История самолетов 1919 – 1945
Шрифт:
В 1925 г. в конструкторском бюро А. Н. Туполева создали бомбардировщик ТБ-1 (АНТ-4), появление которого оказало влияние на развитие всего самолетостроения. Как и самолеты Юнкерса, это был цельнодюралевый моноплан со свободнонесущим низкорасположенным крылом, ферменной силовой конструкцией и гофрированной обшивкой. Однако и по внешней компоновке, и по внутренней конструкции он существенно отличался от "Юнкерсов". Самолет представлял собой двухмоторный моноплан с двигателями на передней кромке крыла. Крыло имело 5 лонжеронов в виде ферм из соединенных между собой труб, стрингеры, 18 нервюр в центроплане и по 10 в каждой консоли. Если на самолетах Юнкерса конструкция крыла имела вид пространственной фермы с диагональными раскосами, в углах которых проходили трубчатые пояса, то крыло самолетов Туполева характеризовалось более технологичной конструктивно-силовой схемой с плоскими ферменными
В момент появления ТБ-1 был самым большим цельнометаллическим самолетом в мире: он имел длину 18 м, размах крыла – 28,7 м, площадь крыла – 120 м . Для уменьшения нагрузки на ручку управления летчик мог изменять в полете угол установки горизонтального стабилизатора. Топливные баки, обеспечивающие самолету дальность 1350 км, находились в центроплане крыла. Внутри фюзеляжа располагались бомбовый отсек, места для летчиков, бомбардира (он же – радист) и стрелков (на самолете имелось три подвижные турели для спаренных пулеметов Льюис). Общая численность экипажа – 5 человек.
ТБ-1 строился в серии в 1929-1932 гг. и находился на вооружении до 1936 г. Он применялся также в гражданской авиации, участвовал в арктических экспедициях. В 1929 г. на серийном ТБ-1 "Страна Советов" со снятым вооружением был выполнен перелет Москва – Петропавловск-на-Камчатке – Сиэтл – Сан-Франциско – Нью-Йорк, общей протяженностью 21242 км, из них 8000 км – над океаном (рис. 1.55). Возглавлял экипаж самолета летчик С.А.Шестаков [21, с. 118-124; 33].
ТБ-1 произвел большое впечатление на американцев, оценивших превосходство новой схемы над деревянными бомбардировщиками-бипланами. "Авиационные специалисты Америки были восхишены прекрасными формами и законченностью конструкции самолета", – писалось в газете "Нью-Йорк Таймс" от 2 ноября 1929 г. [33, с.77]. Созданный в 1932 г. фирмой Боинг двухмоторный бомбардировщик В-9 с толстым монопланным крылом имел заметное сходство с тяжелым самолетом А. Н. Туполева.
Развитием самолета ТБ-1 стал четырехмоторный ТБ-3 (АНТ-6). Самолет совершил первый полет 22 декабря 1930 г. Это был первый в мире четырехмоторный бомбардировшик- моноплан, прототип "летающих крепостей" периода второй мировой войны. По конструкции он был, в основном, аналогичен ТБ-1, но имел значительно большие размеры и вдвое большую площадь крыла. Максимальный вес самолета достигал 22000 кг, он мог брать до 5000 кг бомб. Оборонительное вооружение состояло из носовой, средней и хвостовой пулеметных турелей и двух выдвигаемых в полете подкрыльевых пулеметных башен. Из кабины в фюзеляже через боковые двери можно было попасть внутрь крыла к двигателям и дальше – к подкрыльевым пулеметным башням.
ТБ-3 строился большой серией и в 30-е годы составлял основу советской тяжелой бомбардировочной авиации. Всего советские заводы выпустили 819 самолетов [9, с. 432-433].
