Может ли обычное нестреловидное крыло обеспечить продольную балансировку самолета без горизонтального оперения? Оказывается, да. Но для этого необходимо придать профилю особую форму, с отогнутой вверх задней частью. Эта загнутая кромка создает направленную вниз аэродинамическую силу, которая уравновешивает момент от подъемной силы, стремящейся перевести самолет в пикирование. Более того, при увеличении угла атаки фокус крыла смещается не вперед как обычно, а назад, образуя стабилизирующий момент, автоматически возвращающий самолет в исходное положение. Такой профиль получил название самоустойчивого или S-образного, так как по форме он напоминает лежащую на боку вытянутую латинскую букву S.

Первым предложил применять такой профиль для продольной балансировки самолета французский исследователь Альфонс Пено. Он родился в Париже в 1850 г. Его отец был вице-адмирал. Во флоте служил и брат. Мальчику тоже прочили карьеру военно-морского офицера. Но из-за полученной в детстве травмы — Альфонс упал и сильно повредил бедро, в военно-морскую академию его не приняли. Тогда он занялся изучением тайн полета и вскоре весьма преуспел в этом. Одним из первых он всерьез начал исследовать проблемы устойчивости летательного аппарата, строил и с успехом испытывал модели с изобретенным им же резиномотором.

В 1876 г. Пено при участии его помощника, механика Поля Гошо, разработал проект пассажирского самолета. В отличие от прежних моделей Пено этот самолет не имел горизонтального хвостового оперения. Его заменял S-образный профиль. Сзади к крылу крепились рули высоты, но самолет мог сохранять равновесие и без их помощи. "Рули высоты являются просто рулями маневренности, которые служат для спуска или подъема, устойчивое равновесие достигается <...> с помощью отгиба вверх задней части поддерживающей поверхности", — отмечалось в описании проекта.[1]

Основываясь на опыте испытания летающих моделей, Пено предусмотрел все меры для полной устойчивости самолета. Продольная устойчивость достигалась передним положением центра тяжести и специальным профилем крыла, поперечная — отгибом вверх концов крыла, путевая — вертикальным килем. Кроме рулей высоты аппарат должен был иметь руль направления, причем управление высотой и направлением полета осуществлялось одной ручкой в кабине, снабженной специальным "смесительным" механизмом, как на современных самолетах. В качестве дополнения к рулю направления Пено предусмотрел и дифференциально действующие аэродинамические тормоза в виде расщепляющихся щитков на концах крыла (на чертеже на с. 36 не показаны).

В конструкции самолета предполагалось применить множество новаторских технических идей. Крыло должно было иметь металлическую обшивку, участвующую в восприятии аэродинамических нагрузок, в застекленной двухместной пилотской кабине планировалось установить разнообразные навигационные приборы: магнитный компас, барометрический указатель высоты, указатель скорости полета, указатель угла тангажа и даже автопилот, состоящий из датчиков (компас и контактный трос, подвешенный под фюзеляжем и сигнализирующий о близости земли) и электромеханизма, отклоняющего рули самолета. Четырехколесное шасси с амортизацией могло убираться в полете. Винты, вращаемые с помощью расположенного в фюзеляже-лодке двигателя, имели металлические лопасти, причем в зависимости от режима полета пилот мог изменять угол их установки.

Чертеж самолета из патента А.Пено.

"Ахиллесовой пятой" этого удивительного проекта было отсутствие подходящего двигателя. Предусмотренная Пено паровая машина мощностью 20 — 30 л.с. была, конечно, слишком слаба для полета многоместного самолета. Это вызвало критику проекта.

Разочарованный негативным отношением специалистов и угнетенный быстро ухудшающимся состоянием здоровья (в конце 1870-х годов он уже не мог передвигаться без костылей), Пено в возрасте 30 лет покончил жизнь самоубийством.

