Развитие конструкций четырёхместных самолётов в XX веке

Кузьмин Юрий Викторович кандидат физико-математических наук старший научный сотрудник, ИИЕТ РАН 125315, Россия, г. Москва, ул. Балтийская, 14 Kuzmin Yury Viktorovich PhD in Physics and Mathematics Senior researcher, S.I.Vavilov Institute for the History of Science and Technology, RAS 125315, Russia, g. Moscow, ul. Baltiiskaya, 14 ykuzmin@rambler.ru Другие публикации этого автора

Введение

Самолёты общего назначения – важнейший сегмент авиационного транспорта. По данным автора каждый шестой самолёт, построенный в XX веке, включая боевые, относился именно к этому сегменту ^[1].

Наиболее информативной книгой по авиации общего назначения XX века, на мой взгляд, является ^[2]. На русском языке полезная обзорная статья по авиации общего назначения со ссылками на нормативные документы была опубликована в 2016 г. Л.Б. Соболевым ^[3]. Однако в статье, в основном, рассматриваются экономические и эксплуатационные характеристики современных самолётов общего назначения.

Это характерно для историографии вопроса. Большинство работ, в том числе, книги по истории ведущих фирм – авиапроизводителей (например, ^{[4, 5]}) также акцентируются на экономико-социальных вопросах и дают лишь перечень выпускаемых моделей с указанием их выпуска и характеристик, но не анализ развития конструкций.

Определённое внимание уделяется самолётам общего назначения в каждом выпуске ежегодника информационного центра Jane’s (запаздывание информации составляет 1-1,5 года, поэтому данные о конце XX века надо искать в выпуске за 2001-2002 годы ^[6]). Но и Jane’s ограничивается описанием отдельных конструкций.

Анализ конструкций самолётов общего назначения и рекомендации по выбору их параметров при проектировании проведён в рекомендациях ЦАГИ ^[7]. Но исторический обзор, изучение динамики развития конструкций со временем, в них полностью отсутствует. На наш взгляд, такой обзор был бы не только интересен конструкторам, но и помог бы уберечь их от повторяющихся ошибок.

Отсутствие интереса к истории вопроса – не специфически российская черта. Нет исторического раздела и в известной среди авиаконструкторов книге Торенбика ^[8], значительная часть которой посвящена именно самолётам общего назначения.

В статье ^[1] была впервые построена динамика производства и разработки четырёхместных самолётов в мире, выделены периоды развития и спада. В этой же статье мы изучим, как менялась конструкция одного вида самолётов общего назначения - четырёхместных самолётов. Такие машины наиболее популярны в данном классе (55% общего выпуска).

Методика работ и набор источников информации изложены в статье ^[1]. При подготовке статьи были изучены характеристики и динамика выпуска 873 моделей самолётов, строившихся в 34 странах мира. Все таблицы и графики составлены автором и публикуются впервые.

Выяснилось, что период конкуренции схем самолётов быстро сменился длительным периодом сосуществования, а основные характеристики самолётов почти не менялись. Рост лётных характеристик новых моделей произошёл только в 1980-е годы в ответ на колоссальный спад выпуска… и не привёл к рыночному успеху.

Основные части самолёта: крыло, фюзеляж и кабина, шасси, силовая установка и применяемые конструкционные материалы показывают примерно одинаковую динамику. Поисковый период длился до середины века. Он характеризовался сменой поколений. Затем началась стадия зрелой технологии, когда каждая «дожившая» до рубежа схема находит своего покупателя и её доля в производстве (и сбыте) в течение полувека остаётся практически неизменной. Такая смена фаз: от поиска к сосуществованию впервые была выявлена на примере авиационных технологий в работе ^[9].

Характеристики четырёхместных самолётов во второй половине XX века также на удивление постоянны, а попытки предложить покупателям самолёты с улучшенными лётными характеристиками раз за разом не приводили к успеху.

Крыло

Начнём с самой важной части самолёта – крыла. Первые четырёхместные летательные аппараты, как показано в ^[1], были полипланами. Но в целом за век абсолютно доминировали монопланы, доля бипланов (Рис. 1) в выпуске только 0,7%.

Рис. 1. Самый успешный четырёхместный биплан, американский Waco YKS, созданный в 1934 г., был выпущен всего в 153 экземплярах

Самыми популярными схемами среди монопланов были низкопланы и высокопланы. (Табл. 1). Причина этого проста: аэродинамически более совершенный пассажирский среднеплан неизбежно оказывается тяжелее. Благодаря компании Cessna, высокопланы (Рис. 2) оказались несколько успешнее в производстве: на них приходится 56% выпуска, а на низкопланы – только 42,5%.

