модели самолета в масштабе 1:20 в аэродинамической трубе ЦАГИ (в 1979-81 годах). Большинство исследователей сошлось во мнении, что мощности паровой машины в 30 л. с., стоявшей на самолете Можайского, было недостаточной для устойчивого полета, потому отрыв летательного аппарата от земли был возможен только при разбеге под уклон. Но такой подскок с отрывом шасси от земли нельзя назвать полноценным взлетом самолета, это тоже было лишь «падение с размахом».
Ликер «Шасси»
В Советском Союзе был широко известен «настоящий мужской авиационный напиток» – ликер «Шасси». О нем узнали в первую очередь из художественного полнометражного черно-белого фильма «Хроника пикирующего бомбардировщика», снятого режиссером Наумом Бирманом на киностудии «Ленфильм» в 1967 году. Основой для фильма послужила одноименная повесть Владимира Кунина, опубликованная годом ранее. Некоторые зрители посчитали тот ликер кинематографической байкой. Однако писатель, драматург и сценарист Владимир Фейнберг, известный под псевдонимом Кунин, безусловно знал, про что писал: с декабря 1944 по декабрь 1946 года он был курсантом военно-авиационных школ.
Правда, фильм и книга несколько отличаются в деталях. В фильме слава изобретения ликера «Шасси» принадлежит стрелку-радисту Жене Соболевскому в исполнении гениального актера Олега Даля. В книге же авторами рецепта стали «нахальный двадцатилетний пилот третьей эскадрильи» Митька Червоненко и старшина батальона аэродромного обслуживания Славка Морозов. Вот как было дело:
«Неутоленная жажда загнала Митьку и Славку на склад ГСМ. Там среди бензино-керосиново-автольных запахов витал еле уловимый запах сладковатого спирта. Митька и Славка принюхались и поняли, что этот сказочный запах исходит от канистр с гидравлической смесью для выпуска шасси. Они выплакали у пожилого младшего сержанта одну канистру и потащили ее в Славкину землянку. В землянке они три раза перегнали содержимое канистры через противогазную коробку и получили почти чистый спирт. Однако примесь сивушных масел оставалась так велика, что пить эту дрянь было невыносимо противно. Тогда Митька и Славка, сохраняя в строжайшей тайне свое открытие, бросились в лавку военторга. Принеся извинения за все гадкие слова, сказанные ими при первом посещении, они купили десять бутылок с малиновым сиропом и побежали обратно в землянку. Там они смешали сироп с отфильтрованной гидравлической смесью и получили божественный напиток, названный впоследствии "ликер шасси"».
Действительно, в советской авиации во времена Великой Отечественной войны спиртоглицериновая смесь использовалась для заправки амортизаторов в стойках шасси. Выпускалась она в больших 10-литровых канистрах. Несмотря на то, что это был технический спирт, после высокой степени очистки (хотя бы через ту же противогазную коробку) он теоретически мог приниматься внутрь. Все зависело от степени очистки: при ее недостаточном уровне после употребления «Шасси» можно было, в лучшем случае, оказывался на госпитальной койке, а в худшем…
Посадка на «санки»
Практически все нереализованные проекты самолетов XIX века имели колеса. Однако первый полет и посадка летательного аппарата тяжелее воздуха – знаменитого Flyer братьев Райт – прошли, как ни странно, без колесного шасси. Хотя совсем без колеса и тут не обошлось.
Технические навыки братья Райт получили в своем магазине, где продавали разные механизмы, в том числе велосипеды и двигатели. Вскоре братья увлеклись идеей создания летательных аппаратов. Сначала в 1990-1902 годах это были планеры[2]. В 1903 году братья построили свой первый летательный аппарат, оснащенный двигателем. Он представлял собой биплан с двумя толкающими деревянными воздушными винтами, вращающимися в противоположных направлениях. Их приводил в движение бензиновый двигатель мощностью 16 л. с. Прямые элементы планера «Флайера» (такие как лонжероны крыла) были изготовлены из ели, гнутые (нервюры крыла) – из ясеня, крылья обтянуты тканью, пропитанной шеллаком. Из-за больших размеров крыла для обеспечения их жесткости пришлось использовать расчалки из металлической проволоки.
