Треугольники и параболы
Удлинение – это важный геометрический параметр крыла, равный отношению квадрата его размаха к площади. У бумажного самолётика оно меньше единицы, у пассажирских авиалайнеров — порядка десяти, у спортивных планёров может достигать сорока. Наращивать удлинение до бесконечности мешает ряд не связанных с аэродинамикой ограничений, например, вес крыла, обусловленный требованиями прочности и жёсткости. В то же время наблюдения за птицами, эксперименты с летающими моделями, полёты первых летательных аппаратов тяжелее воздуха, ранние изыскания молодой науки аэродинамики – всё это с первых дней авиации твердило: чем больше удлинение, тем лучше будет летать самолёт. Большинство авиаконструкторов и стремилось делать его в разумных пределах большим. Но не все.
Ещё в 1867 г. британцы Батлер и Эдвардс получили патент на самолёт, своими очертаниями напоминающий современные сверхзвуковые машины. Но такой облик диктовался не научным подходом, а, как и у большинства авиастроителей того времени, простой аналогией – то ли с наконечником стрелы, то ли с бумажным голубем.
Возможно, первым, кто по инженерным соображениям предложил «разменять» удлинение на другие свойства, стал киевский скульптор Б. И. Черановский. Увлечённый авиацией молодой человек с 1920 г. проектирует невиданные летательные аппараты.
Они не имеют ни хвоста, ни фюзеляжа, состоя из одного лишь толстого крыла с передней кромкой параболической формы и весьма малым удлинением. Оно обеспечило большую корневую хорду и строительную высоту центроплана, в который можно убрать мотор, лётчика, грузы и пассажиров. То есть, пожертвовав характеристиками крыла, Черановский надеялся уменьшить аэродинамическое сопротивление самолёта в целом — за счёт отсутствия фюзеляжа и других частей, которые выступают в поток и не дают подъёмной силы. В 1923 г. он запатентовал свою идею и построил планёр БИЧ-1, который, правда, не летал – удлинение оказалось уж слишком маленьким. В следующем году крымское небо покорил БИЧ-2, открыв дорогу целой плеяде «парабол» и «треугольников» – непременных участников планёрных слётов на горе Узун-Сырт. Не братья Хортены, не Джек Нортроп, а именно Борис Иванович Черановский изобрёл аэродинамическую схему «летающее крыло». Впрочем, к экстремально коротким несущим поверхностям он вернётся только после войны.
Большие внутренние объёмы крыльев малого удлинения привлекли и другого непрофессионального авиастроителя – американского ортопеда Клойда Снайдера. Отправной точкой для него стало одно из непроизвольных действий, которыми, наверное, каждый из нас грешит в минуты скуки. Снайдер подкидывал войлочный подпяточник и вскоре заметил, что несмотря на совсем не авиационную форму тот падает устойчиво, плавно, даже красиво. Дилетанту вполне простительно усомниться в справедливости сложных формул, приводящих к длинным и тяжёлым крыльям, когда у него на глазах происходит эдакое чудо. На рабочем столе Снайдера вырисовывается большое пассажирское «летающее крыло» с размахом 100 футов (30 м) и такой же хордой.
Заявка на невиданный летательный аппарат поступила в патентное ведомство в сентябре 1930 г., а полтора года спустя Снайдер получил авторское свидетельство. Знакомясь с патентом, специалисты наверняка испытали острое чувство ностальгии: из него сквозила такая святая простота в авиастроении, каковой обладали разве что изобретатели «дорайтовской» эпохи. На низких колёсиках покоилось плоское днище, прикрытое сверху раковинообразной поверхностью с максимумом толщины вблизи передней кромки – пародия на авиационный профиль. В плане крыло напоминало обувной каблук… или «параболы» Черановского задом наперёд – передняя кромка прямая, задняя криволинейная. По плоскости симметрии от носа до кормы тянулся низкий киль, который служил обтекателем вала толкающего винта, чьи пропорции подходили скорее кораблям. К плавающей технике отсылала и конструкция хвостового оперения: винт окружал целый лес распорок, несших стабилизатор, отдельный от него руль высоты и навешенный позади руль направления. Элероны представляли собой откидные площадки на верхней поверхности крыла. Вместо стрингеров и лонжеронов – несколько стержневых ферм, роль нервюр играли перегородки, делившие корпус-крыло на отсеки.
Свободное пространство крыла автор предлагал наполнить гелием, как дирижабль – он даже назвал своё детище «дирижипланом». Важно понимать: крыло малого удлинения Снайдеру (как и ранее Черановскому) было нужно из соображений больших внутренних объёмов при компактных внешних габаритах. О его аэродинамических особенностях изобретатель не задумывался.
Первый пошёл!
