Чудо-юдо-рыба-кит

Мой земляк и хороший знакомый, вынужденный сейчас жить в России, теоретизирует по поводу будущего вертолётов и конвертопланов. Очень интересные мысли:

Ка-90. К сожалению, за исключением этой модели, ничего больше так и не сделано.

Мне категорически больно в последнее время писать об успехах российского космоса, атомной промышленности или авиации.
Нет, не потому, что этих успехов нет. А потому что новость из далёкого уже 2008 года — так и остаётся «просто новостью», потому что на один реализованный проект приходится с десяток забытых и остановленных, потому что уходят старые кадры, а новое поколение инженеров и конструкторов часто не может даже понять, куда стремились их предшественники.

Это отнюдь не значит, что российская авиация, космос или атом умрут.
Нет, Россия вполне сегодня может себе позволить создать современный пассажирский самолёт, как тот же самый Sukhoi Superjet 100, но это уже никогда не будет «Сверхсамолёт Сухого №100», потому что в нём уже не будет инновационных идей, которые и двигают мир вперёд, создавая иную, будущую реальность.

Русская идея, которая весь ХХ век стремилась вверх, в стратосферу и в космос, вглубь, в тайны атома и мирового океана и вширь, по всем меридианам и широтам нашего мира, упёрлась в тот самый барьер, в который сегодня бьётся не только Россия, но и всё человечество.

Зачем рисковать и делать что-то новое, если вполне можно довольствоваться старым? Зачем куда-то бежать, если и в том месте, где мы есть, всё достаточно привычно и устроено?

Поэтому — не вините меня в том, что происходит. Это и моя боль, это и моя печаль.

Оставив читателя в прошлой статье в размышлениях о вертолётном роторе, его пригодности для взлёта и посадки с минимальными затратами энергии и полной непригодности для быстрого полёта, я сознательно обошёл два альтернативных пути развития идеи «мультилёта».
Первая идея связана с тем, что ротор вертолёт каким-то образом видоизменяется для дальнейшего, уже горизонтального полёта, а вторая идея связана с тем, что функцию ненагруженного вертолётного ротора при вертикальном старте и посадке берут на себя уже какие-то другие узлы летательного аппарата.

Малая удельная нагрузка на ротор вертолёта позволяет ему отбрасывать вниз, в сторону земли, достаточно внушительные количества воздуха, но сообщая им достаточно скромную по меркам самолётных пропеллеров скорость.
И вот тут нам для мыслненного анализа нам очень пригодится альтернативное описание подъёмной силы, за которое меня так ругали в первой части моего рассказа.

В случае полёта самолёта, вертолёта или любого другого воздушного аппарата (даже дирижабля или воздушного шара) — на него действует постоянная гравитационная помеха, которую вы можете представить или в виде силы тяжести, или же в виде некоей Δv скорости аппарата, которую определяет ускорение свободного падения g. Понятное дело, что значение Δv из формулы свободного падения (при сокращении массы из числителя и знаменателя) будет составлять эквивалент gt. Это gt, измеряемое в метрах в cекунду, ещё называют «гравитационной помехой», которая и оказывает своё постоянное действие на любое летящее тело — от брошенного камня и до запущенной в космос ракеты.

Для дирижаблей и воздушных шаров влияние силы тяжести компенсируется архимедовой силой в воздухе, а вот для летательных аппаратов тяжелее воздуха действие архимедовой силы уже не может скомпенсировать гравитационную помеху, составляя лишь очень незначительную величину.

В силу этого гравитационную помеху надо компенсировать уже иным способом — отбрасывая вниз какие-то значительные количества воздуха, для того, чтобы по закону сохранения импульса и третьему закону Ньютона постоянно придавать летательному аппарату компенсирующее гравитационную помеху приращение скорости Δv', уже направленное вверх.

Задача вертолёта на взлёте — побороть влияние гравитационной помехи, которая пытается опустить его вниз.

