Летательные аппараты нетрадиционных схем

Глава 10 Би-монопланы

На протяжении многих лет некоторые из хорошо зарекомендовавших себя самолетов прошли через ряд усовершенствований, нацеленных на то, чтобы придать самолету те или иные качества. В ходе этого процесса нередко создавались по-настоящему новаторские модели. Однако чаще всего базовая конструкция фюзеляжа, оперения и шасси, равно как и двигатель, оставались неизменными. Наиболее существенные изменения, как правило, вносились в конструкцию крыла. Иногда самолеты, построенные по схеме моноплана, с целью получения дополнительной подъемной силы или маневренности, получали второе крыло и становились бипланами. В других случаях хорошо проверенные бипланные самолеты модифицировались в монопланы, обычно для увеличения максимальной скорости полета. В любом случае внесенные изменения обычно приводили к появлению новых моделей самолетов, несмотря на то, что эти машины имели много общего со своими предшественниками.

В нескольких случаях, которых, правда, не так уж много, были созданы самолеты, способные летать как монопланы либо как бипланы в соответствии с требованиями данного момента. Большинство из них проектировалось как монопланы, оснащенные средствами установки второго крыла. При создании таких машин особое внимание следует уделять тому, чтобы центры давления на крыльях находились максимально близко к линии центра масс для обеспечения необходимой балансировки вне зависимости от того, установлено одно крыло или два. В рассматриваемых конструкциях дополнительное крыло редко имело такие же размеры, как и основное, поэтому общая площадь крыльев увеличивалась менее чем в два раза.

Хотя все описанные в данной главе самолеты летали, степень их универсальности обычно не соответствовала ожиданиям, и ни один из них не вышел за пределы стадии создания опытного образца и его испытаний.

Другим подходом к созданию би-монопланов является использование двух совершенно различных комплектов крыльев вместо установки дополнительного крыла. Такой подход позволяет более свободно выбирать место для установки каждого из комплектов крыльев и существеннее изменяет облик самолета. Единственный из известных к настоящему времени би-монопланов такого типа это любительский самолет автора «Флай Бэби».

В настоящей главе описаны наиболее известные самолеты би-монопланы, а также несколько менее известных конструкций, созданных для решения специальных задач.

Одним из первых самолетов, который начинал летать в качестве моноплана, а закончил свою карьеру как биплан, был гоночный самолет «Тексас Уайлдкэт», построенный фирмой «Кертисс» по заказу богатого техасца С. Кокса. Этот самолет (как и его «брат» «Кактус Киттен») представлял Соединенные Штаты в гонках на приз Гордона Беннета 1920 г., которые проводились во Франции. Оба этих самолета отличались рядом передовых для своего времени технических решений, наиболее примечательным из которых было использование закрытой кабины (фонарь кабины откатывался назад по рельсовым направляющим). Начиная с 1930-х гг. такое техническое решение стало стандартным для гоночных и боевых самолетов. Подкосы крыла в своей нижней части крепились к осям шасси, а амортизаторы были встроены в колеса (рис. 10.1).

Рис. 10.1. Американский участник гонок 1920 г. на приз Гордона Беннета моноплан «Уайлдкэт» фирмы «Кертисс».

Проектирование и постройка этих гоночных самолетов с двигателями мощностью 400 л.с. (294 кВт) проводились в крайне сжатые сроки, как это часто бывает при создании гоночных машин, поэтому недостаточное количество испытаний обусловило ряд конструктивных недостатков. До гонок в США летал только самолет «Тексас Уайлдкэт», причем эти полеты выполнялись лишь с экспериментальным крылом большой площади. С этим крылом максимальная скорость самолета составляла 295 км/ч, и конструкторы ожидали, что со штатным «быстрым» крылом самолет достигнет скорости ~ 345 км/ч.

Когда перед гонками, уже во Франции, самолет был испытан со своим штатным крылом, оказалось, что в такой конфигурации он практически неуправляем. После этого проектная группа Кертисса спроектировала нижнее крыло и в срочном порядке изготовила это крыло на расположенном неподалеку авиационном заводе «Моран-Сольнье» (рис. 10.2).

Рис. 10.2. Модификация моноплана «Тексас Уайлдкэт» с оптимальными крыльями.

