«Летающий персик». Необычный летательный аппарат легче воздуха LTA 20. Канада

Данный материал был переведен уважаемым коллегой NF и немного доработан мной. Перевод был выполнен в ноябре 2015 года. Хочу выразить большую благодарность уважаемому коллеге redstar72 за большую помощь в редактировании данной статьи.

В конце 1981 года канадская компания Van Düsen Development Corporation (Van Düsen), Оттава, провинция Онтарио, представила проект странного летательного аппарата легче воздуха, тип которого никогда не встречался до тех пор.

Задуманный и разработанный президентом компании Фредериком Д. Фергюсоном (Frederick D. Ferguson) проект летательного аппарата, получивший обозначение LTA 20, должен совмещать в себе преимущества воздушного баллона и ротора Флеттнера.

Для этих целей Фергюсон решил использовать круглый воздушный баллон с эффектом Магнуса, вращающийся относительно своей поперечной оси. Благодаря этому в компании Van Düsen ожидают, что аэростатические силы для набора высоты возрастут примерно на 20 %.

Эффект Магнуса представляет собой физическое явление, возникающее при обтекании вращающегося тела потоком жидкости или газа. Вращающийся объект создаёт в среде вокруг себя вихревое движение. С одной стороны объекта направление вихря совпадает с направлением обтекающего потока и, соответственно, скорость движения среды с этой стороны увеличивается. С другой стороны объекта направление вихря противоположно направлению движения потока, и скорость движения среды уменьшается. Ввиду этой разности скоростей возникает разность давлений, порождающая в свою очередь силу, воздействующую на вращающийся объект и направленную перпендикулярно обтекающему потоку – от той стороны вращающегося тела, где направление вращения противоположно направлению потока, к той стороне, на которой они совпадают. Этот феномен был обнаружен в 1852 году берлинским физиком Генрихом Магнусом, который дал объяснение, почему возникает нежелательное с точки зрения баллистики отклонение от теоретической траектории полёта вращающегося относительно продольной оси снаряда.

В 20-е и 30-е годы многократно, но без особого успеха предпринимались попытки использовать это явление для создания подъёмной силы. При этом традиционные несущие плоскости предполагалось заменить вращающимися роторами или валами. В выпуске 22 журнала Luftfahrt International (статья «Flugzeuge mit Walzenflügeln» [«Самолёты с валообразными крыльями»]) уже сообщалось о данных исследованиях.

Компания Van Düsen предприняла разработку летательного аппарата нового типа, выделив на постройку и испытания модели собственные средства в размере 2,5 млн. долларов. Ряд проведенных испытаний дал неожиданные результаты: некоторые показатели, замеренные при тестировании в аэродинамической трубе, оказались в 6 раз более благоприятными, чем оценивались первоначально. Одна из моделей – LTA 20-1 – была оснащена дистанционным управлением и имела диаметр примерно 6 метров. Данная модель смогла без каких-либо проблем летать в большом помещении. Длина LTA 20-1 также равна 6 метрам, а высота – примерно 7 метров. Для поворота баллона модели служит электродвигатель, в то время как два авиамодельных двигателя LTA 20-1 развивают общую мощность на валу 1,5 л.с. Общая подъёмная сила LTA 20-1, включая создаваемую эффектом Магнуса, равна примерно 100 кг, и модель может транспортировать груз массой 16 кг. Для управления этой моделью служит 33-канальная дистанционная система управления.

дистанционно управляемая модель LTA 20-1 без проблем летает в помещении

Техническое описание LTA 20

Может быть, так: Летательный аппарат LTA 20 должен состоять из объёмного тела, по форме подобного круглому баллону, который в полёте будет вращаться вокруг поперечной горизонтальной оси, опирающейся на два пилона, охватывающие баллон снизу на некотором расстоянии от него и органично переходящие в корпус, расположенный под баллоном.

