Эволюция истребителей между мировыми войнами: применение кластерного анализа в истории техники

Проведён кластерный анализ конструкций поршневых истребителей, созданных с 1920 по 1944 годы. Учтены данные более 500 модификаций самолётов, серийно выпускавшихся в 18 странах. Изучаемый период разбит на пятилетние отрезки, в каждом из которых исследовалось распределение конструкций по таким параметрам, как максимальная скорость, нагрузка на крыло и нагрузка на мощность. Рассмотрены корреляции этих переменных, особое внимание уделено правильному определению расстояния.

Представлена цельная картина динамики основных характеристик истребителей мира между мировыми войнами.

Выявлено, что определяющим фактором роста скорости истребителей в 1920-1944 годах был рост нагрузки на крыло, связанный с совершенствованием профилей, качества исполнения и механизации крыла, а отнюдь не рост удельной мощности самолётов.

В каждом периоде видны повторяющиеся модели развития: «силовой» подход, использующий появившиеся технологические возможности «в лоб», например, путём всемерного увеличения удельной мощности и комплексный подход, позволяющий добиться гораздо лучших результатов.

Выявлено лидерство британской аэродинамической школы в 1920-1940 годах. Численно показано изменение направленности конструкторской школы США от метода «мощный мотор – лёгкий самолёт» к методу «совершенная аэродинамика – большая дальность полёта».

Показаны место советской школы авиастроения в мире. Установлено, что последний (в рамках данного периода) скачок роста нагрузки на крыло не был совершён в СССР и Японии, что обусловило не слишком высокие скоростные характеристики истребителей этих стран в годы Второй Мировой войны, обсуждаются причины этого явления.

Annotation

A cluster analysis of the designs of piston-engined fighters, designed between 1920 and 1944, is carried out. More than 500 modifications of aircraft that were serially manufactured in 18 countries are taken into account. The period wass divided into five-year segments, in each of which the dynamic of maximum speed, wing loading and power load were investigated.

The correlations of these variables are considered, special attention is paid to the correct determination of the distance in cluster space. An integral picture of the dynamics of the main characteristics of the fighters of the world between the world wars is presented.

It was revealed that the main factor in the growth of the speed of fighters in 1920-1944 was the wing loading. The growth of engine power was not so important.

In each period, repeating models of development are observed: a “forceful” approach, and an integrated approach, that allows to achieve much better results.

The leadership of the British aerodynamic school in 1920-1940 is revealed. The change in the focus of the US design school from the "powerful engine - light aircraft" method to the "perfect aerodynamics - long flight range" method is shown numerically.

The place of the Soviet design school is shown. It was found that the last (within this period) jump in the increase in wing loading was not performed in the USSR and Japan, which led to not too high speed of fighters of these countries during the Second World War.

Постановка задачи

В работах ^{[1, 2]} было рассмотрено долговременное влияние традиций конструкторских школ на характеристики создаваемых летательных аппаратов. В работе ^[3] показано, что динамика результативности НИОКР ведёт себя намного менее волатильно, чем динамика производства самолётов; что конструкторские школы легко разрушаются во времена социальных потрясений, а вот создать их, даже при величайшей потребности, очень и очень непросто.

Для задач работы ^[3] определение границ конструкторских школ не требовалось – достаточно было изучения динамики появления новых конструкций по странам. Однако, корректное вычленение «конструкторских школ» нужно для дальнейшего развития темы.

Возникает вопрос: можно ли выделить группы конструкций, изучая особенности самих самолётов, без предварительной априорной группировки по странам или компаниям - производителям? Этой задаче и посвящена данная статья. Такое выделение приведёт к возможности группировки авиационных конструкций, созданных в одной методологии.

Для подобных группировок применяются методы кластерного анализа. В кластерном анализе каждый объект (в нашем случае – модификация самолёта) рассматривается как точка в многомерном пространстве своих характеристик. Затем определяется расстояние между точками и группируются близкие между собой точки. При этом расстояние между точками в одном кластере должно быть заметно меньше, чем расстояние между точками, принадлежащими разным кластерам.

Понятие «заметно меньше» не формализуемо: можно как рассматривать каждую точку отдельным кластером, так и счесть всю совокупность данных единым скоплением. Интересные результаты получаются при выборе промежуточных вариантов, при этом целесообразно остановиться в тот момент, когда дальнейшее уменьшение количества кластеров приводит к резкому росту их размеров, то есть, к резкому увеличению максимального расстояния между точками одного кластера.