Между тем, опыты с моделями, проводимые в разных странах, подтверждали возможность устойчивого полета "бесхвостки" с нестреловидным, но особым образом спрофилированным крылом. Так, российский экспериментатор В.В.Котов, докладывая в 1896 г. о результатах своих опытов, сообщал: "Центр тяжести в самолетах должен находиться впереди центра фигуры (крыла — Д.С.)... В моделях самолетов — аэропланов, на коих не сделано особых рулей (горизонтального оперения — Д.С.), употребляется мною равносильный постановке последних "на повышение" загиб тыльного края несколько вверх по всему его протяжению или только в некоторых местах его половин симметрично, или только в средней части."[2]

Принцип самобалансирующегося крыла, предложенный А.Пено, первым воплотил в практику его соотечественник Рене Арну. Арну в течение многих лет состоял вице-президентом Технической комиссии Французского аэроклуба и, без сомнения, был хорошо знаком с проектом Пено.

Первую "бесхвостку" Арну построили на заводе "Астра" в 1909 г. Это был биплан с прямоугольными крыльями, имеющими S-образный профиль. Он не имел аэродинамических рулей, так как Арну предполагал управлять самолетом, изменяя наклон оси винта. В кабине находился так называемый "авиационный флюгер Арну" — комбинированный прибор, показывающий скорость и скороподъемность, угол атаки и угол крена. Сведений о полетах не обнаружено.

В 1912 г. Арну создал новый самолет, на этот раз — моноплан. Его конструкция была предельно простой. Он как бы весь состоял из прямых углов. Крыло не имело ни крутки, ни сужения. Короткий прямоугольный фюзеляж заканчивался у задней кромки крыла. Впереди был установлен двигатель, за ним находилось место пилота. Шасси представляло обычную для тех лет комбинацию лыж и колес.

Арну "Стабльавион" на парижской выставке 1912 г.

В отличие от биплана, моноплан Арну имел рули (элевоны). Они занимали всю заднюю кромку крыла. Для предотвращения разбалансировки при отклонении рулей вниз их перемещение ограничивалось упорами, не позволяющими нарушить S-образную форму профиля. Эта идея, изложенная Арну в докладе перед специалистами в ноябре 1912 г., нашла затем применение в конструкции других "бесхвосток". Киль находился под фюзеляжем — расположение, более подходящее для морской яхты, чем для самолета.

На Парижской авиационной выставке, проходившей в октябре 1912 г., демонстрировался еще один бесхвостый моноплан Арну — "Стабльавион", с двигателем "Шеню" мощностью 55 л.с. Он отличался низкорасположенным крылом, применением толкающего пропеллера, усиленным четырехколесным шасси и двухместной кабиной.

Самолет привлек внимание специалистов, о чем свидетельствует статья о нем в журнале "Аэрофил". Ее автором был авиационный обозреватель Александр Дюма — полный тезка знаменитого французского романиста.[3]

В 1913 г. другой моноплан Ар ну с ротативным двигателем "Гном" испытывался в авиационном центре в Исси-ле-Мулино. Хороших результатов добиться не удалось.

После перерыва, вызванного войной, Рене Арну продолжил работу. В качестве исходного материала для новой "бесхвостки", построенной в 1921 г., конструктор выбрал учебный биплан Кодрон С-60 с двигателем "Клерже" мощностью 130 л.с. Хвостовую часть фюзеляжа вместе с оперением отстыковали, вместо нее по бокам к укороченному фюзеляжу присоединили два киля с рулями направления. Кроме того увеличили размах нижнего крыла, а вместо хвостовой опоры (так называемого "костыля") установили небольшое колесо. И, конечно же, изменили профиль крыльев, отогнув вверх заднюю кромку. Сзади вдоль всего размаха находились элевоны. Как и на прежних конструкциях Арну, были предусмотрены ограничители их отклонения вниз.[4]

Моноплан Арну с двигателем "Гном" на аэродроме под Парижем.

Самолет испытывался весной 1922 г. на аэродроме фирмы Фарман в Этампе. Управлял им летчик Фетю. Первые 12 полетов прошли вполне успешно. Самолет не только уверенно держался в воздухе, но и мог выполнять виражи. Однако в тринадцатом полете аппарат потерял равновесие и упал, при этом пилот получил тяжелое ранение. Ходили слухи, что в аварии виноват сам Фетю — перед полетом он, желая улучшить управляемость машины, снял ограничители отклонения элевонов.

