2. МОРЕ, ЕГО СОСТОЯНИЕ И УСЛОВИЯ РАБОТЫ МОРСКИХ САМОЛЕТОВ

2. МОРЕ, ЕГО СОСТОЯНИЕ И УСЛОВИЯ РАБОТЫ МОРСКИХ САМОЛЕТОВ

Существенная разница между морскими и сухопутными самолетами заключается в том, что сухопутный самолет проектируется, исходя только из условий достижения наилучших летных характеристик. Условия работы сухопутного самолета на земле почти не оказывают влияния на конструктивную схему. Все внимание, конструктора сосредоточено на создании наиболее обтекаемых внешних форм и на возможность уменьшения габаритов всех выступающих частей. При проектировании же гидросамолета значительная доля внимания уходит на обеспечение требований мореходности самолета, так как, помимо хороших аэродинамических форм, гидросамолет должен обладать и хорошими гидродинамическими свойствами.

Мореходностью гидросамолета называется способность его взлетать и совершать посадку, идти на буксире, производить рулежку, дрейфовать на взволнованной поверхности моря, переносить качку, даже плавать под парусами, подобно гидросамолетам Рорбаха. Поэтому качества мореходности гидросамолета должны отвечать заданным условиям погоды и состоянию поверхности моря. Не останавливаясь на исследовании причин волнообразования (см. специальные труды по этому вопросу, например „Океанография" Шокальского), необходимо указать лишь на те данные, которые нужны, конструктору. Волнами называются колебательные движения частиц воды в вертикальной плоскости. Очертание волн принимается по трохоиде. Так как появление волн обычно связано с наличием ветра, то общее состояние моря характеризуется определенной скоростью и связанной с ней высотой волны. Эта связь определяется шкалой Бофорта (табл. 1).

Рис. 1. Схема морской волны.

Длина волны, т. е. расстояние между двумя вершинами или впадинами, меняется в пределах: L = 10 – 20м, где h - высота волны (Рис. 1). Так как величина самого водного пространства оказывает влияние на величину волны, то наибольшее значение этой формулы соответствует океанским волнам, а меньшее - волнам закрытых морей. Небольшие водные пространства имеют короткие и крутые волны, а большие - наоборот, принимая среднее значение L=16,¹ что будет довольно близко для волн наших морей; получим, что угол волнового склона q » 10 - 11°. К сожалению, точных приборов для измерения волн нет, и оценка высоты волны производится „на глаз", потому что буйки с отметками помещаются обыкновенно в закрытых бухтах и не дают никакого критерия для оценки высоты волны в открытом море. ¹ См. статью Косоурова, “Влияние волны и ветра на кренящий момент гидросамолета”. „ТВФ", № 3, 1932. Обычно направление волн перпендикулярно направлению ветра. Тогда посадка производится против ветра и перпендикулярно волнам. Но часто ветер меняет свое направление, а направление движения волн по инерции сохраняется. Посадка в таком случае затрудняется, потому что приходится садиться, выбирая наиболее удачные положения по отношению к воде и ветру.

Баллы по Бофорту	Название ветра	Скорость			Состояние моря по Циммерману	Баллы	Высота волн
		м/сек	Узлы	кг/м2
0	Штиль	0 - 1	0 - 2	0 - 0,2	Мертвый штиль	0	0
1	Весьма слабый	1,2	2,3	0,4	Очень гладкое	1	ниже 1
2	Слабый	2,5	4,9	1	Гладкое или спокойное	2	1
3	Тихий	5	9,8	2	Легкое волнение	3	2,2
4	Умеренный	7,2	14	4	Умеренное волнение	4	3,2
5	Свежий	9,5	18,5	7	Довольно беспокойное море	5	4,2
6	Весьма свежий	12	23,4	11	Волнение или не спокойное море	6	5,3
7	Сильный	14,8	29,8	16	Большое волнение	7	6,5 - 7,7
8	Весьма сильный	17,5	34	24
9	Крепкий	21,2	41,3	34	Очень большое волнение	8	9,3 - 10,8
10	Буря	24,8	48,3	46
11	Шторм	29	56,5	65	Чрезвычайно сильное волнение	9	13 и выше
12	Ураган	33	64 и выше	90 и выше

Это, конечно, ориентировочные данные, принятые на практике, как средние значения. Задаваясь целью повышения мореходности, выбирая соответственно форму и схему самолета, можно несколько повысить эти значения. Состояние моря, которому должен удовлетворять данный гидросамолет, обыкновенно указывается в технических условиях на проектирование и постройку (см. главу „Технические условия"). При этом состоянии моря и ветра самолет должен производить взлет, посадку и выдерживать длительную буксировку. Для возможности взлета и посадки на взволнованную поверхность моря гидросамолету придается соответствующая форма.