Рис. 2. Первый в мире четырёхместный высокоплан Focke Wulf A.16 создали в Германии в 1923 г. Он строился серийно: поставили 21 самолёт с пятью разными типами моторов. Раскрашенная фотография.

Таблица 1. Распределение четырёхместных самолётов по схеме крыла

А вот на 125 моделей, использовавших другие решения, это одна седьмая часть от общего числа конструкций, пришлось только 1,5% выпуска (Рис. 3, 4).

Рис. 3. Распределение числа новых моделей по типам крыла

Рис. 4. Распределение выпуска самолётов по типам крыла

Первый четырёхместный высокоплан был создан в Германии в 1923 г. Первый низкоплан, Stinson SM-3, построили на четыре года позже. Он оказался крайне неудачным: владелец фирмы Edward Stinson, который и испытывал SM-3, заявил, что тот «летает как кирпич». ^[10]. Не осталось ни одной фотографии этой модели.

Зато в 1929 г. в США компании «Alexander», «Schill», «Swallow» и всё тот же «Stinson» создали сразу пять четырёхместных низкопланов. Правда, среди них только С-4 «Bullet» компании «Alexander» был построен серией, да и то очень небольшой: 8 самолётов (Рис. 5).

Рис. 5. Первый серийный четырёхместный низкоплан в мире: Alexander C-4 Bullet

Но затем бипланы и монопланы-парасоль были быстро вытеснены из производства (полипланы исчезли ещё раньше). Однако энтузиасты-конструкторы продолжали разрабатывать такие самолёты и тогда, когда они уже потеряли всякие рыночные перспективы (см. столбик «Биплан» на Рис. 4 в 1941-1945 годах).

С 1940-х годов на рынке борьба шла только между схемами низкоплана (а это лучшая весовая культура: пассажиры и моторама опираются непосредственно на крыло, проще установить шасси с широкой колеёй или убирающееся шасси) и высокоплана (эта схема даёт лучший обзор пассажирам, но усложняет виражи на малой высоте: опущенное крыло закрывает обзор пилоту в сторону поворота).

Провал выпуска высокопланов в районе 1990 года связан с трудностями компании Cessna – основного производителя высокопланов – после кризиса авиастроения в 1980-х годах.

Всё время конструкторы проектировали и четырёхместные среднепланы. У среднепланов минимально сопротивление интерференции между крылом и фюзеляжем, а значит, при тех же моторах и габаритах можно достичь большей скорости или, при оснащении мотором меньшей мощности, лучшей экономичности при тех же лётных данных. Но только в конце века среднепланы заняли заметную долю в выпуске.

Причиной неудач предшествующих моделей среднепланов была сложность силовой схемы крепления крыла к фюзеляжу: лонжероны приходилось делать разрезными, так как иначе они бы пронизывали пассажирскую кабину, и крепить их к тяжёлым шпангоутам, что сводило на нет преимущества. И только распространение новых, более жёстких материалов (пластики за счёт меньшей плотности позволяют достичь большей толщины деталей, а значит, и большей прочности на изгиб при том же весе) позволило создать успешные, конкурентоспособные конструкции.

Из Рис. 3, 4 можно сделать вывод, что конструктору, желающему достичь рыночного успеха, не стоит держаться за отживающие схемы, но, в то же время, следует сопоставлять пожелания аэродинамики с возможностями технологии.

В ^[9] были сформулированы две стадии развития технологии. Во время первой стадии происходит быстрая смена схем технических устройств, на второй – сосуществование доживших до точки перелома схем и даже некоторый кажущийся регресс: раньше возникшие схемы отвоевывают несколько большую долю в производстве и даже разработки у новейших. Эти две стадии отчётливо видны и на Рис. 3, 4. Смена поведения приходится на вторую половину 1940-х годов. Такая смена поведения проявляется и при более подробном техническом анализе самолётов.

Более того, может наблюдаться кажущийся регресс, когда доля «устаревших» конструкций в производстве и разработке со временем начинает несколько возрастать.

Рис. 6. Доля новых моделей четырёхместных самолётов с механизацией крыла

Приведём пример: распространённость механизации крыла, закрылков и, в меньшей степени, предкрылков. Механизация улучшает взлётно-посадочные характеристики, что выражается в росте диапазона скоростей полёта, но усложняет и удорожает самолёт и его эксплуатацию. Кроме того, каждое дополнительное устройство, в принципе, может сломаться и уменьшает надёжность всей машины. На Рис. 6 видно, что доля (по разработке) моделей с механизацией крыла быстро росла, вышла на почти 100-процентный уровень, но в 1970-х годах начала снижаться.

