Грузо-пассажирский биплан-утка

о г л а в л е н и е
Утка Профиль крыла Центровка Биплан Оживальный фюзеляж Как это выглядит Возможно я черезчур оптимист Что за фантазёр это написал

Я призываю вернуться к истокам. К тому, с чего начиналась авиация - к бипланам и схеме утка. И я покажу, как это ретроградство продвинет прогресс авиации - и прежде всего гражданской авиации, которая нуждается в повышении экономической эффективности.

Непосредственно к написанию этой статьи меня сподвигло обсуждение, начатое Владимиром Потаповым в его вК-группе

А именно вот в этом видео:

Поскольку доступ к видео позже был ограничен сообществом, кратко излагаю суть сомнений, а именно:

• целью было создание самолёта с наилучшим аэродинамическим качеством - так как это позволит экономить топливо, а значит сделает самолёт экономически выгодным для эксплуатации
• для этого было создано уникальное на настоящий момент композитное крыло большого удлинения
• но вот фюзеляж самолёта сделан самым широким в своём классе - что съедает весь выигрыш от наилучшего крыла и даже больше того
• однако широкий фюзеляж позволяет возить попутные грузы в стандартных авиационных контейнерах - что должно увеличить прибыль от эксплуатации

В погоне за выгодой эксплуатации, МС-21 попытался взять на себя сразу две роли - и пассажирского и транспортного самолёта. Но упёрся в неразрешимое противоречие, а именно:

• для перевозки стандартных авиационных контейнеров нужен более широкий фюзеляж
• а для перевозки пассажиров - не нужен, а экономически даже вреден

Тем не менее, думается, что сам подход возить и грузы и пассажиров одним рейсом - здрав и обоснован. Однако мы видим, что самолёт классической схемы упирается в свой предел. Так может стоит рассмотреть иные схемы?

Утка

С этого началась авиация. И братья Райт, и Сантос Дюмон - оторвались от земли на аэропланах схемы утка. То есть таких, которые "летают хвостом вперёд". А между тем, этот хвост впереди весьма выгоден тем, что не уменьшает подъёмную силу самолёта, как хвост сзади, а напротив того - повышает подъёмную силу. Да, не так уж значительно, но разница с классической схемой может достигать 10 - 15%. Вот вам и экономия топлива.

Иногда людям трудно понять, откуда прирост подъёмной силы? Попробую объяснить самыми простыми словами:

• Привычная нам схема, ставшая классической с лёгкой руки Луи Блерио, балансирует самолёт как стрелу в полёте. Оперение на хвосте отклоняет всегда в сторону противоположную направлению полёта. Но это значит, что оперение работает ПРОТИВ. Чтоб направить самолёт вверх - оперение отклоняет вниз. Да, отклоняет только хвост - но вниз! А значит здесь сила работает отрицательно.
• Однако стоит перенести хвост вперёд - и вот уже оперение работает в ту же сторону. Самолёт хочет вверх - и оперение поднимает вверх его нос! Обе силы – и крыла и рулей – работают в одну сторону, а значит положительно.

Профиль крыла

Как известно нам нынче, профиль крыла создаёт подъёмную силу. Этому нас учит закон Бернули. Но ещё в XVIII века и весь XIX век в науке царил парадокс д'Аламбера, запрещавший такое, причём на основании того же самого закона Бернули. При том воздушных змеев в Европе уже запускали, голландцы с этим змеями даже катались на коньках зимой - а как на это смотрела наука? А так, что полёт объяснялся через ньютоновскую механику, а именно через угол атаки. И да, в самом деле, первые аэропланы, а до них первые планёры не могли похвастаться сколь-нибудь приличным профилем крыла - зато точно удерживались в воздухе за счёт положительного угла атаки. Ибо с разумным положительным углом атаки и абсолютно плоская плоскость полетит.

Но самолёту классической схемы лучше бы иметь угол атаки поближе к никакому. Почему? Да потому что если рули высоты у нас на хвосте - то положительный угол атаки всего аппарата достигается только опусканием его хвоста, а значит там, на хвосте, и угол атаки и подъёмная сила отрицательные!

