Криптороторы. История, прошлое и будущее

Статья Рольфа Бессера (Rolf Besser) «Kriptorotoren. Geschichte, Gegenwart und Zukunft» из журнала «Luftfahrt International» 4/81 была переведена уважаемым коллегой NF и немного доработана мной. Перевод был выполнен в апреле 2016 года.

Несмотря на значительные достижения в области разработки современных вертолётов, их скорость слишком мала в сравнении с обычными самолётами. Большие расход топлива и шум в полете дополняют список недостатков обычных вертолетов.

Криптороторы, изменяющие во время полёта своё положение с вертикального на горизонтальное, являются альтернативой, которая позволит летательным аппаратам лететь значительно быстрее, расходовать меньше топлива и создавать меньше шума.

Конвертоплан Bell XV-15 достиг этих целей. Путь к нему был длинным и тернистым, и многие изобретатели более 100 лет шли по этому пути, пытаясь создать подобные летательные аппараты.

В 1845 году Коссус (Cossus) первым представил идею подобного вертолёта с несущим воздушным винтом и двумя криптороторами. 

В 1861 году американец Мортимер Нельсон (Mortimer Nelson) зарегистрировал патент летательного аппарата с двумя пилонами, проворачивавшимися относительно вертикальной оси. На каждом из пилонов должны были располагаться по четыре ротора.

проект вертолёта Нельсона (1861 год) с двумя поворотными пилонами

В 1862 году Лютер К. Кроуэлл (Luther C. Crowell) зарегистрировал в США патент на два ротора, которые могли наклоняться относительно вертикальной оси.

В 1896 году доктор Беенен (Beenen) из Дрездена зарегистрировал немецкий Имперский патент на конструкцию летательного аппарата, у которой основной и дополнительный хвостовой роторы могли изменять своё положение в вертикальной плоскости.

автором данного проекта вертолёта с основным ротором и ротором, расположенном в хвостовой части, был Беенен (1896 год). В его проекте были предусмотрены поворачивающиеся роторы

В 1921 году Отто Шмитт (Otto Schmidt) в Бергене (Bergen) в Фогтланде (Vogtland) представил проект винтокрылого летательного аппарата, который по своей конструкции в основном был схож с будущим XV-15.

основу концепции успешного XV-15 еще в 1921 году разработал Отто Шмитт. Рисунок из патента DRP 406 723

Примерно таким же был разработанный в 1937 году Л. Э. Бейнсом (L. E. Baynes) в Велико­британии вертолёт Heliplane, который предполагалось использовать в качестве бомбардировщика и разведчика. Тогда эта разработка не стала известной общественности. Heliplane Бейнса с двумя криптороторами, располагавшимися в гондолах, должен был иметь максимальную скорость полёта в 500 км/ч при дальности полёта более чем в 1000 километров.

разработанный в 1937 году проект Л. Э. Бейнса имел в своей основе тот же принцип

Развивать скорость 600 км/час должен был и вертолёт-истребитель профессора Фокке (Focke), разработанный им в 1941-43 годах. Разработанный профессором Фокке проект вертолёта Fa 269 должен был иметь два ротора с тремя лопастями, которые изменяли своё положение и, отклоняясь назад на 80°, действовали в горизонтальном полете как толкающие винты.

Компоненты вертолёта Fa 269 были изготовлены, но во время одной из бомбардировок союзников они были уничтожены. С другой стороны предприятия, которым были выданы заказы на изготовление элементов конструкции этого вертолёта, были загружены другими более важными заказами. В итоге этот проект до конца Второй мировой войны не мог быть реализован.

Focke-Achgelis Fa 269 с толкающими винтами, способными изменять положение. В 1943 работы по данному проекту продвинулась достаточно далеко

Похожая система изменения роторами своего положения была применена в экспериментальном летательном аппарате, разработанном в 1959 году компанией Dornier и получишем обозначение Do 29. Компания Dornier зарегистрировала соответствующий патент еще в 1921 году (см. выпуск 2/1980 журнала «Luftfahrt International»).

Разработки в США

В США проектно-конструкторские работы начались в 1945 году в компании Transcendental Aircraft Corporation, целью которых было создание летательных аппаратов с криптороторами. Через девять лет впервые удалось осуществить переход от вертикального полёта к горизонтальному.

Экспериментальный летательный аппарат Transcendental Model 1-G (взлётный вес в 744 кг) получил двигатель Lycoming мощностью 160 л.с. Мощность от двигателя передавалась на два воздушных винта диаметром 5,2 метра, установленные на законцовках крыла. Перемещения винтов выполнялись при помощи электродвигателей, и угол их поворота составлял 84°.

15 июня 1954 года Model 1-G выполнил свой первый полёт. В декабре 1954 года впервые во время полёта на этом летательном аппарате удалось осуществить переход из одной фазы полёта в другую. До падения летательного аппарата в реку Делавэр в июле 1955 года было выполнено более 100 полётов. При падении в реку летательный аппарат был разрушен.

