Начиная с 1932 г. авиаконструктор Петр Дмитриевич Грушин создал несколько самолетов по схеме тандем — с крыльями, установленными одно за другим. (Такие самолеты делали и раньше, только крылья были либо на одном уровне, либо переднее выше заднего. Летали они плохо.) В 1938 г. Грушин применил короткое крыло небольшой площади спереди и большое горизонтальное хвостовое оперение, составлявшее 45 % от площади крыла (рис. 1).
Рис. 1
Получился очень удачный бомбардировщик. Поскольку переднее крыло было ниже заднего, оба крыла стали работать лучше, чем работало бы каждое в отдельности. При этом общая площадь крыльев этого самолета была в два раза меньше, чем это требовалось для самолета того же веса.
Машина была очень устойчива, прекрасно управлялась и не имела склонности сваливаться в штопор. Особенно легко на ней удавалась посадка. (Любопытно, что самолет такой схемы попал даже в научно-фантастический роман А.Казанцева «Пылающий остров». На нем советский летчик, герой романа, совершал кругосветный перелет.) Однако пустить в массовое производство столь необычную машину так и не решились.
Между тем, как показывали эксперименты А.С.Чаплыгина, проведенные еще в 1914 году, не только пары, но целые решетки, составленные из отдельных крыльев (профилей) со сдвигом каждого верхнего крыла назад относительно нижнего, значительно улучшают аэродинамическое качество.
Происходящие здесь процессы весьма сложны. Потому опишем их лишь в общих чертах.
У одиночного крыла часто наблюдается образование вихрей и срыв потока. Это резко увеличивает его сопротивление. В решетке же этого не происходит. Верхнее крыло, несколько сдвинутое назад, прижимает к нижнему поток, мешает образованию вихрей, чем и снижает сопротивление.
Кроме того, в щелях между крыльев увеличивается скорость потока. При этом нижнее крыло, воздействуя на верхнее, создает как бы экранный эффект. Это дополнительно увеличивает его подъемную силу. Есть у решетчатых крыльев и полезная особенность в поведении.
Подъемная сила любого крыла возрастает с увеличением угла атаки. Этим летчики пользуются при заходе на посадку, когда скорость мала и обычное крыло плохо работает. Но стоит превысить определенное значение угла атаки (10–15°), как подъемная сила резко падает, а сопротивление возрастает. Самолет мгновенно теряет скорость и высоту. Это одна из главных причин аварий при посадке.
У решетчатого крыла это явление наступает лишь при углах более 45°. Самолет с решетчатым крылом сможет посадить начинающий пилот или даже автомат. Для него будет безопасен полет в бурю или через грозовые облака.
Опыт создания удачных самолетов с таким крылом уже есть. На рисунке 2 изображен самолет «Жирная пчела — 2» Роберта Старра с решетчатым крылом из трех элементов.
Рис. 2
Он занесен в Книгу рекордов Гиннесса в 1988 году как самый маленький в мире пилотируемый самолет с размахом крыльев всего 1,5 м. Этот самолет неоднократно летал на международных авиасалонах и в настоящий момент находится в музее авиации в Аризоне.
«Жирная пчела — 2» противоречит общепринятому мнению о невозможности создания пилотируемых самолетов с таким коротким крылом и подтверждает эффективность решетчатой несущей системы с обратным выносом.
В нашей стране большую работу по решетчатым крыльям, начиная с военных лет, вел профессор С.М. Белоцерковский. Ему и его коллегам удалось создать конструкцию решетчатого крыла, которая в десять раз легче такого же по несущей способности крыла обычного типа. Они создали решетчатые крылья, работающие при скоростях, вчетверо превышающих скорость звука. Но это все были эксперименты.
С появлением быстродействующих компьютеров и соответствующих программ стало возможным полноценное изучение решетчатых крыльев.
В частности, московскому изобретателю О.Г.Войцеху удалось разработать решетчатое крыло (рис. 3), обладающее аэродинамическим качеством более 100 (!) при малых, дозвуковых, скоростях. (У обычных самолетов оно не превышает 30.)
Это означает, что самолету с таким крылом понадобится двигатель в 3–5 раз меньшей мощности. Крыло не теряет подъемной силы даже при углах атаки 45–50°.
Посадка оснащенного им самолета станет вполне безопасным делом, доступным любому здоровому человеку. Размах решетчатого крыла в 5 — 10 раз меньше, чем обычного, и вполне возможно, что такие самолеты смогут заменить автомобили, взлетая и садясь даже в условиях города.
На рисунках 4–6 приведены проекты миниатюрных самолетов, выполненные автором. Благодаря высокому аэродинамическому качеству и очень малому весу конструкции на аппаратах с решетчатыми крыльями станет возможен длительный, протяженностью в сотни километров, полет за счет мускульной силы.