Для такого снижения существовали понятные частные причины: улучшение аэродромной сети (а значит, снижение требований к взлётно-посадочным характеристикам), прежде всего, в США, и достижения аэродинамиков, создавших крыльевые профили с лучшими несущими свойствами. Вместе с тем, Рис. 6 иллюстрирует, что стадии развития технологии «смена поколений – сосуществование – кажущийся откат» проявляются при анализе самых различных технических систем.

Шасси

Рис. 7. Первый в мире четырёхместный самолёт общего назначения с шасси с носовой опорой, двухмоторный Praga E-210, был создан в Чехословакии в 1937 г.

Свыше 70% самолётов, и по числу модификаций, и по выпуску, имеют неубирающееся шасси. При этом и среди самолётов с убирающимся, и с фиксированным шасси доминирует схема с носовой опорой (Рис. 7): таких построено свыше 80% (Табл. 2).

Таблица 2. Распределение четырёхместных самолётов по схеме шасси

На первый взгляд, самолёты с хвостовым колесом кажутся неудачниками, не попавшими в рыночные ожидания, но это не совсем так: они доминировали между войнами, когда объёмы выпуска были гораздо меньше, чем в 1950-1970-х годах.

Диаграммы, аналогичные Рис. 3 и 4, но для схем шасси, приведены на Рис. 8, 9. Обозначения: FG – не убираемое шасси с хвостовой опорой (fixed gear), FNG – не убираемое с носовой стойкой (fixed nose gear), SR- полуубираемое (semi-retracted, в этом случае убирается, например, только носовая стойка, или стойки поднимаются, но колеса остаются в потоке и т.д.). RG и RNG – это убираемые шасси (retracted) с хвостовой опорой и носовой стойкой соответственно.

На диаграмме выпуска Рис. 27 четко видны две фазы эволюции: смена поколений до начала 1960-х годов. После этого две доминирующие компоновки (убирающееся и неубирающееся шасси с носовой стойкой) делят рынок между собой, самая простая схема – неубираемое шасси с хвостовой стойкой сохраняет нишевое значение.

Рис. 8. Распределение числа новых моделей по схеме шасси

Рис. 9. Распределение выпуска самолётов по схеме шасси

Диаграмма разработок (Рис. 8) более драматична. На ней видно, что конструкторы и во второй половине века упорно создавали самолёты по схемам, не выдержавшим отбор: конструировалось и испытывалось много моделей, построенных по схемам FG, SR и даже RG, не имеющей ни удобств и аэродинамического совершенства схемы RNG (хвостовое колёсико или костыль часто не убирались и оставались в потоке), ни простоты схемы FG.

На обеих диаграммах виден всплеск интереса к самолётам с убираемым шасси во второй половине 1980-х годов, но он быстро сошёл на нет, и надежды создателей «более прогрессивных» самолётов на передел рынка не оправдались.

Мы вновь подтверждаем основной вывод статьи: для рыночного успеха не стоит создавать машины по схемам, вышедшим из тренда. Это очень редко оправдывает себя.

Силовая установка

Более 90% четырёхместных самолётов были одномоторными – это касается и выпуска, и числа моделей (Табл. 3). Вместе с тем, существовали и многомоторные машины.

Таблица 3. Распределение четырёхместных самолётов по числу двигателей

Два тяжёлых четырёхмоторных самолёта, немецкие BV.142 и He.116a-0, попали в список формально: это дальние почтовые машины, сильно отличающиеся от того, что принято называть «самолётом общего назначения».

Но вот шесть итальянских трёхмоторных машин с маломощными двигателями (Рис. 10), несомненно, принадлежат к интересующему нас классу, все они появились в десятилетие перед Второй Мировой войной ^[11].

Рис. 10. Только одна из шести моделей трёхмоторных четырёхместных самолётов, итальянский CANT Z.1012 1937 г., строилась серийно (7 экземпляров)

Спад авиапроизводства в 1980-е годы и стремление покупателей приобретать более дешёвые машины окончательно прекратил выпуск двухмоторных четырёхместных самолётов. За последние 15 лет века появились только две новые двухмоторные модели, британский CMC «Leopard» и французская SOCATA TB-360 «Tangara», за все эти годы построено лишь 9 экземпляров двухмоторных машин всех моделей.