Оболочка баллона должна быть изготовлена из нового материала, состоящего из кевлара с двумя слоями майлара (Mylar). Данное сочетание материалов необходимо для защиты от ультрафиолетового излучения. Кевлар будет придавать повышенную прочность расположенному в баллоне тросу и одновременно будет увеличивать шероховатость поверхности оболочки. У модели оболочка была изготовлена из нейлона со слоями полиуретана.

В передней части расположенного под баллоном корпуса должна находиться кабина со стеклянными панелями, обеспечивающими экипажу LTA 20 отличный обзор. Форму корпусу будет придавать рамная конструкция. Передняя часть корпуса для улучшения аэродинамики должна быть вытянута вверх. Задняя часть корпуса будет переходить в плоские горизонтальные окраины. Эта задняя часть, как показали испытания в аэродинамической трубе, ещё должна быть доработана для дальнейшего снижения сопротивления. Необычная форма корпуса – верхняя его часть выполнена в виде лотка – имеет вполне серьёзное обоснование. Для того чтобы иметь возможность использовать эффект Магнуса в целях увеличения подъёмной силы, баллон во время полёта должен вращаться, причём таким образом, чтобы направление вращения нижней части сферы перемещало её в направлении вперёд. Дело в том, что часть потока воздуха перемещалась в направлении, противоположном направлению полёта, что создавало проблемы некоторым конструкторам, разрабатывавшим самолёты с валообразными крыльями. Данную часть валообразного крыла неоднократно пытались оградить от встречного потока воздуха, для чего заднюю часть такого крыла смещали вперёд или назад и закрывали профилированными элементами. Со своей стороны Фергюсон сделал один решающий шаг вперёд. У LTA 20 практически весь корпус будет выполнен как диафрагма потока, что позволило конструктору добиться значительного снижения сопротивления.

виды LTA 20 спереди и сбоку в общих чертах показывают конструкцию этого летательного аппарата. Обратите внимание на необычную форму корпуса и управляющие сопла двух расположенных по бокам реактивных двигателей

Силовая установка и баллон летательного аппарата должны будут вращаться относительно одной и той же оси: оболочка – для создания подъёмной силы, а силовая установка – для движения и создания вектора тяги. Разработчиками было предусмотрено, что баллон начнёт вращаться, когда силовая установка будет находиться в горизонтальном положении, и весь процесс перехода из одной фазы полёта к другой будет управляться компьютером.

По словам главного конструктора компании Морли О’Нилла (Morley O’Neill), у LTA 20 благодаря многочисленным новинкам не должны возникнуть проблемы с управлением, характерные для летательных аппаратов легче воздуха. Согласно данным компании, к числу этих новинок принадлежит система воздушного баллона нового типа. Она должна позволить выполнять разгрузку летательного аппарата без компенсации дополнительным балластом. Для выравнивания предполагается использовать расположенный внутри оболочки баллонет, связанный с воздушным насосом и клапанами. Наружный воздух будет поступать в баллонет и сжимать находящийся в оболочке гелий. Для получения положительной или отрицательной силы, прилагаемой к летательному аппарату, давление внутри подкреплённой тросами оболочки сможет меняться в диапазоне примерно 0,007 – 0,035 кг/см².

Большой вариант LTA 20

Опираясь на удачно прошедшие испытания модели, компания Van Düsen планирует приступить к разработке полноразмерного летательного аппарата, приспособленного для практического использования. Его размеры должны стать впечатляющими: баллон будет иметь диаметр почти 50 метров, что равняется высоте шестнадцатиэтажного здания. Для сравнения: дирижабль LZ-127 Graf Zeppelin имел диаметр 30,5 метра и объём 105 000 м³, у дирижабля Hindenburg эти параметры были соответственно 46,8 метра и 200 000 м³. Объём баллона LTA 20 будет равен примерно 61 500 м³, и создаваемая баллоном подъёмная сила составит примерно 64 тонны. Благодаря использованию эффекта Магнуса дополнительно будут получены еще 13,5 тонн. Стоимость летательного аппарата должна находиться в пределах 17-23 млн. долларов. В качестве силовой установки гигантского летательного аппарата предполагается использовать два турбовинтовых двигателя Rolls-Royce Tyne RTy.20 Mk.801 мощностью по 4090 кВт (5480 л.с.) каждый. Это должно позволить LTA 20 развить скорость 50 узлов (93 км/ч).

