Драма большой поршневой авиации: проекты из прошлого

Драма большой поршневой авиации: проекты из прошлого

Bristol Brabazon

Так назывался экспериментальный британский пассажирский лайнер с трансконтинентальными возможностями. Расшифруем. Bristol – это город в Англии, а также одна из старейших и давно поглощенных авиастроительных компаний страны. Brabazon – фамилия подполковника, английского лорда и пионера британской авиации. В военные годы лорд Джон Брабазон возглавлял Министерство транспорта, но потом был вынужден подать в отставку после того, как выразил надежду на взаимное уничтожение СССР и Германии в ходе Сталинградской битвы. Это был скандал. Тем не менее в 1943 году подполковник возглавил правительственную комиссию, в задачу которой входило определение послевоенного будущего британского авиапрома.

Комиссией было установлено несколько типов самолетов, в которых Британия будет нуждаться после окончания боев в Европе. Среди них был так называемый Type 1 – вместительный пассажирский самолет, способный совершать трансатлантические полеты. Накануне и во время войны компания Bristol пыталась разрабатывать сверхтяжелый дальний бомбардировщик, но проект оказался невостребованным: в войне с Гитлером вполне хватало американских бомберов и местных «Ланкастеров». Однако предложенный комиссией Брабазона Type 1 вдохновил конструкторов и менеджмент Bristol. Заявка была подана и Bristol получила правительственный заказ на строительство двух прототипов.

В основу нового пассажирского лайнера были положены разработки по несостоявшемуся бомбардировщику. В результате у конструктора Лесли Фрайса получился один из самых больших пассажирских самолетов в мире, и самый большой из когда-либо произведенных в Британии. Достаточно сказать, что размахом крыльев он превосходил Boeing 747, который появится только через пару десятилетий, а диаметром фюзеляжа – самый современный A350 XWB (напомним, что XWB – это extra wide body, «сверхширокий фюзеляж»). Самолет оснастили восьмеркой поршневых двигателей Bristol Centaurus (2650 л.с. каждый) – ранее такие устанавливались на истребители Hawker Tempest и Hawker Sea Fury. Лайнер обеспечивал дальность 8900 км при скорости 400 км/ч.

Первый полет первого и единственного образца был совершен 4 сентября 1949 года, в следующем году он уже красовался на авиасалоне в Фарнборо. Тем не менее Bristol Brabazon, названный в честь лорда-покровителя, оказался ошибкой и тупиком. И дело не только в поршневых двигателях в эпоху, когда на крыло уже становилась реактивная и турбовинтовая пассажирская авиация, но и в чисто маркетинговом просчете. При огромных размерах самолет должен был брать на борт около 100 человек, которым предлагались просто царские условия: огромное пространство на каждого пассажира, плюс бар, кинотеатр, лаунж. В общем, подсчитали и прослезились: в экономику авиаперевозок послевоенного времени такой шик никак не вписывался. Проект закрыли, самолет утилизировали наряду со вторым, недостроенным опытным образцом. Кстати, его проектировали уже под турбовинтовые силовые установки.

Lockheed Сonstellation

Одной из причин неудач британского авиапрома, приведшей к его почти полному исчезновению, были успехи американских конкурентов (мы об этом рассказывали в нашей статье «Жертвы конкуренции и катастроф: куда подевались британские лайнеры»). Даже в «поршневом» сегменте американцам удалось сработать успешнее. В 1939 г. авиакомпания TWA, крупным акционером которой являлся легендарный Говард Хьюз, предложила фирме Lockheed разработать самолет вместимостью 40 пассажиров и дальностью свыше 5600 км, что достаточно для перелета через Атлантику. Конструкторы Келли Джонсон и Рон Хиббард превысили заданный показатель. Самолет Lockheed Constellation (т.е. «Созвездие»), отправившийся в первый полет в январе 1943 года имел дальность 7300 км и мог развивать скорость до 550 км/ч (сравним с 400 км/ч неудачливого «Брабазана»).

