Проект гибридного летательного аппарата Roselli Solar Wing. США
Винтажная статья Ганса Юстуса Мейера (Hans Justus Meier) «Roselli SOLAR WING. Projekt eines Hybrid-Luftfahrzeugs»» из журнала «Luftfahrt International» 11/81 была переведена уважаемым коллегой NF и немного доработана мной. Перевод был выполнен в ноябре 2015 года.
Предисловие редакции: Проект Ауро Розелли (Auro Roselli) Solar Wing представляет собой гибридный летательный аппарат, набор высоты которым может выполняться с применением подъемной силы крыла или же с использованием компоновки летательных аппаратов легче воздуха.
Основополагающим принципом, лежащим в конструкции этого летательного аппарата, являются многочисленные оболочки, изменение форм которых производится за счет подвода тепла, и комбинации аэростатических и аэродинамических свойств, с которыми экспериментировали на ранней стадии воздухоплавания. Сегодняшние высокопрочные вещества позволяют значительно улучшить предпосылки к созданию летательных аппаратов данного типа.
Более ранние предложения по созданию гибридных летательных аппаратов были типичными для рубежа XIX и XX веков и исходили преимущественно от дирижаблей, представляя собой дирижабли с позволявшими набирать высоту дополнительными аэродинамическими поверхностями. В случае проекта Ауро Розелли речь идёт о чистом гибридном летательном аппарате, который имеет много общего и с самолётом и с дирижаблем.
Обычно средством, которое позволяло летательному аппарату подобному дирижаблю набирать с определёнными углами атаки высоту, был его фюзеляж простой формы. Ауро Розелли считает основным элементом конструкции, за счет которой летательный аппарат должен набирать высоту, не фюзеляж, а крыло. По форме это крыло близко к обычной несущей поверхности и должно создавать подъёмную силу. Одновременно оно должно создавать подъёмную силу и за счет использования горячего воздуха, как это имеет место на аэростатах.
Крыло было выполнено в виде заполняемой газом оболочки. За счет относительно простых средств можно было изменять профиль крыла и его подъёмные свойства. Таким образом, летательный аппарат можно будет использовать и как чистый аэростат, и как чистый самолёт. Влияние атмосферы должно было сказываться, в случае если были использованы свойства аэростата. В процессе эксплуатации летательного аппарата можно будет оптимизировать использование подъёмных свойств обоих типов.
Проект Ауро Розелли представляет собой настоящий гибридный летательный аппарат, в котором лётные свойства и преимущества дирижабля должны использоваться вместе со свойствами и преимуществами, присущими самолёту. В данном проекте противовесом специфическим для дирижабля недостаткам выступают преимущества самолётов с укороченными взлётом и посадкой, а большой грузоподъёмности при низкой мощности силовой установки и низким эксплуатационным расходам – выступали такие присущие дирижаблям недостатки, как большие размеры и вытекающие отсюда низкая скорость полёта, опасность от сильного ветра и осадков. Из-за этого данные летательные аппараты можно использовать ограниченно, но, тем не менее, спектр их использования распространяется значительно шире.
Solar Wing представлял собой летательный аппарат, заполненный горячим воздухом. Однако, судя по названию, нагрев содержащегося в данном летательном аппарате воздуха должен осуществляться не как обычно – при помощи горелки, а за счет солнечной энергии.
В исключительно примитивной форме данная идея известна уже много лет. В одном из номеров известного детского журнала был изображен подобный шлангу пластиковый черный баллон. Этот баллон был частично надут, завязан и оставлен на солнцепёке. Находящийся в нём воздух увеличивался в объеме, и черный выпуклый шланг вскоре поднимался в воздух. Подъёмная сила была настолько велика, что часто удерживающий баллон шнур разрывался, и мини-дирижабль затем летел уже самостоятельно. Появление в небе черных монстров в воздушном пространстве раздражало некоторых летчиков, особенно пилотов спасательных вертолётов, что, конечно, не было намеренно.
