Самолет с винтами на крыльях: винтокрыл Ка-22 совершил первый полет 61 год назад — Российская газета
винтокрыл Ка-22 совершил первый полет 61 год назад — Российская газета
Летом 1959 года на аэродроме подмосковной летно-испытательной станции опытно-конструкторского бюро имени Камова появился необычный летательный аппарат — винтокрыл Ка-22. С виду напоминавший самолет, он имел на концах крыльев два дополнительных подъемных винта, как у вертолета. Пятнадцатого августа летчик-испытатель Дмитрий Ефремов впервые поднял в небо новый тип летального аппарата.
Ка-22 создавался в разгар холодной войны, его основной задачей была доставка оперативно-тактических баллистических ракет вместе с их пусковыми установками в труднодоступные места. Согласно техническому заданию новый летательный аппарат должен был перевозить грузы весом от четырех до пяти тонн на расстояние от 700 до 1500 километров с максимальной скоростью до 400 километров в час. Одновременно со специалистами конструкторского бюро Николая Камова над созданием вертолета с подобными характеристиками трудились и в КБ Михаила Миля. Винтокрыл решили строить на базе планера советского военно-транспортного самолета Ли-2 времен Великой Отечественной войны, поэтому его размеры получились внушительными: длина более 26 метров, размах крыла — 23 метра, диаметр несущих винтов — 22,5 метра.
В воздух Ка-22 поднимали два несущих винта, они же обеспечивали полет на малой скорости и вертикальную посадку. В небе он летел как обычный самолет, при этом до 90 процентов подъемной силы создавалось за счет крыльев воздушного судна. Во время испытаний винтокрыл удалось разогнать до рекордной для винтокрылов скорости в 370 километров в час. Осенью 1961 года на Ка-22 установили мировой рекорд по грузоподъемности, подняв на высоту 2557 метров груз весом в 16,5 тонны.
Несмотря на рекордные для того времени показали, винтокрыл в серийное производство не поступил. Во время испытаний у машины постоянно возникали технические проблемы, конструкторам и инженерам приходилось менять двигатели и редукторы, а также направление вращения несущих винтов. Ка-22 получился сложным не только в техническом плане, но и в управлении. В кабине летчиков были одновременно как самолетные, так и вертолетные элементы управления воздушным судном, пилотировать его было очень сложно.
Во время одного из полетов в апреле 1961 года из-за флаттера (сочетание самовозбуждающихся незатухающих изгибающих и крутящих автоколебаний элементов конструкции летального аппарата — Прим. «РГ») от несущих винтов левого двигателя оторвался полутораметровый кусок лопасти. Благодаря профессионализму экипажа машину удалось посадить. Через год один из четырех построенных летных экземпляров винтокрыла разбился в Казахстане при заходе на посадку, погибли семь членов экипажа. По заключению правительственной комиссии, причиной трагедии стал разрыв троса в конструкции системы управления. Летом 1964 года потерпел катастрофу еще один экземпляр Ка-22. Во время правого разворота воздушное судно вошло в крутое пике, экипаж выровнять винтокрыл не смог, погибли два человека.
Через некоторое время после второй катастрофы проект Ка-22 закрыли, на вооружение был принят вертолет КБ Миля Ми-6. Ни один из четырех построенных экземпляров винтокрыла не сохранился до наших дней. Опыт, полученный во время испытаний уникального воздушного судна, воплотился в других более успешных моделях вертолетов конструкторского бюро имени Николая Камова.
Винт, крыло и немного магии
Около месяца назад американская компания Sikorsky провела первые летные испытания прототипа перспективного скоростного вертолета-разведчика S-97 Raider. Его чаще относят к комбинированному типу вертолетов, хотя правильнее было бы классифицировать Raider как винтокрыл. Мы уже выясняли, какие существуют основные схемы вертолетов, а теперь решили разобраться с более обширным классом — винтокрылыми летательными аппаратами.
Исторически первыми типами винтокрылой техники, разработка которых велась в начале XX века, были вертолет классической схемы с несущим винтом и квадрокоптер с четырьмя роторами. Первый полет вертолета состоялся в 1907 году, спустя всего четыре года после первого полета братьев Райт. А уже в 1922 году в воздух под управлением летчика поднялся квадрокоптер Ботезата, создание которого велось по заказу Армии США. С тех пор авиатехника, так или иначе использующая несущий винт для взлета и полета, претерпела множество изменений. Появился класс винтокрылых летательных аппаратов, который сегодня включает в себя пять основных типов: автожир, винтокрыл, вертолет, конвертоплан и X-крыло.
Винтокрылые летательные аппараты
Фотография: Official U.S. Navy Page / flickr.com
Винтокрылые летательные аппараты — это машины, взлет и полет которых происходят преимущественно благодаря подъемной силе, создаваемой одним или несколькими несущими винтами. При этом сами винты могут приводиться в движение одной или несколькими силовыми установками, а могут вращаться только лишь под воздействием набегающего в полете воздушного потока. По сути же у винтокрылых летательных аппаратов несущий винт является своего рода разновидностью крыла самолета.
CH-53 Super Stallion.
Фотография: U.S. Department of Defense Current Photos / flickr.com
Автожир
Фотография: Paul-Campbell / flickr.com
Сейчас автожир является одним из самых распространенных типов винтокрылых летательных аппаратов. Он представляет собой летательный аппарат с толкающим воздушным винтом в хвостовой части и свободновращающимся несущим винтом, обязательно наклоненным назад под небольшим углом к земле. В полете автожир, как самолет на крыло, опирается на несущую поверхность винта, который вращается исключительно при помощи набегающих потоков воздуха. Такое вращение называется авторотацией.RAF 2000 GTX-SE.
Фотография: Wikimedia Commons
Несущий винт автожира в полете создает только подъемную силу, причем по своим свойствам он очень похож на крыло самолета с положительным углом атаки. У такого крыла аэродинамические поверхности выставлены таким образом, чтобы оно тянуло летательный аппарат вверх. Сам несущий винт автожира как правило не имеет изменяемого шага, но может быть оснащен автоматом перекоса, который позволяет управлять вектором тяги винта.
За горизонтальный полет в автожире отвечает либо толкающий, либо тянущий винт, который как правило оснащен фиксированными лопастями. Углом их атаки управлять нельзя. Увеличение или уменьшение тяги маршевого винта, который также называется пропеллером, осуществляется благодаря наращиванию или сбросу частоты вращения вала двигателя. Управлять направлением полета в автожире можно при помощи воздушного руля — специальной отклоняемой вправо или влево плоскости на вертикальном киле в хвостовой части.
MT-03.
Фотография: Wikimedia Commons
Автожир способен взлетать при очень коротком пробеге и садиться вертикально. Некоторые модели таких аппаратов позволяют заранее раскручивать несущий винт еще на земле до скорости, превышающей скорость рабочего вращения в полете. В таком случае автожир может взлететь вертикально. Такой взлет называется подскоком. При этом многие автожиры оснащены редуктором, который проводит предварительную раскрутку несущего винта. Эта система не позволяет сделать подскок, но значительно сокращает пробег перед взлетом.В целом автожир имеет несколько преимуществ перед самолетом или вертолетом. В частности, им гораздо проще управлять, а летать на нем — безопаснее. Автожир никогда не войдет в штопор и может совершить управляемую вертикальную посадку с неработающим двигателем. К недостаткам летательного аппарата относится низкий коэффициент полезного действия двигателя, из-за чего автожирам требуются мощные силовые установки.
Фотография: James Emery / flickr.com
Винтокрыл является своего рода промежуточным звеном между автожиром и самолетом. Такой летательный аппарат оснащается небольшим крылом, одним или двумя несущими винтами и одним или несколькими толкающим или тянущим пропеллерами. Сегодня винтокрылы, которые нередко относят к высокоскоростному подтипу вертолетов, считаются наиболее перспективным видом летательных аппаратов с несущим винтом.
Eurocopter Airbus X3.Фотография: Jeff / flickr.com
У винтокрылов несущий винт или винты создают подъемную силу при взлете и на всем продолжении полета, а движущую — только до определенной скорости. На больших скоростях полета специальная управляемая обгонная муфта у винтокрылов отключает несущие винты от трансмиссии и дальнейший полет идет уже в режиме авторотации. То есть несущий винт в таком режиме работает уже как винт автожира. При этом дальнейший набор скорости и горизонтальный полет обеспечиваются пропеллерами, а вклад в создание подъемной силы привносит и крыло.
Винтокрылы способны совместить в себе положительные качества вертолетов и самолетов. Они способны к вертикальным взлету и посадке и полетам на скорости большей, чем способны развить вертолеты. Например, винтокрыл Airbus Helicopters X3 с двумя тянущими винтами может разгоняться до 472 километров в час. Перспективный вертолет-разведчик S-97 Raider будет способен летать на скорости до 440 километров в час. Для сравнения, вертолет Ка-52 соосной схемы может разгоняться до 315 километров в час.
AH-56 Cheyenne.
Фотография: Wikimedia Commons
Серийных винтокрылов сегодня не существует, однако их разработкой занимаются сразу несколько компаний: российские «Камов» и конструкторское бюро имени Миля, американские Sikorsky и Piacesky Aircraft, а также европейская Airbus Helicopters. Некоторыми проектами предусматривается установка реактивных двигателей на винтокрылы, благодаря которым эти аппараты смогут совершать полеты на скоростях более 600 километров в час.
ВертолетФотография: Official U.S. Navy Page / flickr.com
Вертолет является самым распространенным типом винтокрылых летательных аппаратов. Он представляет собой машину, у которой подъемная и движущая силы создаются одним или несколькими несущими винтами. Эти винты располагаются параллельно земле, а их лопасти могут устанавливаться под разными углами к плоскости вращения — от нуля до 30 градусов. Установка лопастей на ноль градусов называется холостым ходом винта или флюгированием. В этом случае несущий винт не создает подъемной силы.
Boeing CH-47F Chinook.
Фотография: U.S. Department of Defense Current Photos / flickr.com
Сегодня существует семь основных схем вертолетов, которые можно классифицировать по расположению несущих винтов: классическая, соосная, продольная, поперечная, синхроптер, мультикоптер и комбинированный вертолет. Вертолеты способны совершать вертикальные взлет и посадку на площадки, диаметр которых в полтора раза превосходит диаметр несущего винта (правда, при максимальной загрузке для экономии топлива может потребоваться короткая пробежка).
Управление вертолетом немного сложнее, чем у автожира или самолета. Он оснащен ручкой «шаг-газ» для управления тягой несущего винта. С ее помощью изменяется угол установки лопастей несущего винта и скорость вращения ротора. Еще одним органом управления является ручка продольно-поперечного управления. Она отвечает за наклон тарелки автомата перекоса и изменение вектора тяги несущего винта. И, наконец, в вертолете есть педали, нажатием на которые летчик может менять шаг рулевого винта, а значит и направление полета машины.
Ка-26.
Фотография: Aleksander Markin / flickr.com
Вертолет может на внешней подвеске перевозить крупногабаритные грузы. При этом такие летательные аппараты отличаются большим, чем у самолетов, потреблением топлива и повышенной шумностью. Кроме того, управляя вертолетом нужно учитывать такие сложные аэродинамические эффекты, которые не встречаются при полете на самолете. Например, летчикам вертолетов знакомы явления земного резонанса, флаттера, вихревого кольца, эффекта запирания несущего винта. Эти факторы могут приводить к разрушению или падению машины.
Конвертоплан
Фотография: Official U.S. Navy Page / flickr.com
Конвертоплан, так же как и винтокрыл, совмещает в себе положительные качества вертолетов и самолетов. Этот летательный аппарат по конструкции похож на самолет, однако имеет на законцовках крыла двигатели с несущими винтами, которые могут наклоняться вперед на угол до 90 градусов. После наклона несущие винты превращаются в тянущие пропеллеры. Диаметр винтов конвертоплана сравним с размахом его крыла.
Bell MV-22 Osprey.
Фотография: Official U.S. Navy Page / flickr.com
Благодаря такой конструкции конвертоплан может взлетать и садиться по-вертолетному, а лететь по-самолетному. Переход из вертолетного режима в самолетный осуществляется в воздухе. При этом наклон плоскости вращения винтов осуществляется наклоном самих двигателей. В перспективных конвертопланах V-280 Valor, разработкой которых занимается американская компания Bell Helicopter, наклоняться будут только сами винты, а двигатели будут оставаться неподвижными.
Сегодня единственным серийным конвертопланом является V-22 Osprey, выпускаемый американским консорциумом Bell/Boeing. Этот аппарат в вертолетном режиме может развивать скорость до 185 километров в час и до 565 километров в час — в самолетном. Аппарат может выполнять полеты на расстояние до 2,7 тысячи километров и нести груз массой до 6,2 тонны. Такие конвертопланы в настоящее время стоят на вооружении ВВС и Морской пехоты США.
Bell MV-22 Osprey.
Фотография: Official U.S. Navy Page / flickr.com
Следует отметить, что конвертопланы достаточно сложны в управлении, особенно в транзитном режиме, когда осуществляется переход от вертолетного полета к самолетному. Управляют конвертопланом при помощи ручки и педали: в вертолетном режиме ручка отвечает за управление высотой, а педали — за тягу. В самолетном режиме они меняются ролями. По отзывам многих летчиков V-22, в транзитном режиме полета возникает ощущение потери управления, хотя сам режим является безопасным.
Х-крыло
Фотография: Wikimedia Commons
X-крыло является наиболее интересным с конструктивной точки зрения типом винтокрылых летательных аппаратов, хотя сегодня разработки в этом направлении практически не ведутся. Не существует и серийных машин такого типа. Название для техники такого типа в начале 1970-х годов придумала американская компания Sikorsky, которая занималась разработкой летательного аппарата, в конструкции которого можно было бы использовать так называемое ротор-крыло.
Ротор-крыло внешне очень похоже на несущий винт с четырьмя лопастями, с тем лишь отличием, что его лопасти гораздо шире, чем у вертолетного винта. Предполагалось, что такое крыло на взлете и при наборе скорости будет вращаться, как обычный несущий винт обычного вертолета классической схемы. Реактивный момент такого крыла должен был компенсировать обычный же рулевой винт на хвосте летательного аппарата. По достижении определенной скорости ротор-крыло должно было останавливаться и выполнять роль уже обычного самолетного крыла.
Sikorsky S-72.
Фотография: Wikimedia Commons
К 1976 году компания Sikorsky построила два прототипа X-крыла — летательные аппараты S-72. Они были созданы на базе многоцелевого вертолета UH-60 Blackhawk, разработка которого к тому времени уже завершалась. Машины получили по два газотурбинных двигателя для приведения в движение ротор-крыла и вращения рулевого винта через редуктор, низкорасположенное крыло размахом 18,9 метра и по два турбореактивных двигателя, расположенных над ним.
В 1976 году один из прототипов совершил первый полет. Правда ротор-крыло на нем еще не было установлено — конструкторы отрабатывали на S-72 аэродинамическую компоновку и способы управления. Например, в горизонтальном быстром полете аппарат должен управляться по-самолетному — рулями высоты и курса, а также закрылками на крыле. Все работы велись при финансировании NASA и Агентства перспективных оборонных разработок (DARPA).
Позднее один из прототипов был модернизирован и получил ротор-крыло. Предполагалось, что S-72 сможет вертикально взлетать и садиться и совершать полеты на скоростях, близких к самолетным. Выкатка модернизированного аппарата состоялась в 1986 году, однако в воздух он так и не поднялся. К этому времени в NASA и DARPA посчитали проект технически сложным и дорогостоящим. Финансирование проекта было прекращено.
В 2000-х созданием X-крыла занялась австралийская компания StopRotor. Она создала беспилотный летательный аппарат — демонстратор технологий, который успешно прошел испытания в 2013 году. Подробности об аппарате практически неизвестны за исключением некоторых деталей об остановке ротор-крыла. В прототипе для остановки ротор-крыла его лопасти поворачиваются на 90 градусов, а сам аппарат короткое время практически падает вертикально.
Во время падения возникает воздушный поток, который симметрично огибает все лопасти ротор-крыла, избавляя его от перекосов и одновременно тормозя его. Затем крыло фиксируется, а лопасти разворачиваются параллельно земле для перехода в горизонтальный полет. Правда, во время летных испытаний в 2013 году проводился только обратный переход ротор-крыла из фиксированного положения к вращению. Новых испытаний своего прототипа StopRotor не делала. В какой стадии проект находится в настоящее время, неизвестно.
