На самолетах с двигателем он летал лишь около двух лет, но как много было сделано П. Н. Нестеровым за такой короткий срок! В то время авиацией очень увлекались, летчиками становились отважные и одаренные люди. Самолеты того времени были очень несовершенны, особенно в отношении устойчивости и прочности, так как именно эти вопросы были наиболее слабо изучены.
Нестерову удалось разрешить коренные вопросы техники пилотирования и военного применения самолетов. Личная отвага у него счастливо сочеталась с глубокими знаниями, большой наблюдательностью и любознательностью.
Биографические сведения о жизни и деятельности П. Н. Нестерова уже излагались рядом авторов и едва ли можно добавить к ним что-либо существенное. Чтобы в полной мере оценить заслуги П. Н. Нестерова, необходимо более глубоко осветить научно-техническую сторону его деятельности, чего не могли сделать его современники. Нестеров летал на конкретных самолетах -- в сущности только на трех типах; они обладали вполне определенными свойствами и возможностями. За минувшие 50 лет авиация прошла огромный путь развития -- от скоростей порядка 100-130 км/час до 2500-3000 км/час; соответственно изменились и другие свойства самолетов, возросло их общее техническое совершенство и оснащенность аппаратурой. У Нестерова был единственный авиационный прибор -- высотомер; работу двигателя проверяли на слух; скорость полета тоже определяли на слух и судили о ней по работе рулей.
П. Н. Нестерову, как и многим другим русским летчикам того времени, пришлось летать лишь на самолетах иностранных конструкций. Лишь немногие изобретатели и летчики при заводах могли летать иногда на самолетах отечественной конструкции, строившихся в нескольких экземплярах. Исключением являлся первый многомоторный самолет "Илья Муромец", который строился серийно до Октябрьской революции. Другие серийные самолеты периода первой мировой войны, строившиеся на заводах Лебедева и Анатра, являлись в сущности модификациями германских самолетов фирмы "Альбатрос". Оригинальные отечественные конструкции, за исключением самолета "Илья Муромец" и гидросамолетов Д. П. Григоровича, так и не могли пробить себе дорогу. Только после Октябрьской революции Коммунистическая партия поставила задачу избавиться от иностранной зависимости в области строительства самолетов и двигателей. Это было выполнено менее чем за десять лет.
В данной статье мы хотим детально рассмотреть свойства и технические возможности самолетов, на которых летал П. Н. Нестеров, с целью технического анализа авиации того времени на примере некоторых типичных конструкций, на которых пришлось летать многим русским летчикам. В то время расчеты летных характеристик были ограничены по объему и очень грубы. Технический анализ самолетов, на которых летал П. Н. Нестеров, позволит нам судить о возможностях, которыми он располагал в полете.
НА ПЛАНЕРЕ
Начнем с планера, который П. Н. Нестеров построил собственными силами и средствами и на котором он впервые познакомился со свойствами крылатых летательных аппаратов. Этот планер относился к категории балансирных, коробчатого типа. Термин "балансирный" указывает на средство управления путем перемещения груза относительно крыла вперед, назад и в стороны. Перемещаемым грузом был сам летчик, вес которого составлял около 75% общего веса всего летательного аппарата. Балансирное управление было впервые реализовано Отто Лилиенталем в последнем десятилетии XIX века; он погиб на одном из своих планеров в 1896 г. С планером-монопланом Лилиенталя мы можем детально познакомиться по экземпляру, который был подарен Н. Е. Жуковскому и находится в Научно-мемориальном музее его имени в Москве.
Планеры Лилиенталя -- моноплан и биплан -- были оригинальны по конструкции; напоминая крылья летучей мыши, они имели проволочные растяжки. Шанютом в Америке была разработана другая конструкция, которая очень напоминала известные коробчатые змеи, но только второе, заднее, крыло его было значительно уменьшено. Коробчатые балансирные планеры получили большое распространение вследствие простоты их изготовления и жесткости конструкции и строились с разными изменениями -- в основном, с постепенным уменьшением хвостовой поверхности. Некоторые конструкторы добавляли и органы управления.
