Сергей Ульянин - у истоков практической аэродинамики.

.

Полковник Ульянин Сергей Алексеевич - 1916 год.

Мощная авиационная техника – это реальность нашего времени.
Начав развивать её столетие тому назад, люди смогли оснастить свой воздушный флот самолётами различного назначения.
Было время, когда ещё толком никто не мог определить, каким должен был быть самолёт, называемый в те годы аэропланом.

В начале 20-о столетия в русской авиации был замечательный лётчик, изобретатель и конструктор Сергей Алексеевич Ульянин.

Путь в небо он начал с разработки, постройки и применения воздушных змеев.
Он их собирал в виде каркаса из бамбуковых стержней и обтягивал миткалевой тканью.
Змеи Ульянина отличались высокой прочностью и надежностью и быстро затмили привязные воздушные шары, применявшиеся в войсках с целью разведки инаблюдений.

Ульянин составлял из змеев воздушные поезда, поднимаемые на привязи вместе с гондолой, с одновременным нахождением на борту до четырех человек, на высоту до 400 метров.
Каждый змейковый поезд Ульянин проверял и только после этого разрешал подъём своих подчинённых.
Ульянин был первым конструктором, который в первую очередь требовал от летательного аппарата тяжелее воздуха высокой прочности и надёжности.
И он этого добился.
Его коробчатые змеи были весьма прочны и надёжны.

Можно утверждать, что в те годы, когда первые аэропланы только создавались и в них появлялись бипланные коробки прочных и устойчивых крыльев, большое влияние на конструкторов оказывали уже летавшие коробчатые змеи Ульянина.
В своей основе строительная механика этих змеев имела те расчётные методы, которые обеспечивали коробкам геометрическую неизменяемость, высокую жесткость, прочность и сравнительную долговечность.
Не следует забывать, что в качестве материалов использовались дерево и ткань.

Заговорив о конструкторской деятельности Сергея Ульянина, снова обращаюсь к его проекту двухмоторного аэроплана 1909 г.
Перечитываю материалы, связанные с проектом, разработанным по схеме «утка».
Прихожу к выводу, что для обоснования «утки» Сергей Алексеевич провел глубокий анализ других схем, по которым тогда строились аэропланы.
О выводах и наблюдениях Ульянина хочу сказать, что вижу в его высказываниях веские важные и полезные суждения.
Обращает на себя внимание анализ аэродинамических и конструктивных свойств и качеств существовавших аэропланов.
В мыслях Ульянина виден подход конструктора, владеющего основами практической аэродинамики и теории полета аэроплана, которых в те годы, по моему мнению, как самостоятельных наук ещё не существовало.
Лаконично и точно Сергей Ульянин назвал главное, чему должна удовлетворять конструкция летательного аппарата тяжелее воздуха.

Подвергая анализу компоновку аэроплана братьев Райт, Ульянин отмечает, что этот аппарат не имеет стремления к автоматической устойчивости.

В наши дни авиаторы давно признали важнейшим качеством самолёта обладание свойством устойчивости – способность его конструкции автоматически, без активного участия лётчика, восстанавливать небольшие нарушения устойчивого равновесия.

Выведенный внешними причинами из состояния равновесия, и поколебавшись относительно своего центра тяжести (Ц.Т.), аэроплан, благодаря действию восстанавливающих сил и моментов сил, в конечном счёте, примет положение равновесия относительно Ц.Т.

Ульянин считал, что вся ответственность за устойчивость аэроплана Райта возлагается на верную руку пилота: «Управление рулями глубины (высоты – В.Т.) должно быть крайне верно и тонко, а потому требует большого искусства.
Рули глубины очень большие и сравнительно на коротком рычаге от центра тяжести, отчего действуют довольно резко.
Малейшее передвижение руля глубины вызывает немедленный наклон аппарата, отчего весь полёт Райта является почти всегда волнообразным».