В том же 1922 г. Арну основал авиастроительную компанию "Авиационное общество Симплекс". В качестве летчика-испытателя он пригласил французского аса Жоржа Мэдона, который в годы войны одержал в воздухе 41 победу.

Первым самолетом новоиспеченной компании был бесхвостый гоночный моноплан "Симплекс-Арну". Он предназначался для участия в воздушных гонках 1922 года на приз Дейтш де ля Мер — наиболее престижных в то время состязаниях на скорость полета. В создании самолета Арну помогал инженер Кармье. Двигатель водяного охлаждения мощностью 300 л.с. должен был, по расчетам, обеспечить самолету скорость 380 км/ч.[5]

"Симплекс-Арну" был выполнен целиком из дерева. Для того, чтобы свести сопротивление машины к минимуму, конструкторы применили свободнонесущее крыло с гладкой фанерной обшивкой, обтекаемый фюзеляж плавно переходил в небольшой вертикальный киль с рулем направления. Новшеством было использование симметричного профиля крыла. Такой профиль обладал небольшим коэффициентом подъемной силы, но зато создавал меньшее лобовое сопротивление. К тому же на небольших углах атаки он имел постоянное положение центра давления, что должно было способствовать устойчивости самолета. Продольная балансировка в этом случае достигалась небольшим отклонением вверх элевонов, занимавших, как и на других самолетах Арну, всю заднюю кромку крыла.

Недостатком машины был очень плохой обзор из кабины: смотреть вниз летчику мешало широкое крыло, а впереди все загораживал радиатор цилиндрической формы. Но, учитывая специфическое назначение самолета и высокое мастерство летчика, на это решили не обращать внимания.

Ж.Мэдон около гоночного моноплана Арну. Недостатком самолета был плохой обзор из кабины из-за расположенного впереди большого бочкообразного радиатора.

Последняя "бесхвостка " Рене Арну.

Это было ошибкой. 24 сентября 1922 г., всего за 6 дней до начала состязаний, Мэдон, опробуя самолет, не смог правильно рассчитать посадку. От удара шасси сломалось, и машина опрокинулась. На этот раз летчик почти не пострадал, но об участии в состязаниях, конечно, не могло идти и речи.

Две тяжелые аварии за один год нанесли урон репутации конструктора. Чтобы спасти положение, в 1923 г. Арну построил еще один самолет, наподобие биплана 1921 г. Это был модифицированный под "бесхвостку" самолет Анрио HD-14 с укороченным вдвое фюзеляжем и большим килем за кабиной. Подвижные поверхности на верхнем крыле могли перемещаться только на очень небольшой угол и служили исключительно для регулировки продольной балансировки в полете, элевоны располагались на нижнем крыле.

Самолет проходил испытания, летал на нем Ж.Мэдон. Скорее всего, пробные полеты не дали положительных результатов, так как вскоре компания "Симплекс" прекратила свое существование. Мэдон покинул Арну и поступил на военную службу. Он погиб в 1924 г. во время показательных полетов в Бизерте (Тунис), когда у его самолета на малой высоте отказал двигатель.

Гоночный "Арну-Симплекс" был не единственной "бесхвосткой", предназначавшейся для участия в состязаниях 1922 г. Два французских инженера Жорж-Мари Ландверлен и Жорж Беррер в одном из цехов фирмы Анрио строили еще более необычный с полет. По схеме он представлял собой как бы самолет Данна наоборот. Крыло имело отрицательную стреловидность, а для продольной балансировки применялась положительная крутка (угол установки профилей увеличивается к концам крыла). Благодаря такой форме появлялась возможность разделить органы управления на элероны, установленные на концах крыла вблизи поперечной оси, проходящей через центр тяжести самолета, и рули высоты у основания крыла, позади центра тяжести. Другим преимуществом этой схемы была большая подъемная сила крыла по сравнению с крылом обычной стреловидности, так как из условия продольного равновесия балансировочная сила на концах крыла направлена вверх. Это было весьма существенно — в крыле стоял симметричный профиль с невысоким коэффициентом подъемной силы. Аэродинамические испытания модели показали, что при углах атаки до 10° самолет должен обладать удовлетворительной устойчивостью.[6]

Машину оснастили чрезвычайно мощным по тем временам 700-сильным двигателем Фиат А-14. Лететь на ней вызвался известнейший французский ас Шарль Нунжессер. Но закончить самолет к началу состязаний не успели, и больше о нем в печати не упоминалось. Можно предположить, что после аварии Мэдона на "Арну-Симплекс" Ландверлен и Беррен не рискнули испытать свой самолет.

