Гонка за призраком скорости

Проектирование

После досадного поражения в гонках на кубок Шнейдера в 1925 году, Великобритания не собиралась сдаваться. Программа строительства скоростных гоночных самолётов имела поддержку на государственном уровне, с прицелом на использование полученных результатов для военного самолётостроения. Недаром широкое участие в этой программе принимали ВВС, а процесс и (до определённого времени) результаты работ были покрыты завесой секретности. Тем не менее, некоторые моменты становились доступными широкой общественности.

Так 21 января 1926 года майор Бушенен (Major J. S. Buchanan) выступил в Королевском Авиационном Обществе (Royal Aeronautical Society) с докладом «Гонки на кубок Шнейдера». Не смотря на то, что озвученный им документ не представлял официальную точку зрения Министерства Авиации (Air Ministry), он был разработан именно там и предан огласке с разрешения этого ведомства. Доклад содержал обзор истории гонок, сравнительные характеристики современных гоночных самолётов и предположительные пути их совершенствования с оценкой результатов, которых можно достичь за счёт того или иного улучшения.

В качестве основных направлений совершенствования самолётов для ближайших гонок были указаны следующие:

1) Снижение сопротивления фюзеляжа за счёт уменьшения размеров и улучшения его формы.

2) Использование поверхностных радиаторов.

3) Использование лучшего типа пропеллера и тщательные испытания с новым пропеллером перед соревнованиями.

4) Тщательная подготовка пилотов для гоночных самолётов.

В ходе обсуждения было высказано несколько идей по реализации предложенных улучшений. Рассматривались различные пути повышения мощности мотора (снижение удельного веса или увеличение мощности при сохранении прежних удельных характеристик, использование топлива с присадками). Рассматривалась способы повышения скорости, не связанные непосредственно с конструкцией самолёта и двигателя. В качестве пилотов предлагали задействовать исключительно лётчиков ВВС, как более подготовленных и опытных. Предлагали изменить традиционный треугольный маршрут гонок, сделав его восьмиугольным, что приведёт к уменьшению перегрузок на поворотах (доходивших по американским данным до 8g) и соответственно, снижению потери скорости. Оценивались различные способы прохождения поворота: с набором высоты для потери скорости и уменьшения радиуса поворота с последующим разгоном на снижении или с сохранением имеющейся высоты при увеличенном радиусе поворота, но с меньшей потерей скорости. Более рациональным был признан плавный разворот без существенного изменения высоты полёта.

Пока шли обсуждения, Министерство Авиации (Air Ministry) заказало для предстоящих гонок шесть самолётов у двух производителей. Три самолёта были заказаны у Supermarine и три у Gloucestershire (переименованной 11 ноября 1926 года в Gloster Aircraft Company). Все шесть самолётов планировалось оснастить двенадцатицилиндровым трёхрядным двигателем жидкостного охлаждения Napier Lion, т.к. новый мотор, разрабатываемый на Rolls Royce, был к тому времени недостаточно доведён для того, чтобы тягаться с отработанным мотором Napier. Позднее этот заказ увеличили до семи машин за счёт одного гидроплана Short, для сравнения результатов использования радиального двигателя воздушного охлаждения. Видимо для уменьшения расходов, заказ потом сократили до шести машин, отказавшись от одного из трёх бипланов Gloster. Все эти самолёты предназначались для звена высоких скоростей (the RAF Hi Speed Flight), сформированного в M.A.A.E. Феликстоу (Felixtowe) под руководством Сквадрон лидера Л.Х. Слеттера (Sqn Ldr L.H. Slatter). Gloster готовили самолёт по заданию (спецификации) 5/26, Supermarine по заданию S.6/26 и Short-Bristow по заданию 7/26.

В начале 1926 года Министерство Авиации Великобритании запросило расположенную в Теддингтоне Национальную Физическую Лабораторию (National Physical Laboratory, далее в тексте - НФЛ) о возможности проведения аэродинамических исследований моделей в ? величины нового Supermarine S.5, проектируемого для участия в гонках на кубок Шнейдера Реджинальдом Митчеллом (Reginald J. Mitchell). Работы в НФЛ стартовали в начале марта 1926 года. Привлекли к общей работе и расположенный в Фарнборо Королевский Авиационный Институт (Royal Aircraft Establishment), аэродинамическая труба которого использовалась главным образом для исследования аэродинамических особенностей частей самолёта и аспектов охлаждения.

