ШКОЛА АВИАКОНСТРУКТОРА

Вы решили построить самолёт. И сразу перед вами первая проблема – каким ему быть? Одноместным или двухместным? Чаще всего это зависит от мощности имеющегося двигателя, наличия необходимых материалов и инструментов, а также от размеров «ангара» для постройки и хранения самолёта. И в большинстве случаев конструктору приходится останавливать свой выбор на одноместном летательном аппарате тренировочного типа.

Как утверждает статистика, этот класс самолётов является самым массовым и популярным среди конструкторов-любителей. Для таких машин используются самые различные схемы, типы конструкций и двигателей. Одинаково часто встречаются бипланы, монопланы с низко- и высокорасположенным крылом, одно- и двухмоторные, с тянущими и толкающими винтами и т.п.

Предлагаемый цикл статей содержит анализ достоинств и недостатков основных аэродинамических схем самолётов и их конструктивных решений, что позволит читателям самостоятельно оценить сильные и слабые стороны различных любительских конструкций, поможет выбрать лучшую из них и наиболее подходящую для постройки.

С ЛЕТАТЕЛЬНЫМ АППАРАТОМ -ОДИН НА ОДИН

Одной из наиболее распространенных схем любительского одноместного самолёта является подкосный моноплан с высокорасположенным крылом и тянущим воздушным винтом. Следует заметить, что эта схема появилась в 1920-х годах и за всё время своего существования практически не изменилась, став одной из наиболее изученных, испытанных и конструктивно отработанных. Характерные признаки самолёта такого типа – деревянное двухлонжеронное крыло, стальной сварной ферменный фюзеляж, полотняная обшивка, пирамидальное шасси и закрытая кабина с дверью автомобильного типа.

В 1920-е – 1930-е годы широкое распространение получила разновидность этой схемы – самолёт типа «парасоль» (с франц. parasol – зонтик от солнца), представлявший собой высокоплан с крылом, закреплённым на стойках и подкосах над фюзеляжем. «Парасоли» в любительском самолётостроении встречаются и поныне, однако они, как правило, конструктивно сложны, менее совершенны в аэродинамическом отношении и менее удобны в эксплуатации, чем классические высокопланы. К тому же, у таких аппаратов (особенно небольших размеров) весьма затруднён доступ в кабину и, как следствие, – сложность её аварийного покидания.

Одноместные самолёты-высокопланы:

А – парасоль «Малыш»:

двигатель – ЛК-2 мощностью 30 л.с. конструкции Л.Комарова, площадь крыла – 7,8 м2, профиль крыла – КларкУ, взлётная масса – 220 кг (пилот – 85 кг, силовая установка – 32,2 кг, фюзеляж – 27 кг, шасси с лыжами -10,5 кг, горизонтальное оперение – 5,75 кг, крыло с подкосами – 33 кг), максимальная скорость — 130 км/ч, дальность полёта при запасе топлива 10 л-180-200 км

Б – высокоплан «Ленинградец»:

двигатель – «Цюндапп» мощностью 50 л.с., площадь крыла – 9,43 м2, взлётная масса — 380 кг, масса пустого — 260 кг, максимальная скорость -150 км/ч, скороподъёмность у земли – 2,6 м/с, продолжительность полёта -8 ч, скорость сваливания – 70 км/ч

Самолёт-высокоплан В. Фролова

К достоинствам высокопланов можно отнести простоту техники пилотирования, особенно если удельная нагрузка на крыло не превышает 30 – 40 кг/м². Высокопланы отличаются хорошей устойчивостью, прекрасными взлётно-посадочными характеристиками, они допускают заднюю центровку до 35 -40% средней аэродинамической хорды (САХ). Из кабины такого аппарата лётчику обеспечен оптимальный обзор вниз. Короче говоря, для тех, кто строит свой первый самолёт, да к тому же собирается самостоятельно освоить его пилотирование, лучшей схемы не придумать.

В нашей стране к схеме подкосного высокоплана авиаконструкторы-любители обращались неоднократно. Так, в своё время появилась целая эскадрилья самолётов-«парасолей»: «Малыш» из Челябинска, созданный бывшим лётчиком Л.Комаровым, «Ленинградец» из Санкт-Петербурга, построенный группой авиамоделистов во главе с В.Тацитурновым, высокоплан, спроектированный механизатором В.Фроловым из подмосковного села Донино.

