Первый блин Чарльза Циммермана. Необычные самолёты 1930-х

Наука умеет много гитик

Чарльз Циммерман пришёл в NACA (Национальный консультативный комитет по аэронавтике, предшественник NASA) в 1929 г. выпускником Канзасского университета по специальности инженера-электротехника. Он сразу взял с места в карьер, спроектировав «штопорную» аэродинамическую трубу и проведя на ней исследования самовращения самолёта.

Следующей его работой стали продувки крыльев малого удлинения. Эксперименты велись с прицелом на «летающие автомобили» – частные самолёты с коротким взлётом и посадкой, большим диапазоном скоростей, простой и безопасной техникой пилотирования, рассчитанные на широкий круг пользователей..

Похожими работами занимался врач-ортопед из среднеамериканской глубинки Клойд Снайдер, но будучи любителем, от опытов он быстро перешёл к реальным машинам. Различные источники пишут как о том, что исследования Циммермана существенно повлияли на летательные аппараты Снайдера, так и о том, что Циммерман увлёкся крыльями малого удлинения, вдохновившись полётами его S-2. Из хронологии работ очевидно, что в «чистом» виде ни одно из этих утверждений действительности не соответствует. Снайдер начал свою кипучую деятельность в 1926 г., в 1932 г. полетел его планёр, а на следующий год – самое удачное его детище S-2. Циммерман получил первые результаты в 1929 г. (согласно Андре Мартинсу), а четыре года спустя выпустил технический отчёт №431, ставший базовым для дальнейшего развития «летающих блинов». То есть, энтузиаст и учёный работали одновременно и параллельно – ни один из них не был последователем другого. Начинали они независимо, а насколько тесно взаимодействовали потом – вопрос открытый.

Моделью в экспериментах Циммермана выступало деревянное прямоугольное крыло с размахом чуть больше метра и хордой 359 мм – его удлинение составляло λ=3 (напомню, оно равно отношению квадрата размаха к площади крыла и у дозвуковых самолётов его величина обычно порядка десятки). Профиль – Clark Y с относительной толщиной 12%. Крыло продували без законцовок, с маленькими каплевидными и большими круглыми законцовками. Получив поляры, модель распиливали, уменьшая удлинение сначала до λ=2, затем до λ=1,5 и далее с шагом Δλ=0,25 до λ=0,5. Также исследовали составленное из двух законцовок круглое крыло (λ=4/π=1,27), крылья в форме эллипса с удлинением λ=0,75 и λ=1. Для сравнения использовалось полученные ранее характеристики прямоугольной несущей поверхности с удлинением λ=6.

Продувки проводились в аэродинамической трубе с рабочей частью 7х10 футов при скорости 129 км/ч (Re=80000) и углах атаки до 60°, отдельную серию экспериментов провели при угле скольжения 20°. Результаты поначалу выходили закономерно печальными. С уменьшением удлинения срыв потока наступал на несколько больших углах атаки, но падала производная коэффициента подъёмной силы dCya/dα (причём быстрее, нежели прогнозировалось теорией), в результате максимальный коэффициент подъёмной силы становился всё ниже. Картина изменилась, когда удлинение достигло единицы: да, градиент ещё более пологий, зато линейный участок упрямо рос, не желая ломаться срывом. Максимум подъёмной силы достигнут при α=40° и оказался на 20% выше, нежели у крыла с «нормальным» λ=6. При λ=0,75 получилось ещё лучше, хороший результат давали полукруглые законцовки. А «чемпионом» стало круглое крыло: оно показало Cya(max)=1,85, в полтора раза превзойдя «нормальную» несущую поверхность..

Никакой магии тут нет: с боковых сторон крыла малого удлинения сходят мощные вихри, которые увеличивают энергию потока над верхней поверхностью, затягивая срывные явления – эффект, которым широко пользуются в современной сверхзвуковой авиации, но в то время это было настоящее чудо. С ростом угла атаки подъёмная сила перераспределяется по хорде таким образом, что вместо присущей нормальному крылу области статической неустойчивости («ложки» момента), затягивающей его на всё большие углы атаки, крыло малого удлинения становится «сверхустойчивым», неодолимо стремясь клюнуть носом и уйти с опасного режима. То есть самолёт с таким крылом будет практически застрахован от штопора и безопасен для лётчика низкой квалификации.

