Самолеты схемы «утка»
Так как первый взлетевший летательный аппарат тяжелее воздуха-самолет братьев Райт «Флайер» (1903 год) — построен по схеме, которая сегодня известна под названием «утка».
Первый взлетевший летательный аппарат тяжелее воздуха — самолет братьев Райт «Флайер» (1903 год) — построен по схеме, которая сегодня известна под названием «утка.
Во-первых, термин «утка» — ошибочный. Под «уткой» в авиации общепринято понимать самолет, горизонтальное оперение которого-стабилизатор и рули высоты — расположено перед крылом, а не позади него. Этот термин может быть с таким же успехом применен и к дирижаблям, и к планерам. В частности, первые модели жестких дирижаблей Цеппелина оснащались расположенными впереди горизонтальными поверхностями управления в дополнение к традиционным хвостовым. Обычно термин «утка» подразумевает расположение в передней части летательного аппарата основных, а не вспомогательных средств аэродинамического управления. Этот термин появился впервые во Франции; его происхождение, вероятно, связано с тем, что крыло летящей утки находится ближе к ее хвосту, чем к голове, а вовсе не потому, что эта птица управляет своим полетом с помощью специального органа, расположенного перед крылом. Летательные аппараты этой схемы получили довольно широкое распространение.
Многие самолеты схемы «утка» можно рассматривать как самолеты с тандемными крыльями, переднее крыло которых относительно мало. В этом случае переднее горизонтальное оперение (ПГО), состоящее обычно из неподвижных (стабилизаторы) и подвижных (рули высоты) поверхностей, несет значительную часть аэродинамической нагрузки.
В последние годы термин «утка» стал применяться для описания самолетов, оснащенных вспомогательными поверхностями аэродинамического управления, установленными на носовой части, вообще говоря, самолетов довольно традиционных схем (а также некоторых самолетов с треугольным крылом), для обеспечения балансировки летательного аппарата или управления обтекающим его потоком, а не для осуществления основного управления или .здания части суммарной подъемной силы., как это бывает на классической «утке».
До того, как братья Райт непосредственно приступили к созданию самолета, они знали о многих ранее построенных различными изобретателями летательных аппаратах. Более того, конечно же, они неоднократно наблюдали полет птиц. Почему же они решили разместить оперение впереди?
Во-первых, братья Райт прекрасно понимали функции «горизонтального руля» при управлении положением самолета в пространстве и считали, что расположенное впереди оперение будет выполнять такие функции более эффективно, чем хвостовое.
В этом они оказались правы, но недостатков такого технического решения они, конечно же, не знали.
Второй основной причиной их выбора было место проведения первых полетов, которые выполнялись с песчаной площадки, и поэтому отсутствовала возможность использования шасси колесного типа. И созданные ранее планеры, и первый «Флайер» оснащались полозковым шасси, при котором фюзеляж самолета располагался очень близко к земле. В то же время братья Райт понимали необходимость большого угла атаки при взлете и посадке. Низкосидящая машина типа «Флайера» наверняка цепляла бы хвостовым оперением за землю, если бы оно было выбрано; поэтому конструкторы отказались от такого решения. Они установили в хвостовой части своего летательного аппарата вертикальный киль. Балки, поддерживающие киль, оснащались шарнирами и с помощью тросовой проводки могли отклоняться вверх, не оказывая влияния на управляемость самолета, так как киль не отклонялся относительно набегающего потока.
Достоинства
В современном понимании главным преимуществом аэродинамической схемы «утка» считается повышение маневренности самолета, что привлекает к этой схеме создателей военной техники. Более высокие маневренные качества самолетов такой схемы оказались очень полезными в совершенствовании характеристик некоторых из созданных в последнее время ультралегких летательных аппаратов. Еще одним преимуществом самолетов схемы «утка» считается то, что практически всегда можно построить такой летательный аппарат с естественной противоштопорной защитой: срыв воздушного потока на ПГО происходит раньше, чем на крыле, создающем большую часть подъёмной силы, поэтому нос самолёта в этом случае слегка опускается, и машина возвращается в нормальный полет.
Недостатки
Существенным недостатком схемы «утка» является то, что летательным аппаратам этой схемы присуща продольная неустойчивость. Вместо того чтобы демпфировать движения самолета относительно поперечной оси (по тангажу), как это делает, например, оперение стрелы, воздействие воздушного потока на переднее горизонтальное оперение усиливает соответствующие возмущения. В своих записках О. Райт отмечал, что устойчивость «утки» по тангажу определяется мастерством летчика.