Полет «Флайера», как и предыдущих планеров, должен был состояться в районе песчаных дюн в 6 милях к югу от городка Китти-Хок в Северной Каролине на побережье Атлантического океана, где дули постоянные устойчивые ветры и было безлюдно. Садиться планировалось на относительно гладкую поверхность дюн, поэтому «Флайер», как и три планера братьев Райт, не имел колесного шасси. Вместо них для приземления снизу аппарата имелись деревянные полозья.
Первые планеры братьев Райт поднимались в воздух с помощью ассистентов, которые разгоняли их против ветра до скорости отрыва, поддерживая его за крыло. Но своим первым самолетом братьям хотелось доказать, что взлет возможен за счет только двигателя. Поэтому они решили стартовать без какой-либо помощи со стороны. Для взлета имелся деревянный брус длиной 18 м, верхняя поверхность которого была обшита металлом. На брусе стояла деревянная стартовая тележка (launching dolly) на двух колесах, изготовленных из ступиц велосипеда. Это и были те колеса, с помощью которых «Флайер» впервые взлетел. После отрыва от бруса тележка сбрасывалась: для этого пилот должен был потянуть нужную проволоку. Для сокращения длины разбега взлет проводился против ветра. Именно так 17 декабря 1903 года и состоялся первый в мире задокументированный управляемый полет человека на аппарате тяжелее воздуха с двигателем. В тот день дул устойчивый ветер со скоростью около 30 км/ч, при необходимой для взлета скорости аппарата 45 км/ч. «Флайер» летал в тот день четырежды – длительность полетов составила три раза по 12 и раз 15 секунд, дальность полета – дважды по 37, 53 и 61 м.
Братья Райт и следующие несколько своих самолетов оснащали «саночным» шасси. Для запуска второго и третьего «Флайеров» на коровьем пастбище в Хаффман-Прери в 13 км от родного города братьев Дейтона (шт. Огайо) в сентябре 1904 года была построена стартовая катапульта. На таком же деревянном брусе был установлен блок, через который проходил трос. Одним концом трос крепился к стартовой тележке, а другим – к грузу, подвешенному на 6-метровой башне, представлявшей собой опору старой ветряной мельницы. И лишь в середине 1910 года при модификации некоторых из 60 ранее построенных бипланов Model A братья Райт поставили их на колесное шасси. На первом крупносерийном биплане братьев Model B, появившемся в том же 1910 году, с самого начала устанавливались колеса, а не «санки».
Крылатое авто и летающая коробка
А вот в Европе с самого начала самолеты взлетали и садились на колеса. Первый полет в Старом Свете выполнил румынский изобретатель Траян Вуя (Traian Vuia). Не найдя поддержки своих авиационных проектов в Австро-Венгрии, он приехал в Париж. Там, правда, поначалу он тоже не нашел понимания. Французская Академия наук, куда он направил проект летающего автомобиля, в феврале 1903 года ответила: «Проблема полета на аппарате, который весит больше воздуха, не разрешима и остается лишь мечтой». Тогда Вуя на свои средства и на спонсорскую помощь друга все же построил свой автомобиль-моноплан Vuia I с бензиновым двигателем. Этот аппарат, собственно, и был «летающим автомобилем»: четырехколесное шасси с резиновыми пневматическими колесами на спиральных рессорах. Когда аппарат двигался по земле, крыло, напоминавшее крыло летучей мыши, складывалось.
Вуя проводил испытания своего аппарата в западном пригороде Парижа Монтессоне. Сначала он использовал машину без крыла, чтобы набраться опыта управления ею. 18 марта 1906 года Вуйя провел первые летные испытания авто с крылом. Разогнавшись на 50-метровом отрезке, аэро-автомобиль взлетел и преодолел по воздуху около 12 м на высоте 1 м. Однако двигатель заглох, аппарат врезался в дерево, повредив крыло и воздушный винт. Вуя остался невредимым. Многие газеты того времени особенно отмечали, что машина смогла взлететь благодаря собственным усилиям и на ровной поверхности, без помощи пандусов, рельсов или катапульт. После того, как аэро-автомобиль был отремонтирован и слегка модифицирован, Траян Вуя выполнил полеты в районе городка Исси-ле-Мулино (также западнее Парижа) 12 и 19 августа 1906 года. Их результаты оказались лучше первого испытания: дальность была около 25 м при высоте 2,5 м. Историки авиации описали Vuia I как «первый пилотируемый моноплан с современной конфигурацией», однако признали проект неудачным, поскольку аппарат был неспособен к устойчивому полету.
