Первые в Великобритании. Проекты сверхзвуковых реактивных истребителей с изменяемой геометрией крыла, разработанные Лесли Бэйнсом в 1947-50 годах
Предисловие редакции: после вывода из эксплуатации в 2019 году многоцелевых боевых самолетов Panavia Tornado в составе Королевских ВВС больше нет машин, использующих некогда радикальную концепцию крыла переменной стреловидности. Некоторые редкие рисунки 1940-х годов британского авиаконструктора и ассоциированный член Королевского общества авиации Лесли Эверетт Бэйнс (Leslie Everett Baynes AFRAeS; Associate Fellow Royal Aeronautical Society), недавно приобретенные Фондом авиационных наук Фарнборо (Farnborough Air Sciences Trust – FAST), показывают, что идея крыла изменяемой геометрии гораздо старше, чем принято считать. О проектах Лесли Бэйнса рассказывает Тони Баттлер, член-корреспондент Королевского общества авиации (Associate Member Royal Aeronautical Society; AMRAeS).
Содержание:
В конце 1940-х – начале 1950-х годов авиаконструкторы в своем стремлении достичь все более высоких скоростей и летных характеристик использовали усовершенствованную аэродинамику и новые реактивные двигатели. По мере того как самолеты приближались к скорости звука, начали распространяться различные идеи о том, как можно достичь управляемого полета за пределами звукового барьера. Следствием этого стала необходимость обеспечения самолету, способному выполнять сверхзвуковой полет, управляемости на скоростях взлета и посадки, которые необходимо было поддерживать как можно более низкими в целях обеспечения устойчивости и безопасности. Некоторые формы сверхзвукового крыла (например, треугольное крыло или крыло с большим углом стреловидности) не подходили для полетов на низких скоростях. Именно эти противоречащие друг другу требования привели в этот период к появлению некоторых новых – и, в конечном счете, пророческих – предложений по созданию высокоскоростных самолетов. Одним из таких примеров стало предложение, сделанное в конце 1940-х годов Лесли Бэйнсом, который в то время был главным конструктором авиационного подразделения компании Alan Muntz & Co Ltd, базировавшейся в Хестоне (Heston), Западный Лондон.
вероятно, Лесли Эверетт Бэйнс несколько стеснялся фотографироваться, поскольку в свободном доступе было мало фотографий этого в высшей степени изобретательного и творчески одаренного конструктора. На этом снимке, представляющем собой часть более крупной фотографии, Бейнс изображен рядом с единственным самолетом Carden-Baynes Bee, изготовленным в 1937 году. Лесли Бэйнс родился в Барнсе, Западный Лондон, в марте 1902 года, в возрасте 16 лет устроился на работу в компании Airco, Хендон, а в 1920-х годах он перешел в компанию Short Bros, Рочестер. Снимок из коллекции Филипа Джарретта
В послужном списке Лесли Бэйнса уже были необычные экспериментальные самолёты, в том числе двухместный лёгкий туристический самолет Carden-Baynes Bee, который впервые поднялся в воздух в апреле 1937 года, экспериментальный планер-бесхвостка Baynes Bat, совершивший свой первый полет в июле 1943 года, и экспериментальный самолет Youngman-Baynes High-Lift Experimental Aircraft (он же Percival P.46), поднятый в воздух в феврале 1948 года. В середине 1920-х годов Лесли Бэйнс отвечал за аэродинамические расчеты летающей лодки Short Singapore и позднее в том же десятилетии он спроектировал и изготовил первый полностью британский планер-паритель – Abbott-Baynes Scud 1.
