История постройки первых «Фарманов» в России

Первый аэроплан Фармана – это просто переименованный «Вуазен». В дальнейшем Анри Фарман усовершенствовал его конструкцию (или же, наоборот, вернулся к некоторым прежним решениям, воплощенным в планере Аршдекона-Вуазена) – убрал гондолу фюзеляжа, установил ферменные бруски для переднего руля глубины.

Первым, кто совершил полет по прямой на этом аэроплане в России (и вообще на аэроплане, способном совершать длительные полеты), был Алексей Александрович Ван-дер-Шкруф, полет состоялся 12 (25) июля 1909 г. ^[1] [1, 2].

Первый отечественный «Фарман», несколько модернизированный, под названием «Россия-А», был построен на заводе Первого Российского Товарищества Воздухоплавания С.С.Щетинин и К^о в С.-Петербурге. Он был испытан 2-го августа 1910 г. на Гатчинском аэродроме пилотом-авиатором В.А. Лебедевым.

Конструкция «России-А» была разработана инженером Николаем Васильевичем Ребиковым [11].

Интересно, что был еще конструктор двигателей Ж.Ребиков, который вместе с Ж.Корвиным выставили на Первом международном салоне аэронавтики в Париже (24-30 декабря по новому стилю) стенд с «трехтактным» двигателем своего изобретения, который был весьма популярен у посетителей, наравне со стендами моторов «Гном» [12].

Отметим конструктивные особенности аэроплана «Россия-А»:

• задняя ферма напоминала переднюю, в конце ее был организован такой же шарнир, как у передней фермы, на котором вращалось все горизонтальное оперение (вместе с вертикальным).
• нижний узел крепления передней фермы к крылу был выполнен не как в классическом «Фармане-4» — заодно со стаканчиком шасси, а заодно со стаканчиком стойки крыла. Также выполнен и верхний узел, и верхние и нижние узлы крепления задней фермы. Конструкция, таким образом, менее прочна чем в классическом «Фармане».
• шасси облегчено по сравнению с «Фарманом-3» — несмотря на длинные полозы, отсутствуют стойки шасси от хвостовой фермы [13].

Изучая книгу С. Лупилина об аэроплане А. Фармана [14], можно придти к выводу, что автор, в основном, описывает конструкцию именно «России-А». Касаясь нервюр (ребер), С. Лупилин рассматривает только силовые нервюры и представляет их конструкцию, как двутавровую. Хотя все силовые нервюры «Вуазена» 1907 г. (предшественника «Фармана») были выполнены в виде тавра.

Может быть, Лупилин общался со строителями аэроплана «Россия А»? У него была двойная обшивка, и, вполне вероятно, двутавровый профиль силовых нервюр. Лупилин говорит, что стенка тавра имела для облегчения дыры. Относительно гибкости, Лупилин, описывая только силовые нервюры, говорит о гибкости хвостика, который выполнен из одной тонкой пластинки. О тонких промежуточных гибких ребрышках ничего не говорится.

Следующим самобытным «Фарманом», построенном в России, можно считать «Фарман» завода «Дукс» в Москве. Испытывал его 18 августа 1910 года авиатор С.И.Уточкин [15]. За исключением двигателя E.N.V., «Фарман» «Дукса» был точной копией «Фармана», приобретенного Уточкиным у Михаила Ефимова в Одессе.

Как раз в августе 1910 г. немецкий журнал «Der Motorwagen» начал публикацию чертежей этого знаменитого аэроплана. Автором описания был инженер Джон Розендаль. ^[2]

Первая статья знаменитого инженера в журнале «Der Motorwagen» посвящена неудачному перелету через Ла-Манш Губера Латама на «Антуанетт», там же помещена фотография Розендаля вместе с Латамом и Левавассером. Авторы считают важным исследовать более подробно работы Розендаля и его биографию.

У нас имеется информация, что летом 1910 г., когда воздухоплавательные мастерские Учебного Воздухоплавательного Парка были загружены работой по ремонту аэропланов, купленных после Первой авиационной недели (25 апреля-2 мая) у зарубежных пилотов, поручик Е.В.Руднев целиком построил новый «Фарман-4». Правильнее сказать – мастера парка построили. Но, вероятнее всего, это всё же отремонтированный аэроплан.

К Празднику воздухоплавания, проходившему 8-26 сентября 1910 г. в Санкт-Петербурге, Варшавское авиационное общество «Авиата» успело построить первую «Авиату».