Во Франции состоялись и первые полеты аппарата тяжелее воздуха в присутствии большого числа зрителей. 23 октября и 21 ноября 1906 года на игровой площадке Багатель рядом с одноименным замком (Château de Bagatelle) в 16-м округе Парижа. Их свидетелями было в обоих случаях более тысячи человек. Полеты выполнил бразильский инженер Альберто Сантос-Дюмон (Alberto Santos-Dumont). Он назвал свой аэроплан «14-бис» (14-bis), потому что во время первых подъемных испытаний эта машина была подвешена под дирижаблем с номером 14, также построенным Сантос-Дюмоном. Это был биплан типа «утка» (переднее оперение) с коробчатым крылом: концы верхней и нижней плоскостей крыла аэроплана были соединены вертикальным лонжероном. В качестве шасси – два колеса под крыльями. На полеты были приглашены официальные представители Французского аэроклуба. Потому достигнутые в них результаты считаются первыми официально зарегистрированными мировыми рекордами: скорость 41,3 км/ч в первом полете и дальность 220 м во втором. Взлет, как и в случае с Vuia I, выполнялся без каких-либо вспомогательных средств – катапульт, пандусов или рельсов. Во втором полете при посадке самолет получил небольшое повреждение, авиатор не пострадал.
Велосипед или опоры
Шасси на самолете могут располагаться по-разному. Стартовую тележку братьев Райт можно отнести к шасси велосипедного типа. Это когда основные стойки расположены одна позади другой, то есть находятся в продольной плоскости самолета. Но на двух таких стойках самолет при взлете и посадке получается очень неустойчивым, совсем как двухколесный велосипед. Потому в этой схеме зачастую добавляют небольшие дополнительные стойки с колесами по бокам фюзеляжа или под крыльями. Получается как бы детский двухколесных велосипед с вспомогательными колесами по бокам, которые родители ставят для облегчения обучения малыша езде.
Плюс велосипедной схемы – отсутствие гондол шасси на крыле, что делает крыло более совершенным с аэродинамической точки зрения. Однако велосипедное шасси требует от пилота самолета более высоких навыков пилотирования. Так на взлете невозможно оторвать сначала переднюю опору, как это делают сейчас большинство самолетов, а требуется отрывать обе основные стойки одновременно. В конце же разбега необходимо увеличить угол атаки крыла для набора высоты. Поэтому в велосипедной схеме переднюю стойку делают зачастую более высокой, а заднюю – укороченной. Кроме того, при взлете и посадке пилоту необходимо более строго выдерживать крен самолета. Сложность конструкции и сложность пилотирования самолета с велосипедным шасси на взлете и посадке ограничили применение этой схемы. Она в основном используется лишь на военных самолетах. В советской авиации такую схему шасси имели бомбардировщики разработки ОКБ В. М. Мясищева (М-4, 3М, 3МД), а также истребители-перехватчики (Як-25 и Як-27) и фронтовые бомбардировщики (Як-26 и Як-28) ОКБ А. С. Яковлева.
Большинство первых самолетов вплоть до начала реактивной эры имели шасси с хвостовой опорой. Такую схему еще называют «классической». Это когда две основные стойки шасси расположены впереди центра масс самолета под крыльями, на них приходится до 90 % всего веса аппарата на стоянке. Третья небольшая дополнительная стойка при такой схеме располагается в хвосте. Она может быть с колесом или вообще представлять собой небольшой костылик с гладкой «пяткой». Эта опора служит для разворота самолета, поэтому ее обычно делают свободно вращающейся вокруг вертикальной оси.