Но эксперимент показал, почему у Снайдера ничего не получилось и получиться не могло: аэродинамическое качество у такого крыла низкое. Причина – всё те же мощные вихри, на образование которых тратится прорва энергии, что выражается в большом индуктивном сопротивлении. То есть, чтобы скорость была как у самолёта с обычным крылом, понадобится более мощный мотор, а для сопоставимой дальности – гораздо больше топлива.

1935 год отмечен ещё один отчётом, где помимо круглых и эллиптических крыльев исследуется форма по типу гитарного медиатора – она впоследствии пойдёт в металл. Некоторый рост подъёмной силы получен при увеличении поперечного V, а ещё одна идея Циммермана себя не оправдала. Он предлагал прорезать вблизи концов крыла длинные профилированные щели. Воздух с нижней поверхности крыла должен был через них перетекать назад и наружу, дополнительно подпитывая энергией поток на верхней поверхности крыла – принцип работы близок к предкрылкам. Прирост Cy(max) оказался незначительным.

За сухими научным формулировками отчёта проглядывает по сути жалоба Циммермана, что завершить работу ему не дали. Подноготную прохладного отношения к исследованиям молодого учёного мы не знаем, но одна вполне объективная причина лежит на поверхности: как раз в середине 30-х в авиацию пришли предкрылки и закрылки, которые, казалось, нивелировали единственное преимущество крыльев малого удлинения. Но их история только начиналась.

Тернистый путь к вертикальному взлёту

В апреле 1935 г. Чарльз Циммерман отнёс в патентное ведомство заявку на самолёт нового типа. На первый взгляд, он был очень похож на «каблуки» Снайдера: та же прямая передняя и криволинейная задняя кромка крыла, те же полукруглые элероны-законцовки, продольное управление осуществлялось большим рулём в середине задней кромки, горизонтальное оперение отсутствовало. По назначению очередной «полудиск» тоже был сродни «Эрапам» – трёхместный «туристский» самолёт. Но чтобы не нарушать аэродинамическую форму «летающего крыла», Циммерман предложил разместить пилота и пассажиров лёжа на животе. Взирать на окружающий мир им предстояло сквозь прозрачную переднюю кромку крыла. Автор уверял, что такое положение будет вполне удобным. На том же настаивали и другие конструкторы «лежачих» самолётов, но лётчики, коим доводилось их испытывать, почти всегда были иного мнения..

Расположенные внутри крыла двигатели через громоздкую трансмиссию вращали огромные тянущие винты, чьи валы в обтекателях «вырастали» по боковым сторонам несущей поверхности. Внушительный диаметр позволял пропеллерам обдувать практически всё крыло, а внешние части дисков выходили далеко за его пределы. Это и была «фишка» проекта. Воздушный винт создаёт тягу, отбрасывая воздух назад вдоль своей оси. Но при этом его лопасти своим аэродинамическим сопротивлением увлекают поток за собой, индуцируя паразитное вихревое движение – ушедшая на него энергия расходуется впустую, поэтому у любого винта КПД заметно меньше единицы. Циммерман решил максимально утилизировать потери – для этого оказалось достаточным правильно выбрать направление вращения пропеллеров-гигантов: перед крылом лопасть шла вверх, а сбоку – вниз..

Крутясь против сходящих с концов крыла вихрей, винты их гасят, снижая индуктивное сопротивление самолёта. Казалось бы, это должно лишить крыло малого удлинения его чудесной способности сопротивляться срыву потока, но уничтожая один вихрь, пропеллеры дают взамен другой. Ось вращения воздуха совпадает с осью винта (в компоновке Циммермана – с концевой хордой крыла), у индуктивного вихря ось вращения гораздо выше, то есть действие «винтового» вихря не противоположно ему, а работает по-другому: винты загоняют воздух под крыло и, наоборот, отсасывают его с верхней поверхности, увеличивая разницу давлений, а значит, и подъёмную силу. На неё работают и «наружные» лопасти, которые своим движением вниз создают направленную вверх силу реакции. Таким образом, вихревое движение за винтами в максимальной степени работает на создание подъёмной силы и снижение сопротивления. Советский авиаконструктор Роберт Бартини назвал бы это принципом «И-И».

Подъёмная сила увеличивается и за счёт скоростного напора струи от винтов, который выше, чем у набегающего потока. У этого «плюса» есть и обратная сторона: трение и повороты потока вблизи крыла снижают эффективную тягу. Но игра стоит свеч: уникальные свойства системы «крыло-винты» теоретически позволяли самолёту взлетать вертикально и даже зависать, как вертолёт. При этом по сравнению с тогдашними вертолётами, имевшими малую нагрузку на ометаемую площадь, самолёт Циммермана на режиме висения был менее подвержен ветровым порывам, а рули, обдуваясь потоком от винтов со скоростью 100…160 км/ч, обеспечивали эффективное аэродинамическое управление.