Василий Сычев
В-12 — вертолёт стратегического назначения » Авиация России
Вертолёт В-12, по классификации НАТО Homer — «Гомер» — самый тяжёлый и грузоподъёмный вертолёт, когда-либо построенный в мире. Отличительной особенностью является боковое расположение винтов на крыльях обратного сужения, которые приводятся в движение четырьмя двигателями Д-25ВФ.
В-12 разрабатывался как сверхтяжёлый транспортный вертолёт с грузоподъёмностью не менее 30 тонн для перевозки компонентов межконтинентальных баллистических ракет для частей РВСН или создания позиционных районов, размещение которых планировалось на местности без дорог с твёрдым покрытием.
6 августа 1969 года В-12 в рекордной попытке поднял в небо 44 204,5 кг груза. Это достижение не только не перекрыто до сих пор, но вряд ли будет побито в обозримом будущем. Для сравнения: максимальный вес, который «взял» самый большой из ныне выпускаемых вертолётов – российский Ми-26, составляет 25 т. А уж сравнение с самым большим западным вертолётом Sikorsky CH-53K грузоподъёмностью 15,9 т вообще вряд ли уместно. В-12 мог бы поднять CH-53K целиком, с максимальной загрузкой и заправкой, при этом осталось бы ещё почти 6 т «запаса». А ведь речь идёт о новейшей модификации тяжёлого Sikorsky, созданной в 2015 году.
Ширина В-12 по концам лопастей равнялась 67 м, что превышало размах крыльев Boeing 747На момент своего первого полёта в 1968 году B-12 превосходил самые большие зарубежные «вертушки» вдвое по размерам и в четыре раза по массе. Этот вертолёт стал последним творением известного конструктора Михаила Леонтьевича Миля. В-12 – это его величайший триумф и самая большая неудача. Литерой «В» обозначались экспериментальные машины до запуска в серию, но В-12 так и не стал называться Ми.
Опыт создания В-12 пригодился при разработке Ми-26 — самого большого и грузоподъемного серийного вертолёта в мире. Наличием его в производственной линейке по праву гордится холдинг «Вертолеты России».
В-12 создавался не ради рекордов. Задание на проект вертолёта «для перевозки неразъёмных грузов массой 25 т» было выдано в 1962 году отнюдь не с целью поразить мир или утереть нос американцам. Это была важнейшая государственная задача. Необходимо было обеспечить потенциал ответного ядерного удара при любом сценарии конфликта с США. Но в начале 1960-х годов шахтные ракетные комплексы только создавались, а надежда на подводные лодки и стратегические бомбардировщики в условиях тотального господства потенциального противника в океанах и окружающем воздушном пространстве была довольно призрачной. Расчеты показывали, что внезапный ядерный удар по СССР станет обезоруживающим.
Гарантию сохранности достаточных средств для удара возмездия обеспечивали мобильные наземные ракетные комплексы стратегического назначения, которые могли постоянно менять свою позицию. В условиях слабо развитой дорожной сети пришлось думать о том, как перемещать их по воздуху. С этой целью была задумана система из двух летательных аппаратов: тяжёлого транспортного самолёта Ан-22 «Антей», который доставлял бы ракету на отдалённый аэродром, и вертолёта, способного перебросить её ещё дальше, в места, где не существует не только дорог, но и грунтовых посадочных полос. Были даже планы превратить вертолёт в мобильную стартовую позицию (проект В-16), но это уже находилось за гранью возможностей техники.
Ан-22 и В-12 (как и Ан-12 и Ми-6 до них) были необходимыми звеньями одной транспортной цепи. Даже габариты их кабин были унифицированы под одинаковые «неразъёмные» грузы. Но если самолёты такой размерности в мире уже существовали и создание Ан-22 стало сложной, но понятной задачей, то разработка вертолёта подобных габаритов и массы потребовала принципиально новых решений.
Испытательный натурный стендВсё началось с выбора оптимальной схемы. Во всём мире наиболее подходящей для тяжёлых вертолётов конфигурацией считался так называемый летающий вагон – продольная схема с двумя винтами, по которой был сделан самый тяжёлый на тот момент американский вертолёт CH-47 Chinook. Однако такой подход имел ряд существенных недостатков. К примеру, передний винт в полёте «затенял» задний, а длинный «вагон» фюзеляжа, попадая в зону обдува несущих винтов, значительно снижал их эффективность. Кроме того, вертолёт продольной схемы не мог взлетать с разбега, по-самолётному, что сильно уменьшало его максимальную грузоподъемность.
Миль писал в дневнике: «Как создать следующий, больший по весу вертолёт? Вычислить параметры оптимальной конструкции почти на удаётся — слишком много противоречивых соображений должен взвесить конструктор… Рано или поздно перед ним встаёт вопрос о целесообразности дальнейшего увеличения диаметра несущего винта и переходе на двух- или многовинтовую схему… Комбинаций, по существу, не так много: двухвинтовые (продольная или поперечная схема) и трёхвинтовые вертолёты». Рассматривались трехвинтовая и даже четырёхвинтовая схемы, но обе были отвергнуты: анализ показал, что необходимую грузоподъёмность (25 тонн) можно обеспечить двумя винтами.
Споры по выбору схемы были очень жаркими. В КБ Яковлева, основываясь на опыте разработки советского «летающего вагона» Як-24, предложили грандиозный проект В-38 продольной схемы. М.Л. Миль настаивал на другом решении.
Сборка первого лётного образца в цехах МВЗ21 января 1965 года Миль пишет в дневнике: «Вчера с блеском прошла конференция в Панках. Мой доклад всем понравился. Были из ЦК Редькин, Максимов, весь аппарат Совмина, Пышнов из ВВС, всего 450 человек. Выступил Вильдгрубе, он охаял В-12, сказал, что, не меняя нагрузку, можно было сделать машину по продольной схеме вдвое легче. Мы решили его бить. Выступили Тишенко, Некрасов, Радин и я. Повторно выступил Вильдгрубе, его надо было видеть».
Через 5 дней новая запись в дневнике: «Уже неделя как почти каждый день с утра приезжает к нам на полдня начальник ЦАГИ Мясищев со своими помощниками (8 человек). Вместе с Федуловым и Вильдгрубе они разбираются в моей новой схеме, сравнивая её с продольной. А мы, конечно, засиживаемся вечерами. Сегодня уже почти окончательная победа. Мясищев за нас… Послезавтра комиссия. Вместо того чтобы оказаться вдвое хуже, наша машина вдвое лучше продольной, да и вообще решение великолепное».
При проектировании Як-38 ещё на «бумажном» этапе конструкторы столкнулись с такими трудностями, что проект был закрыт, а вертолётная тематика навсегда исчезла из работ КБ Яковлева.
В пользу поперечной схемы говорило и то соображение, что она позволяла взять за основу проекта уже готовую винтомоторную группу тяжёлого вертолёта Ми-6 с двумя турбодвигателями Д-25В и пятилопастным винтом диаметром 35 м. Это значительно ускорило разработку. Об эффективности выбранного решения говорит и тот факт, что в результате «удвоения» силовой установки грузоподъемность В-12 возросла намного больше, чем в два раза, по сравнению с Ми-6 с его 12 т максимальной нагрузки. Правда, для этого пришлось применить форсированные варианты двигателя Д-25ВФ с увеличенной на 1000 л.с. (до 6500 л.с.) мощностью и облегчённые композитные лопасти (каждая лопасть стала легче на 300 кг). Однако определенный «коэффициент усиления» следует отнести и на счёт поперечной схемы расположения винтов.
После выбора схемы предстояло решить, каким образом строить «мосты», соединяющие несущие винты: поперечно или продольно. Сначала решили проанализировать достоинства и недостатки продольной схемы, использованной на советских вертолётах Як-24 и американском V-44, который М. Л. Миль приобрёл по поручению правительства во время командировки в США в 1960 году. Три Як-24 взяли у военных, пригнали из Торжка на испытательный аэродром в Панки, начали на них летать и изучать лётные характеристики. Выполняли эту работу лётчики-испытатели В. П. Колошенко, Р. И. Капрелян и Г. Р. Карапетян.
Во время испытаний были обнаружены неравномерная загрузка переднего и заднего редукторов, большие вибрации, неустойчивость вертолёта в полёте. Те же самые недостатки проявились и при испытаниях американского вертолёта. После исчерпывающего анализа Миль окончательно остановился на поперечной схеме. Вертолёт такой конструкции ещё перед войной построил в Германии Генрих Фокке. Его FW-61 выпускался серийно. У нас вертолёты поперечной схемы проектировали И. П. Братухин и Н. И. Камов.
Пять лет работы над В-12 стали для М. Л. Миля годами наивысшего творческого подъема. «Эта машина будет лучшей из того, что мне удалось создать, верь мне», — говорил он жене.
В ОКБ был объявлен конкурс на лучшее конструкторское решение. В нем участвовали, с одной стороны, А. С. Браверман и А. М. Блок, с другой — М. Л. Миль, О. П. Бахов и другие молодые конструкторы. Началась работа над эскизным проектом.
Чтобы разнести винты в стороны на достаточное удаление, пришлось размещать их вместе с двигателями на концах двух крыльев, подкреплённых ферменной конструкцией. Трудность состояла в том, чтобы избежать нежелательных колебаний, присущих поперечной схеме, и опасных резонансных колебаний, которые могли вызвать подвешенные на концах крыльев двигатели.
С одной стороны, крылья в полёте создавали дополнительную подъёмную силу и тем самым увеличивали грузоподъёмность, но, с другой стороны, возникала проблема с уменьшением эффективности винтов из-за того, что часть отбрасываемого ими воздуха затенялась крылом. Чтобы уменьшить этот эффект, крылья сделали сужающимися к месту соединения с фюзеляжем, где скорость потока от винтов максимальна. Такое решение позволило увеличить подъёмную силу на 5 т. Крылья обратного сужения считались крупным изобретением и были запатентованы в Англии, Франции и Италии.
Двигатели во время проведения технического обслуживанияПриходилось решать и другие проблемы. Чтобы винты не схлестнулись, а их лопасти по проекту заходили друг за друга на 1,5 метра, нужно было добиться абсолютной синхронности их вращения. Для этого сконструировали специальный трансмиссионный вал, соединяющий главные редукторы. На изломе вала в месте стыковки крыльев установили промежуточный редуктор. Синхронный вал служил для передачи мощности с одного двигателя на другой. Это значительно усложняло трансмиссию вертолёта, зато соединительный вал обеспечивал передачу крутящего момента, благодаря чему вертолёт мог продолжать полёт даже при отказе двух двигателей с одного борта.
Применялись и другие интересные решения. К примеру, возник вопрос: как механикам обслуживать двигатели, расположенные на большой высоте? Ведь не на всяком аэродроме можно найти стремянки высотой 12 м, не говоря уж о полевых условиях, для которых вертолёт, собственно, и предназначался. Решение нашли: стремянки заменили откидные крышки капота двигателей. Механик выходил из кабины на «крышу», по крылу добирался до двигателей и, став на откидную крышку капота, занимался ими. Но это было лишь мелочью по сравнению с принципиальными проблемами, которые пришлось решить при создании В-12.
Самой, пожалуй, триумфальной страницей в истории В-12 стал визит на авиасалон в Ле-Бурже в 1971 году. В пригород Парижа из Москвы вертолёт добирался своим ходом, поскольку махину такого размера транспортировать иным способом было практически невозможно.
Первоначально планировалось проложить безопасный маршрут над сушей, часть которого должна была проходить над территорией ФРГ. Однако западные немцы без объяснения причин отказали В-12 в доступе в своё воздушное пространство, поэтому лететь пришлось над Балтийским и Северным морями при неблагоприятных метеоусловиях. Однако техника не подвела.
На авиасалоне в Ле-Бурже оборудованный опускающимся трапом грузовой отсек размерами 28,15 х 4,4 х 4,4 м сравнивали с готическим собором.На авиасалоне простую публику поразили размеры винтокрылого гиганта. Чего стоили одни только колёса основного шасси диаметром 1,7 м! Ширина В-12 по концам лопастей равнялась 67 м, что превышало размах крыльев Boeing 747. Поражали воображение и двухэтажная кабина для экипажа из 6 человек, и огромный самолётный хвост, необходимый для управления воздушным судном, развивавшим скорость 260 км/ч. Оборудованный опускающимся трапом грузовой отсек размерами 28,15х4,4х4,4 м сравнивали с готическим собором.
Грузовой отсек, предназначавшийся для транспортировки стратегических ракет с ядерными боеголовкамиСпециалисты в первую очередь отметили, что небесный гигант со взлётной массой 105 т и общей мощностью двигателей 26 000 л.с. летит удивительно тихо, легко и ровно. На пути увеличения взлётной массы и размеров вертолёта стоит страшный враг – вибрация. Первые экземпляры Як-24, советского «летающего вагона» продольной схемы, трясло так, что лётчики подпрыгивали в креслах.
В этой связи большое значение имел выбор направления вращения винтов. Большинство специалистов настаивали на вращении, при котором лопасти как бы «загребают» к фюзеляжу. Эта схема получила название «баттерфляй». Но Миль настоял на «брассе», когда лопасти движутся от фюзеляжа наружу. Конструктор считал, что вертолёт в этом случае будет более управляемым.
Изучая устойчивость и балансировку вертолёта, Генеральный конструктор убедился, что при вращении винтов по схеме «брасс», эффективность управления в момент крена увеличивается. Если же винт вращается в противоположном направлении, то на крене могут возникнуть такие условия, при которых управление отказывает. Лётчик до упора отклоняет ручку вправо, полностью «выжимает» педаль, а машина, выполняя спираль, всё равно опрокидывается через левое крыло.
Вопрос был настолько сложным, что доказать свою правоту оппонентам теоретически конструктор так и не смог. Только практика подтвердила верность выбора: В-12 мог продолжать устойчивый полёт в течение 7 минут с брошенной ручкой управления. Гигант летел не только с низким уровнем шума, но и очень ровно, почти без вибраций.
Лётчик-испытатель Василий Колошенко рассказывал: «Я будто плыл на огромном корабле».
На отсутствие вибраций в кабине также оказала влияние удачная схема: удаленность от фюзеляжа двигателей и втрое меньшая, по сравнению с другими вертолётами, скорость вращения огромных винтов.
Чтобы добиться отсутствия вибраций, перед началом лётных испытаний первый экземпляр В-12 как следует протрясли: вертолёт закрепили на амортизационных подвесах, а вместо лопастей поставили электромоторы с асимметричным грузом. Испытания продолжались целый месяц, и всё же не все проблемы удалось выявить на земле.
Выкатка вертолёта В-12 из сборочного цеха весной 1967 года для проведения доводочных работПервый полёт В-12 был назначен на 27 июня 1967 года. В заводской лётно-испытательный комплекс съехались создатели вертолёта, представители НИИ, заводов и смежных предприятий, министерства авиационной промышленности, военные. Под марш авиаторов «Мы рождены, чтоб сказку сделать былью» мощный тягач вытащил вертолёт из цеха. Он не мог там развернуться и выезжал хвостом вперед. Кто-то сказал тихо: «Плохая примета». Михаил Леонтьевич услышал это и помрачнел, он был суеверен.
Пилот В. П. Колошенко развернул вертолёт против ветра, порулил вправо, влево — машина слушалась. Затем он начал наращивать обороты двигателей, подготавливаясь к старту. Наконец, вертолёт плавно оторвался от земли и повис. И вдруг машина заплясала, начала медленно раскачиваться из стороны в сторону, затем накренилась и, не подчиняясь ручке управления, так с перекосом и пошла вниз. Когда вертолёт коснулся земли, покрышки загнулись на одну сторону и колеса ударились о бетон ребордой. Одна из них сломалась, и камера с громким хлопком лопнула. Столько надежд рухнуло!
Очень скоро после неудачи Миль заболел, и недостатки системы управления В-12, обнаруженные после аварии, исправляли без него, хотя регулярно и обстоятельно докладывали обо всем Генеральному и получали в ответ указания и советы.
Причина крылась в несовершенстве системы управления, которая получилось куда более длинной и разветвлённой, чем её аналог на Ми-6. Жёсткости тяг не хватило, чтобы лётчик мог с достаточной скоростью парировать крены воздушного гиганта. В итоге возникли автоколебания, с которыми пилот справиться не смог.
