Зачем нужен излом на крыле самолета
Секрет заключается в том, что систему типа «чаячье крыло» применяют в различных целях, причем эти цели иногда могут кардинальным образом друг другу противоречить. Более того, далеко не всегда gull wing вообще выполняет какую-либо функцию. Его появлению способствовал прецедент, связанный с ошибкой одного талантливого инженера.
В 1930 году знаменитый немецкий авиаконструктор Александр Липпиш спроектировал спортивный планер Fafnir. Липпиш разрабатывал машину для конкретных целей — демонстрации возможностей безмоторной авиации и установления рекордов. В своем стремлении к поиску революционного решения инженер применил, помимо ряда других интересных находок, схему «чаячье крыло» с изломом, предполагая, что она увеличит стабильность полета при боковых кренах.
Он ошибался. Но надо же такому случиться, что Fafnir действительно оказался очень удачной конструкцией. Он выиграл ряд воздушных соревнований, «прогремел» по всей Германии, установил мировой рекорд высоты подъема для планера, совершил несколько сверхдальних перелетов. Сам Липпиш придавал схеме gull wing большое значение и полагал, что она сыграла немалую роль в успехе планера. Об этом же писали газеты — все-таки излом на крыле был самым заметным визуальным элементом «Фафнира». Планер Липпиша породил нечто вроде моды на «чаячьи крылья»: значительная доля планеров 1930-х годов использовала такую же схему.
Легендарный Junkers Ju 87 (1935) — относительно ранняя попытка использовать инвертированное «чаячье крыло» в военном самолете. Шасси «Юнкерса» было фиксированным и не убиралось, что ещё больше подчеркивало излом на крыле. Преимущества «чаячьего крыла»: улучшение «дорожного просвета» и расстояния между лопастями пропеллеров и землей при посадке без удлинения и утяжеления стоек шасси; более надежное крепление корневого участка крыла к фюзеляжу; улучшение бокового обзора из кабины пилота (в классических монопланах); эстетические качества, в частности визуальное увеличение размаха крыла. Недостатки «чаячьего крыла»: усложнение конструкции крыла; снижение аэродинамических качеств летательного аппарата; снижение скороподъемности самолета.
Но проведенные много позже аэродинамические исследования показали, что роль излома была мизерной, если не сказать никакой. Липпиш вполне мог спроектировать планер с обычным крылом — и тот был бы не хуже. Последовавшие же за модной тенденцией компании столкнулись с рядом проблем: «чаячье крыло» было значительно сложнее и дороже в изготовлении, да и выгод особых не давало. Преимущества или недостатки планеров создавались за счет других элементов. Тем не менее идея получила свое продолжение, потому что определенная функция у «чаячьего крыла» все-таки имелась.
В море и на суше
Современные исследования доказали: и излом крыла вверх (классическое «чаячье крыло»), и обратный излом снижают аэродинамическое качество летательного средства, то есть отношение подъемной силы к лобовому сопротивлению, а также скороподъемность — скорость набора высоты в полете. В чем же причина его популярности в 1930-е годы и вплоть до конца 1950-х? В первую очередь — в эстетике. Планеры с изломанным крылом напоминали благородных птиц, казались эффектнее, быстрее, красивее. Чистый дизайн, никакой функциональности. Но если в планеризме «чаячье крыло» оказалось не более чем игрушкой, то в самолетостроении идея Липпиша нашла очевидное функциональное назначение. И в первую очередь — в гидросамолетах.
Немецкий планер DFS Kranich II (1935) Один из многочисленных «последователей» планера Fafnir, попытка придать летательному аппарату дополнительное изящество посредством «чаячьего» излома.
В 1930—1940-х гидроавиация развивалась ударными темпами. Мощность двигателей и размеры самолетов росли как на дрожжах. Появлялись такие конструкции, как Boeing 314 (1938) — первый самолет, совершавший регулярные трансатлантические рейсы, или Hughes H-4 Hercules (1947) — самый большой самолет в мире, причем рекорд по размаху крыла он удерживает по сей день. Все это были летающие лодки.
