Сидней Уитингтон - История инженерного дела. Важнейшие технические достижения с древних времен до ХХ столетия

Лилиенталь был опытным, технически грамотным инженером. Он начал опыты с планерами еще в детстве. Но его первые полеты на планерах датируются 1886 годом, когда ему было уже тридцать восемь лет. Опубликованные результаты его экспериментов, связанных с тестированием подъемной силы кривых поверхностей, имели большое влияние на создание летательных аппаратов тяжелее воздуха. Он погиб во время одного из полетов – несчастный случай был вызван трудностями поддержания продольной стабильности. Октав Шанют (1832–1910), родившийся во Франции американский инженер, пошел по стопам Лилиенталя и в 1896 году начал в США эксперименты с планерами. Он использовал самые разные дизайны с разным количеством крыльев, доведя их число до пяти, и наконец остановился на «двухпалубнике» – биплане. Впоследствии Шанют стал другом и советником братьев Райт.

С 1896 года профессор Сэмюэл Пирпонт Лэнгли (1834–1906) из Смитсоновского института проводил эксперименты с моделями аэропланов с размахом крыльев 13 или 14 футов. Некоторые из этих моделей приводились в движение маленькими паровыми двигателями. В конце концов, в 1903 году он построил полноразмерный аэроплан, рассчитанный на одного человека, и снабдил его оригинальным газолиновым двигателем, сконструированным Чарльзом Мэтью Мэнли, механиком, выпускником университета Корнуолла. Двигатель Мэнли был пятицилиндровым звездообразным газолиновым двигателем с водяным охлаждением мощностью 52 лошадиные силы. Он весил без дополнительного оборудования всего 125 фунтов (2,5 фунта на лошадиную силу). К сожалению, самолет Лэнгли дважды потерпел крушение еще во время запуска с крыши плавучего дома на Потомаке, едва не утопив Мэнли. И Лэнгли наотрез отказался продолжать эксперименты. Его самолет был восстановлен и экспонируется в Смитсоновском институте. Отметим, что, поскольку человек всегда стремился в небо, сотни людей шли по стопам Лилиенталя, Шанюта и Лэнгли, запуская воздушных змеев, планеры, всевозможные модели самолетов. Но главное, эти три изобретателя заложили основы для успеха братьев Райт.

Рис. 12.16. Орвилл Райт у аэроплана, 1903 г.

Уилбур Райт (1867–1912) и его брат Орвилл (1871–1948), велосипедные механики из Дайтона, Огайо, были настоящими гениями. Они заинтересовались парением и механическими полетами и в течение нескольких лет штудировали литературу на эту тему. Братья построили воздушную трубу длиной 6 или 8 футов и диаметром 16 дюймов с отверстиями с одного конца, через которые можно было направлять воздух. В ней они испытали более 200 различных крыльев. Они определяли подъемную силу и сопротивление движению, используя модели монопланов, бипланов и трипланов. Октав Шанют, ставший к этому времени их доверенным лицом, был убежден, что они знают об аэродинамике больше, чем любой другой человек в мире. Подход братьев к проблеме с самого начала был инженерным: объективные испытания, систематизация полученной информации, трактовка результатов. Братьям всегда хватало смелости двигаться туда, куда им указывали результаты экспериментов. В 1900 году они отправились на песчаные дюны Северной Каролины, где в районе Кил-Девил-Хилл было достаточно ветра, чтобы провести испытания своего первого планера – биплана. Там в декабре 1903 года они построили свой первый моторный биплан (рис. 12.16). Его каркас был деревянным, крылья полотняными. Газолиновый двигатель, собранный собственными руками, имел 4 цилиндра диаметром 4 дюйма, 4-дюймовый ход поршня и мощность 12 лошадиных сил. Двигатель весил 179 фунтов (15,9 фунта на лошадиную силу). Вес всей машины составил 750 фунтов. Самолет имел два винта, которые вращались в разных направлениях, установленные на расстоянии 10 футов друг от друга, и цепной привод со звездочками.

Рис. 12.17. Четырехмоторный моноплан «Дуглас DC-7»

Их первый полет 17 декабря – первый в истории аппарата тяжелее воздуха – имел протяженность 100 футов. Двумя годами позже, установив на своем детище двигатель мощностью 24 лошадиные силы, Райты пролетели 24 мили за 38 минут. В 1908 году Уилбур Райт совершил перелет протяженностью 76 миль. Все аэропланы братьев Райт были, как и их планеры, бипланами, созданными по модели Шанюта. Важная инновация – крутка крыла – позволила им контролировать и поддерживать стабильность, которой все предыдущие опыты достичь не могли. К 1903 году братья Райт существенно расширили знания о подъемной силе крыла, продольной и поперечной стабильности и маневренности. Их первый аэроплан имел рули высоты и направления, а также устройство для крутки крыла. Двигатель Райтов был адекватным, но намного тяжелее и не таким успешным, как у Мэнли. Их пропеллеры были в меру эффективными и, пожалуй, лучшими, что было создано до 1903 года.

За четверть века после первого полета братьев Райт эволюция аэроплана шла очень быстро. В 1910 году Генри Фабр совершил на юге Франции первый взлет с воды. Затем такой же взлет повторил Гленн Х. Кертис из Калифорнии. Игорь Сикорский в 1912 году построил в России первый четырехмоторный аэроплан, который реально летал. К концу 1920-х годов моноплан стал самым распространенным типом самолета (рис. 12.17). Скорость возросла с 30 миль в час в 1903 году до 280 миль в час в 1924 году. До 1940 года на аэропланах устанавливались практически исключительно поршневые газолиновые двигатели внутреннего сгорания. Расположение цилиндров могло быть самым разным, и количество цилиндров варьировалось от 4 до 24. Двигатели были рядными или звездообразными (рис. 12.18), с воздушным или водяным охлаждением.

Рис. 12.18. Двигатель Wasp Major мощностью 3500 лошадиных сил

Первая важная инновация в энергетическую установку самолета была внесена около 1940 года. Потребность в высокой скорости и возможности совершать полеты на больших высотах становилась все важнее. К этому времени было очевидно, что вот-вот будет достигнут предел возможностей поршневого двигателя и пропеллера, поэтому инженеры начали эксперименты с установкой на самолет газотурбинного реактивного двигателя. К 1955 году было уже три главных типа газотурбинных самолетных двигателей: турбореактивный, турбовинтовой и турбокомпаунд. История газовых турбин и реактивной энергии весьма обширна и уходит корнями во времена Герона Александрийского. Однако только в XX веке такие установки стали коммерчески успешными. К середине века газовые турбины стали новыми важными источниками энергии.