В 1938 г. патент был получен, но он стал не началом, а промежуточным этапом довольно затяжных мытарств. Ещё в 1933 г. Циммерман со своим проектом выиграл внутренний конкурс NACA на лёгкий гражданский самолёт, однако руководство научной организации решило, что самостоятельно строить аэропланы, тем более столь экзотические, для неё будет обременительно..

Изобретатель отрабатывал концепцию на свободнолетающих моделях c резиномоторным и электрическим приводом. Был построен и одноместный пилотируемый прототип с размахом крыла 2,1 м и двумя 25-сильными моторами. Он так и не взлетел, поскольку не удалось решить проблему синхронизации вращения винтов. Тем не менее, Циммерман смог заинтересовать своей идеей представителей авиаиндустрии и в 1937 г. устроился на фирму «Чанс-Воут»..

Армии изобретатель предложил проект разведывательного и связного самолёта V-170 и лёгкого бомбардировщика V-172, Управлению гражданской авиации – пассажирский V-171. Ни те, ни другие не откликнулись, зато полёты электрической модельки V-162 впечатлили моряков – они увидели в ней шикарный задел под палубный истребитель и согласились профинансировать его разработку. Боевой машине должен был предшествовать легкомоторный прототип, получивший обозначение V-173.

Полёты «шумовки»

Пожалуй, немногие самолёты удостаивались такого количества прозвищ, как детище Циммермана. «Летающий блинчик», «лепёшка», «блюдце», «камбала», «шумовка Циммермана» (Zimmer’s skimmer). Внешний вид, впрочем, соответствовал: форма крыла в плане образовывалась эллипсами, удлинение (без поверхностей управления) составляло всего λ=1,3. Профиль симметричный NACA 0015 с относительной толщиной 15%. V-162 летал без «плавающих» рулей, однако продувки в аэродинамической трубе заставили изобретателя к ним вернуться, но с другим расположением – теперь они «росли» из того места, где боковые кромки переходят в заднюю, далеко позади центра масс, т.е. могли использоваться не только для поперечного, но и для продольного управления. Путевая устойчивость и управляемость обеспечивалась классическим двухкилевым оперением..

Под полотняной обшивкой прятался деревянный силовой набор со сложной топологией, делавшей конструкцию лёгкой и очень прочной. Он был нетехнологичен, но для опытной машины это сочли допустимым. Военные настаивали на сидячем положении лётчика, и его разместили в маленькой обтекаемой гондоле с выступающим фонарём. Неубирающееся шасси с длинными основными стойками и хвостовым колесом обеспечивало стояночный угол 22°. Чтобы на взлёте и посадке пилот имел обзор вниз-вперёд, сегмент нижней поверхности крыла набрали из плексигласовых панелей..

Четырёхцилиндровые двигатели воздушного охлаждения «Континентал» С-75 по 80 л.с. располагались по бокам кабины. Топлива в их распоряжении было всего 76 л, чего хватало только на короткие полёты. Посредством длинных валов, «ломавшихся» уголковыми шестернями, моторы приводили в движение трёхлопастные деревянные винты – при размахе крыла (без «плавающих» рулей) 7,1 м их диаметр составлял 5,03 м. Угол конусности винтов мог настраиваться на земле. Редукторы двигателей соединялись между собой синхронизирующим валом, который проходил сразу за кабиной. При взлётном весе 1383 кг нагрузка на мощность составляла 8,65 кг/л.с. – в полтора раза выше, нежели в среднем для лёгких самолётов. А ведь «блинчику» предстояло не просто уверенно держаться в небе, но и совершать короткий, а то и вертикальный взлёт!.

На разработку проекта и испытания в аэродинамической трубе ушло довольно много времени, так что первый полёт V-173 совершил только 23 ноября 1942 г. в аэропорту Бриджпорт (г. Стратфорд, штат Коннектикут). Его доверили лётчику-истребителю Буну Гайтону. Молодой шеф-пилот «Чанс-Воута» к тому времени успел послужить на флоте, съездить в командировку во Францию, где до самого вторжения немцев учил местных воевать на «Виндикейторах», а вернувшись в Штаты, плотно взялся за испытания «Корсара» ХF4U, которому ещё только предстояло стяжать себе боевую славу. Программа V-173 была не столь приоритетной, но сразу увлекла пилота. Впоследствии он вспоминал о первом 13-минутном полёте на «шумовке», как о самом интересном в своей карьере..

