А.Ф. Можайский - создатель первого отечественного самолета

Восстановление и усовершенствование «прибора»

Позднее Можайский начал на личные средства восстанавливать самолёт  и заказал для него на Обуховском заводе новые, более мощные машины. После смерти изобретателя его самолёт долгие годы стоял под открытым небом в Красном Селе и, после того как военное ведомство отказалось его купить, был впоследствии разобран и перевезен в имение Можайских близ Вологды.

Судьба самолёта Можайского после смерти изобретателя

После смерти А. Ф. Можайского его сыновья, «не имея средств для самостоятельного продолжения дела и не желая передавать его в частные руки», обратились в Военное министерство с предложением купить у них самолёт, указав при этом, что сам покойный А. Ф. Можайский «оценивая степень готовности аппарата, его механизмы и положенные на осуществление многолетние труды, настойчивые изыскания…считал, что им вложен в это дело капитал, превышающий сумму 200 тысяч руб». Министерство отказалось покупать самолёт, и дальнейшая судьба его точно не установлена. По сведениям академика А. Н. Крылова, самолёт был продан с аукциона.

Компоновка и конструкция.

Известно, что самолёт Можайского несколько отличался от запатентованого проекта. Чертежей, фотографий или точного технического описания самолёта не сохранилось. По имеющимся материалам В. Б. Шавров восстановил предполагаемый облик самолёта, который затем был незначительно уточнён специалистами ЦАГИ в ходе описанных ниже исследований.

Самолёт Можайского представлял собой  расчалочный моноплан, выполненный  по классической аэродинамической схеме. Крылопрямоугольной формы в плане, с удлинением примерно 1,6 крепилось к верхним краям бортов фюзеляжа, выполненного в виде лодки и поддерживалось многочисленными расчалками из стальной проволоки, соединёнными с двумя мачтами, установленными в носовой и хвостовой частях фюзеляжа, а также — со стойками шасси. Размах крыла составлял около 23 м, длина фюзеляжа ~ 14—15 м, длина всего самолёта ~ 23—25 м. (приложение 1). Профиль крыла, по мнению В. Б. Шаврова, — плоский. Каркас самолёта в начале планировалось выполнить из стальных угольников (что отражено, в частности, в «привилегии» на аппарат), однако, по мнению многих исследователей он впоследствии был выполнен из дерева, что подтверждается и свидетельствами очевидца . Обшивка фюзеляжа и крыла — матерчатая (на фюзеляже — из полотна и фая, на крыле — из аэростатного шёлка, односторонняя). Обшивка крыла имела медные люверсы. Через люверсы пропускался слаблинь, которым обшивка приматывалась к силовому набору крыла (аналогично креплениюпарусов на рангоуте корабля).

В носовой части фюзеляжа располагался двигатель, приводивший в движение носовой винт. Согласно первоначальному проекту, два других винта должны были располагаться на задней кромке и приводится во вращение вторым двигателем, помещённым в хвостовой части фюзеляжа. В. Б. Шавров, основываясь на анализе ряда источников, пришёл к выводу (и большинство последующих исследователей с ним соглашается), что в реальном самолёте второй двигатель был помещен ближе к середине фюзеляжа, а боковые винты, приводимые от него посредством ремённой передачи, были расположены в вырезах крыла. К хвостовой части фюзеляжа крепилось горизонтальное и вертикальное оперение.

Согласно первоначальному проекту, взлётный вес самолёта должен был составлять около 820 кг (50 пудов), однако к 1883 году А. Ф. Можайский оценивал его не менее, чем в 934 кг (57 пудов) . Некоторые современные исследователи полагают, что взлётный вес самолёта Можайского мог быть и больше последней цифры.

Органы поперечного управления

В «программе опытов над моделями летательного аппарата», представленной А. Ф. Можайским в Главное инженерное управление военного Министерства 14 февраля 1877 года, один из пунктов предполагал «Испытать также при полёте действие маленьких площадей на задней части крыльев на повороты аппарата, на направление его вверх и вниз». По мнению историка отечественной авиации П. Д. Дузя, речь шла ни о чём ином, как о испытании на модели самолёта органов поперечного управления — элеронов. Однако, в отсутствии точных сведений об облике построенного натурного самолёта, судить о наличии на нём органов поперечного управления, по мнению того же автора, — нельзя (в привилегии на изобретение, выданной в 1881 году ни элероны, ни какие-либо другие средства управления по крену не упоминаются). Некоторые авторы указывают, что английский изобретатель М. Болтон (M. P. W. Boulton) получил патент на элероны, как орган управления летательным аппаратом, уже в 1868 году. Существует мнение, что при отсутствии средств для компенсации крена (элеронов или применявшегося на многих первых летающих самолётах гоширования (изгибания) крыла (англ.)русск.) даже снабжённый силовой установкой с потребной для взлёта мощностью, самолёт Можайского не смог бы успешно продолжить управляемый полёт, так как был неуправляем в поперечной плоскости. С другой стороны, Дузь указывает, что ряд авиаторов (Сантос-Дюмон, Фербер и др.) сумели в начале XX века осуществить полёты по прямой на самолётах без органов поперечного управления, хотя повороты и полёты по замкнутой траектории стали возможны только после их введения.