В родном Саут Бенде (Индиана) Снайдер развёл кипучую экспериментальную деятельность. В испытательный стенд он превратил собственный автомобиль, устанавливая на его крыше модельки из бальсы; затем на помощь пришла лабораторная база местной высшей школы и Мичиганского университета. Ученики высшей школы Саут Бенда помогли и с постройкой экспериментального планёра. Тот имел вполне традиционную двухлонжеронную конструкцию из дерева и полотна, необычна разве что обшивка передней кромки прозрачным целлулоидом. Профиль тоже не домотканный, а распространённый в то время Clark Y. Длинные низкие кили-гребни тянулись вдоль всего крыла примерно на двух третьих его полуразмаха, спереди на них устанавливались элероны странной формы – две пары поверхностей, подобных по форме крылу. Позади килей располагались рули направления с роговой компенсацией, часть крыла между ними представляла собой большой руль высоты. Никакого несущего газа ни в этот, ни в последующие летательные аппараты Снайдера так и не закачали.
В 1932 г. планёр, впоследствии названный Arup S-1, был готов. Его предполагалось запускать буксировкой за автомобилем – впервые это случайно сделал местный полисмен. В менее курьёзных полётах «летающий каблук» испытывал лётчик Дуллитл – но не лихой авиагонщик Джеймс «Джимми» Дуллитл, а его двоюродный брат Глен. Экзотический аппарат привлёк внимание прессы и даже промышленника Винсента Бендикса, среди прочего, финансировавшего трансконтинентальные авиагонки. На страницах газет Снайдер мечтал о стометровых «каблуках», которые без посадки могли бы облететь вокруг света, но реальность оказалась прозаичнее.
49 раз поднявшись в небо, Дуллитл наглядно показал, что маленькое удлинение не мешает планёру вполне прилично летать. Окрылённый первыми успехами конструктор поставил на него мотоциклетный мотор в 26 л.с. И это превратило удачный аппарат в «тыкву»: мощность двигателя оказалась недостаточной, самолётик не мог толком разогнаться и набрать высоту, вяло слушался рулей. Летал он безаварийно, но стало ясно, что без профессионалов «стартапу» не обойтись.
Воздух вверх!
Снайдер основал компанию «Эрап» (Arup Manufacturing Corporation, от комбинации слов air и up) и привлёк в неё аэродинамика Рауля Хоффмана. Имя венгерского эмигранта было тогда на слуху: работая в компании Мэттью Лэрда, он создал спортивный самолёт «Супер Солюшн», который в 1931 г. выиграл соревнования на приз Бендикса (не стоит, впрочем, переоценивать это достижение – результаты американских авиагонок были в то время далеки от мировых рекордов). «Великая депрессия» сразу взяла новорождённую фирму за горло, и компаньоны задвинули в долгий ящик мечты о гигантских авиалайнерах, сосредоточившись на более приземлённом лёгком частном самолёте или, как их тогда нередко называли, «летающем автомобиле».
Америка переживала настоящий авиационный бум, аэродромы появлялись чуть ли не в каждом селе. Авиация общего назначения широко использовалась для перевозки почты и мелких грузов, сельхозработ, развлекательных полётов на авиашоу и катания всех желающих; многие частники, причём отнюдь не олигархи, покупали аэропланы не для бизнеса, а для себя – чтобы летать по делам или просто для удовольствия. Эта прорва авиаторов нуждалась в простых двух-трёхместных самолётиках. Требовалось от них не «быстрее, выше, дальше», а способность взлететь с любого «пятачка» и максимальная безопасность, нечувствительность к грубейшим ошибкам пилотирования – если самолёт по распространённости догонял автомобиль, то и число «обезьян с гранатой» в небе становилось сопоставимо с таковым на дорогах. «Парашютирующее» изобретение Снайдера как раз обладало необходимыми свойствами.
В апреле 1933 г. Arup S-2, управляемый Гленом Дуллитлом, отправился в первый полёт. От предшественника он сохранил лишь форму крыла. «Самолёт для всех» получил короткий фюзеляж с двухместной закрытой кабиной (по тем временам шик!), перед которой размещался 36-сильный четырёхцилиндровый оппозитный мотор «Континентал» А-40. Важным новшеством стал профиль крыла NACA M-6, спроектированный аэродинамиком Максом Мунком. Он имел S-образную форму средней линии со слегка отогнутой вверх задней кромкой, которая обеспечила самобалансировку бесхвостого летательного аппарата на положительных углах атаки.
Точка приложения подъёмной силы у такого профиля с ростом угла атаки смещается не вперёд, как обычно, а назад, что делает самолёт более устойчивым. Управление осуществлялось рулями на задней кромке, а также «плавающими» полукруглыми законцовками крыла – форма несущей поверхности обусловила их переднее расположение. Киль был один и получил классическую форму. Шасси тоже обычное для тех времён: основные стойки были пирамидальными, впоследствии им придали обтекаемое сечение, а неубирающиеся колёса прикрыли каплевидными колпаками. Их дополнял хвостовой костыль и противокапотажное колёсико под двигателем.