Во время войны было выпущено 22 машины в военно-транспортном варианте С-69С, а уже в 1945 г. началась коммерческая эксплуатация гражданского самолета в авиакомпаниях, прежде всего TWA и Pan American. В разных модификациях «Созвездие» мог принимать на борт до 109 пассажиров. Машину оснастили четырьмя поршневым звездообразными турбированными 18-цилиндровыми двигателями Wright R-3350 Turbo Compound (мощность порядка 2500 л.с. ). Несмотря на то, что на больших дистанциях Constellation быстро вытеснили самолеты с газотурбинными двигателями, эти рабочие лошадки с причудливо выгнутыми фюзеляжами и тремя килями еще долго работали у военных и на местных линиях на разных континентах вплоть до 1990-х годов. Стоит упомянуть, что и другие производители – Boeing и Douglas — имели в своем ассортименте машины близкого класса. Например, отличавшийся высочайшим уровнем комфорта также поршневой Boeing 377, который являлся по сути глубокой модификацией знаменитой «суперкрепости» — тяжелого бомбардировщика B-29.

Были у B-29 и другие, не вполне официальные, потомки. Как известно, советский бомбардировщик Ту-4 – это нелицензионный клон американской «суперкрепости», созданный методом обратной разработки (реверс-инжиниринга). Времена менялись, у США появилось ядерное оружие, а Советский союз вот-вот собирался им обзавестись. Чтобы не остаться беззащитными и получить возможность при необходимости ответить Америке, понадобился бомбардировщик с большей дальностью и большей боевой нагрузкой. Кроме того, и американский авиапром не стоял на месте, произведя глубокую модернизацию B-29 под именем B-50.

ОКБ Туполева пошло в том же направлении, начав в ответ работы над модификацией Ту-4, которая получила название Ту-80. Потом в США появился межконтинентальный стратегический бомбардировщик B-36 и задача для советских авиаконструкторов стала еще сложнее. Следующей ступенью стал Ту-85 – бомбардировщик с практической дальностью 12000 км при бомбовой нагрузке 5 т. На высоте 10 000 м он мог развивать скорость 638 км/ч. Первый полет опытного экземпляра Ту-85 состоялся в январе 1951 года. Самолет оснастили четырьмя турбокомпаундными (то есть дополнительно использующими энергию турбин) поршневым двигателем со звездчатым расположением блоков цилиндров (четыре цилиндра – 6 лучей). Охлаждение силовых установок – жидкостное с дополнительным воздушным. Существовала и конкурирующая силовая установка на воздушном охлаждении — АШ-2ТК – но она так и не была доведена до нужной кондиции. В том же 1951 году проект Ту-85 был закрыт.

Опыт боев в Корее показал, что поршневому бомбардировщику не хватает скорости для борьбы с реактивными истребителями. Поэтому туполевцы перешли к проектированию турбовинтового бомбардировщика Ту-95, поздние модификации которого находятся в рядах российских ВКС до сих пор. В его создании, разумеется, были учтены наработки по Ту-80 и ТУ-85, что позволяет некоторым злым языкам на Западе называть нашего «Медведя» модификацией B-29 Superfortress.

Convair B-36

Convair B-36 Peacemaker («Миротворец») – шестимоторный бомбардировщик, в котором Советский Союз видел угрозу и на который ответил, разработав Ту-85, изначально не проектировался как оружие холодной войны. Потребность в тяжелом дальнем бомбардировщике стала ощущаться у американцев в начале 1941 года, когда все еще сохранялась возможность падения Англии. В этом случае США (при условии вступления в войну, а дело было до Пирл-Харбора) лишились бы аэродромов Великобритании, и бомбы для Гитлера пришлось бы возить через океан, желательно побыстрее, без дозаправок и вне досягаемости немецких зениток. Несколько позже обсуждалась возможность бомбить Японию с аэродромов на Гавайях.

Поначалу военные запросили нечто фантастическое – рабочий потолок 14 000м, максимальная скорость 720 км/ч и дальность 19 000 км. Им объяснили, что существующие технологии пока не позволяют соответствовать этим запросам. Тогда требования снились: потолок 12000 м, дальность 16000 км, максимальная скорость 700 км/ч. Самолет впервые поднялся в воздух уже после окончания войны – в 1946 г., а в 1948 году был принят на вооружение.

Авиационный поршневой двигатель: обзор, устройство и характеристики

Долгое время, с конца XIX века и до середины XX, поршневой авиационный двигатель оставался единственным мотором, который обеспечивал полеты самолетов. И только в сороковых годах прошлого века он уступил свое место двигателям с иными принципами работы — турбореактивным. Но, несмотря на то, что поршневые моторы и утратили свои позиции, они не исчезли со сцены.

