Для обеспечения гидросамолетам и самолетам-амфибиям (далее ГС) гидродинамических, мореходных [1] и взлетно-посадочных характеристик необходимо в их конструкции применить целый ряд элементов и технических решений в части общей компоновки самолета, аэродинамики крыла, системы управления, гидродинамики лодки и поплавков, силовой установки. Поскольку наиболее мореходными являются гидросамолеты, построенные по схеме летающая лодка с большим взлетным весом [2] в работе основное внимание уделено тяжелым летающим лодкам (ТЛЛ) со взлетным весом более 5 700 кг, которых за весь период авиации было выпущено приблизительно 10 500 шт., 130 типов.
Общая компоновка ГС
В подавляющем большинстве случаев ГС выполнялись по нормальной аэродинамической схеме, в частности самые массовые ТЛЛ: Consolidated PBY Catalina (Рис. 1), Martin PBM Mariner, Short S.25 Sunderland, Felixstowe F.2, F.3, F.5, Grumman HU-16 Albatross, CANT Z.501 Gabbiano и другие.
Рис. 1. Consolidated PBY Catalina (Страна разработчик - США, количество выпущенных - 3290 шт., первый полет - 1935 г.)
По схеме «утка» построены первые поплавковые ГС «Hydravion» Анри Фабра (Рис. 2) и "Canard" Габриеля Вуазена.
Рис. 2. «Hydravion» Анри Фабра (Франция, 1 шт., 1910 г.)
По схеме «бесхвостка» построен американский гидроистребитель Convair XF2Y Sea Dart (Рис. 3).
Рис. 3. Convair XF2Y Sea Dart (США, 5 шт., 1953 г.)
Для исключения заливаемости крыла, элементов механизации и силовой установки при эксплуатации на воде ГС в подавляющем числе случаев (65% от общего числа типов ТЛЛ) выполнялись по схеме моноплан с высокорасположенным крылом: Бе-6, Бе-10 (Рис. 4), Бе-12, А-40, Бе-200, Martin PBM Mariner, Short S.25 Sunderland, Grumman HU-16 Albatross, Blohm & Voss BV 138, Martin P5M Marlin, Kawanishi H6K, Kawanishi H8K, Convair R3Y Tradewind, Canadair CL-215, Shin Meiwa PS-1/US-1 и другие. При этом лодка ГС достаточно часто выполнялась узкой и высокой с отношением высоты миделевого сечения лодки к ширине редана до 1.5–2. По мнению специалистов лодка с высокорасположенным крылом считается наиболее рациональной компоновкой ГС.
Рис. 4. Бериев Бе-10 (СССР, 28 шт., 1956 г.)
На 15% типов ТТЛ применялась схема «парасоль», при этом лодки выполнялись широкими и невысокими. Крыло могло устанавливаться на пилонах и подкосах, как на самолетах: Consolidated PBY Catalina, Dornier Do 18 (Рис. 5), Sikorsky S-42, S-43, или на стойках и подкосах: Consolidated 16 Commodore (Рис. 6), Dornier Do J Wal, Do 24, Kawanishi H6K Mavis.
Рис. 5. Dornier Do 18 (Германия, 170 шт., 1935 г.)
Рис. 6. Consolidated 16 Commodore (США, 14 шт., 1930 г.)
По схеме моноплан с низкорасположенным водоизмещающим, глиссирующим крылом построен ГС ТАНТК им. Г.М. Бериева Бе-103 (Рис. 7.). На подобных ГС не может быть использована механизация крыла в полном объеме, что приводит к ухудшению их характеристик.
Рис. 7. Бериев Бе-103 (Россия, 18 шт., 1997 г.)
К редким компоновочным схемам относятся построенные по двухлодочной (катамаранной) схеме ГС: Savoia-Marchetti S.55 (Рис. 8.), S.66, Tуполев MK-1.
Рис. 8. Savoia-Marchetti S.55 (Италия, 227 шт., 1924 г.)
Также редко использовалась двухбалочная схема: Blohm & Voss BV 138 (Рис. 9.), Sicorsky S-38, Curtiss NC-4.
Рис. 9. Blohm & Voss BV 138 (Германия, 279 шт., 1937 г.)
К экзотическим ГС можно отнести: триплан Felixstowe Fury, квадроплан с отстегивающейся лодкой Besson H-5, самолет с девятью крыльями Caproni Ca.60 Noviplano (Рис. 10.).
Рис. 10. Caproni Ca.60 Noviplano (Италия, 1 шт., 1921 г.)
Крыло
Для достижения заданных мореходных и взлетно-посадочных характеристик ГС аэродинамика его крыла, должна обеспечить невысокие взлетно-посадочные скорости, что можно осуществить за счет умеренной нагрузки на крыло, формы крыла в плане, применения механизации крыла.
До конца 20-х годов было выпущено 32 типа ГС, относящихся к ТЛЛ из которых 11 монопланы: Dornier Do J Wal, Dornier Do X, Savoia-Marchetti S.55 и другие, 18 – бипланы: Curtiss NC, Felixstowe F5L (Рис. 11.)., Supermarine Southampton и другие, 2– трипланы и 1 – квадроплан.