S-2 показал удивительные лётные качества: не срывался в штопор даже на углах атаки в 35°; максимальная скорость была невелика – 156 км/ч, зато и минимальная – всего 37 км/ч. Он совершил тур по Америке, участвовал в Национальных авиагонках, в Вашингтоне его демонстрировали представителям армии, флота, Управления гражданской авиации и Национального консультативного комитета по аэронавтике (NACA, предшественник NASA). Но клиентов у маленькой фирмы не находилась – их появлению не способствовала ни «великая депрессия», ни неказистый вид самолётика, ни отсутствие «продажников». Вдобавок у Хоффмана диагностировали туберкулёз, он вынужден был уйти из «Эрапа» и переехать на юга.
Впрочем, в Санкт-Питерсбурге (штат Флорида) Хоффман не скучал. Чикагский богатей Лесли Янгхазбанд заказал ему постройку самолёта.
Тот напоминал S-2, но чуть больших размеров и с рядным двигателем «Циррус» Mk.III в 85 л.с. В топливные баки можно было залить до 73 л бензина. Передняя кромка крыла получила небольшую стреловидность, что улучшило обзор из кабины. S-образный профиль NACA M-6 к законцовкам сменялся на симметричный NACA M-1. «Плавающие» законцовки продолжали контур крыла. Шасси с хвостовым колесом и пирамидальными основными стойками без обтекателей.
Посадочная скорость вышла побольше, чем у S-2, но всё равно «велосипедная» – 45 км/ч, а максимальная, благодаря довольно мощному мотору, достигла 217 км/ч. Самолёт Хоффмана вышел удачным, но всё перечеркнула трагическая случайность. В 1936 г. на малой высоте лопнула трубка бензопровода, и машина вспыхнула, как факел. 19-летний лётчик Сэм Хьюи покинул её, но раскрыть парашют уже не успел.
Отращивая хвост
Тем временем Снайдер нашёл замену экс-компаньону в лице Ральфа Гейгена, который принялся за проектирование S-3.
От S-2 он отличался крестообразным оперением со стабилизатором, который располагался прямо над крылом, и высоким шасси с очень редким в те времена с носовым колесом. Вместо «плавающих» законцовок для управления по крену применили элероны с «косой» осью.
Двигатель – 70-сильная «звезда» LeBlond 5DE. Достоинства прогрессивной схемы шасси реализованы не были: переднюю ногу сделали настолько длинной, что самолёт стоял на земле с задранным носом, как при хвостовом колесе, а аэродинамическое сопротивление громоздких стоек оказалось гораздо выше, чем у тогдашней «классики». Гейген явно уступал в квалификации Хоффману – это было заметно и по посредственной аэродинамике фюзеляжа, и по вдруг появившейся из-за ошибок при постройке большой V-образности крыла. 15 июля 1934 г. Дуллитл оторвал S-3 от взлётной полосы округа Сент-Джо, а вернувшись констатировал, что новинка не удалась. И тут начались странности. При осмотре перед вторым полётом механики обнаружили, что из крепежа проводки управления вынуты контровочные шплинты – кто-то хотел «уронить» и без того плохо летавшую машину. А вскоре ангар «Эрапа» сожгли вместе с самолётом – спасти удалось только мотор.
Снайдер выгнал Гейгена и возобновил сотрудничество с Хоффманом. Фирма стояла на грани разорения, и заказ от лётчика из Детройта был для неё чуть ли не последней соломинкой. S-4 отличался от S-3, главным образом, шасси с хвостовым костылём.
Нелепое оперение над крылом он сохранил, как и «косые» элероны, двигатель тоже достался «в наследство».
С грехом пополам самолёт построили, и 19 марта 1935 г. Дуллитл познакомил его с небом. Заказчик к тому времени разорился и не смог заплатить.
«Эрап» остался без средств к существованию, зато с двумя самолётами: S-2 и S-4. Те зарабатывали трудовую копейку развлечением зевак на авиационных праздниках и даже в роли летающих рекламных щитов. Так, S-4 длительное время был забрендирован в цвета торговой фирмы «Сирз». Уверенный в безопасности своих творений, Снайдер брал на борт даже собственных маленьких детей. S-2 в конце концов купил каскадёр Боузер Фрайкс, да и разбил его на одном из авиашоу. А Снайдер вернулся к врачебной практике, но уже вряд ли в минуты скуки жонглировал подпяточниками.
Каблуки без ортопеда
Восемнадцатилетний Милтон Хетфильд мечтал о небе, но денег на покупку самолёта у него не было. В 1927 г. он собрал по помойкам детали списанных «Дженни» – популярных тогда бипланов «Кёртис» JN-4 – и построил из них аэроплан с мотором от старого мотоцикла «Хендерсон».