Интересно, что эмблема «Авиаты» полностью соответствовала эмблеме немецкой фирмы «Авиатик», только вместо букв «i, k» имелась «a».

На этот аэроплан ставился двигатель фирмы «Аргус».

На руле направления «Фармана» Уточкина, на котором он выступал во время Варшавской авиационной неделе 14-22 июня 1910 г.  имелась надпись «Авиатикъ Уточкинъ». Также на «Авиатике» на той неделе летал и другой участник — барон Де Каттерс.

Следующим, кто практическим полностью построил «Фарман» самостоятельно, был сам Сергей Уточкин и мастера Одесского морского батальона.

В статьях [16], [17] говорится, что первым аэропланом, построенным в Одесском морском батальоне, следует считать «Фарман» Уточкина (видимо, переделанный из «Фармана» с длинной хвостовой фермой, который продал Ефимов — в гоночный тип, сделанный исключительно руками рядового морского батальона по фамилии Кам).

История постройки второго аппарата (мы его принимаем за первый, построенный в мастерских) такова: комитет аэроклуба, в заседании 17 декабря (1910 г.) постановил поручить подполковнику Стаматьеву постройку двух аппаратов типа «Фармана» и переделку построенного уже ранее аппарата того же типа на гоночный тип. Из этой фразы можно предположить, что первый аппарат был «Фарман» обыкновенный.

В последующие дни после 14 апреля одесский авиатор Костин произвел на нём ряд новых полетов, причем выяснилось, что аппарат обладает прекрасными качествами.

К сожалению, неожиданная проба аппарата учеником авиашколы Одесского аэроклуба шт.-капитаном Грековым привела к крушению, разрушившему аппарат в щепки, за исключением мотора. Авиаторы не пострадали.

Новый аппарат («Полугоночный «Фарман») был собран меньше, чем за одну неделю (для участия в авиационном состязании 7 и 9 мая 1911 г.).

В статье «Вестника воздухоплавания» приведены фотографии Костина на «Фармане» и самого «Фармана» гоночного типа, с размахом верхнего крыла 10,5 м. Именно на таком же «Фармане» Н.Д.Костин участвовал в перелете Петербург-Москва 10-15 июля 1911 г. [18], [19].

Поместим в этом докладе важные факты, выявленные в процессе исследования или же, вопросы, ответы на которые еще не найдены. Поскольку по аэроплану найдено большое количество первоисточников, и он был весьма популярен у первых авиаторов, надеемся, что поднятые здесь вопросы принесут пользу для историков и авиареставраторов.

1. Нумерация модификаций «Фарманов».

После практически 20-летней работы с источниками можно придти к выводу, что нумерация аэропланов данного типа появилась только после «Фармана-7». До этого все аэропланы были модификациями аэроплана, построенного собственно Анри Фарманом в начале 1909 г. Конечно, номера своим аэропланам Анри Фарман присваивал и раньше, но четких критериев отличия аэропланов еще не сложилось. Например, «Фарманом-1» назывался «Вуазен», приобретенный Фарманом, так же как первый аэроплан, самостоятельно построенный конструктором.

Предположим, что окончательно номера модификаций «3», «2» были присвоены, в основном, в России и, вероятно, уже после 1912 года.

2. Классическая конструкция «Фармана-4»

Много важной информации о конструкции «Фармана» с классическими «вуазеновскими» стаканчиками прояснилось после появления в распоряжении авторов чертежей из журнала «Der Motorwagen» (ATZ) за 1910-1912 годы и перевода на русский язык статьи знаменитого Джона Розендаля.

Оказалось что верхние грани переднего и заднего лонжерона каждого крыла (именно с верхних граней снимается древесина внутри пролетов для облегчения) лежат в одной плоскости, которая параллельна горизонту в линии полета и перпендикулярна стойкам. Последнее обстоятельство не выделено в описании Розендаля, но об этом можно сделать вывод, поскольку оси симметрии и передних и задних стаканов перпендикулярны основаниям, нет смысла наклонять стойки в какую-либо сторону.

В соответствии с уменьшением толщины лонжеронов, плоскости, на которых лежат верхние грани переднего и заднего лонжерона опускаются. Отметим, что верхние грани лонжеронов горизонтальны не только в местах стаканчиков, но также и внутри пролета. Для этого на переднем лонжероне верхний угол сглаживается маленьким радиусом.

