Развитие и разработка четырёхместных самолётов в XX веке. Статистический анализ

Кузьмин Юрий Викторович кандидат физико-математических наук старший научный сотрудник, ИИЕТ РАН 125315, Россия, г. Москва, ул. Балтийская, 14 Kuzmin Yury Viktorovich PhD in Physics and Mathematics Senior researcher, S.I.Vavilov Institute for the History of Science and Technology, RAS 125315, Russia, g. Moscow, ul. Baltiiskaya, 14 ykuzmin@rambler.ru Другие публикации этого автора

Введение

В статье изучается история производства и разработки важного сегмента самолётостроения XX века – четырёхместных гражданских самолётов.

Впервые в мире собраны сводные данные по производству четырёхместных самолётов и числу их моделей с разбивкой по странам и особенностям конструкции.

Показано, сколько самолётов, когда, в каких странах и какими компаниями было построено. Насколько мне известно, подобные сводные данные никогда не публиковались. Изучено, как менялся спрос на самолёты такого класса, коррелировала ли с этим интенсивность разработок?

На основе собранных данных доказывается, что разработчики и владельцы предприятий, в основном, адекватно реагируют на рост рынка, но неадекватно – на его спад. Вместо приспособления, сокращения расходов имеет место «агоническая» реакция – беспорядочная активность, увеличение объема конструкторских работ во время снижения продаж, попытки улучшить качество предлагаемого продукта невзирая на рост стоимости и даже попытки занять соседние рынки.

Для выявления описанной реакции использовался метод расчёта скользящей корреляции рядов, описывающих выпуск и разработку новых моделей самолётов.

Во второй части статьи будет рассмотрена техническая эволюция четырёхместных самолётов в течение XX века.

Постановка задачи

За XX век самолёты очень сильно изменились. В десятки раз выросла их скорость, в сотни – масса, зачастую в тысячи – мощность силовых установок. Графики в статьях и книгах по истории авиации либо взлетают экспоненциально, либо имеют выраженную форму интегральной кривой, значения нижней и верхней асимптот у которой отличаются в разы, если не на порядки.

Например, скорость первых истребителей составляла чуть более 100 км/ч, а в последние десятилетия стабилизировалась (за некоторыми исключениями) на уровне 2000-2500 км/ч. Рост важнейшего показателя на полтора порядка был достигнут всего за полвека.

При этом не учитывается, что со временем изменяются и сами требования к самолётам. В гражданской области резко растут грузо- и пассажиропотоки, что требует более вместительных самолётов. Глобализация экономики, появление новых центров развития приводят к росту дальности перевозок. Если между мировыми войнами самой оживлённой международной трассой был маршрут через Северную Атлантику, то сейчас всё большей доле пассажиров требуется пересекать Тихий океан.

Рост объема перевозок сделал рентабельным большие вложения в инфраструктуру – строительство аэропортов с длинными и прочными взлётно-посадочными полосами. А это ослабило требования к взлётно-посадочным характеристикам гражданских самолётов.

Военная же область подпитывает сама себя. Если у потенциального противника появляются более быстрые (например) самолёты, то это означает, что во время боевых действий он навяжет инициативу: выбирать, когда принимать бой, когда уклоняться от него. Поэтому создаваемые самолёты должны летать ещё быстрее. Развитие военной техники, в отличие от гражданской – это процесс непрерывного соревнования с постоянным преодолением физических и экономических барьеров.

Итак, и в гражданской, и в военной отраслях быстрый прогресс, выражающийся, в том числе, в росте основных показателей (масс, размеров, абсолютных и удельных мощностей, нагрузок на крыло, дальности, высоты полёта и т.д.) в разы, а то и более, чем на порядок, естественен и имеет свою внутреннюю логику.

Иногда такой рост может быть остановлен психологическим, физическим экономическим барьером, а чаще – их совокупным действием. Так, для большинства пассажиров не столь важно, долетят они в другое полушарие за шесть часов или за пятнадцать, поскольку подобные поездки относительно редки и планируются не за один день. С другой стороны, сопротивление воздуха на сверхзвуковых скоростях резко возрастает, аэродинамическое качество снижается и полёт становится намного дороже для потребителя. Поэтому рост скорости пассажирских самолётов затормозился на подходе к скорости звука.

