ели жители
многих городов России при полетах С. И. Уточкина, М. Н. Ефимова и других, на
"четверке"  начинали свою летную деятельность первые русские военные летчики
Л. М. Мациевич, Е. В. Руднев и многие другие.
     Первый летательный аппарат, который пришлось  увидеть автору в 1911 г.,
был  "Фарман-4"  под  управлением  С.  И.  Уточкина  на  московском  беговом
ипподроме. Летом 1917 г. автор, будучи учащимся средней  школы, подружился с
группой солдат --  учеников-летчиков московской авиашколы, которые обучались
на самолете "Фарман-4" почти без всякого наблюдения со стороны инструкторов,
сами обслуживали и ремонтировали этот летательный аппарат.
     Самолет   характеризуется   рядом   показателей.   Подобно  тому,   как
грузоподъемность  корабля определяется его водоизмещением,  грузоподъемность
аэростата --  его  газовым объемом, самолет,  прежде  всего, характеризуется
максимальной  величиной подъемной силы,  обеспеченной энергетически.  Каждый
летательный  аппарат,  в котором используется энергетический принцип полета,
расходует мощность своего двигателя и способен некоторое время, определяемое
запасом   топлива,   развивать   некоторую   максимальную   подъемную   силу
Ymax. He  нужно смешивать  рассматриваемую  подъемную  силу  с ее
предельной  величиной, которая может  быть  получена при  быстром увеличении
угла атаки и величина которой ограничивается прочностью конструкции.
     Следует указать, что  для планера,  не  имеющего двигателя,  тоже можно
рассматривать  длительно   действующую  подъемную  силу,  если  исходить  из
определенной допустимой скорости снижения при выполнении спирального спуска.
Тогда мы тоже будем  иметь некоторую исходную  мощность, равную произведению
веса планера на скорость снижения.
     Максимальная  подъемная   сила  самолета  равна  максимальной  величине
произведения  силы  тяги  на аэродинамическое качество  (Р•K)mах.
Определение Р•К осложняется  тем, что  сила тяги  зависит от скорости  V,  а
аэродинамическое качество --  от  угла атаки,  который в  свою очередь будет
определяться  как  скоростью, так  и величиной  Y. Подставив соответствующие
выражения для Р и V

     и приняв аналитическое выражение для поляры

     мы можем определить Y и затем отыскать его максимальное выражение.
     Однако часть  работы  мы уже проделали при нахождении скорости снижения
для планера.  Умножая  скорость снижения на  вес,  получим мощность, которая
потребовалась  бы  для  горизонтального   полета.  Подставляя   вес,  равный
максимальной подъемной силе, мы получим максимальную полезную мощность:


     Это    выражение     можно     несколько     видоизменить,    подставив
Kmах=0,785•l/F1/2:

     Учитывая,   что    режим   полета   будет   несколько   отличаться   от
наивыгоднейшего, что на пониженной скорости и коэффициент полезного действия
будет уменьшен, а при винте фиксированного шага снизятся обороты двигателя и
несколько упадет мощность, в итоге получим:

     Из  этих выражений  можно  сделать  очень  важные  выводы  о  свойствах
самолетов: при данной  величине вредной площади F  подъемная  сила,  которую
может  развивать  самолет,  зависит  в наибольшей  --  первой  -- степени от
величины размаха крыльев;  от мощности двигателей она зависит  слабее  --  в
степени 2/3; увеличение вредной площади влияет на подъемную силу очень слабо
-- в степени 1/6. Так,  например, при увеличении F в два раза подъемная сила
окажется уменьшенной только на 12%.
     Если рассматривать самолеты, подобные по форме, то подъемная сила будет
определяться  произведением  мощности  на размах крыльев.  При  поднятии  на
высоту подъемная  сила  будет убывать  пропорционально  корню  кубичному  из
изменения плотности воздуха и, кроме того, соответственно изменению мощности
двигателей с высотой в степени  2/3. Зная  величины  максимальной  подъемной
силы  на  разных  высотах,  мы легко  можем определить  высоты потолков  при
различных полетных весах.
     Полет   на  самолете  будет  надежен  только  при  наличии  возможности
маневрирования. Иными словами,  полетный вес должен быть существенно меньше,
чем величина максимальной  подъемной силы.  Изучение характеристик самолетов
показало, что при полете на малой высоте вес самолета не должен превосходить
60-65% максимальной подъемной силы, однако, даже у маломаневренных самолетов
вес, как правило, не  превышает 50-55%  максимальной подъемной силы на малой
высоте. В дальнейшем при рассмотрении характеристик летательных аппаратов мы
будем  прежде   всего  определять  максимальную  подъемную  силу,  пользуясь
приведенными приближенными формулами, или  производить более точный расчет с
помощью метода, который будет изложен далее.