После проверок летчик фирмы «Кертисс» Роланд Рольфе выполнил короткий перелет в район проведения гонок, но при взлете повредил колеса шасси. При посадке колесо разрушилось, самолет перевернулся и получил повреждения, которые невозможно было устранить без капитального ремонта. Забавно, что «Уайлдкэт» мог вполне успешно выступить и со своим исходным, «медленным» крылом — рекордная скорость для этой гонки составила всего 270 км/ч.

Другой самолет — «Кактус Киттенн» принял участия в гонках во Франции, так как недостаток времени не позволил достроить еще одно нижнее крыло для него. Этот самолет был подготовлен для участия в проводимых гонках на приз Пулитцера в США в 1921 г. Самолет был оснащен тремя крыльями. Максимальная скорость полета составила 274 км/ч, что позволило самолету занять второе место в гонках и стать самым скоростным в мире трипланом (рис. 10.3).

Рис. 10.3. Триплан «Кактус Киттен», близкий по конструкции к «Тексас Уайлдкэт»

В 1922 г. на заводе фирмы «Юнкерс» в Дессау был создан уникальный расчалочный моноплан спортивного типа Г-19. Самолет оснащался английским радиальным двигателем фирмы «Армстронг-Сиддли» мощностью 80 л.с. (58,8 кВт). Этот самолет не имел большого коммерческого успеха в условиях послевоенной депрессии. Аналогичная модель Т-23 с двигателем «Ле Рон» мощностью 80 л.с. была создана в 1923 г., но этот самолет уже обладал новой конструктивной особенностью он оснащался нижним крылом, которое делало его бипланом. В варианте моноплана этот самолет имел обозначение Т-23Е, а в варианте биплана T-23ED. Так как крылья этого самолета выполнялись по свободнонесущей схеме, установка дополнительных силовых элементов, связывающих верхнее и нижнее крылья не требовалась; всего лишь два подкоса связывали крылья в районе законцовок. Эта концепция не была достаточно популярной в те годы, и был построен только один такой самолет.

Надо отмстить, что Юнкерс не оставил эту идею и в 1925 г. создал еще один самолет такого же типа Т-26. Конструкция планера была очень близкой к Т-19 и Т-23, а вот двигатель был заменен другим L-la рядным шестицилиндровым двигателем фирмы «Юнкерс» мощностью 80 л.с. Именно различие в силовой установке объясняет тог факт, что эти самолеты, имеющие практически одинаковые планеры, получили разные названия (рис. 10.4, 10.5).

Рис. 10.4. Немецкий самолет «Юнкерс» Т-26 (монопланная модификация «Е»).

Рис. 10.5. Немецкий самолет «Юнкерс» Т-26 в бипланной модификации «D».

Был построен только один такой самолет.

В начале 1920-х гг. фирма «Фоккер эркраф!» являлась ведущей в Европе фирмой по производству однодвигательных транспортных самолетов (в это время Фоккер вернулся в свою родную Голландию, после того как в ходе первой мировой войны он строил боевые самолеты в Германии).

Транспортные самолеты Фоккера представляли собой, как правило, монопланные конструкции, причем следует сказать, что в то время для самолетов такого назначения оптимальной схемой считалась бипланная. Транспортные монопланы Фоккера сталкивались с рядом эксплуатационных ограничений, поэтому он в 1922 г. разработал модель F-V восьмиместный расчалочный моноплан, оборудованный средствами для установки нижнего крыла (рис. 10.6, 10.7).

Рис. 10.6. Монопланная модификация самолета «Фоккер F-V» (1922 г.)

Рис. 10.7. Самолет «Фоккер F-V» с дополнительным нижним крылом.

Крылья самолета были построены по свободнонесущей схеме (так же, как и у Юнкерса), и необходимость добавления традиционных для бипланов расчалок отсутствовала. (На деле именно опыт военного времени в фирме «Юнкерс» и вдохновил Фоккера на создание в основном свободнонесущих монопланов.) Самолет оснащался английским двигателем «Игл» мощностью 360 л.с. (264,4 кВт) фирмы «Роллс-Ройс».