Потому современный самолёт классической схемы, летающий на вполне дозвуковых скоростях, где профиль крыла способен создавать подъёмную силу - нуждается в относительно толстом профиле крыла. Ведь чем существеннее "горб" профиля сверху - тем сильнее будет толкать его вверх набегающий поток воздуха.

Но толстый профиль - это и большое аэродинамическое сопротивление.

Мы сетуем, что диаметр салона МС-21 возрос - а не замечаем его длинных крыльев с относительно толстым профилем. Где наши глаза? Где наша логика?

Поясняю для невнимательного читателя: речь не про "скока там миллиметров" - а об относительной толщине профиля. Относительная она относительно длины профиля. И между прочим, толщина эта связана с типичной эксплуатационной скоростью самолёта. Например, бомбардировщик ТБ-1 и подобные ему тихоходы имели довольно толстые крылья. Но при относительно невысокой скорости толстый профиль может оказаться выгоднее, так как, согласно закону Бернули, будет создавать большую подъёмную силу. При этом одновременно толстый профиль увеличивает лобовое сопротивление. Это дилемма - что выбрать: либо большую подъёмную силу, либо меньшее лобовое сопротивление. А решена была эта дилемма повышением скоростей полёта. И у истребителей вроде Миг-21 крыло имеет весьма тонкий относительный профиль. Но и летают они на сверхзвуке. Более того, ради скорости их профиль приближается к симметричному, а значит подъёмной силы практически не создаёт. Да и площадь крыла относительно веса такого истребителя очень мала. Это уже не столько самолёты, сколько самые настоящие ракеты.

Крыло с тонким профилем выгодно с точки зрения уменьшения сопротивления. Но тонкий профиль будет создавать малую подъёмную силу. Как летать? Да за счёт увеличения угла атаки! Кстати не такого уж большого. И как мы увидим далее, для схемы утка это то что доктор прописал. То есть, простите, аэродинамика велела.

Но ещё раз повторю: для самолёта классической схемы очень желательно иметь угол атаки в полёте близкий к никакому. А потому подъёмную силу нужно создавать, увеличивая толщину профиля - что увеличивает и аэродинамическое сопротивление. Занавес, господа, занавес классической схеме! Да здравствует утка!

Центровка

Луи Блерио ввёл в авиацию классическую схему. Её рассчитать оказалось весьма легко. Да и нечего рассчитывать, она же как стрела или, скажем лучше, дарт - дротик, укороченный для метания одной рукой в развлекательных целях. Спереди у аэроплана был тяжёлый мотор, позади балансирующее его хвостовое оперение. Идеально!

Идеально пока там сидел один пилот ровно в центре тяжести аппарата. Но большой грузовой или пассажирский самолёт могут нести в себе неуравновешенный груз. К примеру, тягач. Кабина с мотором у него тяжёлые, а остальная часть заметно легче. В салон влезает, а уравновесить его с центром тяжести самолёта как?

Вся беда в том, что классическая схема - она как качели из брошенной на бревно доски. Попробуйте с товарищем такие качели уравновесить... Ну только если оба сидите не шелохнувшись.

В противовес этому утка имеет два точки опоры. Основные крылья позади, а впереди пусть и меньшие по размеру, но так же создающие положительную подъёмную силу рулевые поверхности. Утка - как скамья из доски, концами уложенной на два бревна. В салоне груз набросали со смещением от центра тяжести самолёта? Вообще не проблема, компенсируем предустановкой угла атаки рулевых поверхностей! Это и вручную пилот смог бы, но уж нынче, с современным компьютеризированным управлением, вообще пустяк.

Утка куда лучше подходит и для перевозки грузов и для перевозки разгуливающих по салону пассажиров. Классической схеме тут с уткой не тягаться.

