Экспериментальный истребитель с ВВП Versuchs-Jäger VJ 101. Германия. Часть 1

Статья об экспериментальном СВВП VJ 101 уже выкладывалась на сайт. Данный материал, переведенный уважаемым коллегой NF и немного дорботанный мной, дополняет представленную ранее информацию.

Предисловие

В течение последних месяцев в разговорах часто упоминался самолёт, известный под обозначением «MRCA» или «Tornado». Эта машина уже вписана в историю немецкого авиастроения, хотя в данном случае речь должна идти скорее об общеевропейском совместном производстве.

Прежде чем мы разместим в одном из следующих выпусков журнала «Luftfahrt International» информацию о «Tornado», необходимо напомнить о самолёте, без которого, вероятно, и не было бы «MRCA». В любом случае практический опыт, полученный при работе над VJ 101, был очень важен при разработке «Tornado». И это не просто совпадение, при котором в столь различных машинах можно увидеть нечто общее.

Предыстория

Вертикально взлетать, вертикально приземляться, зависать в воздухе – эти вечные и необходимые требования, которые сегодня предъявляются к современной авиации. С некоторых пор во всём мире над решением этой проблемы работают тысячи инженеров. Удачное ее решение позволило бы использовать более дешевые взлётно-посадочные полосы значительно меньшего размера и сделать самолёт как можно менее зависимым от размеров взлётно-посадочной полосы. Быстрый набор высоты, и высокие аэродинамические скорости: это только некоторые преимущества, которые дают использование самолёта созданного по системе VTOL (Vertical Take Off and Landing = вертикальные взлет и посадка). Для густонаселённой центральной Европы это имеет огромное практическое значение.

Рис. 1. VJ 101 C-X1 в момент зависания

Вновь созданные ВВС ФРГ не были в данном случае забыты. Хотя имелось достаточное количество иностранных программ, мы не можем оценивать их достаточно высоко. Таким образом немецкая авиапромышленность, бывшая когда-то лидером в своей отрасли, также включалась  в разработку машин данного типа.

В 1959 году федеральный министр обороны выдал совместному предприятию «Entwicklungsring Süd», в состав которого входили фирмы Bölkow GmbH, Ernst Heinkel Flugzeugbau GmbH и Messerschmitt AG*, соответствующий заказ на разработку экспериментального истребителя VJ 101 (VJ = Versuchsjäger – опытный истребитель).

VJ 101C в экспериментальном варианте X1 обладал высокими характеристиками и был первым разработанным в Германии самолётом способным летать со сверхзвуковой скоростью и одновременно способном вертикально взлетать и приземляться. Экспериментальный вариант Х2 также как и первый самолёт смог продемонстрировать работу силовой установки с применением форсажа на всех фазах полёта.

В ходе проектирования были проработаны различные варианты компоновки силовой установки: сопла с регулируемым вектором тяги, с отклоняемыми от продольной оси двигателями и различные комбинации двигателей, предназначенных для подъёма и горизонтального полёта. В итоге после всех этих экспериментов и исследований было найдено оптимальное решение.

На законцовках крыла и в передней части фюзеляжа самолёта были установлены по два турбореактивных двигателя. Данное треугольное размещение элементов силовой установки обеспечивало хорошие условия для вертикального взлёта и посадки и вместе с тем освобождало большую часть фюзеляжа от размещения двигателей. Пары двигателей, установленные на законцовках крыла, были заключены в общие моторные гондолы, способные поворачиваться в вертикальной плоскости относительно оси самолета. При установке гондол в вертикальное положение двигатели действовали как подъемные, а при установки в горизонтальном положении как маршевые, позволяя выполнять полет подобно обычному самолету. Во время перехода от висения к горизонтальному полету и наоборот гондолы с двигателями перемещались относительно своих осей. Два двигателя, установленных в передней части фюзеляжа за кабиной пилотов, были подъемными и использовались только при старте и приземлении, а в горизонтальном полете отключались.

Для того чтобы расположенные на законцовках крыла двигатели могли нормально работать при взлёте и посадке необходимо было разместить их на некотором расстоянии от поверхности, с которой взлетал самолёт. Для этого было решено выполнить самолёт в виде высокоплана.

