История самолётов 1919 – 1945 - Д. Соболев

Самым ранним типом посадочной механизации является обычный (нещелевой) закрылок. Он появился как видоизменение элерона. При отклонении вниз закрылок повышает подъемную силу и сопротивление крыла за счет увеличения кривизны профиля. Первые опыты с такими устройствами проводились в Англии еще до первой мировой войны. В 1914–1916 гг. в России Ф. Ф. Терещенко вел работы по созданию самолета с изменяемой кривизной задней части профиля крыла [6. с. 121–122]. Эксперименты показали прирост подъемной силы при отклонении закрылка, однако в те годы необходимости в посадочной механизации еще не было, и эксперимент так и остался экспериментом.

Как уже известно читателю, вскоре после первой мировой воины были изобретены щелевые предкрылки, позволившие улучшить срывные характеристики самолета. Это изобретение привело к появлению нового вида закрылка — щелевого. Опыты со щелевым закрылком начались практически одновременно в двух странах — Англии (Г. Хилл, фирма Хендли-Пейдж, 1920 г.) и Германии (О. Мадер, фирма Юнкерс. 1919–1921 гг.) [7, с. 81]. Благодаря дополнительной циркуляции эффективность щелевого закрылка была выше, чем обычного, особенно в случае крыла толстого профиля. Но нагрузки на крыло в начале 20-х годов были небольшие, аэродинамическое качество — невысокое и нужды в посадочной механизации не было. Хотя компания Юнкерс начала эксперименты со щелевыми закрылками сразу после войны. впервые такой закрылок появился на самолетах этой фирмы только в 1930 г. (Ju-52).

Одновременно с появлением щелевых закрылков в начале 20-х годов в США был изобретен расщепляющийся закрылок или щиток. Авторы этой конструкции — О. Райт и Д. Якобе [7, с. 82]. По степени увеличения коэффициента подъемной силы щиток занимал промежуточное место между обычным и щелевым закрылками. Однако он был проще но конструкции и легче по весу, а благодаря образованию разрежения за щитком после его раскрытия создавался значительный прирост воздушного сопротивления, что и требовалось для облегчения посадки на пассажирских самолетах с совершенными аэродинамическими формами.

В начале 30-х годов посадочные щитки были установлены на американских монопланах Нортроп «Гамма» и Локхид «Вега». Вскоре они стали применяться на самолетах других стран. В СССР впервые это сделали в 1933 г. в качестве эксперимента, расположив щитки вдоль задней кромки крыла легкого самолета А. С. Яковлева АИР-4. В годы второй мировой войны посадочные шитки имелись на большинстве наших боевых самолетов [4, с. 361].

С переходом на металлическую работающую обшивку вес конструкции возрос, т. к. для восприятия всего разнообразия нагрузок толщина металлического листа должна была быть больше, чем в случае гофрированной обшивки. Для компенсации этого недостатка конструкторы шли на уменьшение площади крыла. Однако увеличение нагрузки на площадь неизбежно вело к росту посадочной скорости. Поэтому с начала 30-х годов от посадочной механизации требовалось не столько уменьшение аэродинамического качества, сколько создание дополнительной подъемной силы.

Новое требование предопределило применение в авиации в 30-е годы так называемых закрылков Фаулера. Специфика этого приспособления заключалась в том, что закрылок выдвигался из крыла, создавая таким образом прирост подъемной силы не только за счет увеличения кривизны профиля, но и за счет увеличения площади крыла. В результате улучшения несущих свойств Су крыла оказывалось заметно больше, чем при применении других видов посадочной механизации.

X. Фаулер, американский инженер и изобретатель, пришел к окончательному варианту выдвижного закрылка в 1924 г. В 1927–1929 гг. он на собственные средства испытал свое изобретение на самолетах. Было установлено, что выдвижной закрылок с относительной хордой и размахом соответственно 40 % и 60 % увеличивает площадь крыла на 22 % и обеспечивает Су макс = 2,82 [8]. Однако из-за отсутствия большой потребности в увеличении Су нос в те годы и сложности закрылков Фаулера по сравнению с другими типами посадочной механизации эти эксперименты не вызвали особого интереса. Только несколько лет спустя, когда аэродинамические продувки и летные испытания подтвердили, что закрылки Фаулера являются наиболее эффективным средством увеличения подъемной силы и, когда было установлено, что при небольших углах отклонения они обладают малым сопротивлением и, следовательно, могут использоваться не только при посадке, но и при взлете, этот вид механизации крыла нашел применение в самолетостроении. Первыми серийными самолетами с закрылками Фаулера были немецкие Физилер Fi-97 (1934 г.) и Мессершмитт Ме-108 (1934 г.), а также двухмоторный американский самолет Локхид-14 (1937 г.).