Биплан

С этого началась авиация. И братья Райт, и Сантос Дюмон - оторвались от земли на бипланах. Но они не придумали их сами. Бипланы придумал строить энтузиаст планеризма Октав Шанют. Подробнее можете прочесть в моей книге:

Бывший проектировщик железнодорожных мостов был очень хорошим инженером. Он заметил, что крыло летательного аппарата тонкое, а значит ему не хватает жёсткости. Но необходимая жёсткость легко достигалась в конструкции, которую инженеры называют фермой. Октав Шанют придумал делать двойные крылья, которые работали как те самые инженерные фермы.

Позже от двойных крыльев отказались, так как два крыла создают вдвое большее лобовое сопротивление, это очевидно и в доказательствах не нуждается... Ну а если присмотреться повнимательнее?

Единственное крыло не поддерживается ничем, его жёсткость обеспечивается только внутренней конструкцией. Из-за чего крыло большого размера должно иметь и соответствующую толщину. Но два крыла, которые через расчалки поддерживают и контролируют жёсткость друг друга - их можно сделать тонкими. Не толще одного единственного крыла.

А значит, крылья биплана могут создавать сопротивления не больше, чем крыло моноплана.

Постойте, а почему ж ранее в истории авиации это оказалось не так?

А мы забыли про профиль крыла. Ранняя авиация летала на невысоких по современным меркам скоростях. На них выгодны относительно толстые профили. Тонким профиль крыла сделать не получалось никак, он терял бы в подъёмной силе. А когда профиль и без того толстый, то его внутренняя конструкция отлично обеспечивает необходимую жёсткость.

Однако теперь летают куда быстрее. А крылья имеют значительное удлинение, немыслимое век назад. Профили стали тоньше. Но ради прочности их приходится делать толще необходимого, ведь только внутренняя конструкция обеспечивает жёсткость.

Теперь мысленно делаем крылья тонкими, ставим одно над другим, связываем их расчалками - жёсткая конструкция, создающая не больше аэродинамического сопротивления, чем единственное крыло. А вот и вопрос на засыпку:
  — Каково станет аэродинамическое качество такого биплана?

Ответ таков:
  — Аэродинамическое качество биплана окажется ВЫШЕ, чем у моноплана.

И тут никакого волшебства, чистая аэродинамика. Крыло имеет удлинение, чем оно выше, тем лучше. Но всегда есть конструктивный предел, длиннее которого удлинить уже не получается. Но если ставим два крыла друг над другом? Удлинение очевидно возрастает. А с ним и аэродинамическое качество улучшается. Да, не в 2 раза, а заметно меньше. Но опять-таки 15, а то и все 30% прироста. Неплохая цифра, верно?

Это мы ещё не рассматривали самое главное, ради чего борются за это самое удлинение крыла - это концевые вихри. Но в случае биплана можно поставить расчалку на самом кончике крыльев - и она будет работать как аэродинамическая шайба отсекатель паразитных концевых вихрей.

Оживальный фюзеляж

А вот теперь кое-что из аэродинамики, но не самолётов - а артиллерийских снарядов. А у них ведь круглое тело - ну примерно как фюзеляж у самолёта. Но вот носовая оконечность заострённая. И что с таким острым носом пуля или снаряд летят быстрее и дальше, установили ещё на стыке прошлого и позапрошлого веков. А примерно полвека назад пришли к так называемой полно-оживальной форме снаряда.

Между тем, самые современные пассажирские лайнеры строятся - не поверите - по заветам графа Цеппелина из конца XIX века, от коих сам же граф отказался уже в 1915 году.

Напомню, первоначальная идея Цеппелина заключалась в строгой стандартизации и унификации абсолютно всех элементов конструкции дирижабля. Через это граф надеялся снизить расходы на строительство. И до 1915 года всего его дирижабли были собраны из одинаковых цилиндрических секций. Вроде как торпеды видом своим напоминали. Только если торпеда ограничена габаритами торпедного аппарата, а особенно его калибром - то у дирижабля таких ограничений нет. И с 1915 года Цеппелин начинает переход к форме сильно вытянутой капли. И это дало прирост скорости даже при очень умеренных дирижабельных скоростях.