Через год, 10 июля 1968 года, машину снова решили поднять в воздух. Опять собралось много народу, приехал и Михаил Леонтьевич. На этот раз полёт прошел успешно, хоть и вытаскивали вертолёт из ангара, как и в первый раз, хвостом вперед. Громадина весом около 100 тонн поднялась с удивительной лёгкостью, в небе она была необыкновенно красива. В сопровождении двух Ми-10 вертолёт перелетел на испытательный аэродром, откуда совершил более ста испытательных полётов.
Взлёт В-12 «по самолётному» — с разбегаДалее был триумф в Ле-Бурже, который стал лучшим «салютом» ушедшему из жизни в 1970 году Милю. Началась подготовка новой машины к серийному производству. Но в 1974 году вышло решение о прекращении работы над проектом. За те 12 лет, что шла доводка грандиозной машины, ситуация изменилась. Разработчикам ракетных комплексов стратегического назначения удалось создать твёрдотопливные ракеты, достаточно лёгкие и компактные, чтобы их можно было спрятать в железнодорожный вагон или поставить на вездеходное автомобильное шасси. Ядерные силы сдерживания страны стали совершенно неуязвимыми для внезапного удара противника, и огромный вертолёт военным стал не нужен. Заявленные возможности в перевозке одновременно 196 солдат их не интересовали, а для транспортировки гражданских грузов уникальная машина оказалась слишком дорогой.
У В-12 не было конкурентов. Мощные вертолёты Ми-10К (или В-10), Сикорский S-64-F, Боинг-Вертол СН-47С «Чинук» поднимали груз 11-15 тонн.
За успехи в создании самого грузоподъемного вертолёта Конструкторскому бюро М. Л. Миля был присуждён учреждённый Американской вертолётной ассоциацией второй Международный приз имени Игоря Сикорского.
Сын выдающегося авиаконструктора, представитель его фирмы в Европе Сергей Сикорский писал: «Перед инженерно-техническим достижением, каким является вертолёт В-12, можно только снять шляпу… Этот вертолёт является единственным в своем роде и будет использоваться для выполнения уникальных операций. Я имею в виду экспедиции в районы Арктики или поиски нефтяных месторождений. Вертолёт заменит железную дорогу там, где до сих пор ещё не ступала нога человека».
Всего было построено два экземпляра В-12. Один из них ныне хранится в музее ВВС в Монино, второй – на территории Московского вертолётного завода им. М.Л. Миля, и, проезжая на электричке мимо платформы «Панки», внимательный пассажир может и сейчас заметить его гигантский контур над забором.
Опыт, полученный при создании В-12, оказался востребованным при разработке Ми-26. Этот вертолёт в настоящее время является самым большим и грузоподъёмным серийным вертолётом в мире. Ми-26 создан по классической одновинтовой схеме, зато с новыми двигателями, винтами, системой управления. Он куда более приспособлен для повседневной эксплуатации не только в войсках, но и в гражданском сегменте. Однако В-12 навсегда останется непревзойденным примером того, как можно создать настоящее чудо техники главным образом за счёт изобретательности и смелости конструкторской мысли.
Источники:
- ВТБ (http://vtbrussia.ru/tech/vertolet-v-12-chudo-tekhniki-chast-2/)
- Наука и жизнь (http://www.nkj.ru/archive/articles/11160/)
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.
Какие есть ограничения на добавление крыльев с двигателями к вертолетам?
V-22 Osprey довольно близко к тому , что вы описали. Связи между винтами и фюзеляжем на самом деле являются крыльями. Во время взлета это винтокрылый аппарат, а во время полета — самолет с неподвижным крылом. Вместо коробки передач они выбрали вращающиеся двигатели.
Проект страдал от перерасхода средств,
Его производственные затраты [V-22] значительно выше, чем у вертолетов с аналогичными возможностями — в частности, примерно вдвое больше, чем у CH-53E, который имеет большую полезную нагрузку и способность нести тяжелое оборудование, которое V-22 не может. .. блок Osprey будет стоить около $ 60 млн продукции, и $ 35 млн на вертолетном эквивалент.
— Майкл Э. О’Хэнлон, 2002.
Еще один самолет, похожий на вашу идею — F-35B. Вместо складных роторов он оснащен подъемным вентилятором, который при необходимости подключается к главному двигателю. Этот самолет также пострадал от перерасхода средств.
Суровая реальность инженерной мысли заключается не в том, что что-то невозможно, а в том, что это чрезвычайно дорого, и, объединив несколько функций в одном планере, вам всегда придется искать компромисс между любой функцией. И F-35B, и V-22 являются очень тяжелыми самолетами из-за инженерной сложности и, как таковые, могут нести меньшую полезную нагрузку, чем более специализированные концепции. Однако это считается приемлемым, потому что ВМС США любят свои самолеты чрезвычайно универсальными.
Есть еще вопрос спроса. На протяжении десятилетий существовала идея, что самолет должен быть как можно более универсальным, но будет ли это так в будущем, еще неизвестно. Ваша концепция может быть способна к более быстрому перемещению и более высокой полезной нагрузке, чем V-22 (роторы которого слишком малы для подъема тяжелых грузов и слишком велики для быстрого полета), но реальный вопрос заключается в том, будет ли добавленный вес из-за сложности этой концепции компенсировать теоретический прирост производительности.
Наконец, техническое замечание. Самое сложное — это переход от полета вперед к зависанию. Лопасти винта очень подвижны, поэтому то, как вам удастся развернуть их во время полета вперед (когда центробежные силы еще не распрямляют их, и когда вектор подъемной силы может быть в любом направлении, если вы не можете тщательно контролировать их ориентацию) остается большой инженерной задачей. задача, особенно если вы хотите, чтобы вес самолета был низким.
Бёрт Рутан — авиаконструктор | Самолеты Берта Рутана
Альберт Лендер Рутан, он же Бёрт, он же «волшебник пустыни Мохаве» – один из самых известных авиаконструкторов современности. В его портфолио – около 400 самых разных проектов. При этом 47 моделей летательных аппаратов Рутана были не просто сконструированы, но и успешно воплощены в жизнь. Его имя постоянно на слуху, оно известно даже тем, кто не увлекается авиастроением. Неудивительно, ведь разработки Бёрта получили сотни престижных наград и установили целый ряд нашумевших мировых рекордов.
Авиаконструктор, прославившийся больше, чем пилоты
На заре своей юности, в начале 20-го века, авиация представлялась широкой публике чем-то совершенно сверхъестественным. Каждую из разработок тех лет, успешно поднявшихся в воздух, бурно обсуждали в прессе. Вполне естественно, что люди, которые создавали эти «чудеса», сразу же становились знаменитостями – как и те, кто пилотировал эти новинки. Братья Райт и Шорт, Сантос-Дюмон, Кёртисс, Блерио, Фарман – эти и многие другие имена навсегда останутся в истории авиации.
Однако со временем авиация стала относительно распространённым, почти что обыденным явлением. Тогда-то на первый план и вышли герои-лётчики, покоряющие новые высоты и расстояния. Каждому известно имя Петра Нестерова – действительно гениального пилота: свою «мёртвую петлю» он выполнил после серьёзных предварительных расчётов и исследований. Но уже мало кто из современных поклонников авиации сможет вспомнить модель самолёта, на котором «петлял» Пётр Николаевич. А ведь без Эдуарда Ньюпора, французского авиаконструктора, создавшего легендарный аэроплан «Ньюпор-4», не было бы и «петли Нестерова».
Или вспомним другое безусловное достижение – перелёт из СССР в США через Северный полюс. Преодоление такого невообразимого по тем временам расстояния стало возможным не только благодаря мастерству экипажа Валерия Чкалова. Восстановим историческую справедливость: советские лётчики установили этот рекорд в первую очередь потому, что пилотировали «АНТ-25», разработанный в бюро Павла Сухого.
Последующее развитие авиации, превратившее создание самолёта в сложнейший коллективный процесс с участием множества разработчиков, ещё сильнее усугубило ситуацию. Долгое время имена авиаконструкторов были известны только узкому кругу специалистов и горстке любопытствующих энтузиастов. Среди лётчиков же, напротив, всегда было немало популярных фигур – ещё бы, это так героично и романтично!..
Бёрту Рутану удалось то, что не удавалось ни одному из его коллег-разработчиков – со времён первопроходцев. С 1986 года, когда его «Вояджер» облетел вокруг Земли без единой пересадки, американский конструктор стал настоящей знаменитостью – человеком, о котором говорят и пишут не меньше, чем о звёздах шоу-бизнеса, масс-медиа или спорта. Так уж вышло, что в истории остался именно Бёрт, а не, например, его брат Дик или второй пилот, Джина Игер. И с последующими проектами «кудесника из Мохаве» складывалась похожая ситуация. Всё в курсе, что Бёрт сконструировал феноменальный SpaceShipOne. А Майкл Милвилл, который летал на нём и даже удостоился престижного X-Prize, известен лишь узкому кругу фанатов.
А всё потому, что Рутан – истинный новатор. По нестандартности идей, по использованию новых технологий, форм и материалов его самолёты и космические шаттлы можно сравнить разве что с первыми аэропланами: нечто доселе невиданное – и всякий раз выводящее авиастроение на новый уровень.
Начало карьеры: из ВВС в гражданскую авиацию
В кругах специалистов имя Рутана было хорошо известно задолго до триумфа «Вояджера». Бёрт с детства увлекался авиамоделированием, а в 16 лет впервые попробовал себя в качестве пилота. После этого его дальнейший путь был предрешён. Вскоре, в 1965 году он закончил Калифорнийский политех по специальности «аэронавтика». Кроме того, Рутан получил диплом Калифорнийского технологического университета по космическим технологиям.
Свою карьеру Бёрт начинал в качестве инженера по лётным испытаниям в американской армии. Но в какой-то момент осознал, что ВВС США не позволяют раскрыться его потенциалу в полной мере – и ушёл в гражданскую авиацию. Первая же разработка молодого авиаконструктора, испытанная и выпущенная в серийное производство в 1972 году, стала коммерчески успешной.
VariViggen – двухместная спортивная модель, в конструкции которой в полной мере отражается нестандартный подход Рутана. Так, горизонтальное оперение, которое мы привыкли видеть в хвостовой части, перекочевало на нос: такая схема называется «уткой». Бёрт долго просчитывал геометрические параметры, экспериментируя с формами крыльев – отсюда и Vari (вариации) в названии модели. В итоге получился деревянный самолёт с треугольными крыльями и толкающим винтом, расположенным сзади.
VariViggen при 150-сильном двигателе весил 770 кг и мог развить скорость свыше 260 км в час. А в 1976 году, когда у Бёрта появилась собственная компания, он придумал ещё один гениальный коммерческий ход: самолёт продавался в виде набора деталей – типа конструктора «сделай сам». В итоге в течение десяти лет удалось продать под тысячу подобных «самоделок». Между прочим, многие из них по-прежнему летают.
Впрочем, решение открыть собственную компанию пришло не сразу. После ухода из ВВС Рутан некоторое время работал на компанию Bede Aircraft Corporation. Знаменитый по фильмам об «агенте 007» миниатюрный реактивный самолёт Bede BD-5J – «карманная ракета» – создавался как раз при его непосредственном участии, в начале 70-х.
Шустрые «утята»: первые самолёты из Мохаве
Компания RAF – Rutan Aircraft Factory – появилась на свет в 1974 году. Калифорнийский аэропорт Мохаве, находящийся в одноимённой пустыне, служит с тех пор плацдармом для разработок новых, абсолютно уникальных летательных аппаратов. Для начала Бёрт серьёзным образом пересмотрел конструкцию VariViggen, существенно улучшив его лётные характеристики. Самолёт Vari-EZ впервые поднялся в небо над Мохаве в 1975 году. От своего предшественника он взял «утиное» оперение на носу и толкающий винт сзади, а также материалы – дерево и пенопласт.
Но крылья совершенно поменялись. Бёрт применил комбинацию вертикальных законцовок, снабжённых рулями. В принципе, и раньше было известно, что такая конструкция улучшает аэродинамику крыльев. Однако массово использовать данную технологию стали после Рутана – например, для реактивных пассажирских лайнеров.
Что касается переднего оперения, то оно применялось в Vari-EZ не только для балансировки, но и для создания подъёмной силы. Мотор для толкающего винта базовой модели своей новой «утки» Рутан позаимствовал у… автомобиля Volkswagen, мощности в 62 л. с. оказалось вполне достаточно. В дальнейшем выпускалась версия с мотором в 100 «лошадок». В такой комплектации Vari-EZ поставил рекорд дальности полёта для самолётов с массой менее 500 кг, преодолев 2621 км на замкнутом маршруте. Как и в случае с предыдущей моделью, Рутан продавал Vari-EZ в качестве «сборного конструктора». И продал 400 комплектов.
Следующая модель назвалась Long-EZ. Как нетрудно догадаться по названию, она была крупнее предыдущей, чуть больше 5 метров в длину. И мотор на ней стоял помощнее: авиационный Lycoming на 115 л. с. Самолёт, который отличался углом «стреловидности» крыльев, мог преодолевать огромные для такой крохи расстояния – до 2500 км на 200 литрах топлива.
Вместо второго пассажирского сидения можно было вставить дополнительный бак, и тогда дальность полёта Long-EZ достигала 7700 км. Впрочем, официально зафиксированный рекорд «Лонга» составил «всего» 6440 км: бак не был заправлен полностью, чтобы самолёт не вышел из категории «до 500 кг». Отметим, что такое расстояние Long-EZ мог пролететь меньше, чем за 20 часов: нормальная скорость для этой модели – 300 км в час, максимум – 350 км в час.
Больше – не значит лучше
Long-EZ был обречён на коммерческий успех. В Штатах до сих пор летает около 700 таких самолётов. Однако так произошло не со всеми моделями: разработанный в тот же период Defiant – похожей конструкции, но 5-местный, – так и не был запущен в массовое производство. С другой стороны, Рутан явно окупил разработку, продав несколько сотен комплектов чертежей «Дефианта».
Последний «утконос» Рутана был создан уже под патронажем Beech Aircraft Corporation. Дело в том, что в 1982 году Бёрт прозорливо перепрофилировал свой RAF в компанию, специализирующуюся на аэродинамических конструкциях из неметаллических материалов – Scaled Composites. Компания, в свою очередь была куплена «Эйркрафтом» и являлась одним из подразделений корпорации – до 1988 года, когда Рутан выкупил контрольный пакет акций.
Beechcraft Starship, который назывался также Beechcraft 2000, был испытан в 1986 году, а в 1989-м новый самолёт вышел в серию. Это двухмоторный лайнер, рассчитанный на пилота и 10 пассажиров. Бёрт как мог облегчил конструкцию, используя композиционные материалы, и применил всё ту же «утиную» схему, что в Vari-EZ и Long-EZ. При этом самолёт весил 6,5 тонн, а два мотора (по 1200 л. с. каждый) позволяли развивать крейсерскую скорость порядка 620 км в час.
«Бичкафт 2000» пролетал без дозаправки свыше 3 тысяч км, он был быстрым и манёвренным – однако слишком сложным в управлении. Да и эксплуатация его обходилась недёшево. За 15 лет было продано всего несколько самолётов, после чего проект окончательно закрыли. Что поделать, даже у таких гениев, как Рутан, случаются промахи.
Но едва ли в Beech Aircraft хоть раз пожалели, что связались с Бёртом. Взять хотя бы Catbird, выигравший в конце 80-х в престижных американских состязаниях CAFE 400. Необычный самолёт из композиционных материалов одержал безусловную победу в гонке, где оценивалась суммарная эффективность – в том числе скорость, полезная нагрузка, расход топлива и т.д. Эту модель заказали на замену популярной Bonanza, выпускавшейся с 1945 года. Поршневой 5-местный Catbird оснащался тремя парами несущих поверхностей: передними, основными и хвостовыми.
Когда безопасность важнее симметрии
К успехам в период работы на Beech Aircraft можно причислить небольшой бизнес-самолёт «Триумф» на реактивной тяге. Примерно тогда же Бёрт разработал и построил самолёт, оснащённый как толкающими, так и тянущими винтами. В 1983 году эта модель потерпела крушение, но пилот не пострадал. Лётчика спасло не чудо, а предусмотрительность Рутана: конструкция и материалы кабины были рассчитаны на столкновения с 22-кратной перегрузкой.