Современные области применения поршневых моторов

В настоящее время авиационные поршневые двигатели применяют в основном на спортивных самолетах, а также на малых летательных аппаратах, изготовленных по персональным заказам. Одной из главных причин того, что моторы этого типа используются крайне мало, является то, что соотношение единицы мощности к единице массы поршневого двигателя существенно меньше по сравнению с газотурбинными. Поршневые по скоростным показателям не выдерживают никакой конкуренции с иными моторами, применяемыми в авиастроении. Более того, КПД их не превышает 30 %.

Виды поршневых авиамоторов

Поршневые авиационные двигатели имеют различия в основном по порядку расположения цилиндров по отношению к коленвалу. Вследствие этого имеется достаточно большое количество разнообразных видов поршневых моторов. Наиболее широкое применение получили следующие:

• двигатели, у которых V-образное расположение цилиндров;
• поршневой радиальный двигатель, где цилиндры расположены звездообразно;
• оппозитный двигатель, у него цилиндры располагаются рядно.

Двигатели с V-образным расположением цилиндров

Они являются самыми известными и применяемыми типами двигателей внутреннего сгорания в авиастроении и не только. Их название связано с характерным расположением цилиндров по отношению к коленвалу. При этом они имеют различный уровень наклона по отношению друг другу. Он может составлять от 10 до 120 градусов. Такие моторы работают по тем же принципам, как и иные двигатели внутреннего сгорания.

К достоинствам двигателей с V-образным расположением цилиндров относится относительная их компактность при сохранении мощностных показателей, а также возможность получать приличный крутящий момент. Конструкция позволяет достигать значительных ускорений вала вследствие того, что инерция, создаваемая при работе, значительно выше, чем у иных типов двигателей внутреннего сгорания. По сравнению с другими типами, эти отличаются наименьшей высотой и длиной.

Моторы этого вида имеют высокую жесткость коленвала. Это обеспечивает большую конструктивную прочность, что увеличивает сроки службы всего двигателя. Рабочие частоты таких моторов отличаются большими диапазонами. Это позволяет быстро набирать обороты, а также устойчиво работать на предельных режимах.

К недостаткам поршневых авиационных двигателей с V-образным мотором относят сложность их конструкции. Вследствие этого они стоят значительно дороже других типов. Более того, они отличаются достаточно большой шириной двигателя. Также V-образные моторы характеризуются высоким уровнем вибрации, сложностями при балансировке. Это приводит к тому, что приходится специально утяжелять различные их части.

Радиальный авиационный поршневой двигатель

В настоящее время радиальные поршневые моторы опять стали востребованы в авиации. Они активно применяются в спортивных моделях самолетов, либо в изготовленных по персональным заказам. Все они малых размеров. Устройство авиационного поршневого двигателя радиального вида, в отличие от иных моторов, заключается в том, что его цилиндры расположены вокруг коленвала через равные углы, как радиальные лучи (звездочки). Это и дало ему название — звездообразный. Такие моторы оборудуются выхлопной системой, которая расходится радиальными лучами. Более того, двигатель этого типа может иметь несколько звезд — отсеков. Это возможно вследствие того, что коленвал увеличивают в длину. Как правило, радиальные двигатели изготавливают с нечетным количеством цилиндров. Это позволяет подавать искру в цилиндр через один. Но делают и радиальные моторы с четным числом цилиндров, однако их количество должно быть больше двух.

Самым большим недостатком двигателей радиального типа является возможность проникновения масла к нижним цилиндрам мотора, когда самолет находится на стоянке. Эта проблема достаточно часто приводит к возникновению мгновенного гидроудара, что влечет поломку всего кривошипно-шатунного механизма. Для недопущения таких проблем перед пуском мотора требуется постоянная проверка состояния нижних цилиндров на предмет отсутствия проникновения к ним масла.

К достоинствам двигателей радиального типа относят их малые габариты, простоту эксплуатации и приличную мощность. Обычно их устанавливают на самолеты спортивных моделей.

Оппозитный авиационный поршневой двигатель

В настоящее время оппозитные авиационные моторы начинают переживать свое второе рождение. Вследствие того, что они обладают небольшими размерами и сравнительно малым весом, их ставят на легкие спортивные самолеты. Они способны развивать достаточную мощность и обеспечивают очень высокие скорости.