Опыт первых полетов показал, что в том случае, когда на переднем горизонтальном оперении создается значительная подъемная сила, она оказывает существенное влияние на балансировку самолета. Срыв потока на ПГО вызывает примерно такое же воздействие на балансировку летательного аппарата, как, например, складывание пары ножек стола-две другие ножки продолжают поддерживать противоположный конец, и стол падает в ту сторону, где опора отсутствует. Поэтому противоштопорные достоинства самолетов схемы «утка» довольно скоро поблекли. Самолеты этой схемы практически полностью исчезли из практики авиастроения вплоть до того, как в начале второй мировой войны начали проводиться углубленные исследования «утки», нацеленные на поиск возможных путей повышения характеристик маневренности самолетов. Однако и в этот период развития авиации не удалось реализовать достоинства этой схемы.
Лишь в последние годы было создано несколько очень удачных самолетов схемы «утка», которые продемонстрировали преимущества этой схемы в некоторых специфических условиях применения авиационной техники. Однако на этих самолетах уже применялись специальные средства предотвращения мощного срыва потока с ПГО.
Это достигается путем увеличения критического угла атаки за счет выдува потока на ПГО, использования аэродинамических профилей с различными несущими свойствами или применения ПГО в качестве лишь балансировочной поверхности (в этом случае ПГО не создает сколь-нибудь заметного вклада в подъемную силу), например, на самолетах с близким к треугольному крылом большой площади или самолетах-«бесхвостках» с крылом прямой стреловидности. По схеме «утка» построены некоторые из современных ракет, но системы управления этих ракет обычно работают с использованием бортовых ЭВМ и автоматических средств повышения устойчивости, которые вырабатывают и осуществляют балансировочные команды, предотвращающие нарастание возмущений в канале тангажа.
Следует отметить, что все самолеты схемы «утка», реализованные в соответствии с техническим уровнем, достигнутым до 1960-х гг., стали сущим несчастьем. Как бы предвидя это, братья Райт уже в 1909 году (когда они стали использовать колесное шасси, позволяющее приподнять самолет от земли и обеспечить набор угла атаки на разбеге) отказались от ПГО и установили рули высоты в хвостовой части аппарата около руля направления.
Наиболее широкое распространение схема «утка» получила в области ультралегких летательных аппаратов. Этот класс современных летательных аппаратов проделал своеобразный путь назад к полетам того типа, которые выполняли братья Райт и которые характеризуются весьма ограниченным скоростным диапазоном, ограниченной маневренностью и сравнительно небольшой полезной нагрузкой. В период с 1980 по 1983 гг., вероятно, было спроектировано и построено больше самолетов этой схемы, чем за всю предыдущую историю авиации.
«ФЛАЙЕР» БРАТЬЕВ РАЙТ
Первым успешно летавшим аппаратом тяжелее воздуха, оснащенным силовой установкой, стал созданный в 1903 году братьями Райт самолет «Флайер». В 1909 году они построили самолет аналогичной конфигурации, но установили рули высоты в хвостовой части аппарата, как это делали практически все авиаторы (рис. 1).
Отметим, что рули высоты бипланной схемы, установление братьями Райт на самолет 1908 года (модель А), не имели перед собой горизонтальных стабилизаторов. Эти аэродинамические поверхности были установлены на шарнирах, ось которых располагалась достаточно далеко от передней кромки. Таким образом, создаваемая на рулях высоты сила естественным образом компенсировалась, и на ручку управления самолетом не передавалась вся действующая на аэродинамические поверхности нагрузка. У поверхности управления такого типа был один недостаток — при возникновении знакопеременных нагрузок (например, при воздействии воздушных порывов) такой орган управления не стабилизировал самолет, как это происходит в случае фиксированного стабилизатора и руля высоты, а вызывал нарастающие возмущения. Впоследствии уже другие авиаторы устранили частично этот недостаток путем установки в схеме «утка» фиксированного горизонтального стабилизатора перед рулями высоты.
Отметим, что ПГО на самолетах братьев Райт использовалось, главным образом, в качестве поверхности аэродинамического управления и не создавало значительного вклада в суммарную подъемную силу. В самолете братьев Райт летчик и двигатель размещались на крыле; при этом центр масс самолета располагается в районе передней кромки крыла (или несколько позади нее), а не впереди нее, как было бы в том случае, если бы на ПГО создавалась подъемная сила, пропорциональная его площади.