О последнем аппарате следует рассказать подробнее. Хорошо изучив наиболее простую схему подкосного высокоплана, конструктор тщательно спланировал свою работу. Крыло изготовил из сосны и фанеры, фюзеляж сварил из стальных труб и обтянул эти элементы самолёта полотном по классической авиационной технологии. Колёса для шасси подобрал большие, чтобы можно было летать с неподготовленных грунтовых площадок. Силовой агрегат – на базе 32-сильного двигателя МТ-8, снабжённого редуктором и воздушным винтом большого диаметра. Взлётная масса самолёта – 270 кг, полётная центровка – 30% САХ, удельная нагрузка на крыло – 28 кг/м², размах крыла – 8000 мм, тяга винта на месте – 85 кгс, максимальная скорость – 130 км/ч, посадочная – 50 км/ч.

Лётчик-испытатель В. Заболотский, производивший облёт этого аппарата, пришёл в восторг от его возможностей. По словам пилота, им сможет управлять даже ребёнок. Самолёт эксплуатировался у В. Фролова более десяти лет и участвовал в нескольких слётах СЛА.

Не меньший восторг у лётчиков-испытателей вызвал самолёт ПМК-3, созданный в подмосковном городе Жуковский группой авиаконструкторов-любителей под руководством Н. Прокопца. Машина имела своеобразную носовую часть фюзеляжа, очень низкое шасси и была спроектирована по схеме подкосного высокоплана с закрытой кабиной; с левой стороны фюзеляжа предусматривалась дверь. Крыло несколько скошено назад для обеспечения необходимой центровки. Конструкция самолёта – цельнодеревянная, с обтяжкой полотном. Крыло – однолонжеронное, с сосновыми полками, набор нервюр и лобик крыла обшиты фанерой.

Самолёт ПМК-3:

площадь крыла – 10,4 м2, профиль крыла – Р-Ш, взлётная масса – 200 кг, запас топлива – 13 л, полётная центровка – 27% САХ, статическая тяга воздушного винта – 60 кгс, скорость сваливания – 40 км/ч, максимальная скорость – 100 км/ч, дальность полёта – 100 км

Основа фюзеляжа – три лонжерона, и посему фюзеляж имел треугольное поперечное сечение. Оперение и система управления самолёта ПМК-3 выполнены как у известного учебного планёра Б. Ошкиниса БРО-11 М. Основа силовой установки – 30-сильный подвесной лодочный мотор «Вихрь» с жидкостным охлаждением; при этом радиатор немного выступал из правого борта фюзеляжа.

Интересной разновидностью подкосного высокоплана любительской постройки стал «Дон Кихот», разработанный в Польше Я. Яновским. С лёгкой руки энтузиаста самодеятельного авиастроения известного лётчика-планериста-испытателя и журналиста Г.С. Малиновского, опубликовавшего в журнале «Моделист-конструктор» чертежи «Дон Кихота», эта, в общем-то, не совсем удачная схема получила весьма широкое распространение в нашей стране – на слётах СЛА порой насчитывалось более четырёх десятков аналогичных аппаратов. Профессиональные авиаконструкторы, правда, считают, что авиаторов-любителей в этой схеме привлекала прежде всего необычность внешнего вида самолёта, но именно в ней и таились некоторые «подводные камни».

Характерной особенностью «Дон Кихота» была вынесенная вперёд кабина, которая обеспечивала прекрасный обзор и удобное размещение лётчика. Однако на предельно лёгком самолёте массой до 300 кг центровка существенно менялась в случае, когда в кабину вместо 80-кг пилота садился более субтильный, весивший 60 кг — аппарат при этом вдруг превращался из чрезмерно устойчивого в абсолютно неустойчивый. Избежать подобной ситуации следовало ещё при проектировании машины – нужно было только установить кресло пилота в центре её тяжести.

Самолёты с толкающим воздушным винтом, спроектированные по схеме самолёта «Дон Кихот»:

А – «Дон Кихот» Я. Яновского и компоновка его кабины:

мощность двигателя — 25 л.с., площадь крыла — 7,5 м2, масса пустого – 150 кг, взлётная масса – 270 кг, максимальная скорость – 130 км/ч, скороподъёмность у земли — 2,5 м/с, потолок — 3000 м, дальность полёта – 250 км. Конструкция машины – цельнодеревянная

Б – «Полонез» Я. Яновского:

мощность двигателя – 30 л.с., размах крыла -7 м, площадь крыла – 7 м2, масса пустого – 105 кг, взлётная масса – 235 кг, максимальная скорость – 160 км/ч, скороподъёмность — 3 м/с, продолжительность полёта – 3 ч

В – самолёт А-12:

конструкция – стеклопластиковая, мощность двигателя – 35 л.с., размах крыла — 8 м, площадь крыла — 8 м2, профиль крыла — Кларк YH, взлётная масса – 246 кг, масса пустого – 143 кг, полётная центровка – 20% САХ, максимальная скорость – 130 км/ч

Ещё одна особенность «Дон Кихота» – шасси с хвостовым колесом. Как известно, такая схема в принципе не обеспечивает путевой устойчивости лёгкого самолёта при движении его по аэродрому. Дело в том, что движения самолёта с уменьшением его массы и моментов инерции становятся быстрыми, резкими, короткопериодическими, и пилоту приходится всё своё внимание сосредотачивать на выдерживании направления разбега или пробега.

Самолёт А-12 из клуба «Аэропракт» (г. Самара), представлявший собой одну из копий «Дон Кихота», обладал точно таким же врождённым дефектом, что и первенец этой плеяды, однако конструкторы после испытаний машины профессиональными лётчиками В. Макагоновым и М. Молчанюком быстро нашли ошибку в конструкции. Заменив на А-12 хвостовое колесо носовым, они полностью устранили один из главных недостатков самолёта польской схемы.

Ещё один существенный недостаток «Дон Кихота» – использование толкающего воздушного винта, затеняемого в полёте кабиной пилота и крылом. При этом эффективность винта резко падала, а крыло, не обдуваемое воздушным потоком от винта, не обеспечивало расчётной подъёмной силы. В результате росли взлётная и посадочная скорости, что приводило к удлинению разбега и пробега, а также уменьшало скороподъёмность. При низкой тяговооружённости самолёт мог вообще не оторваться от земли. Именно это и произошло на одном из слётов СЛА с самолётом «Эльф», построенным по схеме «Дон Кихота» студентами и сотрудниками МАИ.

Конечно, строить аппараты с толкающим воздушным винтом вовсе не возбраняется, однако необходимость и целесообразность создания самолёта с такой силовой установкой в каждом конкретном случае следует тщательно оценивать, поскольку при этом неизбежны потери тяги и подъёмной силы крыла.

Следует заметить, что конструкторам, творчески подошедшим к использованию силовой установки с толкающим воздушным винтом, удавалось преодолевать недостатки такой схемы и создавать весьма интересные варианты. В частности, несколько удачных аппаратов по схеме «Дон Кихота» построил механизатор из города Днепродзержинска П. Атёмов.

Самолёт «Кристалл» П. Альмурзина:

площадь крыла – 8 м2, взлётная масса – 215 кг, максимальная скорость – 150 км/ч, скорость сваливания – 60 км/ч, скороподъёмность у земли – 1,5 м/с, диапазон эксплуатационных перегрузок – от +6 до -4

Конструкция самолёта «Кристалл»:

1 – металлический носок крыла; 2 – трубчатый лонжерон крыла; 3 – закрылок; 4 – трубчатые лонжероны элерона и закрылка; 5 – элерон; 6 – рукоятка управления двигателем; 7 – входная дверь кабины пилота (справа); 8 – двигатель; 9 – тяга управления элерона; 10 – подкос в плоскости крыла; 11 – клёпаная дюралюминиевая фюзеляжная балка; 12 – трубчатые лонжероны; 13 – указатель скорости; 14 – выключатель зажигания; 15 – высотомер; 16 – вариометр; 17 – указатель скольжения; 18 – указатель температуры головки цилиндра; 19 – ручка управления закрылком; 20 – наспинный парашют

Хорошо летающий самолёт с толкающим воздушным винтом был создан коллективом самодеятельных авиаконструкторов из клуба «Полёт» Самарского авиационного завода под руководством П. Апьмурзина – машина эта получила название «Кристалл». Облетавший её лётчик-испытатель В. Горбунов не поскупился на высокую оценку – по его отзывам, машина обладала хорошей устойчивостью, была легка и проста в управлении. Самарцы сумели обеспечить высокую эффективность закрылков, отклонявшихся на 20° на взлёте и на 60° – при посадке. Правда, скороподъёмность этого летательного аппарата составляла лишь 1,5 м/с из-за затенения толкающего воздушного винта широкой кабиной пилота. Тем не менее, названный параметр оказался вполне достаточным для любительской конструкции – и это несмотря на то, что взлёт его был несколько затруднён.

Привлекательный внешний вид «Кристалла» сочетается с великолепным производственным исполнением цельнометаллического моноплана. Фюзеляж планёра представляет собой дюралюминиевую балку, склёпанную из 1-мм листов Д16Т. В силовой набор балки входили также несколько выгнутых из листового дюралюминия стенок и шпангоутов.