Основное преимущество этой схемы в том, что общая масса шасси получается в ней меньше по сравнению с другими схемами за счет короткой и легкой хвостовой опоры. Кроме того, такая схема поднимает нос самолета вверх, обеспечивая место для установки в носовой части воздушных винтов с большим диаметром. Но есть у нее и существенные недостатки, опять-таки требующие высоких навыков пилотирования от летчика. Например, при посадке самолета необходимо строго выдерживать определенный угол атаки машины, обеспечивающий одновременное касание земли всеми колесами (посадка на три точки). При разбеге самолета необходимо было выдержать определенный взлетный угол атаки, который меньше посадочного. Для этого летчику с помощью руля высоты необходимо оторвать хвостовое колесо или «костылик» от земли и удерживать машину в таком положении вплоть до окончания разбега. Расположение главных опор впереди центра масс самолета приводит к тому, что машина имеет плохую путевую устойчивость, на разбеге и пробеге может возникнуть рысканье. Борются с этим жесткой фиксацией хвостового колеса. Есть у схемы с хвостовой опорой и склонность при резком торможении или зарывании главных опор в мягкий грунт к капотированию – опрокидыванию на нос или даже переворачиванию через нос на спину, вверх шасси. Кроме того, посадка на повышенной скорости на две главные опоры обычно приводит к «козлению» – подскокам с резким повторным ударом о землю. А это может стать причиной поломки шасси или опять того же капотирования. Поэтому если до конца Второй мировой войны почти все самолеты имели схему шасси с хвостовой опорой, то сегодня она применяется лишь на легких самолетах с невысокой посадочной скоростью.
Наиболее популярная в современной авиации схема шасси с передней опорой. Она получила распространение с появлением реактивных двигателей. Основные стойки шасси в ней располагаются за центром масс самолета, а более легкая дополнительная стойка – в носовой части фюзеляжа. Благодаря передней опоре самолет управляется на земле. При такой схеме почти весь разбег проходит с опорой на все стойки. Лишь в его конце за счет отклонения руля высоты пилот отрывает переднюю опору, а затем происходит и отрыв от земли основных опор. При посадке сначала земли касаются основные опоры с последующим переваливанием на переднюю стойку.
Схема шасси с передней опорой имеет несколько важных преимуществ. У нее более простая техника пилотирования и на взлете, и на посадке, и при пробеге. Движение на разбеге и пробеге более устойчивое, чем у других схем, что обеспечивается приложением сил трения колес главных опор за центром масс самолета. Из пилотской кабины при движении по земле обеспечивается лучший обзор, чем у велосипедной схемы или схемы с хвостовой опорой, при которых нос и кабина оказываются задранными вверх. Кроме того, при схеме с передней опорой проще маневрировать за счет поворота передней стойки, можно более интенсивно тормозить на пробеге без страха перед капотированием. И положение пола пассажирских и грузовых кабин оказывается близким к горизонтальному, как и осей двигателей, что исключает обдув взлетно-посадочной полосы горячими газами.
Есть у этой схемы, конечно, и недостатки. У нее бóльшая масса шасси за счет более длинной передней опоры. Также эта схема на большой скорости имеет склонность к «шимми» – резонансным автоколебаниям колес передней стойки вокруг вертикальной оси поворота. Для их гашения передняя опора снабжается гидравлическими демпферами.
Вода, снег и грязь не помеха
Колесо колесом, но существуют совсем «бесколесные» самолеты, или самолеты, у которых шасси не только колесные. Например – у гидросамолетов. Вода в безветренную погоду может быть идеально гладкой, формируя прекрасное «летное поле». Впервые взлет и посадку на воду выполнил еще 28 марта 1910 года француз Анри Фабр (Henri Fabre) в лагуне Этан-де-Бер на средиземноморском побережье Франции, примерно в 25 км к северо-западу от Марселя. Самолет с самого начала задумывался как гидроплан. Он был оснащен тремя широкими поплавками: один в передней части самолета, два других – на подкосах, отходящих от крыла вниз. Первоначально тот гидросамолет никак не назывался, теперь же чаще всего его именуют «гидравион Фабра» (Fabre Hydravion). В день первых испытаний он пролетел всего около 500 метров, но за следующую неделю налет вырос до 5,6 км. В апреле 1911 года «гидравион» получил серьезные повреждения в результате аварии и больше в воздух не поднимался.