Рис. 1. Некоторые четырёхместные самолёты, выпущенные серией не менее из 800 экземпляров, в одном масштабе

У военных свои ограничения, опять-таки, комбинирующие как потребности (дальнейший рост скорости самолёта мало даёт для уменьшения времени реакции, но затрудняет обнаружение целей), так и физико-технические ограничения (скорость в 3 и более скоростей звука требует применения нестандартных для авиации материалов, намного более дорогих и хуже обрабатывающихся, чем привычные дюралевые сплавы). Так бурный рост сменяется плато.

Но сохранится ли подобная картина развития, если выбрать подкласс авиационной техники, который на протяжении всего рассматриваемого периода решает одну и ту же задачу? Будет ли выражен период бурного роста характеристик или нет? Как быстро смена поколений, отличающихся конструкционными решениями, сменится их сосуществованием (об этой смене фаз развития технологии смотри ^{[1, 2]}).

На эти вопросы отвечает данная статья.

Объект исследования

В статьях ^{[3, 4]} был проведён анализ развития поршневых истребителей, в ^[5] – сельскохозяйственных самолётов. Следующим большим классом являются пассажирские машины, но их коммерческая нагрузка за век резко выросла, поэтому трудно сравнивать шестиместный Junkers F.13 (1919 год) и широкофюзеляжный Boeing 747 (1969 год).

Поэтому для изучения выбрана подгруппа с одинаковой коммерческой нагрузкой, а именно – четырёхместные, включая пилота, самолёты общего назначения. Это один из самых популярных классов.

Такие самолёты широко востребованы, они применяются и как «воздушные такси», и как частные самолёты, и, зачастую, как учебные или патрульные, и как буксировщики планеров, и санитарные, и для многих других целей. Разумеется, в этот класс мы не включаем боевые и грузовые самолёты с экипажем четыре человека.

Практически постоянная коммерческая нагрузка (хотя за XX век расчётная масса человека в авиации заметно выросла) сильно снижает разброс характеристик самолётов. Практически у всех четырёхместных самолётов одинаковая компоновка кабины: два ряда по два места. В трехместных аэропланах вариантов больше: один или два человека впереди.

Однородность задач, компоновки, нагрузки уменьшает разброс в характеристиках четырёхместных самолётов и позволяет вычленить изменения, связанные именно с прогрессом в авиации.

Статья рассматривает период от зарождения четырёхместных самолётов и до 2000 года включительно, поэтому последующие изменения на рынке и в технологии, а именно: увеличение доли самолётов с турбовинтовыми и гибридными силовыми установками, широкое применение композиционных материалов, быстрое развитие класса VLJ – Very Light Jets остались за её пределами. Выпуск в таблицах и графиках приводится тоже только до конца 2000 года, хотя производство ряда моделей продолжалось и в XXI веке.

Методика исследования

Выполнение описанной программы стало возможным благодаря тому, что автором собраны сведения о 871 модели четырёхместных самолётов, созданных во всём мире с 1909 по 2000 годы включительно и свыше 2400 записей об их производстве.

В сведения о моделях включалось формализованное описание (разработчик, год начала испытаний, схемы фюзеляжа, крыла, оперения, шасси, силовой установки, применяемые материалы, всего около 70 признаков) и количественные характеристики (массы, размеры, площади, лётные данные, мощность силовой установки и т.д., около 40 характеристик).

Собранная информация структурировалась в виде реляционной базы данных.

Источники данных, методика их отбора, сравнения и ранжирования, изложены в ^[6], а методика проверки полноты исходных данных в ^[7]. Источники сведений – а их многие сотни – перечислены в библиографическом справочнике по самолётам XX века ^[8], где они упорядочены по моделям самолётов.

Выделим один очень важный источник: таблицы выпуска самолётов авиации общего назначения, составленные на основе ежегодных отчётов ассоциации GAMA (General Aviation Manufacturer’s Association) с 1947 по 2020 г. Таблицы любезно предоставил вице-президент ассоциации GAMA Йенс Хенниг ^[9].