Оппозитные двигатели имеют несколько типов конструкций:

1. Мотор, изготовленный по методу «боксер» (Subaru). В таких двигателях поршни цилиндров, расположенных против друг друга, двигаются равноудалено. Это приводит к тому, что в каждом цикле один находится в верхней мертвой точке, а противоположный — в нижней.

2. Двигатели, снабженные устройством ОРОС (Opposed Piston Opposed Cylinder). В таких моторах цилиндры по отношению к коленвалу, расположены горизонтально. В каждом из них находится по два поршня, которые при работе двигаются навстречу. Дальний поршень связан с коленвалом специальным шатуном.

3. Двигатель, сделанный на основании принципа, примененного в советском моторе 5ТДФ. В таком изделии поршни передвигаются навстречу друг другу, работая попарно в каждом отдельном цилиндре. При достижении обоих поршней верхней мертвой точки между ними впрыскивается топливо. Двигатели такой разновидности могут функционировать на горючем различных видов, от керосина до бензина. Для увеличения мощности оппозитных моторов их снабжают турбонаддувом.

Главное достоинство в двигателях оппозитного типа — это компактность, малые габариты. Их можно применять на самолетах очень маленьких размеров. Мощность их достаточно высока. В настоящее время они находят все большее распространение в спортивных летательных аппаратах.

В качестве основного недостатка отмечается высокий расход топлива и особенно моторного масла. По отношению к двигателям других типов оппозитные моторы расходуют горюче-смазочные материалы в два раза больше. Они требуют постоянной замены масла.

Современные авиадвигатели

Современные поршневые авиационные двигатели – это очень сложные системы. Они оснащены современными узлами и агрегатами. Их работу обеспечивают и контролируют современные системы и приборы. Вследствие применения передовых технологий весовая характеристика двигателя существенно снижена. Мощности их возросли, что способствует широкому применению в легкомоторной — спортивный авиации.

Авиационные масла

Масло в поршневых авиационных двигателях работает в достаточно сложных условиях. Это высокие температуры в зонах поршневых колец, на внутренних частях поршней, на клапанах и иных узлах. Поэтому для качественного обеспечения работы мотора в условиях значительных температур, давления, нагрузок, в них используют высоковязкие масла, которые подвергают специальной очистке. Они должны обладать высокой смазочной способностью, оставаться нейтральными к металлам и иным конструктивным материалам двигателя. Авиационные масла для поршневых моторов должны быть стойкими к окислению при воздействии высоких температур, не терять своих свойств при хранении.

Отечественные поршневые авиационные моторы

История производства поршневых моторов в России начинается с 1910 года. Массовый выпуск начался в годы Первой мировой войны. В Советском Союзе советские поршневые авиационные двигатели собственной конструкции стали создавать с 1922 года. С ростом промышленного производства, в том числе авиационного, страна стала массово выпускать поршневые моторы 4-х производителей. Это были двигатели В. Климова, А. Швецова, завода № 29, А. Микулина.

После войны начинается процесс модернизации авиации СССР. Проектируются и создаются авиадвигатели для новых самолетов. Активно развивается реактивное самолетостроение. В 1947 году вся военная авиация, работающая на высоких скоростях, переходит на реактивную тягу. Поршневые авиадвигатели применяются только на учебных, спортивных, пассажирских и военно-транспортных самолетах.

Самый большой поршневой авиадвигатель

Самый мощный поршневой авиационный двигатель был создан в США В 1943 году. Он назывался Lycoming XR-7755. Это был мотор с тридцатью шестью цилиндрами. Его рабочий объем составляла 127 литров. Он был способен развить мощность в 5000 лошадиных сил. Предназначался для самолета Convair B-36. Однако в серию не пошел. Был создан в двух экземплярах, в качестве прототипов.

FLYGUY.RU — учимся летать!

