Владимир Сергеевич Пышнов.
        Из истории летательных аппаратов

Пышнов В.С., "Из истории летательных аппаратов", 1968 г
Издательский редактор Л. И Мунина Технический редактор Н. А. Пухликова
Художник Я. Т. Дворников Корректор А. И. Карамышкина
Сдано в набор 29/III 1968 г. Т-10097 Подписано к печати 10/VII 1968 г.
Тираж 3600 экз. Цена 78 коп. Тем. план 1968 г. No 148
Издательство "Машиностроение", Москва, К-51, Петровка, 24 Изд. зак. 2395
Московская типография No 8 Главполиграфпрома Комитета по печати при Совете Министров СССР, Хохловский пер., 7. Тип. зак. 678
Илл. -- 59, табл -- 3, библиография -- 13 названий.
Редактор инж. К. Я. Зайцева
УДК 629.735.33(091)

     OCR&spellcheck Андрей Тарасенко bb_dubna@pisem.net




     Содержание
     От автора
     1.  На   чем  летал  Петр  Николаевич
Нестеров
     Введение
     На планере
     На свободном аэростате
     На учебном самолете
     На      военном     самолете
"Ньюпор-4"
     На самолете "Моран-Ж"
     Новая система управления
     2.  Первые   тяжелые
грузоподъемные самолеты
      История развития.  1910-- 1921
гг.
     Анализ   грузоподъемности
самолетов
     Самолет "Русский витязь"
     Самолет "Илья Муромец"
     3. Маневренные истребители
     Введение
     Характеристики
маневренности
     Обзор истории  развития
маневренных истребителей. 1914-1920 гг.
     Развитие      маневренных
истребителей в период 1920-- 1932 гг.
     Развитие     маневренных
истребителей в период 1932-- 1940 гг.
     Летно-технические  характеристики
некоторых маневренных самолетов
     Самолет "Ньюпор-17"
     Самолет И-5
     Самолет И-153
     Самолет И-16
     Библиография
     Автор  -- известный советский ученый, посвятивший авиации  55 лет своей
жизни.
     В предлагаемом и последующих  его сборниках будет рассказано о наиболее
интересных, с инженерной точки зрения,  самолетах прошлого  и современных, а
также  о   некоторых  исследовательских  работах  в  области   аэромеханики.
Изложение ведется с позиций проверки старых идей и теорий, а, следовательно,
лучшего осмысливания новых.
     В  первый  выпуск  этих сборников вошли статьи  о самолетах, на которых
летал П.  Н.  Нестеров,  о  первых русских  тяжелых самолетах и  маневренных
истребителях.
     Материал излагается  не по  литературным источникам,  а по  собственным
впечатлениям и  обобщениям  автора. Из многих типов самолетов автор выделяет
наиболее важные конструкции и дает анализ удач и ошибок ранней поры развития
авиации. Все иллюстрации в книге принадлежат автору.
     Книга,  несомненно,  будет интересна  для  широкого  круга  авиационных
специалистов, преподавателей и студентов ВТУЗов, а также для лиц, работающих
в области истории техники.

