Самолет с винтами на крыльях: Самолет с винтами на крыльях

Иногда они поднимаются: 5 необычных летательных аппаратов

ИсторииНаука

С момента первого полета «Флайера-1» братьев Райт над дюнами Северной Каролины самолеты прошли большой путь. Обычно у них есть крыло из двух симметричных половинок, продолговатый корпус, два или четыре двигателя, явно распознаваемая кабина впереди, хвостовое оперение сзади. Но из этого правила есть исключения.

Фото

Pixel Power / Alamy via Legion Media

Как на бочке с порохом: Leduc 0.10

Этот летательный аппарат без признаков кабины пилотов по нынешним временам выглядит объяснимо — как типичный беспилотник. Только вот придуман и построен он был, когда беспилотных самолетов еще не существовало, и кабина в нем есть — только она спрятана внутри корпуса и стоит перед единственным двигателем.

Собственно, Leduc 0.10 — это и есть в основном реактивный двигатель с крылом и хвостом. Причем двигатель это особый — прямоточный (также обозначается аббревиатурой ПВРД). Машину, оснащенную реактивным двигателем (самолет, автомобиль, поезд), двигает вперед реактивная струя газа, выходящая из двигателя и образованная при сжатии воздуха на входе и воспламенении топлива в камере сгорания. Большинство современных авиадвигателей относятся к числу турбореактивных (ТРД) — в них воздух в камеру сгорания нагнетается турбиной, установленной на входе. Помимо прочего, именно за счет этого машина с таким двигателем может самостоятельно тронуться с места.

Прямоточный воздушно-реактивный двигатель не таков и устроен гораздо проще: когда машина с ним движется вперед, воздух естественным образом попадает в камеру сгорания, там смешивается с продуктами сгорания топлива, и образуется реактивная струя. Нетрудно догадаться, какова главная проблема такого двигателя: на низкой скорости не возникает достаточного для его работы давления воздуха в камере. Очевидно, что и тронуться с места самостоятельно он не сможет. Тем не менее работы по исследованию и применению таких двигателей велись много лет.

Так, в 1937 году инженер Рене Ледюк получил заказ от французского правительства на разработку первого самолета с прямоточным двигателем. Аппарат получил обозначение Leduc 0.10. Предполагалось, что подниматься в воздух и разгоняться он будет, будучи установленным на самолете-стартере, а далее уже в воздухе отделится от него и отправится в самостоятельный полет.

Первый такой полет, впрочем, состоялся только после Второй мировой войны, в 1947-м. Интересно, что в ходе испытания Leduc 0.10 показал лучшие летные качества (скорость, высоту полета и др.), чем существовавшие на тот момент реактивные истребители. Работы над этой и усовершенствованными моделями самолетов с ПВРД велись до конца пятидесятых — в частности, создали модификации Leduc 0.21 и Leduc 0.22, последняя из которых должна была стать сверхзвуковой, но не смогла развить нужную скорость, — и в конце концов были свернуты, проиграв конкуренцию самолетам с ТРД.

Увидеть Leduc 0.10 (на фото он показан на опорах на имитации фюзеляжа самолета-стартера) и его младшего, но более продвинутого брата Leduc 0.22 сегодня можно во французском Музее авиации и космонавтики в Ле-Бурже. Кстати, ПВРД не вышли из обихода — их стали использовать на беспилотниках и крылатых ракетах

Фото

ignis / Wikimedia Commons

Задом наперед: Piaggio P.180 Avanti

Не будь этот бизнес-самолет оборудован пропеллерами, он вполне мог бы сойти за посадочную капсулу с космического корабля из будущего. Но и пропеллеры, официально называемые тут воздушными винтами, у него «не с той стороны» — как у Карлсона, который живет на крыше, у судна или дирижабля!

Мы ведь привыкли, что винт (или винты) находится у самолетов спереди — на носу или на передней кромке крыла — и работает в тянущей конфигурации. Оказывается, можно сделать и иначе: в толкающей конфигурации. Больше того, немалое число ранних самолетов, включая тот, что подняли в воздух братья Райт в 1903-м, работали именно так. Позднее такая конфигурация появлялась многократно, хотя и не получила большого распространения и потому выглядит сегодня непривычно.

Почему же главный инженер Piaggio Алессандро Мадзони избрал именно такую схему? Потому что она, по его мнению, в сочетании с другими характеристиками самолета, включая аэродинамику, обеспечивает бóльшую топливную эффективность, чем близкие по характеристикам реактивные самолеты, и бóльшую скорость, чем винтомоторные конкуренты.

Из-за того что горизонтальные стабилизаторы, которые у обычных самолетов находятся в хвостовой части, у Avanti приделаны к носу, эта машина несколько напоминает рыбу-молот

Фото

James / Flickr

С 1986 года было выпущено более 230 таких самолетов в разных конфигурациях, включая медицинскую и патрульную; в разработке также находится беспилотная версия для военных. Но в первую очередь это именно частный самолет вместимостью 7–9 человек. Дальность полета зависит от загрузки, и четырех пассажиров он может доставить на расстояние 2800 км — это как от Москвы до Дублина.

На честном слове и на косом крыле: AD-1

Еще один разрыв шаблона и подрыв устоев: мы привыкли, что крыло самолета имеет две полуплоскости, или консоли, расположенные симметрично справа и слева от фюзеляжа. (Внимание: у абсолютного большинства поднимающихся в небо сегодня самолетов именно одно крыло; два — это когда они установлены одно над другим, как у биплана Ан-2. Крыльев может быть и три — тогда самолет называется трипланом.)

Любители авиации знают, что консоли у некоторых самолетов могут двигаться, это называется схемой с изменяемой геометрией крыла (такая была впервые применена на американском Bell X-5 в 1947-м и сегодня используется, в частности, на Су-24, Ту-160 и Rockwell B-1 Lancer). Оказывается, это не все, до чего додумались инженеры-авиастроители.

Пример полета их фантазии — экспериментальный самолет НАСА AD-1. Его единственное крыло — цельное и может поворачиваться вокруг вертикальной оси, по команде пилота вставая наискосок. При взлете, наборе высоты и посадке крыло должно стоять перпендикулярно продольной оси фюзеляжа, а с ростом скорости — поворачиваться на угол до 60 градусов, уменьшая аэродинамическое сопротивление самолета и снижая расход топлива.

AD-1 построили по проекту Берта Рутана, авиаконструктора, спроектировавшего за свою карьеру целый ряд уникальных летающих машин, включая Voyager, совершивший в 1986-м первый в истории беспосадочный кругосветный перелет без дозаправки за девять дней, а также суборбитальный частный пилотируемый космический корабль многоразового использования SpaceShipTwo.

Но вернемся к AD-1. Первый полет эта небольшая машина совершила в конце 1979 года. А так как испытания вело НАСА, известное крайне строгими правилами тестирования новых устройств, то на угол в 60 градусов крыло решились повернуть только к середине 1981 года, все это время обкатывая машину с меньшими углами поворота и на разных скоростях.

Испытания показали, что управлять самолетом с крылом наискосок можно, но при повороте крыла более чем на 45 градусов управляемость сильно снижается. К концу лета 1982-го программа была свернута и самолет отправился в Авиационный музей Хиллера в Калифорнии, где он находится по сей день. С тех пор попыток построить летающие машины с косым поворотным крылом не было.

Важно понимать, что AD-1 — чисто тестовый аппарат. Длину он имеет 11,8 м, размах крыла — 9,8 м, полная масса — меньше 1 тонны, корпус изготовлен из стеклопластика. Самолет был оснащен двумя небольшими по мощности реактивными двигателями, а управлял им один пилот (всего за время полетов управление AD-1 освоили полтора десятка человек). Двигаться быстрее 400 км/ч машина была не способна, а ее крейсерская скорость составляла примерно 270 км/ч. Чтобы проверить концепцию на более высоких скоростях, потребовался бы новый прототип но он так и не был создан

Фото

NASA / WikimediaCommons

Внутри гигантского крыла: Калинин К-7

Если без крыла самолету не обойтись — без него нечему будет создавать подъемную силу, — то фюзеляж летательному аппарату совсем не обязателен: все необходимое можно разместить непосредственно внутри крыла. Довольно логично, что такая схема самолета будет называться летающим крылом.

К числу ее преимуществ относят бóльшую полезную нагрузку (то, сколько самолет может поднять в воздух) и снижение радиолокационной заметности. Первый патент на такую конструкцию самолета, от 1910 года, принадлежит легендарному немецкому авиаконструктору Хуго Юнкерсу, а реализована идея была в 1930-е.

Одной из первых в мире машин, построенных по такой схеме, можно считать советский самолет-гигант K-7 харьковского конструкторского бюро К.А. Калинина. Сразу оговоримся: это не летающее крыло в чистом виде, как германский Horten Ho 229 1944 года или американский бомбардировщик-невидимка B-2. У К-7, в отличие от них и других им подобных бесхвостых аппаратов, имелось хвостовое оперение, покоившееся на двух балках. Но грузовой и/или пассажирский отсеки, а также двигатели машины были размещены внутри крыла.

И крыло это было поистине монументальным — 53 м в размахе (больше, чем у самой большой модификации Boeing 767), более 2,3 м в высоту, эллиптической формы и площадью более 450 м² — почти как современная баскетбольная площадка. Это был один из крупнейших в мире самолетов дореактивной эры. В движение его приводили семь винтовых двигателей по 750 л. с. Каждый — шесть тянущих впереди и один толкающий сзади.

Использовать К-7 предполагалось как в мирных, так и в военных целях. В гражданском исполнении он мог бы перевозить до 128 пассажиров на расстояние до 5000 км (или 64 пассажира в каютах класса люкс). Также были предусмотрены варианты бомбардировщика и десантного самолета. В последнем случае самолет мог быть использован для заброса 112 парашютистов или, например, танка и другой техники.

К сожалению, всему этому не суждено было воплотиться в жизнь: первый полет огромная машины выполнила 21 августа 1933 года, а уже 21 ноября того же года разрушилась в воздухе в ходе испытаний, погубив 15 из 20 человек, находившихся на борту. Спустя два года программа К-7 была закрыта, и еще два строившихся летных экземпляра так и не поднялись в воздух.

От проекта К-7 осталось совсем немного визуальных свидетельств, это фото в полете — одно из них. Скорее всего, погубил самолет и весь проект флаттер — самовозбуждающиеся незатухающие колебания элементов конструкции летательного аппарата, которые могут привести к его разрушению. Бороться с ним научились лишь к началу сороковых

Фото

Wikimedia Commons

До серийного производства с тех пор добрались только два летающих крыла: уже упоминавшийся Northrop Grumman B-2 Spirit и беспилотник Lockheed Martin RQ-170 Sentinel — и тот и другой в США, и построено их порядка двух десятков штук каждого.

Вертолетосамолет: Bell V-22 Osprey

На самом деле, у такой конструкции есть официальное название: конвертоплан. И конвертопланы не являются винтокрылыми машинами, хотя и могут вести себя как таковые. У вертолета роль крыла выполняет винт (или винты), создающий и подъемную и движущую силу.

Конвертоплан же имеет обычное крыло и представляет собой летательный аппарат с поворотными двигателями (или крыльями), в котором сочетаются, по крайней мере теоретически, лучшие качества самолетов и вертолетов — способность вертикально взлетать и садиться, как вертолет, а в горизонтальном полете, повернув двигатели перпендикулярно земле, двигаться, как обычный самолет, с использованием подъемной силы горизонтального крыла — быстрее и дальше, чем вертолет.

Первый детально проработанный проект такой машины появился в Германии в 1938 году, но его реализации помешала Вторая мировая война. А первый и на сегодняшний день единственный серийный конвертоплан — Bell Boeing V-22 Osprey — придуман и построен в США. И если вам кажется, что создание такой машины — весьма непростая инженерная задача, вы не ошибаетесь.

Американские военные, заказчики V-22, почувствовали нужду в таком летательном аппарате в начале 1980-х, но первый полет V-22 совершил только в 1989-м. Еще спустя 11 лет Корпус морской пехоты США начал подготовку пилотов, а на службу машина поступила лишь в 2007-м.

V-22 Osprey в раскраске Корпуса морской пехоты США на авиасалоне Фарнборо в 2012 году. Источник: AIRBOYD / YouTube

Аппарат длиной 17,5 м, с размахом крыла 14 м и диаметром винтов в 12 м каждый, используется в армии США, ВВС и на флоте, а также Силами самообороны Японии и сегодня. При этом служба проходит не беспроблемно: с 2007 года V-22 Osprey, существующий в шести вариантах с разной специализацией, разбивался не менее семи раз и погубил 16 человек. Еще несколько крушений произошли за годы разработки и испытаний летательного аппарата.

Построено таких машин больше 350 штук. Osprey может нести до 32 пассажиров или более 9 тонн грузов, развивать скорость до 565 км/ч и совершать перелеты длиной более 1600 км. Больше того, если он стал временно не нужен, его можно сложить для удобства хранения — например, если он оказывается на палубе или в трюме корабля. В настоящее время готовится к серийному производству усовершенствованный гражданский аналог V-22 Osprey под названием AgustaWestland AW609 — частный летательный аппарат на 6–9 человек.

_{Материал опубликован в августе 2020, частично обновлен в августе 2022}

Никита Харчевников

---

Теги

• самолеты
• техника
• наука
• история
• авиация

Глава XV.

На крыльях и без крыльев. В небе завтрашнего дня

Глава XV. На крыльях и без крыльев

Эта глава знакомит читателя с необычными летательными аппаратами, которым принадлежит будущее, — «пингвинами», колеоптерами, «летающими сковородками», орнитоптерами и многими другими.

Ученые и конструкторы продолжают поиски таких летательных аппаратов, которые совмещали бы в себе достоинства самолетов и вертолетов без их недостатков. Они должны обладать высокой скоростью полета и способностью совершать вертикальные взлет и посадку.

Разными путями ведутся и будут вестись в дальнейшем эти поиски.

Неудивительно, что это привело уже сейчас к большому разнообразию типов таких летательных аппаратов, и число их будет все время расти. Вероятно, в будущем каждому узкому, специальному назначению будет соответствовать свой особый тип летательного аппарата.

Чтобы разобраться в разнообразных конструкциях этих аппаратов, как созданных, так и тех, которые предстоит создать, обратимся к физическим основам полета.

Для того чтобы аппарат тяжелее воздуха совершал длительный полет в атмосфере, необходимо приложить две силы. Одна из них должна поддерживать его в воздухе, то есть противодействовать земному тяготению, — это так называемая подъемная сила; другая должна двигать вперед с нужной скоростью, преодолевая сопротивление воздуха, — это так называемая тяга.

Во всех случаях длительного, установившегося полета в атмосфере любая сила, действующая на летательный аппарат, должна представлять собой силу реакции отбрасываемого воздуха или газов. Действительно, так именно создает тягу воздушный винт — пропеллер. Так же, конечно, создает реактивную силу несущий винт вертолета, только в этом случае воздух отбрасывается уже не назад, а вниз, отчего сила, создаваемая несущим винтом, направлена вверх. Это — подъемная сила. И точно таким же образом создает подъемную силу крыло самолета. Оно тоже отбрасывает воздух, отклоняет набегающий встречный поток вниз. Ученые, экспериментирующие в аэродинамических трубах, с помощью различных ухищрений видели это не раз простым глазом.

Принципиально то же самое происходит и в реактивном двигателе. Он так же создает тягу, отбрасывая струю газов. Разница, и очень существенная, заключается в том, что двигатель развивает тягу сам, без помощи каких бы то ни было движителей вроде винта. Поэтому реактивные двигатели и называют двигателями прямой реакции.

Но если каждая из двух основных сил, действующих на летательный аппарат, создается принципиально одним и тем же физическим явлением, то в разных летательных аппаратах она образуется по-разному. В самолете, например, тяга создается винтом или реактивным двигателем, а подъемная сила — крылом. В вертолете же обе силы создаются одним и тем же несущим винтом.

Как же совместить достоинства самолета и вертолета?

Вот, например, еще до появления вертолетов был создан и начал применяться летательный аппарат, получивший название автожира. Теперь такие аппараты у нас обычно называют винтокрылами: тяга, необходимая для полета, у них создается пропеллером, как и обычно, но крыла нет, а если и есть, то очень небольшое, оно заменено самовращающимся (или, как говорят, авторотирующим) несущим винтом. Задача такого винта оказывается, естественно, более легкой, чем у вертолета, и винтокрыл может достичь большей скорости. Некоторые новые винтокрылы, например советский винтокрыл конструкции Н. И. Камова, впервые показанный на авиационном празднике в Тушине в 1961 году, обладают скоростями в полтора раза большими, чем у вертолетов. Наш винтокрыл развил на 100-километровом замкнутом маршруте рекордную скорость — 366 километров в час, намного большую, чем у аналогичного по назначению английского винтокрыла «Ротодайн». В том же, 1961 году он установил в одном полете сразу 6 мировых рекордов по грузоподъемности, подняв груз 16 485 килограммов на высоту 2 557 метров 17*.

17* Газета «Правда», 26 ноября 1961 г.

Самовращающийся несущий винт автожира заменяет крыло самолета.

Слева — автожир на поплавках; тягу создает небольшой пропеллер, приводимый во вращение маломощным поршневым двигателем. Справа — увлекательный спорт: «жирокоптер», буксируемый обычной моторной лодкой, взмывает в воздух под действием авторотирующего винта (по журналу «Флайт», февраль 1963 г. ).

Винтокрылы — современные самолеты-вертолеты. Вверху — английский автожир «Ротодайн», внизу — винтокрыл Н. И. Камова (по журналу «Люфтфарттехник», январь 1962 г.).

Наряду с увеличенной по сравнению с вертолетами скоростью полета винтокрылы сохраняют преимущество вертикального взлета и посадки — на этих режимах двигатель приводит во вращение не тянущий, как в горизонтальном полете, а несущий винт. В авиации будущего винтокрылы найдут свое место, хотя их применение вряд ли будет очень широким.

Итак, неподвижное крыло не позволяет осуществлять вертикальную посадку и такой же взлет, а вращающееся крыло — достичь большой скорости.

Нельзя ли использовать крыло еще каким-нибудь способом, чтобы добиться желаемой цели?

Третье решение подсказывается самой природой. Ведь за сотни миллионов лет до того, как на земле появились люди, другие живые существа уже летали, используя крыло. Крыло птицы или насекомого — машущее. Нельзя ли использовать этот принцип машущего крыла и для полета человека.

?

Летательные аппараты с машущим крылом, так называемые орнитоптеры, или «птицелеты», существуют. Есть и страстные энтузиасты машущего крыла. Это не случайно, ибо оно обладает многими замечательными достоинствами. И прежде всего орнитоптер позволяет осуществлять вертикальные взлет и посадку, парить в воздухе, поднять при той же мощности двигателя гораздо больший груз, чем самолет. Вот почему в будущем орнитоптеры без всякого сомнения найдут широкое применение в качестве «воздушных автомобилей», «воздушных мотоциклов» и даже «воздушных велосипедов». Последние будут летать за счет мускульной силы человека или с помощью небольшого моторчика, вроде тех, которые устанавливаются иногда на обычных велосипедах. Это будут замечательные машины с тонким, упругим крылом из легкой и прочной пластмассы, отлично дополняющие вертолеты при полетах на короткие расстояния, — машины массового индивидуального авиатранспорта и авиационного спорта. Однако орнитоптеры обладают еще меньшей скоростью, чем вертолеты.

Но нельзя ли заставить обычные самолеты взлетать прямо вверх? Так ли необходим длинный разбег при взлете? Нельзя ли обойтись без него?

Орнитоптер — птицекрылый летательный аппарат.

Ответ очевиден. Разбег самолета при взлете необходим, чтобы подъемная сила крыла стала равной и затем большей, чем вес самолета, иначе самолет не оторвется от земли. Чем тяжелее самолет и меньше его крыло, тем больше необходимая взлетная скорость и, значит, разбег при взлете. Двигатели создают тягу, которая заставляет самолет все быстрее разбегаться по взлетной дорожке, а затем взмывать в воздух. Чем больше тяга, тем быстрее набирает самолет необходимую взлетную скорость и, значит, тем меньше разбег.

Может, сильно увеличив тягу, удастся совсем избавиться от разбега при взлете? Очевидно, нет, так как все равно понадобится какое- то время, чтобы набрать нужную скорость. Значит, разбег хоть и уменьшится, но все же сохранится.

И тем не менее именно такое увеличение тяги двигателей открывает возможность вертикального взлета. Только для этого двигатели должны тянуть самолет не вдоль земной поверхности, а перпендикулярно к ней, вверх, как несущий винт вертолета.

На самолетах вертикального взлета в настоящее время устанавливают двигатели двух типов — либо турбовинтовые, либо турбореактивные. В первом случае обычно мощный турбовинтовой двигатель приводит в движение два соосных воздушных винта, вращающихся в разные стороны. Понятно, почему необходимы именно два винта с разносторонним вращением — ведь иначе при взлете самолет стал бы вращаться в сторону, противоположную вращению винта. Не зря же на вертолетах с одним несущим винтом у хвоста устанавливается небольшой дополнительный винт, препятствующий этому вращению. В таком винте нет необходимости, когда на вертолете два несущих винта с противоположным вращением, как, например, на новом вертолете «КА-18» конструкции Н. И. Камова.

Странный, необычный вид имеет самолет вертикального взлета на земле. Его нос устремлен вверх, прямо в небо. Вот так же примерно выглядит самолет, устанавливаемый для взлета с помощью специальной пусковой установки — катапульты. Но такая установка «выстреливает» машину в небо, а при вертикальном взлете самолет поднимается с помощью собственного двигателя. Потом он совершает такую же посадку. Правда, он иногда садится на специальную стартовую установку, с помощью которой этот самолет и перевозят.

Опирается он обычно на три или четыре короткие «ноги» с опорными дисками, почти как межпланетный корабль где-нибудь на Луне. Он напоминает птицу с опущенными крыльями, — иногда такие самолеты называют поэтому «пингвинами». Летчик при взлете почти лежит на спинке своего кресла, которое обычно делается поворачивающимся. Но вот двигатель запущен, его мощность увеличена до максимальной, и самолет вертикально уходит в небо. После того как взлетевший самолет наберет высоту, он разворачивается и далее совершает свой полет уже в обычном, горизонтальном положении.

Так самолеты овладели искусством вертикального взлета и посадки, не потеряв при этом способности летать с огромной скоростью. И все же такие самолеты еще далеко не решают проблемы.

Конечно, они найдут применение и как истребители, и как дальние маршрутные такси. Меньше чем за час на них можно перелететь из Ленинграда в Москву, причем взлететь и сесть прямо в центре города!

Но воспользоваться таким такси сможет далеко не всякий — билет будет стоить очень дорого, гораздо дороже, чем, например, на обычный вертолет. И дело здесь вовсе не в том, что придется доплатить за скорость, как это часто бывает в наземном транспорте. Уж очень невыгоден самолет вертикального взлета, слишком много топлива расходует его мощный двигатель.

Тут мы коснулись важнейшей проблемы эксплуатации летательных аппаратов вертикального взлета и посадки. Мало построить аппарат, обладающий таким свойством, нужно, чтобы он был достаточно экономичным. Конечно, в военной авиации это требование отступает на второй план, но в гражданской оно обычно является решающим.

Понятно, что экономичность эксплуатации летательных аппаратов различного рода определяется рядом обстоятельств. Здесь и потребный расход топлива, и первоначальная стоимость изготовления, и расходы по эксплуатации и ремонту и т.  д. Поэтому определить экономичность совсем не так просто, это требует тщательного анализа в каждом отдельном случае. Однако некоторые общие сведения можно получить, если вновь обратиться к самым основам физики полета.

Выше уже упоминалось, что силы, действующие на летательный аппарат в полете, создаются путем отбрасывания воздуха (или газов). Но какое из известных устройств для такого отбрасывания выгоднее — машущее или неподвижное крыло, пропеллер или несущий винт, реактивная струя турбореактивного или ракетного двигателя?

Самолеты вертикального взлета — «пингвины».

Чтобы ответить на этот вопрос, целесообразно сравнить величину реактивной силы в килограммах, которая приходится на каждую лошадиную силу мощности силовой установки. Наиболее выгодным при таком сравнении окажется то устройство, в котором скорость отбрасывания воздуха меньше. В этом нет ничего удивительного, если вдуматься. Ведь мощность двигателя затрачивается на то, чтобы сообщить отбрасываемому воздуху какую-то кинетическую энергию, которая, как известно, пропорциональна квадрату скорости. Поэтому при увеличении скорости отбрасываемого воздуха, например, вдвое мощность двигателя должна возрасти вчетверо. Сила же реакции отбрасываемой струи пропорциональна скорости отбрасывания в первой степени: когда скорость возрастает вдвое, то и сила увеличивается вдвое. Таким образом, при увеличении скорости отбрасывания вдвое на каждый килограмм реактивной силы затрачивается и вдвое больше лошадиных сил. Значит, чем меньше скорость отбрасывания, тем выгоднее устройство для создания подъемной силы. Одну и ту же подъемную силу выгоднее Создавать, отбрасывая как можно большую массу воздуха с возможно меньшей скоростью.

Конечно, этот весьма упрощенный метод может служить только для грубого качественного сравнения. Но все же он дает ключ к оценке возможных областей выгодного применения летательных аппаратов различного типа. Оказывается, с наименьшей скоростью отбрасывает воздух машущее крыло, затем идут — в порядке возрастания этой скорости — неподвижное крыло, несущий винт, пропеллер, турбореактивный двигатель и ракетный двигатель. Поэтому при той же мощности двигателя орнитоптер сможет поднять больший груз, чем самолет, а самолет — больший груз, чем вертолет. Вертолет, в свою очередь, поднимет больший груз, чем самолет вертикального взлета с турбовинтовым двигателем, а еще менее выгоден самолет вертикального взлета с турбореактивным двигателем, не говоря уже о ракетном.

Вот почему самолеты вертикального взлета не выгодны для гражданской авиации. Эти экспрессы уж очень дороги в эксплуатации, так как потребляют чрезмерно много топлива при взлете. Но не только поэтому. Двигатели таких самолетов должны быть чрезмерно мощными — это тоже диктуется условиями вертикального взлета и посадки. Ведь когда самолет вертикального взлета переходит на обычный, горизонтальный полет, то подъемная сила создается уже крылом, что требует в несколько раз меньшей затраты мощности. Значит, для такого полета можно было бы использовать гораздо менее мощный двигатель, чем для взлета. К сожалению, заменить один двигатель другим в полете невозможно: хочешь не хочешь, самолет вынужден нести на себе более мощный, а значит, и более тяжелый и громоздкий, чем это необходимо, двигатель. Только когда самолет летит с очень большой скоростью, раза в два, а то и более превосходящей скорость звука, на полет расходуется вся мощность двигателя. Но длительный полет на такой скорости, в свою очередь, не выгоден из-за чрезмерно большого расхода топлива…

Следовательно, будущее турбовинтовых и турбореактивных пассажирских самолетов вертикального взлета ограничено только высокоскоростным, экспрессным сообщением. Но и это очень важно, конечно. Так что небо завтрашнего дня будут бороздить многие подобные самолеты. Вовсе не обязательно они должны походить на рассмотренные нами выше: не очень-то удобно для пассажиров, когда при взлете длинный фюзеляж расположен вертикально.

Вот почему уже создаются и испытываются пассажирские самолеты вертикального взлета и посадки других типов. Фюзеляж у них имеет обычное — горизонтальное — положение, а двигатели поворачиваются: при взлете и посадке они «смотрят» вверх, создавая подъемную силу, а в горизонтальном полете занимают обычное положение.

Конвертопланы — самолеты с поворачивающимися двигателями или винтами (по журналам «Нейшнл Эронотикс», январь 1963 г., «Интеравиа», декабрь 1960 г., и др.).

Вместо двигателей может поворачиваться целиком крыло (по журналу «Интеравиа», ноябрь 1962 г., и др.).

Уже созданы различные экспериментальные конструкции самолетов с поворачивающимися двигателями. Впрочем, самолетами их можно назвать, пожалуй, только условно, скорее это гибриды самолета и вертолета. При взлете машина напоминает вертолет, в обычном же полете — самолет. Их и называют иногда самолетами-вертолетами, или конвертопланами (конвертоплан — преобразованный летательный аппарат).

Обычно конвертопланы имеют небольшое крыло, на концах которого расположены два винта, вращающиеся в противоположные стороны. Иногда эти винты устанавливаются в специальных коротких отрезках труб большого диаметра или туннелях — это позволяет увеличить создаваемую винтами движущую силу. Винты приводятся во вращение турбовинтовыми двигателями, расположенными либо здесь же, на крыле, либо в фюзеляже, и тогда от них к винтам идут длинные передаточные валы.

Для взлета винты устанавливают так, чтобы они служили несущими, как у вертолета. Затем, уже в полете, летчик просто поворачивает их оси на 90° — винты становятся тянущими, вертолет преобразуется в самолет.

Есть конвертопланы, на крыльях которых установлены не турбовинтовые, а турбореактивные двигатели. Они так же поворачиваются после взлета, отчего конвертоплан превращается в обычный реактивный самолет.

Но, может быть, проще поворачивать не двигатели на крыле, а все крыло вместе с двигателями?

И эта возможность исследуется. Когда конвертоплан такого типа стоит на земле, его крыло повернуто так, что оно вместе с двигателями «смотрит» вверх. Только на значительной высоте крыло начинает медленно поворачиваться в горизонтальное положение. Двигатели при этом тянут самолет не только вверх, но и вперед. Наконец поворот закончен. Теперь самолет не отличишь от других, мчащихся в небе с большой скоростью..

На будущих пассажирских линиях, особенно местных, где зачастую нет больших аэродромов, будет курсировать много конвертопланов.

Можно не сомневаться, что они полюбятся пассажирам.

Но нельзя ли вообще не поворачивать ни самолет, ни его крыло, ни даже двигатели?

Оказывается, даже такая, на первый взгляд, невероятная возможность все же реальна. Ее открывают замечательные свойства несущего крыла. Правда, крыло в этом случае должно быть не простым, а специальным, высокомеханизированным.

Вернемся еще раз к физическим основам полета. Мы говорили уже о том, как влияет на подъемную силу наклонно движущейся пластины величина ее поверхности. Но, помимо поверхности, есть и другой фактор, сильно сказывающийся на величине подъемной силы, — это угол, который образует пластина к направлению движения, так называемый угол атаки. Нетрудно видеть, что с увеличением этого угла подъемная сила возрастает. Тот, кто запускал воздушный змей, хорошо это знает. Когда змей «задирается», становится круто к набегающему потоку, он рвется из рук. Внимательные наблюдатели могли заметить, как различаются положения самолета в полете и при посадке, — в последнем случае он сильно опускает хвост. Это делается именно для того, чтобы угол атаки крыла увеличился, возросла его подъемная сила, а посадочная скорость уменьшилась.