• О сайте
• Первые шаги
  • Выбор типа самолета
  • Первый полет: что ждет курсанта после отрыва от ВПП
  • Психология обучаемого и инструктора
  • Самостоятельный вылет
  • Заполнение летной книжки
  • Спрашивали? Отвечаем!
• Пилотирование
  • Полеты по кругу
    • Руление
    • Взлет и набор высоты
    • Горизонтальный полет
    • Заход
    • Посадка: да как же его, наконец, посадить!
  • Полеты в зону
    • «Шарик в центре» и виды скольжения
    • Виражи. Перегрузка
    • Спираль
    • Полет на малой скорости
    • Потеря скорости, сваливание
    • Штопор
    • Действия в особых случаях
  • Короткая ВПП
  • Грунтовая ВПП
  • Заход на малом газу
  • Выдерживание параметров
  • Начала приборного полета
• Самолетовождение
  • Осмотр самолета
  • Учет ветра
  • Радиообмен и радиоосмотрительность
  • Английский радиообмен
  • Вход/выход из круга аэродрома
  • Штурманский расчет и навигация
  • Подбор площадки с воздуха
  • Ночные полеты
• Теория
  • Приборы. «Что, зачем, чего и как»
  • Влияние вращения пропеллера на рысканье и тангаж
  • Vнв, Vэк, Maximum Range, Endurance и V-speeds
  • Закрылки
  • Нужные формулы
• Библиотека
• РILOT SHOP

Влияние вращения пропеллера на рысканье и тангаж

Думаю, вы уже знаете, что вращение пропеллера каким-то образом влияет на положение самолета в пространстве, что влияние это обычно нежелательно и с ним необходимо что-то делать. Обычно, в качестве причины этого воздействия называют «момент винта», но часто добавляют что-то и про «обдув хвоста». Иногда упоминается также «правило буравчика» – хотя это, на мой взгляд, уже совсем за гранью добра и зла. 🙂 А курсанты обыкновенно кивают и делают вид, что им все понятно.

Если вы из тех, кому уже все понятно – не задерживайтесь на этой страничке. Для остальных я попробую объяснить это как-нибудь попонятнее, на пальцах.

ВАЖНО: вращение пропеллера обеспечивает сразу четыре различных по природе эффекта, влияющих на положение самолета в пространстве. Два из них более заметны на земле, а два других – в воздухе. Вот они:

1. Момент винта
2. Обдув вертикального оперения
3. Асимметрия тяги винта
4. Гироскопический момент (прецессия)

Момент винта (Torque) – это реакция самолета на раскручивание своего же собственного винта. Третий закон Ньютона в действии. Мы раскручиваем винт в одну сторону, а он, в отместку, «раскручивает» нас в обратную. По счастью, мы тяжелее и всегда побеждаем. Но все же немного кренимся.

Людям, имевшим дело с автомобильными моторами, нетрудно вспомнить, что при резкой даче газа, двигатель, работавший до этого на холостом ходу, заметно отклоняется в сторону на своих эластичных подушках. То же самое делает и двигатель самолета, которому дали взлетный режим, и его реакция передается на фюзеляж. Только у самолета этот эффект усиливается как массой винта, так и существенным сопротивлением воздуха, им возмущаемого.

Рис. 1: Момент винта (Torque)

Как же этот реактивный момент сказывается на направлении движения самолета? Больше всего его влияние заметно не в воздухе, а на земле, в момент дачи взлетного режима. Самолет немного кренится, что приводит к неравномерному обжатию пневматиков, а это, в свою очередь, способствует уводу в сторону более нагруженного колеса. Только-то и всего.

Обдув вертикального оперения (Slipstream) – это вторая и куда более значительная причина увода самолета в сторону на разбеге. Именно поэтому «на разбеге Цессну тянет влево» (один из реальных поисковых запросов, приведших кого-то на мой сайт). Российские ЯКи, кстати, тянет вправо, т.к. у них воздушный винт вращается в другую сторону.

Почему так происходит? Да все очень просто. Наверное, вы обращали внимание, что самолет в целом довольно симметричная штуковина? Симметричный фюзеляж, два одинаковых крыла и симметричный горизонтальный стабилизатор. Но есть один элемент, выделяющийся своей асимметрией – это стабилизатор вертикальный, торчащий только вверх. Вообще-то, и он мог бы быть симметричным: аэродинамике это не вредит, но взлетно-посадочные характеристики ухудшаются. Такой самолет цеплял бы хвостом за землю на взлете и посадке. Ясно, что это никуда не годится, поэтому вертикальный стабилизатор (c рулем направления) всегда только один, сверху.