в 1934 году Лесли Бэйнс совместно с сэром Джоном Карденом основали компанию Carden-Baynes Aircraft Ltd. Хотя сэр Джон Карден, к сожалению, погиб в авиакатастрофе 10 декабря 1935 года, компания продолжила свою деятельность, и в апреле 1937 года двухместный двухмоторный самолет с двумя толкающими винтами Carden-Baynes Bee совершил свой первый полет. Снимок из архива журнала «The aviation historian»
на создание моторного планера Carden-Baynes Auxiliary Лесли Бэйнса вдохновил сэр Джон Карден, который очень любил полеты на планере и который хотел иметь «самодостаточный» планер. Для этой цели Бэйнс модернизировал свой планер Scud, установив на него двигатель Villiers с рабочим объемом 250 см³, убиравшийся в фюзеляж за задней кромкой крыла. Было изготовлено два моторных планера, которые позднее были преобразованы обратно в чистые планеры. Снимок key.aero
в 1941 году Лесли Бэйнс предложил, чтобы большинство бронированных машин, даже танки массой 8½-тонн (8630 кг), могут перевозиться по воздуху с добавлением быстросъемной секции «летающее крыло». Пилотируемая летающая модель планера Carrier Wing (он же Bat) в масштабе ⅓ была изготовлена компанией Slingsby и была испытана летом 1943 года. Идея Лесли Бэйнса не была принята. Снимок из коллекции Филипа Джарретта
взяв за основу Percival Proctor IV, Лесли Бэйнс сотрудничестве с коллегой-конструктором Робертом Т. Янгманом (Robert T. Youngman), работая в Хестоне на Алана Манца, изготовили экспериментальный самолет с возможностью созданий большой подъемной силы Youngman-Baynes High-Lift Experimental Aircraft. Самолет, получивший серийный номер VT789 и также известный под обозначением Percival P.46, был оснащен мощной системой расположенных по всему размаху щелевых закрылков для исследования посадочных характеристик. Свой первый полет экспериментальный самолет совершил в феврале 1948 года. Снимок из коллекции Филипа Джарретта
Предвосхищая разработки, которые не получат широкого распространения в течение десятилетий, Лесли Бэйнс в своем проекте сверхзвукового самолета использовал «поворотные крылья» с изменяемой геометрией, а также стабилизатор и киль с изменяемой геометрией. Крыло изменяемой стреловидности позволяло изменить угол стреловидности консолей крыла (и, следовательно, форму крыла) во время полета, так что после взлета консоли могли быть отведены назад для полета на высоких скоростях, а затем вернуть в исходное «переднее» положение с высокой подъемной силой для посадки.
Немного науки
Лесли Бэйнс в течение нескольких лет занимался исследованиями сверхзвуковых самолетов, и прежде чем перейти к рассмотрению его конкретных предложений, стоит процитировать рассказ самого Бэйнса о том, как возникли эти идеи. Нижеследующее взято из технической статьи, опубликованной в сентябрьском номере 1955 года журнала «Aeronautics»:
«В ходе эволюции современного самолета сохранилось неподвижное крыло с шарнирно отклоняющимися поверхностями, доказав свою эффективность и удовлетворительную скорость полета вплоть до скорости звука; но с появлением значительно усовершенствованных энергетических установок [т.е. реактивных двигателей], обеспечивающих достаточную мощность для полета со скоростью звука и выше нее, возник совершенно новый комплекс проблем, который требует радикальных изменений как в форме, так и в методах управления самолетами.
Хорошо известно, что по мере приближения самолета к скорости звука из-за эффекта сжимаемости воздуха происходят быстрое увеличение лобового сопротивления, потеря подъемной силы и заметное изменение момента тангажа и что критическая скорость, при которой возникают эти эффекты сжимаемости, может быть увеличена, а отрицательные эффекты могут быть сведены к минимуму, если поверхности крыльев и хвостового оперения имеют ярко выраженную стреловидность и существенное уменьшение относительной толщины крыла. Хотя тонкие аэродинамические профили крыла могут быть близки к идеалу для достижения околозвуковых или сверхзвуковых скоростей полета, они по нескольким причинам явно непригодны для полетов на малых скоростях.»
Причины, указанные в статье, включали низкую максимальную подъемную силу, которая получалась при использовании стреловидных крыльев и тонких аэродинамических профилей крыла, а также тенденцию к срыву потока на законцовках крыла и неустойчивости при больших углах стреловидности. В своей статье Лесли Бэйнс писал:
«Поскольку форма крыла в плане и другие характеристики, необходимые для сверхзвукового полета, находятся в прямом противоречии с теми, которые необходимы для полета на малых скоростях, и поскольку соотношение между максимальной и минимальной скоростью, или диапазон скоростей, теперь должно составлять порядка 10 к 1 или более, очевидно, что существует необходимость в каких-то средствах для изменения формы крыла в плане и других характеристик, чтобы они соответствовали этим экстремальным условиям полета. Также хорошо известно, что из-за дополнительного неблагоприятного эффекта сжимаемости обычные шарнирно отклоняемые поверхности управления становятся неэффективными на околозвуковых и сверхзвуковых скоростях, и что аэроупругие деформации крыла при кручении и изгибе могут привести к изменению направления управляющего воздействия на этих скоростях, если только крылья не будут спроектированы с гораздо большей жесткостью, чем это было возможно до сих пор.