Относительно более сложным является летательный аппарат, состоящий из двух оболочек, на котором Джулиан Нотт (Julian Nott) 22 августа 1981 года пролетел 70 километров и пересёк Ла-Манш. Для того чтобы использовать так называемый парниковый эффект, Нотт изготовил свой наполненный горячим воздухом летательный аппарат в виде двух оболочек. Внешняя оболочка из материала мелинекс (Melinex) была прозрачной, внутренняя была изготовлена из черного нейлона. Внутренняя черная оболочка нагревалась сильнее, чем внешняя, и поэтому давление нагретого воздуха в первой оболочке было более высоким. На пространство между оболочками с одной стороны оказывалось давление из внутреннего черного баллона, с другой стороны действовало внешнее давление. Давление, оказываемое на летательный аппарат с двух сторон, положительно влияло на прочность оболочек. Использование солнечной энергии для нагрева воздуха оправдывало себя, поскольку вместо обычного перелёта по этому маршруту с использованием семи газовых баллонов с пропаном стоимостью в £20 каждый Нотт использовал только ¼ ёмкости одного-единственного газового баллона!
По своему поведению в воздухе баллон Нотта объёмом 4000 м³ был схож с тем, как вели себя в воздухе обычные круглые по форме воздушные баллоны. В то же время был отличен от рассчитанных на одного человека воздушных баллонов, поскольку такой объём для такого экипажа был слишком громоздким. Это осложняло возможности продаж таких летательных аппаратов, и именно это обстоятельство и привлекло нью-йоркца Ауро Розелли.
Речь идет о создании транспортного средства, затраты на применение которого должны сводиться к минимуму и быть значительно ниже, чем у любых других транспортных средств. Ауро Розелли сообщил о своей идее во время двенадцатой конференции термофизиков, проходившей в 1977 году в Американском институте аэронавтики (American Institute of Aeronautics – AIAA). То, что он предложил, было необычным, но не являлось чем-то невыполнимым. То же самое касается и технических проблем, связанных с практической реализацией его предложения.
Черная сигарета из нейлона, которая была изображена в детском журнале, хотя и могла подниматься в воздух, но ею нельзя было управлять. То же самое касалось и воздушного баллона Нотта, который имел намного более передовую конструкцию. Но этот баллон по форме всё же оставался близким к шару – как и почти все воздушные баллоны, которые создавались в течение последних 200 лет и могли только статически подниматься в воздух. По мнению Ауро Розелли воздушный баллон должен был иметь возможность перемещаться и как дирижабль, и как самолет, т.е. использовать динамические силы для создания подъемной силы и для управления в полете. Для этих целей и была создана система управления нового типа и плоскости, похожие на крылья.
Летательные аппараты легче воздуха с подобным крылу поперечным сечением предлагались неоднократно, но все они не были успешными, равно как и любая попытка создать комбинацию из самолёта и дирижабля. Предложение Ауро Розелли, наконец-то, может изменить эту ситуацию, поскольку он первым попытался создать такую конфигурацию летательного аппарата, которая соответствовала бы условиям применения: изменяться в полёте от «летательного аппарата легче воздуха» до «летательного аппарата тяжелее воздуха» и наоборот.
Ауро Розелли решил использовать воздушный баллон с тремя оболочками с висящими под ним кабиной и силовой установкой. Консоли крыла получили форму двойной параболы – наиболее предпочтительной из соображений аэродинамики и прочности фигуры. Внутри крыла должна находиться «балка» из черного нейлона, выполненная в виде шланга с круглым сечением. Вокруг «балки» должна размещаться прозрачная оболочка с подобным эллипсу поперечным сечением, а вокруг этой прозрачной оболочки находилась бы еще одна, третья, тоже прозрачная оболочка. В конфигурации «легче воздуха» эти внешние оболочки по форме напоминали бы перевёрнутый профиль крыла самолёта.
За счет солнечного излучения (использование парникового эффекта, как у баллона Нотта) летательный аппарат Ауро Розелли должен нагреваться. При этом данный эффект усиливался бы за счет слоёв оболочек. Черная «балка» должна нагреваться особенно сильно, и крыло становилось бы гораздо более жестким. Во второй оболочке давление должно быть снижено, во внешней оно было бы еще ниже, но всё еще более высоким, чем внешнее давление. Аналогично баллону Нотта снижение давления обеспечивает более высокую прочность оболочек.