Рис. 11. Felixstowe F5L (США, 227 шт., 1918 г.)
Нагрузка на крыло в этот период изменялась от 30 кг/м2 на ГС Caproni Ca.60 Noviplano, до 115 кг/м2 на самолете Dornier Do X (Рис. 12.). Форма крыла в плане в подавляющем большинстве прямоугольная. Механизация крыла не применялась.
Рис. 12. Dornier Do X (Германия, 3 шт., 1929 г.)
В 30-е годы было выпущено 66 типов ТЛЛ, из которых 13 самолетов бипланы, выпущенные до 1935 года: Keystone PK-1, Short S.8/8 Rangoon, Supermarine Stranraer, Saro London, Short S.19 Singapore и другие, 53– монопланы: Бериев МДР-5, CANT Z.501 Gabbiano, Dornier Do 18, Sikorsky S-43, Kawanishi H6K, Blohm & Voss BV 138, Short S.25 Sunderland, и другие, из которых 14 Consolidated PBY Catalina, Dornier Do 24, Kawanishi H6K и другие построены по схеме «парасоль», и 5: Четвериков МДР-6 (Рис. 13.), Туполев МТБ-2, Martin PBM Mariner, Dornier Do 26, Short Knuckleduster S.18 имели крыло типа «чайка». На ГС Бериев КОР-2, имевшем нормальную взлетную массу 2760 кг, крыло выполнено по типу «обратная чайка» и установлено по схеме «парасоль».
Рис. 13. Четвериков МДР-6 (СССР, 42 шт., 1937 г.)
Крыло в плане на 22 ГС прямое, на 21 – трапециевидное, на 23 корневая часть крыл прямая, концевая – трапециевидная. Положительное V крыла использовалось на 6 типах ТЛЛ. Нагрузка на крыло в данный период составляла от 54 кг/м2 на ГС Hiro H2H, до 362 кг/м2 на самолете Sikorsky VS-44 (Рис. 14.). На 26 типах ГС (40% от общего количества выпущенных ГС за период) использовалась механизация крыла (закрылки разного типа и щитки), которая наиболее активно стала применяться с середины 30-х годов, когда нагрузка на крыло превысила 100 кг/м2.
Рис. 14. Sikorsky VS-44 (США, 4 шт., 1937 г.)
В 40-е годы выпущено 19 типов ТЛЛ, все монопланы, из которых три самолета построены по схеме «парасоль» (Четвериков ТА, Supermarine Seagull, Aichi H9A) и два имели крыло типа «чайка» (Бериев Бе-6, Martin P5M Marlin). На 14 типах ГС крыло выполнено трапециевидным с незначительной стреловидностью по передней кромке (Saunders-Roe SR.A/1, Grumman HU-16 Albatross, Short S.45 Solent и другие), на одном ГС крыло прямое (Четвериков ТА), на четырех – комбинация первого и второго (Blohm & Voss BV 222 Wiking, Boeing XPBB Sea Ranger (Рис. 15.) и другие).
Рис. 15. Boeing XPBB Sea Ranger (США, 1 шт., 1942 г.)
Законцовки крыла, как правило, закругленные. Положительное V крыла применено на 7 типах ТЛЛ. Нагрузка на крыло в данный период составляла от 110 кг/м2 на самолете Aichi H9A до 258 кг/м2 на самолете Blohm & Voss BV 238 (Рис. 16.) . 15 типов ТЛЛ имели механизацию крыла, в основном в виде закрылков, на отдельных самолетах - щитки, предкрылки.
Рис. 16. Blohm & Voss BV 238 (Германия, 1 шт., 1944 г.)
В период с начала 50-х годов до наших дней выпущено 14 типов ТЛЛ, все выполнены по схеме моноплан, два из них, Бериев Р-1 и Бериев Бе-12, имеют крыло типа «чайка».
На 8 типах ТЛЛ, в частности: Бериев Бе-12, Saunders-Roe Princess SR.45, Convair R3Y/P5Y Tradewind, Canadair CL-215/415, Shin Meiwa PS-1/US-1A, крыло выполнено прямоугольным, либо трапециевидным (с незначительной стреловидностью по передней кромке), либо комбинацией первого и второго. На четырех скоростных ГС с турбореактивными двигателями крыло стреловидное: Martin P6M Sea Master - 38°, Бериев Бе-10 - 35°, Бериев А-40 и Бе - 200 - 23° (Рис. 17.).
Рис. 17. Бериев Бе-200 (Россия, 9 шт., 1998 г.)
На гидроистребителе Convair F2Y Sea Dart применялось треугольное крыло. Законцовки крыла, на самолетах этого периода, или закругленные, или в виде концевых крылышек, как на самолете Bombardier 415 (Рис. 18.).
Рис. 18. Bombardier 415 (Канада, 88 шт., 1993 г.)
В отдельных случаях роль законцовок выполняют поднимающиеся подкрыльные поплавки, как на ГС Consolidated. PB2Y «Coronado» ( Рис. 19.).
Рис. 19. Consolidated. PB2Y «Coronado» (США, 217 шт., 1937 г.)
Отрицательное V крыла использовалось на ГС Бериев Бе-10 и Martin P6M Sea Master ( Рис. 20.).