При этом, не суть важно, каким способом создаётся данный, направленный вниз поток воздуха: лопасти вертолётного винта просто действуют «грубо и зримо», активно отбрасывая потоки воздуха вниз, а крыло самолёта действует реактивно, плавно изменяя направление набегающего на него горизонтального потока воздуха на наклонённое к поверхности земли:

Отклонение потока на крыле минимально, но этого вполне хватает на существенную подъёмную силу.

А вот дальше у нас возникает уже простая дилемма — как надо отбрасывать воздух? В больших количествах и медленно — или же в небольшом объёме, но быстро?
Третий закон Ньютона и закон сохранения импульса говорят нам, что  mΔv' = m_{воздуха}v_{воздуха}, то есть, как ни крути, но при уменьшении массы воздуха нам надо пропорционально увеличивать скорость его движения по направлению к земле.

Но, с другой стороны, кинетическая энергия воздуха, который навсегда улетает от летательного аппарата, составляет m_{воздуха}v_{воздуха}²/2, что и определяет весьма неприятную ситуацию: при росте скорости отбрасываемого воздуха потери на уносимую с ним энергию растут по квадратической зависимости, то есть, при увеличении скорости в два раза уносимая с воздухом энергия растёт в четыре раза и т.д.

Отсюда, в общем-то, даже не учитывая потери на турбулентность и сопротивление воздуха, можно сказать, что отбрасывать много воздуха и медленно гораздо легче, чем мало воздуха и быстро — что и определяет преимущество вертолётов перед любыми самолётами СВВП.

С данным объяснением, я думаю, вам будет легче понять, с какими проблемами сталкиваются создатели любых комбинированных систем вертикального взлёта и посадки или же скоростных вертолётов.

Итак, первый путь: видоизменение ротора вертолёта для горизонтального полёта.

Думаю, многие помнят старый фильм «Шестой день», в котором Арнольд Шварцнеггер играл и себя, и своего клона, повторив, как и всегда, массу штампов «мой клон, сука, хочет меня убить!» (странно, а почему не поиграть в шахматы?)
В фильме «Шестой день» фигурировал футуристический вертолёт, созданный дизайнером Робом Коббом и представляющий собой вертолёт, который в горизонтальном полёте складывал жёсткие лопасти своего ротора в виде крыльев:

Судя по задумке — движение в горизонтальном полёте этого вымышленного аппарата Whispercraft должно было осуществляться с помощью турбореактивных двигателей, установленных с обеих сторон фюзеляжа (как в историческом «Сикорский» S-69), а компенсация паразитного момента несущего винта обеспечивалась бы реактивными соплами главных двигателей, которые бы устанавливались на конце вертолётного хвоста.

Однако, что интересно, работы по подобным концепциям велись в США в 1970х-1980х годах: Whispercraft имел реальных предшественников, даже дошедших до стадии стендовых и лётных испытаний.

Первым представителем этой линейки машин с видоизменяемым ротором был «Сикорский» S-72. Вслед за моделью S-69 вертолётная фирма Сикорского решила создать ещё более смелый гибрид вертолёта и самолёта. Для корпуса S-72 был взят сильно модифицированный экспериментальный вертолёт S-67 «Блэкхок», а ротор новая машина получила от легендарного транспортного S-3 «Си Кинг», который прослужил в ВМФ США практически полвека — с 1959-го по 2006 год. Дополнительно к ротору «Си Кинга» на S-72 было установлено два турбореактивных двигателя и крыло, которые позволяли исследовать поведение вертолётного ротора на скоростях вплоть до 560 км/час. По факту эта скорость никогда не достигалась с установленным вертолётным ротором — максимально S-72 разгонялся до 370 км/час.

