Летающие масштабные модели для отработки технических решений перспективных гидросамолетов

Интересная винтажная статья из сентябрьского 1949 года выпуска журнала «Flying», которая, думаю, заинтересует читателей и коллег.

Летающие карлики ВМС

Автор: ДЖАРЕД ГАМИЛЬТОН

Масштабные модели помогают компании Convair проектировать новые крупные летающие лодки

Модели самолетов, о которых даже самые фанатичные моделисты не могут и мечтать, вылетают из ворот цеха компании Convair в Сан-Диего, штат Калифорния, и представляют собой изготовленные в уменьшенном масштабе самолеты новых конструкций, некоторые из которых по-прежнему несут гриф секретности. Эти модели не следует считать игрушками. Масштабное моделирование является одним из самых практичных способов из числа когда-либо изобретенных и применяемых для устранения ошибок в полноразмерных самолетах задолго до того, как они будут изготовлены.

Достижения военного времени в области дистанционного электронного управления сделали возможным использование данного способа. Это радиоуправляемые модели, которые могут взлетать, маневрировать и совершать посадку так же легко, как если бы на борту у них были миниатюрные человечки. Фактически, радиоуправляемые модели могут быть протестированы такими темпами, на которые летчики-испытатели никогда бы не осмелились пойти, даже в рамках ускоренной программы испытательных полетов. Их летные характеристики точно предсказывают, как будет летать разрабатываемый самолет. Если в их конструкции скрыты ошибки, то их можно обнаружить и исправить небольшими затратами без необходимости признать непригодным и списывать чрезвычайно дорогой прототип.

Проще говоря, модели точно воспроизводят движения и усилия полноразмерных самолетов и графически демонстрируют характеристики, которые можно ожидать от полноразмерных самолетов. Когда результаты испытаний умножаются на соответствующий масштабный коэффициент, характеристики проектируемого полноразмерного самолета могут быть точно предсказаны задолго до начала его изготовления.

Летающие масштабные модели являются результатом работы ведущей исследовательской организации – лаборатории гидродинамических исследований компании Convair. В лаборатории их называют «динамически подобными моделями». До сих пор они использовались только для моделирования характеристик самолетов морского базирования, но их также можно одинаково хорошо адаптировать к самолетам любого типа.

Одним из самых больших преимуществ летающих моделей является их превосходство над моделями, испытанными в аэродинамических трубах. Они ни к чему не привязаны, не подвержены переменным потокам, которые могут возникать в аэродинамических трубах, и подвержены воздействию всех динамических сил, действующих на реальный самолет в дозвуковом полете. Они не только построены в точном масштабе, но их масса и летные характеристики, а также динамические силы воздействуют на них в соответствии с масштабом.

На данный момент изготовлены четыре типовые модели, масштаб который варьируется от ⅛ до ⅟₁₅, с массой от 90 до 160 фунтов (от 41 до 73 кг). Размах их крыльев варьируется от 13 футов 9 дюймов (4,16 м) до 21 фута (9,45 м), все остальные размеры также отмасштабированы. Модели оснащены силовыми установками, состоящими из двух или четырех двигателей. Одна из моделей для научных исследований, изготовленная в масштабе ⅟₁₅, не имеет силовой установки и с помощью катапульты запускается ч заранее установленным углом тангажа.

Они приводятся в действие либо двигателями Ohlsson & Rice мощностью 1½ л.с., либо 2-сильными двигателями Bantam. Модели изготовлены из бальзы, древесины (красное дерево и ель), папиросной бумаги, алюминия, стали и пластмасс. Конструкция прочная и очень устойчива к воздействию погодных условий и даже соленой воды. Расчетный вес и распределение массы достигаются за счет размещения балласта и эксплуатационного оборудования на направляющих внутри корпуса. Правильное расположение центра тяжести и правильное значение момента инерции относительно поперечной оси достигаются путем перемещения балласта и эксплуатационного оборудования в продольном направлении. Предметы, подверженные повреждениям при ударе, сконструированы таким образом, чтобы при заданных ударных нагрузках отламываться в целости и сохранности.

На основе многолетних исследований и экспериментов лаборатория гидродинамических исследований разработала методы построения моделей. Когда ученым лаборатории была поставлена задача, они обнаружили, что для летающих моделей не обходимо создать радиоприемник, способный передавать управляющие сигналы на семь каналов с точностью в пределах 1,25 процента и весящий, включая аккумуляторную батарею, менее 20 фунтов (9 кг). Создание такого радиоприемника настоящий технический подвиг, которого ранее никто не совершил. Радиоприемник должен был быть разработан и изготовлен специально для программы летающих масштабных моделей. Двигатели этих моделей должны развивать мощность от 1,5 до 2 л.с. и вес ить всего три-четыре фунта (1,4-1,8 кг). Один двухтактный двухцилиндровый двигатель с оппозитными поршнями должен был в точности воспроизводить мощность и обороты 2100-сильного двигателя Pratt & Whitney R-3350, которым планируется оснастить полноразмерный самолет. Воздушные винты подвергнуты механической обработке и как на полноразмерном самолете имеют переменный шаг. Лонжероны крыла были скреплены эпоксидной смолой «метлбонд». Везде, где это было возможно, используются соединители из оргстекла.

Результатом стала модель Convair XP4Y-1, которая была точной геометрической копией полномасштабного самолета. Исключение составляли слоты на передней кромке крыла, необходимые для воспроизведения характеристик подъемной силы полномасштабного крыла. Новейшей разработкой является XP5Y-1, представляющая собой сверхэффективную летающую лодку с длинными и узкими линиями корпуса. В настоящий момент два полноразмерных гидросамолета XP5Y-1 изготавливаются на заводе компании Convair, Сан-Диего, по заказу ВМС США.