Наклон нижней грани заднего лонжерона меньше, чем надо для того, чтобы при прикручивании стаканов с ясеневыми проставками хвосты отгибались на верх! Тем самым получается S-образность профиля.

Интересной новостью, по сравнению с другими источниками оказалась конструкция тавровых нервюр. Только стенка делалась из ясеня, а полка из тополя – что значительно удешевляет производство и облегчает конструкцию. Дополнительно усиленных нервюр было только две, как и в аэроплане, описанном Н.А.Рыниным в 1911 г. [3]. Располагались они на нижнем крыле в местах стоек шасси.

Они были не коробчатые, как на чертежах российских заводов, а тавровые, усиленные с боков ясеневыми ребрами с колобашками для устойчивости. Полка в них также изготавливалась из ясеня. Отсутствие в верхнем крыле в месте крепления передней и задней ферм дополнительно усиленных нервюр компенсировалось дополнительным пролетом лыж шасси со стойкой, который воспринимал на себя часть нагрузки от ферм.

Только в описании Розендаля, в отличие от описания Н.А.Рынина, авторы выяснили, что стаканчики отливались из алюминия. Конусные поверхности служат для легкой выемки деталей из формовочных приспособлений.

Поверхности стаканчиков полировали, а крепежные изделия – шурупы, шайбы покрывались мельхиором, чтобы избежать пятен ржавчины на материи.

В местах стыка нервюр и стаканов – если они друг другу мешали, то не ребра спиливались, а стаканы!

Ушковые болты были везде с резьбой 6 мм. Сравнивая фотографии и чертежи Н.А.Рынина, авторы пришли к выводу, что в чертежах Н.А.Рынина даны неправильные размеры резьбы – 8 мм!

3. Особенности аэродинамики и прочности.

Первую особенность назовем: «плохая аэродинамика способствует безопасности пилотов». У самолетов с толстым крылом, с большим запасом подъемной силы, срыв потока происходит практически всегда на одном крыле. Оставшаяся подъемная сила на втором крыле закручивает самолет в штопор. У тонкого, несовершенного крыла «Фармана» срыв потока происходит сразу на двух крыльях и самолет парашютирует. По воспоминаниям аэродинамика В.С. Пышнова [5, 7] скорость парашютирования составляла 7 м/с. При хорде крыла 2 м, число Рейнольдса для «Фармана» Re=(V_max·bэ)/(1,45·10⁵) = (7·2) /(1,45·10^-5)=9,6·10⁵ . Удельная нагрузка для «Фармана» 14 кг/м² , а для парашютиста с площадью купола 80 м² удельная нагрузка 1 кг/м². Если сравним такой парашют со скоростью падения 5,1 м/с и коэффициентом сопротивления 0,9 с «Фарманом», то получим коэффициент сопротивления для «Фармана» 5,8. Скорее всего, скорость падения «Фармана была выше 7 м/с. Но, по крайней мере, он не сваливался в штопор!

При исследовании прочности старинных аэропланов, в частности «Фармана» типа 1909 г. следует обращать на стремление первых конструкторов повышать способность конструкции к не разрушению за счет уменьшения внешних сил, приданием гибкости – а не за счет увеличения прочности, следовательно, и веса. Кроме того, при расчетах на прочность не следует забывать, что в расчетном случае, при действии на аэроплан перегрузки, вниз на крыло действует сила инерции и вес крыла, сумма которых равна произведению разрушающей перегрузки на вес крыла.

3. Устойчивость аэроплана Фармана типа 1908-1910 гг.

Отметим, что угол атаки крыла можно менять двумя способами: увеличением его относительно фюзеляжа, или же меняя угол атаки хвоста. Очевидно, при перпендикулярности плоскостей верхних граней лонжеронов стойкам крыла второй способ предпочтительнее.

После постройки A.Graholskis «Фармана» с двигателем «Curtiss OX» получилась центровка 0,75 от средней аэродинамической хорды. Несомненно, это задняя центровка. В.С.Пышнов объясняет возможность полета с такой центровкой хорошим демпфированием и малыми скоростями, обеспечивающими устойчивость по перегрузке при неустойчивости по углу атаки (угловая скорость вращения самолета меньше чем угловая скорость вращения вектора скорости) [5]. Посмотрим, способствует ли устойчивости тонкий профиль, который устанавливался на данном аэроплане.