Для того чтобы хорошо буксировать за кораблем или катером, гидросамолет должен обладать достаточно большим запасом поперечной остойчивости, потому что шквальные порывы ветра, вообще не согласующиеся с движением волн, могут вызвать раскачивание гидросамолета и рыскание его, что в свою очередь может привести к аварии. Такие же явления происходят и при дрейфе самолета. Дрейф - это свободное плавание гидросамолета по воле волн и ветра при неработающем (остановленном или остановившемся) моторе. В этом случае гидросамолет выбрасывает плавучий якорь, становится носом против ветра и свободно плывет, увлекаемый ветром. При буксировке или дрейфе в случае обрыва буксирующего конца, самолет, может быть, легко перевернут порывами ветра, если у него недостаточная поперечная остойчивость. По третьему закону Ранкина (теория корабля) судно (или гидросамолет), обладающее большой начальной остойчивостью, будет плавать на волне, как доска, положенная плашмя, т. е. будет в точности следовать всем изменениям волны. Таким образом, поплавковые и двух лодочные гидросамолеты, обладающие очень большим запасом начальной остойчивости, очень неприятны при качке для экипажа. Кроме того, Rohrbach считает, что качка может оказаться расчетным случаем для многих элементов гидросамолета, главным образом для крыла, особенно, если на нем расположены моторные установки. Вообще говоря, следовало бы создать такой гидросамолет, который мог бы менять свою начальную остойчивость в соответствии с законами Ранкина в зависимости от того, плавает ли он на спокойной или взволнованной воде (путем вытягивания или уборки жабер или создания возможности перемещать боковые, поплавки вдоль по размаху крыла). Но это является сложной проблемой, за которую еще никто серьезно не брался. Кроме мореходности, влияющей на конструкцию, очень важным является вопрос хранения гидросамолета и условия эксплуатации его до и после полета.

Морской самолет в отличие от сухопутного в силу своей специфичности требует специальных условий и приспособлений для работы с ним как на воде, так и на суше.

Самолеты малого и среднего тоннажа допускают возможность спуска на воду и подъема их из воды с помощью тележек, подводимых под лодку или поплавки.

Эти же тележки или специальные полуоси с колесами, временно прикрепляемые к лодке, служат для перемещения самолета по суше и хранения его в ангаре. Если прибрежная база достаточно хорошо оборудована, имеет ремонтные мастерские, ангары, бетонированные спуски, снабжена лебедками или шпилями,—то спуск на воду, подъем из воды и перемещение на суше гидросамолета среднего веса не представляет больших затруднений. Иначе дело обстоит с машинами веса 6 – 8 - 10т. Указанные операции с ними чрезвычайно затруднены и требуют не только очень большого количества людей, но и довольно сложного и громоздкого оборудования. Поэтому к гидросамолету большого тоннажа предъявляются требования возможности длительного хранения на воде без ввода в ангар. Это вызывает необходимость снабжения самолета прочными и удобными приспособлениями для причала и постановки на якорь (рымы, утки, кнехты).

Хранение гидросамолета на воде подвергает его открытому действию атмосферных условий, особенно вредно сказывающихся на незащищенных моторах, закрываемых (для хорошей обтекаемости) лишь легкими капотами. Благодаря этим отрицательным сторонам возникает вопрос либо о создании ангаров с бассейнами, соединенными с морем и закрываемыми специальными воротами или шлюзами, либо о создании* плавучих доков, которые поднимают самолеты и хранят их в закрытом помещении. Так как указанные сооружения требуют значительных денежных затрат, то предпочитают большие гидросамолеты хранить „на плаву" и изредка вытаскивать их на берег (Rohrbach, Dornier и т. д.).