Однако увеличение угла атаки не всегда увеличивает подъемную силу. Стоит чуть-чуть превзойти этот угол, «передрать» самолет, как подъемная сила вдруг резко упадет. Предельный угол атаки называется критическим — он определяет кризис в обтекании крыла встречным потоком. Пока обтекание остается правильным и поток всюду прилегает к поверхности крыла, увеличение угла атаки приводит к тому, что поток сильнее отклоняется крылом вниз и подъемная сила растет. Но как только достигнут критический угол атаки, поток отрывается от крыла и подъемная сила резко падает. При посадке это грозит катастрофой.

Конструкторы самолетов и ученые издавна задумывались, нельзя ли увеличить подъемную силу крыла при одном и том же угле атаки? Нельзя ли искусственно задержать, отодвинуть срыв потока с крыла? Понятно, что это привело бы к уменьшению посадочной и взлетной скоростей, позволило бы уменьшить длину взлетно-посадочных полос, а также увеличить полезный груз на самолете и уменьшить потребную мощность двигателя.

Механизированное крыло.

Первым решением задачи и были «механизированные» крылья. Понятно, что крыло самолета можно считать движущейся в воздухе пластиной только условно. В действительности, конечно, оно представляет собой совсем не простую пластину, а имеет в поперечном сечении сложный профиль, так называемую авиационную дужку. От того, какой именно это профиль, очень сильно зависят аэродинамические характеристики крыла. В частности, хорошо известно, что более изогнутый профиль крыла создает и большую подъемную силу при том же угле атаки. Это и понятно — такое крыло сильнее отклоняет поток вниз. Но зато и сопротивление изогнутого крыла больше. Конечно, лучше всего было бы при взлете и посадке изгибать крыло побольше, а в горизонтальном полете с большой скоростью изогнутость уменьшать. Попытки создать такое «гибкое» крыло были, но успешными их назвать нельзя.

А что если попытаться сконструировать крыло так, чтобы оно состояло как бы из отдельных продольных частей- полос? Тогда можно было бы поворачивать эти части относительно друг друга, в результате чего общая кривизна профиля крыла изменялась бы. Так появились крылья, снабженные предкрылками и закрылками — перемещающимися частями, расположенными спереди и сзади крыла. В обычном полете эти части образуют одну поверхность с крылом, создавая сравнительно небольшую кривизну дужки, необходимую для горизонтального полета. Но вот самолет совершает посадку — предкрылки выходят из гнезд, закрылки поворачиваются, крыло становится как бы более изогнутым и — обычно — большим по площади. Такая «механизация» крыла позволила значительно улучшить взлетно-посадочные свойства самолетов. Понятно, что особенно большую роль играет механизированное крыло при создании самолетов короткого взлета и посадки, подобных «Пчелке».

Но, конечно, и «механизация» крыла не исключает срыва потока, она лишь увеличивает критический, срывной угол атаки. Аэродинамика открыла и другой высокоэффективный способ отодвинуть возникновение срыва потока. Как показали исследования, сначала отрывается от поверхности очень тонкий пограничный слой воздуха, и только за ним — весь поток. Оказывается, можно предотвратить возникновение срыва, если воздействовать на пограничный слой — отсасывать его с поверхности крыла через небольшие щели или, наоборот, выдувать через другие щели воздух под давлением.

Так можно управлять пограничным слоем на крыле. Вверху показан экспериментальный самолет «Х-21» (США) с отсасыванием пограничного слоя.

Самолеты вертикального взлета с «изгибающимся» крылом (по журналу «Микеникел инжиниринг», апрель 1962 г., и др.).

С помощью такого управления пограничным слоем можно вызвать нормальное обтекание на углах атаки, намного больших, чем критический угол обычного крыла. Правда, управление пограничным слоем не достается даром, оно требует затраты значительной мощности на сжатие или разрежение воздуха. Но, как видно, эта затрата многократно окупается, если уже не только ведутся интенсивные исследования, но и строятся экспериментальные самолеты с управлением пограничным слоем на крыле. Кстати сказать, появление вместо поршневых двигателей газотурбинных сделало перспективы управления пограничным слоем значительно более реальными. Ведь через эти двигатели протекает огромное количество воздуха, что и позволяет использовать часть его для управления пограничным слоем.

Но нельзя ли применить крыло с такой «комплексной механизацией» для создания самолетов вертикального взлета и посадки?

Ведь если бы удалось заставить поток воздуха, обтекающий крыло при взлете и посадке, отклониться прямо вниз, то есть повернуть этот поток на 90°, с горизонтального на вертикальный, то задача была бы решена! Тогда крыло создавало бы даже на стоянке самолета (при работающих двигателях) достаточную подъемную силу, чтобы уравновесить вес самолета. В этом случае не было бы необходимости поворачивать установленные на самолете двигатели или даже все крыло целиком, достаточно было бы просто изогнуть крыло так, чтобы его задняя часть оказалась направленной вертикально вниз. Конечно, при этом нужно еще заставить поток, отбрасываемый винтом, не отрываться от изогнутого в виде буквы «Г» крыла, а плавно обтекать его. Обе эти задачи и решает крыло некоторых из построенных в последнее время самолетов вертикального взлета и посадки. Можно думать, что такие самолеты найдут широкое применение в будущем, так как они представляют собой, пожалуй, наиболее простое решение проблемы вертикального взлета и посадки.

А как быть, если самолет реактивный? Ведь на нем нет винта, создающего поток, который может обтекать крыло еще при стоянке самолета.

Выходит, придется все же поворачивать либо двигатели, либо крыло вместе с двигателями?

Такой вывод был бы поспешным. Ведь если на реактивном самолете нет струи от винта, то есть струя выхлопных газов. Значит, нужно осуществить поворот этой струи, не поворачивая самого двигателя. Для этого, очевидно, достаточно устроить изгибающуюся или поворачивающуюся выхлопную трубу. Помните, как путем реверсирования реактивной струи турбореактивного двигателя удается быстро затормаживать самолет при посадке? Тот же принцип может быть использован и для создания подъемной силы с помощью реактивной струи: для этого ее нужно направить вниз, к земле. Такие самолеты вертикального взлета и посадки уже летают, испытываются в воздухе.

.Самолеты вертикального взлета е отклоняющейся реактивной струей и «реактивными закрылками» (по журналу «Флайт», апрель 1963 г., и др.).

Но, пожалуй, еще выгоднее поступить иначе — выпускать газы наружу не через обычное реактивное сопло, а через щель, идущую вдоль задней кромки крыла. Тогда при взлете поток газов, мчащихся с большой скоростью к земле, создаст нужную подъемную силу. А когда самолет взлетит, то специально сконструированные закрылки повернутся так, чтобы газы вытекали назад, как это требуется для скоростного горизонтального полета. «Реактивные закрылки» становятся все более популярными в авиации. Их значительное преимущество заключается в том, что пелена реактивных газов позади крыла улучшает его обтекание при полете с небольшими скоростями, она как бы подсасывает воздух и таким образом значительно увеличивает критический угол атаки.

Правда, система «реактивных закрылков» имеет и недостатки, связанные главным образом с тем, что горячие газы текут внутри крыла. Приходится принимать специальные меры защиты конструкции от действия высокой температуры. Предлагается иногда также в задней, отклоняющейся части крыла устанавливать целую батарею небольших турбореактивных двигателей.

Кстати сказать, установка ряда турбореактивных двигателей сравнительно небольшой тяги вместо малого числа очень мощных обладает, очевидно, и другими преимуществами. Как и в природе, в технике чрезмерно большие размеры невыгодны, когда речь идет о полете. Этот вывод основывается на очень простом законе: когда размеры увеличиваются вдвое, вес возрастает в 2³, то есть в 8 раз. Так как все поверхности при этом увеличиваются только в 2², то есть в 4 раза, то на единицу несущей поверхности придется вдвое больший вес. В природе, возможно, именно этим объясняется отсутствие комаров величиной со слона. В нашем же случае это показывает практичность двигателей малой тяги, обладающих меньшим весом на единицу тяги. Правда, существует предел, ниже которого уменьшение размеров уже невыгодно.

Самолеты вертикального взлета с раздельными двигателями для взлета и горизонтального полета (по журналу «Люфтфарттехник», июнь 1962 г., и др.).

Но если установить много маломощных двигателей, то, может быть, стоит предусмотреть, чтобы одни создавали тягу в горизонтальном полете, а другие — подъемную силу и работали только при взлете? Так и сделано в ряде построенных, а также спроектированных в Англии, США, Франции и других странах экспериментальных самолетах вертикального взлета. В числе их имеется, например, английский проект пассажирского экспресса будущего, в котором тяга и подъемная сила создаются раздельно значительным числом турбореактивных двигателей.

Мы уже знаем, как невыгодно создавать подъемную силу, отбрасывая вниз газы с большой скоростью. Вот почему возникает мысль о том, нельзя ли использовать турбореактивный двигатель только для горизонтального скоростного полета, а для взлета и посадки заменить его каким-нибудь другим устройством. Так появились проекты самолетов вертикального взлета с силовой установкой «двойного назначения». При необходимости совершить вертикальный взлет или посадку газы не выпускаются из турбореактивного двигателя назад, а направляются на турбинные лопатки, которые могут быть, например, укреплены на ободе несущего винта или вентилятора большого диаметра, установленного в фюзеляже или крыле в горизонтальной плоскости. Таким образом, становится возможным взлет при гораздо меньшей мощности двигателя и меньшем расходе топлива, чем при отклонении вниз реактивной струи газов. Можно думать, что подобные самолеты окажутся выгодными и найдут применение в будущем.

Реактивные самолеты вертикального взлета с силовой установкой «двойного назначения» (по журналу «Попюлер сайенс», ноябрь 1962 г. , и др.).

Колеоптеры. (по журналу «Эронотикс», 1958 г., и др.).

Существуют самые различные самолеты вертикального взлета и посадки, но, как видно, только крыло позволяет совместить в одном летательном аппарате эти свойства с высокой скоростью полета. Правилен ли такой вывод?

Вот взгляните еще на один летательный аппарат. Он стоит, опираясь на ноги, как уже известный нам самолет вертикального взлета. Но крыла на этот раз нет. Просто какая-то бочка на стойках. И вдруг эта бочка вздрагивает, снизу из нее вырываются раскаленные газы, она отрывается от земли и уносится в небо. На высоте в несколько десятков метров бочка круто поворачивается на бок и, продолжая с высотой набирать скорость, скрывается за горизонтом.

Что это за бочка? Как она может летать без крыла?

Ответы оказываются несколько неожиданными. Здесь тоже есть крыло, только это уже нё наклонная, а свернутая в кольцо, в трубу, пластина. Она и создает необходимую для горизонтального полета подъемную силу. Конечно, этот своеобразный самолет, который часто называют колеоптером «в честь» одного жесткокрылого жука, не похож на обычные самолеты. Во многом он уступает им. Но зато он обладает драгоценной способностью взлетать и садиться вертикально. Вдобавок и маневренность колеоптера выше, чем у обычных самолетов.

Если бы мы заглянули внутрь бочки, то увидели бы круглый фюзеляж с прозрачным носком, образующим фонарь кабины. На некотором расстоянии от фюзеляжа, концентрически относительно него, расположено кольцевое крыло, связанное с фюзеляжем несколькими радиальными стойками-поперечинами. Фюзеляж оказывается как бы вставленным внутрь кольцевого крыла. Через кольцевую щель между фюзеляжем и крылом с большой скоростью протекает встречный воздух.

«Турболет» в воздухе.

Пассажирские колеоптеры могут успешно соревноваться с другими самолетами вертикального взлета и посадки в качестве экспрессных авиатакси. На колеоптерах можно устанавливать турбовинтовой двигатель, приводящий во вращение два соосных винта внутри кольцевого крыла. Может найти применение для наиболее скоростных пассажирских перелетов и колеоптер, в задней части фюзеляжа которого установлен турбореактивный двигатель. Такие колеоптеры могут доставить пассажиров из Ленинграда в Москву меньше чем за полчаса, причем с посадкой и высадкой в самом центре города, например на крышах гостиницы «Ленинградская» в Ленинграде и гостиницы «Москва» в Москве.

Еще большей скоростью обладают реактивные колеоптеры, на которых, помимо турбореактивного двигателя, установленного в задней части фюзеляжа, имеется и прямоточный воздушно-реактивный двигатель. Газовоздушный тракт этого двигателя образуется кольцевым воздушным пространством между фюзеляжем и крылом. Так как прямоточный двигатель при стоянке тяги не создает, то колеоптер взлетает с помощью турбореактивного. Только на значительной высоте, когда достигнута большая скорость, включается прямоточный двигатель. Через топливные форсунки, установленные по окружности у середины крыла, впрыскивается бензин. Бензовоздушная смесь поджигается электрической искрой — и вот уже в кольцевом канале бушует огненный ураган. Тяга сразу возрастает, и колеоптер резко увеличивает скорость. Истребители такого типа могут развивать скорость до трех-четырех тысяч километров в час.

Наиболее ответственными и трудными для любого аппарата вертикального взлета и посадки являются именно эти моменты — взлет и посадка.

Ничтожно малая скорость движения делает его крайне неустойчивым, а обычные аэродинамические рули оказываются в этих условиях неэффективными. Любой порыв ветра может стать роковым для вертикально движущегося самолета. Если не будут найдены новые способы обеспечения устойчивости и управляемости самолета при вертикальном взлете, то создание таких самолетов станет бессмысленным.

Французский «турболет» — «Летающий Атар».

К сожалению, опыт авиации мало чем может помочь тут, полезнее оказывается опыт запуска ракет. Ведь когда взлетает ракета, ее аэродинамические рули тоже оказываются неэффективными, и управлять приходится с помощью иных средств. Иногда поэтому ракеты вообще не имеют аэродинамических рулей и даже стабилизаторов. На активном участке полета ракет используют поворот двигателя на небольшой угол или в струю вытекающих газов помещают специальные рули из жароупорного материала, обычно графита. После остановки двигателя ракета управляется с помощью струй газов или пара, вытекающих в боковых направлениях из корпуса ракеты.

Те же способы должны быть, очевидно, использованы и для управления вертикально взлетающим самолетом. Конечно, поворот оси двигателя в этом случае вряд ли возможен, но отклонение реактивной струи может оказаться весьма эффективным средством. Точно так же могут быть использованы специальные боковые сопла, через которые будут вытекать струи газов, заставляющие самолет поворачиваться в нужном направлении.

Но одно дело теоретические предположения, другое — проверка их на практике и выбор наилучшей схемы управления. Вот почему сейчас в ряде стран построены и строятся экспериментальные летательные аппараты вертикального взлета специально для отработки самого процесса взлета и посадки и проверки различных методов управления.

Вот, например, аппарат, похожий на повисший в воздухе мостовой кран. Четыре длинные решетчатые фермы, расположенные в виде креста, четыре вертикальные ноги с небольшими колесами, застекленная кабина для «крановщика». В центре этого «футуристического» сооружения — довольно длинная вертикальная труба большого диаметра. В ней-весь секрет загадочного парения «крана». Это — турбореактивный двигатель. Весь же странный аппарат — советский «турболет», созданный коллективом конструкторов во главе с А. Н. Рафаэлянцем. Чтобы управлять турболетом, в струе газов, вытекающих из двигателя, установлены рули. Для управления служат и рули, установленные на концах всех ферм. Эти рули представляют собой небольшие сопла, через которые с высокой скоростью может вытекать сжатый воздух, отводимый из компрессора двигателя. Сила реакции вытекающей струи заставляет турболет поворачиваться в нужном направлении.

Конечно, не сразу удалось выпустить в свободный полет этого невиданного «зверя». Сначала его посадили на цепь и позволяли ему лишь немного подпрыгивать. Только после того как необычную систему управления изучил и освоил «летчик», аппарат был освобожден от пут и отправился в самостоятельный полет.

Аналогичный французский экспериментальный летательный аппарат, названный «Летающим Атаром», представляет собой длинную трубу, на верху которой поместилась кабина «летчика». Внутри трубы — турбореактивный двигатель «Атар», баки с топливом и необходимое вспомогательное оборудование. Этот летающий двигатель служил прообразом аппарата типа колеоптера, который создан на его основе.

Все опыты и поиски, которые должны привести к созданию пассажирских самолетов, сочетающих огромную скорость со способностью совершать вертикальные взлет и посадку, дадут и еще один замечательный результат.

В начале этой главы рассказывалось об автомобиле-вертолете. Как ни хороша эта машина, несущие винты большого диаметра не служат ее украшением, когда она движется по улицам города. Так ли уж они необходимы?-¦

… Вы мчитесь в автомашине по широкой ленте загородного шоссе. Машина — новой марки, ее показывает вам товарищ, работающий в научно-исследовательском институте автомобильной промышленности. С виду она мало чем отличается от обычных автомашин. Но вот совершенно неожиданно для вас машина взмывает в воздух. Да, ошибки нет, вот уже уплывает в сторону шоссе, автомобиль проносится над верхушками деревьев у обочины, перемахивает через высокие здания поселка. Спустя минут десять — пятнадцать автомашина так же плавно снижается и бесшумно садится на асфальтированную просеку в лесу. И снова вы мчитесь по дороге…

Устройство машины довольно просто. Спереди, под капотом, у нее установлен обычный автомобильный двигатель воздушного охлаждения. Когда машина едет по земле, двигатель вращает ее колеса. Но вот нажата кнопка управления с надписью «взлет». Сейчас же срабатывает электропневматическая муфта сцепления, и связь двигателя с колесами прерывается. Зато вал двигателя соединяется особой передачей с двумя соосными винтами, расположенными горизонтально один над другим под кабиной автомобиля. В некоторых моделях эти винты расположены рядом друг с другом. В общем это напоминает вертолеты с двумя несущими винтами, которые тоже могут устанавливаться то на одной оси, то рядом. Да и по конструкций винты автомобиля очень похожи на несущие винты вертолета, но только они значительно меньше и вращаются быстрее. Роль их та же, что и несущих винтов вертолета, — поднимать машину в воздух. Конечно, делают они это не так эффективно, как большие винты, но в данном случае гораздо важнее малые размеры, чем грузоподъемность.

Этот своеобразный автомобиль, по существу, не летает, он передвигается на воздушной подушке, не отрываясь от земли более чем на десятки сантиметров. Советский автолет «Вихрь» (газета «Правда», 18 февраля 1963 г.).

Винты засасывают воздух через капот машины, по пути воздух охлаждает двигатель, а затем меняет свое направление и отбрасывается вниз. Реактивная сила поднимает легкую машину, изготовленную из прочной пластмассы.

Не вздумайте, однако, спутать этот автомобиль-реактолет с другими автомобилями, в которых тоже имеются винты-вентиляторы, отбрасывающие воздух под машину, но уже не способные поднять ее высоко в воздух. Такие автомобили-автолеты иногда называют поэтому обидным термином «низколеты» или даже «ползолеты» — они действительно как бы ползут над земной или водной поверхностью, отрываясь от нее на небольшое расстояние, не более долей метра.

Принцип создания подъемной силы у этих автомобилей и судов совсем иной — их вентиляторы, нагнетая воздух под машину, создают там своеобразную воздушную подушку, на которую и опирается машина. Вот почему все подобные автомобили и суда правильнее называть именно аппаратами на воздушной подушке. Таким аппаратам, предложенным впервые Циолковским, принадлежит большое будущее на суше и на воде, но все же это не авиация. Рожденный ползать — летать не может…

Английский автолет «Кушенкрафт» (по журналу «Интеравиа», июль 1960 г.).

В нашем летающем автомобиле-реактолете вентиляторы отбрасывают настолько сильную струю воздуха, что ее реакция уже становится равной и даже большей веса машины. Именно поэтому она взмывает в воздух как вертолет. Да и весь дальнейший полет совершается почти так же, как и на вертолете, который управляется винтами. Наклон оси винтов в какую-либо сторону приводит к тому, что воздух отбрасывается уже не только вниз, но и в сторону. Это заставляет автомобиль-реактолет лететь в нужном направлении — даже назад или в сторону.

При движении машины с большой скоростью по земле винты свободно вращаются, или, как говорят в авиации, авторотируют. Это увеличивает устойчивость машины, она идет плавно, без толчков — винты действуют как своеобразные маховики-жироскопы. Машине не страшны глубокие овраги, разлившиеся реки, разрушенные мосты и другие непреодолимые для обычных автомобилей преграды.

Первые летающие автомобили уже проектируются, а некоторые и строятся. Наиболее простые модели уже даже летают. Правда, их с большим правом можно было бы назвать летающими мотоциклами. Они рассчитаны на одного человека, да и кабины не имеют, так что водитель обдувается всеми ветрами, как и положено настоящему мотоциклисту. У таких аппаратов обычно очень небольшие размеры. Они представляют собой, по существу, винты с двигателями мотоциклетного типа. Над моторчиком на решетке стоит «летчик». Недаром эти сооружения называют иногда «летающими сковородками»!

Летающие автомобили (по журналам «Америкен авиэйшн» и «Интеравиа», 1957–1962 гг.).

Но можно создать по тому же принципу и «летающие грузовики», способные поднять огромный груз. По одному из проектов на «грузовике» должны быть установлены четыре пары винтов, расположенные по сторонам центрального грузового отсека. Правда, ездить по улицам на подобной махине, вероятно, не очень просто, зато какие удобства представит такой летающий кран!

Тысячи и тысячи летающих автомобилей разных типов поднимутся в небо завтрашнего дня. Они будут мчаться в разных направлениях, парить на одном месте, садиться на землю для того, чтобы стать обычным автомобилем, и даже плыть по рекам и озерам, превратившись в универсальную амфибию, для которой и суша, и вода, и воздух — родная стихия.

Но все эти летательные аппараты будут, конечно, обладать малой скоростью. По-прежнему там, где потребуется скорость, близкая к звуковой, придется, очевидно, использовать самолеты.

Так ли это?

«Летающие сковородки» и «летающие мотоциклы» (по журналам «Америкен авиэйшн» и «Интеравиа», 1957–1962 гг.).

«Летающие грузовики» (по журналу «Интеравиа», 1961 г.).

Нет, не так. Мы уже не говорим о баллистических пассажирских ракетах, описанных выше. Но даже в тех случаях, когда понадобится длительный скоростной полет в атмосфере на небольших высотах, то есть когда необходимо создание подъемной силы, отличающей аэродинамический полет от баллистического, с успехом могут применяться летательные аппараты без крыла.

… Москва. В центре города сооружен… аэропорт. Для него не пришлось сносить многочисленные здания, освобождая огромную площадь, которую пересекали бы во всех направлениях бетонные ленты взлетно-посадочных полос. Это — аэропорт новой, «безаэродромной» авиации. И, хотя в аэропорту одновременно могут совершать посадку и взлетать несколько многоместных пассажирских лайнеров, он имеет совсем небольшие размеры. Им стала хорошо известная «стрелка» Москвы-реки, то место, где сейчас находится старейшая гребная станция. Для устройства аэропорта не пришлось сносить даже эту станцию. Над рекой и близлежащими участками суши на железобетонных сваях-опорах поднята «территория» аэропорта.

Заканчивается посадка пассажиров в экспресс Москва — Гавана. Огромное тело экспресса напоминает чудовищную рыбу, выброшенную на берег и бессильно распластавшуюся там. Сколько ни рассматривай этот лайнер, признака крыльев не обнаружишь. Нет и привычного хвостового оперения. Но нет и несущих винтов, по которым мы могли бы узнать вертолет. Что же это за летательный аппарат?

Посадка пассажиров закончена. Члены экипажа занимают свои места. Минутная стрелка, движущаяся по огромному циферблату часов, проецируемому на небосвод, совпала с красной чертой. Бесшумно, почти незаметно корабль оторвался от своего ложа и стал вертикально подниматься. Только невидимый вихрь погнал по бетонному полю аэропорта клочки бумаги. Но вот и он стих — корабль уже высоко. Продолжая подъем, так же плавно он начал лететь вперед. Все дальше и дальше. И вот он скрывается за горизонтом…

Бескрылый летательный аппарат (по проекту австрийского конструктора Липпиша).

Судя по всему, корабль подняла сила, создаваемая реактивными двигателями. Мы уже знаем, как это делается. Но что поддерживает его в горизонтальном полете, если нет ни крыла, ни несущих винтов? Все та же сила турбореактивных двигателей. Правда, и сам корпус корабля создает довольно значительную подъемную силу при тех скоростях, с которыми совершается этот полет. Недостающая же подъемная сила создается реактивными струями. Они чуть-чуть отклоняются от своего движения назад. Но даже незначительного отклонения струй вниз достаточно, чтобы образовать нужную подъемную силу. При взлете же и посадке газы вытекают только вниз.

В аэропортах завтрашнего дня, вероятно, можно будет увидеть и другие летательные аппараты, основанные на том же принципе. Так, например, предлагаются для этой цели настоящие летающие… блюдца! Это будут диски с кабиной в центре и с кольцевой пеленой газов, вытекающих снизу по окружности диска. На этом диске устанавливается турбореактивный двигатель или несколько таких двигателей, газы из которых при взлете вытекают прямо вниз, а в полете — назад; поворот газовых струй происходит с помощью направляющих лопаток. Форма аппарата представляет ряд преимуществ в аэродинамическом отношении.

В небе будущего можно будет увидеть и такие «летающие блюдца».

Кстати сказать, впервые в истории авиации самолет с крылом такой формы был построен у нас в стране конструктором-изобретателем А. Г. Уфимцевым еще в 1909–1910 годах. Он назвал его сферопланом. Спустя 40 лет у нас же был построен экспериментальный планер, а недавно — второй, усовершенствованный его вариант с подобным круглым крылом. Конструктор, кандидат технических наук М. В. Суханов, назвал свой планер «дископланом» 18*. Диаметр крыла этого одноместного легкого планера равен 5 метрам, полетный вес — 240 килограммам. Планер показал очень хорошие летные качества.

Ка-22, многоцелевой транспортный винтокрыл

Новости

Политика и общество

Техника и вооружение

Силовые структуры

Сотрудничество

Наука и производство

Диверсификация предприятий ОПК

Выставки и конференции

Безопасность

Гражданская авиация

Космос

Оружие мира

История

Мнения

Политика и общество

Техника и вооружение

Силовые структуры

Сотрудничество

Наука и производство

Безопасность

Оружие мира

История

Мероприятия

MILEX — 2023

Календарь мероприятий

Архив мероприятий

Блоги

Политика и общество

Техника и вооружение

Силовые структуры

Сотрудничество

Наука и производство

Безопасность

Оружие мира

История

Вооружение

О проекте

Образцы

Участники

Добавить компанию

Каталоги ОДКБ

О проекте

Вооружение и военная техника вооруженных сил

Вооружение и техника полиции и антитеррористических служб том2

Наземные средства сил общего назначения

Изданные каталоги

Видео

Галерея

Фоторепортаж

Вооружение и военная техника

Космос

Гражданская техника

Соревнования

Учения и спецмероприятия

Мероприятия

Инфографика

Агентство

Об агентстве

Персоналии

Руководство

Продукты и услуги

Наши партнеры

Контактная информация

Условия использования фотографий

Баннеры и логотипы

Форум НСБ «Безопасная столица»

18 — 20 октября 2022 года, г. Москва

INTERPOLITEX — 2022

18 — 20 октября 2022 года, Россия, г. Москва

«Новые технологии ОПК в тушении лесных пожаров»

18 — 20 октября 2022 года, г. Москва

ИНТЕРПОЛИТЕХ: «АНТИТЕРРОР — КОМПЛЕКСНЫЙ ПОДХОД «

Компания участник: Камов КБ, АО

Фото из книги ОКБ Н.И. Камова. 100-летию со дня рождения конструктора винтокрылых летательных аппаратов посвящается. Сост. В.А. Касьяников, Г.И. Кузнецов, Е.Г. Пак, под общей редакцией С.В. Михеева. М., Polygon-Press, — 2001 г.

Винтокрыл Ка-22 был разработан ОКБ им. Камова в начале 60-х годов ХХ века. В НАТО получил кодовое название «Обруч». В конструкции вертолета применены два несущих винта и два турбовинтовых двигателя, выдающих суммарную мощность в 5900 л.с., взлетная масса винтокрыла составляла 37 тонн.

07 ноября 1961 г. на винтокрыле Ка-22 установили мировой рекорд по скорости полета. Параметр достиг 356,3 км/час и не побит до сегодня. Руководил полетом в этот день Д. К. Ефремов.

История создания

Во время холодной войны Вооруженные Силы СССР требовали пополнить свой арсенал летательным аппаратом, способным быстро перемещать оперативно-тактические баллистические ракеты и пусковые установки в местность, недоступную для посадки самолетов.

Руководство Союза поручило начать проектирование таких летательных аппаратов сразу двум конструкторским бюро: КБ им. Миля и КБ им. Камова. Милевское бюро разрабатывало вертолет Ми-6 на базе одновинтовой схемы с одним несущим центральным винтом и одним хвостовым. КБ имени Николая Камова решилось спроектировать совершенно новый тип летательных устройств с фюзеляжем самолета Ли-2 и несущими винтами, которые размещались на крыльях. Одобрение этого проекта от правительства СССР было получено в 1954 году. Уточнение летно-технических характеристик состоялось в 1956 году. В частности, новый винтокрыл должен был транспортировать груз массой до 5000 кг на дальность полета около 700 км, 4000 кг – около 1500 км и при этом иметь максимальную скорость в пределах 350-400 км/час.

Статические испытания Ка-22 начались в ЦАГИ в начале 1957 года. Первый экземпляр для летных испытаний собрали на авиазаводе № 938 и направили на летно-испытательную площадку ОКБ им. Камова в 1958 году. Прежде чем поднять винтокрыл в воздух, пришлось существенно его дорабатывать, поэтому первый полет пришлось на некоторое время отложить. Первые испытания в свободном висении начались в начале лета 1959 года.

Полноценный первый полет винтокрыла Ка-22, в котором приняли участие пилоты Д. К. Ефремов и В. М. Евдокимов, бортмеханик Е. И. Филатов, ведущий инженер В. Б. Альперович и экспериментатор Ю.И. Емельянов, состоялся 20.04.1961. Этот полет отметился аварийной ситуацией: из-за флаттера несущих винтов от левого винта оторвался полутораметровый кусок лопасти. Благодаря профессиональным действиям экипажа Ка-22 с трудом удалось посадить в режиме аварийной посадки.

Во время испытаний выходили наружу мелкие огрехи: постоянно приходилось делать замену двигателей и редукторов, менять положение лопастей несущих винтов. Первый полет со скоростью 200 км/час на высоте 1000 м был совершен летчиком-испытателем Гарнаевым Ю. А. 23.09.1961.

24.10.1961 – на винтокрыле Ка-22 установили мировой рекорд по грузоподъемности. Груз массой 16,485 т поднят на высоту 2557 м.