Сравним устойчивость аэроплана с толстым профилем, например ЦАГИ Р-II [9] и оригинальным. По данным испытаний Г.И.Лукъянова, произведенным в плоской трубе В.Т.У. в Москве в 1911 г. [10].

Хорда модели составляла 0,5 м, средняя скорость 15 м/с, следовательно число Рейнольдса Re=0,5·15/1,45·10^-5= 0,52·10⁶

Положение фокуса профиля «Фармана» легко определить по двум точкам гиперболы графика центра давления от угла атаки. Напомним, что фокус аэроплана, также как и фокус профиля – это точка, относительно которой момент постоянен. Или же фокус – это асимптота графика положения центра давления от коэффициента подъемной силы C_y или угла атаки α. Такая гипербола получена опытным путем Г.И.Лукъяновым в 1911 г., достаточно знать координаты двух точек, чтобы определить фокус – m.

Коэффициенты подъемной силы k_y и сопротивления k_x в зависимости от угла атаки для профиля аэроплана «Ф-4» полученные в 1911 году в В.Т.У..
––– поток набегает на переднюю кромку профиля;
– – – поток набегает на заднюю кромку профиля

––– поток набегает на переднюю кромку профиля.
– – – поток набегает на заднюю кромку профиля

Поскольку подъемная сила прямо пропорциональна углу атаки:
C_y = B (α-α₀), Центр давления определяется как отношение коэффициента момента к подъемной силе: C_d = C_m/C_y , а коэффициент момента прямо пропорционален подъемной силе: C_m = C_m0 + m·C_y , формулу гиперболы можно записать следующим образом: C_d = C_m0/(B (α-α₀)) + m

Мы получили положение фокуса для оригинального профиля «Фармана» 0,39 единицы от хорды. Для РII фокус расположен на 0,235 единицы от хорды. Это уменьшает степень статической неустойчивости на 0,15 или 15 % от хорды (если будем условно считать, что центры давления этих профилей расположены на одном и том же месте).

Отметим, что мы можем сопоставлять разные профили, испытанные на моделях с различными удлинениями, по данным из разных источников, поскольку фокус от удлинения не зависит.

Посмотрим, с каким профилем хвост нагружен сильнее. Возьмем, к примеру, коэффициент подъемной силы C_y= 0,8. Тогда положение центра давления C_d для профиля «Фармана» будет 0,36 от хорды. Для ЦАГИ Р-II C_d = C_m/C_y = 0,23/0,8=0,28. Таким образом, хвост «Фармана» со своим профилем будет менее нагружен, чем с профилем ЦАГИ Р-II, поскольку центр давления крыла ближе к центру тяжести. Следовательно, хвост будет иметь больший угол продольного «V». Что происходит при увеличении продольного «V»? Гипербола перемещения центра давления из неустойчивого вида стремится превратиться в прямую, или принимает вид как у устойчивых профилей (S-образных или перевернутых)! Если угол атаки оперения положительный при стремлении угла атаки крыла к максимуму, то фокус аэроплана смещается назад. Таким образом, устойчивость аэроплана с тонким профилем 1910-х годов больше чем с толстым, 1920-х! В дальнейшем проверим, как влияет на фокус число Рейнольдса.

***

Авторы доклада в настоящее время занимаются постройкой или уже построили аэропланы «Фарман» и «Вуазен» (Н. Годфурнон).

12 сентября 2009 г. состоялась презентация Рижского «Фармана». Интересными особенностями можно назвать колеса от мотоцикла «Индиан» с пневматиками высокого давления, скопированная с подлинника надпись «Firestone», большое внимание к подлинности мелких деталей. Проведена реставрация двигателя «Curtiss OX».

Бельгийский «Вуазен» имеет очень интересные особенности конструкции. Он изготовлен из реплики Жана Ботиса Солиса в 2008 г. На нем используются П-образные накладки не только на заднем лонжероне, но и на переднем (поэтому нет вырезов, ослабляющих конструкцию). Установлен подлинный двигатель E.N.V. Чтобы не использовать дорогие ушковые болты, по всей видимости, еще Солис заменил их железными брусочками с отверстиями перпендикулярными друг другу. В одно отверстие вставляется болт с шестигранногй головкой, крепящий брусочек к лонжерону, в другое – кольцо для расчалки.

