Все части статьи

Содержание:

Уменьшение масштаба

Самостоятельная линия инноваций была начата в 1998 году с принятием Патриком Пиблсом (Patrick Peebles) поперечно-проточного вентилятора в качестве части несущего крыла. Полученная конструкция была названа Пиблсом FanWing, и интерес к ней в последующие годы только возрастал. Инженер BAe Джордж Сейфанг (George Seyfang), который в 2008 году на конференции Королевского авиационного общества представил исследование по теме внешнего горизонтального стабилизатора, в 2010 году присоединился к участникам проекта, быстро поняв его актуальность внешнего хвостового оперения для FanWing. Это была та же ситуация, с которой столкнулись инженеры компании Vought во время работы по проекту ADAM: интенсивное изменение направления потока вниз за инновационным крылом СКВВП, приведшее к перемещению хвостового оперения за законцовки крыла. В 2011 году после года работ над промежуточными конфигурациями демонстрационная модель FanWing получила чисто внешнее хвостовое оперение. Проектные исследования в данном направлении, по-видимому, продолжаются.

К 1990 году канадский учёный из Университета Калгари Джон Кентфилд (John Kentfield) приступил к исследованиям внешнего хвостового оперения после того, как узнал о некоторых моделях планеров, которые в 1980-х годах были запущены в полет американцем К.У. Маккатченом (C.W. McCutchen). После опубликованного в 1990 году предварительного отчета Джон Кентфилд построил большие летающие модели, опубликовав свои выводы в 1995 году. Исследования Кентфилда подтвердили многое из того, что уже было известно, а именно то, что конструкция привела к более эффективной аэродинамике, хорошим летным качествам и более простому и легкому планеру с небольшими конструктивными недостатками в отношении крыла. В последующие годы Джон Кентфилд и его коллеги провели дальнейшие обширные исследования, выполнив множество тщательных проработок по изучению его характеристик. В 2012 году Кентфилд продолжал выпускать публикации.

концепция FanWing – поперечно-проточный вентилятор в качестве части несущего крыла – включает в себя лопасти, расходящиеся от центральной оси и образующие вентилятор, который при вращении индуцирует направленный воздушный поток, обеспечивающий подъемную силу для крыла, в котором установлен вентилятор. Внедрение в конструкцию самолета внешних горизонтальных стабилизаторов, как показано на данном рисунке, восстанавливает энергию из вихрей на законцовках крыла, повышая общую эффективность. Рисунок с сайта FANWING.COM, hdpic.club

Следует сказать, что помимо вывода глубины анализа на совершенно новый уровень, исследования Джона Кентфилда были новаторскими в изучении вопроса килей. Кентфилда интересовало как кили, которые традиционно обеспечивают только курсовую устойчивость и управляемость, могут, будучи размещенными вне размаха крыла, также по аналогии с винглетами улучшать обтекание потоком воздуха и способствовать общей эффективности. На рубеже тысячелетий в Калгари была создана всеобъемлющая база данных научной информации, достаточная для аналитической оценки конструкции внешнего хвостового оперения с достаточно реалистичными прогнозами его эффективности, что позволило Мюллеру в 2002 году завершить свой анализ проекта истребителя Blohm und Voss P 208.

В 2004 году француз Бенджамин Дарренуг (Benjamin Darrenougue) во время студенческого обмена c Ирландией использовал исследования Кентфилда для своей теоретической работы и для испытаний в аэродинамической трубе, продолжая более ранние исследования Маттиаса Рэндольфа (Matthias Randolph). Тем временем другие разработчики шли иными самостоятельными путями исследований по использованию винглетов для управления самолетом аэродинамической схемы «летающее крыло» путем изменения угла наклона. Система работала, но как у любого самолета схемы «летающее крыло» управление по тангажу и рысканию было плохим. Кевин Хаген (Kevin Hagen) вспомнил о Рихарде Фогте, который в целях увеличения эффективности сместил подобные поверхности назад и использовал в качестве внешнего хвостового оперения. Сам того не ведая, Хаген заново открыл для себя проект с изменяемой геометрией внешнего хвостового оперения, разработанный Роже Робером в 1948 году. Однако у Кевина Хагена были сомнения относительно того, будет ли эта техническое решение реализуемым в конструкции полноразмерного самолета, и он сосредоточил свое внимание на более миниатюрных беспилотных летательных аппаратах (БПЛА). К 2017 году Хаген разработал и испытал в полете прототип. Испытания прототипа показали, что внешнее хвостовое оперение с изменяемым углом наклона является жизнеспособной системой для управления по тангажу, но, вероятно, его необходимо будет дополнить обычными килем и рулем направления для устойчивости и управляемости по рысканью.