Следующим, разработанным компанией Transcendental экспериментальным летательным аппаратом был двухместный Model 2, получивший 250-сильный двигатель компании Lycoming. Однако к этому времени заказ на разработку экспериментального летательного аппарата, способного переходить от вертикального полета к горизонтальному, получила компания Bell, создавшая свой проект под обозначением XV-3. В итоге компании Transcendental пришлось прекратить свои работы по данной тематике.

В компании Bell исследования по разработке экспериментального летательного аппарата типа Bell Modell 200 (сначала он получил обозначение XH-33, затем название было заменено на XV-3), начались в 1948 году под руководством Боба Лихтена (Bob Lichten). Первоначально в конструкции конвертоплана использовались два трехлопастных ротора диаметром по 7 метров. Первый полёт этого летательного аппарата состоялся 23 августа 1955 года.

При взлётном весе примерно 2 тонны мощность двигателя фирмы Pratt & Whitney в 450 л.с. была очень близкой к той, какую имели вертолёты с аналогичным взлётным весом, но на данном летательном аппарата силовая установка работала не во всех случаях удовлетворительно. В случае выхода из строя одного из винтов был возможен перевод роторов в вертикальное положение и переход в режим авторотации. В начале испытаний оси вращения воздушных винтов перемещались только на 15°, и сами испытания осложнялись рядом проблем. В октябре 1956 года этот летательный аппарат был разбит при аварийной посадке.

Тогда было решено создать усовершенствованный конвертоплан Bell XV-3 с двумя двухлопастными роторами диаметром 10 метров. На этом прототипе 18 декабря 1958 года впервые был выполнен переход от одной фазы полёта к другой, и была достигнута горизонтальная скорость около 200 км/ч. В общей сложности до 1962 года Bell XV-3 налетал 450 часов. В ходе полётов была достигнута максимальная скорость горизонтального полета вперед 291 км/ч; при горизонтальном полете в стороны и хвостом вперёд максимальная скорость составляла 24 км/ч.

конвертоплан Bell XV-3 испытывали до 1962 года. Данным летательным аппаратом была достигнута скорость горизонтального полёта около 300 км/ч

Компания DOAK Aircraft Company из Торранса, штат Калифорния, в 1957 году разработала для армии США прототип DOAK Model 16. Данный прототип оснащался двумя поворачивающимися относительно вертикали роторами, заключенными в кожухи и расположенными на законцовках крыла. Первоначальный взлетный вес DOAK Model 16 составлял 1180 кг.

В феврале 1958 года на аэродроме города Торранс приступили к лётным испытаниям DOAK Model 16. Силовая установка данного летательного аппарата состояла из одного турбовального двигателя Lycoming мощностью 840 л.с. Управление этим летательным аппаратом при вертикальных перемещениях и при зависании облегчалось отводом выхлопных газов двигателя вниз.

Первый переход от вертикального направления полёта к горизонтальному был осуществлён на базе ВВС США Эдвардс. Экспериментальный летательный аппарат DOAK Model 16 при взлётном весе 1452 кг развивал скорость до 370 км/ч. Позднее Model 16 был передан в NASA для проведения дальнейших испытаний.

По собственной инициативе компания Curtiss-Wright Corporation разработала похожий по конструкции одноместный летательный аппарат Х-100, оснащенный турбовальным двигателем Lycoming мощностью 825 л.с.. Первый полёт Х-100 состоялся в марте 1960 года. На этом летательном аппарате имелись два ротора диаметром по 3,05 метра. При вертикальном наборе высоты роторы вращались со скоростью 1240 об/мин, а при горизонтальном полёте – со скоростью 1120 об/мин.

Также на собственные средства в Curtiss-Wright Corporation был разработан схожий летательный аппарат Model 200. В 1962 году эта корпорация получила заказ от ВВС США на постройку двух военных прототипов X-19A. Этот шестиместный летательный аппарат должен был иметь взлётный вес 6197 кг в случае выполнения вертикального взлёта и 6690 кг при взлёте под углом к горизонту. В качестве силовой установки на X-19A служили два турбовальных двигателя Lycoming T-55 мощностью по 2200 л.с. Согласно расчетам максимальная скорость горизонтального полёта этого летательного аппарата должна была быть равна 740 км/ч, экономическая крейсерская скорость 650 км/ч, дальность полёта более 1000 километров. Первый вертикальный взлёт Х-19А выполнил летом 1964 года. В 1966 году работы над данным проектом были прекращены.

в 1962 году были построены и испытаны 2 прототипа конвертоплана Curtiss-Wright X-19

Путь к Bell XV-15

В 1962 году Bell Aerosystems Company получила заказ от Министерства обороны США на разработку летательного аппарата с вертикальным взлётом и посадкой X-22A с воздушными винтами, расположенными тандемно и заключенными в защитные кожухи. По своей компоновке этот летательный аппарат был схож с теми, что были созданы в Curtiss-Wright Corporation ранее.