Рост мощности предъявлял определенные требования и к пропеллерам. В скоростных истребителях «работало» повышение оборотов двигателя, но для относительно тихоходных гидросамолетов такая схема не подходила. Для эффективной работы мощного двигателя приходилось увеличивать диаметр винта.
Один из первых полетов RRG Fafnir (1930) — планера, задавшего новый «тренд» с изломом крыла. Его создатель, Александр Липпиш, полагал, что излом позволит улучшить аэродинамические качества конструкции. Планер Fafnir был не первым летательным аппаратом с «чаячьим крылом». Он дал этой схеме жизнь, сделав ее более или менее популярной, но придумал излом вовсе не Александр Липпиш. За девять лет до того другой немецкий авиаконструктор, Фридрих Венк, основал компанию Weltensegler G.m.b.H., первым и единственным детищем которой стал одноименный глайдер. Венк проектировал его специально для соревнований Wasserkuppe в Рёне — на тот момент это был единственный крупный технический фестиваль такого плана в Германии. Именно рёнские гонки выиграет Fafnir Липпиша спустя девять лет —, но тогда, в 1921-м, Липпиш был не более чем рядовым инженером в компании Венка. Крыло Weltensegler было разделено изломом примерно на две трети длины, угол составлял 10 градусов. Венк полагал, что форма, имитирующая птичье крыло, будет способствовать длительности планирования, но он ошибался, как впоследствии и его ученик. История планера закончилась трагически: пилот Вилли Лойш не удержал машину при повороте и разбился о землю, рухнув с 80-метровой высоты. А Александр Липпиш принял оригинальное решение Венка к сведению.
Тут-то и возникло расхождение. С одной стороны, крыло должно было находиться достаточно близко к воде, поскольку поплавок на слишком длинной опоре терял жесткость и мог подломиться при посадке. А при использовании более массивной конструкции система становилась тяжелее. Но с другой стороны, точки крепления двигателей должны были возвышаться над водной поверхностью для создания должного зазора между лопастями пропеллеров и водой. Изгиб позволил решить эту проблему — двигатели устанавливались на верхней точке крыла, на самом изломе, а законцовки с поплавком «спускались» к воде. Первой лодкой, в конструкции которой использовался этот прием, стала Short R.24/31 Knuckleduster, британский плавающий моноплан 1933 года. Из хорошо известных российскому читателю амфибий с «чаячьим крылом» стоит упомянуть Бе-12, построенный в 1960 году ОКБ Бериева. Бе-12 оказался достаточно удачной моделью, в документации он получил говорящее наименование «Чайка». Впрочем, аналогичные крылья имел и его предшественник — амфибия Бе-6.
Советский гидроплан БЕ-12 «Чайка» (1960) Одна из относительно поздних конструкций с «чаячьим крылом». Здесь его целью было максимальное удаление двигателей от водной поверхности при взлете и посадке.
А вот в «сухопутных» самолетах «чаячье крыло» себя не оправдывало. Первой попыткой его применения был польский моноплан PZL P.1 системы Жигмонта Пилявского. Изгиб конструктор использовал, чтобы максимально поднять плоскость крыла над фюзеляжем, обеспечивая пилоту наилучший боковой обзор (в классических монопланах того времени крылья и их крепления перекрывали большую часть поля зрения пилота). Система Пилявского более или менее прижилась и даже получила особое название — «польское крыло». Впоследствии оно использовалось в советском истребителе 1938 года И-153 «Чайка» — как иначе мог он называться?
Польский моноплан PZL P.11 стал одним из немногих самолетов, не предназначенных для посадки на воду и при этом оснащенных прямым «чаячьим крылом». Целью разработчика «польского крыла» Жигмонта Пилявского было обеспечение пилоту лучшего обзора.