Прирост скорости за счёт снижения аэродинамического сопротивления.

Казалось бы, при равном объёме баллона, мидель у капли выходит больше, чем у торпеды. Ну и очевидно же, сопротивление должно возрасти... или нет?

А на деле, за счёт трения о воздух, длинные ровные стенки торпеды создают больше паразитного сопротивления, чем более крупный мидель капли.

Эти познания в 1980-е годы позволили конструкторам артиллерийских снарядов увеличить дальность стрельбы гаубиц с прежних 10 или в лучшем случае 15 км - до фантастических 40, а ныне уже и 60 км. Да, возросла длина ствола и метательный заряд. Только ведь загнать больше пороха в пушку пробовали и до того, но всё это не помогало, пока снаряд быстро тормозился воздухом в полёте.

Чудо прироста дальности достигнуто только внедрением оживальных обводов.

А давайте сделаем - оживальный фюзеляж! Скорости у современной гражданской авиации уже давно не дирижабельные, а вполне соответствуют снарядам. А снаряды мортир даже медленнее летят, чем самолёт. А значит пришло время авиаторам использовать опыт артиллеристов.

Для самолёта классической схемы оживальная форма лишена смысла - но у нас-то будет утка. Длинный вытянутый вперёд нос с носовыми рулями - он более тонкий, чем остальной фюзеляж. Да и собственно к чему ему быть толстым? Пусть взрезает воздух! А вот дальше первый пассажирский салон. С узким проходом между креслами. Под ним перевозят в навал чемоданы пассажиров. На этом участке фюзеляж плавно утолщается.

Далее привычный фюзеляж полной ширины, прямой и круглый. Если нужно, сюда можно добавить ещё такую же секцию, удлинив самолёт и увеличив его вместимость - для пассажиров и для грузовых контейнеров. Ибо контейнеры перевозятся именно тут, под полом пассажирского салона. А значит здесь в пассажирском салоне широкий проход между креслами.

Далее хвостовой отсек. Где к фюзеляжу примыкают крылья, а значит тут и моторы. И они при своей работе буквально затягивают в себя воздух с фюзеляжа, принудительно делая его обтекание ламинарным. Что, как нетрудно догадаться, уничтожает всё паразитное сопротивление ровных стенок длинного прямого участка фюзеляжа.

Заметим так же, что в случае переоборудования самолёта в полностью грузовой, он сможет перевозить танки для военных или стандартные морские контейнеры с мирными грузами, диаметр фюзеляжа это вполне позволяет, если убрать пол пассажирского салона. Ну и, разумеется, кормовая часть грузового варианта будет отличатся наличием грузовой аппарели.

Как это выглядит

Не стал я мудрствовать лукаво, а взял изображение J7W1 Шинден - реально летавшего японского истребителя-перехватчика схемы утка, времён Второй Мировой, прославленного в ряде аниме, и прежде всего в великолепных "Небесных скитальцах". Подробнее о нём читай в моей книге:

Да, уже 80 лет как существует летающий прототип. Ну хорошо, сейчас он не летает, а в полуразобранном состоянии валяется в одном из американских музеев. Но летал. Правда американцам пришлось слегка довести его до ума, чтоб двигатель не перегревался. Зато когда он полетел, то американцы были впечатлены. В схеме утка они находили только плюсы.

Но перевесило промышленное лобби. Американские фирмы уже имели налаженный конвейер выпуска самолётов классической схемы. Классическая схема легче поддавалась расчёту, её проще сбалансировать - а это тогда считалось важным, в отличие от нынешнего подхода, когда аэродинамическая устойчивость уже перестала считаться необходимым фактором. Но главное, авиационные компании стремились производить новые машины на основе уже имеющихся. Улучшать старое, а не выдумывать новый велосипед. И это породило воистину гениальные достижения инженерной мысли в духе - делаем максимально аэродинамически устойчивый самолёт, а затем выдумываем всякие ухищрения, как сделать его максимально неустойчивым для достижения наилучшей управляемости.