При разработке шасси особое внимание было обращено на вероятность резкого удара при приземлении. Это же самое шасси позволяло выполнять и обычный взлёт как это делали все нормальные самолёты. Весовые нагрузки самолёта были рассчитаны таким образом, чтобы центр тяжести и центр приложения тяги всех трех пар двигателей по возможности располагались как можно ближе друг к другу.

Все двигатели силовой установки управлялись одним общим рычагом подачи газа. Как уже упоминалось, в горизонтальном полёте работали только 4 двигателя, установленные на законцовках крыла. Для перемещений самолёта относительно продольной и поперечной осей – бочки и тангаж –и наклонах при зависании впервые был использован специальный так называемый модулятор тяги. При подаче команды на перемещение вперёд пилот через штурвал создавал разный уровень тяги двигателей в моторных гондолах левой или правой консолей крыла и при подаче команды для наклона через тот же штурвал создавалась разная по величине тяга между двигателями, установленными на законцовках крыла, и в передней части фюзеляжа. Таким образом, пилот осуществлял общее управление самолетом, как при горизонтальном полёте, так и при вертикальных взлёте и посадке при помощи штурвала одновременно Поворот относительно вертикальной оси осуществлялся изменением положения относительно осей двигателей, установленных на законцовках крыла. Тут управление осуществлялось при помощи обычных ножных педалей.

Для помощи пилоту при зависании самолёта был установлен специальный регулятор, обрабатывавший сигналы от гироскопа и от системы управления и передававший корректирующие команды через специальные гидравлические двигатели и механические тяги прямо на систему управления силовой установкой. Моторные гондолы с установленными в них двигателями могли изменять своё положение, перемещаясь в противоположных направлениях. Помимо перемещений относительно трех осей специальный регулятор следил и за высотой зависания самолёта. Этот же регулятор предназначался для коррекции тяги двигателей в случае выхода из строя части их. При зависании самолёта регулятор отрабатывал положение самолёта при наклоне менее 30°. При выполнении горизонтального полёта регулятор срабатывал в течение двух секунд после выхода какого-либо двигателя из строя.

При полёте в горизонтальной плоскости в VJ 101C как и у всех скоростных самолётов работал демпфер смягчающий колебания по всем трех осям. В этом случае специальные регуляторы при внезапном выходе из строя одного из двигателей регулировал работу оставшихся работающих и предотвращал неконтролируемое состояние полета.

Влияние эффекта земной подушки при вертикальном старте VJ 101C-X2 было областью, в которой практически не было какого либо опыта. На основании выполненных теоретических расчётов, многочисленных испытаний в аэродинамических трубах и динамических испытаний самолёта на телескопической штанге были отработаны элементы вертикального старта и посадки, которые позволили исключить отрицательное влияние экранного эффекта. Осенью 1965 года были выполнены вертикальные взлёты и посадки на форсированном режиме работы силовой установки, при этом не возникало каких либо проблем.

При зависании вблизи от поверхности земли велось наблюдение за температурой основного шасси, шахт основного шасси и нижней поверхности крыла и фюзеляжа. Данные замеры проводились для определения критических максимальных значений температуры, которые могли возникнуть.

Наиболее сложно фазой испытаний было выполнение вертикальных взлёта и посадки, т.е. переход от режима горизонтального полёта к зависанию и на оборот.

Для обеспечения этих переходов (Starttransition) гондолы силовой установки испытывались в точном соответствии с программой испытаний. На основном рычаге были дополнительно смонтированы два переключателя, позволявшие пилоту в любое время в соответствии с внешними условиями выбирать по своему усмотрению направление и скорость поворота моторных гондол. Как уже упоминалось управление при изменении положения самолёта осуществлялось при помощи штурвала и педалей, при этом одновременно приводились в движение и аэродинамические рули. Введение режима Starttransition, вследствие которого горизонтальная скорость полёта самолёта постепенно увеличивалась, оказывало соответствующее воздействие и на рули. Рули по мере увеличения скорости становились всё более эффективными. Одновременно с этим процессом влияние команд системы управления на тягу силовой установки снижалось. При установке крыльевых двигателей в горизонтальное положение подаваемые пилотом через систему управления команды выполнялись только аэродинамическими рулями, в то время как связь между штурвалом, педалями и силовой установкой полностью отключалось.