С тех пор появилось много вариантов гидросамолетов. Самым простым был поплавковый гидросамолет – обычная «сухопутная» машина, стоящая на поплавках, обеспечивающих ее плавучесть. Если же нижняя часть фюзеляжа аэроплана спрофилирована как лодка, то такой аппарат называют летающей лодкой. Если на гидросамолете есть и поплавки, и колесные шасси, он может садиться и на воду, и на твердую поверхность. Такой аппарат называют самолет-амфибия. Наиболее характерный пример такого аппарата – российский Бе-200. В этом классе встречались и такие экзотические экспериментальные машины, как самолет-амфибия на подводных крыльях Бе-8.
Если можно ставить на самолет в качестве шасси подводные крылья, почему бы не сделать лыжное шасси? Ведь на Земле много районов с периодически возникающим и даже постоянным снежным покровом. Идея использовать на самоле лыжи возникла почти одновременно с поплавками. Впервые ее реализовал швейцарский конструктор и пилот Рене Гранжан (René Grandjean). В 1911 году он построил и испытал собственный самолет под названием Libellule(«Стрекоза»). В декабре Гранжана пригласили в Давос для демонстрационных полетов над курортом. Там 2 февраля 1912 года и состоялся первый зафиксированный взлет и посадка аэроплана с лыжным шасси. На этом аппарате в течение следующих нескольких дней Гранжан выполнил более сотни полетов без каких-либо происшествий. А в августе того же года он поставил свою «Стрекозу» на поплавки и стал первым в Швейцарии пилотом гидросамолета.
В дальнейшем в авиации встречались два варианта шасси для посадки на снег – собственно лыжное и лыжно-колесное. Первое было легче, но позволяло взлетать и садиться только на снежные площадки, второе давало большую свободу для выбора взлетно-посадочных полос. Расцвет лыжной авиации пришелся на годы активного освоения Крайнего Севера – 1930-1960-е. Например, в Советском Союзе лыжами для работы и в Арктике оснащались самолеты Ли-2, Ил-12, Ан-2, а позже и Ил-14. Они стали основой советской полярной авиации. Самым большим самолетом, когда-либо поставленным на лыжное шасси, стал американский LC-130 – это созданная еще в 1956 году полярная модификация военно-транспортного самолета С-130 Hercules. Десять таких машин до сих пор находятся на вооружении 109-го авиакрыла Национальной гвардии штата Нью-Йорк. Их основная задача – снабжение грузами и смена персонала на научных станциях в Антарктиде, включая станцию «Амундсен-Скотт» на южном полюсе. LC-130 – лыжно-колесный самолет: для посадки на обычный бетонный аэродром лыжи лайнера сдвигаются вверх по стойке, оставляя снизу колеса. Для посадки на снежную полосу лыжи опускаются вниз.
Однако с увеличением числа полярных аэродромов с бетонными полосами потребность в самолетах на лыжах постепенно отпадает. Так сегодня в Антарктиду летают российские транспортные самолеты Ил-76 с колесным шасси, которые в три раза более грузоподъемны, чем «Геркулесы».
Как известно, в России одна из двух бед – дороги. Может именно поэтому еще на заре авиации именно здесь появилась идея создания самолета на гусеничном шасси. Первый такой самолет был «Би-Кок» (известен также как «Пороховщиков №2» и «Двухвостка»), спроектированный и построенный в Риге инженером-конструктором Александром Пороховщиковым. В 1914 году совершил полет первый такой самолет с колесным шасси. На следующий год в небо поднялся второй экземпляр, оснащенный шасси гусеничным. Оно представляло собой брезентовую ленту, двигающуюся на деревянных барабанах. Испытания подтвердили работоспособность устройства, однако дальнейшего развития в авиации оно тогда не получило. Зато в том же 1915 году Пороховщиков построил … первый российский танк, названный «Вездеход». На нем использовалась одна широкая гусеница, как и на «Би-Коке» изготовленная из брезента.