Рассмотрев в общих чертах обстановку и условия, в которых приходится работать гидросамолету, необходимо указать, как эти условия влияют на схему самолета и на общую его компоновку.

Небольшие самолеты малого тоннажа, как говорилось выше, не приспособлены к работе в открытом море и на взволнованной поверхности. Поэтому их используют либо в тихую погоду, либо в закрытых водных бассейнах (реки, озера). Работа в этих условиях позволяет применять поплавки, дающие возможность легко использовать однотипную сухопутную машину путем устройства специальных узлов для крепления поплавкового шасси. Так, например, часто поступает английская фирма Havilland („Gipsy Moth" и т. д.), Blackburn, „Avro" и т. д.

Вследствие невысоких требований мореходности получается универсальная машина, которая путем небольших переделок может работать как сухопутная и морская. Такой способ создания гидросамолета наблюдается и во второй группе самолетов, но только в пределе весов 3000—3500 кг. Поплавковые самолеты более тяжелого веса встречаются редко, потому что требования мореходности к ним повышаются. И, наконец, поплавковые самолеты весом 5000—6000 кг встречаются лишь как отдельные решения специальных заданий. Опыт работы с самолетом Junkers „G-31" на поплавках показал, что аналогичные самолеты могут быть использованы только в условиях более или менее спокойного моря, так как сравнительно серьезная волна заставит их отстаиваться на берегу, в то время как лодочные гидросамолеты того же тоннажа прекрасно смогут в тех же условиях работать.

Построенный фирмой Short поплавковый пассажирский самолет Short „Valetta" весом в 13000 кг следует считать экспериментом, тем более, что самолет распространения не получил.

Лодочный самолет в противовес поплавковому может быть гораздо шире использован во всех группах и при всех условиях; для этого необходимо только подобрать соответственные обводы лодок

Рис. 2. Амфибия с плохим расположением сложенного шасси.

Наличие морского оборудования, удобство обращения с ним, удачная работа с якорем, трудно осуществимая на поплавковом самолете, - легко выполняется в лодочном типе. Таким образом, только путем применения лодочной схемы решаются все вопросы мореходности и удобства эксплуатации.

Наконец, если гидросамолет используется в местности, богатой водными бассейнами (т. е. реками, озерами и т. п.), то вопрос универсального использования самолета может быть решен путем создания амфибии, т.е. гидросамолета, снабженного складными и убирающимися шасси. Такое решение позволяет использовать гидросамолет и на воде и на суше.

Первые попытки создания амфибии преследовали только одну цель - решить проблему земноводности, оставляя в стороне вопрос аэродинамики. Поэтому, гидросамолет со сложенным шасси давал часто больший лоб, чем с опущенным, что послужило причиной торможения в распространении амфибий. В настоящее время вопрос аэродинамики ставится на первом месте, вследствие чего колеса и все стержни стараются убрать так, чтобы они совершенно были скрыты от воздушного потока (Рис. 2, 3, 4).

Примерно до 1932 г. считалось, что верхним пределом возможности постройки амфибий нужно считать полетный вес 4500—5000 кг

Рис. 3. Dornier „Libelle".

Рис. 3. Dornier „Libelle".

Для более тяжелых самолетов необходимо было применять колеса такого большого диаметра, что для амфибий это становилось невыполнимым. Сикорский в поисках выхода из этого трудного положения, применив полубаллонные колеса, построил амфибию „S-40" весом 15000 кг.

Рис. 4 “Seagull Mark-V”

Рис. 4 “Seagull Mark-V”

В наши дни она является самой тяжелой амфибией в мире (Рис. 5).

Рис. 5. Sikorsky. Амфибия . S-40 в полете.

Рис. 5. Sikorsky. Амфибия . S-40 в полете.

Вопрос удачного решения вопроса конструкции амфибий имеет существенное значение для России, потому что вряд ли в другой стране найдется такой пестрый рельеф и такая богатая насыщенность водными пространствами. В любом месте России амфибия найдет себе широкое применение.

Выше говорилось, что лодочная схема является универсальной для любого типа гидросамолета, - нужно только соответственно выбрать обводы гидросамолетов, предназначенных для работ в тихих водных бассейнах, на спокойной поверхности применяются лодки простых сечений с плоским дном, слабо килеватым или даже вогнутым (Рис. 6).