Особое внимание уделялось воздухозоборникам установленных в гондолах двигателей. При вертикальной установке гондол на относительно высокой скорости движения в направлении вперёд, например при приземлении (Landetransition), необходимо было обеспечить свободный доступ необходимого количества воздуха для двигателей. Передняя часть воздухозаборников, установленных в гондолах двигателей на шлицах, смещалась вперёд. В результате этого образовывался кольцевой зазор, через который к вертикально расположенным двигателям подавался дополнительный воздух. Подъемные двигатели, установленные в передней части фюзеляжа на кабиной пилотов, прикрывались щитком. Щиток был устроен таким образом, что при полёте в режиме Landetransition эти двигатели за счет проходящего через него воздуха работали при необходимых для воспламенения топливо-воздушной смеси холостых оборотах и одновременно обеспечивалась надёжная равномерная подача воздуха к этим расположенным один за другим двигателям. При горизонтальном аэродинамическом полёте щитки находились в убранном состоянии.

Особое значение при разработке проекта уделялось осям, относительно которых двигатели меняли свое положение в пространстве. Через эти оси с одной стороны должна была передаваться на сам самолёт вся тяга, развиваемая установленными в гондолах двигателями, а с другой стороны эти оси были выполнены c полостями для того, чтобы через них можно было провести штанги системы управления, трубопроводы гидросистемы и топливопроводы.

В этих же осях устанавливались тензометрические датчики, чьи показатели в процессе полёта постоянно передавались на наземную станцию. На станции нагрузки, возникающие в осях при различном положении самолёта и двигателей силовой установки, постоянно находились под наблюдением и позволял своевременно обнаружить возникновение критической ситуации.

Разработка VJ 101

Упомянутое в начале статьи совместное предприятие приступило к работе по данной теме. Фирма Heinkel занималась вопросами, касающимися вертикального старта, и позже по итогам этих работ был создан опытный образец самолёта получившего обозначение VJ 101А. В это же самое время компания Messerschmitt разработала другой прототип, получивший обозначение VJ 101 B.

Затем упомянутое выше совместное предприятие приступило к совместным исследованиям двух опытных образцов, по итогам которых был создан прототип VJ 101 C, два экземпляра которого затем были собраны. Далее последовал VJ 101 D, представлявший собой дальнейшее развитие ранее разработанных прототипов, и уже на его основе и был создан самолёт VTOL, который уже можно было реально использовать в качестве боевого самолёта. Дальнейшие работы по данной теме были прекращены летом 1964 года в пользу более продвинутой концепции.

Интересным в данной истории является то, что на базе обоих прототипов этих самолётов были исследованы примерно 70 различных вариантов самолётов, выполненных на основе данной концепции. Хотя журнал обладает документацией об этих вариантах, мы зашли бы слишком далеко, если бы уделили внимание всем им.

VJ 101 A

Исходной базой для VJ 101 A была конструкция, не предусматривавшая возможность использования отдельных двигателей для выполнения вертикальных взлета и посадки (VTOL-Phase). Два маршевых двигателя силовой установки, размещенные в передней части фюзеляжа и предназначенные для вертикального подъёма и приземления, при горизонтальном полёте не использовались. Это означало наличие на борту дополнительного веса, который сокращал полезную нагрузку. Силовая установка, имевшая возможность перемещать, относительно вертикальной оси размещались на законцовках консолей крыла. Управление силовой установки на VTOL-Phase осуществлялось при помощи модуляторов тяги. Во время выполнения горизонтального полёта величина тяги, развиваемая шестью двигателями, значительно превышала необходимую для данного режима полёта.

Чертёж 1. VJ 101 A

Чертёж 2. VJ 101 В

Чертёж 3. VJ 101 В-0002

Чертёж 4. Истребитель-бомбардировщик P 1227/1 (101 B)

Чертёж 5. Истребитель-бомбардировщик VJ 101 B 0004

Чертёж 6. Истребитель-бомбардировщик  P 1227/2 (101 B)

В режиме VTOL отказ одного из расположенных в передней части фюзеляжа двигателей мог сразу же привести к падению самолёта. Как видно на чертеже 1 фюзеляж по своей конструкции был довольно простым, в то время как размещение двигателей в законцовках крыла и на специальном креплении в передней части фюзеляжа было новой разработкой.