28.08.1962 – проводя промежуточную посадку на аэродроме Джусалы, перегоняя винтокрыл из Ташкента в столицу СССР, Ка-22 (номер 01-01) потерпел крушение. Экипаж в числе семи человек погиб на месте. Это были те же самые люди, что впервые подняли этот винтокрыл в воздух. Как выяснила следственная комиссия, катастрофу вызвал разрыв троса в конструкции системы управления.

Спустя 2 года, 16.07.1964, во время проведения летных испытаний в авиакатастрофу попал еще один экземпляр Ка-22 (номер 01-03). Выполняя разворот в правую сторону, летательный аппарат вошел в крутое пике. Экипаж всеми силами пытался выровнять винтокрыл, но их попытки не закончились успехом. Во время падения у 01-03 оторвалась правая мотогондола, после чего винтокрыл в воздухе стал рассыпаться на части. Погибли 2 человека: техник А.П. Рогов и пилот С. Г. Бровцев.

Неустойчивость во время полета, большой риск возникновения аварийных ситуаций, сложность и иногда непредсказуемость в управлении – суммарно эти факторы не позволили серийно производить Ка-22. В итоге конструкторскую дуэль на госзаказ выиграл милевский вертолет. Из четырех произведенных машин на данный момент не уцелела ни одна: две сгорели в авиакатастрофах, две направлены на утилизацию. Последний экземпляр винтокрыла Ка-22 порезали на Ташкентском авиазаводе в конце 90-х.

Проектирование винтокрылов после столь неудачных разработок Ка-22 в данной сфере надолго было закрыто. Лишь в 1972 г. КБ им. Миля представил проект винтокрыла Ми-30, который, в отличие от Ка-22, имел пару поворотных винтов в конструкции.

Особенности Ка-22

В состав несущей системы входят крылья с двумя несущими винтами на их концах. Полет на малой скорости и вертолетная вертикальная посадка обеспечивались работой несущих винтов, которые производили необходимую тягу. Закрылки Ка-22 во время медленного полета и посадки поворачиваются вертикально на 90° с целью минимизации потери тяги в результате обдувки крыльев винтами. Чем выше скорость летательного аппарата, тем больше нагрузки в производстве подъемной силы ложится на крылья. Так, на максимальных скоростях за счет крыльев вырабатывается около 90 % подъемной силы винтокрыла.

Именно за счет такой особенности Ка-22 и подобные ему по конструкции летательные аппараты, по сравнению с вертолетами, могут развивать скорость больше в абсолютном значении. Ка-22 достиг предела скорости на испытаниях в 370 км/час. На больших скоростях выполняется разгрузка работы несущих винтов, что тоже выводит винтокрылы вперед своих соперников.

В системе управления можно найти как самолетные, так и вертолетные элементы. Циклическое изменение угла установки лопастей винтов и отклонение самолетного руля высоты характеризует продольное управление. Поперечное управление обеспечивается отклонением элеронов, изменением общего шага несущих винтов. Путевое управление – за счет отклонения рычага управления и дифференциального изменения шага правого и левого несущих винтов.

Также на винтокрыле присутствует система управления (СУ) режимами работы двигателей, СУ общим шагом винтов, автоматическая гидравлическая СУ шагом тяговых винтов, за счет которой происходит переход мощности с несущих винтов на тяговые с увеличением скорости полета.

В кабине экипажа присутствуют такие органы управления: штурвал, педали, сектор газа и рычаг общего газа. Рычаги системой жесткой проводки соединены с золотниками гидроусилителей, которые воздействуют на органы управления Ка-22. Можно с уверенностью сказать, что пилотировать винтокрыл тяжелее, чем самолет или вертолет. Создание конструкторами такой тяжелой схемы управления требовало разработки тренажера для летчиков-испытателей. Хоть такой тренажер в камовском бюро был создан, проект из-за многих недоработок и двух крушений Ка-22 пришлось закрыть, серийное производство этой модели так и не началось.

Ка-22 стал базовой моделью для разработки тяжелых грузовых винтокрылов:

• Ка-34 − имеет поперечную схему конструкции и 4 газотурбинных двигателя, работающих с соосными несущими винтами;

• Ка-35 – имеет подъемные несущие винты и маршевые турбореактивные двигатели.

При написании материала использовались данные открытых интернет-источников: 

1. Материалы сайта Википедии — свободной энциклопедии. 

2. Материалы сайта AVIA.PRO, публикация «Вертолет Ка-10. Фото. История. Характеристики». 

3. Материалы издания «Военное обозрение», статья «Первый серийный вертолёт Николая Камова».  

4. Материалы издания «Военное обозрение», статья «Военно-транспортный самолет Ли-2». 

5. Материалы издания «Военная техника. Вооружение России и мира» публикация «Ка-22 (Проект «X») — советский винтокрыл». 

6. Материала сайта авиационной исиории. 

7. Сайт авиационной истории, публикация «Катастрофа винтокрыла Ка-22 под Джусалами», автор, Владимир Баршевский. 

8. Материалы сайта авиационной энциклопедии « Уголок неба». 

Технические характеристики

Модификация	Ка-22
Размах крыла, м	23.80
Диаметр главного винта, м	22.50
Диаметр хвостового винта, м	Длина: 26. 97
Диаметр хвостового винта, м	Высота: 10.04
Диаметр хвостового винта, м	Площадь крыла, м2: 105.00
Масса, кг	пустого: 25840
Масса, кг	нормальная взлетная: 37500
Масса, кг	максимальная взлетная: 42500
Масса топлива, кг	6000
Тип двигателя	2 ГТД Д-25ВК
Мощность, кВт	2 х 4101
Максимальная скорость, км/ч	370
Крейсерская скорость, км/ч	316
Практическая дальность, км	1100
Практический потолок, м	4250
Статический потолок, м	3500
Экипаж, чел	5
Полезная нагрузка:	максимальный перевозимый груз — 16500 кг
Полезная нагрузка:	нормальный десантный груз — 5000 кг
Длина разбега:	800 м

Видео

Теги: Ка-22, многоцелевой транспортный винтокрыл

Поля, обязательные для заполнения

Контактное лицо

Телефон

Сообщение

Этот сайт защищен reCAPTCHA, и к нему применяются Политика конфиденциальности и Условия использования услуг Google.

Блоги

Александр Храмчихин

В военном конфликте с Китаем у Японии будет очень мало шансов

Китай и Япония многократно воевали между собой, причем особенно интенсивно в последние полтора века. Как правило, агресс…

Юрий Иванов

В Тверской области подняли останки более 480 красноармейцев

22 сентября у Ржевского мемориала Советскому солдату состоялось закрытие международной военно-исторической экспедиции «Р. ..

Виктор Мураховский

Новый «Ростех»

Военная отрасль может сделать российскую экономику успешнее

Александр Храмчихин

Китайская бронетехника выходит на мировой уровень

Усердный подражатель догоняет учителей

Видео дня

Военная приёмка «Восток-2022»

Фоторепортаж

Росатом установил корпус реактора ВВЭР-1200 на втором энергоблоке АЭС «Аккую»

Интервью

Евгений Коган: либерализация экономики поможет ответить на жесткие вызовы

Политика и общество

Евгений Коган: либерализация экономики поможет ответить на жесткие вызовы

Алексей Баров: недостатка в зарубежных товарах в России сейчас нет

Оборудование Ростеха освещает речные пути в арктической зоне Якутии

Евгений Петров: нет таких полезных ископаемых, которые нельзя найти в России

Все материалы

Техника и вооружение

ЭМЗ им. Мясищева модернизирует воздушные командные пункты Ил-22М11

В Тикси завершается ремонт взлётно-посадочной полосы

В МАИ создали усовершенствованный одноместный учебный планер

Перешедшие на ТОФ АПЛ «Князь Олег» и «Новосибирск» прибыли в пункт постоянной дислокации

Все материалы

Силовые структуры

Корабли ВМФ России и ВМС Китая проводят совместное патрулирование в Тихом океане

АПЛ «Омск» и «Новосибирск» в Чукотском море выпустили ракеты по кораблям «противника»

Силы Балтийского флота вышли в море для испытания двух подлодок

Севмаш отобрал команду для VII корпоративного чемпионата профмастерства

Все материалы

Сотрудничество

ЦНИИточмаш поставил иностранному заказчику патроны для подводных автоматов

Более 200 российских военнослужащих примут участие в учениях ОДКБ в Казахстане

Россия и Китай договорились о взаимодействии министерств обороны

Ростех передал первый медицинский «Ансат» в Зимбабве

Все материалы

Наука и производство

Ростех создал машину для буро-взрывных работ

Состоялась церемония спуска на воду краболовного судна «Дмитрий Коноплев»

Стартовали продажи коллиматорного прицела «Калашников RDS-CC»

Второй МС-21-310 готовится к перелёту в Жуковский

Все материалы

Диверсификация предприятий ОПК

«Калашников» разработал новый гибридный станок

Новикомбанк наращивает поддержку проектов по диверсификации

Объем производства концерна «Калашников» с начала 2022 года вырос в среднем на 15%

Красные «муравьи» из Коврова покорили туляков

Все материалы

Выставки и конференции

«Рособоронэкспорт» представит российскую продукцию на выставке AAD 2022 в Южной Африке

Открыта регистрация посетителей выставки «Интерполитех – 2022»

Новейшие разработки в сфере робототехники и искусственного интеллекта

ЦИФРОВАЯ ТРАНСФОРМАЦИЯ ПРОИЗВОДСТВА КАК ОСНОВА СУВЕРЕНИТЕТА ТЕХНОЛОГИЙ

Все материалы

Безопасность

Российское предприятие запустило производство оружейных сейфов европейской сертификации

Григорий Пащенко: расширение для браузера может оказаться инструментом, созданным злоумышленниками

Ростех разработал цифровую платформу для точного земледелия

Ростех выпустил приложение для IP-телефонии и чатов на мобильных устройствах на «Авроре»

Все материалы

Гражданская авиация

Ростех передал два вертолета для первого межрегионального лесопожарного центра

Специалисты СибНИА провели частотные испытания самолёта МС-21

Корпорация «Иркут», авиакомпания «Аврора» и ГТЛК определили условия поставки SSJ-NEW

Аэрофлот и ОАК подписали соглашение о поставке 339 самолетов в ближайшие 7 лет

Все материалы

Космос

РКС завершили создание российской спутниковой аппаратуры для глобального мониторинга судоходства

Новый портал Роскосмоса расскажет о видимых из космоса изменениях в России и мире

Разработки Ростеха применены в иранском спутнике «Хайям»

РКС создают новое поколение сканирующих устройств для спутников серии «Метеор»

Все материалы

Оружие мира

Армия Таиланда может принять на вооружение российские машины спецназа

Россия исполняет контракт на поставку в Уганду боевых вертолетов Ми-28НЭ

В Северном флоте РФ сообщили, что ответят на возрастание военной активности НАТО в Арктике

Россия усилит группировку войск на финской границе

Все материалы

История

В Тверской области открылась экспедиция «Ржев. Калининский фронт»

У Ржевского мемориала дан старт Слету часовых Постов Памяти Тверской области

Максим Ксензов: качественных военно-патриотических фильмов должно быть как можно больше

ЦАГИ – полёТу: самолет для рекордов дальности – АНТ-25

Все материалы

Выставки по безопасности

XXVI Международная выставка средств обеспечения безопасности государства «INTERPOLITEX — 2022»

Форум негосударственной сферы безопасности «Безопасная столица»

2-й Международный форум цифровой трансформации безопасности государства «ЦИФРОТЕХ»

Say Future: Moscow

Международный форум «МАШИНОСТРОЕНИЕ: СТРАТЕГИИ И ТЕХНОЛОГИИ»

Форум «Квантотех»

Третья научно-практическая конференция «Новые технологии оборонно-промышленного комплекса в тушении лесных пожаров»

Государственные органы Государственные компании Организации СМИ

МВД России

ФСБ России

МЧС России

ФСВТС России

Минобороны России

ФГУП «Рособоронэкспорт»

Голицынский пограничный институт

Ростехнологии

ФКУ «НПО «СТиС» МВД России

Союз машиностроителей

ООО «ОВК» БИЗОН»

ФГБУ «Связист»

РИА Новости

Хранитель, журнал

Национальный авиационный журнал «Крылья Родины»

ИА «Росинформбюро»

Независимая газета

Журнал RUБЕЖ

ИТАР-ТАСС

Интернет-портал по безопасности SECANDSAFE. RU

«На Страже Родины.ru». Правда о войне!

Трансивер.ру

ООО «Издательство «Безопасность труда и жизни»

Вооружен.рф

Ohrana.ru

Специализированный журнал «Безопасность»

Журнал «Мир и безопасность»

Журнал «Точка опоры»

Журнал «Новый оборонный заказ. Стратегии»

Аналитическое издание «Советник президента»

«Наука и техника» — журнал для молодежи

Издательский дом «Бедретдинов и Ко»

Военно-промышленный курьер

Ракетная техника

Журнал «Арсенал Отечества»

Новостной портал History News

Журнал «Частный охранник»

Общественная организация «Безопасное отечество»

Интернет-портал «Командир роты»

Журнал «Международная жизнь»

Журнал «Мир безопасности»

Информационный портал Оборона. Ру

ТК «Оружие»

Журнал «Национальная оборона»

Телеканал «Звезда»

Центр анализа мировой торговли оружием

Авиационно-космический журнал «Авиапанорама»

Российское информационное агентство «Ветеранские вести»

АВИАЦИЯ • Большая российская энциклопедия

АВИА́ЦИЯ (франц. aviation, от лат. avis – пти­ца), ши­ро­кое по­ня­тие, свя­зан­ное с по­лё­та­ми в ат­мо­сфе­ре ап­па­ра­тов тя­же­лее воз­ду­ха. А. вклю­ча­ет в се­бя тех­нич. сред­ст­ва и лич­ный со­став, функ­цио­ни­ру­ет в рам­ках сло­жив­ших­ся ор­га­ни­зац. струк­тур и опи­ра­ет­ся на спец. от­рас­ли зна­ний. К тех­нич. сред­ст­вам на­ря­ду с ЛА (летательные аппараты, в осн. са­мо­лё­ты и вер­то­лё­ты) от­но­сят­ся так­же на­зем­ные тех­нич. сред­ст­ва, обес­пе­чи­ваю­щие под­го­тов­ку ЛА к по­лё­ту и вы­пол­не­ние по­лёт­но­го за­да­ния. Соз­да­ние авиац. тех­ни­ки воз­ло­же­но на авиац. пром-сть, а так­же на от­рас­ли ин­ду­ст­рии со­от­вет­ст­вую­ще­го про­фи­ля (из­го­то­в­ля­ю­щие ави­ац. ма­те­ри­а­лы, топ­ли­во, ра­дио- и све­то­тех­нич. обо­ру­до­ва­ние и др.). Лич­ный со­став А. объ­е­ди­ня­ет лёт­ный со­став и спе­циа­ли­стов, свя­зан­ных с тех­нич. об­слу­жи­ва­ни­ем авиац. тех­ни­ки. Экс­плуа­та­цию ЛА обес­пе­чи­ва­ют се­ти аэро­пор­тов (аэро­дро­мов), цен­тров и пунк­тов управ­ле­ния воз­душ­ным дви­же­ни­ем и др. служ­бы. Авиац. нау­ка ба­зи­ру­ет­ся на дос­ти­же­ни­ях аэ­ро­ди­на­ми­ки, га­зо­вой ди­на­ми­ки, ме­ха­ни­ки по­лё­та, аэ­ро­на­ви­га­ции, тео­рии ав­то­ма­тич. ре­гу­ли­ро­ва­ния, стро­ит. ме­ха­ни­ки, ма­те­риа­ло­ве­де­ния, аку­сти­ки, эр­го­но­ми­ки и др. на­ук.

В со­от­вет­ст­вии с на­зна­че­ни­ем раз­лича­ют гра­ж­дан­скую, го­су­дар­ст­вен­ную и экс­пе­ри­мен­таль­ную А. Гра­ж­дан­скую авиа­цию под­раз­де­ля­ют на ком­мер­че­скую, ко­то­рая вы­пол­ня­ет пе­ре­воз­ки пас­са­жи­ров, ба­га­жа, гру­зов, поч­ты и др. авиац. ра­бо­ты за пла­ту, и А. об­ще­го на­зна­че­ния. В ря­де го­су­дарств к А. об­щего на­зна­че­ния от­но­сят ад­ми­ни­ст­ра­тив­ные, лич­ные, спор­тив­ные, с.-х. и др. са­мо­лё­ты и вер­то­лё­ты. Ос­но­ву пар­ка ЛА гра­ж­дан­ской А. со­став­ля­ют ма­ги­ст­раль­ные и ре­гио­наль­ные пас­са­жир­ские и гру­зо­вые са­мо­лё­ты. Гос. А. ре­ша­ет за­да­чи во­ен­ной, ми­ли­цей­ской, та­мо­жен­ной и др. гос. служб. Во­ен. А. – со­став­ная часть воо­руж. сил го­су­дарств. Её на­зна­че­ние – на­но­сить уда­ры по на­зем­ным це­лям, вес­ти борь­бу с воз­душ­ным и мор­ским про­тив­ни­ком, осу­ще­ст­в­лять воз­душ­ные пе­ре­бро­ски войск, воо­ру­же­ний и во­ен. тех­ни­ки, про­во­дить воз­душ­ную раз­вед­ку и др. Во­ен. А. круп­ных го­су­дарств, как пра­ви­ло, вклю­ча­ет в се­бя во­ен­но-воз­душ­ные си­лы, а так­же ар­мей­скую и мор­скую авиа­цию. Экс­пе­риментальная А. ис­поль­зу­ет­ся для про­ве­де­ния н.-и. ра­бот, ис­пы­та­ний авиац. и др. тех­ни­ки.

Начальный период развития авиации

Пер­вые по­пыт­ки че­ло­ве­ка ле­тать са­мо­му с по­мо­щью ис­кусств. крыль­ев ос­но­вы­ва­лись на под­ра­жа­нии по­лё­ту птиц. В ру­ко­пи­сях Ле­о­нар­до да Вин­чи (1475) при­ве­де­ны ри­сун­ки двух ле­тат. ма­шин с мус­куль­ным при­во­дом, од­на из ко­то­рых как бы «ввин­чи­ва­ет­ся» в воз­дух с по­мо­щью ар­хи­ме­до­ва вин­та (от­да­лён­ный про­об­раз вер­то­лё­та), а дру­гая ис­поль­зу­ет для по­лё­та ма­шу­щие кры­лья. Идею вер­то­лё­та раз­ра­бо­тал и экс­пе­ри­мен­таль­но обос­но­вал М. В. Ло­мо­но­сов, ко­то­рый в 1754 про­де­мон­ст­ри­ро­вал мо­дель «аэ­ро­дро­ми­че­ской ма­ши­ны», два не­су­щих ло­па­ст­ных вин­та ко­то­рой име­ли пру­жин­ный при­вод. В 1799 Дж. Кей­ли вы­дви­нул кон­цеп­цию аэ­ро­пла­на (са­мо­лё­та) – ЛА, ко­то­рый «опи­ра­ет­ся» в воз­ду­хе на не­под­виж­ную не­су­щую по­верх­ность (кры­ло), а для пе­ре­дви­же­ния ис­поль­зу­ет отд. дви­жи­тель. В 1853 он по­стро­ил пла­нёр (без­мо­тор­ный ЛА са­мо­лёт­ной схе­мы). В 1891–96 О. Ли­ли­ен­таль спро­ек­ти­ро­вал и об­ле­тал неск. пла­нё­ров (даль­ность по­лё­тов дос­ти­га­ла 300 м). В 1843 У. Хен­сон (Ве­ли­ко­бри­та­ния) по­лу­чил па­тент на про­ект са­мо­лё­та с па­ро­вой ма­ши­ной и дву­мя воз­душ­ны­ми вин­та­ми в ка­че­ст­ве дви­жи­те­лей. В 1864 про­ект са­мо­лё­та с па­ро­вой ма­ши­ной и тол­каю­щим воз­душ­ным вин­том за­па­тен­то­вал во Фран­ции и Ве­ли­ко­бри­та­нии Н. А. Те­ле­шов.

Зна­чит. вклад в раз­ви­тие на­уч. ос­нов А. вне­сли рус. учё­ные. М. А. Ры­ка­чёв раз­ра­бо­тал экс­пе­рим. ме­то­ды ис­сле­до­ва­ния не­су­щих вин­тов ЛА вер­то­лёт­ной схе­мы (1871). В 1880 опуб­ли­ко­ван клас­сич. труд Д. И. Мен­де­лее­ва «О со­про­тив­ле­нии жид­ко­стей и о воз­ду­хо­пла­ва­нии». С. К. Дже­вец­кий в 1892 пред­ложил ме­тод рас­чё­та греб­но­го вин­та, по­ло­жен­ный в ос­но­ву от­кры­той им тео­рии воз­душ­но­го вин­та. К. Э. Ци­ол­ков­ский в 1897 по­стро­ил в Ка­лу­ге аэ­ро­ди­на­мич. тру­бу («воз­ду­хо­дув­ку») для ис­сле­до­ва­ния об­те­ка­ния воз­ду­хом тел разл. фор­мы. В 1883 А. Ф. Мо­жай­ский за­вер­шил по­строй­ку на­тур­но­го са­мо­лё­та с дву­мя па­ро­вы­ми ма­ши­на­ми и тре­мя воз­душ­ны­ми вин­та­ми. В 1885 при по­пыт­ке взлё­та са­мо­лёт на­кре­нил­ся и по­ло­мал кры­ло. В даль­ней­шем са­мо­лё­ты с па­ро­вы­ми дви­га­те­ля­ми ис­пы­ты­ва­ли Х. С. Мак­сим, фран­цуз К. Адер, од­на­ко их по­пыт­ки со­вер­шить по­лёт ока­за­лись не­удач­ны­ми.

Биплан «Флайер I» братьев Райт (США).

По­лё­ты на са­мо­лё­тах ста­ли воз­мож­ными толь­ко по­сле ус­та­нов­ки на них порш­не­вых дви­га­те­лей внутр. сго­ра­ния, ко­то­рые бы­ли лег­че па­ро­вых ма­шин. 17.12.1903 бра­тья О. и У. Райт (США) на са­мо­лё­те «Флай­ер I» с бен­зи­но­вым дви­га­те­лем внутр. сго­ра­ния вы­пол­ни­ли че­ты­ре по­лё­та (в по­след­нем по­лё­те са­мо­лёт про­ле­тел 260 м за 59 с). В по­сле­дую­щие го­ды А. на­чи­на­ет бы­ст­ро раз­ви­вать­ся в ев­ропейских стра­нах, где пио­не­ра­ми са­мо­лё­то­строе­ния ста­ли А. Сан­тос-Дю­мон, Г. Вуа­зен, Л. Бле­рио, Р. Эно-Пельт­ри, А. Фар­ман, Э. Нью­пор (все – Фран­ция), А. Ро, Дж. Де Хэ­вил­ленд, Ф. Хэнд­ли Пейдж (Ве­ли­ко­бри­та­ния), А. Фок­кер (Ни­дер­лан­ды), Г.  Юн­керс (Гер­ма­ния), Дж. Ка­про­ни (Ита­лия) и др. Вёл­ся по­иск наи­луч­ших аэро­ди­на­мич. и кон­ст­рук­тив­ных схем са­мо­лё­тов, ко­то­рые строи­ли в ви­де мо­но­пла­нов и би­пла­нов, с от­кры­тым (в ви­де фер­мы) или c за­кры­тым об­шив­кой фю­зе­ля­жем, с тол­каю­щи­ми или тя­ну­щи­ми воз­душ­ны­ми вин­та­ми, с ко­лёс­ным шас­си или с по­плав­ка­ми для взлё­та с во­ды и по­сад­ки на неё. Си­ло­вую кон­ст­рук­цию (кар­кас) са­мо­лё­тов вы­пол­ня­ли из де­рева, кры­лья об­тя­ги­ва­ли ма­те­ри­ей. А. стре­ми­тель­но во­шла в жизнь: ско­рость, вы­со­та и даль­ность по­лё­тов по­сто­ян­но воз­рас­та­ли, ре­корд­ные дос­ти­же­ния ста­ли ре­ги­ст­ри­ро­вать­ся Ме­ж­ду­нар. авиац. фе­де­ра­ци­ей (ФАИ), ос­но­ван­ной в 1905. Ос­вое­ние вер­то­лё­тов шло с за­мет­ным от­ста­ва­ни­ем от са­мо­лё­тов, хо­тя пер­вые вер­то­лё­ты, под­ни­мав­шие­ся на не­боль­шую вы­со­ту, бы­ли про­де­мон­ст­ри­ро­ва­ны во Фран­ции ещё в 1907 (один из вер­толё­тов по­строи­ли Ш. Ри­ше и бра­тья Л. и Ж. Бре­ге, дру­гой – П.  Кор­ню).

Ин­те­рес к А. ох­ва­тил и Рос­сию. В 1908 ос­но­ван Все­рос. аэро­клуб. В 1910 со­стоя­лись пер­вые по­лё­ты отеч. са­молё­тов кон­ст­рук­ции А. С. Ку­да­ше­ва, И. И. Си­кор­ско­го, Я. М. Гак­ке­ля. В 1911 Б. Н. Юрь­ев опуб­ли­ко­вал став­шую клас­си­че­ской схе­му од­но­вин­то­во­го вер­то­лё­та с ав­то­ма­том пе­ре­ко­са не­су­ще­го вин­та. В 1913 под рук. Си­кор­ско­го по­строе­ны пер­вые в ми­ре мно­го­мо­тор­ные са­мо­лё­ты «Рус­ский ви­тязь» и «Илья Му­ро­мец». Боль­шой вклад в по­пу­ля­ри­за­цию А. вне­сли М. Н. Ефи­мов, Н. Е. По­пов, С. И. Уточ­кин, А. А. Ва­силь­ев, Г. В. Алех­но­вич и др. рос. лёт­чи­ки. С 1909 в ря­де выс­ших учеб­ных за­ве­де­ний вве­ли лек­ции по А. В 1910 на­ча­лась под­го­тов­ка рос. во­ен. лёт­чи­ков во Фран­ции, а так­же в отеч. лёт­ных шко­лах. В 1909–11 в Рос­сии про­из-во са­мо­лё­тов на­ча­ли ос­ваи­вать за­во­ды «Дукс» (Мо­ск­ва), «Пер­вое Рос­сий­ское то­ва­ри­ще­ст­во воз­ду­хо­пла­ва­ния С. С. Ще­ти­нин и К^о» и Рус­ско-Бал­тий­ский ва­гон­ный за­вод (С. -Пе­тер­бург).

Винтомоторная авиация

Пассажирский самолёт Фоккер F. VII-3m (Нидерланды).

В нач. 20 в. по­сто­ян­но воз­рас­таю­щие за­про­сы раз­ви­ваю­щей­ся А. при­ве­ли к соз­да­нию но­вой нау­ки – аэ­ро­ди­на­ми­ки, фун­да­мен­том ко­то­рой ста­ли ос­но­во­по­ла­гаю­щие тру­ды Н. Е. Жу­ков­ско­го и С. А. Ча­п­лы­ги­на (Рос­сия), Л. Пран­дт­ля и Т. Кар­ма­на (Гер­ма­ния) и др. учё­ных. Под рук. Жу­ков­ско­го ор­га­ни­зо­ва­ны аэро­ди­на­мич. ла­бо­ра­то­рии в Моск. ун-те (1902) и Моск. Им­пе­ра­тор­ском тех­нич. уч-ще (1910), в Ку­чи­но (под Мо­ск­вой) в 1904 ос­но­ван Аэ­ро­ди­на­мич. ин-т, од­на из пер­вых в ми­ре н.-и. организаций та­ко­го про­фи­ля.

Су­ще­ст­вен­ный тол­чок раз­ви­тию А. да­ла 1-я ми­ро­вая вой­на. В 1914 вою­ю­щие сто­ро­ны име­ли в об­щей слож­нос­ти ок. 800 са­мо­лё­тов (Рос­сия – 206), за вре­мя вой­ны их бы­ло вы­пу­ще­но св. 200 тыс. Зна­чи­тель­но улуч­ши­лись лёт­но-тех­нич. ха­рак­те­ри­сти­ки са­мо­лё­тов: ско­рость воз­рос­ла до 200–220 км/ч, по­то­лок вы­со­ты – до 6000–7000 м, мощ­ность дви­га­те­ля – до 300 кВт, гру­зо­подъ­ём­ность – до 2–3,5 т.

1920-е гг. про­шли под зна­ком ста­нов­ле­ния воз­душ­но­го транс­пор­та. Прак­ти­че­ски во всех эко­но­ми­че­ски раз­ви­тых стра­нах ми­ра поя­ви­лись авиа­транс­порт­ные ком­па­нии для пе­ре­воз­ки пас­са­жи­ров, поч­ты, гру­зов, для че­го соз­да­ва­лись спец. пас­са­жир­ские са­мо­лё­ты, а так­же пе­ре­обо­ру­до­ва­лись во­ен­ные. На ев­роп. ли­ни­ях ши­ро­ко при­ме­ня­лись по­стро­ен­ные в Гер­ма­нии пас­са­жир­ские са­мо­лёты Юн­кер­са и Фок­ке­ра. В 1919 фир­ма «Бо­инг» (США), став­шая впо­след­ст­вии круп­ней­шим про­из­во­ди­те­лем воз­душ­ных су­дов, вы­пус­ти­ла свой пер­вый са­мо­лёт – ле­таю­щую лод­ку В-1. В 1923 Х. Си­ер­ва (Ис­па­ния) по­стро­ил ус­пеш­но ле­тав­ший ав­то­жир С-4.