     Рис. 3.  Схема  учебного  самолета  "Фарман-4"  (1909 г)  с  ротативным
двигателем "Гном" мощностью  50 л. с. Размах крыльев 10,5 м; площадь крыльев
42 м2; вес пустого  самолета около 350  кГ; полетный вес  с одним
летчиком 500 кГ.
     Перейдем к  рассмотрению характеристик  и свойств  самолета "Фарман-4".
Как видно  из схемы,  приведенной на  рис.  3, это  биплан с  прямоугольными
крыльями, многочисленными стойками и растяжками.  Двигатель толкающий, т. е.
расположенный  позади  крыльев и  позади центра  тяжести. Хвостовое оперение
тоже   бипланное  и  соединено  с  коробкой  крыльев  деревянной   фермой  с
проволочными растяжками. На хвостовом оперении находятся задний руль  высоты
и два руля направления. Спереди  на небольшой ферме установлен передний руль
высоты. Оба руля  -- задний и  передний  --  отклоняются  одновременно,  но,
естественно, в  разные стороны.  Интересно, что у  ранних вариантов самолета
был только  передний руль, затем был добавлен и задний, а еще позже передний
руль  вместе с  фермой  был  убран. Элероны  имеются  на  обоих крыльях,  но
управление ими сделано упрощенное и они могут отклоняться только вниз.
     В центральной части  самолета установлена  грузовая  рама  в  виде двух
брусков, соединенных поперечинами. В задней части рамы установлен двигатель,
а  в  передней  --  два сиденья,  ручка  управления и  ножная педаль;  ручка
помещена  не  в  центре,  как  обычно,  а  справа.  Летчик и  пассажир сидят
совершенно  открыто в воздушном  потоке. Управление  двигателем производится
при помощи крана подачи бензина и "контакта" -- включателя зажигания.
     Ротативный двигатель "Гном" имел очень широкое распространение в период
1909-- 1914 гг. Его устройство интересно тем, что коленчатый вал  закреплен,
а цилиндры, расположенные  звездообразно, вращаются вместе  с картером. Винт
прикрепляется  к   картеру.  Устройство  двигателя  очень  просто,  вес  его
небольшой: двигатель мощностью 50 л. с. весил 76 кГ. Экономичность двигателя
была низкая и надежность его невысокая, однако, при умелом уходе он  работал
достаточно надежно. П. Н.  Нестерову пришлось летать только  на  самолетах с
ротативными  двигателями  и  даже  совершать  на  них  довольно   длительные
перелеты.
     Учитывая бипланную схему, мы можем получить эквивалентный размах

     Величину F можно найти по известной нам максимальной скорости самолета,
равной 65  км/час, или 18 м/сек; приравнивая выражения для тяги 75Nh/V и сил
сопротивления, мы получим значение F:

     для h=0,75 и G=500 кГ получим F=4,5-5 м2.
     Теперь      найдем     максимальное      аэродинамическое      качество
Kmах=0,78lэ/F1/2=4,2 и скорость  полета  на
максимальном качестве
     или 47 км/час.
     Важно  посмотреть,  какому значению Cу это  соответствует. Значение  Cу
равно удельной нагрузке на крыло, деленной на скоростной напор:

     Интересно, что в это выражение не  входит  размах крыльев. Для самолета
"Фарман-4" мы  получим Cун=1,1; это довольно большое значение Cу,
близкое к  предельному;  для полета на  минимальной мощности мы  получили бы
Cуэ=1.73Cун=1,9  --  что   явно   выше   максимального
значения.  Из  этого мы можем сделать вывод, что  увеличение ширины  крыльев
позволило бы увеличить максимальную подъемную силу.
     Определяя  Ymах, мы  должны исходить  из  условия полета при
максимальном качестве, а не на экономичном режиме. Учитывая приближенно, что
на пониженной скорости будет уменьшен коэффициент полезного действия винта и
уменьшена мощность двигателя из-за уменьшения числа  оборотов  двигателя, мы
примем h=0,7 и N=47 л. с.; тогда получим:

     При полетном  весе,  равном 500 кГ,  запас подъемной силы  будет  равен
nу=Yн/G=1,4-1,45.  Это  довольно  малый  запас, но для
полета  на  малых  высотах  с ограниченным  маневрированием достаточный. При
полете  с  пассажиром  полетный  вес  будет равен приблизительно  580  кГ  и
ny=1,25. Это  уже очень  малый  запас, и  подобные полеты,  в том
числе, и учебные, производились на малых высотах в хорошую погоду. В 1910 г.
летчик Е. В. Руднев совершил перелет  с пассажиром из  Петербурга в  Гатчину
дальностью  около 65  км.  Этот перелет  происходил  в  условиях  пониженной
температуры, когда мощность двигателя увеличилась примерно на 4% и плотность
воздуха -- на 7-8%; это дает увеличение Y  на 5% и тогда Ymах=760
кГ.
     При   неработающем   двигателе   воздушный   винт   дает   значительное
дополнительное сопротивление, особенно, если он вращается; значение F в этом
случае равно примерно 5,5 м2  и  аэродинамическое качество  около
3,9 при Су=1,3. Спуск нужно производить с запасом  скорости, когда  Су будет
не более  0,8 и аэродинамическое качество окажется равным примерно  3,5. Это
будет   соответствовать    довольно   крутому   планированию    под    углом
16,5о при скорости 15,5 м/сек и при скорости снижения 4,5 м/сек.
     Низкое  аэродинамическое  качество при  малой скорости  полета вызывает
очень неблагоприятные  явления при  внезапном уменьшении тяги. Допустим, что
самолет летит горизонтально и тяга равна силе сопротивления. К высоте полета
h  прибавим  кинетическую  высоту hк=V2/2g  и  получим
энергетическую  высоту  hэ=h+hк.  В  случае  остановки
двигателя начнется падение уровня энергии по условию Dhэ=-Ds/K, и
линия уровня энергии резко переломится. Траектория полета  будет  изменяться
более плавно. Выражение для подъемной силы  можно  дать  через  кинетическую
высоту Y= Суrghк
     Из рис. 4 легко видеть, что сразу же после остановки двигателя начнется
резкое уменьшение hэ примерно по условию

     Если в исходном полете V=18 м/сек, hк=16,6 м, то через 2 сек
после остановки двигателя самолет пройдет путь около 30 м и уровень  энергии
понизится на  9  м.  За  это время  самолет не успеет существенно  уменьшить
высоту и  потому  величина hк окажется  уменьшенной  почти в  два
раза,  а  вместе  с  ней  и  подъемная  сила.  Самолет  окажется  в  условии
возмущенного  движения  по  отношению  к  траектории   планирования,  опишет
некоторую  волнообразную траекторию и через  некоторое время  может  войти в
режим планирования с постоянной скоростью.

     Рис. 4. Схема полета самолета "Фарман-4" при остановке двигателя
     Важно обратить  внимание, сколь быстро произошла  потеря скорости. Если
летчик инстинктивно попытается удержать  самолет от "проваливания", скорость
упадет  еще более резко; гораздо лучше было бы энергично уменьшить подъемную
силу быстрым  наклонением самолета вниз, и еще лучше, если бы самолет сам, в
силу своей устойчивости, автоматически уменьшил угол тангажа.
     К  сожалению,  самолет "Фарман-4" вследствие очень задней центровки  не
имел такой  тенденции и, если летчик не наклонял его  с  помощью руля высоты
довольно  круто  вниз,  он  оставался  примерно  в  исходном  горизонтальном
положении. Почти все аварии этого самолета происходили в результате перехода
его в  парашютирование в случае внезапной остановки двигателя  или при вялом
переводе самолета на планирование.
     Автору  приходилось  не  раз  наблюдать  эти  явления  и  видеть  много
фотографий  аварий  самолета  "Фарман-4"  в  результате  потери  скорости  и
перехода в парашютирование. К  счастью, благодаря малой удельной нагрузке на
крыло  и  некоторым  особенностям  аэродинамики при парашютировании  самолет
снижался довольно медленно, с небольшим  углом крена. Самолет  в этом случае
почти не разбивался, а летчик вообще не страдал при ударе.
     На  рис.  5 показаны  основные  летные  характеристики,  полученные  из
поверочного аэродинамического расчета  самолета "Фарман-4"  для веса 500 кГ.
Потолок самолета, оказался несколько менее 2000 м.