В космос

Scaled Composites (часто называемая просто «Scaled») является компанией про проектированию и изготовлению прототипов аэрокосмической техники. Данная компания была основана новатором в области авиации американцем Бертом Рутаном. Когда НАСА дало старт своей программе ERAST (Environmental Research Aircraft & Sensor Technology – программа создания летательного аппарата и бортового оборудования для исследования окружающей среды) с целью создания высотного БПЛА с большой продолжительность полета, компания Scaled была в числе тех, кому было предложено разработать проектное предложение для его дальнейшей оценки. Проектные работы начались в 1997 году и, опираясь на результаты исследований в Калгари, в компании Scaled придали своей разработке Model 287 Alliance I нестреловидное крыло с большим удлинением и внешнее хвостовое оперение. Хотя Model 287 имел силовую установку с тянущим винтом по своей концепции данный проект бы ближе к Škoda-Kauba SL6, чем любая другая когда-либо летавшая конструкция, и даже масштабная модель 287-го соперничала с SL6 в размахе крыла. Однако полноразмерный БПЛА так и не был изготовлен.

Примерно в 1994 году компания Scaled совместно с сооснователем компании Microsoft Полом Алленом начала работу над суборбитальным космическим самолетом, вступив в борьбу за Ansari X-Prize – приз в размере 10 миллионов долларов первый, спонсируемый частными лицами, космический полет на многоразовом космическом аппарате. Даже сегодня выход в космос является чрезвычайно сложной операцией. Концепция, которую разработали в компании Scaled, была основана на двухступенчатом или составном летательном аппарате. Летательный аппарат-носитель, получивший название White Knight (белый рыцарь), должен был поднять на высоту отделяемый космический аппарат. Это проверенная и надежная технология, которая использовалась для запуска North American X-15 с переоборудованного бомбардировщика еще в 1960-х годах. Большой проблемой должен был стать вход в атмосферу, когда космический аппарат должен был снижаться на сверхзвуковой скорости в постоянно сгущавшейся атмосфере. И здесь конструкторы шагнули в неизвестность, выбрав непроверенную технологию и продвинув ее еще на один шаг вперед.

Когда конструкторы начали искать способ стабилизировать и замедлить на данном этапе полета космический аппарат, они поняли, что обычного хвостового оперения будет недостаточно. Похожее на волан кольцо воздушных тормозов-стабилизаторов поставило бы под угрозу способность космического аппарата совершить безопасную посадку. Их решение объединило две идеи из более ранних проектов: Alliance I и проект СКВВП с крылом, использующим принцип «Freewing» (способность поддерживать постоянный угол атаки в течение всего времени полета) в сочетании с переменным углом тангажа фюзеляжа и аналогичным крылу шарнирно закрепленным на двух балках саморегулирующимся хвостовым оперением, которое постоянно оставалось в горизонтальном положении. Последняя конструкция также летала в качестве модели в уменьшенном масштабе.

Для спускаемого космического аппарата инженеры компании Scaled использовали хвостовой шарнир и заставили работать по-другому: угол наклона хвостового оперения менялся, в то время как фюзеляж оставался горизонтальным. Во время входа в атмосферу из космоса хвостовое оперение должно было поворачиваться вертикально с целью стабилизации спускаемого аппарата, остальная часть которого должна была оставаться горизонтальной, при этом спуск должен был осуществляться вертикально вниз. Когда плотность воздуха увеличилась, и он начинал создавать подъемную силу, хвостовое оперение переводилось в горизонтальное положение, и машина могла лететь и совершать посадку как обычный самолет. Именно здесь снова появилось внешнее хвостовое оперение, поскольку более ранние исследования показали, что оно уменьшит площадь основного крыла примерно на 15 процентов. Две балки должны были быть расположены на законцовках коротких нестреловидных консолей крыла.