Ульянин отмечает у Райта выгодное расположение позади аэропланавоздушных винтов, их большой диаметр.
Очень важным считает Ульянин, что «воздух откинутый ими (отброшенный лопастями двух винтов назад – В.Т.), ничего не встречает на своём пути».
Поясним.
Если вращающийся воздушный винт отбрасывает закрученный им воздух на поверхность и части самолёта, то этим вызывается существенное увеличение лобового сопротивления аэроплана.
При двух винтах – тем более.

По поводу компоновки «Фармана», Сергей Алексеевич писал:

«Фарман имеет позади аэроплана (коробки биплана – В.Т.) несущий стабилизатор.
Это даёт некоторую автоматическую устойчивость аэроплану.
Управление рулём глубины более грубое, чем у Райта и полёт много легче, т.е. требует менее искусства, чем на аэроплане Райта».
Недостатком «Фармана» и «Вуазена» Ульянин считал расположение несущего стабилизатора позади коробкибиплана, так как «под несущим стабилизатором всегда существует воздушная «подушка», а над ним разреженное пространство, отчего стабилизатор во время полёта легче сместить вверх, чем вниз».
Действительно, стабилизатор за счёт появившейся на нём подъемной силы во время полёта легко начинает смещаться вверх и плохо – вниз.
Усложняется управление рулём высоты.

Формулируя практические действия, Ульянин отмечает необходимость отклонения руля глубины на значительно больший угол при переводе самолёта на подъём, чем на величину угла при переходе на снижение.
Он подчёркивает, что желательно при подъёме самолета иметь меньшее лобовое сопротивление, чем при снижении и посадке.
Самолёт устойчивее за счёт этого на взлёте и при наборе высоты.
Ульянин предупреждает летчика, что малейшая ошибка при отклонении руля глубины вниз может привести к стремлению аэроплана «клюнуть» носом.
Он имел ввиду большое значение выдерживания в полёте определенного угла атаки крыла, так как при ошибке аэроплан может потерять устойчивость, сорваться в штопор, поскольку при этом нарушается аэродинамическое обтекание крыла и других частей машины.
Как видим, уже в 1909 году Ульянин придавал большое значение продольной устойчивостисамолёта.
Он приводил пример, когда Вуазен установил под рулём глубины колесо шасси, чтобы предупредить этим возможность капотирования – удара о землю с переворотом самолёта вверх колёсами шасси.
Такая посадка обычно завершается катастрофой с тяжёлыми последствиями для экипажа.

Ульянин обращает внимание на зависимость между углами отклонения рулей и расположением между их центрами давления и Ц.Т. самолёта.

Иными словами, он обращает внимание на плечи моментов сил, действующих на крыло и на стабилизатор, благодаря чему обеспечивается продольное равновесие, балансировка и, следовательно, продольная устойчивость самолёта.
Ульянин приходит к выводу, что аэроплан Фармана это биплан-тандем, у которого задний биплан (коробка крыльев) выполняет роль стабилизатора.
Этим он подчёркивает существенное значение второго биплана как органа управления самолётом.
По этим замечаниям можно судить о высокой оценкесхемы «утка», которой Ульянин отдавал предпочтение.
Существенное замечание он делает о том, что воздушный винт в аэроплане Фармана находится и работает в менее благоприятных условиях, чем в аппарате Райта. Во-первых, он один и меньшего диаметра; во-вторых, отбрасываемый им воздух встречает на своём пути стабилизатор, что уменьшает скорость полёта, так как при большей скорости отбрасываемого и ещё закрученного потока воздуха, лобовое сопротивление стабилизатора увеличивается.

Сергей Алексеевич отмечает как достоинство «Фармана» соединение его конструкции колёс шасси и салазок.
Из-за отсутствия колёс, аэроплан Райта не может взлететь с любого места.
Во французских аэропланах отсутствие салазок требует для прочности утяжеления шасси и колёс.
Они после посадки по инерции долго катятся по аэродрому.
Поскольку у Фармана колеса на резиновых амортизаторах, то они так проседают, что салазки касаются земли.