Рис. 6. Простые сечения лодок.

Рис. 6. Простые сечения лодок.

Первый тип можно встретить в гидросамолете “LIORE ET OLIVIER-180”, второй - в гидросамолете CAMS, третий - Savoia („S-62 bis” ). Такие простые формы поперечного сечения лодок имеют несколько преимуществ:

Во-первых, простые формы приводят к несложной конструкции, потому что мы имеем дело с прямыми или слабо погнутыми элементами.

Во-вторых, такие простые формы днища лодки дают очень небольшую осадку, что весьма существенно, если самолет эксплуатируется на мелководных реках или озерах. Это, помимо того, дает гарантию повсеместности его применения, а следовательно, и большую универсальность самолета.

В-третьих, применение плоского, или близкого по форме к плоскому днища значительно упрощает постановку самолета на амфибийное или лыжное шасси.

В-четвертых, лодка с плоским дном обладает высшим гидродинамическим качеством, лучше глиссирует, скорее, выходит на редан и т. п. Но при такой форме весьма неприятна посадка на воду. Посадочный удар воспринимается плоским днищем весьма тяжело, так как, не обеспечивая никакой амортизации, вызывает большие перегрузки во всех частях самолета, особенно если поверхность воды взволнована. Очень нередки случаи, когда при посадке на волны днище не выдерживает и ломается, например самолеты фирмы Savoia, имеющие вогнутые днища, при посадке на волну высотой 0,5 м часто пробивают дно.

Кроме того, лодки с плоским или вогнутым дном при рулежке буксировке и вообще при плавании на воде обыкновенно неустойчивы. Поэтому при укрупнении размеров гидросамолета и при эксплуатации его в морских условиях, особенно в открытом море, такие сечения и обводы лодок непригодны.

Морские лодки по сравнению с речными делаются более длинными и резко килеватыми. Длинная килеватая лодка обладает прекрасной остойчивостью на воде и значительно улучшенными посадочными свойствами.

Рис. 6. Простые сечения лодок.

Рис. 6. Простые сечения лодок.

Обыкновенно посадочная скорость гидросамолетов значительно выше, чем у сухопутных. Сухопутные машины имеют посадочный (на три точки) или стояночный угол около 15—16°, т. е. близкий к углу Сymax почти для всех профилей. На гидросамолете никогда не удается получить такие большие углы. Это объясняется следующим. Морские лодки чаще всего снабжаются двумя реданами. Редан - это уступ на днище лодки, расположенный поперек днища. Реданы обычно располагаются так: первый примерно на 40% длины лодки, а второй (может отсутствовать) - на 70% длины. Назначение редана помогать отрыву лодки от воды при взлете. Оторвать лодку от воды очень трудно, ибо помимо общего сопротивления воды движению лодки, между днищем лодки и водой действуют еще силы сцепления, очень трудно преодолимые (попробуйте вертикально поднять с воды плавающую на ней плашмя доску, - при достаточно больших размерах доски это потребует значительных усилий). Если же между днищем лодки и поверхностью воды образовать воздушную прослойку, лодка легко оторвется. Назначение редана и заключается в том, чтобы при движении создать завихрения поверхности воды у днища, образовав своего рода эмульсию из мелких пузырьков. Благодаря этим пузырькам образуется воздушная прослойка, облегчающая отрыв. Большие гидросамолеты обыкновенно делаются двухреданными, потому, что такая форма более совершенна, чем однореданная. Поэтому самолеты даже небольшого тоннажа теперь делают двухреданными. Посадка лодки после полета происходит гак же, как и посадка сухопутного самолета, на три точки, т. е. летчик, стремится к тому, чтобы лодка коснулась воды одновременно двумя реданами (посадка на два редана) (Рис. 7). Если соединить (по килю лодки) выступающие точки редана прямой, то эта прямая образует со строительной горизонталью лодки (С. Г. - базовая линия, от которой производятся все отсчеты) угол b , измеряющийся от 5,5 до 9° для двухреданных лодок. Угол же установки крыла a » 2 - 5°. Рекомендуется брать угол a близким к нижнему пределу, потому что в противном случае на больших скоростях (при минимальном угле атаки) лодка будет лететь с сильно поднятым хвостом, что, конечно, не способствует увеличению скорости. Таким образом, посадочный угол g = a + b имеет пределы от 7,5 до 14°, никогда не превосходя последнего значения. Обычно угол g = 10° - 11°. Следовательно, посадка происходит не на Сymax, а на значительно меньших значениях Сy.