Рос­сия уже в хо­де Гражд. вой­ны (1918–22) при­сту­пи­ла к вос­ста­нов­ле­нию и ук­ре­п­ле­нию сво­ей А. В 1918 на­ча­лась на­цио­на­ли­за­ция авиац. пром-сти. То­гда же был ос­но­ван Центр. аэ­ро­гид­ро­ди­на­мич. ин-т (ЦАГИ), при­зван­ный обес­пе­чить раз­ви­тие авиац. нау­ки и тех­ни­ки. В 1920 от­кры­то пер­вое в стра­не выс­шее авиац. учеб­ное за­ве­де­ние – Ин-т ин­же­не­ров Крас­но­го Воз­душ­но­го Фло­та (впо­след­ст­вии Во­ен­но-воз­душ­ная ин­же­нер­ная ака­де­мия им. проф. Н. Е. Жу­ков­ско­го). В 1922 на­ча­лись по­лё­ты на ме­ж­ду­нар. авиа­ли­нии Мо­ск­ва – Кё­нигс­берг, в 1923 от­кры­лась пер­вая в СССР ре­гу­ляр­ная ли­ния Мо­ск­ва – Ниж­ний Нов­го­род. Пер­вым отеч. пас­са­жир­ским са­мо­лё­том стал АК-1, рас­счи­тан­ный на пе­ре­воз­ку 2–3 пас­са­жи­ров, соз­дан­ный в ЦАГИ (1924) под рук. В. Л. Алек­сан­д­ро­ва и В. В. Ка­ли­ни­на. В 1920-х гг. ор­га­ни­зу­ют­ся кон­ст­рук­тор­ские бю­ро (КБ) Н. Н. По­ли­кар­по­ва, А. Н. Ту­по­ле­ва, Д. П. Гри­го­ро­ви­ча, К. А. Ка­ли­ни­на. Пер­вый отеч. се­рий­ный са­мо­лёт-раз­вед­чик Р-1 По­ли­кар­по­ва (1923). Его учеб­ный са­мо­лёт У-2 (По-2), бла­го­да­ря от­лич­ным лёт­ным ка­че­ст­вам и уни­каль­ным мас­шта­бам про­из­вод­ст­ва (в 1928–59 по­строе­но св. 40 тыс. ма­шин), стал од­ним из вы­даю­щих­ся ЛА в ис­то­рии А. На У-2 ус­та­новлен пер­вый круп­но­се­рий­ный отеч. авиа­дви­га­тель воз­душ­но­го ох­ла­ж­де­ния М-11 мощ­но­стью 73,5 кВт кон­ст­рук­ции А. Д. Шве­цо­ва, на­шед­ший за­тем ши­ро­кое при­ме­не­ние в лег­ко­мо­тор­ной авиа­ции. В КБ А. Н. Ту­по­ле­ва, вхо­див­шем в 1922–36 в со­став ЦАГИ, впер­вые в стра­не на­ча­ли раз­ра­ба­ты­вать цель­но­метал­лич. са­мо­лё­ты. Соз­дан­ные в КБ тя­жё­лые бом­бар­ди­ров­щи­ки – двух­мо­тор­ный ТБ-1 (АНТ-4) и че­ты­рёх­мо­тор­ный ТБ-3 (АНТ-6) – пер­вые в ми­ре тя­жё­лые са­мо­лё­ты, вы­пол­нен­ные по схе­ме сво­бод­но­не­су­ще­го (без на­руж­ных эле­мен­тов кре­п­ле­ния кры­ла) мо­но­пла­на. Са­мо­лёт И-2бис Гри­го­ро­ви­ча – пер­вый отеч. ис­тре­би­тель, при­ня­тый на воо­ру­же­ние, что по­зво­ли­ло в 1925 ис­клю­чить из пар­ка во­ен. А. иностр. са­мо­лё­ты. В 20-х гг. на­ча­лась дея­тель­ность А. С. Яков­ле­ва как авиа­кон­ст­рук­то­ра. На его спор­тив­ном са­мо­лё­те АИР-1 до­стиг­ну­ты в СССР в 1927 пер­вые (не­офи­ци­аль­ные) ми­ро­вые ре­кор­ды (лёт­чик Ю.  И. Пи­онт­ков­ский). В 1929 Н. И. Ка­мо­вым и Н. К. Скржин­ским по­стро­ен пер­вый в стра­не ав­то­жир КАСКР-1.

Пассажирский самолёт Дуглас DC-3 (США).

Осн. тен­ден­ция раз­ви­тия ми­ро­вой А. в 1930-х гг. свя­за­на с уве­ли­че­ни­ем ско­ро­сти по­лё­та, гл. обр. в ре­зуль­та­те сни­же­ния аэ­ро­ди­на­мич. со­про­тив­ле­ния ЛА. Са­мо­лё­ты ста­ли стро­ить пре­им. по мо­но­план­ной схе­ме с уби­раю­щим­ся в по­лё­те шас­си, об­те­кае­мы­ми ка­по­та­ми дви­га­те­лей, за­кры­ты­ми ка­би­на­ми, глад­кой (вме­сто гоф­ри­ро­ван­ной) ме­тал­лич. об­шив­кой. Раз­ра­ба­ты­ва­лись бо­лее мощ­ные авиац. дви­га­те­ли, на­гне­та­те­ли воз­ду­ха для над­ду­ва дви­га­те­ля (с це­лью под­дер­жа­ния его мощ­но­сти на вы­со­те), воз­душ­ные вин­ты с из­ме­няе­мым в по­лё­те ша­гом (для бо­лее эф­фек­тив­но­го ис­поль­зо­ва­ния мощ­но­сти дви­га­те­ля на разл. ре­жи­мах по­лё­та), ра­дио­тех­нич. сис­те­мы на­ви­га­ции, ав­то­пи­ло­ты, про­ти­во­об­ле­денит. сис­те­мы и др. Соз­да­ны пер­вые цель­но­ме­тал­лич. пас­са­жир­ские са­мо­лёты мо­но­план­ной схе­мы (Бо­инг 247 и DC-3, США). Бо­инг 307 стал пер­вым са­мо­лё­том с над­ду­вом ка­би­ны для пас­са­жи­ров, что по­зво­ли­ло пас­са­жир­ским са­мо­лё­там ле­тать на боль­шой вы­со­те. Лёт­но-при­год­ные об­раз­цы вер­толё­тов про­де­мон­ст­ри­ро­ва­ны в Гер­ма­нии (FA 61 Г. Фок­ке) и США (VS-300 И. И. Си­кор­ско­го).

В 1930-е гг. в СССР ак­тив­но рас­ширя­лась сеть аэ­ро­клу­бов, сыг­рав­ших боль­шую роль в под­го­тов­ке лёт­ных ­кадров, ор­га­ни­зо­вы­ва­лись но­вые учеб­ные за­ве­де­ния, КБ и н.-и. ор­га­ни­за­ции авиац. про­фи­ля. Вво­ди­лись в строй новые са­мо­лё­то­стро­итель­ные и авиа­мо­тор­ные за­во­ды, строи­лись экс­пе­ри­мен­таль­ные и опыт­ные ЛА, на ко­то­рых про­ве­ря­лись но­вые на­уч­но-тех­нич. идеи и кон­ст­рук­ции. В этот пе­ри­од под рук. А. Н. Ту­по­ле­ва бы­ли соз­да­ны ги­гант­ские для то­го вре­ме­ни са­мо­лё­ты АНТ-14 «Прав­да» и АНТ-20 «Мак­сим Горь­кий». Ори­ги­наль­ны­ми тех­нич. ре­ше­ния­ми от­ли­ча­лись са­мо­лё­ты, по­стро­ен­ные по про­ектам Г.  И. Бак­шее­ва, Р. Л. Бар­ти­ни, В. Н. Бе­ляе­ва, П. Д. Гру­ши­на, К. А. Ка­ли­ни­на, А. С. Мос­ка­лё­ва, И. В. Чет­ве­ри­ко­ва, Б. И. Че­ра­нов­ско­го, В. А. Чи­жев­ско­го и др. В ЦАГИ на­ча­лись ра­бо­ты по ав­то­жи­рам и вер­то­лё­там. В соз­да­нии этих ЛА при­ни­ма­ли уча­стие И. П. Бра­ту­хин, Б. Н. Юрь­ев, Н. И. Ка­мов, М. Л. Миль, В. А. Куз­не­цов, Н. К. Скржин­ский, А. М. Че­рё­му­хин и др. В СССР пер­вый экс­пе­рим. вер­то­лёт (ЦАГИ 1-ЭА) по­стро­ен в 1930. В 1932 Че­рё­му­хин дос­тиг на нём вы­со­ты 605 м, зна­чи­тель­но пре­вы­сив офиц. ми­ро­вой ре­корд, рав­ный то­гда 18 м. Для ук­ре­п­ле­ния обо­ро­но­спо­соб­но­сти стра­ны в СССР на­ча­лось круп­но­се­рий­ное про­из-во ис­тре­би­те­лей И-15, И-16, И-153 (По­ли­кар­по­ва), бом­бар­диров­щи­ков ТБ-3 и СБ (А. Н. Ту­поле­ва), гид­ро­са­мо­лё­тов МБР-2 (Г. М. Бе­рие­ва) и др. са­мо­лё­тов. Парк пас­са­жир­ских са­мо­лё­тов пром-сть по­сто­ян­но по­пол­ня­ла но­вы­ми ма­ши­на­ми: АНТ-9 и АНТ-35 А. Н. Ту­по­ле­ва, К-5 Ка­ли­ни­на, «Сталь-2» и «Сталь-3» А.  И. Пу­ти­ло­ва, ХАИ-1 И. Г. Не­ма­на, Ли-2 (ли­цен­зи­он­ный DC-3) и др. В кон. 30-х гг. на­ча­лось се­рий­ное про­из-во соз­дан­ных но­вых бое­вых са­мо­лё­тов: бом­бар­ди­ров­щи­ков ТБ-7 (Пе-8) и Пе-2 В. М. Пет­ля­кова, бом­бар­ди­ров­щи­ка ДБ-3Ф (Ил-4), ис­тре­би­те­лей ЛаГГ-3 С. А. Ла­воч­ки­на, В. П. Гор­бу­но­ва и М. И. Гуд­ко­ва, МиГ-1 и МиГ-3 А. И. Ми­коя­на и М. И. Гу­ре­ви­ча, Як-1 А. С. Яков­ле­ва, мно­го­це­ле­во­го са­мо­лё­та Су-2 П. О. Су­хо­го, бом­бар­ди­ров­щи­ков Ар-2 А. А. Ар­хан­гель­ско­го и Ер-2 В. Г. Ер­мо­лае­ва, штур­мо­ви­ка Ил-2 С. В. Иль­ю­ши­на. В КБ В. Я. Кли­мо­ва, А. А. Ми­ку­ли­на, А. С. На­за­ро­ва, А. Д. Шве­цо­ва соз­да­ва­лись авиа­дви­га­те­ли по­вы­шен­ной мощ­но­сти и на­дёж­но­сти.

Бомбардировщик Боинг B-29 (США).

Штурмовик Ил-2 (СССР).

За го­ды 2-й ми­ро­вой вой­ны об­щее про­из-во са­мо­лё­тов в ми­ре со­ста­ви­ло бо­лее 750 ты­сяч. Основными бое­вы­ми са­мо­лё­та­ми Гер­ма­нии бы­ли ис­тре­би­те­ли Ме 109 («Мес­сер­шмитт») и FW 190 («Фок­ке-Вульф»), бом­бар­ди­ров­щи­ки Не.  111 («Хейн­кель»), Ju87 и Ju88 («Юн­керс»). Со­юз­ни­ки СССР ис­поль­зо­ва­ли бом­бар­ди­ров­щи­ки «Га­ли­факс», «Лан­ка­стер» и «Мос­ки­то» (Ве­ли­ко­бри­та­ния), а так­же В-17, В-24 и В-29 (США). Ис­тре­бит. А. со­юз­ни­ков со­стоя­ла из само­лё­тов «Хар­ри­кейн», «Спит­файр» (Ве­ли­ко­бри­та­ния), Р-38, Р-39, Р-40, Р-47, Р-51 (США) и др. США, Ве­ли­ко­бри­та­ния, Япо­ния ис­поль­зо­ва­ли так­же и па­луб­ную А. В СССР за го­ды вой­ны во­шли в строй но­вые об­раз­цы бое­вых са­мо­лё­тов: ис­тре­би­те­ли Як-7Б, Як-9, Як-3 (Яков­ле­ва), Ла-5 и Ла-7 (Ла­воч­ки­на), штур­мо­вик Ил-10 (Иль­ю­ши­на), бом­бар­ди­ров­щик Ту-2 (А. Н. Ту­по­ле­ва). Под рук. А. Я. Бе­рез­ня­ка и А. М. Исае­ва соз­дан опыт­ный ис­тре­би­тель-пе­ре­хват­чик БИ-1 с ЖРД (1-й по­лёт в 1942, лёт­чик Г. Я. Бах­чи­ванд­жи). В пе­ри­од Вел. Отеч. вой­ны авиац. пром-сть СССР вы­пус­ти­ла св. 125 600 са­мо­лё­тов. К кон­цу вой­ны ско­рость се­рий­ных ис­тре­би­те­лей при­бли­зи­лась к 700 км/ч и воз­мож­но­сти даль­ней­ше­го её по­вы­ше­ния на са­мо­лё­тах с порш­не­вы­ми дви­га­те­ля­ми и воз­душ­ны­ми вин­та­ми прак­ти­че­ски ис­чер­па­лись.

Эпоха реактивной авиации

Истребитель МиГ-29 (СССР).

В сер. 1940-х гг. на­ча­лось ста­нов­ле­ние ре­ак­тив­ной А., осн. ти­пом авиац. дви­гате­ля стал га­зо­тур­бин­ный дви­га­тель (ГТД). В кон­це вой­ны по­яви­лись пер­вые ре­ак­тив­ные ис­тре­би­те­ли: гер­ман­ские Ме163В с жид­ко­ст­ным ре­ак­тив­ным дви­га­те­лем (ЖРД) и Ме162 с тур­бо­реак­тив­ным дви­га­те­лем (ТРД), а так­же англ. «Ме­теор» с ТРД. Ус­та­нав­ли­вае­мые на са­мо­лё­тах тур­бо­ре­ак­тив­ные дви­га­те­ли (раз­но­вид­ность ГТД) в со­че­та­нии со стре­ло­вид­ны­ми и тре­уголь­ны­ми крыль­я­ми са­мо­лё­та, обес­пе­чи­ваю­щи­ми мень­шее аэ­ро­ди­на­мич. со­про­тив­ле­ние, по­зво­ли­ли сна­ча­ла ос­во­ить око­ло­зву­ко­вые ско­ро­сти по­лёта, а за­тем пре­одо­леть зву­ко­вой барь­ер и дос­тиг­нуть ско­ро­стей 2000 км/ч и бо­лее. В СССР пер­вы­ми се­рий­ны­ми ре­актив­ны­ми ис­тре­би­те­ля­ми бы­ли МиГ-9 и Як-15 (1946). Пер­вые сверх­зву­ко­вые ис­тре­би­те­ли – F-100 (США, 1953) и МиГ-19 (СССР, 1954), в чис­ле са­мо­лё­тов, пре­одо­лев­ших ру­беж ско­ро­сти 2000 км/ч, ис­тре­би­те­ли F-104 (США), Су-7 и МиГ-21 (CCCР). На­ря­ду с ре­ак­тив­ны­ми ис­тре­би­те­ля­ми на­ча­лось строи­тель­ст­во и ре­ак­тив­ных (даль­них и стра­те­ги­че­ских) бом­бар­ди­ров­щи­ков, напр., в США – В-47, В-52; в Ве­ли­ко­бри­та­нии – «Вэ­ли­ент», «Вул­кан», «Вик­тор»; в СССР – Ту-16 (КБ А. Н. Ту­по­ле­ва), М-4, 3М (КБ В. М. Мя­си­ще­ва).

Пассажирский самолёт Ан-12 (СССР).

В 1950-е гг. ак­тив­но раз­ви­ва­лась и гражд. А. У тур­бо­вин­то­вых пас­са­жир­ских са­мо­лё­тов ско­рость по­лё­та пре­вы­си­ла 600 км/ч, у ре­ак­тив­ных – 800 км/ч. Пер­вые ре­ак­тив­ные пас­са­жир­ские са­молё­ты – «Ко­ме­та» (Ве­ли­ко­бри­та­ния, 1949), Бо­инг 707 (США, 1954), Ту-104 (СССР, 1955), «Ка­ра­вел­ла» (Фран­ция, 1955). К пер­вым тур­бо­вин­то­вым пас­са­жир­ским са­мо­лё­там от­но­сят «Вай­ка­унт» (Ве­ли­ко­бри­та­ния, 1948), Фок­кер F.27 (Ни­дер­лан­ды, 1955), Ил-18, Ту-114, Ан-12 (СССР, 1957–58). В раз­ра­бот­ку га­зо­тур­бин­ных (тур­бо­ре­ак­тив­ных и тур­бо­вин­то­вых) дви­га­те­лей пер­вых по­ко­ле­ний в СССР боль­шой вклад вне­сли КБ А.  М. Люль­ки, В. Я. Кли­мова, А. А. Ми­ку­ли­на (и его пре­ем­ни­ка С. К. Ту­ман­ско­го), В. А. До­б­ры­ни­на, А. Г. Ив­чен­ко, Н. Д. Куз­не­цо­ва, П. А. Со­ловь­ё­ва.

Ус­пе­хи А. в 1950–60-х гг. во мно­гом обу­слов­ле­ны фун­дам. ис­сле­до­ва­ния­ми сов. учё­ных в об­лас­ти аэ­ро­ди­на­ми­ки, ус­той­чи­во­сти и управ­ляе­мо­сти ЛА, га­зо­ди­на­ми­ки воз­душ­но-ре­ак­тив­ных дви­га­те­лей, но­вых кон­ст­рукц. ма­те­риа­лов, проч­но­сти авиац. кон­ст­рук­ций (ра­бо­ты М. В. Кел­ды­ша, С. А. Хри­стиа­но­ви­ча, А. А. До­род­ни­ци­на, В. В. Стру­мин­ско­го, Г. П. Сви­щё­ва, Г. С. Бюш­ген­са, Б. С. Стеч­ки­на, Г. И. Пет­ро­ва, А. И. Ма­ка­рев­ско­го, С. Т. Киш­ки­на, А. Ф. Бе­ло­ва и мн. др.).

В 1950-х гг. на­ча­лось се­рий­ное про­из-во вер­то­лё­тов, на­шед­ших ши­ро­кое при­ме­не­ние в гражд. и во­ен. А. В 1946 по­лу­чил сер­ти­фи­кат лёт­ной год­но­сти вер­то­лёт Белл 47 (США). В СССР пер­вы­ми се­рий­ны­ми вер­то­лё­та­ми ста­ли Ми-1, Ми-4, Ми-6 (КБ М. Л. Ми­ля), Ка-15 и Ка-18 (КБ Н.  И. Ка­мо­ва).

В 1960–70-х гг. А. раз­ви­ва­лась в на­прав­ле­нии улуч­ше­ния лёт­но-тех­нич. ха­рак­те­ри­стик са­мо­лё­тов и вер­то­лё­тов, а так­же раз­ра­бот­ки ЛА но­вых ти­пов. Пер­вым се­рий­ным бое­вым са­мо­лё­том, ско­рость ко­то­ро­го дос­тиг­ла 3000 км/ч, стал МиГ-25 (СССР, 1964). Не­ко­то­рые сверх­зву­ко­вые бое­вые са­мо­лё­ты строи­ли с из­ме­няе­мой в по­лё­те стре­ло­вид­ностью кры­ла для по­лу­че­ния оп­тим. аэро­ди­на­мич. ха­рак­те­ри­стик в ши­ро­ком диа­па­зо­не из­ме­не­ния ско­ро­сти по­лё­та. Пер­вы­ми се­рий­ны­ми са­мо­лё­та­ми та­ко­го ти­па ста­ли ис­тре­би­тель-бом­бар­ди­ров­щик F-111 (США, 1964) и ис­тре­би­тель МиГ-23 (1967). Стрем­ле­ние рас­ши­рить воз­мож­но­сти ба­зи­ро­ва­ния бое­вой А. пре­до­пре­де­ли­ло соз­да­ние са­мо­лё­тов вер­ти­каль­но­го взлё­та и по­сад­ки «Хар­ри­ер» (Ве­ли­ко­бри­та­ния, 1966) и Як-38 (1970). Тур­бо­ре­ак­тив­ные дви­га­те­ли обес­пе­чи­ли ис­тре­би­те­лям тя­го­во­ору­жён­ность (от­но­ше­ние тя­ги дви­га­те­лей к взлёт­но­му ве­су ЛА) бо­лее 1, по­вы­сив их ма­нёв­рен­ные ха­рак­те­ри­сти­ки. Та­кая кон­цеп­ция впер­вые бы­ла реа­ли­зо­ва­на при соз­да­нии са­мо­лё­тов F-14 и F-15 (США), а так­же Су-27 и МиГ-29.

Ро­до­на­чаль­ни­ком са­мо­лё­тов боль­шой гру­зо­подъ­ём­но­сти стал ши­ро­ко­фю­зе­ляж­ный (с диа­мет­ром фю­зе­ля­жа 6 м) Ан-22 «Ан­тей» (О. К. Ан­то­но­ва), рас­счи­тан­ный на пе­ре­воз­ку 60 т гру­за (в ре­корд­ном по­лё­те под­нял св. 100 т). Пер­вое по­ко­ле­ние ши­ро­ко­фю­зе­ляж­ных са­мо­лё­тов – Бо­инг 747, DC-10, L-1011 (США), А300 (зап.-ев­роп. кон­сор­циу­ма «Эр­бас ин­да­ст­ри»), Ил-86. Зна­чи­тель­ная вме­сти­мость ши­ро­ко­фю­зе­ляж­ных са­мо­лё­тов (до 400 чел. и бо­лее) по­зво­ля­ет сни­зить пе­ре­гру­жен­ность круп­ных аэро­пор­тов и по­вы­сить рен­та­бель­ность авиа­пе­ре­во­зок. Для вы­со­ко­ско­ро­ст­но­го об­слу­жи­ва­ния отд. мар­шру­тов Ве­ли­ко­бри­та­ни­ей и Фран­ци­ей со­вме­ст­но соз­дан сверх­зву­ко­вой пас­са­жир­ский са­мо­лёт «Кон­корд», экс­плуа­ти­ро­вав­ший­ся в 1976–2003. Раз­ра­ба­ты­вав­ший­ся в СССР с не­ко­то­рым опе­ре­же­ни­ем сверх­зву­ко­вой пас­са­жир­ский са­мо­лёт Ту-144 на­хо­дил­ся в опыт­ной экс­плуа­та­ции в 1977–1978. Ско­рость этих са­мо­лё­тов пре­вы­си­ла 2000 км/ч. Пер­вым в СССР транс­порт­ным са­мо­лё­том уко­ро­чен­но­го взлёта и по­сад­ки стал Ан-72 (1977).

Вертолёт Ми-26 (СССР).

Про­дол­жа­лось со­вер­шен­ст­во­ва­ние вин­то­кры­лых ма­шин. Не имел се­бе рав­ных по гру­зо­подъ­ём­но­сти опыт­ный вер­то­лёт Ми-12 (рас­чёт­ная на­груз­ка 25 т, ре­корд­ная – бо­лее 40 т), со­вер­шив­ший пер­вый по­лёт в 1967. Сре­ди се­рий­ных вер­то­лё­тов по гру­зо­подъ­ём­но­сти луч­шим был Ми-26 (20 т). На экс­пе­рим. вин­то­кры­ле Ка-22 ус­та­нов­ле­но 8 ми­ро­вых ре­кор­дов. Бы­ли соз­да­ны спе­ци­а­ли­зир. бое­вые вер­то­лё­ты АН-1 (США), К-25 (СССР). В СССР но­вые ру­ко­во­ди­те­ли ве­ду­щих кон­ст­рук­тор­ских кол­лек­ти­вов ус­пеш­но про­дол­жи­ли творч. тра­ди­ции отеч. шко­лы авиа­строе­ния (Г. В. Но­во­жи­лов, Р. А. Бе­ля­ков, А. А. Ту­полев, а в по­сле­дую­щие 1980-е гг. – М. П. Си­мо­нов, М. Н. Ти­щен­ко, С. В. Ми­хе­ев, С. П. Изо­тов, В. А. Ло­та­рев, М. А. Погосян, В. М. Чеп­кин и др. кон­ст­рук­то­ры).

Пассажирский самолёт Ту-204 (Россия).

С 1980-х гг. в СССР про­дол­жи­лись ра­бо­ты по соз­да­нию и до­вод­ке но­вых ЛА и усо­вер­шен­ст­во­ва­нию мо­ди­фи­каций су­ще­ст­вую­щих са­мо­лё­тов и вер­то­лё­тов, в т. ч. пас­са­жир­ских са­мо­лётов Ил-96–300, Ил-114, Ту-204, Ту-214, Ту-334, гру­зо­во­го са­мо­лё­та Ил-96Т, мно­го­це­ле­во­го са­мо­лё­та-ам­фи­бии Бе-200 (КБ им. Г. М. Бе­рие­ва), транс­порт­но­го вер­то­лё­та Ка-60, все­по­год­ных бое­вых вер­то­лё­тов Ка-52 и Ми-28Н, ис­тре­би­телей Су-30, Су-32, Су-35, МиГ-29 СМТ, учеб­но-бое­вых са­мо­лё­тов Як-130 и МиГ-АТ. С 1993 в г. Жу­ков­ский ре­гуляр­но (по не­чёт­ным го­дам) стал про­во­дить­ся Ме­ж­ду­нар. аэро­кос­мич. са­лон (МАКС), где де­мон­ст­ри­ру­ют­ся но­вей­шие дос­ти­же­ния в об­лас­ти ави­ац. нау­ки и тех­ни­ки.

Самолёт-невидимка истребитель Локхид F-117 (США).

1981–2003 – пе­ри­од даль­ней­ше­го раз­ви­тия А. Прак­ти­че­ски во всех клас­сах ЛА соз­да­ва­лись усо­вер­шен­ст­во­ван­ные об­раз­цы но­во­го по­ко­ле­ния. Ра­ди­каль­но по­вы­си­лась гру­зо­подъ­ём­ность транс­порт­ных ЛА, в КБ Ан­то­но­ва бы­ли соз­да­ны са­мо­лё­ты Ан-124 «Рус­лан» (с гру­зо­подъ­ём­но­стью 150 т) и Ан-225 «Мрия» (250 т). В США раз­ра­бо­тан транс­порт­ный са­мо­лёт V-22 кон­вер­ти­руе­мой (пре­об­ра­зуе­мой) схе­мы – с по­во­рот­ны­ми в по­лё­те воз­душ­ны­ми вин­та­ми (со взлё­том и по­сад­кой «по-вер­то­лёт­но­му»). В 1989–90 на са­мо­лё­те Ту-155 про­ве­де­ны пер­вые в ми­ро­вой прак­ти­ке экс­пе­ри­мен­ты по при­ме­не­нию крио­ген­но­го то­п­ли­ва (жид­ких во­до­ро­да и ме­та­на). В 1986 пер­вый бес­поса­доч­ный кру­го­свет­ный пе­ре­лёт без до­за­прав­ки то­п­ли­вом в по­лё­те со­вер­ши­ли на экс­пе­рим. са­мо­лё­те «Во­яд­жер» Д. Ру­тан и Дж. Йи­гер (США). Для пре­одо­ле­ния сис­тем про­ти­во­воз­душ­ной обо­ро­ны не­ко­то­рые об­раз­цы бое­вых само­лё­тов на­ча­ли из­го­тав­ли­вать с ис­поль­зо­ва­ни­ем тех­ни­ки «Стелс», делая их малозаметными для на­зем­ных ра­дио­ло­кац. стан­ций. Пер­вы­ми такими са­мо­лё­та­ми ста­ли ис­тре­би­тель F-117 и стра­те­гич. бом­бар­ди­ров­щик В-2 (США). Для изу­че­ния ат­мо­сфе­ры и др. на­уч. ис­сле­до­ваний в США при­ме­ня­ли бес­пи­лот­ные ЛА, си­ло­вые ус­та­нов­ки ко­то­рых ис­поль­зо­ва­ли сол­неч­ную энер­гию (элек­тро­энер­гия, вы­ра­ба­ты­вае­мая сол­неч­ны­ми ба­та­рея­ми, слу­жи­ла для при­во­да воз­душ­ных вин­тов). В 1997 в России в ОКБ П. О. Сухого создан самолёт с кры­лом обратной стреловидности Су-47 «Бер­кут» – прототип истребителя пятого по­коления, способного сохранять устой­чивость и управляемость на углах атаки 90° и более, вести всеракурсный обстрел в ближнем воздушном бою, а также многоканальную ракетную стрельбу на большой дальности.

Истребитель СУ-47 «Беркут» (Россия).

В нач. 21 в. А. спо­соб­на ре­шать ши­ро­кий круг транс­порт­ных, хо­зяй­ст­вен­ных и во­ен. за­дач. Воз­душ­ный транс­порт ох­ва­ты­ва­ет свои­ми мар­шру­та­ми прак­ти­че­ски все ре­гио­ны зем­но­го ша­ра. Еже­год­но авиа­транс­порт­ные ком­па­нии стран – уча­ст­ниц Ме­ж­ду­нар. орг-ции гра­ж­дан­ской авиа­ции пе­ре­возят св. 1600 млн. пас­са­жи­ров, ми­ро­вой парк на­счи­ты­ва­ет бо­лее 23500 ма­ги­ст­раль­ных и ре­гио­наль­ных са­мо­лё­тов. В во­ен. А. на­ря­ду с её тра­диц. ви­да­ми (ро­да­ми) – ис­тре­би­тель­ной, бом­бар­ди­ро­воч­ной, во­ен­но-транс­порт­ной, раз­ве­ды­ва­тель­ной – всё боль­шее раз­ви­тие по­лу­ча­ет спец. А., в за­да­чи ко­то­рой вхо­дят даль­нее ра­дио­ло­кац. об­на­ру­же­ние воз­душ­ных и на­зем­ных це­лей, управ­ле­ние бое­вы­ми дей­ст­вия­ми, ра­дио­элек­трон­ная борь­ба и т. п. Дос­ти­же­ния авиац. тех­ники во мно­гом спо­соб­ст­во­ва­ли ста­нов­ле­нию кос­мо­нав­ти­ки. Со­че­та­ние дос­то­инств авиац. и кос­мич. тех­ни­ки на­хо­дит во­пло­ще­ние в пи­ло­ти­руе­мых транс­порт­ных кос­мич. ко­раб­лях мно­го­ра­зо­во­го ис­поль­зо­ва­ния, пер­вы­ми пред­ста­ви­те­ля­ми ко­то­рых бы­ли в 1980-х гг. «Спейс шаттл» (США) и «Бу­ран» (СССР).

ПОДОБИЕ ЛЕТАЮЩИХ СУЩЕСТВ И МАШИН

Малое с великим схоже,
Хоть и разнится на вид.

И. В. Гёте.

Несведущему человеку кажутся очень похожими полеты ласточек и истребителей, стрекоз и вертолетов, орлов и дельтапланов, но специалисты серьезным их анализом почти не занимаются. А если почему-то и сравнивают полеты летающих существ и машин, то, как правило, лишь подчеркивают принципиальные различия да иногда цитируют известные слова Н. Е. Жуковского: «Человек полетит, опираясь не на силу своих мускулов, а на силу своего разума».

Между тем работы «отцов» воздухоплавания — Н. Е. Жуковского и Отто Лилиенталя — начинались как раз с исследований птичьего полета: с изучения того, как возникает подъемная сила планирующего крыла. Результатом именно таких исследований стали теоретически найденные в 1904 году оптимальные профили крыльев — близкие к птичьим.