Мотопланер Ш.Фовеля AV-2. Из-за заметного влияния тяги винта на продольную устойчивость аппарата пилотировать его было сложно.

Более счастливая судьба была уготована "бесхвосткам" Шарля Фовеля. Их создатель родился во Франции в 1905 г., в 1924 г. стал военным летчиком. Вскоре он заинтересовался планеризмом и решил построить мотопланер собственной конструкции. Выбор пал на схему "бесхвостка". Сделано это было, очевидно, не без влияния Рене Арну, который консультировал Фовеля при разработке последним в 1929 г. патентной заявки на аппарат.

Из-за постоянных передислокаций части, в которой служил Фовель, осуществить задуманное удалось только в 1933 г. Свой мотопланер AV-2 летчик построил в городе Шаторуа с помощью товарищей по истребительной эскадрильи. Так же, как "бесхвостки" Арну, AV-2 имел крыло с нестреловидной осью. Но если Арну применял на своих самолетах крыло с постоянной хордой, то Фовель предпочел сделать его сужающимся, придав крылу очертания вытянутого в стороны ромба.

Биплан Арну, 1921 г.

AV-2

Симплекс-Арну

AV-10

Ландверлен-Беррер

AV-36

S-образный профиль стоял в центральной части крыла, на концах применялся обычный профиль.

Ромбовидная форма давала целый ряд преимуществ: стреловидность передней кромки улучшала обзор из кабины, а благодаря обратной стреловидности задней кромки имелась возможность сделать раздельные руль высоты и элероны, как на самолете Ландверлена и Беррера. Кроме того, вследствие большей длины корневой хорды самолет становился менее чувствительным к изменениям центровки — недостаток, от которого страдали все самолеты конструкции Арну.[7] Крыло с большим сужением давало также выигрыш в весе по сравнению с прямым, так как равнодействующая аэродинамических сил у ромбовидного крыла находится ближе к продольной оси самолета и вызывает меньший изгибающий момент.

Основной негативной особенностью крыла с сужением является большая вероятность срыва потока на концах. Чтобы сделать это явление менее опасным, Фовель применил элероны необычно большой длины — в полразмаха крыла.

Для путевой устойчивости служили два киля на задней части крыла. Понимая, что из-за малого расстояния от центра тяжести эффективность обычных рулей направления за килями будет мала, Фовель решил применить вместо них аэродинамические тормоза на концах крыла. Они действовали одновременно с элеронами, что облегчало выполнение поворотов. Руль высоты состоял из двух расположенных одна за другой секций. Такая конструкция позволяла более плавно изменять кривизну задней части профиля центроплана. Над крылом на стойках конструктор установил двухцилиндровый двигатель воздушного охлаждения АВС "Скорпион".

Испытания AV-2 показали, что самолет может летать. Его максимальная скорость составляла 140 км/ч, посадочная — 40 км/ч. Однако изменение тяги воздушного винта, расположенного из конструктивных соображений на высоте более метра от крыла, существенно нарушало продольное равновесие аппарата. Поэтому в скором времени двигатель сняли, и AV-2 испытывали дальше как планер.[8]

Лучшая французская довоенная "бесхвостка " AV-10.

На основе AV-2 Фовель в том же году построил планер AV-3. Он оказался очень "летучим", мог не только отлично планировать, но и парил в восходящих потоках воздуха. Конструктор и другие планеристы много летали на нем в 1933—1936 гг. над песчаными дюнами у побережья юго-западной части Франции. По их отзывам, по устойчивости и управляемости AV-3 практически не отличался от обычных планеров.