Готовая модель оснащена специальным киноаппаратом (под 16-мм кинопленку), индикатором триммирования, указателем скорости, таймером с плавно перемещающейся секундной стрелкой, акселерометром и электрическими контактами; данная аппаратура предоставляют временную диаграмму контакта с водой редана, передней и задней оконечностей лодки. Камера подключена к дроссельной заслонке правого борта и может быть использована для выполнения непрерывного фотографирования процессов взлета и посадки.

В комплекте с двигателями, воздушными винтами, топливом, приборами, приемником, блоком батарей «B», «C» и 14-вольтовыми батареями «A» с жидкостными элементами конечная масса модели XP4Y-1 составила 83 фунта (37,6 кг) по сравнению с 42500 фунтами (19278 кг) для полноразмерный самолет. Общая масса модели составляет 90 фунтов (40,8 кг), что позволяет добавить шесть фунтов (2,7 кг) свинцового балласта для балансировки масштабной модели.

Полеты модели летающей лодки XP4Y-1 вряд ли можно назвать рутинным делом. Для обеспечения полета требуется наземная бригада для обслуживания модели, экипаж лодки для ее извлечения из воды, руководитель испытаний, оператор и «VHP» для управления передатчиком. В компании Convair аббревиатуру «VHP» расшифровывают как «Very Hot Pilot» (Очень горячий пилот) – подходящее описание, когда понимаешь, что реакция на управляющие воздействия у летающей модели в три раза быстрее, чем в полноразмерном самолете.

Если самолет попадает в невероятно плохое положение, VHP отключает сигнал несущей частоты, и органы управления автоматически возвращаются в заданное положение. Для практической эксплуатации модель должна находиться в пределах 3000 футов (914 м). Если модель вылетит за указанные пределы, уменьшение сигнала приведет к постепенному повороту модели влево, пока она не вернется в зону досягаемости. Чтобы модели можно было держать в поле зрения, одна законцовка крыла и руль направления окрашены в ярко-оранжевый цвет, и такая же цветовая гамма применена к соответствующим органам управления наземного передатчика.

Двигатели запускаются вручную от вспомогательной аккумуляторной батареи. Топливовоздушная смесь также регулируется вручную, и когда все готово, вспомогательная аккумуляторная батарея отключается, включается радио и модель переходит на радиоуправление. Иногда модели запускаются с помощью катапульты, чтобы снизить нагрузку на радиооборудование и упростить требования к персоналу.

Когда компания Convair впервые отправила свои модели в море, возникли значительные проблемы с остановкой двигателей. Карбюратор выходил из строя, а брызги соленой воды часто приводили к короткому замыканию системы зажигания. Эти проблемы были преодолены за счет использования системы впрыска топлива и перепроектирования конструкции защиты.

Система дистанционного радиоуправления является во всем мире единственной в своем роде и была разработана для Лаборатории. Шестиканальный передатчик имеет мощность 63 Вт и передает сигналы VHP на приемник в самолете, который, в свою очередь, приводит в действие органы управления полетом крошечного самолета.

Сам пульт управления включает в свой состав штурвальную колонку, педали руля направления и два рычага управления дроссельной заслонкой. На приборной панели расположены радиоастрономические инструменты, часы общего времени работы, рычаги управления закрылками и выключатели зажигания, а также ручки балансировки рулевых поверхностей посредством триммеров. Даже сиденье регулируется для комфорта VHP. Передатчик управляющих команд имеет регулировочные ручки, которые в случае изменения подстраивают нулевые положения руля направления, высоты и дросселей.

Для моделей был разработан автопилот, который весит всего около пяти фунтов (2,3 кг). Рули высоты, рули направления, элероны, закрылки и отдельные дроссели приводятся в действие небольшими серводвигателями, управление которыми в свою очередь осуществляется либо пилотом, либо сигналами VHP.

Компания Convair обнаружила, что модель для испытаний в свободном полете имеет по крайней мере два преимущества перед опытовым бассейном для гидродинамических испытаний конструкций самолетов. В опытовым бассейне могут изменяться углы тангажа модели и тестироваться ее выход из воды, в то время как ее скорость ограничивается скоростью 16-тонного тягача, к которому модель прикреплена. Эффекты ускорения, сопровождающие снижение мощности современных гидросамолетов, оказывают большое влияние на брызгообразование и устойчивость. Однако с помощью масштабной модели Convair может воспроизвести все эффекты, с которыми в реальный самолет может столкнуться в свободном полете.

Летающие модели также оказались чрезвычайно ценными для всех видов гидродинамических исследований, таких как формы корпуса, взлетно-посадочная механизация крыла и так далее. Эффекты модификаций уже существующих летающих лодок могут быть определены быстро и точно со значительным сокращением затрат и времени модернизации. При возникновении нежелательных реакций в модель можно быстро и недорого внести изменения и повторно протестировать ее до тех пор, пока не будут продемонстрированы удовлетворительные эксплуатационные характеристики.

Благодаря летающим моделям могут быть устранены изменения полноразмерного экспериментального самолета, которые выполняются методом проб и ошибок и которые чрезвычайно дорого стоят. При полном отказе модели причины неисправности могут быть обнаружены с минимальным риском для персонала и предоставят информацию для предотвращения повторения неполадок в будущих конструкциях.

источник: Jared Hamilton «The Navy’s Flying Midgets» «Flying» 1949-09, pages 38, 39, 74