Владимир Пышнов - Из истории летательных аппаратов

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.