У этих профилей (их называют профилями Жуковского) соотношение подъемной силы и силы лобового сопротивления максимально, а сама сила лобового сопротивления достаточно мала. Они и в самом деле идеальны, но лишь при тех относительно небольших скоростях (несколько десятков метров в секунду), которые свойственны птицам, и отнюдь не оптимальны для летающих со скоростью звука современных самолетов. Что же касается насекомых, то их крылья и вовсе плоские, да и бывает их к тому же нередко не два, а четыре.

Весьма разнятся у летающих объектов и размеры крыльев. У одних только насекомых они могут различаться в 1000 раз. К примеру, у бабочек некоторых видов шелкопряда размах крыльев — 25 см, у тли — около 2 мм, а самые мелкие летающие насекомые (жуки перистокрылки и наездники-яйцееды) вообще практически невидимы: длина их тела не достигает 0,25 мм. Примерно во столько же крат могут различаться в размерах и крылья птиц (от колибри до грифа), и крылья разных самолетов. Разница же в размерах самых мелких летающих насекомых и самых крупных самолетов вообще достигает сотен тысяч раз.

При таком разбросе масштабов вполне возможен эффект перехода количества в качество: зависимости, справедливые для малых летающих объектов, могут оказаться совершенно непригодными для больших. И весьма вероятно, что именно потому не было до сих пор серьезных попыток поиска единых критериев подобия для всех летающих объектов тяжелее воздуха.

И все же что-то общее у всех этих объектов есть. Во-первых, вес, а во-вторых, обязательное наличие каких-нибудь крыльев, которые можно характеризовать размахом или площадью или и тем и другим. И если пытаться ввести для летающих объектов какой-то критерий подобия, то он непременно должен включать эти характеристики.

Может, в частности, служить таким относительным и безразмерным критерием некая «приведенная парусность»

К = (S)^1/2 / (G/ γ^1/3,

где S — площадь крыльев (без учета хвостового оперения, которого может и не быть), G — вес, γ= 1 г/см³ — плотность воды.

Вычисления этого критерия для самых различных летающих объектов привели к интересным результатам, представленным на графике (см. стр. 36-37). По оси ординат на нем отложена приведенная парусность объекта К (далее — для простоты изложения — просто «парусность»), а по оси абсцисс — его относительный вес G/γ (для удобства построения графика — в степени 1/3). Для вычислений использовались существующие в литературе данные о размерах крыльев летающих животных (насекомых, птиц, летучих мышей, летучих рыб), а также созданных человеком машин (летающих моделей планеров и самолетов, самих планеров и самолетов, вертолетов) — всего около 300 объектов. При наличии двух рядов крыльев (у самолетов — биплан) или четырех (у некоторых насекомых) учитывалась площадь всех крыльев.

Оказалось, что во всем диапазоне весов летающих объектов значения критерия К лежат в довольно узкой области: для бабочек они не превышают 7,2; для моделей планеров — 9,0; а для самих планеров — 8,0. И значит, несмотря на огромный (миллиарды раз!) диапазон изменения веса всех активно летающих в воздухе объектов, разброс их парусности относительно невелик: он меняется не более чем в 5 раз. Но даже эту сравнительно небольшую область изменения критерия К можно разбить на несколько участков, каждый из которых характеризует вполне определенный тип полета, отличный от прочих.

Те, например, летуны, чей критерий К лежит в диапазоне от 1,7 до 3,0 (мухи, пчелы, утки-нырки и самолеты-истребители), обладают одним общим признаком: их полет стремителен. Они не используют парящий полет и не избегают летать против ветра.

Для других, у которых К примерно равен 3,5 (некоторые комары, голуби, лебеди и многие самолеты, например Як-40, Ту-134), направление ветра уже имеет значение и влияет на их полет. Комары, например, почти не летают при ветре даже средней силы, а крейсерская скорость названных самолетов заметно определяется направлением ветра.

У большинства насекомых и птиц — от мелких до крупных, а также у самолетов (кроме истребителей) значения К лежат в пределах от 3,5 до 5,0. Их полет уже существенно зависит от ветра и восходящих потоков воздуха. У планеров К = 4,75 и выше, но и зависание стрекоз (К = 4,6) на месте с малой амплитудой движения крыльев имеет явные черты парения. Иногда парят даже вороны, у которых К = 4,3.

Полет же тех, у кого К от 5,0 до 7,3 (бабочки, чайки, грифы, орлы, планеры), имеет все черты парящего и в большой мере зависит от ветра. При сильном встречном ветре эти летуны просто не могут долго лететь.

Самое большое значение К у мотыльков и бабочек, у птиц — несколько меньше, причем наибольшее из них (К = 6,6) — у кукушки, лесной птицы. Любопытно, что у подавляющей части лесных и ночных птиц и насекомых К заметно больше, чем у равных им по весу летунов открытых пространств и сильного ветра.

Между тем в живой природе планирующий полет не всегда требует большой парусности. У белки-летяги, например, весом в 140 граммов, критерий К равен всего 3,2, а у летучих рыб — от 2,5 до 2,9. В тех же пределах он и у «летающих» лягушек, и у кальмаров — лучших «летунов» среди головоногих. Один из видов кальмаров моряки так и называют — летающий кальмар. Это животное, размером примерно с сельдь, способно развить в воде такую скорость, что затем пролетает над водой более 50 м, поднимаясь над ней на высоту до 7 м.

Планировать над водой могут и осьминоги некоторых видов. Французский натуралист Ван Верани наблюдал, как один из них разогнался в аквариуме, а потом вдруг выскочил из воды и, описав в воздухе дугу длиной метров в пять, плюхнулся обратно.

При такого рода «чистом» планировании значения К относительно малы по сравнению с его значениями для планеров или парящих птиц. Объясняется это, по всей видимости, разными принципами планирования: в первом случае оно происходит за счет постепенного снижения ранее набранной скорости, во втором — благодаря восходящим потокам воздуха и при постоянной скорости.

Большой парусностью — вплоть до К = 9,0 — обладают летающие модели, полет которых осложняется даже слабым ветром, а при среднем уже невозможен.

У вертолетов (если считать их «площадью крыльев» всю ометаемую несущим винтом или винтами площадь) значение К располагается в пределах от 7,3 до 9,3, то есть оказывается заметно большим, чем у самолетов любых типов и даже у планеров.

Это, однако, не относится к большей части самолетов и вертолетов ранних конструкций, у которых значения К оказались существенно выше, чем у современных. Именно эти конструкции были неудачными. У самолета Можайского, например, К оказался равным 19,7. При столь большом К самолет может заваливаться набок и опрокидываться даже от легкого дуновения ветерка, что и происходило с самолетом Можайского. Так и не смог летать вертолет Юрьева (1913 год), у которого К = 20. Удовлетворительными же оказывались те конструкции, которым авторы придавали близкие к принятым сегодня значения К. В их числе четырехмоторный самолет Сикорского «Русский витязь» (1913 год), обладавший весом в 4,2 тонны (примерно вдвое тяжелее любого ему современного) и К около 6,7. У следующей модификации того же «Русского витязя» — самолета «Илья Муромец» — взлетный К был 6,9. У созданного в 1910 году биплана Докучаева К оказался равным 8,3.

Можно предположить, что характерные для самолетов тех лет высокие значения К связаны с относительно меньшей, чем у современных, энерговооруженностью. И поскольку в последующие годы непрерывно росли и максимальная скорость, и удельные мощности (на единицу веса) двигателей, и удельная нагрузка на крыло (вычисляется как G/S, в кГ/м²), то в результате уменьшались значения К, которые к настоящему моменту, по-видимому, уже достигли оптимальных значений. Во всяком случае, по сравнению с теми, что встречаются при сходных условиях полета в живой природе.

Возможны большие значения К и при некоторых особых условиях полета. Максимальной парусностью — вплоть до К = 20 — обладают малые комнатные модели, изготовленные из соломы и имеющие вес всего несколько граммов. На открытом воздухе полеты таких объектов вообще невозможны: на их полет сильно влияет даже самый легкий ветерок.

Значения К около 10 — у дельтапланов, около 12 — у парашютиста при спуске. И неудивительно, что в некоторых случаях парашютист вместо спуска поднимался и его заносило восходящим потоком воздуха в облака.

Главный вывод всего этого анализа состоит в следующем: полет любых объектов тяжелее воздуха имеет общий критерий подобия для чрезвычайно широкого диапазона весов, для самых разных конструкций и материалов и, наконец, для различного механизма самого полета. Но почему так? Почему величина этого критерия имеет порядок нескольких единиц, а не нескольких десятков или, скажем, долей единицы?

Правдоподобным кажется следующее объяснение. Для песчинки с удельным весом 2,7 г/мм3 критерий К равен 0,36, а для свинцовой дробинки с удельным весом 11,3 г/мм3 — в четыре раза меньше (0,088). Ни у одного из известных активно летающих объектов он не имеет столь малых значений.

Если же вычислить этот критерий для кубика воздуха, то он окажется равным 9,17. Объекты, обладающие близким к этому значением К, составляют, с позиций теории подобия, как бы часть атмосферы, и потому их движение определяется воздушными потоками. Такой К у воздушных шаров и дирижаблей, то есть у так называемых аппаратов легче воздуха (на самом деле их вес в установившемся полете равен весу вытесненного ими воздуха).

В активном же полете, наиболее интересном для исследований, К оказывается существенно меньшим — как в живой природе, так и в летающих машинах.

Остается, правда, не совсем понятным, почему К имеет близкие значения у комаров (чья скорость составляет доли метра в секунду на уровне земли) и у Ил-96-300, летающего с крейсерской скоростью 900 км/ч на высоте до 12 000 км на дальность до 11 000 км. Возможно, из-за того, что даже сверхзвуковым самолетам приходится снижать свою скорость до минимума во время посадки. А критерий К в этих условиях выражает соотношение между массой летающего объекта и массой отбрасываемого вниз воздуха, за счет которого и преодолевается сила тяжести. И чем большей оказывается отбрасываемая масса воздуха, тем маневреннее и стремительнее полет. С этой точки зрения величина К характеризует «качество» полета, а необычно большие значения К комнатных летающих моделей (со скоростями долей метра в секунду) становятся понятными. Масса воздуха, отбрасываемого их крыльями вниз, оказывается при таких скоростях столь малой, что требует увеличенных значений К.

Думается, что предложенная в качестве критерия подобия летающих объектов парусность — не единственно возможный вариант. Ведь полеты в живой природе можно характеризовать помимо веса, площади и длины крыльев, например, частотой взмахов (ее аналог для вертолетов — это скорость вращения несущего винта). Известно также, что, чем меньше летающее насекомое или птица, тем больше частота взмахов. У мелкого гнуса, например, — около 1000 герц, у комара — около 500, у комнатной мухи — 140-190, у крупных бабочек — 5, у воробья — 13, у вороны — 4, у лебедя — около 2. Аналогичная зависимость существует и в созданных человеком машинах: игрушечный ветрячок вращается много быстрее крыльев ветряной мельницы. И можно сказать, что в первом приближении частота взмахов (число оборотов в секунду) обратно пропорциональна размаху крыльев (диаметру воздушного винта). Исследовать эту зависимость более детально не удается из-за скудности фактического материала: числовых данных о частоте взмахов насекомых, птиц и летучих мышей куда меньше, чем об их весе и площади крыльев.

Даже и теперь, несмотря на очевидные успехи авиации, исследования механики полета далеки от своего завершения. Но никакие известные физические законы не дают ограничений для введения еще каких-то новых критериев подобия летающих объектов.

Наука и жизнь // Иллюстрации

Наука и жизнь // Иллюстрации

Наука и жизнь // Иллюстрации

Наука и жизнь // Иллюстрации

‹

›

Открыть в полном размере

Самолёты, машущие крыльями: история орнитоптеров / Хабр

Естественным и наиболее наглядным примером полёта для человека испокон веков были птицы. Логично, что при возникновении у кого-нибудь идеи подняться в воздух в первую очередь рассматривался вариант «машешь крыльями — и летишь». То, что подобная схема полёта с инженерной точки зрения куда менее выгодна, чем неподвижное крыло, люди поняли сравнительно поздно. Тем не менее идея орнитоптера (или махолёта), то есть аппарата, создающего тягу и подъёмную силу при помощи машущих крыльев, продолжает жить и по сей день.

В мифологии многие герои пользовались крыльями для полёта. Одним из самых известных является миф о Дедале и Икаре. Причём народная память отчего-то числит первопроходцем-авиатором именно Икара, хотя, если вспомнить текст первоисточника, этот беспечный юноша подходит разве что на роль первого в истории нарушителя воздушной дисциплины.

Именно этот миф вдохновил на полёт английского монаха-бенедиктинца Эйлмера, служившего в XI веке в аббатстве Малмсбери. В летописи «История английских королей», написанной другим монахом того же аббатства, содержится рассказ Эйлмера, уже пребывавшего на тот момент в престарелом возрасте, о том, как в молодости он решил повторить подвиг Дедала. Соорудив крылья, крепящиеся к рукам, ногам и спине, он прыгнул с башни аббатства и пролетел не менее фарлонга (201 метр). Приземление вышло не вполне удачным, к сожалению, Эйлмер сломал обе ноги, но это не остудило его пыл. Проанализировав свою попытку, юный монах пришёл к выводу, что для устойчивости в воздухе, помимо крыльев, ему будет необходим также и хвост, подобный птичьему. Он собирался доработать свой летательный аппарат и повторить испытание, но вмешался аббат, опасаясь за жизнь подчинённого, он запретил ему любые эксперименты с полётами.

Витраж в Мамсберрийском аббатстве, изображающий монаха Эйлмера и его орнитоптер

Эту историю позже пересказывали во многих источниках, где Эйлмер из-за невнимательности переписчиков временами превращался в Элмера, а иногда даже в Оливера. По оценкам специалистов, полёт Эйлмера теоретически осуществим на технологиях XI века, так что есть шансы, что вся эта история не является выдумкой. При хорошем ветре и некотором везении — примитивный планер-махолёт мог позволить щуплому юноше пролететь (стартовав с высоты) пару сотен метров и не разбиться насмерть в конце.

Конечно, «летающий монах» Эйлмер был не единственным. Например, учёный Аббас ибн Фирнас из Андалузии неоднократно экспериментировал в IX веке с разными конструкциями из перьев и ткани на деревянном каркасе. Английский естествоиспытатель Роджер Бэкон среди многочисленных тем, над которыми работал, размышлял и о полёте с помощью искусственно созданных крыльев.

Понятно, что ни у кого ничего не получалось. Максимум, на что мог рассчитывать пытливый средневековый изобретатель орнитоптеров — короткий планирующий полёт (точнее, по факту, «стильное падение», если цитировать классиков). Практически неуправляемый и с весьма неслабыми шансами серьёзных травм в финале. Причину этого сформулировал в конце XV века Леонардо да Винчи — человеку просто не хватало силы. Точнее, энерговооружённости — то есть его сила была слишком мала относительно его веса.

Набросок орнитоптера Леонардо да Винчи, 1489 г.

В попытке если и не побороть, то хотя бы частично смягчить проблему, Леонардо прикинул конструкцию, в которой для приведения крыльев в движение использовались бы мускулы всего тела. Пилот должен был двигать руками и ногами, как пловец. Теоретически — это должно было сделать летательный аппарат более эффективным, чем приводимый в действие одними руками, но добиться устойчивого полёта всё равно вряд ли вышло бы. Впрочем, насколько известно, этот проект так и остался на бумаге, поэтому проверить его на практике не удалось.

Немного отвлекаясь, отметим, что выводы Леонардо справедливы именно для машущего полёта. Он гораздо более энергозатратен. Летательные аппараты более традиционных по современным меркам схем вполне успешно летают на мускульной тяге пилота. Но в те годы традиционным был как раз машущий полёт, а прочие варианты, если и приходили изобретателям в голову, то рассматривались как второстепенные.

В реальности орнитоптер да Винчи так и не был построен, но в игре Assassin’s Creed II история альтернативная, там аппарат не только воплощён, но и успешно используется

Несмотря на выкладки да Винчи и распространение новых методов полёта (аэростаты, воздушные змеи, планеры), идея летать именно по-птичьему долго не отпускала энтузиастов. Даже в начале XX века, когда уже вовсю летали аэропланы, находились поклонники «классических методов». Например, в Монголии, некто Хайнзангийн Гэлэнху удостоился в наши дни памятника за попытку полететь на крыльях, сделанных из овечьей шерсти и орлиных перьев. По одной из версий, сделал он это аж в 1932 году, после того, как увидел советские военные самолёты, помогавшие официальным властям подавлять Хубсугульское восстание. Зрелище настолько потрясло немолодого уже овцевода (ему на тот момент было за пятьдесят), что он решил повторить увиденное своими силами. Конечно, в меру собственного скромного понимания. Не имея никакого технического образования, он не смог понять принцип работы самолёта, поэтому сделал то же самое, что делали за многие века до него — устроил косплей Икара. Полёт завершился ожидаемо неудачно, но отважный пастух понравился народу и даже заслужил прозвище «парашютист Гэлэнху».

Памятник «парашютисту Гэлэнху», установленный в аэропорту города Мурэн

Что же касается более серьёзных опытов, то в конце XIX века наконец удалось создать и полноценно летающие орнитоптеры. Правда, только в виде масштабных моделей. Таких маленьких махолётов было построено много, и все они приводились в движение резиновыми жгутами, пружинами и миниатюрными паровыми машинами. А в 1889 году французский изобретатель Густав Труве продемонстрировал представителям Парижской академии наук «Механическую птицу» (Oiseau Mécanique), модель орнитоптера, крылья которого приводились в движение поочерёдно срабатывавшими холостыми револьверными патронами. Аппарат сумел преодолеть расстояние около 80 метров, что для его миниатюрных размеров было вполне солидной дистанцией.

«Механическая птица» Густава Труве, 1889 год.

С полноразмерными пилотируемыми орнитоптерами дела обстояли сложнее. Известный пионер авиации, немецкий планерист Отто Лилиенталь, в начале 1890-х годов разрабатывал аппарат, который мог бы не только парить, но и активно перемещаться в воздухе именно благодаря подвижным крыльям. Увы, завершить работу Лилиенталь не успел, в августе 1896 года он погиб во время очередного полёта.

В Великобритании созданием орнитоптеров на рубеже XIX-XX веков занимался Эдвард Фрост. В 1890-е годы он построил махолёт с паровым двигателем, но ему не хватило мощности, силовая установка вместо ожидавшихся от неё 20-25 лошадиных сил, выдала всего пять. Второй попыткой стал орнитоптер доработанной конструкции и увеличенных габаритов, оснащённый двигателем внутреннего сгорания. Фрост построил его в 1902 году и продолжительное время испытывал. Наконец, в 1904 году машина смогла оторваться от земли, но не более того. Кроме мелких подскоков, от неё ничего добиться не получалось. Фрост, кстати, несмотря на это, впоследствии стал аж целым президентом Королевского воздухоплавательного общества.

Орнитоптер Эдварда Фроста, вторая модель, 1902 год.

Во Франции орнитоптерами в начале XX века занимался инженер Рене Риу. Поначалу он занимался обычными аэропланами, но потом, видимо, счёл их слишком банальными (ведь их в те годы конструировали все кому не лень) и переключился на махолёты. В 1913 году Риу при помощи своего коллеги Жана-Мари Дюбуа построил пилотируемый орнитоптер с бензиновым двигателем мощностью 35 лошадиных сил. В его конструкции было много интересных решений. Например, чтобы избежать удара крыльев о землю, старт происходил «по-самолётному» — машина разгонялась, удерживая крылья неподвижно и в горизонтальном положении. Двигатель в это время вращал колёса шасси. Когда орнитоптер набирал достаточную скорость и отрывался от земли на несколько метров, тяга переключалась с колёс на крылья, и последние переходили в машущий режим. Испытаниям аппарата помешали проблемы с двигателем, а исправить их, в свою очередь, не дала начавшаяся в 1914-м Первая мировая война. Лишь в 1916 году Риу смог вернуться к работе над машиной. Он внёс в конструкцию некоторые улучшения и установил новый мотор на целых 50 «лошадей». В этот раз орнитоптеру удалось подняться в воздух, однако полёт завершился аварией. Никто не пострадал, но машина была разрушена. Восстанавливать её Риу не стал, но идею машущего полёта не забросил. Мы ещё вернёмся к нему далее.

Орнитоптер Дюбуа-Риу, 1913 год.

В 1929 году немецкий авиаконструктор Александр Липпиш, более известный экспериментами с самолётами схемы «летающее крыло», испытал орнитоптер собственной разработки. Пролететь удалось порядка трёхсот метров, что Липпиш и поспешил объявить первым в мире успешным полётом орнитоптера. Многие, однако, выражают сомнение в справедливости такой трактовки, поскольку аппарат Липпиша был поднят в воздух с помощью самолёта-буксировщика. В итоге непонятно, сколько именно из этих трёх сотен метров он пролетел именно из-за своих машущих крыльев, а сколько просто планировал. Справедливее всего будет, наверное, поставить орнитоптер Липпиша в один ряд с проектами Фроста и Риу. То есть в воздухе он как-то, конечно, держался, но о полноценном полёте речи нет.

В СССР с махолётами экспериментировал Борис Черановский, как и Липпиш, он больше известен работой над самолётами без хвостового оперения («бесхвостки» и «летающие крылья»). Полёты проводились в 1921, 1934 и 1935 годах, но закончились тем же, что и у всех, аппараты планировали, будучи поднятыми в воздух или запущенными в вершины холма, но машущие крылья на их перемещение значимого воздействия не оказывали.

Упомянутый нами выше Рене Риу, как уже было сказано, не забросил идею машущего полёта. После окончания Первой мировой он работал в нескольких авиастроительных компаниях и участвовал в проектировании гоночных самолётов. В 1933 году он представил Авиационной технической службе (государственный орган Франции, координирующий исследования в области воздухоплавания) несколько моделей орнитоптеров. Одна из них вполне успешно прошла двухсотчасовые испытания в аэродинамической трубе. По итогам с Риу в 1937 году был заключён контракт на постройку пилотируемого прототипа. Аппарат получил обозначение Riout 102T и название Alérion («Алерион», вымышленная геральдическая птица). Внешне он, правда, больше напоминал не птицу, а стрекозу (так как имел две пары крыльев, расположенных друг за другом), так что технически правильнее называть его не орнитоптером, а энтомоптером. Но замнём это для ясности. Аппарат также был сначала испытан в аэродинамической трубе, но, в отличие от моделей, испытаний не выдержал.

Riout 102T Alérion, 1937 год.

Вторая мировая война остановила большинство экспериментов, не имеющих непосредственных практических перспектив, но не все. В Германии в 1942 году некто Адальберт Шмидт испытывал махолёт, приводившийся в движение мотоциклетным двигателем. Машина совершила успешный полёт, преодолев более 900 метров на высоте около 20 метров. После установки более мощного мотора летать он стал ещё лучше, но, как и в случае в Липпишем, был нюанс. Несущие крылья у аппарата были неподвижными и, по сути, ничем не отличались от крыльев обычного самолёта. Машущие плоскости имели относительно небольшой размер и не держали аппарат в воздухе, а лишь двигали его вперёд, фактически играя роль неуклюжего и не особо эффективного пропеллера. Так что считать эту машину орнитоптером в полном смысле этого термина вряд ли возможно.

Адальберт Шмидт и его «орнитоптер». 1942 год.

После окончания войны, в 1947 году, Шмидт построил ещё один вариант махолёта. На этот раз машущие плоскости находились на концах неподвижных крыльев, но всё так же играли роль исключительно движителя, так что полноценным орнитоптером его назвать опять-таки не выйдет.

Вообще, после Второй мировой энтузиасты машущего полёта в основном переключились на модели. Выпускались тематические игрушки, усложнялась конструкция, появлялось дистанционное управление. В наши дни, например, рассматривается возможность использовать небольшие радиоуправляемые орнитоптеры, замаскированные под птиц, в качестве разведывательных дронов для армии и спецслужб.

Пилотируемые образцы появлялись всё реже. В 1959 году английский скульптор Эмиль Хартман построил орнитоптер с мускульным приводом. Для взлёта его разгонял на буксире легковой автомобиль, то есть это снова был фактически планер, машущие крылья которого лишь помогали ему летать немного дальше обычного.

Орнитоптер Эмиля Хартмана, 1959 год.

Из последних известных экспериментов стоит отметить разве что работы энтузиастов из Университета Торонто, что в Канаде. Там работают как минимум две группы. Одна, под руководством профессора Джеймса Делаурье, создала в начале нулевых аппарат с незатейливым названием Flapper («Машущий крыльями»). Он был оснащён бензиновым двигателем, но с его помощью мог совершать лишь короткие подскоки, отрываясь от земли на две-три секунды. После оснащения машины реактивным ускорителем она смогла совершить более выраженный полёт, но сам Делаурье счёл, что наличие подобного «костыля» не позволяет считать Flapper полноценным орнитоптером.

Flapper профессора де Лурье, 2004 год.

Вторая группа работала над орнитоптерами на мускульной тяге. Один, безымянный, они создали в 1990-е, и он ничем не отличился. Второй, с романтичным именем Snowbird (дословно — «снежная птица», но вообще в обиходе так именуют серого юнко, певчую птичку из семейства воробьиных). Его построили в 2010 году с амбициозной целью попасть в Книгу рекордов Гиннеса. При размахе крыльев в 32 метра (почти как у пассажирского лайнера) аппарат имеет массу всего 43 килограмма (без пилота). Рекорд был официально зафиксирован, но в целом не впечатлил. Девятнадцать с небольшим секунд в воздухе — и всего преодолено около полутора сотен метров. К тому же для взлёта опять же использовался разгон на буксире у автомобиля.

Snowbird, 2010 год.

Зачем вообще нужны орнитоптеры в наш век вполне успешных самолётов и вертолётов? Теоретически полноценный махолёт может сочетать в себе достоинства тех и других, то есть свободно маневрировать по вертикали и даже, возможно, взлетать без разбега, при этом имея возможность летать горизонтально с относительно высокой скоростью. Проблема в том, что осуществить подобное получается только в небольших размерах. То есть у птиц и на моделях, имеющих сходные с птицами размеры. Попытка масштабировать схему на полноценный пилотируемый аппарат, даже компактный и одноместный — заканчивается провалом.

Возможно, со временем, когда будут созданы более лёгкие, прочные и гибкие материалы, а также двигатели с более выгодным соотношением массы и мощности, получится создать нормальный орнитоптер. Но полноценным воздушным транспортом они вряд ли станут. Самолёты летают быстрее, вертолёты более манёвренные, а ещё могут появиться какие-нибудь принципиально новые летательные аппараты. Так что «Дюны» ждать не стоит, скорее всего, орнитоптер станет спортивным и развлекательным снарядом, как какой-нибудь параплан.

---

НЛО прилетело и оставило здесь промокод для читателей нашего блога:

— 15% на все тарифы VDS (кроме тарифа Прогрев) — HABRFIRSTVDS.

Боинг: V-22 Оспри

V-22 Osprey — многоцелевой боевой самолет совместной службы, в котором используется технология конвертоплана, сочетающая вертикальные характеристики вертолета со скоростью и дальностью полета самолета. С его роторами в вертикальном положении он может взлетать, приземляться и зависать, как вертолет. Поднявшись в воздух, он может превратиться в турбовинтовой самолет, способный к высокоскоростному полету на большой высоте. Эта комбинация приводит к возможностям глобального охвата, которые позволяют V-22 заполнить оперативную нишу, в отличие от любого другого самолета.

Тяжелый подъемник

«Оспри» может перевозить 24 боевых десанта или 20 000 фунтов внутреннего груза или 15 000 фунтов внешнего груза.

Высокая скорость

Обладая максимальной скоростью 270 узлов (500 км/ч) при SL, Osprey может быстро реагировать на отдаленные угрозы.

Складные винты

Крылья Osprey складываются в конфигурации 63 фута, 18 футов на 18 футов, что занимает меньше места на авианосце.

Универсальная проверенная технология

Два заказчика использовали технологию поворотного винта и налетали на самолете более 500 000 часов.

Поддержка на протяжении всего жизненного цикла

Компания Boeing обеспечивает поддержку и услуги для миссии V-22 по всему миру, не отставая от двух заказчиков самолета.

Оптимизация готовности флота Osprey по всему миру — одна из многих задач Boeing. От заключения контрактов на логистику и комплексной поддержки парка до технического обслуживания, модификации и ремонта вертикальных подъемников, Boeing предлагает широкий спектр инновационных продуктов и услуг, которые напрямую поддерживают и расширяют возможности при одновременном снижении общей стоимости владения. Эти отмеченные наградами услуги варьируются от транзакционных запасных частей до полных решений поддержки жизненного цикла, которые уникально адаптированы к требованиям каждого клиента V-22.

21 марта 2022 г. в Defense

Boeing передает оригинальную модель аэродинамической трубы V-22 Osprey Американскому вертолетному музею и образовательному центру.

Узнать больше

29 апреля 2022 г. в Defense

На фотографии CV-22 проводит операции с подводными лодками для Командования специальных операций США.

Узнать больше

1 марта 2022 г. в Defense

Коммодор ВМС высоко оценивает возможности конвертоплана и недавние характеристики на борту авианосца «Карл Винсон».

Узнать больше

3 сентября 2020 г. в Defense

Объединенная испытательная группа V-22 недавно провела важные летные испытания на борту амфибийных кораблей ВМС США USS Wasp и USS New York .

Узнать больше

27 августа 2020 г. в Defense

Группа подростков из Сент-Луиса провела летние каникулы, повышая боеготовность парка самолетов CV-22 ВВС США.

Узнать больше

1 августа 2019 г. в Defense

Boeing празднует открытие современного завода V-22 Osprey за пределами Филадельфии.

Узнать больше

8 сентября 2015 г. в Defense

Пилот ВВС США майор Бретт Кэссиди воссоединяется с CV-22, на котором он летел через перестрелку. Их невероятная история, когда они собираются вместе в Херлбурт Филд, штат Флорида,

Узнать больше

12 июня 2013 г. в Defense

Пятилетние контракты на производство конвертопланов V-22 Osprey и вертолетов CH-47 Chinook.

Узнать больше

13 мая 2013 г. в Defense

Летя низко и быстро на CV-22, капитан Уилл Томпсон глубокой ночью маневрирует самолетом через узкий горный перевал.

Узнать больше

19 сентября 2013 г. в Defense

Компания Boeing обратилась к команде инженеров с опытом работы в NASCAR, чтобы они помогли создать элегантный, универсальный и быстрый автомобиль, который даже не отрывается от земли.