Переделку реплики проводило Brussels Air Museum Restoration Society (BAMRS). «Много лет назад» информацию о «Вуазене», экспонирующемся в Le Bourget собирал Pierre Cryns, он предоставил множество эскизов, которые использовал и Николас Годфурнон, и часть из них прислал С.-Петербург

В Петербурге «Фарман» строится уже более 15 лет. И за это время, помимо авиационных и исторических организаций, в постройке успел принять участие практически весь город. Оказали неоценимую помощь много авиационных предприятий и энтузиастов Петербурга (в том числе и заводы, библиотеки, архивы). Также, важнейшую поддержку оказали энтузиасты и предприятия Москвы.

Информационную поддержку оказывает г. Гатчина.

В качестве обшивки применен «дакрон» 140 г/м². Основной принцип обшивки (в отличие от принципа 1910-х годов) – все сделать съемным на люверсах и шнурках. Это позволяет легко ремонтировать аэроплан, изменять материал деталей и аэроплан получается разборным,  как дельтаплан.

Информацию о Российском аэроплане можно найти на сайте.

Айвар Грахолскис (Aivars Graholskis)
Инспектор технической комиссии по самодеятельным летательным аппаратам Латвийской Республики, конструктор аэропланов, пилот, историк авиации, (Латвия, Рига)

Николас Годфурнон (Nicolas Godfurnon)
историк, авиареставратор, Королевский военный музей авиации и космонавтики (Бельгия, Брюссель)

Сергей Николаевич Агапов
историк, авиареставратор, зам. начальника цеха, ОАО «РСК МиГ» (Россия, Москва)

 

Георгий Владимирович Галли

с.н.с. Объединенного музея, доц. каф. 24 Авиационной техники

(Россия, С.-Петербург)

Источники

1. Одесский листок, 14 июля 1909 г.
2. Спорт и наука, 1909 г.
3. Н.А.Рынин Биплан Фармана и мотор Гном// Воздухоплаватель, 1911
4. Руднев Е.В. Мой полет на аэроплане в Гатчину//Воздухоплаватель, 1910, №12, с.912
5. Пышнов В.С. Из истории летательных аппаратов: Сб. ст. № 1. – М.: Машиностроение, 1968. – 140 с., С. 47
6. Пышнов В.С. Аэродинамика самолета. Часть вторая. Продольное равновесие в прямолинейном полете и статическая устойчивость. – М.-Л., 1939. – 164 с.
7. В.С.Пышнов. Аэродинамика самолета. Ч.4. – М.-Л.: Оборонгиз, 1938. – 132 с., С.94, С.99
8. «Der Motorwagen» (ATZ) за 1910-1912 гг.
9. Кашафутдинов С.Т., Лушин В.Н. Атлас аэродинамических характеристик крыловых профилей. – Новосибирск: СибНИА, 1994. – 76 с.
10. Жуковский Н.Е. Теоретические основы воздухоплавания. – М., 1925.
11. Шавров В.Б. История конструкций самолетов в СССР до 1938 г.- М, 1969.
12. Спорт и наука №7, 1908
13. Техника Воздухоплавания, №10, 1910, с.42
14. Лупилинъ С. Аэропланъ Анри Фармана. – С.Петербургъ, 1911. – 39 с.
15. http://community.livejournal.com/foto_history/506844.html — фото
16. «О. .Н». Авiацiя в Одессе.//Вестникъ воздухоплавания, 1911. №7-8, С.46-48
17. Алексей Ванъ-деръ-Шкруфъ. Одесские письма. (Корреспонденция «Вестника Воздухоплавания»). Письмо первое.//Вестникъ воздухоплавания, 1911. №9, С.28-30
18. Вейгелинъ К.Е. Перелетъ Петербургъ-Москва. – М.: Тип. П.П.Сойкина, 1911. – 56 с.
19. Ткачев В.М. Крылья России. – СПб, 2007. – 640 с., С.75

ПРИМЕЧАНИЯ:

1. Все даты до 1917 г. приводятся по старому стилю. [↩]
2. Впоследствии Розендаль сотрудничал с другими авиационными журналами, например «Zeitschrift für Flugtechnik und Motorluftschiffahrt» (ZFM). До «Фармана» им были выполнены описания и чертежи аэроплана «Райт», а после – «Блерио», «Ньюпора-4», «Ньюпора-17». [↩]