Технические данные

6 ТРД RB 153 с форсажной камерой VTO. Тяга силовой установки около 9600 кг.

VJ 101 B

VJ 101 B, соответственно чертеж 2, был разработан фирмой Messerschmitt в интересах совместного предприятия EWR. Этот самолёт весил примерно 7000 кг. На нём были установлены четыре подъемно-маршевых двигателя Typ RB 153, служивших для обеспечения вертикального взлёта и посадки, и один маршевый двигатель Typ RB 162. Управление на взлете и посадке осуществлялось через сопла при помощи воздуха, забираемого от двигателей обоих типов.

На чертеже 3 показан упрощенный проект самолёта чертежа 2. В данном случае это должен был быть значительно более лёгкий экспериментальный самолёт, предназначенный для исследований.

Силовая установка этого экспериментального самолета должна была состоять из двух подъемных и одного маршевого двигателя

Показанные на чертежах 4 и 5 типы самолётов в отличие от показанного на чертеже 2 являются машинами больших габаритов. Поэтому в дополнение к имеющимся двигателям был добавлен еще один. Различие в расположении двигателей хорошо заметно на чертеже.

На чертеже 6 изображен проект самолёта с основательно изменённой концепцией в отношении расположения силовой установки. До сих пор двигатели, предназначенные для вертикального взлёта и посадки, были ориентированы на центр тяжести самолёта. Это стало причиной того, что силовая установка делилась на две группы. За кабиной пилота располагались два двигателя первой группы, которая предназначались только для выполнения вертикального взлёта и посадки, в то время как двигатели второй группы, предназначенные для взлёта и посадки и одновременно с этим и для горизонтального полёта, были смещены далеко к задней части фюзеляжа. Нижняя часть фюзеляжа в районе расположения центра тяжести была, таким образом, свободна для размещения вооружения.

Балансирный стенд для разработки VJ 101 C

Первым экспериментальным аппаратом, предназначенным для отработки только выполнения вертикального взлёта и посадки и ставшими позднее основой концепции опытного самолёта VJ 101 C, стал специально созданный для этих целей балансирный стенд. Стенд был сконструирован таким образом, что влияние тяги, создаваемой двигателями, соответствовало тому, какое должна была испытывать силовая установка планировавшегося к постройке самолёта при ее перемещениях относительно осей (крен и тангаж). Попытки были успешными и в дальнейшем результаты этих исследований были использованы при разработке самолёта VJ 101.

Чертёж 7. Балансирный стенд для разработки VJ 101-C

Эксперименты с этим простым приспособлением могли проводиться уже в мае 1960 года. Перемещения двигателей относительно осей выполнялись последовательно: сначала тангаж, затем крен. Первоначально перемещения двигателей проводились с использованием ручного управления, а затем были опробованы различные автопилоты.

Рис. 2. Балансирный стенд для испытаний системы управления при выполнении взлёта и посадки

Сначала балансирный стенд устанавливался горизонтально, одна его сторона крепилась/защемлялась как балка, а вторая оставалась свободной и могла перемещаться. На этой качающейся балке был смонтирован двигатель Rolls Royce RB 108, тяга которого перемещала вверх свободный конец балки.

Технические данные

Длина:
при тангаже 6330 мм
при крене 5000 мм
Ширина:
при тангаже 3200 мм
при крене 3500 мм
Высота: 3800 мм
Силовая установка: 
тип Rolls Royce RB 108
обороты ротора на холостом ходу двигателя 9000 об/мин
максимальные обороты ротора двигателя 17500 об/мин
максимальная тяга двигателя 950 кг
давление воздуха при запуске двигателя 2,8 атм
температура воздуха на входе двигателя 35°C
нормальная температура воздуха на выходе из двигателя на старте 300°C
нормальная температура воздуха на выходе из двигателя при работе силовой установки на режиме максимальной тяги 750°C
ёмкость топливного бака примерно 520 л
аккумуляторная батарея — 24 В, 200 А
тяга двигателя при взлёте и посадке примерно 750 кг
удельный расход топлива 105 кг/кг тяги×ч
максимальная продолжительность полёта в режиме взлёта и посадки 15-20 мин