Следует заметить, что в любительских конструкциях вместо металла вполне можно использовать фанеру, сосновые бруски, пластики и другие доступные материалы.

В изгибе фюзеляжной балки, в носовой её части, располагалась кабина, закрытая большим прозрачным фонарём гранёной формы и лёгким обтекателем из листового Д16Т толщиной 0,5 мм.

Подкосное крыло – оригинальной однолонжеронной конструкции с лонжероном из дюралюминиевой трубы 90×1,5 мм, воспринимавшим нагрузки от изгиба и кручения крыла. Набор нервюр из 0,5-мм Д16Т, штампованных в резину, закреплялся на лонжероне заклёпками. Подкос крыла изготовлен из дюралюминиевой трубы 50×1 и облагорожен обтекателем из Д16Т. В принципе, дюралюминиевые лонжероны и подкосы можно заменить деревянными, коробчатого сечения.

Крыло оснащалось элеронами и закрылками с механическим ручным приводом. Профиль крыла – Р-ІІІ. Элерон и закрылок имели лонжероны из дюралюминиевых труб диаметром 30×1 мм. Лобик крыла – из 0,5 мм листового Д16Т. Поверхности крыла обтягивались полотном.

Оперение – свободнонесущее. Киль, стабилизатор, руль направления и руль высоты – также однолонжеронные, с лонжеронами из труб Д16Т диаметром 50×1,5 мм. Оперение обтягивалось полотном. Проводка управления элеронами имела жёсткие тяги и качалки, проводка к рулям – тросовая.

Шасси – трёхопорное, с управляемым носовым колесом. Амортизация шасси на самолёте происходила за счёт упругости колёс-пневматиков с размерениями 255×110 мм.

Основа силовой установки самолёта – 35-сильный двухцилиндровый двигатель РМЗ-640 от снегохода «Буран». Воздушный винт – деревянной конструкции.

При сравнении тянущего и толкающего воздушных винтов нужно иметь в виду, что для аппаратов с малой мощностью силовой установки первый более эффективен, что в своё время великолепно продемонстрировал французский авиаконструктор сотрудник фирмы «Аэроспасьяль» Мишель Коломбан – создатель небольшой и весьма изящной авиетки «Кри-кри» (сверчок).

Не будет лишним напомнить, что создание малогабаритных летательных аппаратов с моторами минимальной мощности во все времена привлекало как любителей, так и профессионалов. Так, конструктор больших самолётов O.K. Антонов, уже построивший летающий гигант Ан-22 «Антей» взлётной массой 225 т, в своей книге «Десять раз сначала» рассказал о своей давней мечте – самолёте-малютке с двигателем в 16 л.с. К сожалению, создать такой аппарат Олег Константинович не успел…

Сконструировать компактный самолёт – задача не такая уж простая, как это может показаться на первый взгляд. Многие задумывали его в виде сверхлёгкой машины с предельно малой нагрузкой на крыло. В итоге получались ультралёгкие аппараты, способные летать лишь при полном отсутствии ветра.

Позднее конструкторы пришли к идее использования для таких аппаратов крыльев небольшой площади и с большой удельной нагрузкой, что позволило значительно уменьшить размеры машины и повысить её аэродинамическое качество.

Двухмоторные низкопланы:

А – самолёт «Кри-Кри» Мишеля Коломбана (Франция);

Б – самолёт «Пася» Эдварда Магранского (Польша) — удачный пример творческого развития схемы «Кри-Кри»:

силовая установка – два двигателя KFM-107E суммарной мощностью 50 л.с., площадь крыла – 3,5 м2, удлинение крыла – 14,4, масса пустого – 180 кг; взлётная масса – 310 кг; максимальная скорость – 260 км/ч; скорость сваливания – 105 км/ч; дальность полёта – 1000 км

Компоновка самолёта «Кри-Кри»:

1 – приёмнщс воздушного давления указателя скорости; 2 – дюралюминиевый воздушный винт (максимальная частота вращения – 1000 об/мин.); 3 – двигатель «Ровена» (рабочий объём цилиндра 137 см3, мощность 8 л.с., масса 6,5 кг); 4 – резонансная выхлопная труба; 5 – мембранный карбюратор; 6 – заборники топлива – гибкие шланги с грузиками на концах (по одному на двигатель); 7 – сектор газа (левый борт); 8 – рукоятка механизма триммерного эффекта (перенастройка пружинного загружателя руля высоты); 9 – сбрасываемая часть фонаря; 10 – безопорная качалка в тросовой проводке управления рулём направления; 11 – жёсткая проводка управления стабилизатором; 12 – тросовая проводка привода руля направления; 13 – цельноповоротное горизонтальное оперение; 14 – качалка руля направления; 15 – лонжерон киля; 16 – шасси при обжатом положении амортизации; 17 – рессора главного шасси; 18 – дренажная трубка топливного бака; 19 – ручка управления зависанием элеронов-закрылков (левый борт); 20 – топливный бак ёмкостью 32 л; 21 – тросовая проводка управления носовой стойкой шасси; 22 – регулируемые педали; 23 – загружатель педалей (резиновый амортизатор); 24-резиновый амортизатор правой стойки шасси; 25 – рама установки двигателей (стальная V-образная труба); 26 – качалка управления носовой стойкой; 27 – лонжерон крыла; 28 – зависающий элерон (углы отклонения от -15° до +8°, зависание – +30°; 29 – пенопластовый шпангоут; 30 – обшивка крыла; 31 – кронштейн навески зависающего элерона; 32 – пенопластовые нервюры; 33 – законцовка стабилизатора (бальза); 34 – лонжерон стабилизатора; 35 – носок элерона (обшивка – дюралюминий, заполнитель – пенопласт)

Как ужё упоминалось, одним из наиболее удачных самолётов, построенных в соответствии с такой концепцией, стал двухмоторный низкоплан «Кри-кри», созданный М. Коломбаном. Этот аппарат по своим размерам напоминает скорее большую летающую модель, нежели пилотируемый летательный аппарат. Его взлётная масса – всего 170 кг, масса пустого – 70 кг, площадь крыла – 3,1 м². Однако чрезмерно уменьшать размах крыла, как это порой делают начинающие авиаконструкторы, Коломбан не стал, справедливо полагая, что несущие свойства крыла в первую очередь определяются его абсолютным размахом, а не площадью. Так, у «Кри-кри» размах крыла составляет 4,9 м, длина – 3,9 м, высота – 1, 22 м.

На самолёте установлены два одноцилиндровых двигателя воздушного охлаждения суммарной мощностью 16 л.с. В последующих многочисленных вариантах «Кри-кри» использовались моторы мощностью от 8 до 10 л.с. Характерной особенностью этого самолёта является переднее расположение двигателей на V-образной стойке, что создаёт хорошие условия как для их охлаждения, так и для работы воздушных винтов.

Параллельно с конструированием сверхмалых аппаратов с большой удельной нагрузкой на крыло на Западе развивалось и противоположное направление – проектирование «бабочек» – ультралёгких самолётов с огромным крылом. Как правило, это самолёты трубчатой схематической конструкции с мягкой обшивкой, созданные по дельтапланной технологии. Однако по лётным характеристикам «Кри-кри» имеет неоспоримые преимущества при гораздо меньшей мощности силовой установки. Уступает он «бабочкам» лишь по минимальной скорости и взлётно-посадочным характеристикам, существенно превосходя их по всем остальным лётным показателям. И прежде всего — за счёт высокого аэродинамического совершенства компактного аппарата.

«Сверчок» изготовлен преимущественно из металла. Из листового дюралюминия сделаны лонжероны крыла, оперения и фюзеляжа, а также все обшивки, толщина которых не превышает 0,5 мм. В наше время многие самодельщики стараются применять пластик в надежде получить значительное снижение массы аппарата. Однако анализ конструкций таких самолётов показывает, что масса их на 15 – 20% больше, чем у машины Коломбана. Несиловые элементы планёра «Кри-кри», включая нервюры крыла, оперения, а также некоторые шпангоуты фюзеляжа, изготовлены из плотного пенопласта. Все соединения тонкой металлической обшивки с каркасом выполнены с помощью склейки, что способствовало получению чистых и гладких аэродинамических поверхностей.

Самолёт Коломбана пользуется огромной популярностью среди самодеятельных авиаконструкторов. Простота и технологичность его конструкции способствовали распространению «Сверчка» во многих странах – по чертежам Коломбана были построены десятки (если не сотни) аппаратов такого типа.

Пилотажные качества «Кри-кри» оказались достаточно высокими: он может выполнять фигуры высшего пилотажа в диапазоне эксплуатационных перегрузок от +6 до -3 и такие акробатические трюки, как полёт двух аналогичных машин «голова к голове».

(Продолжение следует)

ВЯЧЕСЛАВ КОНДРАТЬЕВ