Коробчатых балансирных планеров в России строилось много, так как они были дешевы, довольно безопасны и просты в изготовлении. В журнале "Вокруг света" за 1910 г. был детально описан коробчатый балансирный планер, построенный из бамбуковых палок. В 1910 г. в Киеве была опубликована брошюра профессора Н. Б. Делоне "Устройство дешевого и легкого планера и способы летания на нем". Вес этого планера был около 20 кГ и стоимость его оценивалась всего в 20 рублей.
Несмотря на разнообразие конструкций и отдельные особенности, свойства этих планеров были примерно одинаковы, что определялось размахом крыльев, равным около 6 м и площадью крыльев S -- около 16 м2. Их аэродинамическое качество было низким из-за малого эффективного удлинения, грубой формы деталей, обилия растяжек и, конечно, из-за висящей во весь рост фигуры летчика. Примерный вид планера П. Н. Нестерова показан на рис. 1.
Посмотрим, каковы были характеристики планеров того времени и насколько они отличаются от современных. Планеры первого десятилетия XX века имели довольно низкие летные характеристики; на них удавалось совершать только кратковременные полеты, длительностью в несколько секунд, редко -- в десятки секунд. Однако и такой полет привлекал начинающих авиаторов, тем более, что стоимость планера была мала.
Мы изложим здесь основы теории планеров, применявшейся в то время, и современные теории. Ранние способы расчета были очень просты. Угол снижения планера равен величине, обратной аэродинамическому качеству, которое определялось практически, и для бипланов с открытым расположением летчика не превышало 1/3,5-- 1/4. Скорость полета тоже определялась практически или теоретически -- с использованием характеристик крыльев, полученных при лабораторных измерениях в воздушном потоке.
Рис. 1. Схема балансирного планера П. Н. Нестерова
Скорость планирования определялась в основном удельной нагрузкой на крыло G/S, где G -- полетный вес в кГ и S -- площадь крыльев в м2. В среднем можно было считать
Так, при весе около 100 кГ и площади крыльев 16 м2 мы получим скорость по отношению к воздушной среде, равную 9-10 м/сек, и скорость снижения Vy V/K2,2-2,7 м/сек. Такая вертикальная скорость соответствует прыжку с высоты 1/4-1/3 м. При полете против ветра, имеющего скорость 5-6 м/сек, скорость перемещения планера по отношению к поверхности земли составляла 4-5 м/сек. Из этих характеристик легко видеть, что полет на планере мало отличался от бега и прыжков, но только время нахождения человека в воздухе при этом было гораздо больше, чем при простом прыжке с высоты.
Улучшение аэродинамического качества требовало значительного усложнения планера, а уменьшение удельной нагрузки путем увеличения площади крыльев делало планер громоздким, и балансирное управление становилось непригодным. Перейдем к общей теории планера, как она сложилась впоследствии.
Летящее тело подвержено действию силы земного притяжения, определяемого весом тела G. За время полета t тело получит импульс тяготения G*t, который сообщит телу вертикальную скорость Vy9,8t. Чтобы тело двигалось горизонтально или с постоянной вертикальной скоростью, импульс, сообщенный силой тяготения, должен быть передан другому телу -- окружающей воздушной среде или газам, выбрасываемым реактивным двигателем. Передача импульса требует расходования энергии и, кроме того, будут другие факторы, требующие дополнительного расходования энергии. Планер может расходовать только свою энергию высоты, или потенциальную энергию, непрерывно снижаясь по отношению к окружающей воздушной среде. Чтобы планер снижался полого и медленно, необходимо, чтобы на передачу импульса и побочные потери затрачивалось мало энергии. Побочные потери будут возникать из-за наличия лобовых сопротивлений, не связанных прямым образом с созданием подъемной силы.