Тем временем, 19 марта того же года на встрече в Королевском Аэроклубе, на которой присутствовали представители Министерства Авиации, Королевского Аэроклуба, Общества Британских Авиаконструкторов и других лиц и организаций, заинтересованных в участии в гонках на кубок Шнейдера, в результате открытого голосования было принято решение о том, что участие британской команды в гонках 1926 года нецелесообразно. 23 марта это решение было доведено до широкой общественности на встрече с представителями прессы. Если верить более поздним источникам, то причиной такого решения стало осознание того, что к предстоящим гонкам не удастся в достаточной степени подготовить новые самолёты, что было полностью подтверждено дальнейшими событиями.

Базовый проект Реджинальда Митчелла получил название S.5. Спецификация S.6/26, изданная 19 марта 1926 года, описывала заказ как одноместный высокоскоростной поплавковый самолёт и его скорость на малых высотах, управляемость на высокой скорости полёта, запас устойчивости по всем осям во время полёта и уровень маневренности на воде и в воздухе. Спецификацией предписывалось использовать безредукторный двигатель Napier Lion с сухим весом в 740 фунтов, развивавший эффективную мощность в 750 л.с. при 3000 оборотах в минуту. Запас топлива должен был позволить выполнить полёт на полной мощности двигателя на уровне земли в течение часа, а запас масла в течение часа с четвертью в тех же условиях, с 50% резервом. На полезную нагрузку S.5 отводилось 180 фунтов для пилота и 20 фунтов для приборов. Скорость на высоте 1000 футов должна была быть не ниже 265 миль в час, а посадочная скорость с остановившимся двигателем не должна превышать 90 миль в час или должна была быть согласована с Директором по техническому развитию с учётом отягчающих факторов.

С момента аварии S.4 в 1925 году обсуждалось несколько вариантов конструкции нового самолёта, включая такие как предложенный в конце 1925 года вариант S.5 в виде уменьшенного S.4 с парой низкорасположенных безподкосных крыльев, и позднее, низкоплан с усиленным внешними расчалками крылом, чья модель стала одной из трёх исследованных в НФЛ. Свободнонесущая конструкция приводила к увеличению веса, необходимому для обеспечения жёсткости крыла, что сводило на нет аэродинамические преимущества. Митчелл считал оптимальным решением использование расчалок, и именно таким и был в итоге задуман S.5. Так же на Supermarine решили, что увеличение сопротивления бипланной схемы не окупает снижения веса, и такой вариант является второстепенным по отношению к моноплану. Состав НФЛ так же активно принимал участие в работах по снижению сопротивления S.5, параллельно с усилиями по снижению веса элементов конструкции.

Девятые гонки на кубок Шнейдера, состоявшиеся после трёх переносов 13 ноября 1926 года в Хэмптон Роад, были выиграны командой Италии. Победителем стал майор Марио де Бернарди, средняя скорость его окрашенного в красный цвет поплавкового моноплана Macchi M.39 на треугольной трассе общей протяжённостью 217,6 мили составила 246,442 мили в час. Согласно правилам, следующие гонки должны были пройти в стране-победительнице, т.е. в Италии.

К этому времени уже был сформирован облик основных участников гонок со стороны Великобритании: Gloster предпочли схему биплана, а Short – моноплан с индивидуальной капотировкой каждого из цилиндров звездообразного двигателя воздушного охлаждения. Из шести самолётов, строящихся по заказу Министерства Авиации, под общим управлением Директората Технического Развития (Directorate of Technical Development), для участия в гонках предстояло выбрать три.