Таким образом, представляется, что самолет, предназначенный для полетов как на малых дозвуковых, так и на сверхзвуковых скоростях, требует помимо изменяемой в плане формы крыла новой системы продольного и поперечного управления, на которую не будут отрицательно влиять вышеупомянутые явления сжимаемости или аэроупругие деформации.»
Результатом стал набор проектных предложений, изложенных в данной статье. Брошюру с основным предложением и первые два чертежа можно найти в Национальном архиве Великобритании в папке AVIA 54/481, но ранее неопубликованные чертежи также недавно были переданы в дар Фонду авиационных наук Фарнборо. В их числе был третий чертеж, показывающий конструкцию палубного истребителя и опубликованный здесь впервые.
Конструкция самолета
Проектные работы по сверхзвуковому самолету были начаты Лесли Бэйнсом в начале 1947 года и стали предметом ряда британских и зарубежных патентов. Первая заявка была подана в марте 1949 года под названием «Усовершенствования в высокоскоростных самолетах» и была подана совместно с компанией Alan Muntz Ltd.
В феврале 1949 года Лесли Бэйнс завершил работу над брошюрой с описанием проекта сверхзвукового двухмоторного реактивного экспериментального самолета, которая была представлена в министерство снабжения. Конструкция самолета включала в себя изменяемую стреловидность крыла, используемую в качестве системы управления вместо обычных шарнирно отклоняющихся поверхностей, а также изменяемые углы атаки и поперечного V крыла и дифференциальную стреловидность консолей крыла.
Минимальный угол стреловидности консолей крыла составлял 20°, в то время как максимальный угол стреловидности увеличивался до 60°. Минимальный и максимальный углы стреловидности поверхностей хвостового оперения составляли 15° и 60° соответственно. Фюзеляж имел эллиптическое поперечное сечение для размещения двух турбореактивных двигателей с осевыми компрессорами и тягой по 7500 фунтов (3400 кг) каждый, вероятно, Armstrong Siddeley Sapphires. Двигатели были установлены бок о бок позади корневых частей крыла и снабжались воздухом через два воздухозаборника в носовой части фюзеляжа и два канала, которые расходились с целью обеспечить место для кабины пилота. Удлинительные трубы реактивных двигателей несколько сходились к хвостовой части фюзеляжа и заканчивались в задней оконечности самолета в виде «острия пера». Самолет оснащен шасси с носовой стойкой; основные и носовая стойки шасси убирались в нижнюю часть фюзеляжа.
Дифференциальная стреловидность консолей крыла
В проекте самолета применялась переменная стреловидность консолей крыла для управления самолетом как по крену, так и по тангажу, что позволило заменить обычные элероны. Управление самолетом как по крену было достигнуто за счет дифференциального изменения стреловидности крыла, например, за счет увеличения размаха одной консоли крыла и уменьшения размаха противоположной консоли крыла. Это привело бы к смещению аэродинамического центра по размаху относительно центра тяжести самолета и изменению относительного наклона каждой консоли крыла.
пара редких фотографий, впервые опубликованных в номере журнала «Aeronautics» за сентябрь 1955 год. На данных снимках изображена предназначенная для испытаний в аэродинамической трубе модель сверхзвукового самолета конструкции Лесли Бэйнса с изменяемой геометрией крыла и V-образного оперения с минимальной стреловидностью (слева) и максимальной стреловидностью (справа). Лесли Бэйнс получил патенты на свою концепцию «поворотного крыла» как в Великобритании, так и в США. Снимок из коллекции автора статьи
Управление по курсу должно было быть обеспечено за счет того, что части стабилизатора были закреплены на шарнирах аналогично консолям крыла с целью изменения угла атаки при изменении стреловидности. Когда они отклонялись в одном направлении, они обеспечивали управление самолетом по тангажу, а при дифференциальном перемещении относительно друг друга они обеспечивали эффективное управление по рысканию от низких скоростей до сверхзвуковых (в брошюре говорилось, что это не относится к обычному вертикальному оперению с шарнирно установленным рулем направления). Разница углов стреловидности консолей крыла и частей стабилизатора составляла ±5°.
Лесли Бэйнс прекрасно понимал, что в ходе реализации этого проекта возникнет ряд серьезных инженерных проблем, которые связаны с проектированием шарнирных соединений и которые повлекут за собой увеличивают массу. Однако Лесли Бэйнс подчеркнул, что существенное увеличение максимальной подъемной силы приведет к уменьшению требуемой площади крыла и, следовательно, массы крыла, что более чем компенсирует это увеличение массы конструкции за счет шарнирных соединений.