Крыло, перемещаясь в воздушной среде, воздействует на нее, отталкивая воздух вниз так, что каждую секунду воздействию подвергаются все новые и новые массы воздуха. Крыло воздействует наиболее сильно на слои воздуха, проходящие вблизи него, и это воздействие постепенно ослабевает по мере отдаления массы воздуха от крыла по вертикали. Если условно считать, что воздействие не зависит от расстояния до крыла, мы получим вполне определенную массу воздуха, на которую ежесекундно воздействует крыло в процессе сообщения импульса, называемую секундной массой ms. Оказывается, что она заключена в цилиндрическом отрезке длиной V и диаметром, равным размаху крыла l; отсюда получим
и при нормальной плотности воздуха s 0,125 кГ*сек2/м4 получим ms ====0,l*V*l2.
Вертикальную скорость W, сообщенную массе ms, получим делением веса планера на ms, т. е. WG/ms; энергия, сообщенная массе ms, будет равна
Эту затрату энергии можно свести к преодолению сопротивления, называемого индуктивным и вызываемым формированием подъемной силы, равной весу; величину индуктивного сопротивления получим, поделив энергию E1 на скорость полета
Дополнительная затрата энергии будет вызвана необходимостью преодоления сопротивления частей планера; его можно представить как сопротивление некоторой плоской площадки F, расположенной перпендикулярно к линии полета:
где 1,28 -- коэффициент сопротивления плоской пластинки.
Сопротивление Q1 обратно пропорционально V2, a Q2 прямо пропорционально этой величине; нетрудно было бы показать, что минимальное суммарное сопротивление будет при равенстве обоих сопротивлений, а из этого условия мы получим соответствующую скорость полета, называемую наивыгоднейшей, Vн, в максимальное значение аэродинамического качества Кmах:
Вертикальную скорость планера получим, разделив скорость на аэродинамическое качество:
Минимум скорости снижения будет при скорости на 25-30% меньшей, чем наивыгоднейшая, но при аэродинамическом качестве, пониженном примерно на 15%, и тогда скорость снижения будет равна:
Из этой формулы мы видим, что при данном весе планера наиболее сильным средством уменьшения скорости снижения является увеличение размаха крыльев; уменьшение вредной площади F влияет довольно слабо. В случае биплана в расчет вводится эквивалентный размах крыльев
где h -- расстояние между крыльями.
Для биплана с размахом 6 м и расстоянием h1,3 м мы получим эквивалентный размах lэ6,8 м. У балансирного планера с грубыми формами и открыто висящим летчиком величина F около 1,2-1,4 м2; максимальное аэродинамическое качество будет около 4,5; скорость полета при полетном весе 90 кГ будет 8-9 м/сек, скорость снижения -- около 2 м/сек. Следует указать, что если крыло плоское или искривленное, но обтягивающая его материя не лакирована, эффективный размах окажется значительно пониженным:
Здесь S -- площадь крыльев; у нашего планера она около 16 м2, и тогда lэ4,25 м; аэродинамическое качество будет около 3 и скорость снижения -- около 2,8 м/сек.
Кроме проделанных выше расчетов, необходимо проверить величину коэффициента подъемной силы при минимальной скорости снижения:
Так, в нашем примере при V8 м/сек, G/S5,6 кГ/м2 имеем Сy1,4. Для обычного профиля это большая величина и профиль может оказаться близким к срыву обтекания. Во избежание этого, летать нужно на повышенной скорости, что поведет к увеличению скорости снижения.
Можно показать, что во избежание получения излишне большого Су на режиме пологого планирования величина
не должна превышать 0,4-0,5, где bср -- средняя ширина крыла, равная площади крыла, деленной на размах, bcpS/l; для биплана нужно принимать bcpS/lэ. У балансирных планеров F приблизительно равно 1,3 м2 и потребная величина bcp будет 2,3-2,5 м. Очевидно, что для получения такого значения средней ширины крыла более целесообразно разбить ее на два крыла, расположив одно над другим. Так это и делали, хотя подобного теоретического вывода тогда еще получено не было. Впоследствии благодаря уменьшению величины F ширина крыла bср была сокращена до 1,0-0,75 м. При большом размахе это привело к очень большому удлинению l l/bср.