Рис. 20. Martin P6M Sea Master (США, 12 шт., 1955 г.)
Нагрузка на крыло в данный период составляла от 143 кг/м2, на ГС Convair F2Y Sea Dart, до 434 кг/м2, на ГС Бериев Бе-10. Все ГС имеют механизацию крыла, а Shin Meiwa PS-1 / US-1A (Рис. 21.) также и энергетическую механизацию. На самолете А-40 крыло большого удлинения с мощной механизацией, состоящей из выдвижных двухщелевых закрылков.
Рис. 21. Shin Meiwa PS-1 / US-1A (Япония, 43 шт., 1967 г.)
Данные о зависимости нагрузки на крыло ТЛЛ от года их первого полета приведены на рис.22.
Рис. 22.
Система управления
Система управления ГС на воде включает в себя аэродинамические (АД) и гидродинамические (ГД) органы управления. Для управления по курсу на ГС с 2 и большим количеством двигателей, разнесенных относительно плоскости симметрии, может использоваться разная тяга двигателей. На режиме плавания управление осуществляется за счет ГД органов управления и с помощью силовой установки. К ГД органам управления относится водоруль, который использовался на ГС: Dornier Do J Wal, Dornier Do R Superwal, Dornier Do X, Dornier Do 18, Consolidated PB 2Y Coronado, Breguet 730, Saunders-Roe SR.A/1, Бериев Бе-6, А-40 (Рис. 23.), Бе-200, Harbin SH-5 и других. Использование на ГС тяги двигателя на одной консоли крыла и реверса тяги на другой позволяет существенно сократить радиус циркуляции на воде.
Рис. 23. Бериев А-40 (СССР, 2 шт., 1986 г.)
На самолете Четвериков ТА убирающееся хвостовое колесо использовалось как водяной руль, а основные стойки шасси при посадке на воду выпускалось для торможения. На самолете Martin P5M Marlin (Рис. 24.) отклоняемые гидродинамические щитки в межреданной части использовались для маневрирования и торможения. На ГС Grumman HU-16 Albatross для улучшения маневренности на воде использовался выпуск стойки шасси с одной стороны.
Рис. 24. Martin P5M Marlin (США, 285 шт., 1948 г.)
АД органы управления ГС используются на скоростях соответствующих режиму глиссирования, и не отличаются принципиально от применяемых на сухопутных самолетах. Их параметры должны обеспечивать управляемость ГС, в том числе и при наличии ветра и отказе двигателя. На самолете Бериев А-40 и Бе-200 используется АД демпфера тангажа при движении по взволнованной поверхности для уменьшения продольных колебаний, а в дополнительной системе управления применяется довыпуск закрылков с целью уменьшить заливаемость механизации на разбеге и их ранняя уборка на пробеге.
Гидродинамическая компоновка
Форма и конструкция лодки и/или поплавков ГС, а также их элементы выбираются таким образом, чтобы обеспечить самолету высокие гидродинамические (ГД), мореходные и взлетно-посадочные характеристики. Это обеспечивается за счет выполнения целого ряда требований, которые предъявляются к ГС [3]. Для обеспечения плавучести и непотопляемости лодка и/или поплавки выполняются герметичными ниже линии герметизации самолета, разделенными на отсеки внутренними водонепроницаемыми переборками, при необходимости оборудованными герметичными дверьми. Количество водонепроницаемых отсеков на ГС: Бе-6 – 8, Бе-10 – 9, Бе-12 – 8, Sikorsky S-42 – 9, Consolidated PBY Catalina – 5, Martin PBM Mariner – 5, Blohm & Voss BV 138 – 10, Dornier Do 18 – 7, Dornier Do 24 – 8 (Рис. 25.). На Бе-200 впервые кроме вертикальных водонепроницаемых переборок имеется водонепроницаемый пол.
Рис. 25. Dornier Do-24 (Германия, 279 шт., 1937 г.)
Sikorsky S-42 (США)
Для обеспечения поперечной остойчивости, ТЛЛ оборудуются подкрыльными поплавками, располагаемыми в районе законцовок крыла или «жабрами» (спонсонами). Можно выделить расположение подкрыльных поплавков на законцовках крала, что способствовало снижению индуктивного сопротивления крыла , а также приблизительно на ¾ размаха крыла. Чаще всего подкрыльные поплавки ГС выполнялись фиксированными: А-40, Бе-200, Бе-12, Бе-6, Чернов Че-27, Shin Meiwa PS-1 / US-1A, Canadair CL-215, Short S.25 Sunderland (Рис. 26.) и другие.
Рис. 26. Short S.25 Sunderland (Великобритания, 777 шт., 1937 г.)
Из убираемых подкрыльных поплавков можно выделить поплавки, превращающиеся после уборки в законцовки крыла ГС: Consolidated PBY Catalina, Consolidated PB 2Y Coronado, Grumman G-44 Widgeon, Saunders-Roe Princess (Рис.27.).
Рис.27. Поплавок ГС Saunders-Roe SR.45 Princess (Великобритания, 3 шт., 1952 г.)
А также убираемые в крыло в сторону лодки: Четвериков МДР-6-2, Dornier Do 26 (Рис.28.).
Рис.28. Dornier Do 26 (Германия, 6 шт., 1938 г.)