В итоге у «Сикорского» получился весьма оригинальный винегрет из вертолёта, самолёта и непойми-чего, который мог летать и как самолёт (без несущего винта), и как вертолёт:

Сам по себе S-72 был бы не так нам интересен (хотя наработки из программы S-72 потом пошли в разработку «Сикорский» Х-2), если бы не одна его модификация, получившая название X-Wing.

В конце 1970-х годов широко известное своей поддержкой безумных идей агенство DARPA поддержало проект создания вертолёта с модифицируемым ротором, названный «программа Heliplane».
Работающий на взлёте, как вертолётный ротор, в горизонтальном полёте такой движетель должен был стать неподвижным крылом (как в варианте вымышленного аппарата Whispercraft). Две американские компании, «Локхид» и «Боинг», взялись за данный проект DARPA и постарались реализовать его в виде независимых концептов.

«Локхид» для реализации идеи модифицируемого ротора решил использовать четырёхлопастной вариант и испытать его на летающей лаборатории S-72 «Сикорского».
По задумке, четырёхлопастной несущий ротор X-Wing'а в горизонтальном скоростном полёте должен был стать X-образным крылом, превратив S-72 одновременно и в подобие штурмовика из сериала «Звёздные Войны», и в какую-то реплику биплана времён Первой Мировой войны…

В фильмах летает всё. В жизни — нет.

В 1983-1986 годах футуристически выглядевший аппарат S-72 «Сикорский» X-Wing даже был спроектирован, собран «в металле» и представлен в рамках программы DARPA. Однако, дальше расчётов дело не дошло — Х-Wing так и остался в статусе «нелетающей утки», по итогам не совершив ни одного реального полёта. Формальной причиной стало закрытие программы DARPA по созданию вертолёта с модифицируемым ротором.

Проколы у человечества на пути вверх, вглубь и вширь случаются всё чаще и чаще.

Столь же незаконченным оказался и путь компании «Боинг» по созданию своего варианта модифицируемого ротора по программе Heliplane.
Концепт компании «Боинг» был не столь амбициозен, как проект «Локхида», но инноваций в нём было заложено не меньше.
Начатый в 1980-е годы на средства DARPA, проект «Боинг» X-50 Dragonfly («Стрекоза») с перерывами продолжался вплоть до 2006 года, когда и был окончательно закрыт самим «Боингом».

«Стрекоза» по задумке конструкторов, представляла собой беспилотный дрон, двухлопастной ротор которого при переходе к скоростному горизонтальному полёту превращался бы в прямое крыло:

Однако, уже первые испытания габаритных моделей выявили массу проблем с таким ротором: однороторная конструкция создавала крутящий нескомпенсированный момент на фюзеляж аппарата (O, RLY?), в результате чего он оказался ещё и неустойчив по углу килевой качки (тангажа).
Аппарат, хорошо проявивший себя в режимах взлёта и посадки, в итоге так и не смог полноценно перейти к скоростному горизонтальному полёту:

Первая габаритная модель X-50 была потеряна в 2004 году, в 2006 году, после крушения второй «Стрекозы», которая успела совершить 11 полётов «по-вертолётному», проект X-50 Был окончательно закрыт.

«Стрекоза», мы запомним тебя такой.

Мечта о вертолёте, летающем «по-самолётному», пока что осталась лишь мечтой.
Что будет с российским проектом Ка-90 и за счёт чего он в итоге будет обеспечивать подъёмную силу в самолётном режиме, если честно, я так и не понял.
Крыльев у него нет, ротор он складывает в «чехол» на крыше, а лететь он якобы должен аки ракета:

В общем, пока что в деле создания вертолётов, летающих «по-самолётному», у нас есть скорее научно-фантастические фильмы, пластиковые модельки, «нелетающие утки» и сумма благих пожеланий.

А вот самолёты, которые смогли взлетать и садиться «по-вертолётному» — оказались более успешны.
О них я и расскажу в следующей части.

Оригинал взят у alex_anpilogov в Чудо-юдо-рыба-кит