Рис. 7. Посадка на два редана.

Рис. 7. Посадка на два редана.

Отсюда, естественно, посадочная скорость гидросамолета значительно выше, чем у сухопутного самолета, и достигает значений 100-110-120 км/час. Не нужно забывать, что гидросамолеты, как правило, не имеют никаких амортизирующих устройств. Исключение составляет один из опытных гидросамолетов “Farman”, который в поплавковое шасси внес, амортизацию, но это единичный случай, не выходящий за рамки эксперимента. Таким образом, в гидросамолете имеет место самая невыгодная комбинация: большая посадочная скорость и полное отсутствие амортизации. Невыгодность эта усугубляется еще и тем, что посадка производится почти всегда на волну. Поэтому формы поперечных сечений лодки с плоским дном не годятся для посадки на волну, так как лодка будет немедленно разбита волной. На основании этого формы сечений лодок открытого моря (Рис. 8) несколько отличаются от форм лодок закрытых бассейнов. Донное образование делается в виде более или менее острого клина составленного поверхностями, имеющими прямолинейные или криволинейные образующие.

На Рис. 8 приведены характерные сечения корпусов лодок гидросамолетов открытого моря.

Тип А - форма, применяемая американцами (Fokker „B-1V") причем иногда на бортах делаются накладные уширения, (лодки Hall „PN-10", „PN-12" и т. д.). Дно образовано прямыми линиями.

Тип Б - форма, излюбленная французами и отчасти англичанами (CAMS, Supermarine и т. п.). Днище образовано движением кривых

Рис. 8 Характерные формы сечений лодок открытого моря.

Рис. 8 Характерные формы сечений лодок открытого моря.

Для отклонения струй воды и уменьшения брызгообразования днище у бортов разворачивается к горизонту.

Тип в - сечение, характерное для фирмы “Short” и отчасти “Supermarine” и “Breguet”.

Тип г - сечение, примененное Рорбахом (Rohrbach) во всех его гидросамолетах („Robbe", „Rocco", „Romar", „Rostra") и даже им запатентованное. У киля днище образует острый клин наподобие ножа. Эта часть образована прямыми линиями. У бортов сечения днища обшиваются дугами круга и образуют туннель. Этот туннель уменьшает брызгообразование, но в то же время повышает сопротивление воды.

Тип д - форма сечения, применяемая фирмой “Blackburn” в известных самолетах „Nile", „Sydney", „Iris" и др. Она отличается исключительной килеватостью

Рис. 9 Формы сечений лодок “Dornier”.

Рис. 9 Формы сечений лодок “Dornier”.

Назначение килеватости, присущей всем вышеописанным формам, - заменить собою амортизацию и смягчить посадочный удар, что в значительной мере и достигается. Форма сечения днища, типа Rohrbach, даже при посадке на большую волну не дает резких ударов и делает посадку очень мягкой, так как посадочный удар не воспринимается всем днищем сразу, как в плоскодонных лодках, а распределяется постепенно и плавно. Но большая килеватость значительно снижает гидродинамическое качество лодок по сравнению с плоскодонными лодками

Рис. 10 Схема гидросамолета Rohrbach.

Рис. 10 Схема гидросамолета Rohrbach.

Поэтому многие конструкторы пытаются создать такие формы, которые совмещали бы достоинства обоих типов. К таким попыткам надо отнести формы сечений, применяемых фирмой Dornier (Рис.9). В его лодках "Do-S" и "Do-Х"применены следующие формы:

а - сечение в носовой части лодки, сильная килеватость;
b - сечение в районе редана почти плоское дно, но снабженное продольным выступом, так называемым продольным реданом;
с - сечение в задней части лодки, несколько большая килеватость.

Назначение продольного редана - улучшить устойчивость пути и смягчить посадочный удар тем, что он воспринимается постепенно, сначала малой площадью - „продольного редана", а затем всем днищем.