Оценка проекта

По мнению историка авиации Д. А. Соболева, самолёт Можайского «отличался продуманной и для своего времени технически грамотной конструкцией»^[11], а по мнению В. Б. Шаврова, «по схеме он был более совершенным, чем все предшествующие ему проекты и все самолёты, построенные как в России, так и за рубежом вплоть до 1907 года».

К недостаткам самолёта Можайского Д. А. Соболев относит малое удлинение  крыла, а таже малую колею шасси (что могло привести к неустойчивости самолёта при разбеге и пробеге).

Силовая установка

Понимая, что существующие на данный момент паровые машины слишком тяжелы для применения в качестве двигателя самолёта, Александр Фёдорович Можайский изначально планировал установить на своём аппарате двигатель внутреннего сгорания системы Джорджа Брайтона, работающий на жидкой нефти^[1][4][18]. Двигатель, предлагаемый Можайским, отличался от оригинального двигателя Брайтона рядом усовершенствований (электрическое зажигание от катушки Румкорфа, цилиндр двойного действия), возможно введённых самим Александром Фёдоровичем.   Однако, убедившись в непригодности тогдашних двигателей внутреннего сгорания для использования на самолёте из-за ещё большего, по сравнению с паровыми машинами, удельного веса, а также — низкой надёжности, Можайский принял решение поставить на свой прибор максимально облегченную паровую машину. Два паровых двигателя с котлом были заказаны А. Ф. Можайским у фирмы «Арбеккер-сын и Хемкенс» (Ahrbecker Son and Hamkens, Лондон, Великобритания) по разработанному им самим проекту. Каждый двигатель представлял собой двухцилиндровую паровую машину с вертикальным расположением цилиндров. Машина имела двойное расширение, то есть в цилиндр малого диаметра подавался пар высокого давления, откуда попадал во второй цилиндр (большого диаметра), где расширялся ещё раз. К маю 1881 года оба двигателя были построены. Один из них, весом около 48 кг , имел мощность 20 лошадиных сил (14,71 киловатт) при 300 оборотах в минуту, второй, весом около 29 кг, имел мощность 10 лошадиных сил (7,35 киловатт) при 450 оборотах в минуту. Некоторые исследователи полагают, что указанная мощность является индикаторной мощностью машин, что подтверждается рядом первичных источников. В то же время, в ряде работ, посвящённых оценке лётно-технических характеристик самолёта данные значения мощности используются, как мощность на валу. В одном из исторических источников также указывается, что это — действительная мощность машин (т. е. мощность на валу). Материал двигателей — кованая сталь, трущиеся элементы (подшипники, золотники) — фосфористая бронза. Поршни были тонкостенными, коленчатый вал и шатуны — пустотелыми. Масса котла составляла 64,4 кг, рабочее давление — 1,3 МПа. Конденсатор вместе с сепаратором весил 26 кг ,Удельный вес паровых машин вместе с котлом составлял 4,7 кг/л. с., а вместе с конденсатором и сепаратором — около 5,5 кг/л. с. Один из исторических источников приводит удельный вес 6,57 кг/л. с. (14,5 фунтов на паровую лошадь), что, возможно, связано с разницей в индикаторной мощности и мощности на валу для компаунд-машин (паровых машин двойного расширения). По тем временам такие показатели были весьма высокими (по сведениям самого А. Ф. Можайского - самыми высокими в мире). Топливом для силовой установки самолёта Можайского служил керосин.

Модернизация силовой установки

После неудачной попытки взлета стало ясно, что мощности силовой  установки не хватает для разбега, взлета и устойчивого полета и  изобретатель предпринял попытку модернизации силовой установки своего самолёта, заказав на Обуховском заводе в Санкт-Петербурге две паровые машины и паровой котёл.

Точного описания этих двигателей не сохранилось, в связи с чем разные исследователи по-разному описывают характер модернизации.

Так, по мнению П. Д. Дузя, А. Ф. Можайский разработал для своего самолёта новую машину мощностью в 50 л. с. (36,77 кВт) и планировал установить на аппарате две такие машины, доведя общую мощность силовой установки до 100 л. с. (73,54 кВт) 

Составители сборника АН СССР «Александр Фёдорович Можайский создатель первого самолёта». (Ю. Н. Сорокин, Б. Н. Воробьёв, В. А. Кондратьев) полагали, что Можайский планировал установить в дополнение к имеющимся машинам дополнительную машину в 20 л. с. (с соответствующей заменой котла), доведя, таким образом, общую мощность силовой установки до 50 л. с. (36,77 кВт) .