В XX веке четырёхместные самолёты оснащались почти исключительно поршневыми двигателями, в основном – горизонтальными оппозитными моторами (Рис. 11). Такие моторы устанавливались на 53% моделях, но по выпуску они занимают целых 93%. Распределение моделей и выпуска по типам моторов показано на Рис. 12, 13.

Рис. 11. Первый в мире четырёхместный самолёт с оппозитными моторами, британский трёхмоторный Aerogypt I (1939 г., конструктор S. Helmy), остался опытным образцом

Эксперименты итальянцев (SIAI S.M.1019A), финнов (Valmet L-90 «RediGO») и японцев (Fuji KM-2Kai) с турбовинтовыми, а также французов с турбореактивными двигателями (Morane-Saulnier MS.760 «Paris»), не привели к успеху. Обратим внимание, что все эти эксперименты велись странами-аутсайдерами (с точки зрения рассматриваемого рынка).

Рис. 12. Распределение числа новых моделей по типам двигателя

Рис. 13. Распределение выпуска самолётов по типам двигателя

Вероятно, цель была именно в увеличении своей доли за счёт передовых технических решений. История показала, что ни одна из попыток не удалась.

Рис. 12 и 13 учат, что если ваша цель – добиться высоких продаж изделия, то плохо быть и новатором, и отстающим.

Интересно, что кривая смены поколений идёт более круто на графике «Выпуск», чем на графике «Разработка»; подобное поведение автор замечал и в других сегментах авиастроительной промышленности.

Так, первые модели с оппозитными двигателями появились ещё перед Второй Мировой войной, но соответствующей усилиям доли продаж получить не смогли. С другой стороны, после войны многие конструкторы по-прежнему проектировали самолёты с рядными и даже звездообразными моторами… но успеха на рынке, быстро занятого самолётами с оппозитными двигателями, добиться не сумели.

После окончания Второй мировой войны продажи машин с радиальными моторами почти прекратились, но многие конструкторы активно продолжали их разрабатывать, не получая желаемой отдачи. Вместе с тем, и новаторские попытки «применить передовую технологию», внедрив ТВД и ТРД, тоже не привели к успеху: таких моделей создали довольно много, но крупными сериями они не строились.

Практический вывод таков: используйте передовые, но уже испытанные и получившие положительный рыночный отклик технологии. С экономической точки зрения не выгодно ни опережать прогресс, ни отворачиваться от его достижений. Этот вывод ранее мы подтвердили и анализом распределения самолётов по типам крыла и схемам шасси (Рис. 3, 4, 8, 9).

Кабина

На первый взгляд результаты этого раздела наименее интересны. В выборе вида кабины доминировал комфорт пассажиров, которые предпочитали летать в закрытом салоне, а не подвергаться действию ветра и осадков. 90% моделей и 99,5% построенных машин – это самолёты с закрытыми негерметичными кабинами (Рис. 14, 15). Быстрая схема поколений уже к 1940 г. сменилась доминированием одного технического решения: две пары сидений в общем закрытом салоне. «Полузакрытая» компоновка обычно означает размещение пилота отдельно, в открытой кабине, а пассажиров – в закрытом салоне.

Рис. 14. Распределение новых моделей по типу кабины

Рис. 15. Распределение выпуска самолётов по типу кабины

Однако интерес представляет неудача попыток внедрения на четырёхместных самолётах герметичных кабин. Они дают возможность летать на большой высоте, а это ведёт и к снижению расхода топлива, и к росту скорости, и, что важно для комфорта, уменьшению «болтанки», особенно в теплое время года (неравномерные тепловые потоки от нагретой земли сильнее в нижних слоях атмосферы). Но попытки вывести на рынок такие машины окончились неудачами. Только самолёты MS.760 «Paris» ВВС Франции купили в количестве чуть больше 200 экземпляров, а остальные машины остались либо опытными образцами, либо строились очень малой серией.

Рост цены и, главное, усложнение эксплуатации перевесили достоинства схемы. Кроме того, не был принят во внимание психологический аспект: пилоты-любители часто предпочитают летать на небольших высотах, обеспечивающий хороший обзор. Наконец, многие из них просто не умеют и не любят летать в облаках.

Итак, теоретически перспективное решение, которое несколько раз пытались предложить разные конструкторы в разных странах, осталось почти невостребованным. Вывод таков: прежде чем внедрять технические новшества надо тщательно изучить, нужно ли это потенциальным пользователям технологии и не перевесят ли сопутствующие неочевидные недостатки очевидные достоинства новинки.

