Примечание: ЧД — число двигателей, MK — металлическая конструкция; СК — свободнонесущее крыло; НК — низкорасположенное крыло; ПМ — посадочная механизация; УШ — убираемое шасси. КД — закапотированный двигатель воздушного охлаждения ВИ — винт изменяемого шага; N — число пассажиров.
Как уже отмечалось, технические новшества впервые нашли практическое применение в гражданской авиации. В таблице 3.1 показана динамика нововведений. На основе этих данных можно выделить 3 этапа в развитии модернизированных пассажирских самолетов (до середины 30-х годов):
— конец 20-х годов-1932 г, — создание одномоторных скоростных самолетов- монопланов с частичным использованием изобретений, направленных на улучшение обтекаемости летательных аппаратов;
— 1933–1934 гг. — появление двухмоторных пассажирских скоростных самолетов. В конструкции большинства из них применены все описанные выше технические изобретения;
— 1934–1935 гг. — создание двухмоторных пассажирских самолетов с повышенной пассажировместимостью.
Рассмотрим подробнее каждый из этих этапов.
Инициатором постройки первых хорошо обтекаемых коммерческих самолетов был молодой американский конструктор Д. Нортроп. В 20-е годы Нортроп работал в мало кому известной тогда авиастроительной фирме Локхид. По собственной инициативе он начал проектировать почтово-пассажирский самолет «Вега» с только что появившимся двигателем воздушного охлаждения Пратт-Уитни «Уосп» мощностью 420 л.с. В 1927 г., состоялся первый полет этого самолета.
Локхид «Вега» представлял собой деревянный свободнонесущий моноплан с верхнерасположенным крылом. От других гражданских самолетов тою времени он отличался гладкой работающей обшивкой и хорошо обтекаемым фюзеляжем цилиндрической формы. Фюзеляж имел полумонококовую конструкцию и был выполнен из нескольких слоев фанеры, склеенных друг с другом под большим давлением.
Не закрытый капотом двигатель, неубираемое шасси, отсутствие посадочной механизации не позволяют отнести Локхид «Вега» к классу пассажирских машин нового поколения. Тем не менее, благодаря хорошему двигателю и обтекаемым формам фюзеляжа, скорость этого самолета была примерно на 50 км/ч больше, чем у других коммерческих самолетов второй половины 20-х годов. Не случайно он получил название «Воздушный экспресс». Самолет мог перевозить 5 человек на расстояние окаю 1000 км с крейсерской скоростью 243 км/ч.
В 1929 г. фирма Локхид выпустила вариант «Вега» 5С (рис. 3.1.), который ознаменовал собой новый шаг в развитии аэродинамически совершенного самолета. На этой машине впервые применили капот NACA, позволивший значительно уменьшить аэродинамическое сопротивление звездообразного двигателя воздушного охлаждения. Уменьшению лобового сопротивления содействовали также обтекатели колес шасси, форма которых, как и форма капота, была выбрана на основе аэродинамических исследований в NACA. В результате указанных мер «Вега» 5С развивала на 30 км/ч большую скорость, чем «Вега» образца 1927 г. Это был первый пассажирский самолет, способный летать со скоростью более 300 км/ч. Коэффициент лобового сопротивления «Веги» 5С равнялся 0.0278, а максимальное аэродинамическое качество составляло 11,4 — величина, мало отличающаяся от аэродинамических параметров современных самолетов с неубираемым шасси [1, с. 83].
Высокие летные характеристики самолета Локхид «Вега» 5С продемонстрировали авиационные перелеты. В 1931 г. летчик В. Пост и штурман Г. Гэтти облетели на «Веге» вокруг земного шара за 8 дней 15 часов и 51 минуту, установив новый рекорд скорости. Через два года В. Пост на том же самолете в одиночку выполнил кругосветный перелет, на этот раз за 7 дней 18 часов 49 минут. В 1932 г. американская летчица Э. Эрхарт пересекла на «Веге» Атлантический океан во время полета из США в Европу и стала первой женщиной, повторившей достижение знаменитого Ч. Линдберга [2, с. 609].
Рис. 3.1. Локхид «Вега» 5С
Дальние перелеты принесли самолету известность. Локхид «Вега» стал применяться для перевозок пассажиров на внутренних американских авиалиниях. Он брал на борт 6 человек и мог перевозить их на расстояние 890 км с невиданной по тем временам скоростью.
