Одной из наиболее распространенных причин летных происшествий было превышение допустимого угла атаки в полете. Возникающий вследствие этого срыв потока с верхней поверхности крыла, потеря управляемости и часто возникающий затем штопор явились причиной многих катастроф. По мере характерных для самолетостроения тенденций к увеличению нагрузки на крыло и увеличению высоты полета диапазон допустимых (летных) углов атаки становился все более ограниченным(13*).
Спектр технических мер, направленных на расширение безопасных режимов полета, может быть подразделен на две основные группы: применение щелевого крыла и применение специфических аэродинамических схем.
Идея щелевого крыла возникла еще в годы первой мировой войны. В 1917 г. немецкий летчик и ученый-аэродинамик Густав Лахманн потерпел аварию в результате того, что пилотируемый им самолет попал в срыв и упал. Находясь в больнице после аварии, Лахманн обдумал причины происшедшего с ним летного происшествия и пришел к выводу, что в случае, если крыло будет иметь одну или несколько щелей вдаль размаха, воздух сможет перетекать с нижней поверхности на верхнюю, уменьшая там разрежение и препятствуя, тем самым, отрыву обтекающего потока. Своими соображениями он поделился с известным аэродинамиком Людвигом Прандтлем. Выполненные в аэродинамической лаборатории Прандтля опыты доказали верность суждений Лахманна: при наличии продольных щелей подъемная сила крыла на больших углах атаки возрастала более, чем в полтора раза. В 1918 г. Лахманн получил патент на свое открытие [37, с. 80-81; 24, с. 404].
Независимо от Лахманна и практически одновременно с ним к выводу о преимуществах щелевого крыла пришел известный английский авиаконструктор Фредерик Хендли Пейдж. В 1918 г. он провел серию опытов на моделях и убедился, что продольный разрез вблизи передней кромки крыла позволяет увеличить допустимый угол атаки и добиться 60 % прироста подъемной силы [37, с. 80-81]. Благодаря богатому конструкторскому опыту Хендли Пейдж сумел быстро превратить теоретическую идею в пригодное для практических целей механическое устройство. В 1919 г. он запатентовал конструкцию предкрылка, ставшего известным под названием "предкрылок Хендли Пейдж" [27, с. 104]. Для того, чтобы предкрылок не увеличивал аэродинамическое сопротивление крыла при полете на большой скорости, на малых углах атаки он плотно прилегал к поверхности крыла, образуя единый профиль, а на больших углах атаки выдвигался вперед, образуя щель вдаль передней кромки крыла (рис. 1.81). Вначале управление предкрылком осуществлялось летчиком с помощью тяг, но вскоре появились автоматически выпускаемые закрылки. Они выдвигались за счет разрежения воздуха над крылом на больших углах атаки.
Говоря о начале применения предкрылков в авиации, нельзя не упомянуть о Сергее Алексеевиче Чаплыгине. В 1921 г. он дал теоретическое обоснование работы щелевых крыльев и разработал общие формулы для их расчета, что позволило определять эффективность таких крыльев на различных режимах обтекания профиля [53, с. 258-288].
13* Для достижения той же подъемной силы при увеличении веса иди (и) уменьшении плотности воздуха самолет должен лететь на больших углах атаки.
Рис-1.80 Пожарные снимают самолет, упавший на крышу дома на ул. Полянка в Москве
Рис.1.81- Предкрылок Хендли Пейдж. Рисунок из патента
Крыло с предкрылками впервые было опробовано в Англии в начале 20-х голов на одномоторных самолетах DH-9 и DH-60 "Мосс". В 1926 г. Лахманн установил предкрылки на немецком одномоторном биплане Альбатрос С-72 [54, с. 137; 55, с. 62]. Полеты показали, что применение предкрылков позволяет увеличить максимально допустимый угол атаки с 10-154 ' до 27-37°, намного снижает вероятность попадания самолета в срыв и штопор. Этот успешный опыт способствовал широкому применению крыла с предкрылком в авиастроении. В 1928 г. Военное министерство Англии даже ввело указ об обязательном применении предкрылков на самолетах 127, с. 104 1. Вообще же предкрылки чаще всего устанавливались на маневренных самолетах – спортивных, самолетах для воздушного боя.
Значительный вклад в развитие безопасности полета внесла деятельность двух американских меценатов – Даниэля и Гарри Гуггенхеймов. В 1926 г. они основали фонд содействия развитию авиации, главной целью которого являлось уменьшение числа летных происшествий. В 1929 г. на деньги этого фонда был проведен специальный конкурс на самый безопасный самолет. Главный приз составлял 100 тыс.долларов – очень большую в то время сумму. Почти все самолеты, принимавшие участие в конкурсе, имели щелевое крыло той или иной конструкции [54, с. 132-133].