ТБ-1 и ТБ-3 – первые серийные многомоторные самолеты-монопланы с двигателями, расположенными вдоль размаха крыла. Эта компоновка была лучше, чем принятая Юнкерсом схема с двумя двигателями на крыльях и одним – в передней части фюзеляжа, т.к. носовой мотор ухудшал обтекаемость фюзеляжа, заслонял обзор вперед, препятствовал установке стрелкового вооружения в передней кабине на военных самолетах. Не удивительно, что примененная А. И. Туполевым схема позднее стала общепринятой при конструировании многомоторных самолетов таких, например, как знаменитые американские "летающие крепости "Боинг В-17 и Боинг В-29.( 6*)
Рис.1.55. Самолет ТБ-1 "Страна Советов" в Нью-Йорке
Цельнометаллические самолеты-монопланы строили в 20-е годы и в других странах, в частности, во Франции, обладавшей большими запасами ископаемых, необходимых для производства дюраля. Так, французские фирмы Вибои Кодрон выпустили целое семейство металлических истребителей с толстым свободнонесущим крылом и гофрированной обшивкой. Упоминавшиеся выше американские пассажирские самолеты Стаут "Пульман" и Форд "Тримотор" также имели цельнодюралевую конструкцию с гофрированной обшивкой.( 7*)
Решительный переход к цельнометаллическим конструкциям произошел только в 30-е годы. Существенной предпосылкой к этому явились результаты расследования катастрофы пассажирского трехмоторного самолета фирмы Фоккер, которая произошла в США 31 марта 1931 г. (Ажиотаж вокруг этого события во многом связан с тем, что среди погибших был любимец американской публики – знаменитый футболист Кнут Рокке). Как выяснилось, деревянный каркас крыла подгнил и сломался в полете [23, с. 22]. После этого доверие к деревянным самолетам было в значительной мере утрачено. В 1931 г. доля металлических самолетов в общем числе вновь созданных самолетов составляла уже 62 % [4, с. 210].
Основным недостатком металлических самолетов был большой вес конструкции. Один квадратный метр площади дюралюминиевого крыла пассажирского четырехмоторного моноплана весил 16 кг, а квадратный метр крыла такого же самолета из дерева и фанеры весил на 3 кг меньше. Металлический 32-местный фюзеляж имел вес 1560 кг, тогда как такой же фюзеляж из стальных труб с полотняной обтяжкой весил 1239 кг [4. с. 20-21]. В период, когда мощность авиадвигателей составляла 400-600 л.с., разница в весе в несколько сотен килограммов заметно сказывалась на грузоподъемности и летных характеристиках. Стремясь минимизировать весовые издержки, конструкторы металлических самолетов старались применять наиболее рациональную конструктивно-силовую схему, даже в ущерб обтекаемости машины. Для того, чтобы увеличить строительную высоту лонжеронов, крыло делалось с большой относительной толщиной – 18-20 %. Гофрированная обшивка могла воспринимать нагрузку на кручение даже при очень небольшой толщине дюралевого листа (0,3 мм). Это позволяло более редко располагать нервюры в крыле и стрингеры в фюзеляже. И все же такого весового совершенства, как у самолетов из традиционных материалов, достичь не удавалось – относительный вес металлической конструкции оставался на 5-10 % выше. Причина в том, что удельная прочность основного конструкционного материала деревянных самолетов – сосны – при работе на изгиб в 2 раза больше, чем у дюралюминия и в 3-5 раз больше, чем у стали [35, с. 80].
Гофр обшивки располагали "по потоку", чтобы не увеличивать лобовое сопротивление. Однако полностью избежать аэродинамических потерь не удавалось – сопротивление трения гофрированной металлической поверхности было заметно больше, чем у крыла аналогичной площади с гладкой полотняной или фанерной поверхностью.
В 1920 г. бывший сотрудник Ф. Цеппелина Адольф Рорбах применил при создании четырехмоторного пассажирского самолета Цеппелин-Штаакен Е.4/20 гладкую металлическую обшивку, которая благодаря большой толщине листа могла воспринимать нагрузки не только от кручения, но и от изгиба крыла. Она получила название "работающая обшивка". Данная идея была заимствована из опыта судостроения, с заменой стали на более легкий дюраль.
В начале 20-х годов Е.4/20 (рис. 1.56) был самым большим самолетом-монопланом. Крыло, снабженное небольшими подкосами, имело размах 42,2 м; взлетный вес машины составлял 8600 кг. На передней кромке крыла располагались 4 двигателя "Майбах" мощностью 245 л.с. каждый. Пассажирский отсек вмещал 18 человек.
Теоретически работающая обшивка должна была обеспечить снижение веса, т.к. она, наравне с внутренней силовой конструкцией, участвовала в восприятии действующих на самолет нагрузок, что позволяло уменьшить сечения силовых элементов последней. Кроме того, замена гофрированной поверхности гладкой снижала аэродинамическое сопротивление самолета. Однако в 20-е годы эта идея не привилась. Из-за отсутствия правильных методов прочностного расчета авиационной оболочечной конструкции типа крыла или фюзеляжа с работающей обшивкой толщину обшивки определили из условия предотвращения местной потери устойчивости. В результате самолет Рорбаха оказался перетяжеленным и не обладал нужной дальностью и грузоподъемностью. Правда, по скоростным качествам (крейсерская скорость – около 200 км/ч) он превосходил другие пассажирские самолеты начала 20-х годов, но скорость полета невоенной машины тогда мало кого интересовала.