По образцу закрылков Фаулера в СССР в ЦАГИ в 1936 г. был разработан выдвижной закрылок. Он отличался отсутствием направляющих в механизме выдвижения и уборки, что, по мнению разработчиков, должно было обеспечить большую надежность этого посадочного устройства |9 J. Выдвижной закрылок ЦАГИ применялся на известном советском бомбардировщике периода второй мировой войны Пс-2 и ряде экспериментальных военных самолетов 1939–1942 гг.

Особенно большой эффект посадочные закрылки давали в сочетании с отклонением предкрылков. Это было установлено во время конкурса на самый безопасный самолет, проводившегося в США в 1929 г. по инициативе Д. Гуггенхейма. Победитель этих состязаний, самолет Г. Кертисса «Танеджер», имел посадочную скорость при отклоненных закрылках и предкрылках всего 48 км/ч, при максимальной скорости полета 180 км/ч [10, с. 148].

Посадочная механизация крыла является одним из примеров преждевременных изобретений в авиации. Появившись еще до первой мировой войны, она получила распространение только через два десятилетия, когда возникла необходимость изменять аэродинамические свойства крыла в зависимости от режима полета. С середины 30-х годов щитки и закрылки стали обычными компонентами тяжелых многомоторных самолетов, часто применялись и на одномоторных машинах.

В 20-е годы в авиации широко использовались звездообразные двигатели воздушного охлаждения. Благодаря применению новых материалов и улучшению формы оребрения цилиндров удалось создать стационарные моторы большой мощности — свыше 500 л.с. По сравнению с двигателями водяного охлаждения они имели меньший удельный вес, были проще по конструкции, дешевле. Недостатком двигателей воздушного охлаждения являлось большое аэродинамическое сопротивление из-за выступающих в поток плохообтекаемых цилиндров с оребрением и большего миделя такого мотора. Так, коэффициент лобового сопротивления звездообразного двигателя «Юпитер-6» равнялся 0,760 [11, с. 247], тогда как для мотора с водяным охлаждением эта величина составляла только 0,045 (Испано-Сюиза 12 Ybrs) 112, с. 419].

В начале 20-х годов, когда скорость большинства самолетов не превышала 200 км/ч, с этим недостатком двигателя воздушного охлаждения еще можно было мириться. Однако по мере роста скорости летательных аппаратов и облагораживания их внешних форм доля аэродинамического сопротивления звездообразных двигателей стала весьма заметной. Попытки улучшить обтекаемость путем установки обтекателя на корпус коленвала и основания цилиндров (истребители Бристоль «Бульдог», И-5 и др.) не дали большого результата, т. к. основным источником сопротивления являлись оребренные головки цилиндров.

Во второй половине 20-х годов проводились опыты по применению индивидуальных обтекателей цилиндров (самолеты Блекберн «Линкок», Авиа ВН-33, Боинг Р-12). Однако этот способ оказался малоэффективным — Схо снизился только на 7 % 111, с. 247 |. К тому же, установка обтекателей за цилиндрами нередко приводила к перегреву двигателя.

Успех был достигнут на пути создания кольцевых капотов, полностью закрывающих двигатель. Напомню, что в эпоху применения ротативных двигателей такие капоты с вырезом в нижней части для обдува воздухом вращающихся цилиндров применяли на многих самолетах. В 20-е годы ротативные двигатели заменили стационарными и для надежного охлаждения цилиндров от капотов пришлось отказаться. Правда, в 1922 г. американский авиаконструктор В. Кларк применил цилиндрический капот-обтекатель на гоночном самолете Дайтон-Райт XPS-1 с двигателем воздушного охлаждения [7, с. 62], но из-за недоведенности двигателя испытания самолета были неуспешными.

В 1927 г. сотрудник Национальной физической лаборатории (NPL) в Англии Г. Тауненд занимался изучением обтекания тел, наподобие фюзеляжа-монокока или корпуса дирижабля. Он обнаружил, что при расположении кольцевой поверхности у передней части исследуемого тела суммарное аэродинамическое сопротивление уменьшается. Проходя через кольцо, поток ускорялся, а увеличение скорости обтекания препятствовало преждевременному отрыву потока и образованию вихрей. На основе этого открытия он разработал конструкцию обтекателя цилиндров звездообразного двигателя в форме узкого кольца. Этот тип капота получил название «кольцо Тауненда».