Рэйсэн - история истребителя "Зеро" - Дзиро Хорикоси
Следующим на очереди был выбор воздушного винта. Нам предстояло использовать новый тип винта, известный как винт изменяемого шага (автоматический винт), который был указан в требованиях ВМС. Воздушные винты, использовавшиеся на наших истребителях ранее, были винтами фиксированного шага с лопастями, жёстко закреплёнными на втулке. Они рассчитывались на работу при полных оборотах и позволяли использовать всю мощность двигателя только во время полёта на максимальной скорости. Из-за этого, когда самолёт летел со скоростью, отличной от максимальной – например, во время набора высоты или взлёта – на винт действовала повышенная нагрузка, обороты двигателя снижались, и оптимальное использование доступной мощности становилось невозможным.
Как работает пропеллер с автоматически изменяемым шагом (иллюстрация из оригинала).
Это аналогично автомобилю, у которого есть только высшая передача: при трогании с места или подъёме по склону на малой скорости он не может эффективно использовать мощность своего двигателя из-за снижения его оборотов. В отличие от этого, винт изменяемого шага уменьшает угол установки лопастей (их угол атаки) на малых скоростях и увеличивает его на высоких скоростях, изменяя таким образом шаг автоматически в зависимости от скорости самолёта. Максимальная мощность может быть получена за счёт поддержания максимальных оборотов двигателя во всём диапазоне скоростей самолёта.
Скорость истребителя меняется бесчисленное количество раз от набора высоты до пикирования, особенно во время манёвренного боя, и если истребитель очень быстр, то винт изменяемого шага становится ещё более эффективным, поскольку приводимый им в движение самолёт обладает широким диапазоном скоростей. Решение задать этот тип винта для «Прототипа 12» было вполне понятным, и ВМС также оказывали давление на промышленность с целью импорта технических ноу-хау из Соединённых Штатов. Программы разработки и модификации двигателей и воздушных винтов находились вне нашего контроля, и мы, конструкторы планера, были бессильны помочь в решении этих проблем, независимо от того, насколько сильно они нас волновали.
Самая большая проблема – снижение веса
Самой большой проблемой, с которой мы столкнулись, было снижение веса. Значительного снижения веса невозможно было достичь с помощью обычных методов проектирования. Каждый должен был постоянно прилагать активные усилия для снижения массы. Мы следовали тому, что можно назвать базовым подходом к весовому контролю. Это было то, о чём мы думали ещё в период выбора двигателя; концепция, позже ставшая известной как «весовая спираль» (фактор лавинного роста веса). Если вес самолёта необдуманно увеличивался на один килограмм, мы должны были увеличить прочность различных деталей, чтобы выдержать этот возросший вес, а это означало дополнительный прирост массы, который в случае с истребителем также равнялся примерно одному килограмму. По меньшей мере, первоначальное увеличение на один килограмм приводило в итоге к увеличению на два килограмма. Поскольку эти изменения приводили к дальнейшему увеличению веса, поддерживаемого крылом, площадь крыла также должна была стать больше, что означало очередной прирост массы ещё на несколько сотен граммов.
Это снизило бы лётно-технические характеристики, если бы мы не использовали более мощный двигатель. Даже без нового двигателя неблагоприятные условия множились бы одно за другим: если конечный вес увеличится, то лобовое сопротивление возрастёт из-за большего крыла, а также возникнут проблемы с материалами и производством. Поэтому мы должны были проявлять крайнюю осторожность для поддержания весового контроля, и я постоянно напоминал себе и другим членам конструкторской группы об этом важнейшем факте. Я был уверен, что этой концепции необходимо придерживаться строже, чем когда-либо прежде. Кроме того, должны были материализоваться некоторые новые идеи.
На ранней стадии проработки концепции «Прототипа 12» я знал, что мы должны сделать ещё один шаг вперёд и попытаться пролить луч света туда, где сейчас была лишь тьма. Этого можно было достичь только путём отхода от традиционных обычаев и технических условий. Я чувствовал, что на данном этапе проекта подобная философия была необходима.
К 1932 году был установлен новый стандарт под названием «Сводные требования к проектированию самолётов», которого необходимо было придерживаться при конструировании авиационной техники. Он содержал правило, требовавшее применения коэффициента безопасности (запаса прочности), предписывающего прочность силовых элементов конструкции. Этот коэффициент безопасности определялся как отношение разрушающей нагрузки самолёта к максимальной нагрузке, которой он, как ожидалось, будет подвергаться во время эксплуатации. Согласно регламенту, этот коэффициент должен составлять 1,8 независимо от типа самолёта, направления приложения силы или характеристик материала.
Иными словами, правило требовало, чтобы самолёт не разрушался при нагрузках, меньших, чем 1,8-кратная максимальная нагрузка, испытываемая в полёте. Для истребителей максимальная нагрузка была установлена равной семикратной силе тяжести, или 7G. Таким образом, при применении коэффициента 1,8 все элементы конструкции самолёта должны быть способны выдерживать нагрузку в 12,6G. Даже когда самолёт выполнял манёвр с перегрузкой 7G, что являлось максимальной нагрузкой, которой он подвергался, прочность всех деталей должна была иметь дополнительный запас, равный примерно 5,6G.
Из своего прошлого опыта присутствия на прочностных испытаниях конструкций я знал, что разные материалы разрушаются по-разному. Если надавить на концы длинной стойки или тонкой пластины, можно заметить, что деталь прогибается сильнее по мере увеличения прилагаемого усилия. Вначале, когда нагрузка мала, деталь возвращается к своей нормальной форме после снятия нагрузки. Но если вы продолжите увеличивать усилие, деталь сломается на некотором критическом пределе, за которым она больше не сможет нести нагрузку. Важно заметить, что конструкция такого типа способна восстанавливать свою первоначальную форму почти до самого момента разрушения.
Различия в механике деформации и разрушения у деталей различной формы (доработанная иллюстрация из оригинала).
Это означает, что максимальная нагрузка, которую такая деталь может выдержать без разрушения, близка к разрушающей нагрузке. С другой стороны, растягиваемые детали, предназначенные для восприятия осевых растягивающих нагрузок, или короткие толстые сжимаемые элементы будут необратимо деформироваться при уровнях нагрузки, которые заметно ниже пределов их разрушающей нагрузки. В таких случаях допускаемая повторяющаяся максимальная сила и близко не приближается к разрушающей силе.
Эти две различных механики разрушения подсказали мне способ снижения веса «Прототипа 12». Давайте предположим, что мы изготавливаем два разных типа деталей, обе из которых сломаются под воздействием силы в 10G. Длинная тонкая деталь может нести нагрузку около 9G,