В кластерном анализе можно использовать как количественные параметры, так и качественные: например, используемые конструкционные материалы, аэродинамические схемы и т.д. Формулу расчёта расстояния между точками, имеющими различные качественные характеристики, аналитик выбирает произвольно. Например, разбив все самолёты на «деревянные», «смешанной конструкции» (деревянно-металлические) и «металлические», он может положить расстояние (в условных единицах) между первыми и вторыми, а также между вторыми и третьими, равным единице, а расстояние между деревянными и металлическими самолётами сделать больше. Пока всё кажется естественным. Но от того, насколько оно больше (скажем, корень из двух или два), может зависеть разбиение на кластеры.

Несмотря на такой неустранимый субъективизм, методы кластерного анализа с успехом используются в экономике, маркетинге, социологии, медицине (смотри, например, ^[4], где просто и сжато изложена сущность метода иерархической кластеризации и рассказано о ряде применений). Посмотрим, что этот метод может дать историку техники.

Историки начали применять кластерный анализ в 1970-х годах. Например, И.Д. Ковальченко в начале 1980-х годов провёл кластерный анализ земельных отношений в 19 российских губерниях на рубеже XIX-XX века. Этот пример изложен в учебнике Ковальченко ^{[5, с. 434-440]}. Там же указаны и ограничения метода, в частности, субъективизм при определении числа кластеров. Вместе с тем, в истории техники кластерный анализ до сих пор не пользовался популярностью.

Объект анализа

Объект анализа – характеристики поршневых истребителей, созданных между мировыми войнами в 1920-1944 годах. Год создания определяется по дате первого полёта – началу лётных испытаний.

1919 год исключён из рассмотрения, так как в это время, в основном, доделывались проекты, начатые в Первую Мировую войну, а вот в 1920 г. уже массово появляются новые конструкции. 1945 же год стал кризисным для стран, потерпевших поражение во Второй Мировой войне, а страны-победительницы начали конверсию производства. Кроме того, в 1945 г. многие конструкторские коллективы переключились на создание реактивной техники.

Оказывается, что кластерный анализ помогает дать обоснованный ответ на некоторые вопросы, широко обсуждающиеся в литературе по истории авиации.

Например, был ли рост мощности двигателей в годы Второй Мировой войны основным фактором в повышении скорости истребителей?

Верно ли, что США обеспечили отличные характеристики своих истребителей в основном благодаря мощным двигателям?

Правда ли, что основной проблемой советских истребителей, определивших их довольно заурядные скоростные характеристики, была нехватка мощности моторов, что и предопределило борьбу за их всемерное облегчение?

Исходные данные

Исходные данные взяты из базы данных самолётов XX века, создаваемой автором статьи. Структура базы данных, методы её наполнения и источники данных описаны в ^[6].

Результат запроса к базе Microsoft Access сохранялся в виде листа Microsoft Excel. Лист таблицы Excel использовался как источник данных для статистической программы IBM SPSS со встроенным алгоритмом иерархической кластеризации. Построение графиков вновь велось в Microsoft Excel, куда из IBM SPSS экспортировались результаты разбиения совокупности на кластеры.

Для анализа были взяты только серийные, принятые на вооружение истребители; опытные самолёты не учитывались. Очень часто их вес был существенно меньше серийных вариантов (если, конечно, эта модель после доводки вообще доходила до серии), так как на прототипах часто не устанавливали всё требуемое заказчиком оборудование: радиостанции, протектирование баков, иногда даже вооружение. Часто по результатам испытаний требовалось усиливать конструкцию, изменять её с целью упрощения обслуживания, что обычно вело к росту веса и т.д. Наконец, качество постройки прототипов часто было выше, чем на серийных заводах. Поэтому характеристики опытных самолётов, в общем случае, выше серийных, однако… они не могут считаться истребителями, так как для реальной эксплуатации обычно непригодны.