Размах монопланного крыла составлял 16 м при площади крыла 44,6 м². Нижнее крыло добавляло еще 24,2 м² площади. Крейсерская скорость самолета в варианте моноплана составляла 190 км/ч, а в варианте биплана — 180 км/ч. Полезная нагрузка самолета-биплана равнялась 1200 кг, а моноплана 910 кг.

Самолет «Фоккер F-V» был весьма эффективным в обоих вариантах, но не настолько, чтобы обеспечить получение крупных заказов. Единственный из построенных образцов самолета был продан в Россию, где он (в конфигурации биплана) эксплуатировался авиатранспортным предприятием.

ВМС США проявляли повышенную осторожность в использовании монопланных истребителей со своих авианосцев на протяжении нескольких лет после того, как военно-воздушные силы уже полностью вступили в эру самолетов-монопланов. Основным соображением, по которому военно-морские силы занимали такую позицию, являлись большая посадочная скорость самолетов-монопланов и большая взлетная дистанция, что делало их менее подходящими для применения с авианосцев.

В декабре 1933 г. фирма «Кертисс» осуществила облет нового экспериментального истребителя XF-13C-1, построенного по контракту ВМС (рис. 10.8).

Рис. 10.8. Моноплан XF-13C-1 фирмы «Кертисс» — самолет морской авиации США.

Расчеты показали, что посадочная скорость этого истребителя будет слишком высока для того, чтобы удовлетворить требованиям ВМС, поэтому было спроектировано нижнее крыло и разработана схема установки сто на самолет. Этот биплан (точнее, полутораплан, так как площадь нижнего крыла была меньше половины верхнего) получил обозначение XF-13C-2. Так как самолет в варианте моноплана строился по расчалочной схеме, при его модификации в биплан было необходимо удалить подкосы монопланного крыла и заменить их на расчалки, характерные для традиционных бипланов. Вследствие этого переоборудование самолета в биплан невозможно было осуществить столь быстро, как на самолетах Юнкерса и Фоккера (рис. 10.9).

Рис. 10.9. Биплан XF-13C-2.

Размах верхнего крыла составлял 10,7 м при площади 19 м. Размах нижнего крыла равнялся 7,4 м при площади 7,2 м².

Первый из построенных самолетов этого типа был монопланом, но первый полет был выполнен в конфигурации биплана. Полученные летные характеристики были неудовлетворительными, что вполне можно было ожидать от самолета, проектировавшегося таким образом. Максимальная скорость биплана, оснащенного двигателем R-1510 мощностью 700 л.с. (514,5 кВт) фирмы «Райт», составляла всего лишь 338 км/ч на высоте 3000 м. Данные о посадочной скорости самолета отсутствуют. В варианте моноплана скорость самолета на высоте 3000 м составляла лишь 390 км/ч (при взлетной массе 1878 кг).

После проведения дальнейших доработок самолет получил обозначение XF-13C-3 и в варианте моноплана проходил дальнейшие летные испытания; тем не менее ВМС США отказались принять его на вооружение. Отметим, что ВМС США так и не приняли на вооружение ни одного палубного моноплана вплоть до 1939 г.

Вторая мировая война вызвала к жизни различные специализированные самолеты, которые, возможно, в мирное время не рассматривались бы даже на уровне проектов. Одним из таких самолетов был английский би-моноплан Хиллсона, созданный в 1941 г. Уникальной особенностью этого самолета являлось то, что его предполагалось использовать как моноплан и биплан в процессе одного полета.

Создатели этого самолета стремились обеспечить одновременно короткий взлет, высокие характеристики набора высоты, характерные для биплана, и большую максимальную скорость моноплана. Преимущества, даваемые совмещением всех этих возможностей в одном истребителе-перехватчике, были очевидными, но техническая реализация при том уровне техники должна была потребовать продолжительного по времени этапа исследовательских и проектно-конструкторских работ.

Самолет Хиллсона не проектировался как специализированный перехватчик; главной целью являлась проверка концепции на натурном образце, оснащенном маломощной силовой установкой. Этот низкоплан монопланной схемы был построен как малоразмерный, но оснащался всеми необходимыми системами и в общих чертах был похож на истребители того времени (рис. 10.10).