На ГС Saunders-Roe SR.A/1 поплавки частично убирались в крыло, в сторону лодки, с поворотом поплавка относительно продольной оси. На ГС Blohm & Voss BV 222Р подкрыльные поплавки выполнены расщепляющимися.
«Жабры» (спонсоны) применялись на ГС: Dornier Do Wal, Do Х, Do 18, Do 24, CD-2 Seastar, Late 300, Saro A.33, Martin M-130 (Рис.29.), Boeing B-314 и других.
Рис.29. Martin M-130 (США, 3 шт., 1934 г.)
Для обеспечения взлета и посадки ГС, в том числе и в условиях волнения, лодка и/или поплавки ГС, выполняются специальной формы. Можно выделить такие признаки днища лодки/поплавка ГС: гидродинамическое качество и гидродинамическое удлинение, относительная высота первого редана, количество реданов и форма первого редана, наличие дополнительных элементов и устройств для улучшения локальной гидродинамики лодки/поплавка. Следует отметить, что при на посадке на воду и при движении по взволнованной поверхности ГС подвергается большим перегрузкам, чем его сухопутный аналог, для чего его планер выполняется более прочным, и как следствие более тяжелым (Рис. 30). Максимальная эксплуатационная перегрузка самолета Бе-12 равна 7, самолета А-40 – 4.5. Требования к зарубежным ГС 40-х годов определяют максимальную эксплуатационную перегрузку не менее 5,33.
Рис. 30. Лодка ГС Short S.23 Empire (Великобритания, 42 шт., 1936 г.)
К основным характеристикам лодки (поплавка) обычно относят: гидродинамическое качество, гидродинамическое удлинение лодки, относительная высота первого редана, угол килеватости на первом редане. Гидродинамическое качество, т.е. отношение гидродинамической подъемной силы к гидродинамическому сопротивлению, у отечественных ГС составляло: Бериев Бе-6 – 5.3, Р-1 – 4.7, Бе-10 – 4.1. С ростом ГД качества уменьшается мореходность ГС. Другой параметр, влияющий на мореходность ГС, ГД удлинение лодки - отношение длины лодки к ширине первого редана. У самолета Felixstowe F5L ГД удлинение равно 3, у Consolidated PBY Catalina – 3,8, Sikorsky S-42 – 6,8, ShinMaywa US-1 - 9, Blohm & Voss BV 238 – 10, Бериев Бе-10 и Canadair CL-215 – 10,7, А-40 и Бе-200 – 13. С ростом удлинения лодки возрастает мореходность ГС, но этот рост ограничен жесткостью лодки. Относительная высота первого редана изменяется в диапазоне от 2.7% у ГС Бе-6, до 6.7% у Shin Meiwa PS-1 / US-1, 10.4% у Canadair CL-215 и 13% у Бе-10.
Днище лодки (поплавка) летательного аппарата – нижняя поверхность лодки (поплавка) летательного аппарата, является основной опорной поверхностью при движении летательного аппарата. Состоит из носовой части лодки, расположенной впереди первого редана, межреданной части лодки – между первым и вторым реданами, кормовой части лодки – расположенной позади второго редана. Кормовая часть лодки может отсутствовать. Форма днища лодки представляет собой сложную поверхность с достаточно большим углом поперечной килеватости в носовой части, который плавно уменьшается к первому редану. Повышение угла поперечной килеватости носовой части лодки снижает амплитуды колебаний и перегрузки при движении в условиях волнения, но при этом снижается и ГД качество лодки (поплавка), что требует в свою очередь увеличения мощности (тяги) двигателей. В межреданной части лодки днище, как правило, плоскокилеватое. Между килем и скулой днище часто имеет вогнутую форму. Различные формы поперечных сечений днища и их влияние на брызгообразование представлены на рисунке 31.
Рис. 31. Форма днища и характер брызгообразования:
а) плоскокилевое днище; б) сложный (в частности, криволинейный) профиль килеватости; в) брызгоотражающие щитки
На рисунках 32 – 35 представлены схемы ГС с сечениями лодок.
Рис.31. CANT Z.501 Gabbiano (Италия, 455 шт., 1934 г.)
Рис. 33. Consolidated PBY Catalina (США, 3290 шт.,1935 г.)
Рис. 34. Бериев Бе-12 (СССР, 143 шт., 1960 г.)
Рис. 35. Do-18 (Германия, 170 шт., 1935 г.)
На ГС Blackburn B-20 с целью уменьшения заливаемости и уменьшения интерференционной составляющей аэродинамического сопротивления самолета в полете днище лодки выполнено выдвигаемым (Рис. 36.) На ГС Ursimus применены подтягиваемые поплавки.
Рис. 36. Blackburn B-20 (Великобритания, 1 шт., 1940 г.)
а)
б)
Рис.37. " Ursimus "(Германия, 1917 г.) а) с выдвинутыми, б) с подтянутыми поплавками
Для отрыва потока воды от днища и уменьшения смоченной поверхности при глиссировании летательного аппарата на днище лодки расположены реданы (Рис.38.). Редан - уступ на днище лодки (поплавка) летательного аппарата, предназначенный для отрыва потока воды о днища и уменьшения смоченной поверхности при глиссировании летательного аппарата. Первый редан лодки (поплавка) летательного аппарата расположен в средней части днища. Второй редан расположен в задней части днища.