.Конструкционные материалы

В каждом самолёте присутствуют узлы и детали из множества различных материалов, но среди них можно выделить основные. Разобьём самолёты на группы: деревянные крыло и фюзеляж, смешанные конструкции (обычно каркас фюзеляжа при этом собирается из стальных или дюралевых труб, крыло деревянное), стальные, дюралевые самолёты и конструкции из композитных материалов, условно обозначенные «пластик» (Рис. 16).

Рис. 16. Первый стеклопластиковый четырёхместный самолёт появился в 1955 г. Самолёт Taylorcraft 20 «Ranch Wagon» имел цельнопластиковое крыло. Хотя каркас фюзеляжа и сварен из стальных труб, фюзеляж тоже получил работающую обшивку из пропитанной смолами стеклоткани. «Ranch Wagon» строился серийно, выпущено 56 самолётов ^[12].

Результаты представлены в уже привычной читателю форме на Рис. 17, 18. Вновь смена поколений в производстве сменилась на рубеже 1960 г. сосуществованием технологий, хотя и при доминировании использования дюралюминия. При этом значительная доля конструкторов продолжала создавать самолёты из дерева и стальных труб, но их рыночный успех был намного меньше, чем у аэропланов, построенных по «магистральной» технологии.

Успех пионеров, перешедших к созданию пластиковых самолётов, тоже был не слишком впечатляющ: доля пластиковых аэропланов в разработке намного превышает долю в общем выпуске. Мы вновь видим, что для достижения экономического успеха в технологии, предназначенной для рыночного потребления, целесообразно «двигаться в потоке», не обгоняя общий уровень, но и не отставая от него.

Рис. 17. Распределение новых моделей по конструкционным материалам

Рис. 18. Распределение выпуска самолётов по конструкционным материалам

Любопытна реакция разработчиков на сильный спад производства в 1980-х годах. Во второй половине 1980-х практически все начали предлагать более совершенные, чем ранее, самолёты. Это видно по исчезновению среди новых моделей смешанной и стальной конструкции во второй половине 1980-х годов (Рис. 15). Но на структуре производства (Рис. 16) это практически не сказалось.

Начало 1990-х годов показало, что реакция конструкторов была неверна: рынок потребовал не лучшие, а более дешёвые самолёты. Доля продаж самолётов, изготовленных из «устаревших» материалов в первой половине 1990-х годов резко возросла, на что, с запозданием, отреагировали и конструкторы.

Мы вновь видим подтверждение тезиса: не стоит во времена общего спада пытаться опередить конкурентов, предлагая продукцию с улучшенными техническими данными. Лучше сосредоточиться на уменьшении стоимости изделия и стоимости эксплуатации, не пренебрегая и, на поверхностный взгляд, устаревшими решениями.

К сожалению, анализ второй технической революции в гражданском самолётостроении, связанной с широким внедрением пластиков и альтернативных силовых установок в первые десятилетия XXI века, выходит за рамки данной статьи.

Динамика лётных характеристик

К середине века быстрая смена технологий сменилась эпохой их сосуществования. Выявились магистральные решения в аэродинамических схемах, типах силовой установки, схеме шасси, устройстве кабины, конструктивных материалах. Многие из альтернативных решений также нашли свои ниши, объем которых десятилетиями сохранялся практически постоянным. Но как при этом менялись лётные характеристики самолётов?

Обычно историки техники изучают либо рекордные характеристики, либо характеристики отдельных моделей. Мы же впервые можем изучить генеральную совокупность. На Рис. 19-20 и 23-26 величина «разработка» – это средние данные по всем созданным в этот год моделям, «выпуск» – средневзешенные данные по всем построенным в этом году четырёхместным самолётам. Начнём с абсолютных величин – взлётной массы и максимальной скорости горизонтального полёта (Рис. 19, 20).

Мы вновь видим две фазы: прогресс до 1950-г, когда самолёты становились легче и быстрее, и стагнация позднее.

Рис. 19. Средние значения взлётной массы четырёхместных самолётов

Рис. 20. Средние значения максимальной скорости четырёхместных самолётов

Единственное исключение: всплеск скоростей новых моделей во второй половине 1990-х годов. Это, как мы наблюдали и в предыдущих разделах, неразумная реакция конструкторов на спад производства. Потребителям начали предлагать товары более высокого качества, в нашем случае – аэродинамически совершенные среднепланы, часто с убирающимися шасси.