        "От автора"
     Более 55 лет я в том или ином виде следил за развитием авиации, собирал
относящиеся  к  ней  сведения,  пристально  наблюдал  за  полетами,   изучал
авиационные  науки  и затем  активно  участвовал  в  разнообразных  областях
инженерной, научной и летно-практической деятельности.  Простое перечисление
имен  ученых, инженеров, конструкторов,  летчиков  и других  специалистов  в
области авиации, с которыми я был знаком и с которыми сотрудничал, заняло бы
очень много  места. Я был свидетелем многих интересных радостных и печальных
событий, лично произвел  очень большое количество расчетов, изготовил  много
чертежей, написал ряд книг и большое число статей. В итоге -- в моей памяти,
в записках и вырезках собралось много сведений, которые будут утрачены, если
их не обработать и не систематизировать так, чтобы ими могли воспользоваться
другие.
     Мною  уже  был  написан  ряд  статей  по  истории развития  летательных
аппаратов и авиационных наук. В  частности, ряд  статей был  посвящен трудам
"отца  русской  авиации"  Николая   Егоровича   Жуковского,  обзору  научных
достижений и влияния их на практику строительства летательных аппаратов. Эти
статьи издавались в  журнале "Вестник  Воздушного  Флота" (ныне  "Авиация  и
космонавтика"), в сборниках и отдельных изданиях Военно-воздушной Инженерной
Академии  им. Н.  Е.  Жуковского  и  Научно-мемориального  музея им.  Н.  Е.
Жуковского.  Сейчас  я  полагаю  целесообразным  выпускать  сборники  статей
научно-технического  содержания,   в   которых  можно   было   бы   помещать
разнообразный  материал,  относящийся  и  к  прошлому,  и  к  современности,
объединяя его с позиций современных знаний. Автор не ставит перед собой цель
создать  из  отдельных статей целостную и  последовательную историю развития
авиационной науки и техники. Такая задача непосильна для одного человека.
     Впечатления  далекого прошлого  еще стоят у меня  перед  глазами,  но я
стараюсь смотреть  на  них не  только  с позиций современных  знаний,  но  и
учитывать возможности того времени.
     Когда  приходится  читать  работы, в которых касаются  истории развития
науки  и техники, часто можно встретить скрытый и даже прямой упрек ученым и
конструкторам  прошлого в  том, что они  не приняли во внимание те  или иные
обстоятельства или что они делали  анализ, используя  грубые методы.  Делать
это  едва ли целесообразно.  Мы, конечно,  всегда  можем найти основания для
упрека в адрес даже великих ученых. Я полагаю, что гораздо полезнее вникнуть
во все обстоятельства и условия прошлого, чтобы понять, как сложились те или
иные  теории и методы.  Деятельность  людей  проходит в условиях  наличия  и
постоянного пополнения информации, развития мнений и, конечно, под давлением
практической потребности. Я уверен, что ученые и инженеры нередко  применяли
упрощенные теории и  грубые методы  расчета  вовсе не  потому,  что не могли
сделать это точнее и строже, а просто не видели в этом большой необходимости
в условиях, когда  их внимание было  обращено на другое, по их мнению, более
важное.
     Это  не  значит,  что  упреков  прошлому вообще  не  следует делать.  К
сожалению, в работах прошлого можно встретить грубые ошибки или заблуждения.
На них, конечно, необходимо  остановиться. Нам кажется, что мы сейчас делаем
все гораздо лучше,  чем это делали раньше.  Во-первых, это не всегда,  может
быть, справедливо, а, во-вторых,  нельзя отогнать  от себя  мысль, что через
некоторое время  и нас будут критиковать и обвинять в разных погрешностях, и
даже в том, что мы не видели очевидного.
     А. Эйнштейн в  книге  "Эволюция физики"  (А.  Эйнштейн  и  Л.  Инфельд,
Эволюция физики, Гостехиздат, 1948  (стр. 84)) говорит: "Мы должны проверить
старые  идеи, старые теории,  хотя они и принадлежат  прошлому,  ибо это  --
единственное   средство   понять   важность   новых   идей   и   границы  их
справедливости". Все это А. Эйнштейн прекрасно демонстрирует в своей книге.
     Когда я изучаю труды и статьи уже отдаленного прошлого или рассматриваю
конструкции машин, я испытываю  глубокое уважение к их авторам, которые  при
наличии крайне малого опыта и ограниченности теорий  тем  не менее достигали
больших успехов и предвидели  то,  что произойдет еще не скоро. Больше всего
восхищает меня ясность мысли  некоторых ученых,  которые,  естественно, мною
более любимы.
     Это только первый сборник.  Сколько их будет еще  -- покажет будущее. Я
имею  намерение  в  сборниках  помещать   работы,   объединенные   некоторой
тематической целостностью.  Статьи первого сборника объединены рассмотрением
величины подъемной  силы, развиваемой  аппаратами типа  самолета. Приводимые
расчеты  почти  не  выходят  за  рамки  так  называемого  "Аэродинамического
расчета"   или,  точнее,   расчета  летных  характеристик  в  установившемся
прямолинейном  движении  и  маневре.  Три  статьи  этого  первого  сборника,
конечно,  не  исчерпывают всего того,  что я  хотел  бы изложить  в подобном
аспекте. Возможно, что эту тему удастся продолжить впоследствии.
        "В. С. ПЫШНОВ"