Между тем Д. Нортроп основал самостоятельную самолетостроительную фирму и занялся проектированием скоростных самолетов-монопланов. В 1930 г. появился самолет Нортроп «Альфа», предназначенный для перевозки пассажиров и почты (рис. 3.2). Он имел два важных усовершенствования по сравнению с описанными выше самолетами марки «Вега». Это, во-первых, цельнометаллическая конструкция с работающей обшивкой. Как известно, в 30-е годы металлическое самолетостроение почти полностью вытеснило деревянное. На смену тихоходным металлическим самолетам с гофрированной обшивкой пришли скоростные монопланы с гладкой работающей обшивкой, имеющие намного меньшее лобовое сопротивление. Нортроп «Альфа» стал первым в ряду этих машин.
Рис. 3.2. Нортроп «Альфа» и Лзрокосмическом музее (Вашингтон)
Во-вторых, в отличие от «Веги» и большинства других самолетов-монопланов того времени, «Альфа» имела низкорасположенное крыло. С появлением на самолетах убираемого шасси такая схема стала общепринятой, т. к. убирать стойки и колеса в крыло было проще, чем в фюзеляж. Правда. Нортроп «Альфа» имел неубирающееся шасси, поэтому не вполне ясно, чем обосновывался выбор низкопланной схемы в данном случае. Можно предположить, что эта компоновка была принята Нортропом в предвидении перехода в ближайшем будущем к убирающимся в полете колесам.
Применение низкорасположенного крыла в сочетании с монококовым фюзеляжем вызвало новую проблему: изменение характера обтекания в месте сочленения горизонтальной и цилиндрической поверхностей приводило к росту так называемого сопротивления интерференции — аэродинамического сопротивления, вызванного взаимовлиянием обтекаемых частей. Для устранения этого недостатка Нортроп использовал специальные поверхности — «наплывы», закрывающие ту часть у корня крыла, которая являлась источником дополнительного сопротивления. Форма наплывов была разработана на основе экспериментов в Калифорнийском технологическом институте [3, с. 64]. С этого времени наплывы в месте соединения крыла и фюзеляжа стали применяться на всех самолетах-низкопланах с фюзеляжем овальной формы.
Наряду с прогрессивными конструктивными особенностями самолет Д. Нортропа имел неубирающееся шасси, открытую кабину пилота, слишком малую нагрузку на крыло. В результате при одинаковых двигателях он заметно уступал по скорости самолету «Вега» 5С. Поэтому Норгроп «Альфа» имел меньшее распространение, чем первые скоростные монопланы фирмы Локхид. Было выпущено только несколько самолетов, которые использовали для перевозки почты, реже — для пассажирских перевозок.
В 1933 г. Нортроп создал усовершенствованный вариант («Дельта») с более мощным двигателем, обтекателями колес шасси, закрытой кабиной пилота и закрылками на крыле. Благодаря этим мерам скорость самолета возросла на 70 км/ч. Самолет мог брать на борт 6 пассажиров. Построенный в 32 экземплярах, он некоторое время применялся на линиях авиакомпаний Пан-Америкен и TWA [2, с. 713].
Третьей американской фирмой, включившейся в создание скоростных самолетов- монопланов, была фирма Боинг. В 1930 г. она произвела почтово-пассажирский одномоторный самолет «Мономейл». Как уже отмечалось, это был первый коммерческий самолет с убирающимся шасси. Таким образом, этот самолет воплощал в себе все технические новшества кроме посадочной механизации крыла и винта изменяемого шага. Однако именно из-за отсутствия закрылков и ВИШ самолет оказался не очень удачным и не пошел в серию. Сравнительно небольшая нагрузка на крыло не позволила использовать все достоинства аэродинамической схемы[17]. Следует также сказать, что в отличие от других описанных здесь машин, двигатель самолета был закрыт кольцом Тауненда, являвшимся, как известно, менее совершенным типом обтекателя, чем капот NACA. При испытаниях максимальная скорость «Мономейла» составила всего 254 км/ч.
17
Как показано в диссертации М. А. Левина [4], для каждого самолета имеется своя оптимальная, с точки зрения скоростных качеств, нагрузка на крыло, Для самолетов, аэродинамическая схема которых соответствует скорости полета 300–350 км/ч, оптимальная нагрузка на крыло составляет примерно 200 м. У Боинга «Мономейл» этот параметр был в 3 раза меньше.