Примерно по такому же пути идет фирма Bleriot в самолетах “В1е-riot-290" и Bleriot „Zappata". В обоих самолетах, лодки в носу имеют сильную килеватость, а у редана почти плоскодонные.

Большие гидросамолеты открытого моря встречаются в двух вариантах: в виде бипланов (фирмы Supermarine, Blackburn, Short, CAMS и др.) и монопланов (Rohrbach, Short, Sikorsky, Consolidated, Glenn Martin и др.)

Рис. 11. Rohrbach „Rostra".

Рис. 11. Rohrbach „Rostra".

На монопланную схему переходят даже такие приверженцы бипланов, как англичане. Последняя морская машина фирмы Short. весом около 20 т, по конструкции является не только монопланом, но имеет даже крыло, выполненное по схеме „чайки". На моноплан перешел и Sikorsky.

Бипланная схема ранее привлекала к себе, главным образом, своей компактностью и по сравнению с монопланами меньшими размерами. Но с точки зрения военной она оказывается очень неудобной, потому, что бипланные коробки с массой расчалок значительно уменьшают сферу обстрела, в то время как монопланное крыло дает возможность производить обстрел и под и над ним. Кроме того, монопланное крыло, особенно лежащее непосредственно на лодке, хорошо защищает моторы и винты от волн и брызг. Помимо этого, монопланная схема значительно аэродинамичнее бипланной. Классическое решение гидросамолета открытого моря, лодочного типа, монопланной схемы, дал д-р Rohrbach в своих самолетах, „Robbe", „Rocco", „Romar", „Rostra" (Рис. 10 и 11). Эта схема была взята за образец многими фирмами и в подражание ей были созданы гидросамолеты Liore-Olivier 180, 240, 270, Saunders и др.

Американцы в своих лучших образцах взяли английскую схему высокоплана с подкосами, примененную фирмой Blackburn в самолетах „Nile", Sydney" и т. д. Таковы самолеты Сикорского „S-42", Consolidated и др. Схема Rohrbach имеет много достоинств. Монолит „крыло-лодка" является основной базой, рамой для всей конструкции. К этой крестовине крыло-лодка крепятся мотоустановки и мощные поплавки

Рис. 12. Sikorsky „S-42".

Схема очень выгодна с точки зрения прочности. Моторы и винты прекрасно защищены от воды. Схема чрезвычайно ясна и удобна с военной точки зрения. Но расположение винтомоторных групп над крылом очень ухудшает аэродинамику крыла. Кроме того, в полете совершенно нет доступа к моторам и в случае остановки их нельзя осмотреть в воздухе. В гидросамолете Sikorsky „S-42" (Рис. 12) и Blackburn моторы располагаются в крыле, что значительно улучшает аэродинамику крыла; управление моторами и питательной сетью значительно удобнее. В очень крупных самолетах (или, вернее, у самолетов с толстыми крыльями) в крыле можно сделать проходы для обслуживания моторов в полете. Каждая из схем имеет свои достоинства и недостатки, ни у одной из них нет явных преимуществ перед другой. Вот почему обе схемы распространены почти одинаково.

В отношении аэродинамических качеств и эксплуатации существенным является расположение моторов: - мотор и винт должны быть достаточно хорошо защищены от воды и должно быть обеспечено охлаждение во время длительной рулежки. Последнее обстоятельство особенно важно, потому, что на рулежке скорость движения совершенно недостаточна как для водяного, так и для воздушного охлаждения. Попытки ставить радиатор в струю винтов очень усложняют и утяжеляют все трубопроводы, да и не дают нужного эффекта. Rohrbach, производивший обстоятельные исследования морских самолетов, пришел к мысли о необходимости дополнительного охлаждения моторов на рулежке, используя для этого забортную воду

I.	G = 700 - 1500 кг	h = 0,3 - 0,15 м	V » 5 м/сек
II.	G = 3500 - 5000 кг	h = 0.8 - 1.0 м	V = 6 - 8 м/сек
III.	G = 8000 - 15000 кг	h = 1,5 - 1.8 м	V = 10 - 12 м/сек
IV	G = 20000 кг и выше	h = 2.0 м	V = 12 - 14 м/сек