Но на Рис. 20 видно, что на кривой «выпуск» эти усилия сказались мало: большинство из моделей, существенно отличающихся по характеристикам от предшествующих образцов, остались коммерчески неуспешными.

Рис. 21 показывает, что во второй веке сократилась не только волатильность динамики взлётной массы, но и разброс значений.

Если в первый период разброс связан с выработкой оптимальных решений – тип самолёта только складывался, то в пятилетие перед войной – с конструированием очень дальних почтово-курьерских самолётов.

Рис. 21. Максимальные и минимальные значения взлётных масс новых моделей по пятилетним периодам

Рост максимальных масс на рубеже 1960-х годов связан с появлением реактивных четырёхместных самолётов, прежде всего – французских Morane-Saulnier M.S.760 «Paris» (Рис. 22). На гражданском рынке они спроса не нашли и, в основном, использовались как связные в ВВС и ВМФ Франции, Аргентины и Бразилии. Всего построили 150 «Paris I» и 62 Paris II, отличающихся только более мощным вариантом двигателя «Marbore».

Рис. 22. Самый массовый реактивный четырёхместный самолёт в мире MS.760

После 1965 г. разброс масс был невелик и снижался, за исключением аномального пятилетия 1986-90 годов. Качественно также вели себя и разбросы других упомянутых в этом разделе количественных характеристик.

Чтобы дать читателям возможность самостоятельного анализа, в Таблице 4 сведены максимальные и минимальные значения взлётных масс (в кг) и максимальных скоростей горизонтального полёта (в км/ч) для моделей, созданных в каждый из пятилетних периодов. Рассчитаны также отношения максимальных значений (max/min) для этих двух показателей и стандартные отклонения (Δ) в процентах от среднего значения.

Таблица 4. Разброс максимальных взлётных масс (в кг) и максимальных скоростей (в км/ч) горизонтального полёта новых моделей четырёхместных самолётов по пятилеткам. Даны средние, максимальные и минимальные значения для моделей данного периода; отношения максимальных и минимальных значений и среднеквадратичное отклонение (Δ) в процентах от средних значений.

Перейдём к относительным характеристикам, нагрузке на крыло и диапазону скоростей, то есть, отношению максимальной скорости горизонтального полёта к скорости сваливания (с учётом механизации крыла, если она имеется). На Рис. 23, 24 вновь заметны две фазы: рост характеристик в начале и стагнация во второй половине века.

Рис. 23. Средние значения нагрузки на крыло четырёхместных самолётов

Рис. 24. Средние значения диапазона скоростей четырёхместных самолётов

Вновь исключением является вторая половина 1980-х. Рост скорости, отмеченный на Рис.20, у новых моделей достигался уменьшением площади крыла (а значит, ростом нагрузки на крыло, Рис. 23). При этом, благодаря эффективной механизации крыла, посадочные скорости удерживались на прежнем уровне, что отражено в росте значения диапазона скоростей (Рис. 24).

И вновь мы видим, что нововведения не встретили понимания у покупателей: колебания значений на кривой «выпуск» намного меньше, чем на кривой «разработка» на Рис. 23, а на Рис. 24 вообще имеют другой знак. Повторим вывод: не надо во время сокращения спроса пытаться исправить ситуацию, предлагая пользователям технически более совершенный товар.

При этом надо учесть и то, что более высокая нагрузка на крыло осложняет пилотирование – а это существенный недостаток для пилотов-любителей, а механизация крыла увеличивает количество операций при взлёте и посадке, что также снижает надёжность системы «человек-машина» (закрылки можно и забыть выпустить).

Рассмотрим ещё пару графиков: весовую отдачу, то есть, отношение полной нагрузки, включая вес пилота, пассажиров, багажа и топлива к максимальной взлётной массе (Рис. 25) и дальность полёта при полной нагрузке (Рис. 26).

Рис. 25. Средние значения весовой отдачи четырёхместных самолётов

Рис. 26. Средние значения дальности четырёхместных самолётов

Из Рис. 25 видно, что весовая отдача с 1950-го года оставалась примерно постоянной. Кривые на Рис. 25 кажутся сильно колеблющимся, но обратите внимание на пределы изменения – они невелики, в течение 30 лет весовая отдача находилась в диапазоне 41-43%.

Снижение весовой отдачи в производстве в 1990-е годы связано с увеличением требований к безопасности. Поэтому пришлось и увеличивать прочность конструкции, и устанавливать дополнительное приборное оборудование и системы спасения. Всё это повлекло за собой рост веса.