Можно считать, что планеры Нестерова-- Делоне имели аэродинамическое качество около 4 и скорость снижения более 2 м/сек. Чтобы совершать планирующие полеты, нужно было иметь склон горы круче, чем 15o. Как известно, Лилиенталь сделал для себя специальную горку. При угле откоса, равном 20o, и при ветре, имеющем скорость более 6-7 м/сек, получался восходящий поток со скоростью более 2 м/сек и был возможен парящий полет. Однако при несовершенном балансирном управлении это было очень рискованно и привело Лилиенталя к гибели.
Автор тоже проводил опыты полета на балансирном планере. Первое впечатление при испытании было очень неожиданным. Подойдя к довольно крутому откосу при скорости ветра около 6 м/сек, я, к своему удивлению, почувствовал, что планер не хочет планировать. Благодаря наличию подъемной силы я едва стоял на земле, и не мог приложить усилия, чтобы побежать вниз по склону. Только после нескольких попыток мне удалось увеличить скорость и оторваться. Чувствовалось, что необходима дополнительная тяга; тогда к планеру привязали две веревки, за которые стали тянуть мои товарищи. С дополнительной тягой дело пошло лучше и можно было совершать подлеты с пологих склонов.
К дополнительной тяге прибегали и многие другие. Подобный буксирный полет можно совершать и на ровной местности. Потребную силу тяги легко определить; при весе около 90 кГ и качестве 4 нужна тяга 22,5 кГ. Чтобы создать такую тягу при беге, нужно иметь 4-6 человек или лошадь. На снимках полетов П. Н. Нестерова можно увидеть применение буксировки на ровной местности.
Балансирное управление, особенно боковое, осуществлять довольно затруднительно. Если предположить, что удастся отклонить центр тяжести туловища в сторону на 7-10 см и тем сместить центр тяжести планера на 5-7 см, мы получим момент крена, равный 5-7 кГ м. Плечо подъемной силы относительно центра тяжести составит около 1,5-2% полуразмаха.
Один из последних, кто летал на балансирном планере в двадцатые годы, -- Пельтцнер в Германии, -- имел единственный орган управления -- руль направления. Это следует признать целесообразным. При наличии поперечного "V" крыльев, создавая скольжение рулем направления, можно было создавать и устранять углы крена с угловой скоростью до 10o в секунду и управлять направлением полета.
Что касается продольного управления, то полет происходит примерно на постоянном угле атаки, который планер должен устойчиво удерживать, что обеспечивается путем правильного выбора центровки и угла установки стабилизатора (соблюдения продольного "V"). Только в момент посадки необходимо увеличить угол атаки, что и достигается передвижением пилота назад. Важнейшим условием продольной устойчивости самолета, как известно, является способность сопротивляться изменению перегрузки как в случае действия воздушных течений, так и при выполнении маневра. Критерий устойчивости по перегрузке довольно прост и заключается в том, что аэродинамический фокус должен находиться позади центра тяжести.
Примерный расчет для планера Нестерова дает положение аэродинамического фокуса в точке, лежащей примерно на расстоянии, равном 37% длины хорды от ее передней кромки (см. рис. 1, точка О). Чтобы получить положение центра тяжести (точка О' на рис. 1) впереди фокуса у планера рассматриваемой схемы, летчик должен расположиться в довольно переднем положении -- почти у переднего лонжерона. Чтобы повысить запас устойчивости у балансирного планера, нужно было бы принять такую схему, в которой летчик мог несколько больше выдвинуться вперед; например, придать крыльям небольшую стреловидность или сдвинуть верхнее крыло назад, применив обратный вынос, или лучше сделать прямой вынос, как это часто делалось у бипланов, т. е. значительно выдвинуть верхнее крыло вперед, и расположить летчика впереди переднего лонжерона нижнего крыла.