Когда аппарат после короткого разбега поднялся в воздух и вышел из зоны влияния земли, он преподнёс первый сюрприз: усилия на ручке оказались очень большими, самолёт вяло слушался рулей. Гайтон даже задумался о вынужденной посадке на волны пролива Лонг-Айленд. Не знай лётчик, сколько времени и сил изобретатель вложил в свой проект, возможно, тем бы всё и кончилось, но Гайтон пожалел Циммермана. Вцепившись в ручку обеими руками, он вытащил сонный аппарат на сотню метров высоты и с лёгким креном описал широкую дугу к полосе. Рулей направления V-173 слушался неплохо. На посадке Гайтон высоко задрал нос и «подорвал» мощность, как на вертолёте, в результате самолёт пробежал всего 15 метров..

Полеты V173

Когда аппарат после короткого разбега поднялся в воздух и вышел из зоны влияния земли, он преподнёс первый сюрприз: усилия на ручке оказались очень большими, самолёт вяло слушался рулей. Гайтон даже задумался о вынужденной посадке на волны пролива Лонг-Айленд. Не знай лётчик, сколько времени и сил изобретатель вложил в свой проект, возможно, тем бы всё и кончилось, но Гайтон пожалел Циммермана. Вцепившись в ручку обеими руками, он вытащил сонный аппарат на сотню метров высоты и с лёгким креном описал широкую дугу к полосе. Рулей направления V-173 слушался неплохо. На посадке Гайтон высоко задрал нос и «подорвал» мощность, как на вертолёте, в результате самолёт пробежал всего 15 метров..

Первый полёт дал богатую пищу для размышлений. На «плавающие» рули были установлены триммеры, по-другому согласованы режимы работы моторов и шаг винтов. Это позволило уменьшить усилия и повысить эффективность продольного управления. Но пилотирование «блина» оставались не из приятных: ручка всё же «тяжёлая», обзор на больших углах атаки неудовлетворительный, не помогал даже плексигласовый пол кабины. Чтобы видеть, куда приземляется, Гайтон был вынужден тянуться вперёд, и на этом заработал боль в пояснице. Из-за перераспределения подъёмной силы вблизи экрана самолёт норовил клюнуть носом на посадке, жёстко «впечатываясь» в полосу и «козля». Мягкого парашютирования можно было добиться, только садясь под большим углом атаки на максимальной мощности моторов, как это сделал Гайтон в первом полёте. Винты входили в резонанс между собой и с конструкцией, что вызывало сильные вибрации кабины – эту проблему частично решили установкой демпферов. Колёсные тормоза оказались излишне «дубовыми» для рулёжек..

Когда число полётов подошло к полусотне, в заднюю кромку был врезан «стабилизирующий закрылок» – большой руль из двух разделённых хвостовым колесом секций, которые вблизи земли автоматически отклонялись наверх. Он был запланирован ещё в проекте, исследован в аэродинамической трубе, но почему-то сразу на самолёт его не поставили. Между крылом и передней кромкой руля при отклонении открывалась щель, через которую поток с высокой скоростью перетекал из-под самолёта на верхнюю поверхность руля. Это повысило эффективность управления и уменьшило экранный эффект..

Мощность двигателей была маловата, их приходилось всё время гонять на максимальных оборотах, что приводило к отказам. Один раз V-173 совершил вынужденную посадку на поле для гольфа, в другой – на песчаный пляж. В последнем случае лётчик Ричард Барроуз едва не переехал человека, принимавшего солнечные ванны, и скапотировал на спину. Этот случай парадоксально привёл в кабину «шумовки» Чарльза Линдберга, которого до того долго и безрезультатно агитировал Циммерман. Легендарного пилота, в одиночку покорившего Атлантику, едва ли кто-то осмелился бы обвинить в трусости, но летать на «блине» он откровенно опасался..