Братьям Райт не удалось существенно улучшить свои самолеты после 1909 года. Поперечная управляемость самолета по- прежнему обеспечивалась изменением крутки крыла, а привод двух воздушных винтов осуществлялся, как и ранее, через цепную передачу от двигателя, установленного по оси симметрии самолета. Уилбер Райт в 1912 г. умер от тифа, а Орвилл Райт в 1915 г. продал свою фирму.
Основные данные («модель А»): силовая установка двигатель «Райт» мощностью 30 л. с. (22 кВт); размах крыла 11,8 м; площадь крыла 38,6 м2; взлетная масса 544 кг; максимальная скорость 70,8 км/ч.
«14-БИС» САНТОС-ДЮМОНА
Сантос-Дюмон был уже к этому времени довольно известен как летчик и конструктор-начиная с 1899 года, он построил несколько небольших дирижаблей, на которых неоднократно летал вблизи Парижа. Обозначение созданного Сантос-Дюмоном первого самолета-«14-бис» — возникло потому, что впервые этот самолет оторвался от земли с помощью принадлежавшего Сантос-Дюмону дирижабля № 14.
«14-бис» оснащался двигателем водяного охлаждения мощностью 50 л. с. (36,75 кВт) с толкающим винтом. В ходе первого вылета самолет сделал несколько подскоков, продержался в воздухе 21,4 с и преодолел дистанцию длиной 230 м. По своей аэродинамической схеме этот самолет являлся классической «уткой», на ПГО которой создавалась значительная по величине подъёмная сила. На самолете отсутствовал орган управления по крену; конструктор самолета рассчитывал обеспечить боковую устойчивость с помощью V-образности крыла, как это было сделано на самолете «Лэнгли-Аэродром». На самолете «14-бис» летчик размещался перед крылом и двигателем. Сантос-Дюмон летал стоя так же, как на своих дирижаблях. Конструктор довольно быстро обнаружил присущие схеме «утка» недостатки, и его следующий самолет-знаменитая «Демуазель» (1908 г.) — стал одним из первых классических самолетов с хвостовым оперением и тянущим воздушным винтом.
Основные данные: силовая установка — двигатель «Антуанетт» мощностью 24 л. с. (17,6 кВт), которая затем была повышена до 36,75 кВт; размах крыла 11,2 м; площадь крыла 52 м2; взлетная масса 300 кг; максимальная скорость 40 км/ч.
ГИДРОСАМОЛЕТ ФАБРА
Уникальная конструкция, созданная Анри Фабром, известна как первый летательный аппарат тяжелее воздуха, поднявшийся с поверхности воды при помощи собственной силовой установки. Полет этого самолета (рис. 3) был выполнен 28 марта 1910 года. В этом полете удалось продемонстрировать, что самолеты могут осуществлять взлет с поверхности воды так же, как и с поверхности земли. Впоследствии американец Гленн Кертисс организовал регулярную эксплуатацию гидросамолетов, начиная с 26 января 1911 г.
Гидросамолет Фабра был выполнен по классической схеме «утка» с существенной аэродинамической нагрузкой на ПГО. Летчик размещался между ПГО и крылом. Руль высоты представлял собой отдельную поверхность, размещенную в верхней части аппарата, которой летчик управлял непосредственно с помощью ручки управления и жесткой тяги. Неподвижная передняя аэродинамическая поверхность имела довольно большой размах; этот самолет вполне можно классифицировать как самолет с тандемными крыльями.
Следует отметить оригинальность силовой установки этого самолета — семицилиндрового звездообразного двигателя «Гном», установленного за крылом, а также использования вертикального оперения большой площади на фюзеляже и крыле. Поплавки с плоским дном имели водоизмещение, едва достаточное для поддержания машины на плаву; весьма сомнительно, что они смогли бы удержать аппарат на плаву при грубой посадке.
Основные данные: силовая установка — звездообразный двигатель «Гном» мощностью 50 л. с. (36,75 кВт); размах крыла 14 м; площадь крыла 17 м2; взлетная масса 475 кг; максимальная скорость 88,5 км/ч.
«ДЕПЕРДЮССЭН»
Французский самолет схемы «утка» «Депердюссэн» был показан на французской авиационной выставке 1911 г., однако информация о выполнении этим самолетом последующих полетов отсутствует.
ПГО этого самолета состоит из неподвижного стабилизатора и подвижньгх рулей высоты, которые установлены на передающих крутящий момент трубках, закрепленных на законцовках стабилизатора (вместо того, чтобы подвесить их на шарнирах позади стабилизатора). Кроме того, вертикальное оперение с подвижным рулем направления также было установлено в носовой части самолета, а не в хвостовой, как это сделано на большинстве самолетов схемы «утка» (рис. 4).