В этом – суть философии великого авиаконструктора. У Рутана – свои представления о будущем авиации: он считает, что максимум через четверть века самолёт станет для человека таким же обыденным средством передвижения, каким сегодня является автомобиль. Предпосылки для этого уже имеются. Например, спутниковые навигационные системы и бортовые компьютеры сегодня перестали быть чем-то экзотическим – а значит, вопрос с навигацией в воздухе фактически решён. Осталось по максимуму упростить управление, а также добиться, чтобы самолёты стали надёжнее, дешевле и безопаснее. Именно этому и посвятил Рутан значительную часть своих исследований.
Возьмём, к примеру, Boomerang, причудливая асимметрия которого – отнюдь не дизайнерская прихоть: эти необычные формы делают конструкцию гораздо более надёжной и безопасной. «Бумеранг» оснащён двумя моторами, суммарная мощность которых составляла 410 «лошадок». При этом отказ любого из двигателей практически никак не отражается на сложности управления.
Да, опытный пилот способен управлять любым двухмоторником с отказавшим двигателем – но для этого необходим немалый опыт. А Boomerang в подобной ситуации без проблем посадит любой новичок: отказ одного из моторов не требует от пилота вообще никаких дополнительных манипуляций, даже на небольшой скорости. Кстати, о характеристиках: при полезной нагрузке почти в полтонны «Бумеранг» пролетает около 3,8 тысяч км со средней скоростью 530 км в час.
Для тех, кто не знаком с философией Рутана, в этой модели 1993 года кажется странным абсолютно всё. Даже иллюминаторы «разбросаны» без какой-либо симметрии – в дальнейшем это станет фирменной рутановской «фишкой». Лётчик с пятью пассажирами размещаются в фюзеляже, расположенном со смещением вправо. Там же – первый двигатель. Второй мотор имеет отдельный корпус – поменьше, размещённый слева и тянущийся до хвоста. Два киля связаны горизонтальным оперением, которое также установлено со смещением.
Ранее нечто подобное строили лишь немецкие авиаконструкторы из Blohm + Voss. Их самолёт-разведчик времён Второй мировой BV-141 тоже отличался асимметричностью. Единственный мотор размещался в отдельном фюзеляже, а кабина пилота также располагалась со смещением вправо. Однако германское авиастроение 30-40-х годов прошлого века – это отдельная история, связанная, в основном, с военными нуждами.
Военные разработки Бёрта Рутана
Надо сказать, что Рутан также периодически выполнял проекты для американских ВВС. Компания Бёрта разрабатывала беспилотники и ракеты, элементы космического оборудования для НАСА и даже огромные ветрогенераторы для выработки электричества. Но есть в портфолио у Scaled Composites и настоящие «машины смерти». Например, бюро Рутана принимало непосредственное участие в создании В-2 – легендарного «невидимого» бомбардировщика.
Другой интересный проект – АТТТ (Advanced Technology Tactical Transport) – был профинансирован DARPA, госслужбой, занимающейся потенциально перспективными для вооружённых сил разработками. Перед Рутаном стояла цель: создать транспортный самолёт с максимально короткими взлётом и посадкой. Конструктор достойно справился с задачей, оснастив модель двумя тандемными крыльями и Т-образным хвостовым оперением. Двигатели находились в отдельных гондолах, оканчивающихся хвостовыми килями. Интересно, что основным было не переднее, а заднее крыло: это заметно по его размерам. Для испытаний была построена уменьшенная модель – в 2/3 от запланированной величины.
Но, пожалуй, самый военный из своих самолётов Бёрт сконструировал по собственному желанию. Идея возникла в начале 80-х, когда Рутана пригласили в качестве консультанта в один из пентагоновских проектов. Целью проекта было создание лёгкого самолёта, который мог бы, во-первых, оказывать поддержку пехоте, а во-вторых, эффективно противодействовать вертолётной технике. Программа закрылась, а «волшебник из Мохаве» продолжил работу самостоятельно. Так появился беспрецедентный штурмовик ARES, более чем наполовину состоящий из композитных материалов.
Самолёт выглядит крайне агрессивно. И очень нетипично для военной машины – впрочем, стоит ли удивляться, учитывая авторство? ARES имеет стреловидные крылья и два установленных на отдельных консолях серповидных киля. Уже знакомое «утиное» оперение направлено вперёд. Такая конструкция продиктована отчасти необходимостью установки вооружения – 25-миллиметровой пушки GAU-12/U. Эти орудия ещё называют «эквалайзерами» – видимо, из-за пяти вращающихся стволов.
Несмотря на то, что пушка изначально предназначалась для более крупного и массивного AV-8B Harrier II, Рутан умудрился смонтировать её на своём лёгком ARES. Снова помогла асимметричность: «эквалайзер» находится в правой части фюзеляжа, который сдвинут почти на метр в левую сторону от оси симметрии. При такой конструкции сильнейшая отдача практически не влияет на манёвренность – следовательно, и на точность стрельбы. Пушка миниатюрного «Ареса» оснащается обоймой на 220 снарядов, тогда как, к примеру, наш «МиГ-19» имеет всего 140 снарядов на оба 30-миллиметровых ствола.
Пушку-то установили, а что с двигателем? И здесь Рутан пошёл по совершенно новаторскому пути – как будто никто до него не занимался разработкой военных штурмовиков. Итак, внимательно смотрите на схему: двигатель стоит слева от орудия, находясь под углом к продольной оси машины. Воздухозаборник вынесен на левый борт, что решает ещё одну важную для боевых машин проблему: двигатель, таким образом, надёжно защищён от попадания пороховых газов.
Пушка-эквалайзер – не единственное оружие. На ARES можно навешать всевозможных ракет – для наземных и воздушных целей. Предусмотрено место для «шпионской» аппаратуры. Кабина пилота защищена кевларом, а кресло в случае опасности катапультируется. На большой высоте «Арес» спокойно набирает скорость 750 км в час, но поскольку его основные цели – вертолёты и наземная бронетехника – находятся ниже, то и скорость у поверхности снижается до 650 км в час. Этого вполне достаточно – учитывая беспрецедентную манёвренность аппарата.
У F-16С, серийного истребителя американских ВВС, скорость разворота составляет 10-11 градусов в секунду. За это же время ARES разворачивается на 36 градусов – то есть в три раза быстрее! Такие шикарные показатели навевают ассоциации с истребителями-бипланами начала Второй мировой.
Модель была успешно испытана ещё в 1990 году, но на службу в американскую армию так и не поступила. Не очень понятно, почему Пентагон не спешит закупать эти лёгкие манёвренные штурмовики. Вполне вероятно, что их захотят взять на вооружение ВВС менее развитых стран, хотя бы из-за относительной ценовой доступности: максимум 2 миллиона долларов – это с самой полной комплектацией. А пока военные думают, ARES снимается в кино. Если вы смотрели блокбастер «Железный орёл-3: Асы», то наверняка обратили внимание на необычную машину, которую пилотирует самый главный негодяй. Правда, в реальности герои на своих допотопных самолётах едва ли смогли бы одержать победу над уникальным штурмовиком Рутана.
Звёздный час Рутана: вокруг света без посадки
Какими бы необычными, нестандартными и новаторскими не были упомянутые ранее в этой статье разработки Бёрта, не они сделали его знаменитым. Несмотря на то, что те же «утконосы» серии EZ установили несколько мировых рекордов, до середины 80-х имя Рутана было известно, в основном, людям, имеющим непосредственное отношение к авиации. Только 74-му по счёту проекту (гениальный конструктор с самого начала последовательно нумеровал все свои творения) удалось приковать внимание широкой общественности.
Для того, чтобы «Вояджер» смог облететь земной шар без пересадок и дозаправок, новое бюро Рутана Scaled Composites проделало поистине грандиозную работу. Подготовка заняла в общей сложности четыре года – с 1982-го по 1986-й. Говорят, что конструктор приступил к проекту по просьбе своего брата Дика, опытного пилота ВВС США в отставке. Так или иначе, Дик принимал активнейшее участие в разработке и испытаниях кругосветного планера. Он же сел за штурвал «Вояджера» ранним утром 14 декабря вместе с напарницей Джиной Эйджер, чтобы преодолеть более 40 тысяч километров и вернуться под Рождество, 23 декабря на тот же аэродром в Эдвардсе.
За этим грандиозным перелётом следили с таким же интересом, как за достижениями пионеров авиации в начале века – братьев Райт или Чарльза Линдберга. Лётчики, вне всякого сомнения, заслуженно получили президентские медали от тогдашнего главы Белого дома Рона Рейгана. Рутану и Эйджер пришлось провести в воздухе без малого 9 суток – в ограниченном пространстве и со строго лимитированными по весу ресурсами (по 5 кг продуктов на каждого из пилотов на весь полёт). В пути экипаж «Вояджера» героически боролся с воздушными течениями и лавировал в зоне тайфунов. Особенно усложнилось управление под конец экспедиции, когда самолёт израсходовал большую часть топлива и стал совсем лёгким.
С пустыми топливными баками «Вояджер» весит 400 с лишним кило: нетрудно догадаться, что большинство элементов конструкции выполнено из композитных материалов. Но перед конструкторами стояла ещё одна задача. Лёгкий двухмоторный самолёт должен был поднять такое количество топлива, чтобы не нуждаться в дозаправке. Три с лишним тонны горючего были распределены максимально равномерно по всему «Вояджеру», даже в крыльях и носовом оперении. Более того, по мере расходования топливо перераспределялось, чтобы сохранить необходимую балансировку.
В конструкции явно узнаётся почерк Бёрта и его увлечение схемой «утка». Две вытянутые цистерны-гондолы с хвостовыми килями соединяются с коротким фюзеляжем 34-метровым основным крылом и 10-метровым носовым оперением. Рутан продумал и реализовал наиболее экономную схему, при которой основную работу выполнял задний, толкающий винт с мощностью 110 л. с. Передний тянущий пропеллер на 130 «лошадок» в теории должен был использоваться для выполнения различных манёвров, а в штатном режиме отключаться. Но в реальности его пришлось задействовать гораздо больше: по сути, на «задний привод» пилотам удалось перейти только на третьи сутки перелёта. Видимо, Рутан предусмотрел и такой вариант, поскольку горючего в итоге хватило, даже осталось литров 40. Так или иначе, после удачного завершения этой удивительной кругосветки конструктора чествовали не меньше, чем героев-пилотов – и вполне заслуженно.
На реактивной тяге – ещё быстрее
Не прошло и 20 лет, как Бёрт побил свой собственный «кругосветный» рекорд. В 2005 году 311-я модель Рутана, именуемая GlobalFlyer, облетела вокруг нашей планеты всего за 67 часов. За прошедшие годы в Scaled Composites даром времени не теряли: одноместный самолёт из композитных материалов получил ещё боле эффективную конструкцию. Например, если в «Вояджере» масса горючего составляла на взлёте 72%, то в «ГлобалФлаер» – все 82%.
Инициатором создания нового рекордного планера стал Стивен Фоссет, знаменитый до этого десятками безумных достижений. В 2002 году Фоссет облетел вокруг Земли на аэростате, и теперь знаменитому пилоту-экстремалу хотелось установить подобный рекорд в области авиации. Проект был реализован при поддержке эксцентричного владельца компании Virgin Ричарда Бренсона, но разработкой конструкции занимался именно Рутан.
В отличии от «Вояджера», в «ГлобалФлаер» не используется переднее оперение – стабилизационное оперение располагается сзади, как в большинстве «нормальных» самолётов. Всё остальное – полный аналог предыдущего рекордсмена: баки-гондолы и фюзеляж «нанизаны» на несущее крыло. Фюзеляж кажется совсем крохотным, но в нём не только помещается турбовентилятор с тягой в 1020 кг, но и имеется достаточно места, чтобы пилот мог расположиться в горизонтальном положении. Правда, по признанию Фоссета, поспать ему всё равно не удалось. По пути отказало несколько систем, имел место перерасход топлива – но всё закончилось хорошо. GlobalFlyer продемонстрировал впечатляющую топливную эффективность, почти в два раза выше, чем у любого другого реактивного самолёта.
В погоне за рекордной скоростью
А вот с рекордом скорости для поршневых самолётов у Рутана не сложилось. Произошло это в 1991 году, когда Роберт Понд, помешанный на авиации миллионер из США, заказал Рутану модель для традиционных самолётных гонок в Рино. Специфика соревнований заключалась в том, современные самолёты там всегда уступают «тюнингованным» истребителям времён Второй мировой войны. Так что вся надежда у Понда была только на гениальность Бёрта.
Рутан предсказуемо не воспользовался проверенными схемами конкурентов. Pond Racer – двухбалочный самолёт с основным крылом обратной стреловидности. В каждой балке – по 1000-сильному двигателю производства Nissan. Само собой, модель была изготовлена из композитных материалов, что давало серьёзное преимущество: типичные участники гонок весили 5-7 тонн, а Pond Racer – меньше двух. Бёрт рассчитывал, что самолёт будет развивать скорость около 850 км в час, но на гонках в Рино из него не удалось выжать даже 650-ти. Дело в том, что из-за неполадок в системе охлаждения загорелась силовая установка. И моторы «качали» всего по 600 л. с. вместо 1000.
Самолёту так и не суждено было установить официальное рекордное достижение. В 1993 год Pond Racer потерпел крушение при посадке, управлявший им пилот погиб. Отметим, что в данной модели абсолютно всё – в том числе и безопасность – было по просьбе заказчика принесено в жертву скорости. Pond Racer являлся фактически аэродинамичным каркасом с мощными моторами – исключительно спортивным самолётом, рассчитанным на кратковременное пилотирование лётчиком-ассом. В этом он коренным образом отличается от других моделей Бёрта, которые, напротив, рассчитаны на надёжность и простоту в пилотировании.
Всё выше и выше…
К концу 90-х Рутан начал свой путь к покорению высот, который впоследствии привёл его к завоеванию «Х-приза». Построенный в 1998 году самолёт Proteus достиг максимума в 19137 метров. Высота для горизонтального полёта без груза – чуть ниже, 18873 метра, с тонной полезного груза на борту – 17032 метра. Все три высоты являются официально зафиксированными мировыми рекордами для данного класса. Тем не менее, модель создавалась не для рекордов, а для вполне конкретных задач: Рутану заказали самолёт для обеспечения сотовой связи. Таким образом, от «Протеуса» требовалось находиться на как можно большей высоте как можно дольше – порядка 14 часов. Скорость при этом большой роли не играла.
Proteus – одна из самых изящных внешне моделей Бёрта. Для того, чтобы выполнить требования заказчика, Рутан применил схему «биплан-тандем». Переднее крыло – прямое, заднее имеет форму «обратная чайка»: взглянув на фото, вы сразу поймёте, откуда взялось такое название. На заднем крыле установлены балки с килями. А отдельного горизонтального оперения у «Протеуса» вообще нет. Летает этот «покоритель высот» на турбовентиляторных моторах, которые размещаются в верхней задней части фюзеляже. Надо ли говорить, что построен самолёт из композитных материалов?..
Как уже было сказано, изначально Proteus планировали использовать для обеспечения связи – более дешёвой и качественной, чем спутниковая. Данный проект свернули, но модель успешно используется для различных научных и исследовательских целей. Благо, что «под брюхо» самолёта можно навешивать тонну всевозможной аппаратуры.
Несомненный лидер в гонке за «Х-приз»
Свою заявку на участие в конкурсе «Х-приз» компания Scaled Composites подала едва ли не последней – в 2003 году. Напомним, что конкурс основан в 1996 году, а предельным сроком был назван 2004 год. Условия получения призовых 10 миллионов долларов были следующими:
взлететь на высоту не менее 100 км и совершить посадку;
иметь не меньше трёх человек на борту;
совершить второй аналогичный полёт в течение двух недель после первого;
финансировать проект из частных средств – никаких госинвестиций.
У Рутана к этому времени было достаточно наработок, чтобы не сомневаться в победе. К 2003-му уже проходил лётные испытания «транспортный» White Knight, да и сам SpaceShipOne был уже практически готов к старту. Вместе они впервые взлетели в августе того же года. «СпейсШип» отделился от носителя на высоте 14 км со скоростью порядка 400 км в час. Полетав минут 20, не запуская двигатель, челнок успешно приземлился.