Из Рис. 19 следует, что взлётная масса практически не менялась – а значит, не менялась и общая нагрузка. Расчётный вес пассажира постепенно увеличивался, следовательно, на долю топлива оставалось всё меньше веса. Но дальность (Рис. 26) росла.

Я связываю постоянный рост дальности четырёхместных самолётов с прогрессом двигателестроения, конкретно с уменьшением удельных расходов топлива. С учётом того, что не менялись площади крыла и удельная нагрузка на крыло, роль аэродинамики в росте дальности в течение почти всего периода была скромнее. Это подтверждает Рис. 27, где показана динамика средних значений условного коэффициента лобового сопротивления Cx и условного аэродинамического K для новых моделей.

Рис. 27. Условные коэффициент сопротивления Cx и аэродинамическое качество K при максимальной скорости (средние значения по созданным за период моделям)

«Условными» мы называем эти показатели потому, что они взяты не из данных продувок моделей или реальных самолётов, а из упрощённых расчётов. Они рассчитаны только для винтовых самолётов, немногочисленные модели с турбореактивными двигателями исключены из рассмотрения.

Безразмерный коэффициент лобового сопротивления Cx связан с силой сопротивления воздуха формулой

F = Сx*ρSкрV2/2

где F – сила сопротивления воздуха, ρ – плотность воздуха, Sкр – площадь крыла, V – воздушная скорость.

Подавляющее большинство четырёхместных самолётов имеет негерметичную кабину, поэтому мы считаем, что максимальная скорость достигается на небольшой высоте и в качестве плотности воздуха берётся плотность стандартной атмосферы на высоте 0 м над уровнем моря (1,29 кг/куб.м.). Это первое условное приближение.

Для аэродинамиков отметим, что вычисляемый таким образом коэффициент Cx это не Cxo, определяемый при нулевой подъёмной силе. Cx = Cxo + Ci, где Ci – коэффициент индуктивного сопротивления, соответствующий созданию подъёмной силы, равной весу самолёта, при максимальной скорости.

В то же время при максимальной скорости Vmax, когда двигатель работает на полную мощность N, сила тяги

Fт = ηN/Vmax,

Где η – к.п.д. винта при максимальной скорости. Он, конечно, разнится для разных моделей, к тому же к.п.д. винтов в целом рос в течение века, но мы возьмём постоянное значение η=0,82 из ^{[13, p. 78]}. При этом не учитывается дополнительное снижение тяги из-за потерь в потоке при обтекании всей конструкции. Это второе условное приближение.

При полёте с постоянными скоростью и высотой F = Fт. Из этого получаем

Cx = 2ηN/Vmax3/ρ/Sкр

Аэродинамическое качество K равно отношению массы самолёта к силе лобового сопротивления в установившемся горизонтальным полёте. В широком диапазоне значений оно слабо зависит от скорости. Мы рассчитываем K для максимальной скорости, считая при этом, что сила лобового сопротивления равна силе тяги винта Fт.

В качестве массы при расчёте K берётся максимальная взлётная масса самолёта Мвзл. Часто Vmax измеряют при меньшей, так называемой, стандартной взлётной массе, но для сопоставимости результатов мы берём везде максимальную Мвзл, из-за этого рассчитанное нами K оказывается несколько ниже паспортного. Тогда

K = ηN/Vmax/Mвзл/g,

где g – ускорение свободного падения, равное 9,81 м/с2, значение η то же, что при расчёте Cx. Все величины при вычислении безразмерных коэффициентов Cx и K берутся в системе СИ: N – в Вт, Vmax - м/с, Sкр – кв.м.

На Рис. 27 видно, что после периода быстрого развития и сильных колебаний показателей в 1950 г. началась вторая фаза, в течение которой самолёты имели примерно одинаковые коэффициенты лобового сопротивления. Аэродинамические улучшения, приведшие к росту условного качества с 7 до 7,5 за полвека были очень постепенными и незначительными.

Исключение составила только вторая половина 1980-х годов. В это время, действительно, аэродинамика новых моделей заметно отличалась в лучшую сторону от предыдущих конструкций: это видно по экстремумам обеих кривых на Рис. 28. Но, как мы уже обсуждали, рыночного успеха новые модели не принесли, и уже в следующем пятилетии конструкторы вновь вернулись к прежней практике.

Кривые на графике Рис. 28 аналогичны Рис. 27, но рассчитаны не усреднением по моделям, а как средневзвешенные по выпуску.