чертеж №AX69 компании Alan Muntz & Co Ltd, показывающий разработанный Лесли Бэйнсом проект двухмоторного истребителя с крылом изменяемой геометрии. Чертеж FAST © 2019
Сверхзвуковой самолет Baynes/Muntz с изменяемой стреловидностью крыла имел размах 38 футов 9 дюймов (11,81 м) при минимальном угле стреловидности и 24 фута 2 дюйма (7,38 м) при максимальном угле стреловидности. В обоих случаях заявленная полная площадь крыла составляла 220 кв. футов (20,46 м²), в то время как относительная толщина профиля крыла составляет 8,6% и 6% соответственно. Истребитель имел длину 67 футов 6 дюймов (20,57 м) и расчетную полную массу 20000 фунтов (9072 кг), включая 6000 фунтов (2722 кг) топлива. Ожидалось, что максимальная скорость самолета (при максимальном угле стреловидности) составит М=1,5, а скорость сваливания при массе 15000 фунтов (6804 кг) составит 115 миль в час (185 км/ч).
В брошюре также содержалось предложение по созданию аэродинамически аналогичного самолета меньших размеров, оснащенного одним реактивным двигателем Armstrong Siddeley Adder с тягой 1100 фунтов (500 кгс). Это послужило бы
«экономичным методом проверки описанной [здесь] системы управления».
У этой машины размах крыла при минимальной и максимальной стреловидности составляло бы 19 футов 4½ дюйма (5,9 м) и 17 футов 1 дюйм (5,21 м) соответственно. Относительная толщина крыла составила бы 9,6% и 6,0% соответственно, а в обеих конфигурациях общая площадь крыла составляла 55 кв. футов (5,12 м²). Длина самолета составляла 33 фута 7 дюймов (10,24 м), а запас топлива 43 галлона (196 литров), что давало общую массу 2500 фунтов (1134 кг). Предполагалось, что созданный в уменьшенном масштабе самолет развивать максимальную скорость 608 миль в час (978 км/ч или M=0,8) на уровне моря и 568 миль в час (914 км/ч или M=0,86) на высоте 36000 футов (10970 м). Скорость сваливания должна была составлять около 88 миль в час (142 км/ч).
чертеж №AX65 проекта одномоторного экспериментального самолета в масштабе 1/2. предназначенного для проверки концепции двухмоторного истребителя с крылом изменяемой геометрии. Чертеж FAST © 2019
Эти предложения обсуждались в министерстве снабжения в Темз-хаусе, южный блок, (Thames House South) 17 января 1950 года на совещании с участием должностных лиц министерства Дж. Э. Серби (J.E. Serby) и Х. Ф. Весси (H.F. Vessey), а также сам Лесли Бэйнс, Алан Мунц и другие. Конструкция самолета подверглась резкой критике, причем представители Королевского НИИ авиации (Royal Aircraft Establishment – RAE), Фарнборо, не одобрили метод управления самолетом как по крену. Ранее 1 января представитель RAE г-н С.Б. Гейтс (S.B. Gates) написал Весси
«применяя хвостовое оперение, Бэйнс получает большое преимущество перед Уоллесом; однако используя переменную стреловидность хвостового оперения, Бэенс переводит его в положение, которое, вероятно, является плохим при превышении критического [числа] Маха.»
(Барнс Уоллис [Barnes Wallis], работавший в компании Vickers также исследовал крылья изменяемой геометрии, но его самолеты не имели хвостового оперения.) В конечном итоге никаких действий предпринято не было, поскольку считалось, что компании Alan Muntz Ltd
«нельзя доверить проектирование и постройку такого перспективного самолета».
Недавно обнаруженный проект палубного истребителя
На третьем чертеже, который недавно был обнаружен сотрудниками FAST, показана усовершенствованная версия сверхзвукового экспериментального самолета, предназначенная для эксплуатации с авианосцев Королевского флота. На этом чертеже, датированном ноябрем 1950 года, изображен истребитель с четырьмя пушками, установленными в нижней части носовой оконечности фюзеляжа. Конфигурация была, по существу, такой же, как у проекта сверхзвукового истребителя Лесли Бэйнса, но с тормозным гаком, установленным под хвостовой частью фюзеляжа, подачей воздуха к двигателям через боковые воздухозаборники. Помимо нового V-образного хвостового оперения этот проект напоминал ранние проекты компании Supermarine, которые в конечном итоге привели к созданию палубного реактивного истребителя Scimitar. Наиболее заметным отличием является переход на два реактивных двигателя с центробежными нагнетателями Rolls-Royce RB.44 Tay, развивавших тягу примерно по 7700 фунтов (3490 кг) каждый, раскаленные газы которых выбрасывались через отдельные удлинительные трубы и сопла. Использование двигателей большего диаметра приводило к увеличению поперечного сечения фюзеляжа. Кроме того, на чертеже, по-видимому, не показано шасси.
