Трибуны, рокот толпы, волнение перед показательным полётом, более 50 достойных участников, а ты будешь последним. Знаменитое имя отца, собственный азарт и вера в своё изобретение. Пролёт мимо судий, отпущен штурвал, руки подняты и! Абсолютный успех! Всё работает так, как должно: самолёт летит прямо.
18 июня 1914 года на соревнованиях по безопасности самолётов (Concours de la Securité en Aéroplane) впервые было представлено в действие устройство, которое стало самым первым автопилотом и положило начало истории развития, его изобретателем стал молодой 22-летний инженер Лоуренс Сперри.
Лоуренс Сперри был сыном известного американского изобретателя Эмблер А. Сперри, который прославился во всём мире разработкой гирокомпаса, установленного на 30 американских кораблях. Если вам интересно, узнать об уникальности изобретения Сперри старшего и как оно повлияло на морскую навигацию, дайте нам знать об этом в комментариях. Сперри младший усовершенствовал изобретение отца и смог установить его на самолёт Curtiss C-2.
Лоуренс Сперри пролетел над рекой мимо судейской трибуны, включил свой стабилизатор и оторвал свои руки от штурвала управления, подняв их вверх. Дабы показать, на что способен аппарат, во время второго захода его механик, Эмиль Кашен, вылез на правое крыло и отошёл от фюзеляжа примерно на 2 метра. Сперри всё ещё не касался штурвала, под тяжестью Кашена самолёт на некоторое время наклонился из-за смещения веса, но гироскопический стабилизатор тут же взял на себя управление и скорректировал положение самолёта.
Лоуренс решил показать ещё большие возможности стабилизатора, поэтому на следующем заходе зрители увидели следующую картину: кабина пилота пустует, самолёт летит чётко по прямой, а на каждом крыле стоит по человеку. Это был фурор!
История разработки гироскопического стабилизатора
В 1913 г Лоуренс Сперри получил лицензию пилота в авиационной школе Гленна Кёртисса в Хаммондспорте. Эта школа находилась при кампании Кёртисс (Curtiss Aeroplane and Motor Company). В её мастерских в то время под эгидой ВМС США шла разработка гидроплана. В этих же мастерских Лоуренс начал разрабатывать собственное направление – гироскопический стабилизатор для самолётов. Целью Сперри было разработать устройство, которое позволило бы самолёту сохранять курс и положение в пространстве при любых обстоятельствах.
Лоуренсу было интересно свойство велосипедов и мотоцикла сохранять вертикальное положение. Это возможно благодаря гироскопическому эффекту.
Гироскопический эффект – это, если говорить просто, удержание вращения объекта в пространстве. Пример работы эффекта: детская игрушка волчок или юла во время вращения сохраняет вертикальную ось вращения и начинает падать только при потере скорости вращения.
Принципы гироскопического эффекта на тот момент были хорошо изучены, но ещё никто не пытался применить возможности гироскопа на самолётах. Самолет держится в воздухе за счет трех основных движений: тангажа, крена и рыскания.
При тангаже нос воздушного судна наклоняется вверх или вниз, чтобы изменять угол наклона самолета относительно линии горизонта и совершать либо набор высоты, либо снижение. При крене самолет наклоняется влево или вправо, что позволяет выполнять виражи. А рыскание представляет собой поворот носа самолета вправо или влево относительно направления полета.
Пилоты управляют этими движениями с помощью огромного количества различных управляющих поверхностей, а гироскопический стабилизатор Лоуренса Сперри должен был с помощью тросов автоматически корректировать управление, избавляя пилотов от колоссальной нагрузки.
Управляющие гироскопы Сперри были разработаны для поддержания нулевого положения всех управляющих поверхностей, если не требовалось корректирующее воздействие. Т.е. управляющие поверхности с изображения выше в нормальном состоянии не будут отклонены от того положения, которое видно на схеме.
Каждый гироскоп был настроен на свой канал управления самолётом: по крену, по тангажу, по рысканью.
Таким образом, в случае, когда летательный аппарат начинал изменять своё положение в пространстве не из-за сигналов управления из кабины пилотов, а из-за внешних условий, тогда происходило отклонение гироскопов от их осей вращения. Гироскопы по своим свойствам всегда сопротивляются изменению положения оси вращения и стремятся вернуться обратно. Тогда при отклонении гироскопа того или иного канала управления, система различных механических передач передавала управляющее воздействие на управляющие поверхности так, чтобы скомпенсировать отклонение по крену/тангажу/рысканью и вернуть самолёт в нормальное положение вплоть до получения команды управления от пилота.