Утка сразу избавлена от этих дилемм и противоречий. У неё отличная управляемость при вполне достаточной устойчивости. А уж с современными автопилотами и вовсе беспокоится о некой аэродинамической неустойчивости в долгом полёте - это смех!

Отличия от Шиндена:

• прежде всего передние рулевые поверхности - элевоны. То есть работающие и как элероны и как рули тангажа. При этом можно либо сохранить аналогичные рулевые поверхности на крыльях как дублирующие органы управления, либо вовсе отказаться от них, освобождая крыло от лишней механизации, и выигрывая на этом драгоценный вес.
  • заметим, что при переднем расположении рулей, они никогда не попадают в аэродинамическую тень, что случается с хвостовыми рулями и рулевыми поверхностями на крыле при определённых углах атаки. В итоге передние рули и эффективнее и надёжнее.
• вместо одного двигателя в фюзеляже Шиндена - наши 2 двигателя закреплены между крыльями нашего биплана.

Остановимся подробнее на креплении двигателей. На многих современных крупных самолётах они подвешены под крылом на пилонах... Что я сказал? О нет, моторы держат вовсе не пилоны - а 2, в лучшем случае 3 болта. Ибо так удобнее для обслуживания двигателей. Открутил эти болты, снял двигатель и обслуживай. Болты приходится делать очень крепкими, и всё равно известны аварии из-за поломки этих болтов в полёте, что в свою очередь приводило к потере двигателя. Вот вам и цена удобства обслуживания.

Но даже если двигатель намертво приварить, приклепать, привязать, скотчем примотать к пилону - вот же незадача, пилон с двигателем создаёт солидный изгибающий момент на крыло при эволюциях самолёта в воздухе. Крыло приходится делать жёстче - отсюда лишний вес и лишняя толщина крыла. Ибо тонкое крыло жёстким не сделать никак.

Но у нас биплан! Где крылья поддерживают друг друга. Такая пространственная конструкция выходит очень жёсткой даже при тонких крыльях.

И наши моторы - закреплены на 4 болтах, по паре в каждое крыло. Сверху 2 и 2 снизу. И теперь моторы не качаются как маятники - они сидят в своих гнёздах без возможности раскачки или любого иного смещения. Моторы не только не расшатывают конструкцию крыльев биплана - но служат дополнительной жёсткой связью между ними. В итоге два крыла могут быть сделаны, каждое в отдельности, менее жёсткими, чем прежнее одно, а значит могут быть тоньше - отсюда экономия веса.

Парадоксально, но биплан с двумя крыльями - может весить меньше, чем моноплан с одним крылом!

Биплан с широким как у МС-21 фюзеляжем и двумя крыльями - может иметь аэродинамику лучше, чем моноплан с тонким как у Боинг-737 фюзеляжем, а возможно и весить не тяжелее того Боинга.

Возможно я черезчур оптимист

И слишком радужно оцениваю перспективы предлагаемой необычной компоновки. Но с другой стороны МС-21 показал, что классическая схема уже упёрлась в свой предел. А значит принципиальный прорыв если и возможен - то только на каком-то ином пути. А таковых мы из истории развития авиации знаем 2 более-менее хорошо изученных, это утка и биплан (летающее крыло, при всей его привлекательности, пока ещё изучено явно недостаточно). И раз обе схемы дают свои преимущества, почему бы не рискнуть объединить обе ради получения максимального выигрыша?

Что за фантазёр это написал

Нет, не пилот и на авиаконструктора не учился. Скромный работник космической промышленности, и то в прошлом. И уже предвижу, как иные советуют мне не фантазировать, коли я не авиатор...

Так вот, господа гордые авиаторы, вся ваша авиация плод фантазий моряка, железнодорожника, да парочки ушлых велосипедистов. А законы физики, и аэродинамика в частности – от национальности и профессии не зависят. Помните об этом ;-)