Рис.38. Первый редан ГС Short S.23 Empire
Исходя из определения редана, к однореданным лодкам относятся: Martin P5M Marlin, Blohm & Voss BV 138, Canadair CL-215 (Рис.39.), Savoia-Marchetti S.55, Бериев Бе-12, Бе-200, А-40, Shin Meiwa PS-1 / US-1 и другие. Следует отметить, что в отдельных источниках некоторые из перечисленных самолетов относят к двухреданным ГС, подразумевая под вторым реданом кормовую часть лодки.
Рис.39. Canadair CL-215 (Канада, 125 шт., 1967 г.)
Чаще других строились двухреданные лодки: Felixstowe F5L, Dornier Do J Wal, Do X, Do 18, Do-24, Do 26, CAMS 55, Consolidated P2Y Ranger, Consolidated Commodore, Hiro H4H, Туполев МДР-2, МДР-4,МК-1, Бериев МДР-5, CANT Z.501 Gabbiano, Martin M-130, Martin PBM Mariner (Рис.40.), Бартини ДАР, Kawanishi H6K, Четвериков МДР-6 и другие.
Рис.40. Martin PBM Mariner (США, 1366 шт., 1939 г.)
Три редана имели: модификация Consolidated PBY Catalina PBN-1 Nomad и Saro A.33 (Рис.41.).
Рис.41. Saro A.33 (Великобритания, 1 шт., 1938 г.)
Также можно отметить безреданные лодки: GULL 36 Seaplane UAV (Рис.42.), с наличием нескольких скул, и Curtiss A1 „Triad“ с плоскодонным днищем.
Рис.42. Centaur Seaplane GULL 36 Seaplane UAV (Великобритания, 2008 г.)
Различные формы первого редана в поперечном сечении лодки представлены на рисунке 43.
Рис. 43. Формы первого редана в поперечном сечении лодки, а) плоский редан, б) ступенчатый редан (днище с продольными реданами),в) редан с малой килеватостью, г) вогнутый редан, д) редан с большой килеватостью, в) редан сложной формы в плане.
Плоский редан, применялся крайне редко, в частности на одном из первых ГС Доннэ-Левек. ) Ступенчатый редан (плоский редан с уступом), реализован на летающих лодках Дорнье: Do J Wal, Do R Superwal, Do X, Do 18, Do 24 (Рис. 44, модификация АТТ) , CD-2 Seastar и лодке Р. Бартини ДАР, что позволяло этим лодкам садиться на снег и лед.
Рис.44. Dornier Do-24 (Германия, 279 шт., 1937 г.)
Плоскокилеватые реданы использовались на ГС: Martin PBM Mariner, Short S.25 Sunderland, Grumman HU-16 Albatross, Felixstowe F5L, Consolidated PB 2Y Coronado, Convair R3Y Tradewind, Бе-12 (Рис. 45). Угол килеватости на первом редане изменяется, как правило, в диапазоне от 16° до 35°. Увеличение угла килеватости днища уменьшает величину ударной нагрузки на лодку ГС, но при этом снижается его гидродинамическое качество.
Рис.45. Бериев Бе-12 (СССР, 143 шт., 1960 г.)
Редан с обратной килеватостью использовался редко, в частности на итальянских ГС: CANT Z.501 Gabbiano (Рис.46), Savoia-Marchetti S.55.
Рис.46. CANT Z.501 Gabbiano (Италия, 455 шт., 1934 г.)
Для уменьшения брызгообразования, в отдельных случаях для снижения ударных нагрузок, первый редан выполнялся сложной формы в плане. Килеватым, с вогнутой частью в районе скулы выполнен редан на ГС: Consolidated PBY Catalina, Saunders-Roe SR.A/1, Blohm & Voss BV 138, Kawanishi H8K2 “Emily”, Grumman HU-16 Albatross (Рис. 47).
Рис. 47. Grumman HU-16 Albatross (США, 466 шт., 1947 г.)
Редан сложной формы (с переменной килеватостью) в поперечном сечении разработан в ТАНТК им. Бериева и реализован на самолетах А-40 и Бе-200 (Рис. 48). Применение данного редана позволило приблизительно в два раза уменьшить ударные нагрузки на лодку ГС при посадке на воду.
Рис. 48. Первый редан ГС Бериев Бе-200 (Россия, 9 шт., 1998 г.)
Формы первого редана в плоскости симметрии ГС (плоскость OXY) представлены на рисунке 49.
Рис. 49. Формы реданов
Реданы, выполненные в виде уступа под прямым углом (ступеньки) реализованы на ГС: Felixstowe F5L, Consolidated PB2Y Coronado (Рис. 50), Canadair CL-215, Бе-12, А-40, Бе-200, Blohm & Voss BV 138, Martin PBM, Mariner Kawanishi H6K, Convair R3Y Tradewind, Dornier Do X, Do Wal, Do-18, Do-24, Do-26 и других.
Рис. 50. Consolidated PB2Y Coronado (США, 217 шт., 1937 г.)