Рис. 10.10. Британский самолет «Би-Моно» фирмы «Хиллсон» (1941 г.) в варианте свободнонесущего моноплана низкопланной схемы.

С целью реализации достоинств биплана на верхнюю часть фонаря кабины экипажа устанавливалось свободнонесущее верхнее крыло (размах 9,15 м) без элеронов. Для повышения жесткости конструкции крыло дополнительно крепилось при помощи пары коротких подкосов с каждой стороны фюзеляжа (рис. 10.11).

Рис. 10.11. Экспериментальный самолет фирмы «Хиллсон» в варианте биплана.

После взлета и набора высоты верхнее крыло отстреливалось, и самолет продолжал полет как скоростной моноплан.

Результаты испытаний показали, что улучшение характеристик достаточно велико для того, чтобы стоило заниматься созданием реального истребителя. Однако верхнее крыло самолета превращалось в расходуемый материал при выполнении каждого полета, что, впрочем, в условиях военного времени может быть вполне оправдано.

Обнадеживающие результаты испытаний би-моноплана Хиллсона привели к тому, что было принято решение попробовать реализовать эту идею на каком-нибудь положительно зарекомендовавшем себя истребителе. Для усовершенствования был выбран самолет «Харриксйн I» фирмы «Хоукер», который использовался в Канаде, а затем был возвращен в Англию. «Харрикейн», оснащенный силовой установкой мощностью 1025 л.с. (753,4 кВт) и обладавший максимальной скоростью 523 км/ч, совершил первые полеты в ноябре 1935 г., а в 1940 г был главным истребителем ПВО Великобритании, отражавшим нападения фашистской авиации. Самолеты этого типа, несмотря на появление новых моделей истребителей, строились в усовершенствованных вариантах с силовой установкой мощностью 1280 л.с. (948 кВт) вплоть до сентября 1944 г.

Для «Харрикейна» было изготовлено верхнее крыло, такое же, как нижнее. Это крыло было установлено на подкосах непосредственно над штатным крылом для исключения возможных проблем с балансировкой самолета (рис. 10.12).

Рис. 10.12. Стандартный истребитель «Харрикейн» с дополнительным верхним отстреливающимся крылом, предназначенным для повышения скороподъемности самолета.

Это крыло находилось довольно высоко над кабиной по двум причинам: во-первых, для того, чтобы летчик мог свободно забираться в кабину и выхолить на нес, а во-вторых, для обеспечения близкого к оптимальному отношения расстояния между крыльями к хорде крыла. (Если крылья биплана расположены слишком близко друг к другу, происходит существенное снижение аэродинамического качества самолета. Вот почему у большинства бипланов расстояние между крыльями обычно превосходит величину хорды крыла.)

«Харрикейн I» с отстреливающимся крылом был испытан, но, по-видимому, результаты испытаний не дали достаточных оснований для организации серийного производства таких машин. Несмотря на свою нетрадиционность, этот самолет привлек мало внимания со стороны многочисленных историков авиации, описывавших знаменитый «Харрикейн».

Когда я проектировал любительский самолет «Флай Бэби», я исходил из несколько необычного подхода к использованию одного и того же самолета в качестве как биплана, так и моноплана. С самого начала я предполагал, что этот самолет будет летать в двух модификациях, но стремился сделать это не за счет простого дополнения второго крыла к моноплану.

«Флай Бэби» выполнил первый полет в 1960 году. Этот самолет оснащался двигателем мощностью 65–85 л.с. (48–62 кВт) и представлял собой традиционный одноместный низкоплан монопланной схемы (рис. 10.13).

Рис. 10.13. Сконструированный автором этой книги самолет «Флай Бэби» в стандартной монопланной конфигурации.

Летательный аппарат создавался для участия в конкурсе 1959–1960 гг., проводимом Ассоциацией конструкторов экспериментальных самолетов. Однако проведение этого конкурса было отложено до 1962 г. из-за недостатка участников. В 1962 г. «Флай Бэби» стал победителем этого конкурса. Установка второго крыла к низкоплану монопланной схемы с прямыми крыльями создает несколько проблем. Одна из них состоит в том, что если верхнее крыло меньше нижнего, то это не соответствует теории биплана; в то же время вовсе не обязательно удваивать площадь исходного крыла, устанавливая эквивалентное второе крыло. Во-вторых, верхнее крыло должно располагаться непосредственно над нижним для сохранения расчетной балансировки самолета. Так как летчик в самолете «Флай Бэби» располагался непосредственно в центре масс самолета и близко к середине крыла, установка над летчиком верхнего крыла из-за малых размеров самолета сделала бы невозможными посадку летчика в кабину и выход из нее.