Двигатель самолета, расположенный в фюзеляже впереди летчика, с помощью вала, проходящего в нижней части фюзеляжа, соединяется цепным приводом с двумя воздушными винтами. Именно эти воздушные винты и представляют собой уникальную особенность самолета «Депердюссэн» — в нем впервые применены соосные воздушные винты, вращающиеся в противоположных направлениях для нейтрализации крутящего момента и уменьшения диаметра воздушного винта при заданной мощности (что позволяло использовать более короткие опоры шасси).
Установка толкающих винтов в хвостовой части самолета создала довольно сложную проблему, поскольку необходимо было обеспечить требуемый из условий безопасности зазор между воздушными винтами и землей.
«ВУАЗЕН»
К 1912 году преимущества нормальной аэродинамической схемы с хвостовым оперением по сравнению с «уткой» стали очевидны для всех авиаконструкторов, но все же некоторые продолжали пытаться получить удовлетворительные результаты и в этой схеме. Одним из наиболее известных самолетов 1912 года, участвовавших в популярных гонках морских самолетов на воздушных выставках в Монако, стал французский «Вуазен».
ПГО этого самолета состояло из неподвижного горизонтального стабилизатора, создающего значительную по величине подъемную силу (обратите внимание на большой угол установки ПГО), и подвешенных на шарнирах за стабилизатором рулей высоты. Руль направления также располагался впереди, но вертикального оперения в современном понимании на самолете не было. Путевая устойчивость самолета должна была обеспечиваться с помощью вертикальных аэродинамических поверхностей между крыльями самолета. Пилот располагался перед крылом, а двигатель был установлен в фюзеляже, несколько впереди задней кромки крыла. Этот двигатель приводил в движение толкающий винт, соединенный с ним посредством длинного вала (рис. 5).
Главным недостатком схемы с толкающим винтом для гидросамолетов как в то время, так и сейчас является попадание на воздушный винт брызг воды, образующихся при движении поплавков.
Основные данные: силовая установка — звездообразный двигатель «Гном» мощностью 80 л. с. (58,8 кВт); размах крыла 13,5 м; площадь крыла 35 м2; взлетная масса 550 кг; максимальная скорость 99,8 км/ч.
«ПАРУСНЫЙ» ПЛАНЁР Р. ПЛАТЦА
Вероятно, наиболее необычным из всех созданных по схеме «утка» летательных аппаратов был построенный в 1923 году Р. Платцем планёр с гибким крылом. Рейнгольд Платц, главный конструктор немецкой фирмы «Фоккер» в 1917-1918 гг., после окончания первой мировой войны переехал в Голландию. Когда в начале 1920-х гг. в Европе стал популярен планёрный спорт, Платц создал этот удивительный сверхпростой планёр.
Планёр Р. Платца имеет лишь две жесткие детали — продольную балку, образующую фюзеляж, и лонжерон крыла. Несущие поверхности планера напоминают главные паруса и кливеры двух небольших парусных лодок, как бы соединенных под углом 180° по ватерлинии. Платц использовал для несущих поверхностей цельные куски ткани, опередив, таким образом, почти на 40 лет знаменитое крыло Рогалло, но в то время из этой идеи ничего не вышло. Так как конструкция планера состояла всего лишь из двух балок, весь летательный аппарат можно было свернуть и унести на плече или же везти на велосипеде!
Система управления планера не имела аналогов ни в прошлом, ни в настоящем. Летчик, перемещая руками концы балок ПГО, управлял этими несущими поверхностями (рис. 6). После достижения балансировки самолета, необходимой для выполнения горизонтального полета, летчик опускал обе руки для увеличения подъемной силы и создания момента на кабрирование или же приподнимал обе руки вверх, опуская таким образом нос планёра. Для выполнения левого поворота он слегка приподнимал левую руку и несколько опускал правую для обеспечения дифференциального отклонения поверхностей управления (аналогично тому, как это делается с помощью элеронов). Планёр Платца летал, но насколько хорошо — сейчас установить трудно. Практически все материалы утеряны, за исключением коротких информационных сообщений в публикациях 1923 г.