Но отец запретил Милту подниматься в воздух на самоделке, пока тот хотя бы не пройдёт горнило авиашколы. Деньги на лётные курсы юному авиатору предстояло доставать самому. Хетфильд разобрал свой самолёт в надежде выручить что-нибудь с запчастей. Двигатель и шасси он отдал Снайдеру для модернизации S-1 в обмен на уроки пилотирования от Глена Дуллитла. Овладев лётным искусством на «нормальных» самолётах, Хетфильд приноровился и к «Эрапам», даже научил покупателя S-2 на нём летать. Когда Снайдер забросил авиабизнес, Милт пообещал продолжить его дело. Обещание он исполнил почти через полвека.
Милтон Хетфильд не снискал боевой или испытательской славы, но немало пилотов вспоминает его добрым словом. Почти всю свою карьеру он посвятил авиашколам и аэроклубам, возился с влюблёнными в небо подростками – такими же, каким в своё время был он сам. В 80-х годах лётчик, которому было уже под семьдесят, занялся-таки строительством «каблуков». Он сделал пять штук – первые два не слишком удались, зато остальные неплохо летали. «Маленькие птички» (little bird) представляли собой одноместные сверхлёгкие самолёты бесхвостой схемы. Форма крыла у них была не столь округлой, как у Снайдера, а ближе к трапеции с закруглёнными углами. Для самолётов любительской постройки эти машины оказались очень удачными. Милт Хетфильд умер в 1994 году, но его друзья и ученики сохраняют «Маленьких птичек», как память о беззаветно преданном небу человеке.
При всём уважении к Хетфильду, он всё-таки создавал авиетки для себя, «по фану». Соответственно, облик выбирался не из соображений коммерческой конкурентоспособности или боевой эффективности, как это делается в «серьёзном» авиастроении. Посему, вопрос о том, имели ли «Эрапы» перспективы практического применения, «птички» не закрывают. Снайдер был далеко не единственным, кто до войны занимался крыльями малого удлинения и формы крыльев разнились вслед за полётом фантазии авторов – круглые, квадратные, ромбовидные, параболические, треугольные... С началом реактивной эры окажется, что треугольное крыло малого удлинения идеально подходит для сверхзвуковых скоростей. Дозвуковые же самолёты при всём их разнообразии сталкивались с одной и той же проблемой — низким аэродинамическим качеством.
Этот недостаток — обратная сторона главного достоинства такого крыла. С его боковых сторон сходят мощные вихри, которые увеличивают энергию потока над верхней поверхностью, затягивая срыв — крыло продолжает «нести» на очень больших, недостижимых для обычных самолётов углах атаки, что обуславливает низкие скорости сваливания. Но на образование вихрей тратится прорва энергии, т.е. таким крыльям присуще большое индуктивное сопротивление. Чтобы иметь скорость как у обычного самолёта, «каблуку» понадобится более мощный мотор, а чтобы улететь на сопоставимую дальность – больше топлива. Практически одновременно с работами Снайдера в авиацию пришли предкрылки и закрылки, улучшившие несущие свойства «нормальных» крыльев на тех режимах, когда это нужно. Крылья малого удлинения на тогдашнем этапе развития авиации потеряли своё единственное преимущество.
Тем не менее, во время войны с идей авиатора-ортопеда сдула пыль корпорация «Боинг», задумавшая воплотить их в палубные истребители с коротким взлётом и посадкой.
Модель 390 проектировалась под звездообразный мотор «Пратт-Уитни» R-3350, а модель 391 – под R-4360, расчётная максимальная скорость у них достигала (по расчётам), соответственно 701 и 745 км/ч. Предварять их должен был легкомоторный демонстратор технологий – модель 396.
Внешний облик у всех трёх самолётов практически не отличался – это были «бесхвостки» с чётко выраженным фюзеляжем и однокилевым оперением. Крыло своей формой напоминало самолёт Хоффмана, но имело заметную V-образность. Управление предполагалось элевонами. Кабина была сильно выдвинута вперёд, а двигатель размещался за ней, как на «Аэрокобре», воздух к нему шёл через подфюзеляжный «ковш», каковой смотрелся бы уместнее под мотором водяного охлаждения. Проходящий сквозь кабину вал вращал соосные воздушные винты.
Проекты «Боинга» так и не вышли из «бумажной» стадии, причём вовсе не из-за своего нетрадиционного облика. Флот предпочёл им ещё более экзотический самолёт Чарльза Циммермана. Талантливый аэродинамик видел полёты S-2, но ещё до того дотошно исследовал характеристики крыльев малого удлинения. Он хорошо знал их проблемы, однако придумал удивительное решение, позволившее обратить недостатки таких крыльев в достоинства. Но это уже совсем другая история...