Обратный излом
Итак, прямой излом (с острием угла, смотрящим вверх) на аэродинамику влиял негативно, зато позволял решить другие конструктивные задачи и повысить эстетические свойства самолета. А если «сломать» крыло в другом направлении? Как ни странно, подобная система («обратная чайка») на земле решала ровно ту же задачу, что прямой излом — на воде. В отличие от гидропланов, обычные самолеты имели один центрально расположенный двигатель и, соответственно, пропеллер. Зазор между лопастями и землей при взлете и посадке тут играет еще большую роль, нежели у амфибий. Соответственно, увеличить этот зазор можно, расположив стойки шасси на самых нижних точках крыльев и таким образом максимально увеличив дорожный просвет самолета. Конечно, можно удлинять и сами стойки —, но при этом, как говорилось выше, снижается их жесткость и растет масса. Схему «обратной чайки» использовал, например, американский истребитель Vought F4U Corsair — он имел самый большой из всех американских самолетов такого класса диаметр пропеллера и при этом очень короткие, жесткие стойки шасси, укрепленные как раз в точке излома крыла, на стыке корневого и концевого участков.
Beck-Mahoney Sorceress Интересным примером «чаячьего крыла» был спортивный биплан Beck-Mahoney Sorceress, построенный в 1970 году. Его спроектировали отец и сын, Ли и Сэлдон Мэхони, специально для авиагонок, и он идеально вписывался в правила, разработанные для класса бипланов в 1965 году. Переднее крыло Sorceress было смещено в переднюю часть фюзеляжа и сильно опущено вниз — так, что шасси практически не имели отдельных стоек, а крепились прямо к крылу. Для того чтобы подвесить такое крыло к фюзеляжу, конструкторы и применили «обратную чайку», иначе самолет оказывался слишком низким и «черпал» пропеллером землю при взлете и посадке. Верхнее крыло было обычным. В первом же своем соревновании 1970 года биплан разогнался до 245 км/ч и выиграл (вне зачета) гонку Biplane Consolation. В 1972 году пилот Дон Бек на Sorceress выиграл престижнейшее соревнование Biplane Gold в Рено с таким отрывом от преследователей, что остальные пилоты и конструкторы подали официальный протест против участия необычной машины в гонках под предлогом несоответствия правилам. Всего Дон Бек выигрывал гонку в Рено четырежды, установив ряд рекордов. Его Sorceress стал первым пропеллерным бипланом, преодолевшим планку в 200 миль/ч (320 км/ч). В 1983 году биплан отправился в Национальный музей авиации и космонавтики в Вашингтоне.
Среди других самолетов того времени с «обратной чайкой» были немецкие — Junkers Ju 87 — и японские, в частности Mitsubishi A5M, предшественник легендарного «Зеро». Интересно, что крыло с изломом в их конструкции давало и еще одно преимущество: крепление основания крыла к округлому фюзеляжу производилось под прямым углом, что упрощало конструкцию и делало ее прочнее. У «Юнкерса» увеличенная таким образом посадка позволяла также разместить под корпусом больший запас бомб.
Нужно ли это сейчас?
Все задачи, которые могло решить «чаячье крыло», давно отошли в прошлое. Изменилось все — самолеты, двигатели, пропеллеры. Совсем иначе выглядят современные бомбардировщики и гидросамолеты, никто не заблуждается относительно аэродинамических преимуществ излома на крыле — от былой славы осталась только эстетическая составляющая. Проще говоря, сегодня gull wing имеет смысл только в плане дизайна.
Строят ли сегодня самолеты с подобной схемой? Самолеты — нет, а вот планеры иногда встречаются. Также gull wing широко используется в авиамодельном искусстве благодаря эстетической составляющей. Все-таки красоту не отберешь, каким бы сомнительным ни было функциональное назначение. Чайка прекрасна, не правда ли?