Аэроплан «Антуанет» монопланной схемы Ульянин считал перспективным, отмечал его удачную аэродинамическую компоновку, выгодное расположение руля глубины позади стабилизатора.
Это увеличивает плечо руля высоты от Ц.Т. аэроплана, а значит, и величину восстанавливающего момента при нарушении продольного равновесия и устойчивости аэроплана.
Профиль аэродинамической дужки руля высоты плоский, и при симметричном профиле стабилизатора даёт одинаковую силу сопротивления при отклонении вверх и вниз.
Но зато плоский стабилизатор не даёт прироста подъемной силы аэроплана.

Такой четкий и подробный анализ аэродинамических свойств крыльев и органов управления аэропланов, построенных в первые годы 20-о столетия, был впервые в России сделан С.А. Ульяниным.

Это позволяет считать Ульянина основоположником практической аэродинамики в авиации.

Науки, которая соединила в себе теоретические основы авиации с практическим их воплощением в конструкциях создаваемых аэропланов.

Напомним, что вопросами практического применения аэродинамики Ульянин занимался в период разработки, постройки и применения им воздушных змеев в российских вооруженных сил.

Ульянин один из первых авиаторов обратил внимание на влияние воздушного винта на самолёт.

В частности, в «Антуанете» один винт и отметаемая им при вращении часть размаха крыла только здесь увеличивает подъемную силу.
На остальной части крыла этого не происходит.
Он делает вывод о том, что горизонтальное оперение должно компоноваться из стабилизатора и прикрепленного к нему по задней кромке руля высоты; профиль горизонтального оперения должен быть несущим и создавать в полёте подъёмную силу, как бы этим «помогая» крылу.

Будучи сторонником аэроплана, скомпонованного по схеме «утка», и, выполнив такое решение в проекте своего аэроплана, Ульянин считал, что руль глубины целесообразно располагать впереди на фюзеляже, чтобы он не находился в потоке воздуха за винтом.
Правда, за винтом руль эффективнее, но, как считал Ульянин, «тогда его работа будет зависеть от числа оборотов винта».
Если же в полёте мотор остановится, то управление самолётом весьма затруднится.
Поэтому предлагается «Винты... расположить позади всего аэроплана и иметь, как у «Райта», два больших винта».

Касаясь устройства шасси, Ульянин считал, что «необходимо иметь колеса для разбега и салазки для спуска».
Для взлёта и посадки соответственно.

В начале 20-о столетия многие проблемы аэродинамики аэропланатолько начинали находить решения.
Сергей Алексеевич своими работами и предложениями существенно тому содействовал.
Это также относится к его предложению размещать пассажиров и членов экипажа одного за другим; к нахождению экспериментальным путём соотношения длины и ширины аэроплана и его частей, определяемое ныне величиной удлинения, как отношения длины и ширины (размах к хорде) для крыла, стабилизатора, руля, руля, фюзеляжа и т.п.
Ульянин обращал внимание на то, чтобы одна аэродинамическая поверхность в полёте не закрывала другую.
При этом образуется «аэродинамическая тень», снижающая эффективность работы заслонённой части.

Очень важным требованиям к органам управления Ульянин считал необходимым, чтобы движения рук пилота соответствовали естественным рефлексам человека на сохранение им равновесия в полёте и при эволюциях аэроплана.

Для повышения надёжности аэроплана Ульянин предложил в проекте: «Чтобы сделать аэроплан более надёжным и безопасным, следует иметь на нём два мотора и таких, чтобы сила каждого из них была достаточна для поддержания полёта аэроплана».
С одной стороны, выражаясь языком современной теории надёжности, это «поэлементное дублирование узлов», а с другой – ещё и повышение «коэффициента использования узлов».

Из проекта: «Избыток силы при двух моторах выгоден тем, что в случае надобности можно развить бо’льшую скорость, поднять бо’льший груз, а при средней скорости средней скорости моторы будут работать в нормальных условиях без перегрузки, как это бывает у большинства существующих аэропланов».