Гироскопам требовалась электроэнергия для поддержания скорости вращения ротора в качестве исполнительного механизма. Сперри для этого установил ветрогенератор на верхнем крыле, в воздушном потоке. Стабилизатор Сперри требовал четырёх гироскопов, вращающихся со скоростью 7000 об/мин. Когда один из гироскопов двигался в направлении, противоположном движению самолёта, связь с клапанами проводила в действие поршни, работающие от сжатого воздуха и соединённого рычагами с поверхностями управления. Кроме того, к устройству был подключён анемометр, который мог определять недостаточную скорость полёта и начинающееся сваливание, и принимать корректирующие меры. Всё устройство весом 40 фунтов (18 кг) было сжато до размеров 18 х 18 х 12 дюймов (46 х 46 х 30,5 см) – небольшой размер такого сложного устройства.
Примечание: анемометр или ветромер – прибор для измерения скорости движения газов.
Но возникла ещё одна проблема. Его стабилизатор был механически связан с механизмом управления самолётом, но авиационная промышленность была раздробленной, и разные производители использовали разные методы управления поверхностями управления. Для Сперри было явно нецелесообразно проектировать стабилизатор для уникальных методов управления, применяемых в разных самолётах.
Здравый смысл победил! Разнообразие органов управление исчезло, так как абсолютно все, хоть и нехотя, приняли систему Депердюссена от французкой компании Societé de Production Armand Deperdussin, которая используется и по сей день.
(источник: Википедия)
Депердюссен разработал современный метод использования центральной ручки управления для управления рулями высоты и элеронами, с педалями или рулём направления для управления вертикальным рулём. Элероны, соединённые со штурвалом, по-прежнему используется на больших многомоторных самолётах. Простота этой схемы в миг сделала её популярной, что идеально подошло для Сперри.
Увлекательные истории с испытаний
ВМС США, которые финансировали исследования Сперри, назначили лейтенанта Патрика Беллинджера помогать ему и наблюдать за ходом испытаний. Испытания гироскопического стабилизатора вскоре переместились в Сан-Диего, штат Калифорния, чтобы избежать непогоды в районе озера Кеука в Хаммондспорте, где располагается завод компании Curtiss. Хотя климат Калифорнии был более мягким, доверие Беллинджера к устройству Сперри не возросло. Во время лётных испытаний со Сперри Беллинджер имел привычку хватать управление, если гироскоп работал медленно или неохотно.
Во время одного из испытаний Беллинджер преодолел свою привычку хвататься за управление, но на этот раз он ждал слишком долго, и Curtiss C-2, который они использовали в качестве испытательного стенда, на полном ходу влетел в воды Испанского залива. Необъяснимым образом эта неудача превратила Беллинджера в приверженца Сперри. Сперри удалось спасти стабилизатор, и оба пилота отделались лишь лёгким падением. В последующих испытаниях Сперри наконец решил большинство проблем. Положение руля направления пришлось сместить, чтобы компенсировать крутящий момент двигателя. Настройки элеронов должны были компенсировать расположение центра тяжести в каждом самолёте. По мере продвижения работы Сперри наконец добрался до финального испытания. Пока Беллинджер нервно сидел в кабине, Сперри выбрался на крыло. Устройство сработало как задумано и на мгновение исправило крен, вызванный переносом веса Сперри на крыло, подтвердив вновь обретённую уверенность Беллинджера.
Завершаем наш рассказ
И вот мы здесь, в начале нашего рассказа. Аэроклуб Франции и военное министерство Франции объявили о проведении международного конкурса по безопасности самолётов « Concours de la Securité en Aéroplane», который должен был состояться в июне 1914 года. Кёртисс, увидев его, понял, что это хороший пиар-ход, и предложил отправить один из своих C-2, а Сперри поделился своим опытом в области стабилизаторов и пилотирования. Конкурс стал для Сперри убедительной победой. Мне кажется, это прекрасная история о том как амбиции совсем ещё юного изобретателя дали огромный толчок для будущего мировой авиации.
Лоуренс Сперри — человек пытливого ума. Можно подумать, что он остановился только на создании своего стабилизатора, но нет. Он доработал его и в 1916 году выполнил серию заказов на то, что сейчас мы называем автопилотом. Среди его изобретений были приборы, позволяющие пилотировать самолёты в условиях нулевой видимости. Его указатель крена, поворота и искусственный горизонт остаются основными приборами для всех самолётов, от Boeing 747 до Piper Cub. Примеры таких приборов и историю их появления мы рассмотрим в других статьях. Он также разработал ряд других приборов, включая указатель воздушной скорости, указатель сноса и значительное усовершенствование (британского) жидкостного магнитного компаса Creaghton-Osborne. И это далеко не все его изобретения. К сожалению, он погиб слишком рано в результате авиакатастрофы в 11 января 1924 года. Кто знает, как много он бы ещё изобрёл, если бы не тот роковой полёт?
Источники
- https://www.historynet.com/lawrence-sperry-autopilot-inventor-and-aviation-innovator/
- https://www.biografiasyvidas.com/biografia/c/curtiss.htm
- https://737.territoriapoleta.ru/blog/tri-osnovnyh-sposoba-upravleniya-samolyotom
- https://studfile.net/preview/6153126/
- https://www.zizibot.ru/directory/sensor/