схема многоразового спускаемого аппарата Scaled Composites SpaceShipOne. Размах 16 футов 5 дюймов (5,0 м), длина 16 футов 5 дюймов (5,0 м), диаметр 5 футов 0 дюймов (1,52 м), площадь крыла 160 кв. футов (15 м²). Разработанный компанией Scaled Composites и построенный компанией Mojave Aerospace Ventures, совместной компанией, основанной Scaled и основателем Microsoft Полом Алленом, SpaceShipOne был изготовлен в 2003 году и отличался отклоняемыми балками с установленными на них внешним хвостовым оперением. Рисунок Каболды (Kaboldy) © 2022. Изображение обработано сайтом lmarena.ai

20 мая 2003 года SpaceShipOne компании Scaled впервые отсоединился в полете от корабля-носителя, что ознаменовало первый полет пилотируемой машины с внешним хвостовым оперением после состоявшихся примерно за сорок лет до этого полетов NASA M2-F1. В июне 2004 года SpaceShipOne доказал эффективность своей системы входа в атмосферу с изменяемой геометрией, а последующие полеты позволили завоевать желаемый Ansari X-Prize. Сейчас он экспонируется в Национальном музее авиации и космонавтики в Вашингтоне, округ Колумбия.

многоразовый спускаемый аппарат SpaceShipOne на космодроме Мохаве после полета 15P, состоявшегося 21 июня 2004 года – первого космического полета, в котором созданный на частные средства космоплан достиг высоты 100,124 км (328412 футов). Регистрационный номер N328KF был выбран намеренно, чтобы отразить 328 килофутов, то есть 328 000 футов, – линию Кармана или официально обозначенную границу космоса. Снимок Дона Реми Логана (Don Ramey Logan), weebau.com

В работах по последующему проекту компании Scaled основным игроком является другой персонаж. Ричард Брэнсон является движущей силой компании Virgin Group – разветвленной и инновационной многонациональной корпорации с совершенно разнообразными сферами деятельности. Когда Брэнсон решил, что настало время расширить свои инициативы до путешествий в космос, он основал компанию Virgin Galactic и объединился с компанией Scaled с целью создания The Spaceship Company, которая должна была изготавливать космические корабли. Первым предложением компании Virgin будут суборбитальные полеты в космос продолжительностью не более нескольких часов в усовершенствованном варианте SpaceShipOne, который будет называться SpaceShipTwo.

Будущее?

SpaceShipTwo, имеющий в два раза большие размеры, чем его предшественник, был спроектирован для доставки в космос экипажа из двух человек и нескольких пассажиров. VSS Enterprise совершил свой первый полет в режиме свободного планирования 10 октября 2010 года и 29 апреля 2013 года выполнил свой первый запуск. После трагической потери «Энтерпрайза» со смертельным исходом, когда хвостовое оперение было развернуто в неправильное время, второй экземпляр VSS Unity достиг окраин космоса 13 декабря 2018 года, набрав высоту 50 миль (80 км). Данная высота признана в США границей космоса значительно уступает установленной на международном уровне линии Кармана в 100 километров (62 мили).

странная пара – второй многоразовый спускаемый аппарат и SpaceShipTwo, VSS Unity, летательный аппарат-носитель White Knight Two VMS Eve поднимаются в небо во время первого совместного испытательного полета; 8 сентября 2016 года. SpaceShipTwo не только сохранил внешнее хвостовое оперение своего предшественника, но внутри балок также были установлены рудиментарные поверхности. Снимок компании Virgin Galactic, cdn.forbes.ru

многоразовый космический аппарат SpaceShipTwo VSS Enterprise с хорошо показанным внешним хвостовым оперением планирует к земной поверхности во время своего первого испытательного полета в 2010 году. Снимок компании Virgin Galactic, popsci.com

11 июля 2021 года VSS Unity совершила свой самый высотный на сегодняшний день полёт, имея на борту двух членов экипажа и четверых космонавтов-исследователей, включая и Брэнсона. Испытательные полеты продолжаются, и первый коммерческий запуск запланирован на 2022 год. Брэнсон ожидает, что бизнеса хватит для поддержки флота суборбитальных космических аппаратов, и первый из двух космических аппаратов типа SpaceShip III – VSS Imagine – был запущен в марте 2021 года.

будущее наступает: многоразовый спускаемый аппарат SpaceShip III VSS Imagine был выведен из сборочного цеха в марте 2021 года и, по сути, представляет собой серийную версию своего экспериментального предшественника SpaceShipTwo. Первоначально SpaceShip III предназначался для полетов по заданным маршрутам за пределами атмосферы, но, похоже, что пока он будет использоваться только для космического туризма. Снимок компании Virgin Galactic

Внешнее хвостовое оперение наконец-то показало свой потенциал.

источник: Guy Inchbald «Outside edge» «The Aviation Historian» №38, pages 106-118

перевод впервые опубликован — https://vk.com/@710541705-outside-edge-04