В первые годы 21-о столетия, может показаться, сверхнаивным обращаться к событиям почти столетней давности.
Но факт то, что инженерно-техническая деятельность Ульянина, которая «с нуля» последовательно преодолевала неведомые, непознанные и даже не представляемые им явления, привела к творческому подвигу в области самолётостроения.

Замечательно, что в этом походе за аэропланом в России поднималась передовая техническая мысль исследователей, учёных, конструкторов различных отраслей промышленности, летчиков.
Самолёт полностью вошел в жизнь землян.
И не следует забывать, что разработанная Ульяниным в те годы конструкция по схеме «утка», актуальна в авиации настоящего.
Этой схемой и сегодня пользуются конструкторы в различных странах мира.
Правда, иногда высказываются мнения о том, как называть такие сверхзвуковые самолёты как«Ту-144» или «Конкорд» – «бесхвостками» или «утками».
Но то, что в их компоновке есть элементы от ульянинской «утки», думается, не вызовет возражений.
На взлёте и посадке у «Ту-144» в носовой части появляется горизонтальное оперение и ведёт себя как «утка».
А известный в 60-е годы прошлого столетия американский сверхзвуковой самолёт «Вилькирия» имел все элементы конструкции «утки».

Очень важным требованиям к органам управления Ульянин считал необходимым, чтобы движения рук пилота соответствовали естественным рефлексам человека на сохранение им равновесия в полёте и при эволюциях аэроплана.

Для повышения надёжности аэроплана Ульянин предложил в проекте: «Чтобы сделать аэроплан более надёжным и безопасным, следует иметь на нём два мотора и таких, чтобы сила каждого из них была достаточна для поддержания полёта аэроплана».
С одной стороны, выражаясь языком современной теории надёжности, это «поэлементное дублирование узлов», а с другой – ещё и повышение «коэффициента использования узлов».

Из проекта: «Избыток силы при двух моторах выгоден тем, что в случае надобности можно развить большую скорость, поднять больший груз, а при средней скорости моторы будут работать в нормальных условиях без перегрузки, как это бывает у большинства существующих аэропланов».

В первые годы 21-о столетия, может показаться, сверхнаивным обращаться к событиям почти столетней давности.

Но факт то, что инженерно-техническая деятельность Ульянина, которая «с нуля» последовательно преодолевала неведомые, непознанные и даже не представляемые им явления, привела к творческому подвигу в области самолётостроения.

Замечательно, что в этом походе за аэропланом в России поднималась передовая техническая мысль исследователей, учёных, конструкторов различных отраслей промышленности, летчиков.
Самолёт полностью вошел в жизнь землян.
И не следует забывать, что разработанная Ульяниным в те годы конструкция по схеме «утка», актуальна в авиации настоящего.
Этой схемой и сегодня пользуются конструкторы в различных странах мира.
Правда, иногда высказываются мнения о том, как называть такие сверхзвуковые самолёты как «Ту-144» или «Конкорд» – «бесхвостками» или «утками».
Но то, что в их компоновке есть элементы от ульянинской «утки», думается, не вызовет возражений.
На взлёте и посадке у «Ту-144» в носовой части появляется горизонтальное оперение и ведёт себя как «утка».
А известный в 60-е годы прошлого столетия американский сверхзвуковой самолёт «Вилькирия» имел все элементы конструкции «утки».

Таковы, думается, могут быть суждения об истоках практической аэродинамики.

Автор статьи Виктор Александрович Турьян, инженер-механик по самолётостроению, автор 6-и книг и более 800 научных и популярных статей.
В ЦАГИ работал ведущим инженером по аэродинамическим натурным испытаниям самолётов, член секции «История авиации и космонавтики» Национального комитета РАН по истории науки и техники.

Опубликовано:

1) В книге «Сергей Алексеевич УЛЬЯНИН. Труды о жизни и деятельности. 2005 г.

2) В журнале «Актуальные проблемы современной науки». № 5, 2003. стр. 187-190.