Поэтому необходимо было сдвинуть вперед центральную часть верхнего крыла с тем, чтобы обеспечить удобство размещения летчика. Проблема состояла в том, чтобы, сдвигая вперед крыло, сместить туда же и центр приложения подъемной силы. Существующий центр масс самолета оказывался слишком далеко позади нового центра приложения подъемной силы, что недопустимо из соображений устойчивости.

Для решения этой проблемы было использовано одно из давно известных конструкторских ухищрений увеличение угла стреловидности консолей, что позволяет вернуть точку приложения подъемной силы ближе к центру масс. Так как к тому времени уже было решено, что верхнее крыло будет отличаться по размерам от нижнего, пришла мысль сделать комплект крыльев полностью взаимозаменяемым. Вследствие этого «Флай Бэби» в бипланной модификации выглядит как специально спроектированный биплан, а не как некая адаптация моноплана.

Поскольку верхнее крыло находилось несколько впереди, для желаемого возврата точки приложения подъемной силы путем изменения лишь конфигурации этой поверхности потребовалась довольно большая стреловидность верхнего крыла. Поэтому оба крыла биплана выполнены стреловидными (10°), и бипланный вариант «Флай Бэби» стал очень похожим па классические бипланы (рис. 10.14) — английский «Тайгер Мот» фирмы «Де Хевиленд» и германский «Букер Юнгман». Так как оба комплекта крыльев крепятся с помощью расчалок, требовались два комплекта этих конструктивных элементов.

Рис. 10.14. «Флай Бэби» в бипланном варианте. Отметим одинаковый угол стреловидности верхнего и нижнего крыльев.

Поскольку рассматриваемый самолет не продемонстрировал заметных выгод в отношении летно-технических характеристик, естественным вопросом к его конструктору мог бы стать вопрос типа: «Для чего все эти усилия?». На мой взгляд, ответ довольно прост: «В любительской авиации многие летчики просто любят бипланы больше, чем монопланы».

В целях придания обычным серийным самолетам тех или иных специальных функций они часто модифицируются. В большинстве случаев эти модификации являются в определенной степени компромиссом между условиями стандартной летной годности, по которым эксплуатируются серийно выпускаемые самолеты, и положениями, определяющими правила выполнения полетов на экспериментальных самолетах или машинах опытного применения.

Примерно такая история произошла со связным самолетом ВВС США времен второй мировой войны двухместным самолетом «Стинсон» L-5 с двигателем мощностью 185 л.с. (136 кВт). Большое количество этих самолетов после войны было куплено частными лицами и использовалось в своей исходной конфигурации либо в качестве специальных (в частности, сельскохозяйственных) самолетов. Введенные усовершенствования, изменившие в значительной степени их облик, а также эксплуатация в перегруженном варианте привели к тому, что применение этих самолетов стало подпадать под правила выполнения полетов на опытных машинах.

Достаточно просто было установить распылители и дополнительные баки на самолеты L-5 сельскохозяйственной модификации (рис. 10.15), но двигатель «Лайкоминг» мощностью 185 л.с. под довольно плотным обтекателем не очень хорошо подходил для выполнения функций двигателя такого самолета.

Рис 10.15. Моноплан «Стинсон» L-5 (из военных запасов времен второй мировой войны) в стандартной конфигурации с устройствами для распыления химикатов.

Стремление обеспечить большую полезную нагрузку и меньшую скорость полета привело к тому, что на некоторых L-5 были установлены радиальные двигатели «Континенталь» мощностью 220 л.с. (162 кВт) из военных запасов. На этих сельскохозяйственных самолетах была увеличена площадь законцовок крыла, которым была придана квадратная (в плане) форма. На некоторых самолетах этого типа устанавливалось нижнее крыло (рис. 10.16).