После этого лидерство Рутана стало очевидным. Почти никто из участников соревнования не замахивался на «обычные» взлёт и посадку: основная масса проектов подразумевала выход на орбиту с ракетой-носителем и парашютное приземление капсулы. Были и более сложные проекты, наподобие старта с большой высоты при помощи аэростата. Интересная идея была у российских разработчиков, у которых носителем выступал отечественный высотный самолёт М55. Но для посадки всё равно использовался купол парашюта.
У Бёрта вышла самая изящная и работоспособная схема. Вкратце процесс выглядит следующим образом: White Knight в течение часа поднимает SpaceShipOne на высоту около 24 км – что после рекордов «Протеуса» уже не кажется чем-то запредельным. Далее космический челнок с пассажирами отделяется и почти под прямым углом к горизонту устремляется ввысь. Скорость, которую развивает при этом миниатюрная крылатая ракета – 3,5 тысячи км в час. Несколько минут на высоте 100 км – и начинается возвращение назад, к поверхности Земли.
«Космические туристы» имеют возможность насладиться невесомостью и видами нашей планеты, а также открытого космоса, в течение всего каких-то 2-3 минут. Обратная дорога занимает минут 20. Это – самый сложный этап, который помогают выдержать типично рутановские находки: так, в начале спуска задняя часть крыла отклоняется, выполняя функцию балансировочного щитка. А после выхода на высоту 24 км крылья возвращаются в исходную позицию, и «СпейсШип» без проблем выходит на посадку.
Спустившись в атмосферу, SpaceShip уже может планировать – чем и пользуется, благополучно достигая аэродрома. Собственно, так и происходил процесс, дважды проделанный летом 2004-го и принёсший Рутану заветный «Х-приз». Пилотировал первый частный космический челнок пилот Майкл Милвилл.
Сделать космос общедоступным
Самолёты White Knight и Proteus имеют много общего. Особенно узнаваемо изогнутое крыло «обратная чайка» Но и отличий у «Белого Рыцаря» немало: так, законцовки крыльев теперь загнуты кверху, а не вниз. White Knight – это моноплан с небольшим фюзеляжем и двумя балками с шасси и Т-образным хвостовым оперением. Выглядит конструкция так, как будто два самолёта соединены между собой кабиной пилота. Самолёт поднимается на реактивной тяге. Главное для этого аппарата – не скорость, а стабильный набор высоты. Само собой, «Белый Рыцарь» собран из сверхлёгких композитов.
SpaceShipOne и его носитель похожи только необычно расположенными круглыми окошками иллюминаторов. Примерно так представляли космические челноки художники-фантасты в середине прошлого столетия: челнок выглядит, как будто пуля или снаряд с необычными, широкими и короткими крыльями. Как уже сказано, крылья меняют своё положение и обеспечивают балансировку во время спуска. На крыльях – вертикальные кили с горизонтальными оперениями, расположенными с внешней стороны. Шасси – обычного, самолётного образца, с тремя опорами.
До Рутана никто и близко не конструировал подобных космических аппаратов – ни по форме, ни по внутреннему устройству. Особо интересен двигатель, который работает на уникальном двухкомпонентном топливе: на твёрдом горючем с жидким окислителем. Энергия выделяется только когда гидроксиполибутадиен (твёрдое топливо на основе резины) соединяется с закисью азота. По-отдельности эти компоненты не горят, даже их контакт не представляет опасности – как, например, самовозгорающаяся смесь компонентов горючего наших «Протонов». Топливо Рутана не является токсичным, подача жидкого окислителя удобно регулируется, гарантирует максимальную безопасность – и при этом стоит значительно дешевле, чем распространённые «ракетные» аналоги.
Нельзя в очередной раз не восхититься уникальными решениями Бёрта. Решениями, которые продиктованы не стремлением к уникальности как таковой, а необходимостью решать конкретные практические задачи. Рутан не испугался нестандартного подхода – и получил недорогую безопасную технологию, открывающую возможность для массового космического туризма. Кстати о массовости: максимальные перегрузки, которые испытывают пассажиры SpaceShip, не превышают 5 единиц – то есть не больше, чем на «русских горках» в парке аттракционов. Для «туристов» это означает, что полёты не требуют специальной подготовки и не ставят практически никаких ограничений по состоянию здоровья.
Рутан: продолжение следует
Мы не будем вдаваться в подробности совместной деятельности Рутана и сэра Ричарда Бренсона – об этом и так регулярно сообщают СМИ. После присуждения «Х-приза» проекту «СпейсШип-1», компания Virgin щедро финансирует дальнейшее развитие космического туризма, пользуясь услугами Бёрта и его Scaled Composites. Частный «космический флот», космопорт в Мохаве – на это требуются серьёзные инвестиции, много времени и бренсоновские организаторские способности. А Рутан тем временем проектирует более крупные и вместительные «СпейсШипы» и соответствующие им транспортники.
Новые шаттлы доставляют большее количество пассажиров, которые размещаются в боле комфортных условиях. Они летят выше – следовательно, могут дольше наслаждаться своей отнюдь не дешёвой турпоездкой на орбиту. Желающих немало, причём есть среди них как совсем юные, так и достаточно пожилые люди.
Для самолётов типа White Knight сейчас появилось много работы – кроме доставки космических челноков. Лётные характеристики и грузоподъёмность этой модели нашли применение во многих отраслях науки, их активно используют в НАСА и других организациях, частных и государственных. А не так давно соучредитель «Майкрософта» Пол Аллен заказал в Scaled Composites самый большой самолёт в мире. И Рутан выполнил заказ: Stratolaunch с размахом крыльев в 117 метров представили публике летом прошлого года. На своих шести реактивных двигателях этот исполин будет подымать порядка 250 тонн на высоту 10 км.
Stratolaunch планируют сделать воздушной стартовой площадкой для ракет-носителей, доставляющих на орбиту Земли спутники и пр., включая членов экипажа и грузы для МКС. Пока что гигантский самолёт проходит испытания, первый подобный запуск ракеты Pegasus XL состоится в следующем году.
Самый большой самолёт в мире на данный момент является последним рекордом Рутана. Но «волшебник из Мохаве» едва ли собирается останавливаться на достигнутом. «Х-приз» взят, но есть же ещё 50 миллионов долларов, обещанных за космический аппарат для полётов по околоземной орбите. Задача – как раз для великого Бёрта. Надеемся, он справится с ней столь же оригинально, красиво и эффективно, как со своими предыдущими проектами.
САМОЛЕТ ПРЕОБРАЗУЕМЫЙ | Энциклопедия Кругосвет
Содержание статьиСАМОЛЕТ ПРЕОБРАЗУЕМЫЙ, летательный аппарат, компоновка которого изменяется при переходе из одного режима полета в другой. Такой самолет взлетает вертикально, а затем переходит в режим горизонтального полета. Самолет, который может взлетать или совершать посадку на коротких взлетно-посадочных полосах, также обладает некоторыми свойствами преобразуемого летательного аппарата.
ПРЕОБРАЗУЕМЫЙ ЛЕТАТЕЛЬНЫЙ АППАРАТ
Преобразуемый летательный аппарат может взлетать вертикально или почти вертикально, переходя затем к горизонтальному полету. Переход к горизонтальному полету можно осуществить несколькими способами: установкой независимых тяговых систем для вертикального и горизонтального полета, поворотом осей вращения винтов, поворотом крыла с винтами и, наконец, изменением направления реактивной струи таким образом, чтобы на режимах взлета и посадки создавалась вертикальная подъемная сила, а на крейсерском режиме – горизонтальная тяга. В аэродинамических трубах и в летных условиях исследованы самые разные варианты указанных выше основных способов.
Самолеты вертикального взлета и посадки (СВВП) принадлежат к более многочисленному семейству самолетов вертикального или короткого взлета и посадки (СВ/КВП). Вертолет также является преобразуемым летательным аппаратом, поскольку для перехода в режим горизонтального полета наклоняют ось вращения его винта. К непреобразуемым ЛА относятся самолеты короткого взлета и посадки (СКВП), в которых для уменьшения пробега применяются специальные аэродинамические устройства и двигатели для создания дополнительной подъемной силы.
Преимущества.
Преобразуемому летательному аппарату не нужна длинная взлетно-посадочная полоса, что очень важно для многих военных самолетов. Например, в морской авиации преобразуемые летательные аппараты могут действовать с меньших и менее дорогостоящих авианосцев, а также небольших палубных площадок крейсеров, эсминцев или десантных судов-амфибий. Преобразуемые летательные аппараты берегового базирования могут взлетать и садиться, используя неподготовленные площадки в прифронтовой полосе, вместо того чтобы действовать с более уязвимых аэродромов за линией фронта.
Преобразуемый летательный аппарат весьма перспективен и с точки зрения гражданских перевозок. Перегруженность аэропортов, особенно в США и Западной Европе, к концу столетия стала одной из критически важных проблем. Для ее решения целесообразно использовать специальную транспортную систему для воздушных перевозок пассажиров на близкие расстояния самолетами КВП/ВВП, базирующимися на небольших аэродромах в пригородных зонах больших городов. Это позволило бы приблизительно вдвое уменьшить пассажиропотоки в крупных аэропортах, осуществляющих дальние перевозки. Идеальными средствами транспорта на маршрутах малой протяженности могли бы стать преобразуемые летательные аппараты, способные взлетать с внутригородских площадок. Однако три десятилетия исследований СВ/КВП пока не привели к созданию такого аппарата для нужд гражданской авиации.
Улучшение одной из характеристик проектируемого летательного аппарата обычно сопровождается ухудшением какой-либо другой характеристики. За преобразуемость летательного аппарата авиаконструкторы также вынуждены расплачиваться. Как правило, вес дополнительного оборудования (а в некоторых случаях и дополнительного топлива) приводит к снижению скорости, дальности и полезной нагрузки. Кроме того, сложность механических систем, обеспечивающих преобразование летательного аппарата, вызывает увеличение не только веса, но и затрат. Отмеченные трудности можно преодолеть, но для этого необходимы дополнительные исследования и разработки.
ТИПЫ ПРЕОБРАЗУЕМЫХ ЛЕТАТЕЛЬНЫХ АППАРАТОВ
Конструкция преобразуемого летательного аппарата зависит от его назначения. Существуют две категории таких ЛА. К первой относятся боевые самолеты, для которых необходимы почти вертикальный взлет и большая скорость горизонтального полета. Такие ЛА должны иметь реактивную тягу. Ко второй категории относятся транспортные преобразуемые ЛА, как военные, так и гражданские. Эти ЛА должны иметь достаточно вместительный фюзеляж. Высокая скорость горизонтального полета для них желательна, но не имеет решающего значения. В последнее время исследуются вертолетоподобные компоновки самолетов с поворотными двигателями для создания вертикальной подъемной силы.
Боевые самолеты.
Разработка боевых преобразуемых самолетов (истребителей-перехватчиков в системе ПВО, штурмовиков и самолетов-разведчиков) началась после Второй мировой войны. По заказу ВМС США разрабатывались преобразуемые ЛА XFY-1 фирмы «Конвэр» и XFV-1 фирмы «Локхид». В стартовой позиции эти летательные аппараты устанавливаются вертикально, «сидя на хвосте». Как на взлете, так и на крейсерском режиме тяга создается большими винтами, приводимыми в движение газотурбинными двигателями. В августе 1954 XFY-1 стал первым самолетом, который успешно осуществил переход от вертикального полета к горизонтальному.
В 1950-х годах появился ряд экспериментальных преобразуемых самолетов в США, Великобритании и Франции. Самолеты X-13 фирмы «Райан» и X-14 фирмы «Белл» в 1957–1958 продемонстрировали возможность использования реактивной тяги для вертикального (короткого) взлета. Преобразуемый аппарат X-13 устанавливается на старте вертикально; на аппарате X-14 летчик, поворачивая подъемно-маршевые двигатели, может изменять направление вектора тяги при взлете и посадке, создавая вертикальную подъемную силу при взлете и посадке и горизонтальную тягу при переходе на крейсерский режим. В дальнейшем этот метод получил наибольшее распространение при конструировании преобразуемых боевых самолетов.
В 1960-е годы западногерманский консорциум EWR разработал самолет VJ-101C, на концах крыла которого установлены поворотные реактивные двигатели. Они создают вертикальную подъемную силу на взлете и горизонтальную тягу в режиме крейсерского полета. Четыре небольших турбореактивных двигателя, размещенные в фюзеляже, используются для получения дополнительной подъемной силы. Преобразуемый самолет VAC-191, построенный акционерным обществом VFW, оборудован независимыми системами для создания вертикальной подъемной силы и горизонтальной тяги. Два подъемных двигателя используются исключительно для взлета и посадки, а на крейсерском режиме работает обычный турбореактивный двигатель. Американские преобразуемые самолеты XV-4A и XV-4B фирмы «Локхид» имеют шесть турбореактивных двигателей: четыре, установленные в фюзеляже, создают вертикальную подъемную силу, а два основных двигателя – тягу, необходимую для горизонтального полета (за счет отклонения вектора тяги они помогают также подъемным двигателям на режимах взлета и посадки). В ЛА сухопутных войск США XV-5A, разработанном фирмой «Райан», реактивные двигатели создают горизонтальную тягу, а независимые подъемные вентиляторы, установленные в крыльях и в фюзеляже, используются для создания вертикальной тяги. Лопасти вентилятора, подобно ротору вертолета, создают аэродинамическую подъемную силу и, отбрасывая вниз большие массы воздуха, – дополнительную реактивную тягу, направленную вверх. Струи реактивных двигателей на взлете используются для управления вентиляторами, а затем переориентируются для горизонтального полета.
Преобразуемый летательный аппарат P.1127 «Кестрел» фирмы «Хоукер Сиддли» (Англия) был предшественником первого серийного самолета СВВП. Управление его вектором тяги осуществлялось посредством поворота концевой части сопла. Первый успешный полет ЛА «Кестрел» состоялся в сентябре 1961. В 1966–1969 фирма «Хоукер Сиддли» наладила серийное производство дозвукового СВ/КВП «Харриер», на котором также используется концепция поворота вектора тяги. Этот одноместный самолет выпускается в трех вариантах: истребитель, штурмовик, самолет-разведчик. Около 250 самолетов «Харриер» состоят на вооружении ВВС и ВМФ Великобритании, а также используются корпусом морской пехоты США под обозначением AV-8A. Фирма «Макдоннелл–Дуглас» разработала сверхзвуковой вариант «Харриера» (AV-8B) с большей дальностью и большей полезной нагрузкой. Его взлетно-посадочные характеристики также лучше, чем у AV-8A.
Первый советский преобразуемый самолет был разработан в ОКБ Яковлева в конце 1960-х годов. На основе этого самолета был создан дозвуковой Як-36, одноместный штурмовик/разведчик корабельного базирования. Его наследник – околозвуковой самолет Як-38 – был принят на вооружение авианесущих кораблей СССР. Комбинированная силовая установка этого самолета состоит из подъемно-маршевого турбореактивного двигателя, выхлопная струя которого на режиме взлета отклоняется вниз с помощью двух поворотных сопел, расположенных за крылом, и двух подъемных двигателей, установленных в средней части фюзеляжа и создающих дополнительную подъемную силу при взлете и посадке. Самолеты Як-38 базируются на авианесущих крейсерах «Киев» и «Минск». На каждом из них размещается около дюжины самолетов Як-38, дополняющих вертолетное подразделение, основной задачей которого является борьба с подводными лодками.
Для оценки возможности создания истребителей/штурмовиков нового поколения – СВВП, которые могли бы действовать с небольших авианесущих кораблей и развивать в полете максимальную скорость около 2400 км/ч, фирмой «Рокуэлл интернэшнл» разработан самолет XFV-12A. Для него был создан планер необычной конструкции. Треугольное несущее крыло располагается в хвостовой части самолета, а ближе к носу устанавливается вспомогательное крыло (схема «утка»). Основной турбовентиляторный двигатель этого самолета развивает тягу 132,5 кН. Оборудованный системой разделения тяги, самолет лишь частично удовлетворяет потребность в тяге, необходимой для вертикального взлета при полной загрузке. Дополнительную подъемную силу создает система форсирования двигателя. Компоновка отличается от обычной наличием дополнительного воздухозаборника в верхней части фюзеляжа, который используется на режимах взлета, висения и посадки, увеличивая расход воздуха и тягу двигателя.