Четыре турбовальных двигателя General Electric Т-58 мощностью по 1250 л.с. каждый были попарно установлены перед хвостовым оперением и приводили во вращение четыре трехлопастных воздушных винта диаметром по 2,12 метра каждый. Данные роторы размещались по обеим сторонам фюзеляжа на законцовках крыла и у хвостового оперения на стабилизаторе размахом 12 метров. Двигатели могли изменять своё положение, перемещаясь относительно вертикальной оси на 90°. Максимальные обороты воздушных винтов 2590 об/мин. При наклоне сопел под углом в 65° выхлопные газы силовой установки обеспечивали дополнительную тягу. Взлётный вес летательного аппарата X-22A (Bell Modell D 2127) был равен примерно 6800 кг. В кабине экипажа находились места для двух пилотов (места были оснащены катапультируемыми креслами). В расположенном сзади отсеке перед передними винтами имелось место для шести человек или для 544 кг полезного груза.

Первый полёт прототипа Х-22 состоялся в марте 1966 года. В ходе испытаний выполнялись вертикальные взлёты, зависания и переходы к горизонтальному полёту на скоростях до 160 км/ч. При переходе от одного режима полёта к другому воздушные винты, заключенные в защитные кожухи, в течение двадцати секунд изменяли своё положение относительно вертикальной оси на 90°.

В ходе испытаний данный прототип был разбит во время аварийной посадки. Расследование причин аварии показало, что во время выполнения взлета роторы были отклонены на 30° и что предупредительная сигнальная установка гидравлической системы сообщила о неисправности. Пилот после полного выхода из строя гидравлической системы попытался выполнить вертикальную посадку, но в данном случае оказалось невозможным значительно снизить скорость, и при последовавшем ударе о поверхность летательный аппарат разломился на две части.

Первый полёт второго прототипа конвертоплана Bell X-22A (взлётный вес 8020 кг) состоялся 26 января 1967 года. Всего на данном прототипе налетали примерно 80 часов. Во время полётов достигалась горизонтальная скорость до 370 км/ч, зависание выполняли на высоте 2445 метров.

В 1971 году компания Bell Helicopter Company вновь приступила к испытаниям летательного аппарата, оснащенного заключенными в аэродинамические каналы NASA трехлопастными роторами диаметром 7,62 метра каждый, а в 1973 году эта компания получила заказ на постройку двух летательных аппаратов с криптороторами.

В октябре 1976 года первый прототип Bell 301 с изготовленным на фирме Rockwell International фюзеляжем и с крылом, консоли которого имели небольшую отрицательную стреловидность, был собран и под присвоенным ВВС США обозначением XV-15 был подготовлен для лётных испытаний. При выполнении вертикальных взлётов и посадок (VTOL) пустой вес данного летательного аппарата был равен 5354 кг, при выполнении укороченных взлетов и посадок (STOL) – 6800 кг. Силовая установка, состоявшая из двух 1500-сильных двигателей Lycoming LTC-1, позволяла развивать максимальную скорость 675 км/ч, экономическую скорость 562 км/ч, достигать практического потолка 8840 метров и дальности полёта 825 километров.

3 мая 1977 года прототип впервые выполнил полет с зависанием. При выполнении лётных испытаний, в ходе которых XV-15 переходил от одной фазы полёта к другой, горизонтальная скорость при полёте вперёд составляла 75 км/ч, до 40 км/ч при полёте боком и до 28 км/ч при полете хвостом вперед. Затем последовали испытания в аэродинамической трубе NASA, в ходе которых ставилась задача исследования ряда возникших проблем.

В мае 1979 года второй прототип XV-15 выполнил первые зависания в воздухе, а в июле этого года впервые во время полёта гондолы с воздушными винтами (как и в ходе испытаний первого прототипа) были повёрнуты на 90°. Скорость горизонтального полёта при выполнении поворота гондол была равна 75 км/ч. При изменении положения роторов с вертикального на горизонтальное поступательная скорость полёта очень быстро увеличивалась. Обратное перемещение гондол роторов осуществлялось при горизонтальной скорости полёта 200 км/ч. Скорость поворота гондол роторов изменялась в диапазоне от 12 секунд (fast conversion) до 1 минуты (slow conversion). В любой фазе перемещений гондол роторов в случае необходимости имелась возможность прервать поворот гондол и вернуться к первоначальной полетной конфигурации.

17 июня 1980 года конвертоплан Bell XV-15 установил рекорд скорости полёта в своём классе, разогнавшись до 554 км/ч. В дальнейшем ставилась задача достичь скорости 600 км/ч.

В дальнейшем оба прототипа XV-15 служили в NASA для исследований в интересах вооруженных сил и гражданской авиации. Ранее применявшиеся на этих летательных аппаратах металлические лопасти воздушных винтов были заменены на новые лопасти типа GfK, с которыми планировалось увеличить дальность и диапазон эксплуатационных режимов полёта.

Тем временем компания Bell Helicopter Textron занята разработкой летательного аппарата со взлётным весом в 16 тонн и возможностью перевозки 30 пассажиров. Разработчики проекта рассчитывают, что при экономической скорости, в два раза превышающей экономическую скорость полёта обычного вертолёта, расход топлива должен быть вдвое меньше того, что расходует вертолёт. Достижение этих условий является самой тяжелой из задач, стоящих перед разработчиками Bell D-326. Стоимость данного проекта оценивается в 500 млн. долларов.