По мнению В. Н. Бычкова, Можайский  планировал установить на своём самолёте три машины по 20 л. с. – копии изначально установленной большой машины, доведя общую мощность силовой установки  до 60 л. с. (44,12 кВт) .

Воздушные винты

На самолёте Можайского было установлено  три одинаковых воздушных винта, диаметр которых, по мнению различных  исследователей составлял от 4  до 4,75  м. Лопасти винтов представляли собой деревянные рамки, обшитые тонкими дощечками. При первых гонках винтомоторной группы, произведённых в 1882 году, выявились значительные вибрации в силовой установке, в особенности – в винтах.

Оценка технических характеристик самолёта и возможности полёта

Из заключения комиссии Воздухоплавательного отдела ИРТО под председательством Рыкачёва следует, что А. Ф. Можайский, экстраполируя результаты опытов, проделанных им над плоской пластинкой при угле атаки 15° и перенося их на летательный аппарат в целом, полагал, что при принятом им взлётном угле атаки в 6° аэродинамическое качествосоставит 9,6, а скорость отрыва – 11 м/с (36,2 фут./с). На основании этих данных потребная тяговая мощность была оценена им в 14,5 л.с., и, так как индикаторная мощность паросиловой установки самолёта равнялась 30 л.с., был сделан вывод о возможности полёта. Комиссия же нашла, что «ввиду несовершенства теории сопротивления воздуха, осторожность требует принимать за основание только те данные, которые были получены опытом» и рекомендовала принять значение аэродинамического качества 3,7, полученное в описанном выше опыте с пластинкой, что давало потребную тяговую мощность в 38 л.с. и, по мнению комиссии, потребную индикаторную мощность паросиловой установки в 75 л.с. (Приложение 2)

Отечественные исследователи расходились  во мнении относительно оценки аэродинамического  совершенства самолёта Можайского и  возможности совершения на нём установившегося  горизонтального полёта. Так, В. Ф. Болховитинов полагал, что аэродинамическое качествосамолёта Можайского — близко к рассчитанному изобретателем и составляет около 9 единиц. По его мнению, мощности силовой установки хватало (без малейшего, однако, запаса) для совершения самолётом установившегося горизонтального полёта, который и имел место во время испытаний^[12]. Другие отечественные историки авиации оценивали аэродинамическое совершенство самолёта Можайского более осторожно, полагая, что, с учётом несовершенства форм крыла, аппарат не мог иметь столь высокого аэродинамического качества. Так П. Д. Дузь считал близким к истине аэродинамическое качество 3,7, которое, на основании опытов самого Можайского, рекомендовала принять за расчётное комиссия воздухоплавательного отдела ИРТО под председательством Рыкачёва^[4]. В 1950 году Б. Н. Юрьевым и В. Б. Шавровым был проведён аэродинамический расчёт самолёта Можайского, при этом было получено аэродинамическое качество 5,5.

При таком качестве тяги двигателей самолёта не хватало для горизонтального  полёта примерно на 12—15 процентов, даже при самом смелом предположении о КПД воздушных винтов.

В итоге: самолёт вполне мог разогнаться  до взлётной скорости при помощи собственной силовой установки, и даже оторваться от земли после увеличения пилотом угла атаки. Кроме того, отрыву от земли мог поспособствовать «экранный эффект», о котором в то время было совершенно ничего не известно. После отрыва экранный эффект исчез, а возросшее индуктивное сопротивление тут же погасило скорость. Сваливание на крыло стало неизбежным, что немедленно и произошло, судя по описаниям испытания.

В 1975 году были опубликованы результаты экспериментального исследования модели самолёта Можайского, проведённого под  руководством профессора Р. И. Виноградова в РВВАИУ. Согласно данному исследованию максимальное аэродинамическое качество самолёта Можайского составляло 6,5. Режим наименьшей потребной мощности характеризовался значением аэродинамического качества 5,6, КПД винта — 0,57 и скоростью 28 км/ч (7,8 м/с). Взлётный вес был принят равным проектному - 934 кг (57 пудов). Потребная тяговая мощность силовой установки, согласно данной работе, составила 17 л. с. (соответственно, на валу — 30 л. с.). Таким образом, по мнению Р. И. Виноградова, самолёт Можайского мог успешно взлететь при небольшом (около 3-х градусов) уклоне ВПП и далее совершать установившийся горизонтальный полёт. Причинами аварийного окончания полёта, по мнению того же автора, могли стать: ошибка лётчика, либо сильный боковой порыв ветра.