«ЭНТЕ» ФИРМЫ «ФОККЕ-ВУЛЬФ»
Одним из наиболее известных самолетов схемы «утка» в 1920-е гг. и позже был созданный немецкими конструкторами Д. Фокке и Г. Вульфом самолет FW-19a «Энте». Кстати, «энте» в переводе с немецкого означает «утка» и так же, как в других языках, имеет два значения. FW-19a выполнен по классической схеме «утка». Значительная часть подъемной силы самолета создавалась на ПГО, а пассажирская кабина располагалась в районе центра тяжести, который находился заметно впереди крыла (рис. 7).
Стремясь сделать рули высоты более эффективными, конструкторы установили их несколько ниже стабилизатора на внешних кронштейнах; это было сделано для обеспечения лучшего обтекания рулей высоты за счет эффекта щели. Как и многие другие созданные ранее самолеты этой схемы, FW-19a имел очень большое вертикальное оперение с рулем направления, что объяснялось относительно малым плечом вертикального оперения по сравнению с самолетами нормальной схемы или «утками» типа «Депердюссэн» или «Вуазен» (которые оснащались «неустойчивыми» рулями направления, установленными на носу самолета). Несмотря на вертикальное оперение большой площади, на крыле самолета FW-19a пришлось установить дополни тельные поверхности вертикального управления.
«Энте» сначала летал успешно, но в сентябре 1927 года разбился. Второй экземпляр этого самолета выполнял полеты на протяжении нескольких лет. Можно считать, что основной вклад этого летательного аппарата в развитие авиационной техники состоит в том, что на нем снова было внедрено в практику самолетостроения трехопорное шасси с носовым колесом (от такой схемы шасси отказались в начале первой мировой войны).
Основные данные: силовая установка — два двигателя SH-14 мощностью 100 л. с (73,5 кВт) каждый фирмы «Сименс»; раз мах крыла 10 м; взлетная масса 1650 кг максимальная скорость 141,5 км/ч.
«РААБ КАТЦЕНШТЕЙН»
Немецкая фирма «Рааб Катценштейн» в результате комбинации техники создания планеров и некоторых аэродинамических принципов, заложенных в самолет FW-19a фирмы «Фокке-Вульф», разработала одноместный самолет схемы «утка» с толкающим винтом и трех колесным шасси (рис. 8). В носовой части самолета располагался горизонтальный стабилизатор с установленными в шарнирном соединении рулями высоты, а вертикальное оперение с рулями направления размещалось между крыльями. Необходимо упомянуть расположенную в хвостовой части самолета скользящую опору, которая служила для предотвращения касания пропеллером земли в том случае, когда превышался предельно допустимый взлетный или посадочный угол.
Если исходить из критериев схемы «утка», эта машина была вполне традиционной. Уникальной особенностью самолета являлись встроенные ракетные ускорители для разгона при взлете. Крейсерский полёт выполнялся с использованием обычного поршневого двигателя. Техника обеспечения укороченного взлета с помощью ракетных ускорителей интенсивно отрабатывалась во время второй мировой войны, а впоследствии нашла широкое применение па реактивных самолетах.
«GB АСЕНДЕР»
Хорошим примером использования стандартных самолетных узлов в нетрадиционных схемных решениях с целью создания необычных экспериментальных конструкций является самолет «GB Асендер», построенный в 1931 г. (рис. 9). На самолете использовано крыло большого удлинения (размах крыла 11 м) с расчалками. В качестве силовой установки применялся двухцилиндровый двигатель мощностью 30 л. с. (22 кВт) с серийного одноместного легкого самолета «С-2 Аэронка».
«GB Асендер» являлся, по сути дела, мотопланером.
«Асендер» (свое название самолет получил ввиду явно выраженного направления движения в процессе полета) был разработан фирмой «Гренвилл бразерс», которая имела небольшие мастерские по сборке самолетов в аэропорту города Спрингфилд (шт. Массачусетс). Вскоре владельцы фирмы братья Гренвилл прославились производством рекордных гоночных самолетов серии GB (название серии самолетов основано на первых буквах названия фирмы).
«Асендер» являлся экспериментальным самолетом. На нем были опробованы некоторые технические новинки; в частности, это касается размещения силовой установки. Как и на самолетах FW-19a и «Рааб Катцентшейн», горизонтальное положение фюзеляжа позволило оснастить самолет трехколесным шасси с носовой опорой. Такая схема шасси существенно опередила свое время, и потребовались долгие годы для того, чтобы она снова завоевала всеобщее признание. Отметим подобие «Асендера» и FW-19a в том, что оба самолета имеют очень большое вертикальное оперение, выполненное в виде интегральной части хвостового отсека фюзеляжа.
... продолжение следует ...