После победы итальянцев интенсивность исследований в Национальной Физической Лаборатории увеличилась. В ноябре Реджинальд Митчелл был вызван в Теддингтон для обсуждения конструкции S.5, согласования с НФЛ параметров модели для аэродинамических исследований и способов достижения заданных характеристик проектируемого им самолёта. Площади НФЛ позднее были увеличены для обеспечения исследований самолётов фирм Gloster и Short. В итоге в аэродинамической трубе НФЛ исследовали три модели монопланов в ? величины для Supermarine, четыре модели бипланов для Gloster и две модели монопланов для Short. Модели для Supermarine имели различное сочетание крыла и растяжек: модель №1 – низкоплан, при виде спереди крыло соединялось W-образными стойками с поплавками, дополнительно соединёнными между подкосами крест-накрест, на модели №2 вместо внешних и подкосов и подкосов, соединяющих между собой поплавки использовались расчалки, а модель 3 имела расположенное сверху крыло с корневой частью, отогнутой вниз (обратная чайка) и переходящей в обтекатели цилиндров двигателя (как на самолёте Gloster) в сочетании с системой подкосов от первой модели.

Испытания модели биплана для Gloster с верхним крылом в конфигурации «обратная чайка» показали ненормальный рост максимальных значений подъёмной силы. Для более глубокого исследования причин такого явления модель №3 для Supermarine построили в схожей конфигурации, но с крылом малой площади, чтобы проверить, не был ли вызван рост подъёмной силы эффектом интерференции. После продувок в трубе на различных скоростях проявился эффект, прямо противоположный ожидаемому, вдобавок срыв потока начинался на небольших углах атаки, а сопротивление, не смотря на существенное уменьшение площади крыла, почти не изменилось. По этой причине от верхнего расположения крыла на Supermarine отказались. В результате исследователи пришли к выводу, что ненормальный рост подъёмной силы на модели биплана Gloster частично был вызван поплавками, схожий эффект появился и на моноплане Short-Bristow, на котором он возможно проявлялся так же и благодаря капотировке двигателя с индивидуальными обтекателями цилиндров.

Так же в результате исследований выяснилось, что поплавки Short-Bristow имели наименьшее сопротивление. Сопротивление поплавков Supermarine было больше, а у поплавков Gloster оно было максимальным. Сопротивление фюзеляжа Gloster было явно ниже, чем у Supermarine, а у самолёта Short-Bristow меньший, чем у Supermarine коэффициент сопротивления имело крыло. Форма подкосов поплавков у Gloster была самой лучшей.

Реджинальд Митчелл полностью осознавал важность выполнения требований НФЛ, и поддерживал близкий контакт с персоналом лаборатории, вовлечённым в помощь в разработке предназначенных для участия в гонках на кубок Шнейдера самолётов Supermarine. Среди существенных предложений по улучшению конструкции, сделанных НФЛ, и примененных на практике, был отказ от первоначально запланированных к использованию тяжёлых подкосов и замена их на проволочные растяжки. Такая конфигурация соответствовала второй из трёх продуваемых моделей, её конфигурация и была положена в основу проектируемого S.5.

В ходе исследований в НФЛ выяснилось, что характеристики полноразмерных гидросамолётов самолётов могут быть вычислены с высокой точностью. Расхождение расчётных характеристик с полученными на реальных самолётах не превышало 1%.

Пока продолжались продувки моделей, сформированное в ВВС Великобритании звено высоких скоростей полёта приступило к тренировкам в Феликстоу на созданном для предыдущих гонок Gloster III, для чего туда после модификации в Брокворте (Brockworth) были направлены оба самолёта этого типа, N194 и N195. В Феликстоу они служили не только для тренировок, но и в качестве экспериментальных самолётов. N194, оснащённый мотором Lion VII № 62015, использовался для полётов с различными типами пропеллеров, по программе сбора данных для разработки новых скоростных гидропланов и общих данных о поведении законцовок пропеллера на высоких окружных скоростях.