Следующее гусеничное шасси появилось только в 1937 году на учебном самолете У-2. Его предложил использовать инженер Николай Чечубалин для улучшения взлетных и посадочных возможностей самолета. Каждая из двух гусениц представляла собой своеобразную «цепочку» из текстолитовых роликов диаметром 50 мм и длиной 300 мм, заключенных между боковыми стенками-направляющими. Такое гусеничное шасси прекрасно показало себя на испытаниях, хотя при этом несколько выросла как масса самолета, так и лобовое сопротивление. Однако Чечубалин продолжил развитие своей конструкции, предлагая ее для самолетов Р-5 и Ли-2. На сей раз шасси было оснащено даже неким подобие траков, выполненных из пластин. На испытаниях самолеты успешно взлетали и садились и на вспаханном поле, и на болотистой местности. Но внедрению этих проектов помешала сложность и нетехнологичность такого шасси. В 1950-х годах гусеничным шасси был оснащен один реактивный фронтовой бомбардировщик Ил-28. Опять испытания прошли успешно, но опять преградой для дальнейшего массового использования стали сложная конструкция и большая масса. С появлением вертолетов необходимость в гусеничных шасси отпала.
Простой протектор и сухой азот
Колесо шасси состоит из шины (или как их называют в авиастроении – пневматика), корпуса (у автомобиля он называется диск) и тормозного устройства. Шина – особое «произведение искусств». По массе она состоит на 50 % из резины, на 45 % из корда и на 5 % из металла. В общем-то, почти привычная для нас автомобильная шина. Но у этих «покрышек» несравнимо различные условия работы, а потому и разительные отличия.
Сначала об устройстве. Пневматики бывают камерными (эти остались в основном в прошлом, используются сегодня, как правило, на вертолетах) и бескамерными (такие используются сейчас повсеместно на пассажирских лайнерах). Бескамерный пневматик, как сегодня и автомобильные шины, камеры внутри не имеет, а его борта герметично примыкают к корпусу-«диску». Для поддержания внутреннего давления бескамерный пневматик имеет внутри дополнительный герметизирующий слой резины. Каркасом пневматика служит уложенный в несколько слоев высокопрочный корд. Чтобы шина была более прочная в ее борта заделываются кольца жесткости, изготавливаемые из металлической проволоки. Снаружи этот каркас армируется слоем резины.
На внешнем ободе шины, как и у автомобильной покрышки, имеется протектор, который изготавливается из высококачественной износостойкой резины. В отличие от автомобильной шины рисунок протектора пневматика очень простой: как правило, это несколько продольных кольцевых канавок. Все просто – колесо самолетного шасси предназначено для катания лишь по предельно ровной и в меру шершавой взлетно-посадочной полосе. Поэтому единственная задача протектора – при движении самолета отводить из-под колеса воду, имеющуюся на полосе из-за атмосферных осадков. Когда колесо катится по мокрой ВПП, вода выдавливается в протектор, откуда выталкивается назад, из-под шины. Это обеспечивает максимальный контакт пневматика с полосой. Кроме того, канавки протектора служат для определения степени износа пневматика.
А вот накачивается пневматик совсем не так, как автомобильная «покрышка»: если внутри автошины – обычный воздух под давлением 2-2,5 атм, то пневматик заполняется специальным сухим азотом, а давление в нем – 10-16 атм. Азот в отличие от воздуха – инертный газ. Он не будет поддерживать огонь, как воздух, если на самолете произойдет возгорание, и пламя дойдет до шин. К тому же азот не реагирует с алюминием и магнием, из чего сделан корпус колеса. Это увеличивает долговечность колесного «диска». Сухой же азот, то есть без присутствия водяного пара, нужен для обеспечения долговечности пневматика: будь в азоте влага, она бы замерзла, поскольку на высоте полета самолета температура очень низкая. Это может привести к внутреннему повреждению шины. При посадке же, под действием разогрева пневматика при касании ВПП и торможении, влага испарилась бы, изменив давление внутри шины.