        "1. На чем летал Петр Николаевич Нестеров"


        "ВВЕДЕНИЕ"

     Всего   лишь   около   трех   лет   продолжалась   летная  деятельность
замечательного  русского летчика Петра  Николаевича Нестерова.  Началась она
летом 1911 г., когда он  построил  собственными силами  балансирный планер и
совершал на нем  небольшие буксирные полеты в окрестностях Нижнего Новгорода
(ныне г. Горький).
     Летом 1912 г.  П. Н. Нестеров  обучается управлять самолетом на учебном
самолете-биплане  "Фарман-4"  и в  конце  сентября сдает на  нем  экзамен на
звание  пилота-авиатора. 5  октября того же  года он сдает экзамен на звание
военного  летчика, видимо,  на  самолете  "Фарман-7", который  незначительно
отличался от самолета "Фарман-4".
     Затем он  направляется  в  Варшавскую  авиационную школу,  где проходит
тренировку  на  самолетах-монопланах  "Ньюпор-4",  которые  были приняты  на
вооружение в русской военной авиации. На этом самолете ему приходится больше
всего летать; на нем он овладевает глубокими  виражами, совершает  первую  в
мире  петлю  в   вертикальной  плоскости,   разрабатывает  вопросы  военного
применения авиации, совершает ряд перелетов, в том числе групповых. Известен
его замечательный  перелет из Киева в Гатчину (близ Ленинграда) за один день
почти  без  подготовки. На  этом  же самолете П. Н. Нестеров испытывает свою
новую   систему  управления   без  вертикального  оперения,   которая   была
предназначена для  самолета его собственной конструкции.  На "Ньюпоре" же он
начал выполнять боевые полеты в июле -- августе 1914 г.
     Последним  самолетом,  на котором  летал  П. Н. Нестеров, был  моноплан
"Моран-Солнье"  типа  "G",  который  по  скорости  и  маневренным  свойствам
превосходил  самолет  "Ньюпор-4".  Полетами  на нем он  овладел,  видимо,  в
бытность  свою в Москве летом  1914  г.; на  самолете этого типа он совершил
перелет Москва-- Петербург 11 июля 1914 г., пролетев без посадки  около  600
км. Это было большим достижением для того времени. Наконец, на этом самолете
Нестеров  совершил  свой  геройский  подвиг,  таранив в воздухе  австрийский
самолет 8  сентября  1914  г.;  при  этом  он погиб  сам  из-за  повреждения
собственного самолета при таране.
     На самолетах  с двигателем он летал  лишь  около двух лет, но как много
было сделано П. Н. Нестеровым  за  такой короткий срок! В  то время авиацией
очень увлекались, летчиками становились отважные и одаренные  люди. Самолеты
того  времени были очень несовершенны, особенно  в отношении  устойчивости и
прочности, так как именно эти вопросы были наиболее слабо изучены.
     Нестерову  удалось разрешить коренные  вопросы  техники пилотирования и
военного применения самолетов.  Личная отвага у  него счастливо сочеталась с
глубокими знаниями, большой наблюдательностью и любознательностью.
     Биографические сведения о жизни  и  деятельности  П.  Н. Нестерова  уже
излагались  рядом  авторов  и  едва  ли  можно   добавить   к  ним  что-либо
существенное.  Чтобы  в  полной  мере  оценить   заслуги  П.  Н.  Нестерова,
необходимо   более   глубоко   осветить   научно-техническую   сторону   его
деятельности,  чего не могли  сделать его  современники. Нестеров  летал  на
конкретных самолетах -- в сущности только на трех типах; они обладали вполне
определенными свойствами и возможностями. За  минувшие 50 лет авиация прошла
огромный  путь развития -- от скоростей порядка  100-130 км/час до 2500-3000
км/час; соответственно изменились  и другие свойства самолетов,  возросло их
общее техническое совершенство  и  оснащенность аппаратурой. У Нестерова был
единственный авиационный прибор -- высотомер; работу двигателя  проверяли на
слух; скорость полета  тоже  определяли  на  слух  и судили  о ней по работе
рулей.
     П.  Н. Нестерову,  как и многим другим  русским летчикам  того времени,
пришлось  летать лишь на  самолетах иностранных  конструкций. Лишь  немногие
изобретатели  и  летчики  при  заводах  могли  летать  иногда  на  самолетах
отечественной конструкции, строившихся в нескольких экземплярах. Исключением
являлся  первый  многомоторный  самолет  "Илья  Муромец",  который  строился
серийно до Октябрьской  революции. Другие серийные самолеты  периода  первой
мировой войны, строившиеся на заводах Лебедева и Анатра, являлись в сущности
модификациями   германских   самолетов   фирмы   "Альбатрос".   Оригинальные
отечественные  конструкции,  за   исключением  самолета  "Илья  Муромец"   и
гидросамолетов Д. П. Григоровича, так и не могли пробить себе дорогу. Только
после  Октябрьской  революции   Коммунистическая  партия   поставила  задачу
избавиться  от иностранной зависимости в области строительства  самолетов  и
двигателей. Это было выполнено менее чем за десять лет.
     В данной  статье мы хотим  детально рассмотреть свойства  и технические
возможности самолетов, на которых летал П. Н. Нестеров, с целью технического
анализа авиации того  времени на  примере некоторых типичных конструкций, на
которых пришлось летать  многим русским летчикам. В  то время расчеты летных
характеристик были  ограничены  по объему  и очень грубы. Технический анализ
самолетов,  на  которых  летал  П.  Н.  Нестеров,   позволит  нам  судить  о
возможностях, которыми он располагал в полете.