Рис. 10.16. «Стинсон» L-5 в варианте биплана с увеличенными законцовками верхнего крыла и двигателем мощностью 220 л. с (вместо исходного двигателя мощностью 185 л. с.).

Так как на самолете были сохранены характерные для монопланов подкосы, переделка самолет а была в значительной степени естественна, и бипланный L-5 мог быть снова переоборудован в моноплан. Именно поэтому мы и включили описание самолета L-5 в настоящую главу.

Еще одним примером переоборудования стандартного моноплана в специальный биплан является предпринятая летчиком Клиффом Уинтерсом переделка тренировочного самолета РТ-22 фирмы «Райан» (также из военных запасов периода второй мировой войны).

Серийный РТ-22 представлял собой низкоплан расчалочной схемы. Расчалки, зафиксированные на узлах верхних и нижних поверхностей крыла, соединялись силовыми элементами с конструкцией фюзеляжа и шасси (рис. 10.17).

Рис. 10.17. Самолет РТ-22 для начальной подготовки летчиков ВВС США времен второй мировой войны.

В процессе переоборудования этого самолета в биплан Уинтерс уменьшил размах стандартных для РТ-22 крыльев, закрепил верхние консоли на специально установленных на фюзеляже подкосах и заменил радиальный двигатель «Киннер» мощностью 160 л.с. (117,6 кВт) на двигатель «Континенталь» мощностью 220 л.с. (161,7 кВт). Этот самолет показан на рис. 10.18.

Рис. 10.18. Самолет РТ-22, переоборудованный в биплан летчиком Клиффом Уинтерсом.

В бипланном варианте этот самолет, который получил название «Уинтерс спешл», требовал установки между крыльями обычной для бипланов системы расчалок. Так как исходная система расчалок самолета с креплением нижних расчалок на шасси уже не могла быть использована, необходимо было принять, специальные меры по усилению конструкции шасси. Это может служить классическим примером того, что на самолете редко удается внести какое-либо конструктивное изменение, которое не повлекло бы за собой целого ряда других изменений.

Карьера этого самолета продолжалась недолго. В ходе одного из полетов «Уинтерс» выполнял стандартный для воздушных представлений маневр - «бочку» непосредственно после взлета. Летчику не удалось полностью выполнить маневр, самолет перевернулся и упал на ВПП. Летчик в катастрофе погиб.

В отличие от более распространенной практики переоборудования существующего моноплана в биплан созданный в 1930 г. фирмой «Кертисс» самолет XF6C-6 был спроектирован на базе стандартного бипланного истребителя ВМС США F6C6-3 «Хоук» (рис. 10.19).

Рис. 10.19. Стандартный палубный истребитель ВВС США F6C-3 «Хоук» фирмы «Кертисс» (1926–1930 гг.).

Этот самолет предназначался для участия в национальных воздушных гонках 1930 г. Самолет выступил неудачно, что ознаменовало конец участия американских военных самолетов в гражданских авиационных гонках.

В процессе разработки самолет претерпел два главных изменения: было удалено нижнее крыло, а верхнее крыло было смещено несколько назад для сохранения исходной балансировки (рис. 10.20).

Рис. 10.20. Гоночный моноплан XF6C-6 (1930 г.), созданный на базе биплана F6C-3.

Кроме того, стандартный двигатель V-1150 (D-12) мощностью 435 л.с. (320 кВт) фирмы «Кертисс» был заменен специально изготовленным этой же фирмой двигателем V-1570 «Конкерор» с номинальной мощностью 600 л.с. (441 кВт) и форсированной мощностью более 770 л.с. (566 кВт). К другим изменениям относятся новая конструкция шасси и замена подфюзеляжного радиатора поверхностными, устанавливавшимися на верхней и нижней консолях (типа тех, которые непродолжительное время использовались на гоночных самолетах фирмы «Кертисс» и истребителе этой же фирмы PW-8 начала 1920-х гг.).

Этот самолет пилотировал капитан военно-морских сил США Артур Пейдж, за что XF6C-6 прозван морским гоночным самолетом Пейджа.

XF6C-6 успешно выступал в гонках и лидировал, показав рекордную скорость 352 км/ч, однако капитан Пейдж потерял сознание из-за чрезмерной концентрации в кабине угарного газа и разбился.