Некоторые авиаконструкторы в поисках путей создания "безопасного самолета" решили отойти от общепринятой в авиастроении схемы и создали экспериментальные самолеты схем "бесхвостка", "утка", "тандем". Они считали, что применение нестандартных аэродинамических схем позволит значительно повысить безопасность полета, т.к. при указанных компоновках рули высоты расположены на крыле или перед ним и, следовательно, не теряют эффективность из-за срыва потока за крылом, как случалось на самолетах классической схемы на больших углах атаки.
Конструкция экспериментального самолета "Птеродактиль-1" с двигателем мощностью 30 л.с. (рис. 1.82) была подчинена принципиально новой концепции системы управления, разработанной английским ученым и конструктором Г. Хиллом. Понимая, что обычное хвостовое оперение подвержено влиянию завихренного потока за крылом, а элероны часто теряют эффективность на больших углах атаки, Хилл остановил свой выбор на самолете схемы "бесхвостка" с "плавающими" поверхностями управления на концах крыла. Эти органы управления представляли собой элероны большой площади, шарнирно соединенные с крылом таким образом, что сами, независимо от положения самолета, устанавливались "по потоку". Понятно, что такие рулевые поверхности работоспособны при любых углах атаки крыла. Управление направлением полета осуществлялось с помощью поворотных килей, расположенных под крылом и также не терявших эффективность на больших углах атаки.
"Птеродактиль-1" испытывался в 1925 г. В целом, он летал неплохо. Самолет не выходил из- под контроля летчика даже при углах атаки в 45°, имел широкий диапазон скоростей полета. Вместе с тем, ощущались колебания самолета при отклонении элевонов – ведь их площадь и момент инерции были в несколько раз больше, чем у обычных органов управления. При валете из-за небольшой скорости и малого плеча действия рулевых поверхностей машина недостаточно хорошо слушалась рулей [56, с. 17- 18]. Другим необычным самолетом 20-х годов был F-19 немецких конструкторов – Генриха Фокке и Георга Вульфа. Он имел схему утка" (рис. 1. 83). Расположение горизонтального оперения впереди крыла должно было устранить опасность попадания самолета в срыв и штопор, т. к. при превышении допустимого угла атаки срыв наступал не на крыле, как у обычных самолетов, а на горизонтальном оперении, остановленном, из условия продольной балансировки аппаратов схемы "утка", под большим, чем крыло, углом. Возникающий при этом пикирующий момент автоматически выводил самолет из опасного положения.
Самолет имел два двигателя мощностью по 75 л.с.,трехместную кабину. Для компенсации путевой неустойчивости из-за удлиненной носовой части фюзеляжа с горизонтальным оперением относительная площадь вертикального киля была в 2-3 раза больше, чем обычно.
F-19 впервые поднялся в воздух в 1927 г. В одном из полетов самолет потерпел аварию, в которой погиб Г. Вульф. В 1930 г. появился вариант F-19а с более мощными двигателями. Его испытания прошли вполне успешно. В целом, пилотирование самолета мало отличалось от управления обычным самолетом. Отмечалась высокая эффективность руля высоты, возможность управляемого полета на очень больших углах атаки (Су доп.=1,2), простота взлета и посадки. Но были и недостатки: склонность к продольным колебаниям при полетах в неспокойной атмосфере, заметна, потеря высоты при выходе и: срыва(14*) [56, с. 114-115].
14* Так как для схемы "утка" в горизонтальном полете G – Укр.+Yr.o., то при срыве потока на горизонтальном оперении G › Y
Рис. I 82. "Птеродактиль-1"
Рис. 1.83. Фокхе F-19
В начале 30-х годов создание дешевого и безопасного "массового" самолета взялся французски» изобретатель А. Минье. 3 1933 г. он построил миниатюрный самолет схемы "тандем" с мотором мощностью всего 18 л.с. (рис. 1.84 Самолет получил название "Пу дю сьель" ("Небесная блоха"). Тандемное расположение крыльев должно было обеспечивать хорошк продольную устойчивость без использования горизонтального оперения, малую чувствительность к изменению центровки и автоматический выход из срывных режимов (по тем же причинам, что и при схеме "утка"). Система управления был.: необычной. Переднее крыло могло поворачиваться вокруг своей продольной оси для управления в вертикальной плоскости. Элероны отсутствовали; для поперечной устойчивости концы крыла имели отгиб вверх. Крылья были расположены очень близко друг к другу, переднее выше заднего. При этом между ними образовывалась сравнительно узкая щель, т.е. переднее крыло как бы выполняло роль щелевого предкрылка.