В то же время, воздух, отбрасываемый пропеллером назад к хвосту, двигается не прямолинейно, а сильно закручивается, вращаясь ВОКРУГ самолета. Одна часть этого воздуха «нажимает» на вертикальный стабилизатор, отклоняя хвост в сторону, а другая часть беспрепятственно пролетает под хвостом снизу. Вот эта разность давлений на вертикальный стабилизатор и обеспечивает увод самолета в сторону.

Рис. 2: Обдув вертикального оперения (Slipstream)

Само собой, что чем больше тяги развивает двигатель, тем больше воздуха отбрасывается назад и тем сильнее воздействие на вертикальный стабилизатор. Именно это происходит на взлете, когда тяга максимальна. Хуже того, при малой воздушной скорости на первом этапе разбега эффективность руля направления еще совсем невелика, и для коррекции увода самолета приходится давить на педаль чуть ли не до упора. По мере увеличения скорости на разбеге эффективность руля растет и нажатие на педаль постепенно ослабляют.

Ослабить давление на педаль важно и в другом случае: когда самолет еще находится в воздухе на выравнивании и постановка малого газа приводит к внезапному исчезновению эффекта обдува вертикального стабилизатора. Если этого не сделать, то самолет вильнет в сторону в этот весьма неподходящий момент. Иногда, особенно при посадках с боковым ветром, приходится даже давать противоположную ногу, чтобы избежать касания ВПП с боковой нагрузкой на шасси. Но это нельзя делать чисто механически: нажатие на педаль должно ровно таким, чтобы ось самолета стала параллельна оси полосы — и не более того.

Поскольку влияние обдува вертикального оперения складывается с влиянием момента винта (см. выше), то эти эффекты часто путают или упоминают только один из них: «обдув» или «момент». Тем не менее, технически, это два различных эффекта.

Асимметрия тяги винта. Этот эффект тем заметнее, чем больше угол кабрирования самолета. Набор высоты после взлета – наилучший пример такой ситуации. В данном случае асимметрия тяги всегда приводит к сильному скольжению самолета и требует повышенного внимания и активного противодействия со стороны летчика.

Почему же возникает этот эффект? Ведь воздушный винт – симметричен? Здесь мне, возможно, придется разрушить чье-то ошибочное представление о движении самолета в наборе высоты. Обычно люди забывают, что «относительный ветер» (relative wind) далеко не всегда параллелен продольной оси самолета. На самом деле, в наборе высоты самолет летит не «носом вперед» а, скорее, «брюхом вперед». Так получается и из-за большого угла атаки при малой воздушной скорости, и из-за того, что вектор тяги в наборе всегда направлен несколько вверх, чтобы тянуть самолет «в горку».

Рис. 3. Причина асимметричности тяги винта

При этом всегда получается, что нисходящая лопасть пропеллера имеет больший угол атаки, чем восходящая. Если вам трудно это представить, то просто поверьте, что это так.

Поскольку углы атаки лопастей получаются разными, то и тяга, развиваемая лопастями, – тоже разная. В результате, самолет уводит в сторону, точнее он скользит, летит боком, что потенциально опасно при большом угле атаки в наборе. Тут надо следить за шариком «в оба» и давить на педаль – иного выхода нет.

При переходе к горизонтальному полету нажатие на педаль надо ослабить, поскольку асимметрия тяги винта в этом режиме существенно уменьшается. Она может и совсем исчезнуть, если ось вращения винта полностью совпадет с направлением относительного ветра. Последнее вполне возможно в реальном полете, т.к. крыло обычно устанавливается под некоторым углом к продольной оси фюзеляжа. Т.е. самолет может лететь абсолютно горизонтально (и с симметричной тягой), а угол атаки крыла при этом будет составлять, допустим, 3 градуса, что достаточно для поддержания горизонтального полета.

Рис. 4: Абсолютно симметричная тяга как частный случай

Гироскопический момент или прецессия (Gyroscopic Precession) – наверное, самый сложный для понимания, тем не менее интереснейший физический феномен. По сути, воздушный винт – это самый большой гироскоп, установленный на самолете. К нему применимы все законы, которым подчиняются гироскопы, в частности – прецессия. Каждый раз, при попытке отклонить ось гироскопа в какой-нибудь плоскости, гироскоп стремится самостоятельно отклониться в другой плоскости, перпендикулярной первой. Проблема в том, что совершенно невозможно запомнить, в какую именно сторону во второй плоскости пытается отклониться гироскоп. 🙂

Чтобы понять суть процесса из объяснения, данного в советской «Практической аэродинамике», мне пришлось прочитать его раз десять. Но поскольку лучшего объяснения я все равно написать не смогу, привожу его полностью, мужайтесь:

Рис. 5: К объяснению гироскопического действия воздушного винта левого вращения на самолетах Як-52 и Як-55

«Допустим, что масса воздушного винта левого вращения самолетов Як-52 и Як-55 сосредоточена в двух грузах 1 и 2 (Рис. 5).