Неуклюжий бескрылый самолётик заходит на посадку, перед самым касанием, как у него повелось, клюёт носом и буквально вонзается в полосу своим страусиным шасси; маленький камешек или колдобина в этот момент – и «блин» переворачивается прямо на высокий фонарь кабины, превращая его в крошево и не оставляя пилоту шансов выжить. Столь неаппетитная картина не раз проносилась перед взором Линдберга, и когда V-173 с заклинившим мотором исчез за горизонтом, предчувствия у него были самыми худшими. К счастью, они не сбылись. Благодаря маленькой посадочной скорости и мягкому песку повреждения ограничились двумя сломанными лопастями винта. Фонарь выдержал, живому и невредимому Барроузу понадобилось только откопаться из песка. Чарльз Линдберг убедился в безопасности самолёта и согласился опробовать его в воздухе.

Возможно, малоизвестный летательный аппарат внёс некоторый вклад в мифологию. Первые послевоенные годы в США отмечены всплеском наблюдений неопознанных летающих объектов – именно тогда началась «уфомания», которой впоследствии заболел весь мир. Большинство «контактов» – это либо ошибочная интерпретация природных явлений, либо просто выдумки. Но некоторые могут быть отнесены к наблюдениям секретной рукотворной техники. Последние полёты V-173 по времени накладываются на первые сообщения об «уфо», и по форме он идеально подходит – не зря же аэродромные остряки прозвали его «летающей тарелкой»…

До 31 марта 1947 г. V-173 поднимался в небо 190 раз в общей сложности на 131 час. 54 полёта за Гайтоном, на время лечения после аварии на «Корсаре» его подменял Барроуз, опробовал машину Линдберг, несколько «фирменных» и флотских пилотов. При всех своих недостатках V-173 показал работоспособность и перспективность концепции. Нехватка мощности не позволяла взлетать вертикально в нормальных условиях, но благодаря нагрузке на крыло всего 35 кг/м2 разбег не превышал 60 метров, а при встречном ветре в 13 м/с (6 баллов по шкале Бофорта) «шумовка Циммермана» отрывалась от земли без разбега.

V-173 вообще не попадал в штопор и был управляем при углах атаки порядка α=45°. При этом он энергично терял скорость, что в воздушном бою позволило бы ему, находясь в невыгодной позиции, пропустить истребитель противника вперёд и зайти ему в хвост – спустя полвека похожий приём стал «изюминкой» семейства Су-27, известной как «Кобра Пугачёва». Но чтобы «прикольный блинчик» превратился в боевую машину, работы предстоял непочатый край. И прежде всего – в части сложности и утомительности пилотирования. Гайтон вылезал из V-173 измочаленным, как после силовой тренировки. Полёты на «шумовке» он называл «весёлыми и интересными, но некомфортными». А что для талантливого испытателя «весело и некомфортно», для строевого лётчика будет, скорее всего, «страшно и недолго».

После окончания испытаний V-173 хранился на базе морской авиации в Норфолке, где его поддерживали в рабочем состоянии, иногда даже запуская двигатели. В 1960 г. самолёт отправился в Смитсоновский национальный музей авиации, но публично не выставлялся. Десять лет назад была закончена его реставрация и сейчас «блинчик» экспонируется в музее «Рубежи полёта» в Далласе..

Список литературы

1. C. H. Zimmerman. Characteristics of Clark Y airfoils of small aspect ratios. NACA TR-431. 1933.

2. C. H. Zimmerman. Aerodynamic characteristics of several airfoils of low aspect ratio, NACA TN-539. 1935

3. Aircraft. Патент США №2108093

4. Slotted airplane wing tip. Патент США №2163655

5. Airplane of low aspect ratio. Патент США №2431293

6. Control device for airplanes. Патент США №2438309

7. S. Ginter. Chance Vought V-173 and XFU-1 Flying Pancakes // Naval Fighters №21. Simi Valley, CA: Steve Ginter Publishing. 1992

8. Д. А. Соболев. Столетняя история «летающего крыла». М., РУСАВИА, 1998

9. Аэродинамика летательных аппаратов [под ред. Г. А. Колесникова]. М., Машиностроение, 1993

10. Ветка «Flying Flapjacks» на Secret Projects Forum

11. Low aspect ratio // Nest of Dragons

12. T. Wright. Why there will never be another flying pancake // Smithsonian Magazine. Nov. 2013.

13. R. Lee. Vought Aircraft Heritage Foundation retirees finish Vought V-173 «Flying Pancake» following 8-Year restoration effort // NASM. 20 mar. 2012.

14. Музей «Рубежи полёта»

15. Wikimedia Commons (иллюстрации)

Автор: Иван Конюхов.

Оригинал

 

Источник