Вне времени проведения испытаний свободный конец балки стенда в горизонтальном положении поддерживался стойкой. При подаче команды «старт» («Start») поддерживающая стойка убиралась. В процессе испытаний, имитирующих полёт самолёта, балка приподнималась за счет тяги создаваемой двигателем. Величина тяги, развиваемой двигателем до 80% от максимальной, задавалась при помощи рычага подачи газа. Далее более точное регулирование величины тяги в пределах ± 20% осуществлялось за счет штурвала. Таким образом, при помощи модулятора можно было регулировать величину тяги, развиваемой двигателем, в пределах 60-100%.

Рис. 3. Балансирный стенд для исследований вертикального взлёта и посадки. На заднем плане Х1 на приспособлении «телескоп»

Управление стендом было отрегулировано таким образом, что при максимальном газе и установке ручки управления на нуле балка балансирного стенда находилась в нейтральном положении. При использовании работающего двигателя балка могла отклоняться в диапазоне от нейтрального до максимального положения.

Допускалось отклонение балки от нулевого положения в стороны в пределах от ± 5 до ±15°. Колебания балки в выше указанных пределах ограничивались двумя амортизаторами, расположенными спереди и сзади точки ее крепления.

При испытаниях защемлённой балки для нее были предусмотрены два различных положения. При крене кресло пилота монтировалось на свободном конце балки перед двигателем, что было похоже на расположение силовой установки, установленной в передней части фюзеляжа самолёта. В этом случае балка балансирного стенда осуществляла те движения относительно поперечной оси, которые она совершала бы на запланированном к постройке самолёте.

При испытаниях с тангажом место крепления кресла пилота менялось, и оно крепилось на боковом дополнительном качающемся креплении. В данном случае расположение силовой установки уже было схожим с тем, которое на реальном самолёте имели установленные на законцовках крыла двигатели. Таким образом можно было исследовать колебания самолёта относительно продольной оси.

Разработка конструкции для подвешивания VJ 101 C

Конструкция для подвешивания VJ 101 C представляла собой имитатор, разработанный в процессе исследований будущих полетов. По своей геометрическим размерам и форме этот имитатор был аналогичен концепции/форме будущего прототипа самолёта. Вследствие этого результатами испытаний конструкции стало поведение, сходное с тем как вел бы себя будущий самолёт в ходе реального полёта. Имитатор позволил значительно сократить затраты времени, средств и снизить риск в ходе проведения испытаний.

Испытания имитатора проводились с 1961 года, в ходе которых отрабатывались вертикальные взлёт и посадка, зависание, управление летательным аппаратом относительно всех трех осей и удержание его на определённой высоте. Управление имитатором осуществлялось модулятором тяги за счет изменения величины тяги при колебаниях относительно осей. Во время испытаний управление осуществлялось как в ручном режиме, так и при помощи автопилота. Этот же имитатор предназначался для обучения и переобучения пилотов управлению VJ 101 C.

Рис. 4. Имитатор на стойке для исследований системы управления и стабилизатора

Каркас имитатора был изготовлен из стальных труб с боковыми элементами. Внешняя обшивка для обеспечения удобного доступа ко всем элементам конструкции отсутствовала. Центр тяжести устройства находился в том же месте, где он должен был находиться и у реального самолёта. Имитатор оснащался тремя двигателями RB 108. расположенными на тех же расстояниях, что и двигатели будущего прототипа: один размещался в передней части фюзеляжа за креслом пилота и по одному на законцовках крыла. То же самое касается и колеи шасси, расстояния между колёсами шасси и положения центра тяжести. Установленная на имитаторе система управления была аналогична планируемой для установки на самолёте.

Чертёж 8. Имитатор для разработки VJ 101-C

В ходе начальных испытаний имитатор имел «зафиксированный» при помощи карданного вала и выдвигающейся штанги центр тяжести. В марте 1962 года впервые начали выполнять вертикальные старты имитатора с бетонной площадки. Под фюзеляжем между вертикальным оперением и расположенными на законцовках крыла двигателями для изучения влияния экранного эффекта натягивали парусину. Это симулировало воздействие, которое оказывало на несущие плоскости экранным эффектом. Результаты испытаний были отличными. Имитатор соответствовал предъявляемым к нему требованиям не только на ручном режиме управления, но и в режиме управления посредством автопилота.