В момент, когда воздушный винт находился в вертикальном положении, летчик отклонил ручку управления на себя, что привело к поднятию относительно горизонта капота самолета. Поднятие капота самолета приведет к возникновению скорости грузов и относительно поперечной оси Z, дополнительно к имеющейся уже окружной скорости относительно продольной оси X.

Когда грузы займут горизонтальное положение, то по инерции они будут стремиться сохранить приобретенную скорость и при поднятии капота относительно горизонта. В результате действия этих скоростей грузов (направленных в противоположные стороны-груза 1′ назад, груза 2′ вперед) возникает момент, называемый гироскопическим моментом воздушного винта Му.гир, под действием его самолет начинает разворачиваться влево (при воздушном винте левого вращения)».

Чем хороша западная школа – она умеет просто и на пальцах объяснять всем, даже полным идиотам, вещи, которые в России ставят в тупик далеко не глупых студентов МАИ. Так что вот вам в помощь буржуйская картинка:

Рис. 6: Гироскопический эффект винта самолета

Зато советская школа всегда докопается до самых мелких деталей – и вот оно! Прекрасная диаграмма (вид из кабины), помогающая летчику запомнить, в каком именно направлении будет действовать гироскопический эффект при изменении положения капота:

Рис. 7: Гироскопическое действие воздушного винта левого вращения на самолетах Як-52 и Як-55

«Реакция самолета, возникающая при отклонении рулей из-за действия гироскопического момента воздушного винта, зависит от направления перемещения капота самолета (Рис.7).

Таким образом, направление перемещения капота самолета относительно горизонта при действии гироскопического момента воздушного винта находится путем перемещения его на 90° вокруг оси воздушного винта в сторону вращения».

Вот, собственно, и вся премудрость. Только помните: диаграмма выше – это вид именно из кабины, а не вид на самолет спереди. И имейте в виду, что в Цессне и других западных самолетах, винт вращается в другую сторону, значит, и уводить самолет будет в обратном направлении, «в сторону вращения».

Гироскопический момент, также как и асимметрия тяги винта, штука довольно неприятная. Она особенно мешает в виражах, когда ось вращения винта непрерывно отклоняется в течение длительного времени. На ЯК-18Т, например, в правом развороте самолет все время забрасывает вверх метров на 20, а в левом — всегда теряет высоту. Также гироскопический момент весьма заметен на самолетах с хвостовым колесом, где на разбеге необходимо сначала оторвать хвост от земли движением штурвала от себя. Ось вращения пропеллера отклоняется на весьма большой угол, и вот тут-то самолет и виляет в сторону. Не самый удачный момент, надо отметить. К счастью, самолеты с носовой стойкой избавлены от этой особенности. Тем не менее, в воздухе резкое изменение тангажа может привести к сильному скольжению – будьте начеку!

Что ж… Надеюсь, что с влиянием пропеллера на поведение однодвигательного самолета мы разобрались. Про особенности многодвигательного самолета я со временем расскажу отдельно.

Глава 14 основы устройства силовых установок летательных аппаратов

Двигатели с агрегатами и системами, обеспечивающими их работоспособность (системы регулирования подачи топлива, запуска, управления и контроля работы, смазки, противопожарной защиты двигателя), воздухозаборники и выхлопные устройства (сопла), топливная система ЛА составляют его силовую установку.В зависимости от назначения и потребных ЛТХ самолета масса силовой установки составляет 8-22% взлетной массы самолета. Двигатель, преобразующий химическую энергию находящегося на борту ЛА топлива в тепловую и механическую, можно считатьпервичным источником энергии, основная часть которой расходуется на создание силы тяги и весьма значительная часть — на работу различных бортовых систем (см. главу 15). Двигатель должен обеспечивать потребные взлетно-посадочные и маневренные характеристики ЛА, необходимую дальность полета, скороподъемность и высоту полета. В широком диапазоне высот и скоростей полета двигатель должен экономно расходовать топливо, надежно, устойчиво работать, быть безопасным в пожарном отношении, иметь достаточно большой ресурс работы без ремонта. Все эти сложные и противоречивые требования приводят к созданию различных типов двигателей (работающих по различным газодинамическим схемам).