     Рис  5.   Основные  летные   характеристики  самолета   "Фарман-4"   по
поверочному расчету
     Остановимся  еще  на  этом  самолете как  на учебном. В 1909-- 1910 гг.
системы обучения еще  не  было  разработано.  Естественно, что  конструкторы
первых самолетов учились  летать самоучкой, начиная с  рулений и подлетов по
прямой; повороты тоже вначале делали без крена. Затем стали складываться две
системы  обучения.  Одна  --  система  Блерио,  по  которой  ученик  начинал
самостоятельно рулить на специальном самолете, вообще не способном взлететь.
Затем он переходил на другой одноместный самолет, который мог подлетывать, и
так постепенно осваивал пилотирование. Бывали примеры, когда человек,  купив
самолет, сразу  на нем вылетал; так, например,  было с известным летчиком С.
И. Уточкиным, однако, он был разносторонним спортсменом.
     У  самолета "Фарман-4" два сиденья  были расположены друг за  другом  в
передней  части  рамы,  которая  свешивалась  перед  крылом;  ножная  педаль
предназначалась   для   сидящего  впереди  летчика.  Ручка  управления  была
расположена справа  так, что за нее летчик  держался только  правой рукой, а
пассажир тоже  мог до  нее  дотянуться.  Ноги пассажира просто свешивались с
крыла, а левой рукой он придерживался за стойку.
     Управление двигателем состояло из выключателя зажигания -- "контакта" и
крана подачи бензина. Работа двигателя контролировалась "на  слух", и только
для контроля работы поршневого  масляного  насоса имелся "стаканчик", т.  е.
стеклянный пузырек, в  котором  уровень масла колебался 84 раза в минуту при
вращении  двигателя с угловой скоростью 1200 об/мин. Считая пульсации масла,
можно было примерно установить число оборотов двигателя. Для контроля высоты
летчик привязывал к ноге высотомер.
     Взлет  самолета  происходил  следующим  образом:  6-8  человек  держали
самолет,  а техник  пролезал  в  хвостовую ферму и, убедившись, что  контакт
выключен  (спросив  об  этом  летчика), проворачивал винт и  ставил  его  на
компрессию. Затем он командовал: "Контакт!" -- и рывком проворачивал винт, а
летчик  в это время включал  зажигание.  Если  двигатель  не заработал,  все
начиналось сначала; если начинались вспышки, техник быстро убегал, а самолет
держали до тех  пор, пока  двигатель  не  разовьет полное число  оборотов  и
летчик не махнет рукой, чтобы самолет отпустили, и тогда начинался разбег.
     Длина разбега у самолета "Фарман-4" была  около  60  м и разбег занимал
6,5-7  сек.  Описанный  порядок  взлета   применялся  на  всех  самолетах  с
ротативными двигателями "Гном", так как они  не имели "малого  газа"  и  при
отсутствии  поступательного   движения   быстро  перегревались.   Ротативные
двигатели "Рон" и "Клерже" могли работать на сравнительно малых оборотах, но
все  же  быстро  перегревались,  и  потому,  как  только  двигатель  начинал
устойчиво работать на полной мощности, летчик давал сигнал отпустить самолет
и начинал разбег.
     При  обучении  на  самолете "Фарман-4"  вначале  ученик  сидел  сзади и
держался  за ручку управления над рукой инструктора. После усвоения  техники
управления  ручкой  ученик   делал   рулежки   для  освоения   работы  рулем
направления, а затем начинал совершать полеты с инструктором, который в этом
случае  сидел уже  сзади  и мог только  исправлять движения  ученика ручкой.
Через 20-- 30 полетов ученика выпускали в самостоятельный полет.
     Следует указать, что  тяжелые аварии на самолете "Фарман-4" были редки,
а поломки очень часты. Конструкция самолета состояла из лонжеронов сплошного
прямоугольного  сечения,  обтекаемых  стоек  сплошного  сечения, проволочных
растяжек, ушковых болтиков и  алюминиевых стаканчиков, в которые вставлялись