Рис. 28. Условные коэффициент сопротивления Cx и аэродинамическое качество K при максимальной скорости (средневзвешенные значения по выпуску)

Интегральный индекс эффективности аэроплана

Упомянутые выше две фазы развития технологии хорошо иллюстрирует динамика так называемого «индекса эффективности аэроплана» I. В 1930-е годы этот индекс широко применялся в США для суммарной оценки эффективности коммерческого самолёта или самолёта общего назначения ^[14]. Индекс рассчитывался как произведение трёх отношений:

I = (Mtot/N)*(Vmax/Vmin)*(Mload/Mempty)

Mtot, Mempty, Mload – максимальная взлётная масса, масса пустого самолёта и масса нагрузки (Mload = Mtot – Mempty) соответственно; Vmax и Vmin – максимальная скорость и скорость сваливания, N – суммарная мощность силовой установки.

Первое отношение – это нагрузка на мощность, чем данное частное меньше, тем самолёт экономичнее. Второе – диапазон скоростей, больший диапазон означает лучшие взлётно-посадочные характеристики и уменьшение вероятности срыва – а значит, рост безопасности полёта. Третье отношение – весовая отдача, правда, в отличие от принятых в большинстве современных текстов, в знаменателе находится не общая масса, а масса пустого самолёта. Показатель размерный, мы измеряем его в кг/л.с. = 1/746 (с/м)2

Значение показателя I не полностью определяет эффективность самолёта. В показатель не входит в явном виде дальность (хотя она связана с запасом горючего – а значит, с весовой отдачей, но нет учёта экономичности силовой установки). Тем не менее, популярность и комплексность показателя заставляют обратить на него внимание.

Проведём расчёт динамики средних по выпуску величин показателя I для винтовых четырёхместных самолётов со всеми известными параметрами.

На Рис. 29 видно, что период развития, сопровождавшийся значительными колебаниями показателя, сменился удивительной постоянностью с 1960 до начала 1990 годов, несмотря на множество перипетий, которые пережила отрасль за это время.

Рис 29. Изменение индекса эффективности четырёхместных самолётов (среднее по выпуску) со временем

Снижение значения индекса в 1990-е годы объясняется как развитием моторостроения – и вызванной этим некоторой избыточностью мощности, так и снижением весовой отдачи в связи с ростом требований к безопасности, которое мы обсуждали в предыдущем разделе.

Анализ динамики индекса эффективности ещё раз доказывает тезис, что после достижения уровня, достаточного для большинства потребителей, экстенсивное развитие технологии прекращается. Продолжают расти эргономические показатели, безопасность, ресурс, но основные численные характеристики изделий меняются мало, и попытки выйти за сложившиеся пределы редко приводят к рыночному успеху.

Заключение

В статье выявлены особенности развития конструкций четырёхместных самолётов. С начала 1950-х годов их характеристики «застыли». Не менялись существенно ни скорости, ни массы, ни удельные характеристики. Определились доминирующие компоновки, и их соотношение в производстве и разработке также почти не менялось несколько десятилетий. Несколько увеличивалась дальность – но это достижение следует отнести на счёт успехов двигателестроения и уменьшения удельных расходов топлива.

Это подтверждает тезис, что технология, достигшая достаточного для большинства пользователей уровня удовлетворения потребностей, переходит от экстенсивного развития с явно выраженной сменой поколений к стабильному состоянию, при этом может наблюдаться даже небольшой формальный регресс: доля «устаревших» компоновок в производстве несколько растёт, тесня более новые технические решения.

Единственное существенное изменение характеристик новых моделей (рост скорости, внедрение аэродинамически совершенной схемы среднеплана) произошло в 1980-е годы как раз во время глобального спада авиационного производства. Но такие попытки предложить товар с лучшими характеристиками в тяжёлые времена не приводят к рыночному успеху.

Выявлено, что в области используемых компоновок крыла, схем шасси, конструкционных материалов в невыгодном положении оказываются и «пионеры», первыми внедряющие новинки, и «отстающие», упорно придерживающиеся ранее разработанных схем.

Сделан вывод, что с целью достижения рыночного успеха целесообразно использовать новые, но уже отработанные пионерами отрасли технологии, Упорное следование устаревшим решениям либо внедрение сразу большого количества технологических новшеств не приводит к успеху на рынке.

Просто выделите и скопируйте ссылку на эту статью в буфер обмена. Вы можете также попробовать найти похожие статьи