недавнее приобретение фондом FAST материалов, в основном связанных с компанией Alan Muntz & Co Ltd, привело к публикации ранее неопубликованного чертежа общего вида №AX81, на котором представлен разработанный Лесли Бэйнсом проект двухмоторного сверхзвукового палубного истребителя с крылом изменяемой геометрии. В виде спереди этот самолет, оснащенный двумя двигателями Rolls-Royce RB.44 Tay, очень похож на Supermarine Scimitar с V-об разным хвостовым оперением. После долгой и выдающейся, но мало оцененной карьеры в авиации Лесли Бэйнс скончался в марте 1989 года в возрасте 86 лет. Чертеж FAST © 2019
Размах крыла проекта этого палубного истребителя составлял 46 футов 6 дюймов (14,17 м) при минимальной стреловидности крыла и 28 футов 0 дюймов (8,53 м) при его максимальной стреловидности. Относительная толщина крыла составляла 9,6% и 6% соответственно, а общая площадь крыла в обеих конфигурациях составляла 317 кв. футов (29,48 м²). Длина самолета составляла 63 фута 0 дюймов (19,20 м), а общая масса была указана как 25000 фунтов (11340 кг), включая 7400 фунтов (3357 кг) топлива и 3000 фунтов (1361 кг) нагрузки (предположительно в состав нагрузки включено вооружение). Максимальная скорость при максимальном угле стреловидности снова составляла М=1,5, а скорость сваливания при массе 20000 фунтов (9072 кг) составляла 95 узлов (176 км/ч).
рисунок проекта сверхзвукового палубного истребителя конструкции Лесли Бэйнса с крылом изменяемой геометрии и двумя двигателями Rolls-Royce RB.44 Tay. Рисунок выполнен художником-раскадровщиком Марком Харрисом на основе недавно обнаруженного чертежа, приобретенного FAST, и 3D моделирования, выполненного Нилом Фрейзером
еще одна гипотетическая иллюстрация Марка Харриса, на которой изображен разработанный Лесли Бейнсом проект двухмоторного сверхзвукового истребителя с изменяемой геометрией крыла, который вот-вот совершит посадку на авианосец «Глори»; крыло и хвостовое оперение имеют минимальный угол стреловидности. Рисунок Марка Харриса
Однако на этом история не заканчивается. В связи с возобновлением в британской авиационной промышленности интереса к аэродинамике самолетов с крыльями изменяемой геометрии, связанного, в основном с экспериментами Барнса Уоллиса, 19 ноября 1958 года Лесли Бэйнс обратился в министерство снабжения с целью узнать, , готово ли оно каким-либо образом поддержать разработку его проекта самолета с крылом изменяемой стреловидности. Сотрудник Гендель RAE Дэвис (Handel Davies) ответил шесть дней спустя, заявив, что
«вероятность такого события невелика.»
По иронии судьбы позднее Дэвис сыграл большую роль в разработке Panavia Tornado.
В заключение следует сказать, что с учетом технологий, доступных в то время, осуществить успешную разработку и реализацию. замечательного проекта Лесли Бейнса было бы чрезвычайно сложно. Потенциальная сложность различных механизмов перемещения крыла и хвостового оперения кажется ошеломляющей, хотя сегодня использование электродистанционных систем управления и авионики несколько упростило бы задачу проектирования. Хотя, с другой стороны, при наличии современной электроники больше нет необходимости использовать изменяемую геометрию крыла в конструкции современных скоростных реактивных самолетов. Цельноповоротный стабилизатор (он же управляемый стабилизатор) также устранил любую необходимость использования переменной стреловидности в данной части конструкции самолета.
Благодарности
Автор и редактор журнала «The aviation historian» хотели бы поблагодарить сотрудников FAST Грэма Руда (Graham Rood) и Брайана Лаффа (Brian Luff) (www.airsciences.org.uk), Иэна Ботта (Ian Bott), Нила Фрейзера (Neil Fraser) и Марка Харриса (Mark Harris) за их неоценимую помощь в подготовке этой статьи.
источник: Tony Buttler AMRAeS «The oldest swinger in town» «The aviation historian» Issue No 27, pages 98-105
перевод впервые опубликован – https://vk.com/@710541705-pervye-v-velikobritanii-proekty-sverhzvukovyh-reaktivnyh-ist