Не включены в рассмотрение многоцелевые самолёты - тяжёлые истребители (в советской терминологии – «воздушные крейсера», в немецкой – «Zerstorer»), так как и методы их тактического применения и, как следствие, характеристики значительно отличаются от «классических» истребителей, от перехватчиков-«жокеев» до эскортных самолётов. При этом одноместные двухмоторные истребители, например, P-38, Do.335 или D.H.103, в список вошли.

Не учитывались варианты истребителей, специально созданные для нанесения ударов по наземным целям, такие, как ударные Focke-Wulf Fw 190F/G или Hawker Hurricane IID и торпедоносцы Blackburn Firebrand TF.3. В то же время, самолёты, изначально задуманные как истребители, но широко применяемые для ударов по наземным целям (например, американские Republic P-47D Thunderbolt) в анализе участвуют.

Всего в базу внесены записи о 564 серийных поршневых истребителях, созданных в мире в 1920-1944 годах. Однако надёжные полные данные: максимальная взлётная масса, максимальная мощность двигателя, площадь крыла, максимальная скорость на оптимальной высоте, собраны только по 519 модификациям.

Обычно не хватает сведений по отдельным модификациям известных типов. Так, в базе данных имеется вся необходимая для анализа информация о вариантах французского истребителя M.B.152 с моторами Gnome-Rhone GR.14 N25 и GR.14 N29, но нет сведений о взлётной массе и максимальной скорости варианта с мотором GR.14 N49. Есть сведения о палубном истребителе Brewster F2A-1, но нет данных о массе и скорости его сухопутного варианта с другим мотором B-239, который поставлялся на экспорт в Финляндию. Нет данных по максимальным скоростям и взлётным массам вариантов МиГ-3 с тяжёлым вооружением, но основная модификация МиГ-3 в анализ включена, и так далее.

Всего необходимые данные имеются по 92% всех известных истребителей, созданных в мире за четверть века, поэтому исходную информацию можно считать достаточно полной.

Таблица 1. Количество модификаций истребителей в мире по дате первого полёта

Так как мы изучаем особенности конструкторских школ, а не национальной авиапромышленности, страна модификации учитывается по месту её разработки, а не выпуска. Скажем, истребитель И-7, серийно строившийся в СССР, считается немецкой конструкцией, поскольку разработан он был немецкой компанией Heinkel.

Из собранных данных следует, что между мировыми войнами истребители собственной конструкции серийно строили в 18 странах: Австралии, Великобритании, Германии, Италии, Канаде, Мексике, Нидерландах, Норвегии, Польше, Румынии, СССР, США, Финляндии, Франции, Чехословакии, Швеции, Югославии и Японии.

Под СССР в 1920-1922 годах понимается Советская Россия (в Советской Украине в 1920-1922 годах истребители, в отличие от самолётов-разведчиков, не разрабатывались и не строились). «Британская Империя» объединяет самолёты, спроектированные в Великобритании, Австралии и Канаде, поскольку зависимость КБ последних двух стран от компаний метрополии в этот период была очень сильна. На 9 стран: Мексика, Нидерланды, Норвегия, Польша, Румыния, Финляндия, Чехословакия, Швеция и Югославия приходится только 68 моделей самолётов, из них в анализе участвуют 59, они обычно объединены в группу «Прочие».

Выбор анализируемых параметров

Самая важная лётная характеристика истребителя – это максимальная горизонтальная скорость на оптимальной для данного самолёта высоте (далее Vmax, измеряемая в км/ч). Именно она определяет, сможет ли истребитель догнать противника и навязать ему бой, а при необходимости – без потерь выйти из боя.

Конечно, важны и другие параметры: время виража; угловая скорость крена; скороподъёмность (вертикальная скорость); максимальная устойчивая, допустимая по соображениям аэродинамики, прочности и управляемости, скорость пикирования; мощность секундного залпа; качество прицельного, связного, навигационного оборудования; прозрачность стёкол фонаря и многое, многое другое. Но мы в данной статье ограничимся только горизонтальной скоростью.

Скорость зависит, прежде всего, от мощности мотора, размеров крыла и массы самолёта. При равных коэффициентах лобового сопротивления Cx и высотах полёта скорость пропорциональна мощности мотора в степени 1/3, обратно пропорциональна площади крыла в той же степени (смотри, например, ^{[7, с. 167]}).