Кроме этого большого летательного аппарата велись разговоры о его меньшей версии с диаметром баллона около 27 метров, который мог бы перевозить груз весом примерно в 5 тонн. Этот летательный аппарат, который должен стоить 3-4 млн. долларов, можно было бы использовать в качестве «тихого» наблюдательного средства. Дополнительным достоинством его будет достаточно малая ЭПР.

рисунок летящего малого варианта LTA 20 диаметром 27 метров во время наблюдательного полёта. Управляющие сопла отсутствуют, и в летательном аппарате будут использоваться турбовинтовые двигатели

Возможность применения LTA 20

Фергюсон предусматривает для своего летательного аппарата многочисленные варианты использования как в гражданских, так и в военных целях. При эксплуатации его летательный аппарат будет обходиться намного дешевле вертолёта и позволит перевозить значительно более тяжёлые грузы. С другой стороны, этот летательный аппарат не будет иметь ряда недостатков, присущих дирижаблям и будет меньше зависеть от погодных условий (к тому же этому летательному аппарату потребуется относительно низкая мощность силовой установки): у дирижаблей регулировка положения и балансировка создавали ряд значительных сложностей, прочность рассчитанной только на низкое давление оболочки была низкой, а для крепления такого летательного аппарата к причальной мачте было необходимо сложное наземное оборудование.

Впрочем, Фергюсон не предлагает заменить вертолёты летательными аппаратами LTA 20. Скорее LTA должен дополнять вертолёты и другие летательные аппараты с несущим винтом и использоваться там, где действуют вертолёты более ранних типов. LTA 20 сможет вертикально взлетать и приземляться, и для его эксплуатации будет необходимо лишь сравнительно простое наземное оборудование. Поворачивающаяся относительно оси силовая установка позволит летательному аппарату двигаться по вертикали и по горизонтали. Сферическая форма баллона позволит избежать проблем, возникающих при резких порывах ветра и при удержании положения в воздухе. Эффект Магнуса будет обеспечивать более высокую подъёмную силу и значительно снижать сопротивление воздушному потоку. По мнению Фергюсона, расход топлива должен быть примерно на 65-70 % ниже, чем у вертолётов с аналогичной полезной нагрузкой, эксплуатационные затраты и затраты на ремонт снизятся на 5%, а затраты на производство – ниже на 60 %. На первый взгляд выглядит очень многообещающе, но всё это ещё находится в серой дымке теории.

взлёт летательного аппарата LTA 20 с буровой платформы. Реактивные двигатели отклонены в почти вертикальное положение

Оправдает ли предложенный компанией Van Düsen летательный аппарат LTA 20 ожидания его создателей, можно будет узнать через несколько лет. Первый аппарат данного типа будет готов к полёту в конце 1983 – начале 1984 года в случае, если в Оттаве всё, в том числе и финансовая сторона, сложится удачно. Принимать заказы на LTA 20 можно будет уже с начала 1983 года.