Силовая установка новых самолётов имела первостепенное значение, и поэтому конструкторам помогали Капитан Джи.С. Вилкинсон (Capt. G.S.Wilkinson) из Napier, отвечавший за развитие двигателей Lion и за радикальное снижение площади поперечного сечения двигателя, с 5,55 квадратных футов у Napier Lion Series XI до 4,25 квадратных футов у Schneider Lion VIIB, А.Х.Р. Фидден (A.H.R. Fedden), приступивший к созданию Mercury I для моноплана Short в ноябре 1925 (первый двигатель был собран в августе 1926 года), и П.А. Рэлли (P.A. Ralli) с фирмы Fairey, разрабатывавший пропеллеры Fairey-Reed. Новый двигатель от Napier, предназначенный для установки на Gloster IV и Supermarine S.5, стал развитием знаменитого “Lion”. В новой серии двигателей Lion образца 1927 года увеличили мощность за счёт роста давления и скорости вращения, вдобавок мотор стал более компактным, общая высота уменьшилась на 2 дюйма, площадь фронтальной поверхности понизилась до 4,25 квадратных футов у варианта VII B. Этого удалось достичь за счёт перекомпоновки агрегатов двигателя: все навесные агрегаты разместили позади мотора. Увеличение скорости вращения и давления породили проблемы с зажиганием, частично связанные с условиями работы свечей. Большое содержание бензола в топливе привело к отложению копоти на свечах во время зажигания, а высокое содержание присадок с тетраэтилом свинца провоцировало свинцовый налёт на свечах, так что в итоге в состав топлива вошло 25% бензола, 74,78% бензина и 0,22% присадок.

Весь бензин размещался в правом поплавке. На первом S.5 правый поплавок, вмещавший топливный бак, сделали на 8 дюймов длиннее, чем левый, но испытания в полёте и на рулении показали, что такое удлинение является излишним, и на двух остальных S.5 от него отказались. Но на всех трёх самолётах правый поплавок отстоял от центра фюзеляжа на 8 дюймов дальше, чем левый, что не повлияло на поведение самолёта на воде из-за низкого расположения центра тяжести. С полностью заполненными баками правый поплавок погружался глубже левого, что компенсировало момент вращения двигателя Lion на воде, а больший вынос и вес поплавка делали то же самое в воздухе. Использование на S.5 низкорасположенного крыла улучшило обзор для пилотов, но стоило потери 3 миль в час скорости, однако эта потеря была сочтена более чем оправданной на фоне улучшения обзора из кабины, которую для этих же целей сдвинули вперёд, к носу. Использование расчалок сделало возможным уменьшить толщину крыла у корня, что в свою очередь позволило использовать для крыла профиль RAF 30. Всё это позволило снизить вес конструкции крыла и отказаться от 2 межпоплавковых подкосов. Фронтальная поверхность четырёх основных поплавковых стоек так же была уменьшена. Использование вместо подкосов 14 проволочных растяжек принесло заметное снижение лобового сопротивления, добавившее примерно 5 миль в час скорости, и вдобавок, по сравнению с S.4, мидель фюзеляжа был снижен примерно на 35% до величины 5,9 квадратных футов. Пилот сидел практически на полу и был буквально вписан в кабину, из-за чего множество проблем создавала разница в размерах настоящих живых пилотов.

Тщательный подход к уменьшению размеров и веса конструкции принёс существенный общий выигрыш в скорости, включавший 11 миль/ч за счёт снижения омываемой поверхности фюзеляжа, 4 мили в час за счёт снижения миделя поплавков, 24 мили в час за счёт использования поверхностных радиаторов вместо радиаторов Ламблена, примерно 5 миль/ч за счёт использования проволочных расчалок, 30 миль/ч благодаря увеличению мощности двигателя и большей эффективности пропеллера диаметром 7,25 футов и шагом 11,43 фута.

Однако ничего не даётся даром. Снижение миделя поплавков было достигнутого в т.ч. благодаря снижению запаса плавучести с 55% у S.4 до 40% у правого поплавка S.5, что было очень низким значением, и потребовало большой аккуратности при движении.

Первый построенный Supermarine S.5 получил регистрационный номер N.219 и был представлен представителям прессы в начале августа 1927 года, одновременно с первым Gloster VI. Чуть позже показали и Crusaider фирмы Short.

К этому времени самолёт Supermarine уже успели испытать на скорость: 24 июля 1927 года S.5 N219 летал над трёхкилометровой мерной базой между Калшотом и Саутгемптоном с 5ч 52 мин до 6ч.01 минуты утра, при 3050 оборотах средняя скорость пролёта базы в двух направлениях составила 284 мили в час.

| >>