Реданы, выполненные в виде прямого скошенного уступа или криволинейного уступа, плавно переходящего в межреданную часть, реализованы на самолетах: Martin P5M Marlin, Short S.25 Sunderland MK III (Рис. 51), Saunders Roe SR.45 Princess, Saunders Roe A1.
Рис. 51 Short S.25 Sunderland MK III (Великобритания)
На ГС Martin P6M SeaMaster ступенчатый редан в полете с помощью гидравлики трансформировался в скошенный, для уменьшения донного аэродинамического сопротивления. Подобная конструкция получила наименование «клавишной».
Форма первого редана в плане (Рис. 52) может быть прямой, скошенной назад и криволинейной (оживальной), рисунок 52.
Рис. 52. Форма редана в плане: а) два прямых редана, б) два скошенных редана, в) один скошенный редан
Прямой редан в плане используется на ГС: Felixstowe F5L, Dornier Do J Wal, Blohm & Voss BV 138, Dornier Do 24 (Рис.53), Grumman HU-16 Albatross, Martin PBM Mariner, Consolidated PBY Catalina, Kawanishi H6K, Kawanishi H8K, Canadair CL-215, Shin Maywa US-2.
Рис.53 Dornier Do-24 ATT (Германия)
Скошенный назад к плоскости симметрии редан имели летающие лодки: Martin P5M Marlin, Short S.25 Sunderland, Consolidated PB 2Y Coronado, Бе-10 (Рис. 54), Бе-12, А-40, Бе-200, Бе-103, Martin P6M-2 Seamaster, Convair R3Y Tradewind.
Рис. 54. Бериев Бе-10 (СССР, 28 шт., 1956 г.)
Криволинейный в плане (оживальный) редан имели летающие лодки: Saunders-Roe SR.45 Princess (Рис. 55), Grumman J4F-2 Widgeon.
Рис. 55. Saunders-Roe SR.45 Princess (Великобритания, 3 шт., 1952 г.)
С целью улучшения локальной гидродинамики лодки/поплавка в их конструкции использовались дополнительные элементы и устройства. Для повышения курсовой устойчивости на воде на ГС: Felixstowe F5L, Aichi H9A (Рис. 56), Kawanishi H8K, Dornier Do.J Wal используется скег (пластина за реданом в плоскости симметрии самолета), а на ГС Blohm & Voss BV 238/222 перед вторым реданом установлен вертикальный плавник.
Рис. 56. Aichi H9A (Япония, 31 шт., 1940 г.)
С этой же целью, а также для уменьшения брызгообразования на днище ГС Бе-103, Kawanishi H8K (Рис. 57) используются продольные реданы.
Рис. 57. Kawanishi H8K (Япония, 167 шт., 1941 г.)
В качестве устройств улучшающих локальную гидродинамику можно отметить: гидродинамические интерцепторы на редане самолета Бе-200 (Рис. 58).
Рис. 58. гидродинамический интерцептор Бе-200 (Россия)
На ГС Martin P5M Marlin гидродинамические интерцепторы установлены сразу за криволинейным реданом на удалении 3-5% ширины лодки приблизительно на 30 % его полуширины (Рис. 59), для исключения омывания водой зареданной части лодки на глиссировании.
Рис. 59. Зареданный ГД интерцептор на Martin P5M Marlin (США, 285 шт., 1948 г.)
С этой же целью на ГС Blohm & Voss BV 222/238 (Рис. 60) первый невысокий редан дополнялся в зареданной части лодки восемью небольшими реданами в виде наклонных пластин, а на ГС Бериева Р-1осуществлялся дренаж воздухом зареданной части лодки (Рис. 61).
Рис. 60. Blohm & Voss BV 222 Wiking (Германия)
Рис. 61. Дренаж зареданной части ГС Бериев Р-1 (СССР, 1 шт., 1952 г.)
Для обеспечения продольной устойчивости на глиссировании на ГС БериевА-40, Бе-200 (Рис. 62) установлены ГД дефлекторы в межреданной части лодки.
Рис. 62. ГД дефлектор Бе-200 (Россия)
Интересен следующий факт, после аварии самолета Grumman HU-16 Albatross в полевых условиях днище лодки заклепали выступающими круглыми заклепками вместо обычных потайных. В результате скорость отрыва уменьшилась на 9-18 км/ч, что в дальнейшем было проверено в испытаниях на фирме и рекомендовано в производство.
Для уменьшения заливаемости ГС в носовой части лодки на уровне скулы и немного выше устанавливают брызгоотражающие щитки – специальные ребра вдоль борта лодки ГС. На ГС Consolidated PB 2Y Coronado щитки установлены в районе редана на скуле и направленны вниз, на ГС Canadair CL-215 (Рис. 63), Grumman G-73 Mallard - вдоль всей скулы и направленны вниз, на ГС Grumman G-44 Widgeon – щиток установлен вдоль скулы от носа практически до редана и направлен в бок и немного вниз, на ГС Бе-12 (Рис. 64), А-40 – щитки на борту, а в районе носа ГС и перед реданом в бок и немного вниз.
Рис. 63 Canadair CL-215 (Канада, 125 шт., 1967 г.)
Рис. 64. Бериев Бе-12 (СССР, 143 шт., 1960 г.)