Всё это дало возможность анализировать информацию при помощи математико-статистических методов, в том числе – скользящих корреляций динамических рядов. Все количественные данные, приведённые ниже в тексте статьи, рассчитаны автором.

Значение сегмента четырёхместных самолётов в мировом самолётостроении

В XX веке было создано не менее 871 модели четырёхместных самолётов (Рис. 1). Это 4% от общего числа модификаций самолётов XX века. Но на них приходится 9% всего выпуска: каждый одиннадцатый построенный в мире самолёт – это четырёхместный самолёт общего назначения!

Четырёхместные – самый популярный подкласс самолётов общего назначения. Самолётов, вмещающих 3 или от 5 до 10 человек, совокупно построили заметно меньше, чем только четырёхместных (Табл. 1, здесь и далее подсчёты автора).

«Тиражность» – это отношение общего выпуска в XX веке к числу моделей. С точки зрения продаж наиболее привлекательной для производителя в XX веке была разработка 4- и 6-местных самолётов.

Таблица 1. Число моделей и выпуск самолётов общего назначения в мире в XX веке в зависимости от числа мест (включая экипаж).

Трёхместных самолётов было разработано на четверть меньше – 671 модель, но их общий тираж оказался в шесть с лишним раз меньше. Пятиместные и шестиместные самолёты ещё менее популярны: по 300 с небольшим моделей.

Повышенная популярность шестиместных самолётов (их построено в три с лишним раза больше, чем пятиместных) связана со сложностью компоновки пяти мест: размещение трёх пассажиров бок о бок приводит к увеличению миделя фюзеляжа и ухудшению обтекаемости. В результате самолёт с тремя рядами по два кресла, причём средний ряд может быть размещён спинками вперёд и лицом к заднему, оказывается не дороже в производстве и эксплуатации, чем пятиместный самолёт.

Гражданских двухместных самолётов построено заметно больше, чем четырёхместных, по моим данным около 280 тысяч (2360 моделей). Но и задачи их более разнообразны: здесь и обучение, и прогулочные полёты, и высший пилотаж, и патрулирование, и курьерская связь. Поэтому разброс характеристик в группе двухместных машин выше, чем у четырёхместных, и она менее удобна для анализа.

В 1944 г. крупная американская авиастроительная компания «Bellanca», предвидя окончание войны и готовясь к возобновлению выпуска гражданских самолётов, провела опрос потенциальных покупателей. Первый вопрос звучал так: «Сколько человек должен перевозить самолёт?» За двухместную машину высказались 8% опрошенных, за трёхместную – 16%, пяти- и шестиместные самолёты хотели бы иметь 8% и 2% соответственно. Остальные 66% предпочли четырёхместные машины ^{[10, p. 98]}.

Конечно, опросы не всегда гарантируют реальный спрос. В том же опросе 61% высказались за низкоплан и только 26% - за высокоплан, однако успех высокопланов компании «Cessna» этому противоречит. Но вот популярность четырёхместной компоновки с годами только крепла. И через три четверти века, в 2018 г. авторитетный журнал «Самолёт и пилот» в редакционной статье писал: «Десятилетиями самыми популярными самолётами общего назначения были четырёхместные. Это не изменилось» ^[11].

Средняя тиражность выпуска четырёхместных самолётов в 2,3 раза выше, чем в самолётостроении в целом и выше, чем у любой другой группы самолётов общего назначения. Если разделить общее число построенных в XX веке самолётов на число их модификаций, получится чуть более 100. Для четырёхместных же машин этот показатель равен 230. Таким образом, риск входа на рынок для данного сегмента меньше, чем в целом по отрасли, а популярность сегмента – выше.

Всё сказанное убеждает, что сегмент четырёхместных самолётов – достойный объект для анализа.

История развития четырёхместных самолётов

Все сведения о приоритетах в этом разделе даны на основе данных, собранных автором.