Транспортные СВВП.
Концепция СВВП весьма привлекательна для создания на ее основе военно-транспортного летательного аппарата. Его можно было бы использовать также в качестве «летающей пушки» для непосредственной поддержки сухопутных войск и уничтожения наземных огневых точек противника (обычно для этих целей используют вертолеты). «Летающая пушка» не имеет вооружения, позволяющего ей бороться с самолетами противника, но тем не менее ближе к транспортным самолетам вертикального взлета и посадки, нежели к вертолетам.
Транспортные СВВП являются, как правило, летательными аппаратами малой дальности. При малой дальности не обязательны высокие скорости, но все же желательно, чтобы скорость транспортировки заметно превышала уровень, характерный для вертолетов. В современных транспортных СВВП используют роторы для создания подъемной силы при вертикальном взлете, но для достижения скоростей полета 480–720 км/ч разрабатываются другие средства.
Вертикально взлетающие винтокрылые транспортные летательные аппараты появились в конце 1950-х годов. Одним из первых был «Ротодайн» фирмы «Фейри» (Великобритания), предназначавшийся для перевозки 48 пассажиров. Это был преобразуемый аппарат с комбинированной силовой установкой, называемый также комбинированным вертолетом. (Термин «комбинированная» подчеркивает использование различных систем для вертикального подъема и для создания горизонтальной тяги.) В конструкции «Ротодайна» подъем при взлете обеспечивается четырехлопастным ротором, а два реактивных двигателя, установленных под дополнительным крылом со срезанными концами, создают тягу, необходимую для горизонтального полета.
В конце 1960-х – начале 1970-х годов исследовался ряд экспериментальных преобразуемых транспортных летательных аппаратов. ЛА X-22A фирмы «Белл» представляет собой легкий экспериментальный транспортный самолет, оборудованный поворотными двухконтурными турбореактивными двигателями, которые размещаются в цилиндрических гондолах на основном и небольшом переднем крыльях. Вентиляторы направляют вниз реактивную струю, обеспечивая тем самым вертикальный подъем, а после взлета поворачиваются и действуют как обычные винты, создавая горизонтальную тягу, достаточную для крейсерского полета со скоростью 480 км/ч. Другой аппарат, LTV XC-142, внешне не отличается от обычного самолета и благодаря установке четырех турбовинтовых двигателей развивает скорость полета до 690 км/ч. Однако при взлете и посадке этого аппарата крыло вместе с двигателями поворачивается на угол 90°, и вертикальная тяга винтов создает достаточную подъемную силу.
Схема западногерманского самолета DO-31 фирмы «Дорнье» представляет собой отход от схем с турбовентиляторами, винтами и роторами, создающими вертикальную тягу. В качестве маршевых двигателей этого самолета в крейсерском полете используются два турбовентиляторных двигателя, а вертикальная тяга создается подъемными турбореактивными двигателями, расположенными по пять в двух гондолах на концах крыла. Опытный образец тактического транспортного самолета DO-31 развивал скорость полета 640 км/ч. Летательный аппарат AH-56A фирмы «Локхид», проектировавшийся для военных целей как «летающая пушка», – единственный комбинированный вертолет, у которого для создания тяги как при подъеме, так и на крейсерском режиме используется один и тот же газотурбинный двигатель. Этот двигатель приводит в движение обычный подъемный винт при вертикальном взлете и толкающий винт при горизонтальном полете.
Несмотря на то что исследования и разработки преобразуемых транспортных летательных аппаратов проводятся уже около 30 лет, до настоящего времени не создано серийного аппарата такого типа. Исследуемые компоновки иллюстрируют наличие двух совершенно различных концепций комбинированного вертолета. Первую представляет экспериментальный винтокрылый летательный аппарат S-72 фирмы «Сикорски». Этот аппарат исследовался в модификациях усовершенствованного вертолета с различными роторными системами, а также комбинированного вертолета. В последнем случае компоновка вертолета нормальной схемы была дополнена 14-метровым несущим крылом и коротким горизонтальным стабилизатором. Вертикальный подъем обеспечивается ротором. Два турбовентиляторных двигателя, установленных на крыле, позволяют аппарату развить скорость горизонтального полета 480 км/ч.
В другом комбинированном вертолете фирмы «Сикорски», известном под обозначением ABC, реализована концепция нового эффективного ротора, способного обеспечить вертикальный подъем и скорость крейсерского полета, типичную для самолетов нормальной схемы, но без использования крыльев, так как ротор создает достаточную подъемную силу и обеспечивает управляемость в любом режиме полета. Ротор этого преобразуемого аппарата состоит из двух винтов, вращающихся в противоположных направлениях и приводимых от одного газотурбинного двигателя. Два турбореактивных двигателя, установленные по бокам фюзеляжа, развивают тягу, достаточную для горизонтального полета со скоростью 560 км/ч.
Концепция несущего винта с изменяемым наклоном оси вращения реализована в экспериментальном СВВП XV-15. Для вертикального взлета и посадки на XV-15 применены большие винты, подобные винтам вертолетов. После отрыва от земли оси вращения винтов наклоняются вперед, и они становятся тянущими, обеспечивая скорость полета свыше 640 км/ч.
Совершенно иную концепцию преобразуемого летательного аппарата разработала фирма «Локхид–Калифорния». Четырехлопастное Х-образное крыло при вращении (на режимах взлета или подъема) создает вертикальную тягу, но на режиме высокоскоростного горизонтального полета оно фиксируется и выполняет функцию несущего крыла.
Перспективной концепцией представляется винт со складывающимися лопастями. Самолет такой компоновки с обычным крылом выполняет взлет и посадку с помощью подобного винта. После достижения скорости, при которой крыло обеспечивает необходимую подъемную силу, винт останавливается, складывается и убирается в фюзеляж, а горизонтальный полет обеспечивается турбореактивными двигателями.
САМОЛЕТЫ КОРОТКОГО ВЗЛЕТА И ПОСАДКИ
Как следует из их названия, летательные аппараты семейства СВ/КВП имеют укороченную дистанцию пробега по земле при взлете и посадке, но не в состоянии осуществить вертикальный взлет. Самолеты короткого взлета и посадки не относятся к преобразуемым. Сокращение дистанции пробега по земле при взлете и посадке у них обеспечивается различными аэродинамическими устройствами и силовыми установками, позволяющими увеличить несущие свойства крыла и тяговооруженность при малых скоростях. Элементами механизации крыла, служащими для увеличения подъемной силы, являются выдвижные предкрылки, которые обеспечивают обдув верхней поверхности крыла, позволяющий улучшить обтекание. Кроме того, используют скользящие предкрылки и закрылки большой площади, создающие дополнительную подъемную силу вследствие увеличения суммарной площади несущей поверхности самолета. На некоторых современных СКВП установлены сверхкритические крылья; такие специально спрофилированные крылья позволяют получить большую подъемную силу при малых скоростях и не теряют своей эффективности в крейсерском полете. На самолетах укороченного взлета и посадки для увеличения подъемной силы может использоваться реактивная сила, создаваемая при отклонении струи вниз с помощью закрылков. Один из вариантов такой системы увеличения подъемной силы нашел применение на военных самолетах «Харриер» с короткими взлетом и посадкой.
Длина взлетно-посадочной полосы, необходимой для СКВП, зависит от веса аппарата. Некоторые легкие аппараты такого типа могут при взлете преодолевать препятствие высотой 15 м, отстоящее на расстоянии 150 м от места старта. Наиболее тяжелые (весом более 100 т) из успешно прошедших испытания СКВП взлетали с полосы длиной 610 м (втрое короче, чем для обычных самолетов того же веса).
Военные и транспортные самолеты короткого взлета и посадки уступают в универсальности СВВП. Тем не менее они успешно справляются со многими задачами без чрезмерного усложнения конструкции и ухудшения весовых характеристик, которые неизбежны для преобразуемых летательных аппаратов. Совершенствование СКВП направлено главным образом на создание транспортных самолетов.
У самолетов короткого взлета и посадки не возникает таких технических проблем, как у преобразуемых летательных аппаратов. Шестиместному легкому транспортному самолету «Гелио супер курьер» (США) необходима взлетно-посадочная полоса длиной 180 м. «Курьер» используется как самолет индивидуального пользования или деловой (административный), а также в качестве военного самолета вспомогательной авиации. СКВП «Дорнье скайсервант» (Германия) применяется как военный и гражданский транспортный самолет. Он может перевезти от 12 до 14 пассажиров. Оборудованный двумя поршневыми двигателями, СКВП «Скайсервант» может взлететь с полосы длиной 280 м. Израильский СКВП «Арава» с двумя реактивными двигателями используется как гражданский (он вмещает 20 пассажиров) и военный транспортный самолет; для взлета ему необходима взлетно-посадочная полоса длиной 470 м. Эксплуатируется и СКВП DHC-7 канадской фирмы «Де Хэвилленд» – 50-местный пассажирский самолет с 4 турбовинтовыми двигателями; ему нужна ВПП длиной 700 м.
История пропеллера самолета
Наука и искусство, лежащие в основе проектирования воздушных винтов, начинались просто. В основе первоначальной концепции конструкции воздушного винта самолета лежала та же концепция, что и в основе винта. Правильно, простой винт.
Конечно, эта конструкция винта была задолго до того, как различные ремонтные мастерские могли заниматься ремонтом и заменой различных деталей для всех размеров самолетов. Для сегодняшнего ремонта воздушных винтов обращайтесь в Stockton Propeller.
Назад в ВСПо мнению большинства экспертов по аэрокосмической истории, Архитас из Тарента является автором изобретения винта. Он жил с 428 г. до н.э. по 350 г. до н.э.
Это изобретение было быстро перенято древнегреческим ученым Архимедом в 200 г. до н.э.
Первые шнеки использовались для извлечения масла из оливок и сока, а также для подъема воды из колодцев с меньшими усилиями. Мы точно знаем, что это была обычная технология, используемая от Египта до Греции и за ее пределами.
«Немного» позжеЛеонардо да Винчи, великий художник и изобретатель, нарисовал свой первый «летательный аппарат» или вертолет в середине 1400-х годов.
Он так и не построил этот первый вертолет или летательный аппарат. Но эскизы конструкции включали направленный вверх «воздушный винт», который, как он полагал, поднимет машину над землей при достаточном вращении.
Основные достижения 1700-х и 1800-х годовТем не менее, только в середине 1700-х годов изобретатели начали обсуждать, как использовать эту технологию для приведения в движение лодок путем создания вращающихся винтов или гребных винтов для лодок, приводящих транспортные средства в движение по воде.
К 1800-м годам гребные винты для лодок стали стандартной технологией для самых разных морских судов.
В 1840-х годах сэр Джордж Кейли сконструировал летательный аппарат. В его конструкцию входили сдвоенные пропеллеры.
Другим первооткрывателем был Альберто Сантос Дюмон, сконструировавший собственные пропеллеры для своих дирижаблей. Он использовал алюминий для конструкции своих винтов.
1900-е взяли верхОднако в 1903 году братья Райт перенесли идею авиационного винта с бумаги на практическое применение.Они представили свою конструкцию винта с витым аэродинамическим профилем. Братья Райт отбросили старое представление о том, что конструкция пропеллеров самолетов должна основываться на винтах. Они выдвинули гипотезу, что конструкция пропеллера самолета должна быть больше похожа на крыло, чем на винт. В конце концов, крылья создают подъемную силу, поддерживающую самолет. Они полагали, что пропеллеры самолетов должны иметь возможность вытеснять воздух назад для создания тяги вперед. Это рассуждение заставило их добавить изгиб по длине лезвия. Изгиб обеспечивал более постоянный угол атаки лезвия.Поворот позволял притягивать постоянное количество воздуха к самолету при каждом вращении.
До середины 1920-х годов винты изготавливались из дерева и имели фиксированный шаг, что существенно ограничивало летно-технические возможности самолета. Деревянные пропеллеры превращали мощность двигателя самолета в тягу, которая двигала самолет вперед. Они отличались постоянно установленным углом лезвия, называемым фиксированным шагом, и состояли из слоев дерева. Они были дешевы, просты в производстве и легки и до середины 1920-х годов были доминирующим типом винтов для высокопроизводительных самолетов.После этого на них полагались малые самолеты авиации общего назначения для тяги. Vin Fiz, T-2, Douglas World Cruiser Chicago и Piper Cub оснащены деревянными гребными винтами.
В 1929 году Уоллес Тернбулл запатентовал свою оригинальную конструкцию гребного винта с изменяемым шагом. Эта новая конструкция позволяла пилоту вручную регулировать шаг лопастей и лучше контролировать характеристики и эффективность работы самолета.
В 1940-х годах по мере увеличения мощности двигателя стали использоваться широкие прямоугольные лопасти, поскольку они поглощали больше энергии, чем традиционные лопасти с круглым концом.
Позже инженеры разработали гребные винты постоянной скорости. Винты постоянной скорости — это гребные винты с переменным шагом. Они автоматически регулируют шаг, чтобы легко поддерживать постоянную скорость вращения. Многие из современных высокопроизводительных винтовых самолетов используют винты с постоянной скоростью, потому что они обеспечивают лучшие характеристики и топливную экономичность.
Быстрая перемотка вперед к современным воздушным винтам и ремонтуАвиация прошла невероятно долгий путь с тех пор, как братья Райт впервые представили свой пропеллер.Подобно тому, как дизайн самолетов развивался с момента появления двигателей, воздушные винты также претерпели изменения. Пропеллеры новой конструкции братьев Райт имели КПД около 82% по сравнению с сегодняшним КПД 90%. Чтобы добиться такого повышения эффективности, инженеры годами модифицировали конструкцию воздушных винтов.
Современные воздушные винты изготавливаются из дерева, алюминия или композитных материалов. Дизайнеры также могут укрепить переднюю кромку никелем для прочности и долговечности.
Сегодня мы видим от двух до шести и более лопастей работающих винтов. Количество лопастей для любого конкретного самолета зависит от многих факторов. К этим факторам относятся:
- мощность двигателя,
- рабочие обороты винта,
- ограничения диаметра винта,
- требования к характеристикам самолета (включая крейсерскую скорость на высокой скорости, взлет, праздношатание и т. д.),
- любые требования к шуму,
- и другие.
По мере увеличения мощности самолета обычно требуются дополнительные лопасти для эффективного использования возросшей мощности. Высокий КПД винтов современных самолетов достигается за счет того, что скорость вращения лопастей близка к скорости звука.
Идеальная конструкция воздушного винта направлена на преобразование энергии двигателя самолета в тягу, которая толкает самолет вперед. Глядя на пропеллер самолета, вы можете видеть, что угол наклона его лопасти меняется по мере движения от основания к кончику лопасти.Эта разница связана с тем, что скорость лопасти ниже внутри и выше на конце. Изменяющийся угол лезвия гарантирует, что вся создаваемая тяга примерно одинакова по всему лезвию.
Stockton Propeller — это предприятие по капитальному ремонту и техническому обслуживанию регуляторов, металлических и композитных винтов. Мы предоставляем услуги частным лицам, ПФ и авиаперевозчикам. Для сегодняшнего ремонта воздушных винтов обращайтесь в Stockton Propeller.
8 типов авиационных винтов в деталях (фотографии)
На протяжении многих лет проводились эксперименты с различными типами авиационных винтов.Некоторые более успешны, чем другие. Узнайте о некоторых наиболее распространенных типах винтов в самолетах и изучите различия между каждым из них.
Устройство, которое преобразует энергию вращения, создаваемую двигателем или любым другим механическим источником, в движущую силу, называется гребным винтом. Пропеллеры являются неотъемлемой частью самолета, без них самолет не может летать.
Сегодня доступны различные типы воздушных винтов. Мы рассмотрим некоторые из наиболее распространенных типов воздушных винтов и увидим, чем они отличаются друг от друга.
1. Фиксированный шаг
Гребной винт, угол наклона или шаг лопастей которого встроен в гребной винт, относится к категории гребных винтов фиксированного шага. После того, как пропеллер построен, угол наклона лопастей изменить нельзя. Гребные винты с фиксированным шагом, как правило, цельные и изготавливаются из алюминиевого сплава или дерева.