Площадь крыла связана с массой и её нельзя уменьшать до бесконечности: это приводит к ухудшению маневренности, ухудшению взлётно-посадочных характеристик а, начиная с определённого момента, и к росту сопротивления и, соответственно, уменьшению скорости из-за необходимости использовать большие углы атаки крыла и более несущие профили.

Чтобы корректно сравнивать самолёты разных масс (а взлётные массы изучаемых истребителей варьируются почти в 20 раз, от 630 до 11882 кг), перейдём к относительной величине: нагрузке на крыло M/S, где M – максимальная взлётная масса самолёта в кг, S – площадь крыла в кв.м.

Третья характеристика – это мощность. Рассмотрим относительную характеристику: нагрузка на мощность, M/N, где N – максимальная мощность мотора в л.с.

В общем случае скорость растёт с увеличением M/S и уменьшается с ростом M/N. В статье часто используется и обратная величина: удельная мощность N/M.

Критика метода

Предлагаемый метод имеет и недостатки. Во-первых, разные истребители развивали максимальные скорости на разных высотах. Так, самолёт МиГ-3 был оптимизирован для высот свыше 5 км, а пришедшие ему на смену истребители «Як» и «Ла» - для действий заметно ближе к земле.

Во-вторых, трудно определить, что значит максимальная мощность мотора: в разных странах под этим понимались разные показатели. Иногда указывается максимальная крейсерская мощность – то есть, мощность, которую двигатель может без ущерба развивать длительное время, скажем, в течение всего полёта. Иногда – взлётная, или кратковременная: работа мотора в таком режиме допускается в течение нескольких минут. Понятно, что этот показатель может быть заметно выше предыдущего. Иногда указывается форсированная мощность, которая достигается при впрыске в цилиндры дополнительных реагентов, например, водного раствора метилового спирта (немецкая система MW-50). Наконец, может быть указана мощность либо у земли, либо на оптимальной для данного мотора высоте.

В работе мы старались сравнивать максимальные (кратковременные) мощности на оптимальной высоте, но не всегда удавалось получить именно такие данные. Наконец, максимальную скорость самолёт может развивать не на той высоте, где мощность мотора максимальна, а, из-за падения плотности воздуха и связанного с этим снижения аэродинамического сопротивления, на несколько большей высоте.

Поэтому в одной из трёх переменных, M/N, возможны ошибки. Возможно, позднее мне удастся провести более аккуратный анализ. Вместе с тем отметим, что здесь мы изучаем именно особенности конструкторских школ, поэтому целесообразно сравнивать характеристики в условиях, которые конструкторы предусматривали для их детища: то есть, именно максимальные скорости и максимальные мощности, независимо от того, на каких высотах они достигаются.

Наконец, все расчёты велись для максимальной взлётной массы. Но в бой истребитель обычно вступает с частично выработанным топливом, а доля этого топлива в общей массы для эскортных истребителей, рассчитанных на большую дальность, выше, чем у фронтовых. Правильнее было бы использовать массу при половинном запасе топлива, но такой показатель менее интуитивно понятен. В то же время, расчёты с использованием такого показателя для периода 1941-1944 годов показали, что отличия от кластеризации с использованием максимальной взлётной массы малы.

Развитие истребителей в 1920-1944 годах в числах

Обычно в работах по истории авиации (например, ^{[8, с. 292, 295]}) анализ начинается с изучения динамики какого-либо показателя со временем. Проведём такой анализ и мы.

На Рисунках 1-4 показано изменение основных параметров истребителей, взлетевших в соответствующие годы и позднее запущенных в серийное производство. На графиках указаны среднее значение (простое усреднение по модификациям без учёта объёма выпуска) и коридор его изменения от минимального до максимального. Видно, что истребители за четверть века качественно изменились. Соответствующие числовые данные приведены в Таблице 1 (данные автора).

Год	Площадь крыла, кв.м.			Взлётная масса,кг			Мощность моторов, л.с.			Макс. скорость, км/ч
	Max	Min	Средн.	Издательство О нас Наши реквизиты Наши партнеры Контактная информация Политика конфиденциальности   Авторам Договоры Авторская зона   Услуги Институт рецензирования   Разное Как написать статью? Журналы в перечне ВАК Мобильное приложение Вопрос - ответ   Наши сайты Aurora group s.r.o. © 1998 – 2024 Nota Bene. Publishing Technologies. NB-Media Ltd.