Мы рассматриваем как «четырёхместные» только самолёты, в которых предусмотрены четыре индивидуальных сиденья для пилотов и пассажиров или два сиденья и двухместный диван. Это условие важно: в начале века были модны рекордные полёты, чащё всего – небольшие подлёты по прямой, с как можно большим числом пассажиров. При этом «пассажиры» размещались, как придётся: например, стоя, согнувшись между крыльями и держась за межкрыльевые стойки.

Не учтён также, например, британский разведчик-биплан Cody VA. Основной вариант – двухместный, но для быстрой переброски курьеров и офицеров штаба были предусмотрены два дополнительных отстёгивающихся сиденья по бокам фермы фюзеляжа.

С учётом сделанной оговорки первый настоящий четырёхместный самолёт появился в США – стране, где позднее было построено подавляющее большинство самолётов этого класса. Им стал «воздушный седан» «Air Sedan», который сконструировал Джером Зербе (Jerom S..Zerbe) из г. Файетевиль (Fayetteville), штат Аризона (Рис. 2).

Рис. 2. Четырёхплан Зербе – первый в мире четырёхместный самолёт

Фюзеляж, действительно, был «седаном» - закрытым кузовом с двумя парами сидений, багажным отсеком сзади и 100-сильным французским мотором «Gnome Monosoupape» впереди. К фюзеляжу крепилась рама с четырьмя одинаковыми крыльями. Управление по тангажу осуществлялось изменением наклона рамы, для управления по курсу служил небольшой руль за фюзеляжем. Управления по крену не было. Вероятно, это стало основной причиной, по которой лётчик Флэннери (Tom Flannery) сумел пролететь только 300 м по прямой и повредил самолёт при посадке.

Больше «воздушный седан» в небо не поднимался. Тем не менее, он должен быть отмечен как первый в мире построенный и летавший четырёхместный самолёт. А заодно – и как первый в мире летавший, пусть только один раз и недалеко, самолёт с закрытой кабиной, так как построенные ранее французские самолёты Адера («Avion I Eole», «Avion II Zephyr» и «Avion III») и американский «Mayfly», также имевшие закрытые кабины, не смогли совершить ни одного полёта.

В 1912 г., опять в США, появился и первый двухмоторный четырёхместный самолёт: «Jacobs Multiplane» (Рис. 3). Он выглядел ещё экзотичнее предшественника: не просто квадроплан, а квадроплан-тандем с несущим квадропланным горизонтальным оперением! Самолёт построил Генри Якобс (Henry William Jacobs) из г. Атчисон (Atchison), штат Канзас ^[12]. Два двигателя «Emerson» по 35 л.с., размещённые в фюзеляже, через цепной редуктор приводили в движение один винт. Пилот и три пассажира сидели в открытой гондоле. «Мультиплан» был показан в Нью-Йорке на авиашоу в мае 1912 г. Утверждается, что самолёт летал.

Рис. 3. Первый в мире двухдвигательный четырёхместный самолёт «Multiplane»

Между этими двумя конструкциями из США появились три европейских самолёта. В 1911 г. во Франции поднялся в небо стальной моноплан (если не считать вторым маленьким крылом несущие пилоны, к которым крепились обтекатели шасси) конструктора Генри Коанда «Coanda 2» (Рис. 4). Это была экспериментальная машина: основной целью были отработка новых конструкционных материалов и, главное, убираемого шасси. Впервые в мире колёса при уборке полностью прятались от набегающего потока. Правда, не в крыло или в фюзеляж, а в очень громоздкие подкрыльные обтекатели.

Рис. 4. Первый в мире четырёхместный моноплан, а также первый в мире самолёт с полностью убирающимися колёсами шасси «Coanda 2»

В том же 1911 г. известный французский лётчик Полан (Louis Paulhan) представил на конкурс военных самолётов четырёхместный триплан (Рис. 5). Переднее и хвостовое оперения крепились на двух балках, управление по крену было чем-то средним между гошированием и элеронами: изгибались гибкие участки на задней кромке концов всех трёх консолей. Самолёт летал плохо и интереса не вызвал ^{[13, p. 200]}.