В своей конфигурации «летательный аппарат легче воздуха» проект Solar Wing поднимался бы несмотря на перевёрнутый профиль крыла. При снижении высоты профиль крыла должен меняться. В конфигурации «летательный аппарат тяжелее воздуха» из перевёрнутого профиля крыла должен получаться несущий профиль, который позволит выполнять планирующий полет.
Данный эффект должен быть получен за счет соединения трех оболочек сетью кабелей и тянущих тросов таким образом, чтобы барабаны тросов изменяли бы внешнюю форму летательного аппарата Solar Wing, в то время как форма центральной «балки» и находящейся вокруг неё второй оболочки оставались бы неизменными. По мнению Ауро Розелли благодаря использованию барабанов тросов с различным диаметром при одних и тех же оборотах барабана можно будет получить желаемые для той или иной фазы полёта формы передней и задней кромок крыла. Во время сборки такого крыла его подобные сегментам из плёнки элементы должны соединяться вместе с кабелями, которые укрепляли бы конструкцию крыла и позволяли бы крылу сохранять прочность при любых ударных нагрузках. Согласно расчетам Ауро Розелли самый маленький пригодный к использованию летательный аппарат, выполненный по подобной схеме, должен иметь объём порядка 28 300 м³, что примерно в 5 раз больше, чем объём обычных сегодня заполненных гелием дирижаблей. Подобный объём возможно получить при размахе крыла 110 метров, средней длине хорды крыла в 30,5 метра и средней толщине крыла 9,15 метра. Максимальный общий вес трех оболочек был принят 900 кг. Два обычных имеющихся в продаже двигателя мощностью 200 л.с., оснащенных понижающими редукторами с большим передаточным числом, должны применяться вместе с воздушными винтами большого диаметра. Однако Ауро Розелли надеется на то, что колебания задней кромки крыла позволят получить подобие реактивной тяги. Он хочет получить и использовать так называемый эффект Катцмайера (Katzmayr-Effekt), который также еще называется эффект Кноллера-Бетца (Knoller-Betz). Это, как и весь проект, должно быть получено за счет использования новых материалов. Один из таких материалов – прозрачная плёнка, называется майлар (Mylar), второй, текстиль, кевлар. Оба этих материала должны были вместе использоваться в форме ламината, который только что был испытан.
Как и на дельтаплане собственной конструкции, Ауро Розелли планирует получить устойчивость за счет низкого расположения центра тяжести. Управление относительно продольной оси должно быть получено за счет установки крыла под углом относительно гондолы и силовой установки. Асимметричная тяга силовой установки должна была обеспечивать управление относительно вертикальной оси.
На изображении летательного аппарата в виде спереди можно увидеть, что силовая установка должна удерживаться в необходимом положении диагонально расположенными тросами. Моторная рама, по форме соответствующая профилю крыла, должна соединять между собой фюзеляж и силовую установку. Боковые, вертикальные тросы системы управления должны находиться на нижней части оболочки над расположенными ниже двигателями силовой установки. Барабаны тросов системы управления проходили бы через моторные рамы над фюзеляжем и вторым двигателем к нижней части оболочки на другой консоли крыла. Привод этого троса системы управления мог бы осуществляться изнутри фюзеляжа или при помощи вращения роликов, удерживавших тросы, и барабанов. Угол установки осуществлялся бы за счет специального устройства, которое должно располагаться в центропланном пилоне, соединяющем фюзеляж и крыло.
Вопрос, почему этот летательный аппарат должен быть удачным, имеет право на существование. В конце концов, такую гигантскую птицу планируют построить не для собственной прихоти.
У Ауро Розелли по этой теме имеются оригинальные идеи: вода обычно является наиболее дешевым сырьём из всех, которые имеются на Земле. Однако и её не везде можно найти, и там, где воды нет, она может стоить очень дорого. В первую очередь вода отсутствует в пустынях и в некоторых других аналогичных регионах. Жители этих безводных регионов не имеют технических и материальных возможностей отбирать необходимую им воду из других регионов и использовать ее. Тут Ауро Розелли верит в то, что флот из его летательных аппаратов Solar Wing смог бы создавать так называемую «туманную метлу» (fog boom).