Убедившись в результативности своих конструкторских решений, Фовель решил начать промышленное производство легкомоторных самолетов-"бесхвосток". Он основал фирму и в 1935 г. выпустил двухместный самолет AV-10 с двигателем "Побджой" мощностью 75 л.с. Как и первые аппараты Фовеля, AV-10 имел деревянную конструкцию с полотняной обшивкой крыла и вертикального оперения. По форме крыло напоминало крылья AV-2 и AV-3, только размах был на 3 м меньше. Фюзеляж — как у обычных самолетов: впереди — двигатель, за ним — закрытая кабина, сзади — киль с рулем направления. Шасси — стандартного типа, с хвостовым колесом.

Напоминая при виде сбоку "нормальный" самолет, AV-10 и летал не хуже. Об этом свидетельствует сертификат о пригодности к полетам, выданный французским летно-испытательным центром.[9] В июне 1936 г. на AV-10 был установлен мировой рекорд высоты для двухместных самолетов с двигателями объемом от 2 до 4 литров — 7162 м. Максимальная скорость полета равнялась 185 км/ч, крейсерская — 164 км/ч, посадочная — 60 км/ч, длина разбега составляла всего 55 м. Отличным высотным и взлетно-посадочным характеристикам самолета способствовала очень небольшая нагрузка на крыло — 29 кг/м².

Тем не менее, покупателей на самолет не нашлось. Единственный построенный AV-10 эксплуатировался до 1940 г.

После окончания второй мировой войны Ш.Фовель продолжил конструирование "бесхвосток". Наибольший успех выпал на долю планера AV-36 "Моноблок", повторявший по схеме довоенный AV-3. Созданный в 1951 г., он производился во Франции, Германии и Англии. Всего было изготовлено более 100 машин: 82 — заводской сборки и около 30 — любительской постройки. Наибольшее аэродинамическое качество планера равнялось 24, что при благоприятных условиях позволяло совершать на нем полеты дальностью до 500 км.

В чем же причины относительного успеха "бесхвосток" Шарля Фовеля? Их, как минимум, три. О двух уже говорилось: это хороший обзор и меньшая, чем на самолетах Арну, чувствительность к изменению центровки. Третья заключается в более совершенной форме профиля. К концу 20-х годов благодаря работам научного сотрудника НАКА[10]Макса Мунка в распоряжении конструкторов "бесхвосток" появились S-образные профили с улучшенными аэродинамическими и моментными характеристиками. Так, использование нового профиля М-6 давало возможность на треть увеличить максимальную подъемную силу крыла и на столько же уменьшить его сопротивление по сравнению с профилями, применяемыми на самолете "Арну-Симплекс".[11]

Планер AV-36 — одна из немногих спортивных серийных ‘‘бесхвосток'.

Источники и комментарии

1. A.Penaud, P.Gauchot. Brevet d'aeroplane // L'Aeronaute. 1877. № 10. P. 284.

2. B.B.Котов. Устройство самолетов-аэропланов // Записки Императорского Русского технического общества. 1896. № 10. С. 53.

3. A.Dumas. Le "Stablavion" R.Arnoux // LAerophile. 1913. № 2. P. 35—37.

4. L'avion sans queue // LAerophile. 1922. № 7—8. P. 98.

5. Абсолютный рекорд скорости в то время составлял 309 км/ч.

6. Бесхвостые самолеты (сборник переводов). М., 1946. С. 13.

7. Поясню это на примере. При ширине крыла 2 м изменение положения центра тяжести всего на 10 см создает относительное перемещение центровки на 5% (что вполне может привести к потере продольной устойчивости), а если длина хорды 4 м, то перебалансировка составляет только 2,5%.

8. C.Fauvel. L'avion а "aile pure" Fauvel // L'Aerophile. 1933. № 10. P. 310—312.

9. Les Ailes. 1936. № 773. P. 11.

10. HAKA (NACA, c 1958 r. NASA) — Национальный консультативный комитет по аэронавтике, аналог нашего ЦАГИ.

11. Д.А.Соболев. Анализ развития самолетов особых схем. Дисс. канд. техн. наук. М" 1981. С. 51.