Может быть, и не стоило бы останавливаться на полете балансирных планеров: аэродинамически они очень плохи -- скорость снижения велика (2-2,5 м/сек), качество низко и управление несовершенно. Балансирные планеры сыграли свою, положительную, роль, дав пионерам авиации некоторый опыт. Однако и прошлое полезно анализировать, а, может быть, простейшие планеры окажутся интересными и сейчас.
Радикальное улучшение летных характеристик планеров началось уже после окончания первой мировой войны -- в 1921 -- 1922 гг. -- и в этом деле были быстро достигнуты замечательные успехи. В Советском Союзе в 1922 г. был построен планер К. К. Арцеуловым. По своим формам он напоминал самолет, размах его крыльев был доведен до 13 м. Значение F можно оценить примерно в 0,5-0,6 м2; отсюда мы получим аэродинамическое качество, равное 13-14; при полетном весе 140 кГ это даст минимальную скорость снижения около 0,7-0,75 м/сек. Столь малая скорость снижения позволила этому планеру под управлением летчика Л. А. Юнгмейстера совершить парящий полет осенью 1923 г. продолжительностью более часа.
Развитию планеров весьма способствовало применение теории индуктивного сопротивления, из которой и вытекают приведенные выше формулы для аэродинамического качества и скорости снижения. К 1925-1927 гг. аэродинамическое качество планеров повысилось до 20-25, хотя скорость снижения уменьшилась сравнительно немного. Для современных планеров характерны размахи крыльев 16-18 м и даже более, значения F0,2 м2 и даже менее; при этих условиях аэродинамическое качество будет около 30-35. Однако при больших размахах крыльев значительно увеличивается вес планеров. При размахе 17 м полетный вес составляет около 350 кГ и скорость снижения будет около 0,55 м/сек.
===========
НА СВОБОДНОМ АЭРОСТАТЕ
П. Н. Нестеров готовился к тому, чтобы стать авиатором -- летать на самолетах, но путь к самолету шел через аэростат. Свободный -- сферический -- аэростат появился более чем на 100 лет раньше самолета. Правда, он долго не находил практического применения, если не считать спортивные и показательные и очень немногие научные полеты. Во время осады Парижа в 1870 г. аэростаты использовались для связи и для бегства из осажденного Парижа немногими лицами. Вся беда была в том, что свободный аэростат не имел своего, самостоятельного, движения, обладая лишь некоторой вертикальной скоростью. Проблема строительства управляемых аэростатов -- дирижаблей -была решена только немного раньше, чем проблема создания самолета. Обе они были решены в результате создания легкого двигателя внутреннего сгорания.
Военное воздухоплавание стало развиваться раньше, чем военная авиация, и соответственно раньше были созданы военные воздухоплавательные школы. Они должны были готовить специалистов по военным дирижаблям; подобная офицерская школа была и в Петербурге; в нее и поступил П. Н. Нестеров. Русское воздухоплавание развивалось плохо; дирижаблей было мало, эксплуатация их была трудна и аварии часты. В воздухоплавательной школе давали теоретическую подготовку, а полетная практика в основном осуществлялась на сферических аэростатах. П. Н. Нестеров пошел в воздухоплавательную школу потому, что через нее проходил путь в авиацию; полеты на аэростатах знакомили с условиями полета вообще; в школе были специалисты и по самолетам.
Следует указать, что в то время термин "воздухоплавание" относился и к самолетам. Так, замечательный труд Н. Е. Жуковского по аэродинамике, воздушным винтам и динамике полета носит название "Теоретические основы воздухоплавания". Аэростатам и дирижаблям в нем уделено небольшое место, но свойства их описаны очень обстоятельно.