ТЕХНИЧЕСКИЕ ДАННЫЕ

Длина: 11500 мм
Ширина: 10200 мм
Высота: 3250 мм
Силовая установка: 3×Rolls Royce RB-108
Максимальная тяга, развиваемая силовой установкой: 3×950 кг
Запас топлива в трех топливных баках: ≈ 900 л
Максимальный взлётный вес включая 545 кг топлива: 2400 кг
Удельный расход топлива: 1,05 кг/кг тяги×ч
Максимальная продолжительность полёта (до израсходования топлива за исключением 10% резерва.): ≈ 12 мин

Рис. 6. VJ 101 C-X1 на стенде с маятниковым динамометром

VJ 101 C-X1

Одновременно с испытаниями приспособления, предназначенного для отработки вертикального взлёта и посадки, приступили к изготовлению прототипа VJ 101 C-X1. Помимо совместного предприятия EWR, в состав которого к тому времени входили фирмы Bölkow GmbH, Ernst Heinkel Flugzeugbau GmbH и Messerschmitt AG, в данной программе принимали участие и многочисленные зарубежные фирмы. Уже в декабре 1962 года – примерно через 4 года после начала работ по данной программе – начались испытания VJ 101 C-X1 на приспособлении получившем название «телескоп» (Teleskop). «Телескоп» представлял собой усовершенствованный вариант вышеуказанного приспособления для отработки вертикального взлёта и посадки. На «телескопе» уже можно было имитировать в определённых границах любые колебания и перемещения будущего самолёта относительно всех осей. Это позволяло отработать на земле большую часть всех систем, которые в дальнейшем предполагалось установить на самолёт. Данное устройство так же имело три частично или полностью закрытых обшивкой газоотвода, по которым раскалённые газы силовой установки отводились от устройства, что позволяло исследовать и влияние экранного эффекта.

После выполненных в марте 1963 года первых испытаний зависания с наклоном двигателей относительно горизонтальной оси 10 апреля этого же года был выполнен первый подъём VJ 101 C-X1. Первый горизонтальным плоскости полёт состоялся в августе 1963 года. Затем в соответствии с планом испытаний без каких либо осложнений были произведены еще ряд промежуточных испытаний. 8 октября 1963 года был выполнен первый вертикальный взлёт, включавший в себя переход из зависания в горизонтальный полёт, далее следовал полёт, в котором подъемная сила создавалась несущей поверхностью, после этого был обратный переход в зависание, после чего последовала вертикальная посадка.

Рис. 7. Испытательные полёты выполнял шеф-пилот Джордж Брайт (George Bright)

Чертёж 9. VJ 101 C, 15-00001-11

Чертёж 10. VJ 101 C, 00002-11

Чертёж 11. X1,2 VJ 101 C, 15-00172-11

Рис. 8. Кабина пилота Х1

Рис. 9. Вид спереди Х1

Рис. 10. Вид спереди Х1

Рис. 11. Вид сзади Х1

Рис. 12. Подготовка к полёту

Рис. 13. Х1 катят к взлётной площадке

Рис. 14. подъемно-маршевые двигатели в положении «взлёт»…..

Рис. 15: …вид сбоку

Рис. 16: X1 взлетает

Рис. 17: Х1 в полёте…

Рис. 19. Х1 окрашен и с опознавательными знаками

Рис. 20. …. в пикировании

Рис. 21. X1 приземляется….

Рис. 22. … парашют раскрывается

Рис. 23. В полёте СВВП VJ 101 C-X1

• * — позднее (после выхода 1 февраля 1965 года из состава предприятия фирмы Heinkel) с 1 июля 1965 года в состав «Entwicklungsring Süd GmbH» входили Bölkow GmbH, Ottobrunn (Мюнхен), Siebelwerke ATG GmbH (Донаувёрт (Donauwörth)) и Messerschmitt AG (Аугсбург)

источник: "Senkrechtstarter Versuchs-Jäger VJ 101" LUFTFAHRT international 23