Теперь про условия эксплуатации. Шины на легковых автомобилях выдерживают нагрузку от 250 до 500 кг на ведущее колесо, на грузовиках и фурах средней грузоподъемности – от 500 до 1500 кг. Если разделить максимальную взлетную массу гиганта A380 (575 т) на его 22 колеса, то средняя нагрузка получится 26,1 т. Автомобильные высокопроизводительные шины рассчитаны на скорость до 270 км/ч, а сверхвысокопроизводительные – до 300 км/ч. Самолет взлетает на скорости около 250 км/ч, а приземлится на 270-300 км/ч. Однако на случай аварийных ситуаций пневматики способны работать и при 460 км/ч.
При посадке самолета шасси испытывает колоссальные не только статические, но и динамические нагрузки, воспринимаемые стойками, амортизаторами и колесами. К этому стоит прибавить резкую смену условий эксплуатации: в полете колеса неподвижны, а при касании полосы шасси набирают обороты, соответствующие посадочной скорости. При этом самолетные шины подвергаются и значительным тепловым нагрузкам, длительное время находясь в условиях низких температур, а при соприкосновении с землей их поверхность нагревается до +260 °С. Такой разогрев плюс работа тормозов и приводит к появлению дымного облачка с характерным запахом горелой резины в момент их касания ВПП. По той же причине зона касания на ВПП обычно покрыта черными полосами, оставленными «поджаренными» колесами.
Автомобильные шины в зависимости от условий их эксплуатации делятся на различные категории: есть летняя и зимняя «резина», бывают внедорожные шины и даже грязевые шины с более глубоким и открытым протектором, высокоэффективные и сверхэффективные шины для высокоскоростных автомобилей. У самолетов пневматики всесезонные. Хотя, в принципе, зимние пневматики для эксплуатируемых в полярных районах самолетов бывают. И бывают даже специальные тундровые шины для некоторых легких самолетов. Они бόльшего диаметра, чем обычные пневматики, а давление азота в них ниже обычного. Зато такие колеса позволяют легче садиться на неподготовленные поверхности в дикой местности.
Габариты и вес автопокрышек и пневматиков также сильно разнятся. Обычная автомобильная шина имеет внешний диаметр 0,6-0,8 м при массе 7-14 кг. Есть, конечно, и исключения, когда одна покрышка имеет массу до 28 кг. Но и такую может спокойно поменять один человек. Для примера: шина колеса носовой стойки шасси среднемагистрального Ту-214 имеет внешний диаметр 0,84 м и массу 32 кг, а основной стойки – 1,07 м и 65 кг. На Ил-96-300 на носовую и основные стойки идут шины диаметром 1,3 м и массой 106 кг. В одиночку тут уже не справится: пневматик носовой стойки, обычно, меняет пара техников, а на основной стойке – команда из трех человек.
Ну, и цена шин для авто и лайнера будет, естественно, совсем разная: если автомобильная шина в среднем стоит $100-200, то авиационная около $5 тыс. за штуку.
Производят пневматики, зачастую, те же компании, что и автопокрышки. Например, мировыми лидерами по производству авиационных шин в 2010-х годах являлись достаточно известные фирмы – японская Bridgestone (правда, авиационные шины изготавливают ей на заводе в США в штат Северная Каролина), американская Goodyear (пневматики производят на заводах в Данвилле (штат Вирджиния) и в таиландском Бангкоке) и французская Michelin (авиашины делают в городе Клермон-Ферран на юге Франции).
Навар протектора допустим
Широко известен литературный пример визуального способа диагностики состояния колеса и определения его ресурса: «”Вишь ты, – сказал один другому, – вон какое колесо! Что ты думаешь, доедет то колесо, если б случилось в Москву, или не доедет?” – “Доедет”, – отвечал другой. “А в Казань-то, я думаю, не доедет?” – “В Казань не доедет”, – отвечал другой. Этим разговор и кончился» (Н. В. Гоголь «Мертвые души», © 1842).
В авиации такой метод сегодня не используется. На современных самолетах каждое колесо шасси оснащено датчиком давления. Информация от них поступает на дисплей пилота. Кроме того, каждый пневматик имеет дренажно-предохранительный клапан, позволяющий избежать превышение давления в шине. Также последнее время на самолетах ставятся температурные датчики на тормозные механизмы шасси. Уже это дает возможность диагностировать состояние элементов шасси, корректируя в случае чего условия приземления и торможения.