Однако часть специалистов относится к идее вращающегося баллона скептически, поскольку ещё точно неизвестно, как поведёт себя этот летательный аппарат на практике и как можно будет решить возникшие при разработке технические проблемы. Имевшие место до сих пор попытки создания летательных аппаратов с валообразными крыльями и кораблей с роторами не были удачными (известное судно Жака-Ива Кусто «Алсион» (Alcyone) вступило в строй позже – Прим. перев.). В принципе вращающаяся сфера, конечно, является не чем иным, как вариантом крыла в виде вала и подъёмная сила, создаваемая ею, не была особо впечатляющей! Все предыдущие исследования подобных крыльев показали, что, как и в случаях любых других вариантов, целесообразным было разрабатывать крылья с максимально большим удлинением. Если это невозможно, то валообразные крылья должны оснащаться концевыми шайбами, которые исключают негативное влияние бокового потока воздуха на эффект Магнуса. По вполне понятной причине концевые шайбы на сферообразном баллоне применить невозможно, поэтому возможность использования эффекта Магнуса на сферическом баллоне не вселяет оптимизм. Из ранних исследований уже известно, что для получения хорошей подъёмной силы окружная скорость вращающегося вала должна быть примерно в 3-4,5 раза выше скорости набегающего потока воздуха.

У валообразного крыла с его постоянным диаметром это соотношение можно было легко реализовать в отличие от сферического баллона, у которого только узкая полоса внешней поверхности будет работать под воздействием подобных однородных условий. Применение полученной за счет эффекта Магнуса дополнительной подъёмной силы сферическим баллоном может носить ограниченный характер.

Также среди скептиков имели место предположения, что испытанная компанией Van Düsen модель тестировалась в закрытом помещении со спокойным воздухом, и именно поэтому были получены столь многообещающие результаты. Вне закрытого помещения уже будут иметь место совершенно другие условия. Тут будет присутствовать ветер, постоянно меняющий своё направление и скорость, и летательный аппарат будет довольно восприимчив к этим постоянно меняющимся воздушным потокам. К тому же при сильном порывистом ветре передняя часть сферы будет деформироваться. Последствия будут выражаться в виде больших колебаний создаваемой подъёмной силы, которая будет зависеть от положения сферы.

Ссылка на увеличение шероховатости поверхности оболочки за счет использования тросов означает, что условия в пограничном слое выглядят как критические и что в пограничном слое возможна турбулентность, которая может быть снижена за счет принятия соответствующих мер. Тросы, увеличивающие прочность оболочки, по-видимому, должны служить для натяжения.

Углубления в оболочке также могут вызвать подобный эффект. Форма, размеры и глубина такого рода «ямочек» являются критическими, как это известно из исследований мячей для гольфа. Дальность полёта мяча для гольфа при гладкой внешней поверхности составляет всего около 100 метров и может быть значительно улучшена, равно как и удержание направления полёта. Другой возможностью было бы наличие подобных меху слоёв оболочки, которые за счет щетинок смогут быть разделены на мельчайшие частички. С меховым внешним покрытием вместо перьевого уже в незапамятные времена летали птеранодоны, имевшие размах крыльев в районе 15 метров.

тросы, придающие баллону LTA 20 дополнительную прочность, будут служить для создания впадин, как у мяча для гольфа. В пограничном слое у сферы возникнет турбулентность, в результате чего сопротивление сильно снизится

В настоящее время определить необходимость разработки LTA 20 с технической и финансовых точек зрения не представляется возможным. То, что такой летательный аппарат сможет летать, было известно ещё до начала испытаний модели. Оставался только вопрос: как этим аппаратом можно управлять в полете и насколько он будет рентабельным. Испытания в аэродинамической трубе ещё продолжаются, но уже сегодня можно утверждать, что испытанная модель не является окончательным вариантом формы и что LTA 20 в некоторых деталях наверняка в большей или меньшей степени будет отличаться от протестированной модели LTA 20-1.

Источники:

1. Meier, Hans Justus. Flugzeuge mit Walzenflügeln // Luftfahrt International Nr. 22, Juli/August 1977, S. 3415-3430.
2. Werksunterlagen Van Düsen Commercial Development Canada Ltd., Ottawa/Ontario.

Рисунки: Van Düsen Commercial Development Canada Ltd. (4) и архив автора

Чертежи: дипломированный инженер Х.-Й. Линдштадт (Dipl.-Ing. H. J. Lindstädt).

источник: Hans Justus Meier. Der «fliegende Kullerpfirsich» // Luftfahrt International 5/1982