Рис. 5. Paulhan Triplane – первый в мире четырёхместный самолёт, испытанный военными

А вот британский самолёт фирмы «Виккерс», «Vickers Hydravion» 1912 г., стал первым «нормально» выглядевшим и первым хорошо летавшим четырёхместным самолётом (Рис. 6). Это был большой (размах крыльев 22,15 м) ферменный биплан классической схемы с гондолой для экипажа и пассажиров и 100-сильным мотором Gnome, таким же, как на самолёте Зербе, вращавшим толкающий винт. Максимальная скорость самолёта равнялась 83 км/ч, а посадочная – только 52 км/ч. Значительный по тем временам диапазон скоростей позволял уверенно держаться в воздухе ^{[14, p. 506]}.

Рис. 6. Первый хорошо летавший четырёхместный самолёт – Vickers Hydravion

Вопреки названию, «Hydravion» был сухопутным самолётом. Его и впрямь планировали поставить на поплавки, и только первые полёты провести с колёсным шасси. Но когда выяснилось, что аппарат удался, решили аэроплан не переделывать. А название осталось.

Описанные пять опытных конструкций – это все четырёхместные самолёты мира вплоть до конца 1918 г. С 1913 г. всё больше усилий авиастроители направляли на подготовку к войне, и пассажирская авиация не слишком интересовала ни правительства, ни конструкторов, ни промышленников. И лишь после окончания Первой мировой войны начался расцвет этого класса самолётов.

Интересной особенностью первого периода стала большая доля полипланов. Из пяти моделей – только один моноплан, один биплан, зато имеются триплан и целых два квадроплана. Вероятно, конструкторы полагали, что для подъёма большой для того периода нагрузки неизбежно требуется много крыльев.

Следующие модели четырёхместных самолётов были созданы в 1919 г. Но из-за наличия на рынке огромного количества военных самолётов, распродаваемых почти даром, развитие данного класса было весьма небыстрым. Хотя в 1919 г. появились сразу пять новых типов, их общий выпуск составил всего 10 экземпляров. Почти не помогло росту сегмента четырёхместных машин развитие регулярных пассажирских авиаперевозок в 1920-х годах – даже в то время пассажирские самолёты обычно перевозили больше, чем четыре человека, исключения были нечастыми (Рис. 7).

Рис. 7. Первый советский четырёхместный самолёт, опытный К-1, 1925 г. Следующие самолёты Константина Алексеевича Калинина перевозили больше пассажиров и вышли за пределы рассматриваемого класса.

Заметный всплеск интереса к четырёхместникам возник только во второй половине 1920-х годов, прежде всего в США, и был связан с растущими потребностями среднего класса страны. Этот класс сильно пострадал в годы Великой депрессии, что закономерно привело и к снижению выпуска самолётов.

Новый рост начался во второй половине 1930-х годов, но состав заказчиков полностью изменился. В преддверии Второй мировой войны всё больше самолётов заказывали правительства для обучения пилотов полётам по приборам и ведению радиосвязи. При этом четырёхместная машина брала 1-2 инструкторов (например, пилота и инструктора– радиста) и 2-3 курсантов. В это время более половины четырёхместных самолётов строили в Европе. В годы Второй Мировой войны выпуск вновь несколько сократился – преимущество отдали недорогим двухместным учебным машинам.

Новый расцвет четырёхместных самолётов начался после окончания Второй мировой. Но если между войнами Европа играла значительную роль в создании и производстве этого класса летательных аппаратов, то теперь первенство прочно перешло к США.

К концу 1940-х годов на мировом рынке возникла дуополия: компании «Цессна» и «Пайпер» из года в год выпускали свыше 60% всех четырёхместных самолётов мира. В 1990-е годы дуополия на несколько лет была нарушена из-за проблем компании «Cessna», но к концу века вновь восстановилась.

Ряд стран строил четырёхместные самолёты по лицензии компаний «Цессна» (Франция) и «Пайпер» (Бразилия, Мексика).

В 1955 г. был создан самый удачный четырёхместный самолёт столетия – Cessna 172