Узнать больше

Компания Boeing выполняет роль штурмовой поддержки Корпуса морской пехоты США с помощью MV-22 с 2007 года. ВВС США и Командование специальных операций ВВС используют вариант CV-22 с 2009 года.. ВМС США начали получать CMV-22 с топливными баками большой дальности в 2020 году. Сухопутные силы самообороны Японии используют модифицированный MV-22 для гуманитарной поддержки, поисково-спасательных и транспортных операций. Морские пехотинцы США также используют свои MV-22 в роли поддержки президента на HMX-1.

• Япония

• США

• Соответствует требованиям ВМС США в отношении боевых поисково-спасательных операций, тылового обеспечения флота и поддержки специальных боевых действий
• Соответствует требованиям Командования специальных операций США в отношении высокоскоростного дальнемагистрального самолета вертикальной подъемной силы
• Может храниться на борту авианосца или десантного корабля, поскольку несущие винты могут складываться, а крылья вращаться
• Имеет возможность дозаправки в воздухе, что является краеугольным камнем возможности самостоятельного развертывания
• Посмотрите выпуск Smithsonian Channel о V-22 «Воздушные воины: чрезвычайно рискованная миссия на вражеской территории»
• Посмотрите сюжет Смитсоновского канала «Воздушные воины: скопы быстро победили военачальника талибов»

НАСА переделывает крыло самолета с электрическим двигателем и большим количеством пропеллеров

Я отчетливо помню прохладный декабрьский день 2013 года  в штаб-квартире моей компании в горах Санта-Крус, когда мы встретились с исследователями из НАСА, чтобы спланировать испытания для романа конфигурация пропеллера для электрического самолета. Каким-то образом наша команда Joby Aviation, исследователи НАСА и коллеги из другого небольшого калифорнийского предприятия провели мозговой штурм и разработали гораздо более амбициозную программу, чем кто-либо из нас ожидал в начале встречи.

Вместо того, чтобы строить и тестировать масштабную модель, мы решили построить полномасштабное крыло — достаточно большое, чтобы поднять четырехместный самолет. И у него будет не два или четыре, а дюжина или более отдельных моторов и пропеллеров, расположенных вдоль передней кромки. Мы могли бы протестировать крыло меньшего размера, установив его на пикап. Полномасштабное крыло потребовало бы чего-то более сложного. И проект нужно было бы завершить менее чем за год, а бюджет был бы достаточно мал, чтобы заставить большинство компаний повернуть хвост. Но мы были привержены.

Фото: Курт Мейсон/Project Habu

Наша новая конфигурация была основана на старой концепции: идея, известная как «выдувное крыло», заключалась в том, чтобы с помощью множества двигателей и пропеллеров перемещать воздух с высокой скоростью по крылу. устанавливается вдоль передней кромки. Обычно скорость этого воздушного потока примерно равна скорости движения самолета; вот почему самолетам нужно набирать скорость, прежде чем они смогут взлететь. Но со многими пропеллерами, обдувающими его воздухом на высокой скорости, крыло ведет себя так, как будто оно движется быстрее, чем есть на самом деле, обеспечивая большую подъемную силу.

Это ключевое преимущество, потому что с большей подъемной силой вы можете использовать меньшее крыло, которое в противном случае потребовало бы чрезмерно длинных взлетно-посадочных полос, чтобы самолет мог взлетать и садиться на высокой скорости. Иначе обстоит дело в полете, когда самолет летит быстро и для обеспечения необходимой подъемной силы требуется лишь маленькое крыло. На этом этапе полета крыло большего размера является недостатком, поскольку силы сопротивления действуют по всей площади крыла, снижая эффективность.

С большим количеством пропеллеров, обдувающих его воздухом на высокой скорости, крыло ведет себя так, как будто оно движется быстрее, чем на самом деле, обеспечивая большую подъемную силу

Так что же выбрать авиаконструктору: большое крыло или маленькое? Взлет и посадка обычно имеют решающее значение, поэтому самолеты получают крылья, которые слишком велики для эффективного крейсерского полета. Большое крыло также означает, что самолет будет больше раскачиваться, когда он сталкивается с турбулентностью.

Взорванное крыло решает эту загадку. Во время взлета и посадки воздух может обдувать крыло на более высоких скоростях, обеспечивая дополнительную подъемную силу без ущерба для крейсерских характеристик. Хотя в прошлом было разработано несколько самолетов с дутыми крыльями, использование двигателей внутреннего сгорания для движения ограничивало возможности их конструкторов. Им пришлось использовать относительно немного больших пропеллеров, которые плохо подходили для проталкивания воздуха на высокой скорости.

Было бы более эффективно разместить большое количество маленьких пропеллеров по всему размаху крыла, но на протяжении большей части истории авиации такое расположение было непрактичным.

Проблема в том, что КПД и удельная мощность (отношение выходной мощности к весу) двигателей внутреннего сгорания резко падают по мере их уменьшения. Таким образом, использование большого количества двигателей меньшего размера приводит к тому, что самолет становится менее эффективным и тяжелым.

Более того, двигатели внутреннего сгорания — сложные звери. Поэтому размещение большого их количества на крыле создало бы кошмар для техобслуживания. Правда, ряд гребных винтов мог вместо этого приводиться в движение системой карданных валов и редукторов, соединенных с одним двигателем или, возможно, с небольшим их количеством. Но такой подход также создал бы дополнительные проблемы с техническим обслуживанием и вынудил бы пойти на различные конструктивные компромиссы, как обнаружила французская фирма Breguet Aviation в 1919 году.60-х годов с его недолговечной моделью 941, в которой использовалось дутое крыло.

Что изменило картину, так это последние достижения в области электрических двигателей. Электродвигатели не теряют большую эффективность или удельную мощность, поскольку они уменьшены. И они чрезвычайно просты — часто имеют только одну движущуюся часть — поэтому требуют минимального обслуживания. В результате использование большого количества небольших электродвигателей, которые можно разместить в местах на самолете, где двигатель внутреннего сгорания был бы непрактично громоздким или тяжелым, например, возле законцовок крыла, не имеет большого недостатка.

Хотя электродвигатели могут приводиться в действие генератором внутреннего сгорания, преимущества еще больше, если самолет работает от аккумуляторной батареи. Действительно, электрическая силовая установка примерно в три раза эффективнее типичной силовой передачи с двигателем внутреннего сгорания. Это также намного тише. А поскольку электричество стоит намного меньше, чем авиационное топливо, эта двойная атака — добавление более эффективной силовой передачи и более эффективный планер из-за меньшего размера крыла — обещает сократить эксплуатационные расходы, особенно с учетом снижения потребности в техническом обслуживании.

Так почему же не все самолеты питаются от аккумуляторов? Потому что, конечно, батареи еще не справляются с этой задачей. Даже лучшие сегодняшние очень тяжелые по своей энергоемкости, что сильно ограничивает дальность полета электрических самолетов. И иногда они склонны к возгоранию, что, по мнению некоторых комментаторов, могло быть причиной фатальной катастрофы электрического самолета в Венгрии в мае этого года. Но технология аккумуляторов, несомненно, со временем улучшится. Поэтому НАСА, Joby Aviation и многие другие компании заняты изучением различных стратегий проектирования электрических самолетов. И реанимация взорванного крыла — одна из них.

Крыло: инженеры НАСА Шон Кларк (вверху слева), Курт Папатакис (вверху справа) и Энтони Кэш (на переднем плане) готовят экспериментальное крыло LEAPTech к наземным испытаниям. Фото: Tom Tschida/NASA

Пять лет назад инженеры НАСА начали задумываться об использовании большого количества электродвигателей для создания продувного крыла, позже назвав проект LEAPTech (Leading Edge Asynchronous Propeller Technology). (Асинхронная часть этого прозвища относится к возможности того, что пропеллеры не обязательно будут вращаться с одинаковой скоростью.)

Joby Aviation, стартап, созданный в 2009 году для разработки персональных электрических самолетов, уже сотрудничал с НАСА. Когда я и мои коллеги по Joby узнали о LEAPTech, мы ухватились за возможность принять участие. Сотрудничество с LEAPTech завершилось Empirical Systems Aerospace (ESAero), еще одним малым предприятием, которое работало с НАСА над исследованием того, как электрическая силовая установка может улучшить характеристики самолета.

НАСА надеялось проверить эту идею с помощью реальных испытаний крыла и пропеллеров, отчасти потому, что соответствующие аэродинамические эффекты очень сложны, и поэтому их моделирование с помощью вычислительной гидродинамики или CFD, возможно, не будет полностью заслуживающим доверия. Еще одна проблема заключалась в том, что эта распределенная силовая установка может оказаться слишком сложной для надежной работы в реальных условиях.

Испытание, задуманное НАСА, должно было показать, сможет ли меньшее по размеру крыло с электрическими пропеллерами передней кромки создать достаточную подъемную силу, чтобы самолет с четырьмя пассажирами мог взлететь с разумной скоростью. Обычно такие испытания проводят в аэродинамической трубе. Но аренда такой аэродинамической трубы превысила бы небольшой бюджет НАСА на проект. Кроме того, очереди на аэродинамические трубы подходящего размера были слишком длинными.

Итак, мы решили протестировать прототип крыла LEAPTech, установив его на грузовик и двигаясь на достаточно высокой скорости, чтобы проанализировать взлетно-посадочные характеристики. Такой тест не беспрецедентен. Возможно, самым известным из них является то, что компания Scaled Composites провела аналогичный тест хвостовой части своего космического самолета SpaceShipOne, метод, который ее инженеры в шутку также назвали CFD (Creative Ford Driving). И Джоби уже много лет проводил подобные испытания с пикапом Ford F-150 Lightning.

Вскоре после судьбоносной встречи в 2013 году, когда мы решили построить и испытать полномасштабное крыло LEAPTech, мы разделили работу. Джоби будет работать с НАСА над дизайном, а также построить крыло, двигатели и пропеллеры, а также модифицировать подходящий грузовик для испытаний. ESAero проведет проводку, настроит необходимое оборудование и устранит неполадки в тестовой установке.

Первоначальные эскизы конструкции НАСА включали крыло с 10 пропеллерами передней кромки для взлета и посадки, а также два отдельных пропеллера, установленных на каждой законцовке крыла для приведения в движение самолета после взлета. Размещение пропеллеров на законцовках крыла, где они могут уменьшить сопротивление, противодействуя вихрям на законцовках крыла, — это еще одна старая идея, которая редко была бы практичной без электрической тяги. Двигатели внутреннего сгорания слишком велики и тяжелы, чтобы их можно было встроить в законцовку крыла, а использование карданных валов и редукторов в крыле для вращения винтов на законцовках создает инженерные головные боли, как и в случае с передними винтами.

После нескольких месяцев анализа проблемы мы пришли к проекту крыла размахом около 9 метров и площадью около 5 квадратных метров. У него будет серия из 18 пропеллеров, каждый диаметром около полуметра, распределенных по длине крыла. В общей сложности 18 двигателей предлагали мощность около 225 киловатт или 300 лошадиных сил.

Хотя это крыло будет использоваться только для наземных испытаний, мы разработали его с учетом конкретного применения: экспериментальный самолет на базе четырехместного двухмоторного винтового самолета Tecnam P2006T. Мы выбрали P2006T, потому что он был хорошего размера, потому что у него были двигатели, установленные на крыле (это означало, что заменить их электродвигателями было бы просто), и потому что руководство Tecnam было в восторге от этого проекта.

Предполагаемый нами экспериментальный самолет будет весить около 1400 килограммов и взлетать со скоростью 61 узл (113 км/ч), а крейсерская — 174 узла (322 км/ч). После того, как самолет поднялся и улетел, использовались только пропеллеры на законцовках крыла. А передние пропеллеры нужны были бы как раз при взлете и посадке. Поэтому мы разработали последние таким образом, чтобы их лопасти могли складываться вровень с гондолами в течение оставшейся части полета, делая их похожими на складывающиеся пропеллеры, используемые в некоторых современных моторных планерах. Но поскольку наши испытания будут ограничены измерением взлетно-посадочных характеристик, тестовое крыло не будет включать ни пропеллеры законцовки крыла, ни механизм складывания.

Эти характеристики делают нашу конструкцию сравнимой с четырехместными винтовыми самолетами, но с гораздо меньшим крылом. Действительно, наше крыло будет примерно в три раза меньше, чем у обычных самолетов. Во всяком случае, на бумаге он все равно обеспечивал бы достаточную подъемную силу для посадки и взлета с нормальной скоростью. Нашей задачей было доказать, что это предположение соответствует действительности.

Для этого мы купили грузовик «Петербилт» — такие можно увидеть, несущиеся по шоссе с прицепом на буксире. На нем мы построили опоры, чтобы установить крыло достаточно высоко, чтобы свести к минимуму аэродинамические эффекты земли под ним. Чтобы уменьшить вибрацию, мы прикрепили крыло к грузовику с помощью четырех мощных подушек безопасности. Гигантский крылатый грузовик выглядел явно странно, но это было именно то, что требовалось для этой работы.

После того, как работы по проектированию и строительству были завершены, мы начали наши испытания на дне высохшего озера в главном летно-испытательном центре НАСА, Центре летных исследований Нила А. Армстронга, на базе ВВС Эдвардс в пустыне Мохаве в Калифорнии. Книга Тома Вулфа 1974 года « The Right Stuff » и одноименный фильм 1983 года сделали это место известным. Именно здесь Чак Йегер впервые преодолел звуковой барьер в 1947 году, и это была первая площадка для посадки космического корабля.

Future X-Plane: специальный стенд (вверху) используется для испытаний маршевых двигателей законцовок крыла предстоящего X-57 Maxwell, который изображен на этой компьютерной визуализации (внизу). Изображения, вверху: Лорен Хьюз/НАСА; Внизу: Advanced Concept Lab/AMA/NASA Langley

Мы использовали тщательно ухоженные участки дна озера, которые используются в качестве резервных взлетно-посадочных полос для программ летных испытаний, которые в настоящее время выполняются в Эдвардсе. Хотя он никогда не оторвется от земли, нам пришлось обращаться с нашей нетрадиционной испытательной платформой как с самолетом и принимать все те же меры предосторожности, чтобы свести к минимуму вероятность того, что мы повредим дно озера или оставим после себя обломки, которые впоследствии могут повредить самолет, совершающий аварийную посадку. посадка там.

После того, как все аккумуляторы и силовые кабели были закреплены, а наша контрольно-измерительная система зафиксировала данные, мы начали наши испытания, которые включали вождение грузовика на скорости примерно до 130 км/ч (80 миль/ч) с крылом, наклоненным под разными углами и с пропеллерами, настроенными на вращение с разной скоростью. Аэродинамическая труба обеспечила бы тщательно контролируемые условия, в то время как нам приходилось оценивать нашу воздушную скорость на основе путевой скорости испытательного транспортного средства и скорости ветра, измеренной несколькими метеостанциями, которые мы разместили вокруг высохшего озера. Чтобы свести к минимуму ошибки и отклонения, мы начали на рассвете, когда ветер был самым спокойным. Нам также приходилось находить дни, когда другим самолетам вряд ли понадобится наша взлетно-посадочная полоса для аварийной посадки, что означало долгое ожидание, пока НАСА испытывало свой беспилотник X-56A, а ВВС испытывали истребитель Lockheed Martin F-35 Lightning II.

После двух месяцев в пустыне мы собрали достаточно данных, чтобы полностью проверить наши компьютерные модели. Мы были рады увидеть ожидаемый прирост производительности. Действительно, тесты показали, что наши прогнозы подъемной силы, которая может быть создана, были несколько консервативными. Наше электрически обдуваемое крыло действительно сработало!

Основываясь на этих обнадеживающих результатах, НАСА решило продолжить изучение концепции продувного крыла с новым экспериментальным самолетом, основанным на том же самолете, который мы исследовали в ходе проекта LEAPTech, Tecnam P2006T. Он будет называться X-57 Maxwell, первым пилотируемым X-Plane НАСА более чем за десятилетие.

Для X-57 мы изменили дизайн различными способами. Во-первых, X-57 будет использовать крыло немного большего размера. Это изменение обеспечит достаточный внутренний объем для установки проводки. Но более важной мотивацией было улучшение характеристик «праздношатания»: хотя энергия, необходимая для преодоления заданного расстояния, увеличивается с увеличением размера крыла, энергия, необходимая для пребывания в воздухе в течение заданного периода времени, на самом деле снижается. Это важно, когда, например, самолет должен кружить над аэропортом, ожидая, когда погода улучшится, чтобы приземлиться.

Мы также решили уменьшить количество передних винтов с 18 до 12, что, по нашему мнению, было бы лучшим компромиссом между простотой и производительностью. Кроме того, взлетная скорость была немного снижена до 58 узлов (107 км/ч), что больше похоже на скорость сопоставимых самолетов. А два законцовочных винта, которые мы проектировали по «толкающей» схеме, были перенесены из-за крыла вперед, чтобы обеспечить дополнительный дорожный просвет при посадке, когда нос самолета поднимается.

Сейчас идет строительство X-57 Maxwell. Оригинальный Tecnam P2006T будет модифицироваться поэтапно. Для его первого полета, который, вероятно, состоится менее чем через год, два двигателя, установленные на крыле, будут заменены двумя электродвигателями без каких-либо иных модификаций крыла. На следующем этапе оригинальное крыло будет заменено на крыло гораздо меньшего размера, а два электродвигателя будут перемещены наружу к законцовкам крыла для большей эффективности. (После этой модификации самолету потребуются более длинные взлетно-посадочные полосы для взлета и посадки.) На заключительном этапе добавятся 12 электродвигателей меньшего размера, расположенных вдоль передней кромки, чтобы позволить ему взлетать и приземляться на типичных взлетно-посадочных полосах, сохраняя при этом эффективность, полученную с меньшее крыло.

Летные испытания X-57 помогут инженерам НАСА оценить эффективность и практичность этой конфигурации. Эти испытания также помогут в разработке следующего поколения распределенных электрических двигателей, которые скоро появятся. Я и мои коллеги из Joby уже завершили исследование, в котором изучается возможность применения аналогичных принципов к 11-местному авиалайнеру [PDF].

Пропеллеры с законцовками крыльев и взорванные крылья — не единственные стратегии, ставшие практическими благодаря достижениям в области электрических двигателей. В качестве другого примера, мои коллеги из Joby и я разрабатываем пятиместный электрический самолет, который использует наклонные пропеллеры для вертикального взлета, а затем переходит к обычному полету самолета, что позволяет ему летать намного быстрее и эффективнее, чем вертолет.

Большинство современных самолетов и вертолетов очень похожи на модели, созданные много десятилетий назад, но, как показывает эта работа, скоро все изменится. Благодаря гибкости электрического двигателя авиация переживает величайший ренессанс в дизайне с момента появления реактивного двигателя. Так что будьте готовы и не забудьте пристегнуть ремень безопасности.

Эта статья появилась в печатном выпуске за август 2018 г. под названием «Изобретая крыло заново».

Алекс Столл — авиационный инженер в компании Joby Aviation в Санта-Крус, Калифорния.

Основы аэродинамики полета

Для тех, кто изучает принципы аэродинамики, эта статья призвана охватить некоторые основы. Например, как работает пропеллер в самолете и каковы четыре силы полета.

Самолеты — сложные машины. Каждая часть должна работать вместе не только для того, чтобы двигаться вперед, но и для того, чтобы преодолевать гравитацию, чтобы летать. Четыре силы полета включают тягу, вес, подъемную силу и сопротивление.

Если вас беспокоит проблема с гребным винтом, и вы хотите провести капитальный ремонт гребного винта для оптимизации аэродинамики, обратитесь в компанию Stockton Propeller. Stockton Propeller — это предприятие по капитальному ремонту и техническому обслуживанию гребных винтов с необходимым оборудованием и опытом для выполнения необходимого технического обслуживания и ремонта.

Тяга

Одним из важнейших компонентов аэродинамики самолета является сила тяги. Движущая сила, создаваемая винтом или ротором, противодействует действию двух из четырех других сил полета — веса и сопротивления.

Пропеллер вашего самолета создает тягу, используя принцип третьего закона Ньютона. Третий закон Ньютона гласит, что на каждое действие будет равное и противоположное противодействие. Воздушный винт или реактивный двигатель, толкающий воздух назад, приведет к движению самолета вперед, если какая-либо другая сила не остановит его.

Пропеллер самолета протолкнет достаточное количество воздуха, чтобы заставить самолет двигаться в направлении, противоположном этой силе. Воздушный винт должен работать с высоким КПД, чтобы обеспечить необходимую тягу для взлета и полета.

Величина необходимой тяги будет меняться во время полета. Как поясняется ниже, вес пропеллера самолета — это всего лишь один компонент веса, который необходимо преодолеть.

Вы также должны учесть массу топлива, необходимого для питания винта. По мере продолжения полета топливо расходуется. По мере расходования топлива его масса уменьшается. По мере уменьшения массы требуется меньшая тяга.

Вес

Еще одна из четырех сил полета — вес. Вес – это сила, вызванная гравитацией.

В этот вес входит не только сам самолет, но и масса груза, топлива, пилота и любых пассажиров. Увеличение веса означает, что аэродинамические силы тяги и подъемной силы также должны увеличиваться.

При полете с винтом вес самого винта должен учитываться при расчете массы. Кроме того, взвесьте или оцените вес всего груза, топлива, пассажиров и всего остального, загруженного в самолет.

Если этот вес точно не определен, это повлияет на летно-технические характеристики самолета. Это также приведет к неправильному расчету объема топлива, необходимого для полета, и даже способности самолета безопасно взлететь.

Если самолет не может создать достаточную подъемную силу и тягу, чтобы компенсировать вес, часть веса необходимо убрать. Чтобы уменьшить избыточную нагрузку, замените материалы устойчивыми, но более легкими материалами или перевозите меньше пассажиров и меньше груза.

Перетаскивание

Сопротивление — сила, направленная назад, вызванная нарушением воздушного потока над крылом, фюзеляжем и другими компонентами самолета. Сила лобового сопротивления должна преодолеваться за счет поступательного движения самолета. Чтобы уменьшить лобовое сопротивление, вам также может понадобиться изменить конструкцию самолета.

Подумайте о сравнительной ветроустойчивости чего-то вроде бумажного самолетика по сравнению с чашкой, которую держат вогнутой стороной к воздушному потоку. Заостренная форма бумажного самолетика позволяет воздуху плавно обтекать его поверхность и крылья.

С другой стороны, чашка улавливает воздух и не позволяет ему проходить мимо. Захват или захват воздушного потока приведет к гораздо большему сопротивлению. Форма самолета позволит воздуху продолжать движение в том же направлении, в котором он изначально двигался, без особых перерывов.

Задаваясь вопросом, как работает пропеллер в самолете, рассмотрите концепцию сопротивления, являющуюся результатом всех аспектов самолета. Осмотрите поверхность самолета, а также положение и форму пропеллера. Оптимизируйте лопасти пропеллера, чтобы создать наименьшее возможное сопротивление, создавая при этом достаточную мощность для движения самолета.

Подъемная сила 

Согласно НАСА, подъемная сила «это сила, которая прямо противодействует весу самолета и удерживает самолет в воздухе». Каждый компонент самолета работает вместе, чтобы противодействовать действию силы тяжести на самолет.

Даже с эффективным винтом самолет в полете с винтом не будет летать, если остальная часть самолета не предназначена для создания подъемной силы.

Лифт — это сложный и часто неправильно понимаемый принцип. Подъемная сила — это сила, создаваемая изменениями давления воздуха над и под компонентами самолета, особенно над крыльями.

Для подъема жидкости или газа: в этом случае необходим воздух вокруг самолета. В дополнение к жидкости или газу вам также нужно твердое тело, чтобы отклонить поток — крылья самолета, закрылки, элероны и другие. Жидкость или газ также должны находиться в движении.

Чтобы понять, как работает пропеллер в самолете, вам нужно привести жидкость в движение, толкая через нее самолет. Самолеты не могут взлететь без питания, чтобы создать этот первоначальный поступательный импульс.

Изогнутая форма крыла создает подъемную силу, заставляя воздух двигаться быстрее через верхнюю часть крыла и снижая давление воздуха. Это пониженное давление приводит к тому, что меньшая сила давит на крыло, сохраняя восходящую силу под крылом, создавая подъемную силу.

Как пропеллер работает на самолете для оптимизации силы полета?

Пропеллер в сочетании с двигателем создает достаточную тягу для движения самолета вперед. Как только самолет движется вперед, оставшиеся четыре силы полета объединяются, чтобы обеспечить необходимую подъемную силу, чтобы поднять самолет в воздух.

Оптимальное взаимодействие этих аэродинамических сил полета обеспечивает эффективное и безопасное путешествие.

Если ваш гребной винт работает недостаточно эффективно для оптимизации тяги, обратитесь в компанию Stockton Propeller. Stockton Propeller — это служба капитального ремонта и технического обслуживания воздушных винтов, которая может оценить ваш самолет и выполнить любое необходимое техническое обслуживание.

Aerospaceweb.org | Музей авиации — V-22 Osprey

ОПИСАНИЕ: Идея объединения возможностей вертикального взлета и посадки вертолета с высокой скоростью Крейсерский полет самолета давно интересовал авиаконструкторов. Хотя у многих производителей пытались разработать конвертопланы или «конвертопланы» с несущими винтами на законцовках крыла, способными поворачиваться между «вертолетный режим» и «самолетный режим», самой успешной компанией в этой области была компания Bell. Белл впервые исследовал концепцию конвертоплана в 1919 г.50-х годов, но идея не привлекла внимания военных до полета исследовательского самолета XV-15 1970-х гг. Эта конструкция, первая, в которой полностью гондола несущего винта была поворотной, что оказалось настолько успешным, что ВМС США предложили Bell и Boeing контракт на разработать концепцию транспортного самолета для морской пехоты. Получившийся V-22 имеет обычную кабину для двух летных экипажей и до 24 полностью вооруженных военнослужащих или грузов. поддоны. Две гондолы двигателей расположены на каждом конце крыла с небольшой передней стреловидностью и способны поворот через 97.5. Для большей безопасности двигатели соединены через сложную серию коробок передач. чтобы один двигатель мог питать обе гондолы в случае отказа другого двигателя. V-22 также складывается в компактный размер для хранения на корабле за счет складывания лопастей гребного винта внутрь и параллельного вращения всего крыла к фюзеляжу. Из-за своей сложности и революционного дизайна программа V-22 столкнулась с техническими трудностями. трудности, дороговизна, споры и угроза отмены. Эти вопросы были поставлены перед в 2000 году после двух несчастных случаев со смертельным исходом и разоблачений того, что офицеры морской пехоты фальсифицировали техническое обслуживание. записи для улучшения показателей готовности самолета. Эти трудности вынудили двухлетнюю задержку программа летных испытаний, в то время как самолет был остановлен для доработок. Однако после почти 20-летнего периода разработки самолет наконец начал поступать на вооружение. Корпус морской пехоты в 2007 году. Первоначально морская пехота планировала закупить 360 единиц МВ-22, а ВМФ требовалось 48 самолетов для вертикального пополнения, а ВВС должны были закупить 50 моделей CV-22. Тем не менее Министерство обороны поручило службам закупить только 141 вариант MV-22 для морской пехоты и 26 CV-22. модели для спецподразделений ВВС. Последнее изменение 22 марта 2011 г.
ИСТОРИЯ:
Первый полет	19 марта 1989 г.
Сервисный вход	июнь 2007 г.
ЭКИПАЖ:	три: пилот, второй пилот, грузчик
ПАССАЖИРЫ:	24 солдата
РАСЧЕТНАЯ СТОИМОСТЬ:	69,9 миллиона долларов [2006 $]
ПРОФИЛЬНЫЕ СЕКЦИИ:
Корень крыла	Белл A821201 (23%)
Кончик крыла	Белл A821201 (23%)
Корень лопасти ротора	XN28/XN18/XN12
Наконечник лопасти ротора	XN09
РАЗМЕРЫ:
Длина	57,33 фута (17,47 м)
Размах крыла	50,92 фута (15,52 м), включая гондолы 84,50 фута (25,77 м) с вращающимися роторами
Высота	21,75 фута (6,63 м) с вертикальными гондолами
Диаметр ротора	38,00 футов (11,58 м) для каждого 3-лопастного ротора
Зона крыла	382 фута (35,49 м)
Область диска ротора	Всего 2268 футов (210,72 м)
Район Утка	непригодный
ВЕС:
Пустой	33 140 фунтов (15 060 кг)
Нормальный взлет	47 500 фунтов (21 545 кг) [вертикальный до]
Максимальный взлет	52 870 фунтов (24 030 кг) [вертикальный TO] 57 000 фунтов (25 910 кг) [короткий TO, наклон 20 градусов] 60 500 фунтов (27 500 кг) [короткий перегон до парома]
Запас топлива	внутренний: 13 850 фунтов (6 295 кг) внешний: неизвестно
Максимальная полезная нагрузка	20 000 фунтов (9 090 кг) внутри 15 000 фунтов (6 820 кг) снаружи Спасательная лебедка грузоподъемностью 600 фунтов (272 кг)
ПРИВОД:
Силовая установка	два турбовальных двигателя Rolls-Royce/Allison AE1107C
Тяга	12300 л. с. (9172 кВт)
ПРОИЗВОДИТЕЛЬНОСТЬ:
Максимальная скорость уровня	на высоте: 390 миль/ч (630 км/ч) [режим полета] на уровне моря: 115 миль/ч (185 км/ч) [режим вертолета]
Начальная скорость набора высоты	2320 футов (705 м) / мин
Сервисный потолок	25000 футов (7630 м)
Парящий потолок (вне эффекта земли)	7000 футов (2135 м) [HV-22] 5000 футов (1525 м) [CV-22]
Диапазон	типичный: 505 морских миль (935 км) паром: 2100 морских миль (3890 км)
г-пределы	неизвестный
ВООРУЖЕНИЕ:
Пистолет	положение для двух рубочных орудий калибра . 50 7,62-мм дистанционно управляемый миниган, обеспечивающий защиту на 360 градусов, находится в разработке
Станции	два внешних узла подвески
Ракета класса «воздух-воздух»	никто
Ракета класса «воздух-поверхность»	никто
Бомба	никто
Другое	никто
ИЗВЕСТНЫЕ ВАРИАНТЫ:
МВ-22	Базовый штурмовой транспорт для морской пехоты США, также оборудованный для медицинской эвакуации (до 12 литров), поисково-спасательные, транспортные и специальные операции; 408 будет построен
ХВ-22	Поисково-спасательная модель для ВМС США, также оборудованная для специальных операций и материально-технического обеспечения флота; 48 изначально планировалось, но эта модель была отменена, так как ВМФ решил закупить стандартный МВ-22. вариант вместо
ЦВ-22	Модель специальных операций для ВВС США, способная скрытно ввести и вывести до 18 военнослужащих, одновременно полет 500 морских миль (925 км) на высоте 500 футов (150 м) или ниже; 50 должны быть построены
ПРВ-22	Боевая поисково-спасательная модель, предложенная ВВС США в качестве замены HH-60G Pavehawk; не разработан
ИЗВЕСТНЫЙ БОЕВОЙ ЗАПИСЬ:	Ирак — Операция «Иракская свобода» (USMC, 2007 г.) Ливия — Операция Odyssey Dawn (USMC, 2011 г.)
ИЗВЕСТНЫЕ ОПЕРАТОРЫ:	США (ВВС США) США (Корпус морской пехоты США) США (ВМС США)
3-ВИДОВАЯ СХЕМА:
ИСТОЧНИКИ: Дональд, Дэвид, изд. Полная энциклопедия мировой авиации . Нью-Йорк: Barnes & Noble, 1997, с. 118, Bell/Boeing V-22 Osprey. Ганстон, Билл и Спик, Майк. Современные боевые вертолеты . Лондон: Книги Саламандры, 1998, с. 96-97, Bell/Boeing V-22 Osprey. Оспри Он-лайн Информационный бюллетень V-22 ВМС США Винчестер, Джим. Концептуальные самолеты: прототипы, X-Planes и экспериментальные самолеты . Сан-Диего, Калифорния: Thunder Bay Press, 2005, с. 42-43, Bell/Boeing V-22 Osprey.