14.1. Двигатели, применяемые на летательных аппаратах

По способу создания силы тяги двигатели, применяемые на ЛА, подразделяются на винтовые и реактивные. Винтовые двигатели создают потребную для полета ЛА силу тяги за счет движителя — воздушного винта (см. раздел 7.4.1). Создание поршневого двигателя (ПД) внутреннего сгорания, который был использован для привода воздушного винта, обусловило начальный этап развития авиации, а непрерывное совершенствование винтомоторной силовой установки с ПД обеспечивало высокую эффективность авиационной техники при непрерывно возрастающих потребных скоростях и высотах полета. Мощность N_e, передаваемая коленчатым валом поршневого двигателя валу воздушного винта, практически не зависит от скорости полета. Однако мощность, передаваемая винтом летательному аппарату и определяющая силу тяги, — так называемая тяговая мощность Nт = N_eh_в зависит от эффективности работы винта (КПД винта η_в). Воздушный винт работает с высокой эффективностью до скоростей полета, соответствующих числу М = 0,50,6, при увеличении скорости полета явления сжимаемости воздуха на концах лопастей винта приводят к значительной потере его эффективности. Поэтому в связи с увеличением потребной скорости и высоты полета уже в начале 50-х годов проектировщики ПД подошли к барьеру по тяговой мощности, т.е. практически исчерпали все возможности совершенствования этого типа двигателей, и дальнейшее повышение скорости и высоты полета ЛА за счет повышения мощности и высотности (обеспечения необходимой мощности с ростом высоты полета) ПД стало уже невозможным, поскольку это приводило к недопустимому увеличению массы и габаритов ПД. В настоящее время ПД широко применяются в легких и нескоростных самолетах и вертолетах, однако развитие авиакосмической техники с начала 50-х годов характеризуется широким применением реактивных двигателей, тяговая мощность которых не уменьшается с увеличением скорости полета. Реактивные двигатели, создающие тягу за счет прямой реакции струи выхлопных газов, подразделяются на ракетные (РД) и воздушно-реактивные (ВРД). Ракетные двигатели (ЖРД и РДТТ) выделяются из всего семейства двигателей, используемых на ЛА, уникальными свойствами: практически неизменной тяговой мощностью в широком диапазоне скоростей; возможностью работы на больших высотах полета, включая безвоздушное космическое пространство, причем с увеличением высоты полета тяга ракетных двигателей растет; относительной (по сравнению с другими типами двигателей) простотой конструкции; исключительной возможностью получения больших мощностей в одном агрегате при сравнительно малой его массе и габаритных размерах. Все это делает РД незаменимыми для ЛА, предназначенных для полета в космическом пространстве. Однако большие расходы топлива, практическая невозможность регулирования тяги по произвольному закону в широких диапазонах, невозможность снабжения бортовых систем ЛА энергией от маршевых двигателей, что требует наличия на борту ЛА дополнительных источников энергопитания, необходимость иметь на борту ЛА запас не только горючего, но и окислителя, что существенно снижает весовую отдачу ЛА с ракетным двигателем, практически исключают возможность использования РД в силовых установках многоразовых транспортных ЛА, совершающих полеты в пределах атмосферы. РД иногда применяются на высокоскоростных маневренных самолетах в качестве дополнительной силовой установки, позволяющей кратковременно увеличить скорость или высоту полета, и в качестве стартовых ускорителей, существенно сокращающих потребную для взлета длину ВПП. Воздушно-реактивные двигатели используют в качестве горючего керосин, находящийся в топливных баках ЛА, а в качестве окислителя — кислород воздуха. Наибольшее распространение в авиации получил турбореактивный двигатель (ТРД) (рис. 14.1), являющийся базой для создания целого семейства двигателей, объединяемых под общим названием газотурбинных двигателей (ГТД).

Рис. 14.1. К объяснению принципа работы ТРД

P_дв = m_сек(W_с—V) + ƒ_с(p_с— p),