На ГС Shin Meiwa PS-1 / US-1 (Рис. 65) и Harbin SH-5для этих целей реализованы туннельные продольные каналы на днище перед скулой.
Рис. 65. Shin Meiwa PS-1 / US-1A (Япония, 43 шт., 1967 г.)
В качестве основного опорного элемента ГС в основном используется днище лодки или поплавка, но на некоторых самолетах в качестве опорной поверхности применялись подводное крыло, гидролыжа и шасси на воздушной подушке. Подводное крыло ЛА впервые применено на английском гидросамолете Bristol Burney в 1912 г. В последующем подводное крыло применялось на самолетах: Бе-8 (Рис. 66), Grumman G-21 (JRF) «Goose», AKOYA (Рис. 67). Подводное крыло позволяет существенно повысить мореходность ГС, но из-за роста веса конструкции и аэродинамического сопротивления, сложностей с его уборкой после взлета, если она предусмотрена, данный вид взлетно-посадочного устройства никогда не применялся на серийных ГС.
Рис. 66. Подводное крыло на ГС Бериев Бе-8 (СССР, 2 шт., 1947 г.)
Рис. 67. Подводное крыло на ГС AKOYA (Франция, 2007 г.)
Гидролыжи применялись на самолетах: Бе-8, Martin PBM Mariner, Convair F2Y Sea Dart (Рис. 68), LR-4, YC-123E.
Рис. 68. Гидролыжа на ГС Convair F2Y Sea Dart (США, 5 шт., 1953 г.)
Поплавковое шасси применяется, как правило, на ГС небольшой массы до 4 – 5 тонн. За счет поплавков существенно возрастает аэродинамическое сопротивление самолета и его вес, что снижает основные характеристики ГС. ГС с поплавковым шасси обладает, как правило, меньшей на 30 – 40% мореходностью, чем ГС с той же массой, выполненный по схеме летающая лодка.
Шасси на воздушной подушке использовалось на ГС: LA-4 (Рис. 69), «Чирок». ГС с подобным шасси за счет увеличения сопротивления, как аэродинамического, так и гидродинамического, а также увеличения веса конструкции, как правило, уступает по своим характеристикам лодочному ГС.
Рис. 69. LA-4 (США, 1959 г.)
На ГС ДАР (Рис. 69а), авиаконструктор Бартини Р.Л., для осуществления возможности выполнения взлёта и посадки на лед или снег, выхода в случае необходимости из воды на пологую ледовую или снежную поверхность, по краям плоского редана, смонтированы специальные полозья с внутренней амортизацией.
Рис. 69а. ДАР (СССР, 1936 г.)
Силовая установка
Силовая установка должна обеспечивать достаточно большую тягу для преодоления ГС горба ГД сопротивления на переходном режиме и интенсивного ускорения на разбеге. На рис. 70,71 представлены данные энерговооруженности ТЛЛ с поршневыми и турбовинтовыми двигателями в зависимости от года первого полета. Рассмотрим следующие параметры силовой установки ГС: энерговооруженность двигателей для самолетов с ТВД и ПД, тяговооруженность для самолетов с ТРД ; размещение силовой установки на ГС; особые решения в работе силовой установки.
Рис. 70
На рис. 71 представлены данные тяговооруженности ТЛЛ с турбореактивными двигателями в зависимости от года первого полета.
Рис. 71
Для обеспечения высокой тяговооруженности на ГС А-40 (Рис. 72) использовались дополнительные стартовые двигатели, а на самолетах Martin P5M Marlin, Grumman HU-16 Albatross, Martin PBM Mariner (Рис. 73), Blohm & Voss BV 138, Consolidated PBY Catalina, Dornier Do 18 пороховые ускорители.
Рис. 72. Стартовый двигатель под маршевым на ГС А-40 (СССР, 2 шт., 1986 г.)
Рис. 73. Взлет с пороховыми ускорителями ГС Martin PBM_Mariner (США, 1366 шт., 1939г.)
В качестве силовой установки на ГС применялись поршневые бензиновые и дизельные двигатели, турбовинтовые и турбореактивные двигатели. Расположение силовой установки на самолете, должно исключать ее заливание брызговыми струями. Поршневые двигатели размещались над крылом на пилоне или на стойках (иногда по схеме тандем): Бериев МБР – 2 (Рис. 74.), Fairchild. 91 «Baby Clipper» (Рис. 75.), Dornier Do J Wal (Рис. 76.), Do X, Savoia-Marchetti S.55, Hiro H4H, Туполев МДР-2, МДР-4, МК-1.
Рис. 74. Бериев МБР-2, двигатель на стойках над крылом (СССР, 1360 шт., 1932 г.)
Рис. 75. Fairchild. 91 «Baby Clipper», двигатель на пилоне над крылом (США, 4 шт., 1935 г. )
Рис. 76. Dornier Wal под парусом, двигатели расположены по схеме тандем (Германия, 250 шт., 1922 г.)
На самолетах бипланах двигатели размещались между крыльями: Felixstowe F5L, Hiro H1H, Supermarine Southampton, Blackburn Iris (Рис. 77.), CAMS 53 и другие.