Пропеллеры возвращаются на новый тип авиационного двигателя

Наука и технологии |

Винтовые вентиляторы будут чище и экономичнее

28 июля 2021

W HEN МОДИФИЦИРОВАННЫЙ авиалайнер MD -80 поднялся в воздух на авиасалоне Фарнборо в 1988 году в Великобритании, он должен был представлять будущее воздушное путешествие. Один из его реактивных двигателей, установленных сзади, был заменен на двигатель необычной формы. Он состоял из двух колец коротких пропеллерных лопастей, установленных на открытом воздухе, сразу за корпусом реактивного двигателя и вращающихся в противоположных направлениях. Некоторые называли его пропеллерным вентилятором, другие — вентилятором без воздуховода или открытым ротором. Каким бы ни было название, многие говорили, что оно ознаменовало возвращение винтов для больших пассажирских самолетов.

Послушайте эту историю. Наслаждайтесь аудио и подкастами на iOS или Android.

Ваш браузер не поддерживает элемент

Послушайте эту историю

Экономьте время, слушая наши аудио статьи, поскольку вы многозадачны

Этого не должно было быть. Хотя винтовой вентилятор обещал значительное снижение расхода топлива, двигатель не был запущен в коммерческую эксплуатацию, в основном из-за падения цен на нефть, а также из-за того, что обычные реактивные двигатели стали более эффективными. Но идея никогда не исчезала полностью. Инженеры в Америке и Европе продолжали возиться с винтовентиляторами. В 19В 90-е годы украинская фирма «Антонов» выпустила военно-транспортный самолет под названием АН -70 с четырьмя направленными вперед винтовентиляторами встречного вращения под крылом, хотя было изготовлено всего два прототипа. Теперь, в более экологически сознательном мире, где сокращение выбросов от авиации приобретает все большее значение, винтовые вентиляторы могут вернуться.

Fan-tastic

Идея винтового вентилятора состоит в том, чтобы сочетать экономию топлива винта со скоростью реактивного двигателя. Поскольку медленно перемещать большой объем воздуха более эффективно, чем быстро перемещать небольшое количество воздуха, вентиляторы в передней части современных реактивных двигателей постепенно увеличиваются. Снятие корпуса позволяет сделать вентилятор еще больше.

Используется вентилятор, а не пропеллер (как на турбовинтовых самолетах), поскольку аэродинамические эффекты приводят к тому, что пропеллеры теряют эффективность на высокой скорости. Это происходит, когда движущиеся концы большой лопасти пропеллера достигают сверхзвуковой скорости, вызывая ударные волны, нарушающие воздушный поток. Вентиляторы реактивных двигателей, однако, имеют более многочисленные лопасти и имеют особую форму, немного напоминающую сабли, чтобы не создавать ударных волн. Это должно позволить самолету с винтовыми вентиляторами достичь скорости обычного реактивного авиалайнера.

Винтовой вентилятор, установленный на экспериментальном MD -80, был изготовлен CFM International, совместным предприятием GE , американской инженерной группы, и Safran, французской компании, которая тогда называлась Snecma. В настоящее время пара разрабатывает новую версию, которая, по их мнению, может снизить расход топлива и выбросы CO ₂ более чем на 20% по сравнению с лучшими реактивными двигателями, используемыми в настоящее время. А новый винтовентилятор сможет работать на нетрадиционных источниках энергии, таких как синтетическое авиационное топливо, водород или гибридно-электрическая система. Летные испытания запланированы на 2025 г.

Новый винтовентилятор CFM отличается от более старых моделей различными характеристиками. Как и двигатели на АН -70, он будет располагаться под крыльями, с открытым вентилятором спереди. Однако, в отличие от двигателей AN -70, он будет использовать один вращающийся открытый вентилятор. У него есть второе кольцо лопастей сразу за передним вентилятором, но они не вращаются. Вместо этого они действуют как лопасти, которые направляют поток воздуха назад. Новое устройство менее сложное, чем старое, и должно быть проще в обслуживании.

Новый винтовентилятор также легче, что само по себе экономит топливо и, следовательно, выбросы. Это не только потому, что корпус вентилятора был удален. Реверс тяги, который на обычном реактивном двигателе использует ряд дефлекторов для замедления самолета после его приземления на взлетно-посадочной полосе, также исчез. Вместо дефлекторов на новом винтовентиляторе можно регулировать шаг как вращающихся, так и статических лопастей, чтобы изменить его тягу.

Одна проблема винтовентиляторов — это шум. Это было особенно высоко внутри кабины модифицированного 9.0792 МД -80. Комбинация одного кольца лопаток и достижений в акустическом дизайне должна позволить двигателю соответствовать текущим и ожидаемым нормам по шуму, говорится в документе CFM .

Высказывались опасения по поводу того, что произойдет, если оторвется лопасть винтовентилятора. Обычный реактивный двигатель спроектирован таким образом, что внутри корпуса вентилятора находится отрывная лопасть. Без такого кожуха ничто не может предотвратить удар такого отрыва о фюзеляж или крыло самолета с потенциально катастрофическими последствиями. Это может означать, что части самолета рядом с открытыми лопастями необходимо будет укрепить.

Лучше всего, однако, не допустить, чтобы лезвия сломались. В этом помогут новые материалы. Одним из наследий винтовентилятора MD -80 стало новаторское использование чрезвычайно прочных лопастей, изготовленных из композитных материалов на основе углеродного волокна. Эта технология усовершенствовалась, и теперь лопасти вентиляторов реактивных двигателей и пропеллеры современных турбовинтовых двигателей обычно изготавливаются из композитов. Эти лопасти доказывают свою долговечность, благополучно налетая миллионы часов, говорит представитель компании 9.0792 ЦФМ .

Установка винтовентиляторов под крыльями самолета больше соответствует тому, как строятся современные авиалайнеры. Это также упрощает техническое обслуживание и проверку безопасности. Тем не менее, консорциум заявляет, что может создать «толкающую» версию, если производитель самолетов захочет спроектировать самолет с двигателями в задней части, как у старого MD -80.

Новые конструкции самолетов находятся в разработке, но два основных производителя авиалайнеров, Боинг и Эйрбас, еще не взяли на себя обязательства по каким-либо крупным новым проектам. CFM надеется, что винтовентилятор станет претендентом на роль нового поколения ближне- и среднемагистральных самолетов, хотя его можно будет использовать и на больших широкофюзеляжных самолетах. Если летные испытания пройдут успешно, примерно через десять лет путешественники могут обнаружить, что самолет, на который они садятся, снова оснащен винтовыми двигателями. ■

»

Наука и технологии 29 июля 2021

• Пропеллеры возвращаются в новый тип авиационного двигателя
• Данные не лгут, но они могут привести ученых к противоположным выводам
• Мухи, черви и пчелы могут помочь обнаружить болезни

Из выпуска от 29 июля 2021 г.

Откройте для себя истории из этого раздела и многое другое в списке содержания

Ознакомьтесь с изданием

Повторно используйте этот контент

Аэрокосмическая промышленность | Бесплатный полнотекстовый | Компьютерное исследование аэродинамического взаимодействия винта с крылом

1. Введение

Для полетов на малых скоростях винтовые самолеты более эффективны, чем реактивные двигатели. Воздушные винты крупногабаритных самолетов обычно размещают на крыле и в передней части, что может резко изменить аэродинамику крыла и других частей самолета, находящихся в воздушном потоке воздушного винта. Пропеллеры этих самолетов обычно работают с постоянной (желаемой) скоростью вращения. Затем угол лопасти винта регулируется в соответствии со скоростью полета для достижения максимальной эффективности. Пропеллеры также могут вращаться в одном или противоположном направлении. Понимание влияния этих винтов на аэродинамические характеристики, устойчивость и управляемость самолета, вибрацию и шум является сложной и дорогостоящей задачей с использованием аэродинамической трубы или летных испытаний. Имеются существенные недостатки при использовании простых аналитических методов, таких как импульсная теория Фруда [1] и Ренкина [2]. Альтернативой является использование вычислительных методов, которые позволяют быстро и точно прогнозировать взаимные помехи между воздушным винтом и крылом. Кроме того, растет интерес к использованию пропеллеров в новых и новаторских концепциях конструкции, таких как летающие такси, или в беспилотных летательных аппаратах или дронах для разведки и миссий по доставке полезной нагрузки. Для этих концепций не существует исторических данных, и, таким образом, проектированию этих транспортных средств поможет ранняя доступность высококачественных вычислительных моделей, позволяющих определять законы управления.

Достижения в вычислительном моделировании винтов описаны в литературе [3]. Простым способом гребные винты можно физически заменить тонкими исполнительными дисками, используя теорию импульса Фруда-Ренкина. Этот подход предполагает бесконечное количество тонких лопастей пропеллера и невязкое течение через диск. Тогда модель должна обеспечивать непрерывность массового потока между передней и задней гранями диска. В зависимости от входной тяги и скорости вращения задняя грань будет иметь скачок полного давления, полной температуры и скорости. Усовершенствованные вычислительные методы скользящих интерфейсов, химер или наложенных сеток также использовались для моделирования потока пропеллера [4,5,6,7]. Результаты такого моделирования хорошо сравнимы с доступными данными аэродинамической трубы. Периодическая неустойчивость спутного потока была зафиксирована в подъемной силе и сопротивлении крыла, а также были задокументированы повышенные пики всасывания на передней кромке крыла для двигателей, установленных на крыле. В дополнение к взаимодействию воздушного винта с крылом, на другие компоненты самолета также может влиять локальная неустойчивость в зависимости от взаимного положения воздушного винта и компонента самолета. Для традиционных однодвигательных самолетов хорошо известно, что взаимодействие следа и фюзеляжа и хвостового следа имеет большое значение при конфигурациях с высокой мощностью и низкой воздушной скоростью, например, во время взлета. В этих условиях самолет испытывает рыскание влево, если не предпринимается никаких управляющих действий для противодействия результирующей силе. Кроме того, на больших углах атаки асимметричные лопастные эффекты приводят к асимметричному смещению центра тяги винта, Р-фактору. Для винтовых самолетов с несколькими двигателями, установленными вдоль крыла, эффект P-фактора можно уменьшить, используя винты, вращающиеся в противоположных направлениях, с обеих сторон самолета. Обратите внимание, что гребные винты C-130H/J вращаются в одном направлении (по часовой стрелке, если смотреть сзади), в то время как гребные винты P-38 установлены с возможностью вращения в противоположных направлениях в зависимости от того, находится ли двигатель с левой или с правой стороны от самолета. самолет. Характеристики встречного потока винтов являются не только конструктивным соображением для традиционных показателей характеристик самолета, но они также могут вносить свой вклад в ограничения и ограничения на использование самолета. Целью данной работы является исследование влияния вращающегося винта на аэродинамику крыла C130-J.

Аэродинамическое моделирование самолета C130 в десантируемой конфигурации было предметом недавних исследований в Академии ВВС США и Центре исследований, разработок и инженерии солдат армии США Natick [8,9,10]. Пропеллеры были смоделированы с очень тонким исполнительным диском в ссылках [8,9]. В этих исследованиях изучались кильватер и поток вблизи грузовой аппарели и открытых десантных дверей. В последующем исследовании [10] тестовые случаи C130H/J были смоделированы с полностью разрешенной геометрией лезвия и с использованием подхода с перекрывающейся сеткой. Результаты моделирования сравнивались с предыдущими исследованиями, в которых гребные винты представлялись тонкими исполнительными дисками, и они показали, что эффекты гребных винтов увеличивают средние скорости вокруг открытой двери и в большинстве мест за открытой грузовой рампой в измеренных точках. Влияние пропеллера на аэродинамику крыла также кратко описано в [10]. Текущая работа расширяет эти исследования и исследует взаимные помехи между воздушным винтом C130J и его крылом. Рассматриваются только компоненты крыла, гондолы и пропеллеры самолета. Смоделированная силовая установка представляет собой шестилопастной двигатель Dowty R39.1 воздушный винт, установленный на внутренней и/или внешней секциях крыла. Исследуются установленные и неустановленные характеристики этого воздушного винта. Установленное исполнение включает один гребной винт, установленный на внутренней или внешней гондоле, и два гребных винта, установленные на внутренней и внешней гондолах. Пропеллеры могут вращаться по часовой стрелке (CW) или против часовой стрелки (CCW) под разными углами лопастей. Наконец, представлены характеристики сваливания крыла с винтами и без них.

В этой работе используются инструменты и среды сбора вычислительных и инженерных исследований Программы модернизации высокопроизводительных вычислений (HPCMP) (CREATE) TM-Air Vehicles (AV) Kestrel (версия 8.0) для исследования аэродинамического взаимодействия винтового крыла самолета C130J. . Статья организована следующим образом: сначала описываются решатель Computational Fluid Dynamics (CFD) и тестовые примеры. Затем кратко представлены характеристики воздушного винта и аэродинамическое взаимодействие винт/крыло. Далее статья завершается презентацией результатов аэродинамического взаимодействия крыла и воздушного винта самолета C130J.

2. Решатель CFD

Решатель потока, используемый в этой работе, представляет собой вычислительный инструмент с неподвижным крылом программы CREATETM-AV, то есть Kestrel. Решатель, разработанный Министерством обороны (DoD), финансируется DoD HPCMP. Программа CREATETM направлена ​​на устранение сложности применения инженерных расчетов для улучшения процессов сбора данных Минобороны [11] и состоит из трех наборов инженерных инструментов, основанных на вычислительных технологиях, для проектирования летательных аппаратов, кораблей и радиочастотных антенн. Код анализа неподвижного крыла Kestrel является частью проекта Air Vehicles Project (CREATETM-AV) и представляет собой модульный, междисциплинарный инструмент моделирования виртуальных самолетов, включающий аэродинамику, интеграцию реактивного движения, структурную динамику, кинематику и кинетику [11]. Код имеет инфраструктуру на основе Python, которая объединяет компоненты, написанные на Python, C, C++ или Fortran [12]. Новые модули легко интегрируются в код.

В работе используется Kestrel версии 8.0. Решатель потока кода дискретизирует усредненные по Рейнольдсу уравнения Навье-Стокса (RANS) в форму конечного объема с центром в ячейке. Затем программа решает нестационарные, трехмерные, сжимаемые RANS-уравнения на гибридных неструктурированных сетках [13]. В коде используется метод линий (MOL) для разделения схем временной и пространственной интеграции друг от друга [14]. Пространственная невязка вычисляется по схеме типа Годунова [15]. Пространственная точность второго порядка достигается за счет реконструкции методом наименьших квадратов. Численные потоки на каждой грани элемента рассчитываются с использованием различных точных и приближенных схем Римана с методом по умолчанию, основанным на схеме HLLE++ [16]. Кроме того, в коде используется субитеративный метод точечно-неявной схемы (типичный метод Гаусса-Зейделя) для повышения временной точности.

Kestrel получает входной файл расширяемого языка разметки (XML), созданный пользовательским интерфейсом Kestrel, и сохраняет результаты сходимости и объема решения в общей структуре данных для последующего использования компонентом диспетчера вывода. Некоторые из моделей турбулентности, доступных в Kestrel, включают модели турбулентности Spalart-Allmaras (SA) [17], Spalart-Allmaras с коррекцией вращения/кривизны (SARC) [18], модель Mentor’s SST [19] и Delayed Detached Eddy Simulation ( DDES) с SARC [20].

Kestrel позволяет моделировать одно и несколько тел (перекрытие). Для примера C130 самолет определяется как корпус в Kestrel, а пропеллеры определяются как дочерние элементы основного корпуса. Таким образом, любое движение, прикладываемое к летательному аппарату, будет воздействовать и на пропеллеры. Точно так же закрылки должны быть определены как дочерние элементы корпуса самолета в коде, но для задачи разделения магазина должны быть определены разные тела. Kestrel использует подход с перекрывающейся сеткой, который позволяет независимо перемещать и вращать каждое тело и его дочерние элементы. Перекрывающиеся сетки генерируются индивидуально, без необходимости принудительно выравнивать точки сетки с соседними компонентами. Однако между телами должны быть небольшие промежутки, чтобы избежать пересечения тел в коде. Кроме того, Kestrel допускает заданные или шесть степеней свободы движения жесткого летательного аппарата [12]. Тела и их потомки могут иметь собственные движения. Например, винты С-130 могут вращаться вокруг своей оси вращения, в то время как весь самолет совершает разворотный маневр.

Лопасти пропеллера могут быть полностью разрешены в Kestrel с использованием подхода с перекрывающейся сеткой. Программа также позволяет моделировать гребные винты в виде тонких приводных дисков, в которых площадь диска соответствует диаметру гребного винта. Возможно использование равномерного или неравномерного распределения тяги. Неоднородный случай требует заданного радиального положения для максимальной силы тяги. Профиль нагрузки считается линейным с нулевой тягой на внутреннем радиусе лопасти, затем увеличивается до радиального положения максимальной тяги, а затем уменьшается до нуля на конце ротора.

3. Характеристики воздушного винта

Вращающиеся воздушные винты оказывают существенное влияние на аэродинамику самолета, его устойчивость и управляемость из-за эффекта спутного потока и следа от воздушного винта. Характеристики установленного воздушного винта также изменяются из-за подъема крыла вверх [21]. Таким образом, установленная конфигурация должна обеспечивать максимальную эффективность воздушного винта при минимальных неблагоприятных воздействиях на аэродинамику самолета [22]. Пропеллер увеличивает скорость воздуха и изменяет направление потока за ним. Увеличение динамического давления увеличивает подъемную силу и сопротивление крыла. Изменение направления потока приводит к изменению местного угла атаки крыла. Поток воздушного винта также задерживает сваливание самолета [23]. В то время как это является благоприятным эффектом, сваливание винтов может быть неприемлемым [24]. Например, усовершенствованные воздушные винты, использовавшиеся в первоначальных конструкциях C-130J, предотвращали сваливание внутреннего крыла [24] и, следовательно, сваливание начиналось на законцовках крыла, что приводило к потере управления по крену. Кроме того, высоконагруженные гребные винты создают след от гребного винта из-за сильных концевых вихрей, образующихся на концах лопастей гребного винта. Когда эти винты установлены в передней части крыла, след винта вызывает значительное изменение в распределении подъемной силы и сопротивления по размаху крыла [25]. Это также может вызвать нестационарное распределение нагрузки по самолету.

Ссылка [26] описывает несколько эффектов помех от воздушных винтов. В этой ссылке секция крыла разделена на области, а характеристики воздушного винта подробно описаны для четырех точек законцовок лопастей. В соответствии с рекомендациями, приведенными в [26], на рис. 1 показан C-130H с двумя винтами Hamilton Standard 54H60, вращающимися в противоположных направлениях. Учитываются только эффекты внутреннего винта. Крыло разделено на четыре области: (1) первая область («R1») — от фюзеляжа до законцовки винта; (2) область два («R2») закрывает правую оконечность гребного винта до ступицы; (3) третья область («R3») простирается от ступицы до левого конца гребного винта; (4) и, наконец, четвертая область («R4») — от диска винта к законцовке крыла. Кроме того, четыре точки отображаются на отображаемом внутреннем гребном винте. Эти точки находятся на кончике каждого лезвия. Области крыла 2 и 3 находятся за винтом и подвержены влиянию встречного потока винта. В R2 подъемная сила увеличивается за счет увеличения динамического давления и местного угла атаки. В R3 угол атаки уменьшается, что противодействует тенденции увеличения подъемной силы за счет увеличения динамического давления за винтом. Как сообщается в Ссылке [26], эффекты пропеллера не ограничиваются R2 и R3, и также могут наблюдаться некоторые изменения в R1 и R4. Что касается характеристик воздушного винта, поток воздуха вверх вызывает асимметричную нагрузку на лопасти воздушного винта, так что угол атаки увеличивается в точке P2 и уменьшается в точке P4. На пункты 1 и 3 также влияет наличие крыла. Наличие гондолы также увеличивает осевую скорость во всех показанных точках.

4. Примеры испытаний

Основное внимание в этой работе уделяется влиянию помех на винт самолета C-130J, в котором используется турбовинтовой двигатель Rolls-Royce AE2100 с шестилопастной системой винтов Dowty 391 диаметром 162 дюйма. Лопасти имеют быстроходную конструкцию с тонким профилем и стреловидной лопастью из композиционных материалов.

Оба гребных винта (внутренний и внешний) вращаются против часовой стрелки (если смотреть спереди) с постоянной скоростью вращения 1020 об/мин или 6120 град/с. Испытываются различные углы лезвия. Пропеллер с углом наклона 20 градусов показан на рис. 2.

Расчетные сетки были сгенерированы в Pointwise версии 18.0 (Форт-Уэрт, Техас, США). Ячейки поверхностной сетки в основном имеют четырехугольную структуру, но везде, где эти типы ячеек невозможно создать, используются треугольные ячейки поверхности. Интерфейс между структурированной и неструктурированной сеткой использует технику поверхностных ячеек T-rex, которая обеспечивает качественный переход между структурированной и неструктурированной поверхностными сетками.

Основной причиной использования четырехугольной сетки является очень хорошее разрешение сетки на передней и задней кромках лопастей и на концах лопастей. Часть хаба также покрыта вставками из структурированных сеток. Объемная сетка полностью неструктурирована со слоем из 50 призм на поверхности пропеллера. Коэффициент роста призматического слоя составляет 1,25, и рост прекращается, когда переход между призматическим слоем и тетраэдрической сеткой становится плавным.

Два набора сеток были созданы для каждого винта при каждом заданном угле наклона лопасти. В первой сетке использовалось граничное условие набегающего потока с внешним диаметром примерно в 25 раз больше диаметра лопасти. Эти сетки содержат примерно 51,1 миллиона ячеек и используются для моделирования неустановленных пропеллеров. Во втором наборе сеток внешняя граница представляет собой выступ диаметром примерно в 1,5 раза больше диаметра лопасти. Эти фермы используются для имитации установленного гребного винта. Эти сетки имеют около 50 миллионов ячеек, состоящих из 27 миллионов призматических ячеек вокруг лопастей и поверхностей ступиц. Наконец, для сетки смещения пропеллера с углом лопасти 20 градусов была сгенерирована новая сетка с зеркальными поверхностями лопастей, чтобы получить пропеллер, вращающийся по часовой стрелке.

Геометрия крыла расширена до симметричной плоскости, внутренние и внешние закрылки опущены на 50% (или 22,5∘) с двумя мотогондолами, установленными под крылом. В этой работе воздухозаборники двигателей моделируются сплошными стенами. Условия прилипания предполагаются на всех твердых стенках. Сетка крыла также создается в версии 18 Pointwise и имеет около 72,5 миллионов ячеек, состоящих из около 41 миллиона призматических ячеек вблизи поверхностей стен и 31 миллиона тетраэдрических ячеек в других местах. Единицы сетки указаны в дюймах, и в этой системе половина размаха крыла составляет 783,5 дюйма, как показано на рисунке 3. Осевые линии внутренней и внешней гондол проходят под углом 193 дюйма и 397 дюймов от корня крыла соответственно.

В моделировании крыла и пропеллера крыло определяется как родительский корпус, а пропеллер — как его дочерний элемент. Это полезный подход, поскольку любое движение, примененное к крылу, будет применено ко всем дочерним элементам, то есть к пропеллерам. Корпуса гребных винтов используют те же сетки и определяются с помощью вектора смещения, чтобы гребные винты устанавливались внутри или снаружи. Затем рассматриваются различные конфигурации крыла/пропеллера; некоторые примеры показаны на рис. 4. В первом случае рассматривается только геометрия крыла, включая геометрию гондол двигателей и ступицы воздушного винта. Во втором случае на внутренней гондоле установлен одиночный воздушный винт. Пропеллер мог вращаться по часовой стрелке или против часовой стрелки и мог иметь разные углы наклона лопастей. В третьем случае на внешней секции крыла установлен одиночный воздушный винт; винт мог снова вращаться по часовой стрелке или против часовой стрелки и мог иметь разные углы наклона лопастей. В последнем случае на внутренней и внешней гондолах устанавливаются по два гребных винта. Они могут вращаться в одном или противоположном направлении. Обратите внимание, что при подходе к этой работе со смещением необходим небольшой зазор между решетками крыла и винта. Кроме того, файлы движения применяются только к гребным винтам, у которых втулка и лопасти вращаются одновременно.

5. Результаты и обсуждение

Во всех расчетах CFD используется модель турбулентности SARC DDES. Моделирование пустельги выполняется в нестационарном режиме, в котором также используется точность второго порядка по времени. Шаг по времени 0,001 с, временное затухание 0,01 и три подитерации Ньютона используются для неподвижных сеток. Для вращающихся винтов установлено восемь подитераций.

5.1. Характеристики гребного винта

Характеристики шестилопастного гребного винта Dowty R391 исследованы с использованием инструментов моделирования Kestrel. Условия потока во всех симуляциях соответствуют воздушной скорости 130 KIAS (приведенная воздушная скорость в узлах) на высоте 1000 футов и нулевым углам атаки и бокового скольжения. Сетки пропеллеров с большими внешними границами и условиями набегающего потока используются для исследования характеристик неустановленных пропеллеров. Решетки (ступица и лопасти винта) вращаются вокруг оси x со скоростью 6120 град/с. Силы и моменты всех поверхностей (стенки скольжения) (ступица и лопатки), а также поверхности каждой лопатки записываются в отдельные файлы. Результаты моделирования показывают, что силы и моменты на лопастях достигают установившихся значений для гребных винтов с постоянной скоростью. Результаты подтверждают, что аэродинамические силы и крутящие моменты, воздействующие на каждую лопасть, также симметричны.

На рис. 5 показаны нагрузки на лопасти гребных винтов, вращающихся по часовой и против часовой стрелки, установленных на внутренней секции крыла в последний момент моделирования. Обратите внимание, что пропеллеры вращаются с постоянной скоростью 1024 об/мин. Растворы окрашены коэффициентом давления. В вычислительной установке этих симуляций силы и моменты на каждой лопасти записываются отдельно. Отношение силы тяги на каждой лопасти к общей тяге гребного винта показано на рисунке 5. Обратите внимание, что для изолированных (не установленных) гребных винтов все лопасти показывают одинаковые значения тяги. На рис. 5 видно, что установленные винты имеют разную нагрузку в зависимости от направления вращения. На рис. 5а показано решение пропеллера, вращающегося против часовой стрелки. Результаты показывают, что лопасти, движущиеся вниз (противоположно движению крыла вверх), имеют большую силу тяги, чем лопасти, движущиеся вверх. Максимальная тяга приходится на самую нижнюю лопасть. Аналогичным образом, на рис. 5b показано решение для пропеллера, вращающегося по часовой стрелке с постоянной скоростью вращения 1024 об/мин. Как видно в случае вращения против часовой стрелки, лопасти, движущиеся вниз (противоположно движению крыла вверх), имеют большую силу тяги, чем лопасти, движущиеся вверх. Максимальная тяга снова возникает на самой нижней лопасти.

5.2. Аэродинамическое взаимодействие крыла и воздушного винта

Количество временных шагов во всех симуляциях равно 6500. Из этих временных шагов 500 используются в режиме запуска, что помогает сгладить влияние сплошных стен, время нарастания, сглаживание эффектов адвективного демпфирования , и подготовьте решение для движений сетки или нестационарного моделирования [27]. Однако время моделирования и, следовательно, физическое время будут оставаться нулевыми в течение этих временных шагов запуска. Условия потока во всех симуляциях снова соответствуют воздушной скорости 130 KIAS на высоте 1000 футов и нулевым углам атаки и бокового скольжения. Для моделирования поведения сваливания угол атаки варьируется от нуля до 12 градусов. Для поверхностей крыла и графиков Cp использовались усредненные по времени решения из последних 3000 итераций.

Все пропеллеры вращаются против часовой стрелки, если не указано иное. Скорость вращения 1020 об/мин или 6120 град/с. В таблице 1 приведен список симуляций.

Был написан ряд скриптов для извлечения срезов в разных местах крыла по размаху. Эти местоположения даны в дюймах и могут быть визуализированы на рисунке 3. Другой скрипт вычисляет локальные коэффициенты подъемной силы и сопротивления на основе коэффициентов давления каждого среза, чтобы получить локальное распределение подъемной силы по крылу. В первом наборе результатов сравниваются значения коэффициента давления над крылом для ряда срезов в диапазоне от y=20 до y=420 дюймов только для крыла и крыла с установленным на борту винтом. Пропеллер имеет угол наклона лопастей 20 градусов и может вращаться по часовой стрелке или против часовой стрелки; для каждой настройки выбиралась другая сетка пропеллеров, чтобы иметь положительную силу тяги за счет вращения пропеллеров. Пропеллеры также вращаются со скоростью 6120 град/с (1020 об/мин). Данные о давлении для этих конфигураций показаны и сравниваются на рисунке 6. Обратите внимание, что эти данные соответствуют усредненным по времени решениям для крыла за последние три секунды моделирования.

Обратите внимание, что площадь крыла за внутренним пропеллером варьируется примерно от y=120 до y=280 дюймов. На рис. 6 показано, что эффекты внутреннего пропеллера можно увидеть при меньших позициях по оси y, даже при y=20 дюймов, поскольку графики Cp в этих точках не совпадают друг с другом. Пропеллер против часовой стрелки, установленный на внутреннем крыле, вызывает увеличение разницы давлений между верхней и нижней поверхностями по сравнению с крылом без пропеллера для y = 20 до y = 120 дюймов. Вращение против часовой стрелки вызывает восходящий поток в этих областях и увеличивает локальный угол атаки. Вместо этого пропеллер, вращающийся по часовой стрелке, вызывает уменьшение разницы давлений между верхней и нижней поверхностями по сравнению с крылом без пропеллера для положений от y=20 до y=120 дюймов. Это происходит из-за воздействия воздушного винта на эту область крыла. Обратите внимание, что влияние отклоненных закрылков можно увидеть на графиках Cp для положений при y = 100 дюймов и выше. В диапазоне от y = 120 до y = 200 пропеллер, вращающийся против часовой стрелки, снова вызывает значительные различия между верхней и нижней поверхностями. с конфигурацией только крыла. Причина заключается в комбинированном воздействии восходящего потока и увеличения импульса позади гребного винта в этой области. Пропеллер, вращающийся по часовой стрелке, также показывает большие различия из-за увеличения импульса, но различия все же меньше, чем пропеллер, вращающийся против часовой стрелки.