«Туманная метла» должна представлять собой изобретение, которое при использовании новых материалов (в данном случае кевлара) может стать практичным. Речь идёт о гигантской раме, в передней части которой должен располагаться треугольник, соединённый и стянутый сетью и нитями. В верхней части рамы должен находиться водосборник, доходящий до низу, где располагался бы резервуар для собранной воды. В регионах с высокой влажностью это приспособление должно было собирать и конденсировать водяные пары, «сметая» их с неба. Эффективность этой большой «туманной метлы» увеличивалась бы в зависимости от увеличения её площади. Это в свою очередь предполагает целесообразность увеличения пористой формы каналов.
«Туманная метла» в регионах с высокой влажностью могла бы закрепляться между двумя воздушными змеями, зданиями или холмами. Испытания данной «туманной метлы» уже были проведены: относительно небольшое подобное приспособление использовалось в Нью-Джерси во время пикового потребления воды.
Для своего летательного аппарата Solar Wing Ауро Розелли предполагает использовать намного большую туманную метлу и при этом предусматривает использование целого флота таких приспособлений для сбора воды и ее транспортировки. По его представлениям эти летательные аппараты должны «заправляться» водой над Атлантикой и доставлять её в безводные регионы Африки, затем лететь далее, например, к Красному морю и ранее собранную воду оставлять в арабской пустыне. Затем забор воды должен осуществляться в Персидском заливе и обеспечивать водой Иран и так далее. При этом летательные аппараты Solar Wing, используя попутные потоки воздуха, практически должны совершать полёты вокруг Земли и затем вновь достигать Атлантики, где круговорот должен был начинаться вновь.
По мнению Ауро Розелли, использование большого количества волн данных летательных аппаратов сможет обеспечить точно замеряемую влажность в определённых регионах и снижать в этих регионах последствия засухи или даже полностью их ликвидировать.
Предложенная Розелли система потребует сравнительно скромных средств на управление и наблюдение за этими летательными аппаратами, таких как бортовые вычислители, некоторые приспособления на борту летательных аппаратов, навигационных спутников или авиадиспетчеров, которые могли бы управлять полётом этих приспособлений для сбора воды и направлять их к конечным целям. Возможно ли претворить в действительность эти далеко идущие цели? Это должны быть в меньшей мере технические, а намного большие финансовые и не в послёднюю очередь политические проблемы – и проблемы такого рода были известны! Поэтому Ауро Розелли решил сначала построить довольно интересный с технической точки зрения вариант своего летательного аппарата Solar Wing в варианте планера, о котором мы еще расскажем.
Предложения комбинировать дирижабль и самолёт были в моде на рубеже XIX-XX веков. Чаще всего целями этих разработок была разгрузка дирижаблей за счет создания дополнительных несущих поверхностей. На снимке показана одна из современных моделей, созданная Джоном Ходждоном (John Hodgedon). В отличие от этого предложения Auro Roselli спроектировал настоящий гибридный летательный аппарат
Изометрическое изображение летательного аппарата Solar Wing конструкции Ауро Розелли
Схема проекта летательного аппарата Solar Wing в трех видах
Частичный разрез крыла, вид спереди. На схеме хорошо показаны три ламинированные оболочки
Схема изменения кривизны передней кромки крыла за счет натяжения внутреннего кабеля и роликов различного диаметра (барабан показан сверху слева)
Разрез крыла с тремя расположенными одна в другой оболочками и внутренним стягивающим кабелем. Представлен вариант изменённого профиля внешней оболочки. Обе внутренние оболочки остались без изменений (внизу)
Схематическое изображение «туманной метлы», которая должна находиться под летательным аппаратом Solar Wing. Слева показана простая форма, справа – вариант с увеличенной благодаря состоящей из нитей сети площадью поверхности
Источники:
- Auro Roselli: Inflated Wings. US-Patent 4.261.534, angem. 13. Oktober 1978, veröffentlicht 14. April 1981.
- Ders.: Ideas toward the development of a solar wing from sports implement to cheap transport to dirigible cloud. Vortrag, gehalten anläßlich der AIAA 12th Ther-mophysics Conference, Albuquerque, N.Mex., Juni 1977 (Druckschrift 77-731).
- Korrespondenz d. Verf. mit Auro Roselli, New York.
Фотографии: Ауро Розелли и автор