концы стоек. Поэтому ремонт самолета был очень прост,  и только  регулировка
натяжения "паутины" растяжек требовала опыта и времени.
     Для получения  диплома на  звание пилота-авиатора требовалось выполнить
два  полета:  в одном  из них совершить 10 восьмерок, а в  другом  --  после
получасового  полета  на  высоте  100  м  --  совершить  посадку планирующим
спуском.
     Остановимся  на  некоторых вопросах устойчивости  самолета  "Фарман-4".
Центр  тяжести самолета, по  грубым  расчетам, был расположен на расстоянии,
равном 45-50%  длины  хорды,  от ее  передней кромки.  Фокус крыла  лежал на
расстоянии,  равном  25% длины  его  хорды; хвостовое  оперение,  большое по
площади (23% площади крыла) и  с большим  плечом, относительно мало  смещает
фокус назад из-за небольшой величины его удлинения и сильного действия скоса
потока  от крыла.  Передний  руль высоты, несмотря  на меньшую его площадь и
меньшее плечо, благодаря более значительному удлинению и отсутствию  влияния
скоса  потока от  крыла  почти  полностью  нейтрализует смещение  фокуса  от
оперения, и в итоге фокус самолета находился примерно на расстоянии,  равном
27-28% длины  хорды,  от  ее  передней кромки. Таким  образом, при центровке
45-50%   самолет   должен   быть   сильно   неустойчивым   по   углу   атаки
(xо/b=-0,2). Однако,  как  известно,  устойчивость по  перегрузке
зависит   не  только   от  отношения   xо/b,  но  и  от   эффекта
демпфирования,  который для  самолетов, подобных самолету "Фарман-4",  очень
велик.  И  действительно, жалоб на неустойчивость  самолета не было, хотя  о
полете с брошенной ручкой в то время и не помышляли. Жаловались на то, что у
самолета происходит  "провисание хвоста" при посадке.  Это  значит, что  при
увеличении  угла  атаки  хвост  имеет  стремление опускаться,  и  это  нужно
парировать  передвижением ручки "от себя".  Это и  есть типичное  проявление
задней центровки,  когда балансировочная диаграмма по отклонению руля  имеет
обратный ход.
     В  журнале  "Воздухоплаватель"  того  времени была помещена  статья,  в
которой   указывалось  на   вредные   последствия   забрызгивания  хвостовых
поверхностей  перегорелым маслом, которое обильно  вылетало  из  ротативного
двигателя,  и  вместе  с  грязью  значительно  утяжеляло  хвост и  усиливало
"провисание хвоста". Хотя самолет  "Фарман-4"  и служил в качестве  учебного
почти 7 лет,  он мало соответствовал  требованиям, предъявляемым  к учебному
самолету. При  полете  даже  в  небольшую "болтанку" требовались  отклонения
рулей, близкие к предельным. Элероны, которые отклонялись только вниз, имели
слабую эффективность;  крутое планирование  при задней центровке  затрудняло
посадку  с  большой высоты.  Наконец,  у самолета  очень  сильно  проявлялся
гироскопический  эффект  вращения  винта и  двигателя --  при  вираже  влево
самолет "клевал",  а при вираже вправо  -- резко  кабрировал, что  требовало
энергичной работы рулем высоты.
     Интересно  отметить,  что  на  некоторых  самолетах  "Фарман-4"  просто
отбрасывали передний  руль высоты; от этого центр тяжести немного  сдвигался
назад,  но  зато  фокус  самолета  сдвигался  назад  значительно  больше,  и
нейтральная  центровка  оказывалась  равной 39-40%.  В защиту переднего руля
высоты  приводили  тот  довод,  что  он  служит  ориентиром  при  управлении
самолетом  и  что  в полете он  должен быть параллельным линии  горизонта  и
немного выше его. Известный инструктор московской военной авиационной  школы
А.  Я.  Докучаев,  выбросив  передний  руль  высоты,  поставил  впереди  для
ориентировки легкую рамку.
     П. Н. Нестеров прошел через опыт полетов на самолете "Фарман-4"; у него
сложилось,   несомненно,  весьма  неблагоприятное  впечатлени