Эти гребные винты предназначены для обеспечения наилучшей эффективности на скоростях движения вперед. Они соответствуют определенному набору условий как двигателя, так и скорости самолета. Любое изменение этих условий снижает КПД как воздушного винта, так и двигателя.Винты с фиксированным шагом используются на самолетах с малой скоростью, мощностью, высотой или дальностью полета.
На многих одномоторных самолетах установлены винты фиксированного шага, а преимущества, которые они предлагают, включают простоту эксплуатации и меньшие затраты. Эти пропеллеры не требуют управления от пилота во время полета.
Гребные винты фиксированного шага подразделяются на деревянные и металлические.
Деревянные пропеллеры
Коллектив редакции Старинный деревянный винт фиксированного шагаДеревянные фиксированные винты или деревянные пропеллеры почти не встречаются в современных самолетах, но они широко использовались до появления металлических винтов.Эти пропеллеры были построены слой за слоем из специально подготовленного дерева. Древесина черного ореха, древесина сахарного клена, древесина желтой березы и древесина черной вишни чаще всего использовались при изготовлении этих старинных деревянных винтов.
Металлические пропеллеры
Редакционная группа HAL HT-2 в Музее ВВС Индии в Паламе, фото aeroprints.comПервые металлические пропеллеры использовались в самолетах для военных операций в 1940 году. Эти пропеллеры были изготовлены из невероятно прочного и долговечного алюминиевого сплава.Металлический материал, использованный при изготовлении этих пропеллеров, был обработан, чтобы улучшить его свойства и сделать его менее подверженным деформации из-за повреждений, вызванных жарой или холодом. Сегодня трудно найти воздушный винт из чего-либо, кроме металла.
2. Регулируемый с земли гребной винт
Редакционная группаПринцип работы винтов с наземной регулировкой аналогичен работе авиационных винтов с фиксированным шагом. Угол или шаг лопасти можно изменить только тогда, когда винт не вращается.Зажимной механизм удерживает лопасть пропеллера на месте. Угол лезвия можно изменить, ослабив этот механизм.
Нет возможности изменять шаг лопастей во время полета для удовлетворения меняющихся требований, что является одной из причин, по которой в современных самолетах не используются регулируемые по земле воздушные винты.
3. Гребные винты с регулируемым шагом
Редакция Stinson V77 Reliant с винтом регулируемого шагаКак следует из названия, шаг или угол наклона лопасти винта регулируемого шага можно изменить во время полета, пока воздушный винт самолета еще работает.Это означает, что угол наклона лопастей винта можно изменить в соответствии с условиями полета.
Однако количество положений шага ограничено — шаг может регулироваться в соответствии с углами между настройками максимального и минимального шага винта. С помощью винтов с регулируемым шагом можно достичь определенных оборотов двигателя в соответствии с конкретными условиями полета.
Легко спутать гребные винты регулируемого шага с гребными винтами постоянной скорости, но это разные вещи.Гребные винты с регулируемым шагом позволяют изменять угол наклона лопастей во время вращения гребного винта. Однако лопасть винта должен заменять непосредственно пилот. Угол лопасти винта не изменится, пока пилот не изменит его. С другой стороны, угол лопасти винта постоянной скорости может изменяться автоматически.
4. Гребные винты постоянной скорости
Редакционная группа Внутреннее устройство винта постоянной скоростиПропеллеры постоянной скорости увеличивают скорость при пикировании самолета и замедляют его при наборе высоты из-за изменяющейся нагрузки на двигатель.Чтобы пропеллер обеспечивал эффективный полет, пилот старается поддерживать по возможности постоянную скорость. Механизм, который позволяет работать пропеллеру с постоянной скоростью, известен как регулятор пропеллера. Регулятор воздушного винта определяет скорость двигателя самолета и изменяет угол наклона лопастей воздушного винта, чтобы поддерживать определенную скорость вращения независимо от условий эксплуатации самолета.
Использование регулятора гребного винта для увеличения и уменьшения шага гребного винта позволяет пилоту поддерживать постоянную скорость вращения двигателя.Когда самолет набирает высоту, угол наклона лопастей винта уменьшается, предотвращая снижение скорости двигателя самолета.
Редакционная группа Регулятор винта на самолете Champion, автор Jvk, через Wikimedia CommonsКогда самолет переходит в пикирование, угол наклона лопастей винта увеличивается, предотвращая превышение скорости, поэтому выходная мощность не меняется, поскольку настройка дроссельной заслонки не меняется. .
Если изменить настройки дроссельной заслонки самолета вместо изменения его скорости путем пикирования или набора высоты, угол наклона лопастей винта уменьшается или увеличивается в соответствии с требованиями для поддержания постоянной скорости вращения.Выходная мощность двигателя изменяется в соответствии с изменением положения дроссельной заслонки самолета.
В механизме изменения шага гребного винта постоянной скорости используется поршень и цилиндр, и он приводится в действие гидравлически за счет давления масла. Либо цилиндр будет двигаться над поршнем, либо поршень будет двигаться в неподвижном цилиндре. Линейное движение поршня преобразуется во вращательное с помощью различных механических соединений для изменения угла наклона лопасти винта.Для механического соединения могут использоваться шестерни – механизм изменения шага, отвечающий за поворот комля каждой лопасти. На каждой лопасти установлен подшипник, который позволяет им вращаться для изменения угла лопасти.
Давление масла, необходимое для гидравлического управления различными механизмами изменения шага, поступает непосредственно из системы смазки двигателя. Более высокое давление масла обеспечивает быстрое изменение угла наклона отвала. Масло под давлением направляется регулятором для работы механизма изменения шага винта.
Регулятор, предназначенный для управления механизмами изменения шага воздушного винта, связан с коленчатым валом двигателя самолета и реагирует на изменение оборотов двигателя. Когда обороты увеличиваются выше заданного значения, регулятор заставляет механизм изменения шага винта увеличивать угол наклона лопастей. Изменение угла увеличивает нагрузку на двигатель самолета и снижает обороты двигателя.
Когда обороты двигателя падают ниже определенного значения регулятора (на который настроен регулятор), регулятор заставляет механизм изменения шага гребного винта уменьшать угол наклона лопасти.Это снижает нагрузку на двигатель, тем самым увеличивая обороты. Таким образом, регулятор имеет тенденцию поддерживать постоянную скорость вращения.
Редакторская группа Силы изменения шага на винте с постоянной скоростью, из Справочника FAA по полетам на самолетах. В винте с постоянной скоростью система управления автоматически регулирует шаг с помощью регулятора для поддержания заданной скорости вращения двигателя. Таким образом, для регулировки шага винта не требуется внимания пилота.
Например, если скорость двигателя увеличится, возникнет состояние превышения скорости, и гребной винт необходимо будет замедлить.Регулятор автоматически увеличивает угол наклона лопастей гребного винта до тех пор, пока не будет установлено желаемое число оборотов. Хорошие пропеллеры с постоянной скоростью реагируют на небольшие изменения, чтобы гарантировать, что постоянные обороты двигателя поддерживаются на протяжении всего полета.
5. Флюгерные пропеллеры
Редакция Перо воздушного винта на Ан-140 от Vivan755 [CC BY-SA 3.0 (https://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0)]Эти воздушные винты используются на многомоторных самолетах. Если один или несколько двигателей выходят из строя, эти гребные винты уменьшают сопротивление гребного винта до минимума.Оперение гребных винтов может изменить угол наклона лопастей гребного винта примерно до 90 градусов. Пропеллеры обычно флюгируются, когда двигатель самолета не может генерировать мощность, необходимую для вращения пропеллера.
Лопасть винта повернута под углом, параллельным линии полета, что значительно снижает сопротивление самолета. Когда лопасти становятся параллельными воздушному потоку, пропеллер самолета перестает вращаться, и ветряная мельница сводится к минимуму.
В большинстве малых флюгирующих винтов давление масла используется для уменьшения угла наклона лопастей винта, а для увеличения угла наклона лопастей используются грузы лопастей, сжатый воздух и пружины.
Защелки фиксируют пропеллер самолета в положении малого угла лопасти, когда он замедляется при выключении двигателя. Защелки могут быть внешними или внутренними и расположены внутри втулки гребного винта. Центробежная сила удерживает защелки в нормальном положении во время нормального полета, чтобы они не мешали лопастям распускаться.
6. Гребные винты обратного шага
Редакционная группа Lockheed Martin C-130J Super Hercules PropellorsВинты обратного шага — это управляемые винты, угол наклона лопастей которых может быть изменен на отрицательное значение в полете.Цель реверсивного шага — создать отрицательный угол лопасти для создания тяги в противоположном направлении. Лопасти пропеллера могут быть перемещены на отрицательный шаг после того, как самолет приземлился, чтобы он полностью остановился. Когда лопасти винта поворачиваются под отрицательным углом, мощность двигателя увеличивает отрицательную тягу. Это замедляет самолет аэродинамически и уменьшает крены земли. Реверсирование винтов быстро снижает скорость самолета после приземления и минимизирует износ тормозов.
Hercules C-130 с его полностью флюгирующими реверсивными гребными винтами с постоянной скоростью вращения может двигаться задним ходом с использованием реверсивного шага, как показано на видео ниже (ближе к концу видео).
Похожие сообщения
Почему пропеллерные двигатели Convair B-36 Peacemaker расположены на задней стороне крыльев
(ВВС США)
Convair B-36 был выдающимся самолетом. Но любой, кто имеет хотя бы смутное представление о том, как выглядит самолет, увидит эти старые фотографии и спросит: «Почему пропеллеры поставлены задом наперед?»
Краткий ответ: нет.
(Национальный архив)
Чтобы понять, почему нет, нам нужен базовый урок о том, как работают пропеллеры.
«Тяга» — это сила, которая двигает самолет вперед. Для реактивного двигателя тягу довольно легко понять. Расширяющиеся газы вытесняются из задней части двигателя, и эти газы толкают самолет вперед. Подумайте о том, чтобы надуть воздушный шар, а затем отпустить его.
С пропеллером немного сложнее. Каждый оборот пропеллера отрывает от воздуха тонкий слой. Когда пропеллер движется вперед, он фактически тянет за собой самолет. Представьте сверло, просверливающее объект, или резьбу винта, продвигающуюся вперед.Из-за этого пропеллер может либо «тянуть» самолет, либо «толкать» его. В обоих случаях пропеллер направлен в одну сторону. Он просто устанавливается либо перед двигателем («тракторный» гребной винт), либо за двигателем («толкающий» гребной винт). Братья Райт использовали на своем флаере толкающие винты. С тех пор в большинстве самолетов использовались тянущие винты по разным причинам, большинство из которых, хотя и важные, имеют значение только для нас, пилотов. В основном они связаны со стабильностью.
А зачем на Б-36 толкающие винты?
Подобно тому, как пропеллеры на лодке взбалтывают воду, пропеллеры самолетов оставляют за собой турбулентный воздух.Этот турбулентный воздух, проходящий над поверхностями крыла, уменьшает подъемную силу и увеличивает сопротивление. Таким образом, требуется больше тяги. Больше тяги означает больше топлива, а больше топлива означает высокую стоимость эксплуатации. Для большинства приложений это снижение эффективности и более высокая стоимость того стоят, потому что гребные винты тракторов имеют свои преимущества.
Но миссия Б-36 была особенной. Он был разработан, чтобы иметь беспрецедентный диапазон. Он мог пролететь 10 000 миль без дозаправки. Это из Питтсбурга в Москву и обратно с остатками топлива.Достижение этого диапазона означало уменьшение лобового сопротивления. Отсюда и толкающие винты.
B-36 в настоящее время является сноской в истории авиации, но некоторые из них все еще можно увидеть. Тот, который я видел, находится в музее авиации Пима в Тусоне, штат Аризона. Припаркованный снаружи самолет настолько огромен, что его легко увидеть с помощью Google Earth.
Cessna 337 Skymaster (мерцание)
Есть один самолет с толкающим двигателем и тягачом . Это Cessna 337 Skymaster. Двухмоторный самолет, он имеет один тянущий винт и один толкающий винт на одной линии в центре планера.Такая конфигурация исключает потенциально опасную ситуацию, связанную с отказом двигателя при взлете. Эти самолеты не являются обычным явлением, но если вы достаточно долго бродите по аэропортам авиации общего назначения, вы, вероятно, увидите один из них.
О, и сообщение для тех, кто участвовал в прямой трансляции Greatest Generation Live 25 мая th : те, кто высмеивал Piper Cub, явно никогда не летали на нем! Я сделал как оценку гидросамолетов, так и вывод хвостового колеса на Cubs. Это был действительно мой самый радостный полет.Я никуда не спешил, но мне нравился каждый момент!
Дана и Пайпер Каб
Хотя Дана больше не летает активно, она летает по приборам как частный пилот, одномоторный наземный/одномоторный морской, со сложными, высокопроизводительными и знаками хвостового колеса. Начала летать в 1993 году.
Оцените новое 12-винтовое летающее такси Арчера
Прошлой ночью в Хоторне, штат Калифорния, авиационный стартап Archer представил свой прототип электрического воздушного такси.
Самолет, получивший название Maker, теоретически может вместить двух человек, но будет использоваться только в качестве непассажирского испытательного транспортного средства, пока компания работает над более крупным воздушным такси. Это прототип — ступенька на пути к будущему, в котором люди смогут садиться в бесшумные электрические воздушные такси для коротких перелетов, чтобы добраться до работы или просто куда-нибудь повеселиться. Это мечта, на которую надеются Archer и другие компании, становится реальностью.
Этот летательный аппарат шириной 40 футов и весом около 3300 фунтов может похвастаться колоссальными 12 пропеллерами.Шесть, расположенные перед крылом, служат динамическими рабочими лошадками самолета. Они могут наклоняться. Как самолет с вертикальным взлетом и посадкой (VTOL), этот самолет может подниматься, как вертолет, с лопастями винта, ориентированными почти параллельно земле, чтобы направить их тягу вниз. Затем, когда аппарат движется вперед, те же пятилопастные пропеллеры находятся в более стандартном положении, чтобы продвигать аппарат по воздуху. Это похоже на то, как работают существующие самолеты с поворотным винтом, такие как V-22 Osprey и V-280 Valor, хотя они и не электрические.
Лопасти этих пропеллеров также могут менять угол наклона, влияя на то, насколько сильно они вгрызаются в воздух. «У них переменный шаг, поэтому они могут быть очень эффективными как в режиме зависания, так и в крейсерском режиме», — объясняет Джефф Бауэр, главный инженер компании.
[См.: Электрический самолет Джоби приближает нас к будущему, полному летающих такси ]
Остальные шесть пропеллеров расположены за крылом. Это более простые модели с двумя лопастями, которые не наклоняются и не меняют высоту тона.«Они используются только во время вертикального взлета и переходного периода, а затем останавливаются и фиксируются на месте», — сказал Бауэр. Это означает, что они вращаются, чтобы помочь самолету оторваться от земли или приземлиться, но затем прекращают движение по замыслу и фиксируются таким образом, чтобы выровняться с воздушным потоком, движущимся над кораблем, когда он летит вперед. В этом смысле они чем-то напоминают шасси традиционного самолета — используются по мере необходимости в определенные моменты полета.
Пропеллеры в передней части имеют пять лопастей и могут наклоняться и изменять свой шаг.Двухлопастные сзади проще, и обеспечивают подъемную силу при взлете и посадке. ArcherОднако, в отличие от шасси, эти роторы не убираются внутрь самолета, когда они не используются. «Конечно, было бы лучше летать без [остановленных] винтов», — сказал Бауэр. Но аэрокосмическая конструкция полна компромиссов, и изменение этого подхода увеличило бы механическую сложность и вес этих задних роторов, объяснил Бауэр. Сохранение их базовыми было лучшим вариантом в этом случае.«Это баланс», — добавляет он.
Самолет Maker должен развивать скорость около 150 миль в час и преодолевать около 60 миль на одной зарядке, что делает его хорошим вариантом, скажем, для перелета между Ft. Лодердейл и Майами, Флорида. Его дебютный полет должен состояться в конце этого года, хотя эти первые моменты в воздухе, скорее всего, будут связаны с коротким испытанием в режиме зависания. Преемник Maker (все еще находящийся на стадии проектирования, но предполагаемый полет в 2023 году) будет вмещать четырех человек плюс пилот и будет иметь аналогичные возможности с точки зрения скорости и дальности полета.«Возможно, это будет очень похоже», — говорит Бауэр. «Вы можете думать о Maker как о слегка уменьшенном демонстрационном устройстве». К 2025 году пассажиры смогут летать на нем.