Рис. 77. Blackburn Iris (Великобритания, 5 шт., 1926 г.)
Но чаще всего поршневые и турбовинтовые двигатели размещались в крыле: Sikorsky S-42, Martin M-130, Consolidated PBY Catalina, Kawanishi H6K, Short S.25 Sunderland, Dornier Do 24, Четвериков МДР-6, Туполев МТБ-2, Martin PBM Mariner, Blohm & Voss BV 222 Wiking, Grumman HU-16 Albatross, Бериев Бе-6 (Рис. 78.), Бе-12, Shin Meiwa PS-1 / US-1 и другие.
Рис. 78. Бериев Бе-6 (СССР, 123 шт., 1948 г.)
В единичных случаях двигатели располагались под высокорасположенным крылом: Sikorsky S-40, S-41, Consolidated Commodore (Рис. 79.).
Рис. 79. Consolidated Commodore (США, 14 шт., 1930 г.)
Турбореактивные двигатели размещались под корневой частью крыла на ГС: Бериев Бе-10 (Рис. 80.); над крылом: Martin P6M SeaMaster (Рис. 81.); над фюзеляжем: Бериев А-40, Бе-200; в фюзеляже: Saunders-Roe SR.A/1 (Рис. 82.).
Рис. 80. Бериев Бе-10 (СССР, 28 шт., 1956 г.)
Рис. 81. Martin P6M Sea Master (США, 12 шт., 1955 г.)
Рис. 82. Saunders-Roe SR.A/1 (Великобритания, 3 шт., 1947 г.)
Для уменьшения заливаемости винтов на ГС Dornier Do 26 (Рис. 83.) винты задних двигателей (двигатели установлены по схеме тандем) поднимались шарнирно на 10° вверх, а на самолете Parnall Prawn (Рис. 84.) основной двигатель вместе с пропеллером отклонялся вверх на 22°.
Рис. 83. Dornier Do 26 (Германия, 6 шт., 1938 г.)
Рис. 83. Parnall Prawn (Великобритания, 1 шт., 1930 г.)
Применение вышеописанных устройств и элементов конструкции ГС позволяет обеспечить ему заданные мореходные и взлетно-посадочные характеристики.
Описанные выше устройства и элементы конструкции ГС, обеспечивающие ему необходимые гидродинамические характеристики, мореходность (Рис. 84.) и взлетно-посадочные характеристики на воде снижают другие летно-технические характеристики ГС за счет увеличения лобового аэродинамического сопротивления, роста массы конструкции самолета.
Рис. 84. Мореходность отдельных ГС
В таблице 1 [4] приведена оценка роста аэродинамического сопротивления ГС за счет применения в его конструкции отдельных из вышеописанных устройств и элементов.
Таблица 1
| ФОРМА КОРПУСА |
ОПИСАНИЕ |
УВЕЛИЧЕНИЕ СОПРОТИВЛЕНИЯ (%) |
|
Тело вращения |
0 |
|
Деформируемый фюзеляж |
3-5 |
 |
Фюзеляж со стабилизатором и кабиной |
2-3 |
 |
Глиссирующий корпус |
8-9 |
 |
Влияние килеватости |
1 |
 |
Влияние брызгоотражателей |
1-8 |
 |
Влияние редана |
20-38 |
 |
Суммарное сопротивление |
35-64 |
|
Среднее |
50 |
В работе представлен обзор основных конструктивных элементов и технических решений, связанных с общей компоновки самолета, аэродинамикой крыла, системой управления, гидродинамикой лодки и поплавков, силовой установкой, которые обеспечивают ГС гидродинамические, мореходные и взлетно-посадочные характеристики необходимые для его эксплуатации на воде, реализованных на ГС различных исторических периодов. Следует отметить, что данный обзор не является всеобъемлющим и может быть дополнен углублённым анализом ряда решений в конструкции ГС.
Литература
1. ГОСТ 24999-81 Гидромеханика летательных аппаратов. - М. Издательство стандартов,1982.
2. Хохлов А.А. О тяжелых летающих лодках и их мореходности // Легенды и мифы авиации. Сборник статей. Из истории отечественной и мировой авиации. Выпуск 5. — М.: Фонд содействия авиации «Русские витязи», 2013. – С. 102-128. - ISBN 978-5-903389-74-2.
3. Авиационные правила. Часть 23. – М. Авиаиздат, 1993.
4. Состояние и тенденции развития гидросамолетов. Издательский отдел ЦАГИ, 1991.
5. Заболоцкий А. Н., Сальников А. И. Самолеты ТАНТК имени Г. М. Бериева.- М. : ООО Рестар, 2005,- 416 с., ил.
6. Stephane Nicolaou. Flying boats & seaplanes : A history from 1905 : - Osceola USA : MBI Publishing company, 1998. – 192 p.
7. Louis S Casey, John Batcheler. The illustrated history of seaplanes and flying boats: New York : Exeter Books, 1980. – 128 p.
8. Bill Yenne. Seaplanes & Flying Boats : A timeless Collection from Aviation`s Golden Age : BCL Press New York, 2003. – 176 p.
А.Хохлов
Московский физико-технический институт (Государственный университет)
г. Жуковский
октябрь 2016 г.
Разделы сайта
Сообщение форума