Вблизи центра гондолы, т. е. y=193 дюйма, оба гребных винта показывают почти одинаковые графики Cp, поскольку скорости нисходящего и восходящего потоков малы в этой области. От y = 200 дюймов наружу эффекты пропеллера меняются на противоположные, т. Е. Пропеллер, вращающийся по часовой стрелке, вызывает поток вверх по крылу, а винт, вращающийся против часовой стрелки, вызывает поток вниз. Наибольшие эффекты можно наблюдать при вращении пропеллера по часовой стрелке в точках от y=200 до y=280 дюймов, где наблюдаются самые большие различия между значениями Cp на верхней и нижней поверхностях. Для y = 280 наружу эффекты вращения пропеллера против часовой стрелки становятся небольшими, и данные о давлении почти совпадают с данными только о крыле. Пропеллер, вращающийся по часовой стрелке, по-прежнему показывает некоторые изменения на графиках Cp до y=380 дюймов из-за эффектов восходящего потока над этими регионами. Эти результаты показывают, что воздушный винт, установленный в передней части крыла, может значительно изменить аэродинамику крыла, особенно за воздушным винтом; эти эффекты зависят от направления вращения пропеллера, и их можно увидеть даже в разных местах крыла, которые не находятся за пропеллером.

Следующие результаты сравнивают данные давления только на крыло с пропеллером, вращающимся против часовой стрелки, с углом наклона лопастей 20 градусов и установленным либо на крыле внутри, либо снаружи. На рис. 7 показаны и сравниваются эти численные данные для срезов крыльев, полученных от y=20 до y=520 дюймов. Установленный снаружи воздушный винт не имеет существенных изменений по сравнению с диаграммами локального давления крыла для положений от y=20 до y=300 дюймов. Однако гребной винт, установленный на борту, создает меньшее давление на верхнюю поверхность и большее на нижнюю поверхность для положений от y=20 до y=300 дюймов из-за эффекта восходящего потока гребного винта. Изменения становятся значительными для y = 120 до y = 200 дюймов из-за комбинированного воздействия потока вверх и увеличения динамического давления позади гребного винта. Большие градиенты увеличения и уменьшения Cp можно увидеть на передней кромке крыла и за винтом. Для y = 200 до y = 280 дюймов эффекты внутреннего гребного винта уменьшаются по мере увеличения эффектов струи вниз, противоположных динамическому давлению. Для y = 280 наружу внутренний винт вызывает меньшую разницу между верхней и нижней поверхностями крыла из-за эффектов струи вниз.

Внешний гребной винт также показывает очень похожие тенденции; однако эффекты на крыле можно увидеть с y = 300 дюймов наружу. В этих регионах крыло подвергается подъему воздушного винта. От y=320 до y=400 наблюдаются комбинированные эффекты восходящего потока и повышенного динамического давления. Для y=400 до y=480 дюймов поток вниз из-за гребного винта противоположен воздействию повышенного динамического давления. Наконец, при y=480 наружу струя гребного винта вниз приводит к меньшему давлению на нижней поверхности и большему давлению на верхней поверхности.

На рис. 8 показаны изоповерхности завихренности только для смоделированных случаев крыла, винты установлены внутри или снаружи крыла с углом наклона лопастей 20 градусов. Внутренние пропеллеры вращаются либо по часовой стрелке, либо против часовой стрелки со скоростью вращения 1024 об/мин. Изоповерхности соответствуют величине завихренности 100. На рис. 8 показан слипстрим, генерируемый позади гребных винтов. Над верхней поверхностью крыла за воздушными винтами образуется область отрицательного давления. Для гребных винтов против часовой стрелки давление за правой стороной гребного винта (если смотреть спереди) более отрицательное, чем за левой стороной. Это опять-таки связано с комбинированным эффектом восходящей струи и повышенного динамического давления. Для пропеллера, вращающегося по часовой стрелке, давление в крыле более отрицательное за левым пропеллером, чем за его правой стороной.

Вихри законцовок крыла и закрылков можно увидеть на рис. 8. Предполагалось, что входное отверстие двигателя представляет собой сплошную стенку. Поэтому входная поверхность испытывает застойное давление. Поток отрывается, делая поворот на 90 градусов на входной кромке. Отрывной поток свернется в два вихря вокруг каждой гондолы, и они будут двигаться вверх. Взаимодействие этих вихрей с крыльями будет формировать два вихря рядом друг с другом на верхней поверхности крыла за каждой гондолой. Эти вихри можно увидеть на рисунке 8а. При наличии пропеллера эти вихри становятся намного больше и поднимаются над поверхностью, как показано на рис. 8c,d. В местах, где воздушный поток пропеллера взаимодействует с поверхностью крыла, возникает вихреобразование.

На рис. 9 сравнивается местное распределение подъемной силы крыла только для крыла и винтов, установленных внутри или снаружи. Местный подъем представлен как Cl.c, который представляет собой местный подъем, умноженный на местную хорду. Винты имеют угол наклона лопастей 20 градусов и скорость вращения 1024 об/мин. Внутренние пропеллеры могут вращаться как по часовой, так и против часовой стрелки. Рассчитанные данные соответствуют усредненным по времени данным. На рис. 9 показано, что местная подъемная сила крыла увеличивается за винтом. Подъем подъемной силы в левой и правой частях винтов различен и будет зависеть от направления или вращения.

Более подробно, на рис. 9a сравнивается местное распределение подъемной силы для конфигурации только с крылом (без винта) с данными для крыльев и установленного внутри винта, вращающегося по часовой стрелке (винт по часовой стрелке) или против часовой стрелки (винт против часовой стрелки). Обратите внимание, что на распределение подъемной силы всех крыльев влияет отклонение закрылков (закрылки расположены примерно на расстоянии от y=85 до y=550 дюймов). Например, при движении к законцовке крыла локальная подъемная сила конфигурации «Без винта» увеличивается, затем постепенно уменьшается, а затем падает за пределы внешнего закрылка. В случае «Без винта» за гондолами происходят локальные изменения подъемной силы из-за входных вихрей, образующихся и над верхней поверхностью. В случае «Винт против часовой стрелки» распределение подъемной силы больше, чем в случае «Без винта» для всех размахов расстояния от 20 до 280 дюймов. Для более дальних расстояний локальный подъем очень близок к данным «без опоры». Рисунок 9а показывает, что локальная подъемная сила «Prop CCW» внезапно увеличивается, перемещаясь к левой стороне винта, пока не достигает максимума, а затем падает. Эффекты вихреобразования видны на графиках, особенно вблизи правого конца (y=276 дюймов) пропеллера, вращающегося против часовой стрелки, и левого конца (y=196 дюймов) пропеллера, вращающегося по часовой стрелке. Крыло конфигурации «Prop CW» имеет меньшую подъемную силу, чем «No Prop» для расстояний от корня крыла до y=80 дюймов из-за индуцированного восходящего потока от воздушного винта. Максимальный подъем происходит за правой стороной винта. Пропеллеры, вращающиеся как по часовой, так и против часовой стрелки, имеют одинаковую тягу в центре ступицы. Рисунок 9b сравнивает данные крыла с винтом, установленным внутри или снаружи. Эффекты подвесного винта видны даже у корня крыла. Пропеллер создает меньшую подъемную силу, чем случай «Без пропеллера», в месте справа от пропеллера.

Следующие результаты сравнивают влияние угла наклона лопасти на аэродинамику крыла. Рассматриваются два угла лопасти 20 и 28 градусов. Один винт устанавливается либо на внутренней, либо на внешней части крыла. Все пропеллеры вращаются против часовой стрелки со скоростью вращения 1024 об/мин. В обоих случаях (внутренний и внешний) гребной винт с углом наклона лопасти 28° имеет сходные тенденции с винтами с углом лопасти 20°, но получаются гораздо большие различия между данными давления на верхней и нижней поверхностях при 28°. градусы угла лопасти. Более подробно на рисунке 10 представлены изоповерхности величины завихренности для этих моделей. Все визуализации соответствуют последнему временному шагу моделирования. На рис. 10 видно, что за винтом с углом наклона лопастей 28 градусов формируется больший слипстрим. Больше областей отрицательного давления над крылом также образовалось с винтами с углом наклона лопастей 28 градусов. Срыв вихрей на стыках крыла и струи винта сильнее для винтов с углом наклона лопастей 28 градусов. Наконец, на Рисунке 11 сравнивается локальное распределение подъемной силы крыла для этих конфигураций. Воздушный винт с углом наклона лопастей 28 градусов обеспечивает большую подъемную силу над крылом. Эффекты срыва вихрей также более заметны на графиках винтов с углом наклона 28 градусов.

Затем сравниваются результаты для одного винта и крыла с внутренними и внешними винтами. В обоих случаях винты имеют угол наклона лопастей 20 градусов, вращаются против часовой стрелки со скоростью вращения 1024 об/мин. На рис. 12 показано местное распределение подъемной силы и изоповерхности завихренности крыла с обоими установленными винтами. В областях между гребными винтами два гребных винта увеличивают местную подъемную силу крыла по сравнению с случаями с одним гребным винтом. В других регионах данные о двухвинтовых двигателях следуют тенденциям локально установленных одинарных винтов. Кроме того, на рис. 13 сравнивается локальное распределение подъемной силы крыльев с двумя винтами, но с разными сценариями вращения. Рисунок 13 показывает, что в зависимости от направления вращения получаются очень разные распределения подъемной силы. Эти эффекты будут важны в конструкции самолета и в том, как контролировать, где крыло остановится в первую очередь.

Окончательные результаты показывают влияние пропеллера на сваливание крыла. На рис. 14 показано распределение подъемной силы четырех конфигураций при углах атаки 9, 10, 11 и 12 градусов. Конфигурации включают крыло без воздушного винта, крыло с внутренним воздушным винтом, крыло с внешним воздушным винтом и крыло с внутренним и внешним воздушными винтами. Все пропеллеры имеют угол наклона лопастей 20 градусов и вращаются против часовой стрелки. На рис. 14а показано, что только крыло заглохло при угле атаки 11 градусов. Увеличение угла атаки до 12 градусов не увеличивает местную подъемную силу в большинстве регионов; он даже отстает от подвесной гондолы. На рис. 15 видно, что при угле атаки 11° поток разделяется в корнях крыла и за мотогондолами. Однако законцовка еще не застопорилась, и подъемная сила увеличивается с увеличением угла атаки на вершине. На рис. 14b,c показано, что местное сваливание крыльев за гребными винтами задерживается за счет установки гребных винтов на внутреннем и внешнем крыле; однако один пропеллер вызывает разделение потока в других регионах. Однако корпус с двумя винтами замедляет сваливание в большинстве положений. На рис. 15 сравниваются изоповерхности завихренности всех этих конфигураций для проверенных углов атаки.

6. Выводы

Винт существенно изменяет аэродинамические характеристики крыла. Эффекты будут зависеть от угла наклона лопастей, направления вращения и положения пропеллеров на крыле. Наиболее значительные эффекты были замечены за винтом. Для гребного винта, вращающегося против часовой стрелки (если смотреть спереди), восходящий поток с левой стороны гребного винта вызывал увеличение местного угла атаки и, следовательно, локального коэффициента подъемной силы. Увеличение подъемной силы будет значительным за гребным винтом из-за комбинированного воздействия восходящего потока и увеличения импульса потока. С правой стороны гребного винта поток вниз уменьшит эффекты повышения динамического давления. За пределами диска гребного винта нисходящий поток вызывает уменьшение местной подъемной силы. Для испытанных гребных винтов увеличение угла наклона лопастей с 20 до 28 градусов также увеличивало местную подъемную силу. Кроме того, была смоделирована двухвинтовая конфигурация, и результаты показывают, что это улучшило распределение подъемной силы крыла по сравнению с одиночными установленными винтами. Наконец, наличие пропеллера задержит отрыв потока и локальный срыв потока над крылом за диском пропеллера. Результаты этой работы показывают возможности инструментов моделирования Kestrel для моделирования и проектирования винтов и исследования их влияния на самолет во время концептуального проектирования, в котором еще нет экспериментальных данных или данных летных испытаний. Это приведет к сокращению количества тестов, необходимых позже. Кроме того, эти результаты могут быть использованы в учебных целях.

Вклад авторов

Все авторы внесли свой вклад в концептуализацию и методологию исследования. К.Б. предоставленной геометрии. А.Дж. разработаны все расчетные сетки. М.Г. и П.А. выполнили все симуляции и подготовили исходный проект. М.Дж.С. является директором HPCRC. К.Б. финансировал это исследование.

Финансирование

Этот материал частично основан на исследованиях, спонсируемых Академией ВВС США в соответствии с номерами соглашений FA7000-17-2-0007 и FA7000-16-2-0010.

Благодарности

Авторы признательны за поддержку вычислительных ресурсов HPMCP и группы поддержки CREATE. Правительство США уполномочено воспроизводить и распространять репринты для правительственных целей, несмотря на какие-либо отметки об авторских правах. Взгляды и выводы, содержащиеся в настоящем документе, принадлежат авторам и не должны интерпретироваться как обязательно отражающие официальную политику или одобрение, выраженное или подразумеваемое, организаций, участвующих в этом исследовании, или правительства США.

Конфликт интересов

Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.

Nomenclature

2

A	Акустическая скорость, M · S — 1
CFD	Динамика вычислительной жидкости
.
CREATE	Инструменты и среды сбора данных для вычислительных исследований и инженерии
CCW	против часовой стрелки
CW	clockwise
D	propeller diameter, m
DDES	delayed detached eddy simulation
F	thrust force, N
M	Mach number , V/a
P	Статическое давление, N/M2
PT	Давление свободного потока, N/M2
Qac
SARC	Spalart–Allmaras with rotational and curvature correction
RANS	Reynolds Averaged Navier–Stokes
t	time, s
VZLU	Czech aerospace research center
V∞	скорость набегающего потока, м·с−1
x,y,z	координаты сетки, м0322
α	угол атаки, град
β	угол наклона лопасти, град О роли, которую играют в движении различия давления жидкости. Транс. Инст. нав. Архит. 1889 , 30, 390. [Google Scholar] Рэнкин В. Дж. О механических принципах действия гребных винтов. Транс. Инст. нав. Архит. 1865 , 6, 13–39. [Google Академия] Уэстморленд, Вашингтон; Трамел, Р.В.; Барбер, Дж. Моделирование полей потока пропеллера с использованием CFD. В материалах 46-й конференции и выставки AIAA по аэрокосмическим наукам, Рино, штат Невада, США, 7–10 января 2008 г. Документ AIAA 2008-0402. [Google Scholar] Stuermer, A. Нестационарное CFD-моделирование эффектов установки пропеллера. В материалах 42-й совместной конференции и выставки AIAA / ASME / SAE / ASEE по двигателям, Сакраменто, Калифорния, США, 9–12 июля 2006 г. Документ AIAA 2006-4969. [Google Scholar] Шафер Т.; Грин, Б.; Халлисси, Б.; Хайн, Д. Расширенные военно-морские приложения с использованием CREATE ТМ -АВ Пустельга. В материалах 52-го совещания по аэрокосмическим наукам, Нэшнл-Харбор, Мэриленд, США, 13–17 января 2014 г. Документ AIAA 2014-0418. [Google Scholar] McDaniel, D.; Николс, Р .; Клеппер, Дж. Неструктурированные скользящие границы интерфейса в Kestrel. В материалах 54-го совещания AIAA по аэрокосмическим наукам, Сан-Диего, Калифорния, США, 4–8 января 2016 г. Документ AIAA 2016-1299. [Google Scholar] Steij, R.; Баракос, Г. Алгоритм скользящей сетки для CFD-анализа аэродинамики несущего винта вертолета и фюзеляжа. Междунар. Дж. Нумер. Методы Жидкости 2008 , 58, 527–549. [Google Scholar] [CrossRef] Горейши М.; Бержерон, К.; Лофтхаус, А.Дж. Численное моделирование поля кильватерного следа за C-130 с открытой грузовой рампой. Дж. Эйркр. 2017 , 55, 1103–1121. [Google Scholar] [CrossRef] Бержерон, К.; Горейши, М.; Йирасек, А. Моделирование десантных дверей C-130 H / J и полей потока грузовой рампы. Аэросп. науч. Технол. 2018 , 72, 525–541. [Google Scholar] [CrossRef] «> Бержерон, К.; Горейши, М.; Йирасек, А .; Ареф, П.; Лофтхаус, А.Дж. Компьютерное моделирование винтов C-130 H/J и конфигураций десантирования. В материалах 35-й конференции по прикладной аэродинамике AIAA, Денвер, Колорадо, США, 5–9.Июнь 2017 г. Документ AIAA 2017-3574. [Google Scholar] Рот, Г.Л.; Мортон, SA; Брукс, Г.П. Интеграция продуктов CREATE-AV DaVinci и Kestrel: опыт и извлеченные уроки. В материалах 50-го совещания AIAA по аэрокосмическим наукам, включая форум New Horizons и аэрокосмическую выставку, Нэшвилл, Теннесси, США, 9–12 января 2012 г. Документ AIAA 2012-1063. [Google Scholar] Morton, SA; Макдэниел, Д.Р. Инструмент моделирования самолетов с неподвижным крылом для повышения эффективности сбора данных Министерства обороны США. вычисл. науч. англ. 2016 , 18, 25–31. [Google Scholar] [CrossRef] Morton, SA; Макдэниел, Д.Р.; Сирс, Д.Р.; Тиллман, Б.; Таки, Т.Р. Kestrel: виртуальный самолет с неподвижным крылом в рамках программы CREATE. В материалах 47-го совещания AIAA по аэрокосмическим наукам, включая форум New Horizons и аэрокосмическую выставку, Орландо, штат Флорида, США, 4–7 января 2009 г. Документ AIAA 2009-0338. [Google Scholar] McDaniel, D.; Николс, Р .; Эйманн, Т .; Старр, Р.; Мортон, С. Повышение точности и производительности решения Kestrel для определения течения вблизи тела. В материалах 54-го совещания AIAA по аэрокосмическим наукам, Сан-Диего, Калифорния, США, 4–8 января 2016 г. Документ AIAA 2016-1051. [Академия Google] Годунов С.К. Разностная схема для численного расчета разрывного решения гидродинамического уравнения. Сборник Матем. 1959 , 47, 271–306. [Google Scholar] Трамел, Р.; Николс, Р .; Buning, P. Добавление улучшенных схем захвата ударов к OVERFLOW 2.1. В материалах 19-й конференции AIAA по вычислительной гидродинамике, Сан-Антонио, Техас, США, 22–25 июня 2009 г. Документ AIAA 2009-3988. [Google Scholar] «> Spalart, P.R.; Аллмарас, С.Р. Модель турбулентности с одним уравнением для аэродинамических течений. В материалах 30-й конференции и выставки аэрокосмических наук, Рино, штат Невада, США, 6–9.Январь 1992 г. Документ AIAA 1992-0439. [Google Scholar] Spalart, P.R.; Шур, М. О чувствительности моделей турбулентности к вращению и кривизне. Аэросп. науч. Технол. 1997 , 1, 297–302. [Google Scholar] [CrossRef] Ментер, Ф. Эдди Уравнения переноса вязкости и их связь с моделью k-ε. ASME J. Fluids Eng. 1997 , 119, 876–884. [Google Scholar] [CrossRef] Spalart, PR; Джоу, WH; Стрелец, М.; Аллмарас, С.Р. Комментарии о возможности использования LES для Wings и о гибридном подходе RANS/LES. В материалах 1-й Международной конференции AFSOR по DNS/LES, Растон, Луизиана, США, 4–8 августа 19 г.97; Greyden Press: Колумбус, Огайо, США, 1997; стр. 137–147. [Google Scholar] Ферраро, Г. ; Кипурос, Т .; Сэвилл, AM; Рампуравала, А .; Агостинелли, А. Прогноз взаимодействия пропеллера и крыла для раннего проектирования. В материалах 52-го совещания по аэрокосмическим наукам, Нэшнл-Харбор, Мэриленд, США, 13–17 января 2014 г. Документ AIAA 2014-0564. [Google Scholar] Штюрмер, А.; Раковиц, М. Нестационарное моделирование пропеллера транспортного самолета с использованием MEGAFLOW; Технический отчет РТО-МП-АВТ-123; Материалы собрания РТО-МП-АВТ-123, документ 7; RTO: Neuilly-sur-Seine, France, 2015. [Google Scholar] Сваттон, П. Принципы полета для пилотов; Аэрокосмическая серия; Wiley: Hoboken, NJ, USA, 2011. [Google Scholar] Mikolowsky, W. Краткая история C-130 Hercules. В материалах Международного авиационно-космического симпозиума и выставки AIAA: следующие 100 лет, Дейтон, Огайо, США, 14–17 июля 2003 г. Документ AIAA 2003-2746. [Google Scholar] Том А.; Дурайсами, К. Вычислительное исследование нестационарности взаимодействия следа винта с крылом. Дж. Эйркр. 2013 , 50, 985–988. [Google Scholar] [CrossRef] Veldhuis, LM. Обзор аэродинамических помех винт-крыло. В Proceedings of the 24th International Congress of the Aeronautical Sciences, Yokohama, Japan, 29 августа – 3 сентября 2004 г. [Google Scholar] Computational Research and Engineering Acquisition Tools And Environments (CREATE), Eglin AFB, FL 32542. In Kestrel User Руководство, версия 6.0; Программа модернизации высокопроизводительных вычислений: Лортон, Вирджиния, США, 2015 г. Рисунок 1. Интерференционные эффекты крыла винта для винта C-130H, вращающегося против часовой стрелки. Рисунок 1. Интерференционные эффекты крыла винта для винта C-130H, вращающегося против часовой стрелки. Рисунок 2. Показан шестилопастной винт Dowty R391 с углом наклона лопастей 20 градусов. Этот пропеллер имеет диаметр 162 дюйма (4,12 м). Рисунок 2. Показан шестилопастной винт Dowty R391 с углом наклона лопастей 20 градусов. Этот пропеллер имеет диаметр 162 дюйма (4,12 м). Рисунок 3. Расположение закрылков, мотогондол и воздушного винта на крыле. Рисунок 3. Расположение закрылков, мотогондол и воздушного винта на крыле. Рисунок 4. Тестовые примеры включают отсутствие пропеллера; гребной винт установлен внутри; гребной винт установлен подвесной; и воздушные винты, установленные на внутреннем и внешнем крыле. Рис. 4. Тестовые примеры включают отсутствие пропеллера; гребной винт установлен внутри; гребной винт установлен подвесной; и воздушные винты, установленные на внутреннем и внешнем крыле. Рисунок 5. Установлены данные давления на поверхность винта. Пропеллер установлен внутри; гребные винты имеют угол лопасти 20 градусов и вращаются со скоростью 1024 об / мин по часовой стрелке или против часовой стрелки. Решения для пропеллеров находятся на стадии окончательного моделирования. Рисунок 5. Установлены данные давления на поверхность винта. Пропеллер установлен внутри; гребные винты имеют угол лопасти 20 градусов и вращаются со скоростью 1024 об / мин по часовой стрелке или против часовой стрелки. Решения для пропеллеров находятся на стадии окончательного моделирования. Рисунок 6. Распределение давления (-C p ) по крылу только для крыла и крыла с винтом, установленным на внутренней гондоле; пропеллер вращается против часовой стрелки и по часовой стрелке и имеет угол наклона лопастей 20 градусов. Черные точки не показывают опоры. Квадратные маркеры синего цвета показывают пропеллер, вращающийся против часовой стрелки. Красные треугольники показывают пропеллер, вращающийся по часовой стрелке. Данные о давлении усредняются по времени для последних трех секунд моделирования. Рисунок 6. Распределение давления (−C p ) над крылом только для крыла и крыла с винтом, установленным на внутренней гондоле; пропеллер вращается против часовой стрелки и по часовой стрелке и имеет угол наклона лопастей 20 градусов. Черные точки не показывают опоры. Квадратные маркеры синего цвета показывают пропеллер, вращающийся против часовой стрелки. Красные треугольники показывают пропеллер, вращающийся по часовой стрелке. Данные о давлении усредняются по времени для последних трех секунд моделирования. Рисунок 7. Распределение давления (-C p ) по крылу только для крыла и крыла с винтом, установленным либо на внутренней, либо на внешней гондоле; пропеллер вращается против часовой стрелки и имеет угол наклона лопастей 20 градусов. Черные точки не показывают опоры. Квадратные маркеры синего цвета показывают винт, установленный на крыле с внутренней стороны. Красные треугольники показывают подвесное крыло с пропеллером. Данные о давлении усредняются по времени для последних трех секунд моделирования. Рис. 7. Распределение давления (-C p ) по крылу только для крыла и крыла с винтом, установленным либо на внутренней, либо на внешней гондоле; пропеллер вращается против часовой стрелки и имеет угол наклона лопастей 20 градусов. Черные точки не показывают опоры. Квадратные маркеры синего цвета показывают винт, установленный на крыле с внутренней стороны. Красные треугольники показывают подвесное крыло с пропеллером. Данные о давлении усредняются по времени для последних трех секунд моделирования. Рисунок 8. Пропеллер установлен внутри/вне; изоповерхности завихренности окрашены коэффициентами давления. Пропеллеры имеют угол наклона лопастей 20 градусов и скорость вращения 1024 об/мин. Решение только для крыла усредняется по времени для последних трех секунд моделирования. Решения Wing+Prop находятся на завершающем этапе моделирования. Рис. 8. Пропеллер установлен внутри/вне; изоповерхности завихренности окрашены коэффициентами давления. Пропеллеры имеют угол наклона лопастей 20 градусов и скорость вращения 1024 об/мин. Решение только для крыла усредняется по времени для последних трех секунд моделирования. Решения Wing+Prop находятся на завершающем этапе моделирования. Рисунок 9. Местное распределение подъемной силы для крыла и гребные винты устанавливаются внутри или снаружи крыла. Пропеллеры имеют угол наклона лопастей 20 градусов. Внутренние пропеллеры вращаются либо по часовой, либо против часовой стрелки. На этих рисунках Cl.c обозначает местную подъемную силу, умноженную на длину местной хорды. Данные о локальном подъеме находятся из усредненных по времени решений. Рис. 9. Местное распределение подъемной силы для крыла и гребные винты устанавливаются внутри или снаружи крыла. Пропеллеры имеют угол наклона лопастей 20 градусов. Внутренние пропеллеры вращаются либо по часовой, либо против часовой стрелки. На этих рисунках Cl.c обозначает местную подъемную силу, умноженную на длину местной хорды. Данные о локальном подъеме находятся из усредненных по времени решений. Рисунок 10. Пропеллер установлен внутри/вне; изоповерхности завихренности окрашены коэффициентом давления. Пропеллеры имеют угол наклона лопастей 20 градусов и вращаются со скоростью 1024 об/мин против часовой стрелки. Решение только для крыла усредняется по времени для последних трех секунд моделирования. Решения Wing+Prop находятся на завершающем этапе моделирования. Рис. 10. Пропеллер установлен внутри/вне; изоповерхности завихренности окрашены коэффициентом давления. Пропеллеры имеют угол наклона лопастей 20 градусов и вращаются со скоростью 1024 об/мин против часовой стрелки. Решение только для крыла усредняется по времени для последних трех секунд моделирования. Решения Wing+Prop находятся на завершающем этапе моделирования. Рисунок 11. Местное распределение подъемной силы для крыла и винтов, установленных внутри или снаружи крыла. Винты имеют угол наклона лопастей 20 или 28 градусов. Пропеллеры вращаются против часовой стрелки. На этих рисунках Cl.c обозначает местную подъемную силу, умноженную на длину местной хорды. Данные о локальном подъеме находятся из усредненных по времени решений. Рис. 11. Местное распределение подъемной силы для крыла и винтов, установленных внутри или снаружи крыла. Винты имеют угол наклона лопастей 20 или 28 градусов. Пропеллеры вращаются против часовой стрелки. На этих рисунках Cl.c обозначает местную подъемную силу, умноженную на длину местной хорды. Данные о локальном подъеме находятся из усредненных по времени решений. Рисунок 12. Воздушный винт установлен как на внутреннем, так и на внешнем крыле; В ( и ) показано местное распределение подъемной силы для крыла и винтов, установленных внутри и снаружи крыла. В ( b ) изоповерхности завихренности окрашены коэффициентом давления. Пропеллеры имеют угол наклона лопастей 20 градусов и скорость вращения 1024 об/мин. Рис. 12. Воздушный винт установлен как на внутреннем, так и на внешнем крыле; В ( и ) показано местное распределение подъемной силы для крыла и винтов, установленных внутри и снаружи крыла. В ( b ), изоповерхности завихренности окрашены коэффициентом давления. Пропеллеры имеют угол наклона лопастей 20 градусов и скорость вращения 1024 об/мин. Рисунок 13. Воздушные винты установлены как на внутреннем, так и на внешнем крыльях, но крутятся они в разные стороны. Рис. 13. Воздушные винты установлены как на внутреннем, так и на внешнем крыльях, но крутятся они в разные стороны. Рисунок 14. Сваливание крыла с винтами и без них. Все пропеллеры вращаются против часовой стрелки. Рис. 14. Сваливание крыла с винтами и без них. Все пропеллеры вращаются против часовой стрелки. Рисунок 15. Пропеллер установлен внутри/вне; у него угол наклона лезвия 20 градусов. Решение крыла усреднено по времени. Решения Wing+Prop выполняются за шесть секунд. Рис. 15. Пропеллер установлен внутри/вне; у него угол наклона лезвия 20 градусов. Решение крыла усреднено по времени. Решения Wing+Prop выполняются за шесть секунд. Таблица 1. Симуляция работает. Таблица 1. Симуляция работает. 2 2 293039 Simulation Cases Inboard Propeller Outboard Propeller Angle of Attack (deg) Blade Angle (deg) Case 1 CCW [0, 9, 10, 11, 12] [20, 28] Корпус 2 CW 20 Случай 2 CCW [0, 9, 10, 11, 12] [20, 28] [20, 28] [20, 28] . Добавить комментарий Отменить ответ Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены * Комментарий * Имя * Email * Сайт 2019 © Все права защищены. Карта сайта