[См. также: Наклоняющиеся винты могут помочь сделать новый скоростной самолет Bell следующим Black Hawk ]
Archer — лишь одна из нескольких компаний, пытающихся открыть новую эру электрических полетов, которые могли бы перенаправить часть трафика с оживленных городских улиц в небо. В громкой сделке между Archer и United Airlines, о которой было объявлено ранее в этом году, авиационный гигант заявил, что купит стартап на сумму 1 миллиард долларов (до 200 самолетов).Это произойдет, как только «самолеты будут введены в эксплуатацию и будут соответствовать операционным и бизнес-требованиям United», — говорится в пресс-релизе. Помимо известного конкурента Joby, в той же области работают и другие компании, включая Beta и Wisk.
Стоит отметить, что Виск судится с Арчером. Ссылаясь на самолет Арчера, Виск заявил в своем заявлении: «Похоже, он копирует ту же конструкцию, которую Виск разработал и подал в конфиденциальной патентной заявке в Ведомство США по патентам и товарным знакам в январе 2020 года.В ответ Арчер подал ходатайство об отклонении иска и назвал иск «совершенно необоснованным».
Независимо от судебного разбирательства, прототип Арчера представляет собой захватывающий тизер того, как в будущем могут выглядеть электрические воздушные путешествия на короткие расстояния. Смотрите, как занавес опускается ниже.
Нет пропеллеров, нет проблем: новый тип самолета поднимается в воздух
Новый самолет длиной и шириной с автомобиль приводится в движение за счет электризации молекул воздуха для создания ионного ветра.
Чарльз К. Чой, автор
(Inside Science) — Ученые создали первый самолет, который может двигаться без движущихся частей. Вместо этого он электризует молекулы воздуха и создает «ионный ветер».
Несмотря на то, что новому самолету еще предстоит пройти долгий путь, прежде чем он сможет летать так же хорошо, как обычные самолеты, эта технология все еще может найти применение в бесшумных самолетах-невидимках и миниатюрных беспилотниках, говорят исследователи.
Со времени первого полета братьев Райт более 100 лет назад практически каждый самолет в небе летал с помощью движущихся частей, таких как пропеллеры и лопасти турбины.Однако на протяжении десятилетий ученые предполагали, что самолеты теоретически могут летать без движущихся частей, используя твердотельный двигатель, называемый электроаэродинамической тягой.
«В детстве я всегда был фанатом «Звездного пути» и думал о том, какими должны быть самолеты в будущем, — сказал старший автор исследования Стивен Барретт, аэрокосмический инженер из Массачусетского технологического института. «Я не думал, что у них должны быть пропеллеры или турбины, и они должны бесшумно скользить с помощью какого-то электромагнитного двигателя, как в «Звездном пути».Единственной известной физикой, которая могла бы сделать это возможным, была электроаэродинамика».
Электроаэродинамический летательный аппарат работает, посылая ток через электрод, называемый эмиттером. Это возбуждает окружающий воздух, и электрически заряженные молекулы воздуха затем притягиваются к другому электроду на самолете, называемому коллектором, создавая движущий ионный ветер.
«Эффект был известен с 1920-х годов, но до недавнего времени физика электроаэродинамического движения не была понята достаточно хорошо, чтобы создать жизнеспособный самолет», — сказал Барретт.
До сих пор электроаэродинамические летательные аппараты представляли собой в основном небольшие настольные «подъемники», которые могли ненадолго зависнуть в воздухе. После девяти лет работы Барретт и его коллеги разработали первый электроаэродинамический самолет, способный генерировать достаточное количество ионного ветра для продолжительного полета.
«Считалось невозможным, что это сработает», — сказал Барретт.
Новый самолет имеет длину около 2 метров и размах крыла около 5 метров. Исследователи выбрали относительно небольшой размах крыльев, чтобы уменьшить вес и, следовательно, количество энергии, необходимой для полета.
Крылья изготовлены из углеродного волокна, пробкового дерева, экструдированного полистирола и термоусадочной пленки, а планер изготовлен из углеродного волокна, кевлара и экструдированного полистирола. «Все это было сделано для того, чтобы сделать самолет как можно легче», — сказал Барретт. В целом вес самолета составляет всего 2,45 кг, почти половину из которых занимают батареи и другая электроника, необходимая для полета.
В фюзеляже самолета установлены литий-полимерные аккумуляторы. Они заряжают тонкие положительно заряженные провода, натянутые наподобие изгороди вдоль и под передней кромкой крыла самолета, служащие эмиттерными электродами.Более толстые отрицательно заряженные провода проходят вдоль и под задней кромкой крыла и служат коллекторными электродами.
Во время испытательных полетов операторы дистанционно управляли самолетом по радио. Ученые использовали эластичные шнуры для запуска самолета, в то время как ионный ветер приводил в действие оставшуюся часть каждого полета.
Не все полеты прошли идеально. Иногда самолет врезался в стену; в других случаях «мы врезались в пол спортзала, который использовали в качестве испытательной арены, и он начал бить по полу напряжением 40 000 вольт», — сказал Барретт.
Тем не менее, ученые доказали, что самолет может многократно пролетать около 55 метров за полет, достигая скорости около 17,3 км/ч. «Эти результаты — большой шаг, потому что никто раньше не летал на чем-то тяжелее нескольких граммов с ионным ветром», — сказал исследователь гидромеханики Франк Плурабуэ из Тулузского университета во Франции, который не принимал участия в этом исследовании.
В настоящее время эффективность преобразования накопленной энергии в тягу нового самолета составляет всего около 2,5% по сравнению с почти 50-процентной эффективностью высокооптимизированных самолетов с обычным двигателем.«Отчасти это связано с тем, что мы оптимизировали конструкцию не для эффективности, а для наименьшего размера и технического риска», — сказал Барретт. Он добавил, что для своего второго прототипа исследователи стремятся повысить эффективность до 15 процентов за счет создания большего количества ионного ветра при меньшем напряжении.
Ученые отметили, что электроаэродинамические самолеты потенциально тише и механически проще, чем обычные самолеты, и не выделяют вредных для окружающей среды выбросов при горении. Тот факт, что в них отсутствуют движущиеся части, также может позволить миниатюризацию до такой степени, которая невозможна с обычными силовыми установками, добавили они.Тем не менее, необходимо провести исследования для создания более эффективных самолетов, которые могут летать дольше и снаружи, прежде чем они смогут выполнять полезные миссии, сказал Барретт.
Хотя самолету не требуются движущиеся части для движения, ему все же нужны движущиеся части, такие как рули направления, для управления. Ученые надеются устранить и эти компоненты в будущем, «и управлять летательным аппаратом, формируя электрические поля», — сказал Барретт. Они также хотели бы заменить подвесные электроды на интегрированные с корпусом, «чтобы обшивка самолета стала генератором тяги», — сказал Барретт.
В целом исследователи отметили, что их прототип выгодно отличался от первых полетов братьев Райт. «У нас есть много идей для будущего развития технологии и вещей, которые можно опробовать», — добавил Барретт.
Ученые подробно описали свои выводы в выпуске журнала Nature от 22 ноября.
Бесшумный, легкий самолет не зависит от пропеллеров или турбин — ScienceDaily
С тех пор как более 100 лет назад поднялся в воздух первый самолет, практически каждый самолет в небе летал с помощью движущихся частей, таких как пропеллеры, лопасти турбины , и вентиляторы, которые питаются от сжигания ископаемого топлива или от аккумуляторных батарей, которые производят постоянное, скулящее жужжание.
Теперь инженеры Массачусетского технологического института построили и запустили первый в мире самолет без движущихся частей. Вместо пропеллеров или турбин легкий самолет приводится в движение «ионным ветром» — бесшумным, но мощным потоком ионов, который создается на борту самолета и создает достаточную тягу, чтобы вести самолет в течение продолжительного устойчивого полета.
В отличие от самолетов с турбинными двигателями, полет самолета не зависит от ископаемого топлива. И в отличие от винтовых дронов, новая конструкция абсолютно бесшумна.
«Это первый в истории устойчивый полет самолета без движущихся частей в двигательной установке», — говорит Стивен Барретт, доцент кафедры аэронавтики и астронавтики Массачусетского технологического института. «Это потенциально открыло новые и неизведанные возможности для самолетов, которые тише, механически проще и не выделяют вредных выбросов».
Он ожидает, что в ближайшем будущем такие ионно-ветровые двигательные установки можно будет использовать для управления менее шумными дронами. Кроме того, он предполагает, что ионная силовая установка будет сочетаться с более традиционными системами сгорания для создания более экономичных гибридных пассажирских самолетов и других крупных самолетов.
Барретт и его команда из Массачусетского технологического института опубликовали свои результаты в журнале Nature .
Товары для хобби
Барретт говорит, что вдохновением для создания ионного самолета команды послужил фильм и телесериал «Звездный путь», которые он с интересом смотрел в детстве. Его особенно привлекали футуристические шаттлы, которые легко скользили по воздуху, казалось бы, без движущихся частей и почти без шума или выхлопа.
«Это навело меня на мысль, что в долгосрочной перспективе у самолетов не должно быть винтов и турбин, — говорит Барретт. «Они должны быть больше похожи на шаттлы из «Звездного пути», которые просто светятся голубым и бесшумно парят».
Около девяти лет назад Барретт начал искать способы спроектировать силовую установку для самолетов без движущихся частей. В конце концов он натолкнулся на «ионный ветер», также известный как электроаэродинамическая тяга — физический принцип, который был впервые выявлен в 1920-х годах и описывает ветер или тягу, которая может возникать при пропускании тока между тонким и толстым электродами. .Если приложено достаточное напряжение, воздух между электродами может создать достаточную тягу, чтобы привести в движение небольшой самолет.
В течение многих лет электроаэродинамическая тяга в основном была проектом для любителей, и проекты по большей части ограничивались небольшими настольными «подъемниками», привязанными к источникам питания с большим напряжением, которые создают достаточно ветра, чтобы небольшой корабль мог ненадолго зависнуть в воздухе. В основном предполагалось, что будет невозможно создать достаточное количество ионного ветра, чтобы привести в движение более крупный самолет в течение продолжительного полета.
«Это была бессонная ночь в отеле, когда у меня был синдром смены часовых поясов, и я думал об этом и начал искать способы, как это можно сделать», — вспоминает он. «Я сделал некоторые предварительные расчеты и обнаружил, что да, это может стать жизнеспособной силовой установкой», — говорит Барретт. «И оказалось, что потребовалось много лет работы, чтобы перейти от этого к первому испытательному полету».
Ионы взлетают
Окончательный проект команды напоминает большой легкий планер.Самолет, который весит около 5 фунтов и имеет 5-метровый размах крыльев, несет множество тонких проводов, которые натянуты как горизонтальное ограждение вдоль и под передним концом крыла самолета. Провода действуют как положительно заряженные электроды, а аналогично расположенные более толстые провода, идущие вдоль задней части крыла самолета, служат отрицательными электродами.
Фюзеляж самолета содержит стопку литий-полимерных аккумуляторов. В команду ионного самолета Барретта входили члены Исследовательской группы силовой электроники профессора Дэвида Перро в Исследовательской лаборатории электроники, которые разработали источник питания, который преобразовывал бы выходное напряжение батарей в достаточно высокое напряжение для движения самолета.Таким образом, батареи подают электричество напряжением 40 000 вольт для положительного заряда проводов через легкий преобразователь энергии.
Когда на провода подается напряжение, они притягивают и отрывают отрицательно заряженные электроны от окружающих молекул воздуха, подобно гигантскому магниту, притягивающему железные опилки. Молекулы воздуха, оставшиеся позади, вновь ионизируются и, в свою очередь, притягиваются к отрицательно заряженным электродам в задней части самолета.
Когда новообразованное облако ионов течет к отрицательно заряженным проводам, каждый ион миллионы раз сталкивается с другими молекулами воздуха, создавая тягу, которая толкает самолет вперед.
Команда, в которую также входили сотрудники лаборатории Линкольна Томас Себастьян и Марк Вулстон, провела на самолете несколько испытательных полетов над тренажерным залом спортивного центра Дюпон при Массачусетском технологическом институте — самом большом помещении, которое они смогли найти для проведения своих экспериментов. Команда пролетела на самолете на расстоянии 60 метров (максимальное расстояние в тренажерном зале) и обнаружила, что самолет производит достаточную ионную тягу, чтобы поддерживать полет все время. Они повторили полет 10 раз с одинаковыми характеристиками.
«Это был самый простой из возможных самолетов, который мы могли спроектировать и который мог бы подтвердить концепцию того, что ионный самолет может летать», — говорит Барретт. «До самолета, который мог бы выполнять полезную миссию, еще далеко. Он должен быть более эффективным, летать дольше и летать снаружи».
Команда Барретта работает над повышением эффективности своей конструкции, чтобы производить больше ионного ветра при меньшем напряжении. Исследователи также надеются увеличить плотность тяги конструкции — количество тяги, генерируемой на единицу площади.В настоящее время для полета на легком самолете команды требуется большая площадь электродов, которые, по сути, составляют двигательную установку самолета. В идеале Барретт хотел бы спроектировать самолет без видимой двигательной установки или отдельных поверхностей управления, таких как рули направления и рули высоты.
«Это заняло много времени, чтобы добраться сюда», — говорит Барретт. «Переход от основного принципа к чему-то, что действительно летает, был долгим путем описания физики, затем разработки дизайна и запуска его в работу.Теперь возможности для такой двигательной установки вполне жизнеспособны».
Это исследование было частично поддержано Линкольнской лабораторией Массачусетского технологического института по линии автономных систем, исследовательским грантом профессора Амара Г. Бозе и Альянсом исследований и технологий Сингапура и Массачусетского технологического института (SMART). Работа также финансировалась через кафедры развития карьеры Чарльза Старка Дрейпера и Леонардо в Массачусетском технологическом институте.
Видео: https://www.youtube.com/watch?v=boB6qu5dcCw
Самолет — тяга и сопротивление — крыло, вперед, самолет и пропеллер
Самолет, конечно, не летает, просто выставив его на взлетно-посадочную полосу и ожидая, пока сильный ветер обдует его крылья.Вместо этого самолет движется вперед, заставляя его мчаться по неподвижному воздуху с высокой скоростью. Тяга вперед для самолета исходит от одного из двух источников: вращающаяся лопасть винта, приводимая в действие каким-либо двигателем, или ракетный двигатель. Пропеллер, использовавшийся для первого полета Райтов на Китти-Хок, представлял собой самодельный двигатель, который весил 180 фунтов (82 кг) и производил 180 лошадиных сил.
Поступательную тягу, обеспечиваемую винтом, можно объяснить точно так же, как можно объяснить подъемную силу крыла.Думайте о пропеллере как о коротком узком мини-крыле, вращающемся в центре и соединенном с двигателем, который обеспечивает вращательное движение . Мини-крыло имеет форму большего крыла, с выпуклой передней поверхностью и плоской задней поверхностью. Поскольку мини-крыло вращается вокруг своей оси вращения, крыло проходит через воздух, который проходит над передней поверхностью мини-крыла быстрее, чем над задней поверхностью. В результате давление на переднюю поверхность миникрыла меньше, чем на заднюю, и миникрыло движется вперед, увлекая за собой самолет.
Шаг и угол атаки мини-крыла — пропеллера — можно менять так же, как можно менять угол атаки основных крыльев самолета. При горизонтальном полете шаг винта поворачивается под острым углом к набегающему воздушному потоку, что позволяет самолету поддерживать воздушную скорость с минимальным расходом топлива. Во время взлета и посадки шаг винта уменьшается, открывая максимальную площадь поверхности воздушному потоку и достигая максимальной тяги. При посадке направление пропеллеров может измениться на противоположное, в результате чего направление силы на пропеллерах сместится на 180°.В результате пропеллер становится тормозом поступательного движения самолета.
Термин сопротивление относится к множеству факторов, каждый из которых имеет тенденцию замедлять движение самолета вперед. Наиболее очевидным типом сопротивления является сопротивление трения, сила торможения, возникающая просто из-за движения тела, такого как самолет, через жидкость.