        "НА ПЛАНЕРЕ"

     Начнем с планера, который П. Н. Нестеров построил собственными силами и
средствами  и  на котором он впервые  познакомился  со  свойствами  крылатых
летательных  аппаратов.  Этот  планер  относился  к  категории  балансирных,
коробчатого  типа.  Термин  "балансирный"  указывает на средство  управления
путем  перемещения  груза  относительно  крыла  вперед,  назад и  в стороны.
Перемещаемым грузом был сам летчик, вес  которого составлял около 75% общего
веса  всего  летательного  аппарата.  Балансирное  управление  было  впервые
реализовано  Отто Лилиенталем в последнем десятилетии XIX века; он  погиб на
одном из своих планеров в 1896 г. С планером-монопланом  Лилиенталя мы можем
детально познакомиться по экземпляру, который был подарен Н. Е. Жуковскому и
находится в Научно-мемориальном музее его имени в Москве.
     Планеры  Лилиенталя  --  моноплан  и  биплан  --  были  оригинальны  по
конструкции; напоминая крылья летучей мыши, они имели проволочные  растяжки.
Шанютом  в  Америке  была  разработана  другая  конструкция,  которая  очень
напоминала известные коробчатые змеи, но  только второе,  заднее,  крыло его
было значительно  уменьшено. Коробчатые балансирные планеры получили большое
распространение вследствие простоты их изготовления и  жесткости конструкции
и строились с разными изменениями  --  в основном, с постепенным уменьшением
хвостовой поверхности. Некоторые конструкторы добавляли и органы управления.
     Коробчатых  балансирных планеров  в России строилось много, так как они
были дешевы, довольно безопасны и  просты в изготовлении. В  журнале "Вокруг
света"  за 1910  г.  был  детально  описан  коробчатый  балансирный  планер,
построенный из бамбуковых палок. В 1910 г. в Киеве была опубликована брошюра
профессора  Н. Б. Делоне  "Устройство дешевого  и легкого  планера и способы
летания  на  нем".  Вес  этого  планера  был  около  20 кГ и  стоимость  его
оценивалась всего в 20 рублей.
     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/K=2,2-2,7  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 Vy=9,8t. 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. W=G/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  индуктивно