Перед каждым взлетом самолета наземный технический персонал осматривает состояние всех пневматиков: нет ли повреждений (трещин, выбоин и т.п.), какова степень износа резинового покрытия. Совсем как те два гоголевских «русских мужика, стоявшие у дверей кабака против гостиницы». Однако есть и более совершенные способы оценки состояния шасси. Ведь от этого зависит безопасность полета. Амортизаторы шасси, пневматики и тормоза подвергаются различным видам статических и динамических испытаний. Например, шину проверяют на прочность, закачивая в нее воду под давлением, которое она должна выдерживать определенное время. Есть испытания для определения давления посадки шины на обод колеса и оценки герметичности бескамерных пневматиков. Есть также проверка шин на изменение их геометрических размеров при длительном нахождении под предельным давлением. При динамических испытаниях определяются максимально допустимые при эксплуатации скорости и нагрузки на шину. Проводится тестирование в условиях, имитирующих удар при посадке.
Согласно авиационным стандартам, пневматик должен выдерживать давление в четыре раза выше эксплуатационного. Кроме того, шина, например, среднемагистрального самолета рассчитывается на жесткое приземление с вертикальной скоростью до 3 м/с и с горизонтальной скоростью до 450 км/ч (нормальные условия посадки – до 1,5 м/с и 270 км/час, соответственно).
Но в любом случае колесо имеет свой срок жизни, после которого его меняют. Для сравнения: срок службы автомобильных шин не определяется законом, однако считается, что шины можно считать новыми, только если они были изготовлены в течение последних 5 лет. Рекомендуемый срок службы автомобильной шин – 6 лет, максимальный – 10. Потом шина теряет потребительские свойства: ухудшается сцепление с дорогой, может появиться вибрация на кузов или руль.
Современные авиационные шины с учетом их повреждений и дефектов, а также с учетом интенсивного использования тормозов, выдерживают примерно от 100 до 400 посадок, в среднем – 250. В зависимости от авиакомпании ближнемагистральные самолеты (такие, как Airbus A320 и Boeing 737) обычно совершают от 5 до 10 рейсов в день, а дальнемагистральные (Airbus A330, A350 и A380, Boeing 747 и B787) – один-два рейса в день. Таким образом, шины для дальнемагистральных самолетов служат примерно от 3 до 12 месяцев каждая, а шины для ближнемагистральных – от двух недель до 4 месяцев. После этого проводится их демонтаж и контроль состояния. По его результатам пневматик может быть отправлен на специальное предприятие, где проводится его обслуживание и восстановление протектора. Такая процедура может повторяться от 5 до 7 раз, после чего шина списывает и отправляется на утилизацию. Производители пневматиков для коммерческой авиации сегодня декларируют, что их шины рассчитаны на 1250 полетных циклов с учетом процедур восстановления протектора. Опять же, здесь все зависит от того, как разные экипажи обращаются со своими самолетами.
[1] До наших музыкантов эта мелодия дошла в версии британской группы The Tremeloes, вышедшей на пластинке в январе 1968 года и называвшейся Suddenly You Love Me. Это была англоязычная перепевка шлягера Uno tranquillo итальянского певца Риккардо Дель Турко (Riccardo Del Turco), впервые вышедшего на пластине в апреле 1967 года. Французский вариант того же хита записал в марте 1968 году Джо Дассен (Joe Dassin) под названием Siffler sur la colline. Кроме того, эта мелодия на национальные тексты выходила также в Дании (1967), Нидерландах (1967), Финляндии (1968), Югославии (1968), Малайзии (1971) и Бельгии (1994).
[2] Согласно наиболее распространенному мнению, первый полет на планере, созданном английским изобретателем сэром Джорджем Кейли, состоялся еще в 1849 году. Это был триплан с фюзеляжем в виде лодки и с колесным шасси. При разбеге под уклон планер, по словам создателя, оказался способен поднять «мальчика лет десяти» на высоту нескольких метров. Во второй половине XIX века было построено много планеров, некоторые из которых даже успешно выполнили полеты с людьми.
