Уменьшитель аэропортов. Проект пассажирского самолета Hawker Siddeley HS.141. Великобритания

Уважаемые коллеги, в июньском 1971 года выпуске журнала "Air Enthusiast" мной была найдена интересная и немного ретрофутурологичная статья, посвященная проекту британского пассажирского самолета Hawker Siddeley HS.141.

В Нью-Йорке разработка крайне необходимого четвертого аэропорта была закрыта в течение многих лет из-за возражений местных жителей, которые, вполне естественно, недоброжелательно отнеслись к идее иметь несколько квадратных километров бетона во дворе. В английской сельской местности Бедфордшир местные жители строили баррикады, чтобы предотвратить постройку третьего лондонского аэропорта на мирный Колбингтон. В сто одном городе по всему миру шум и загрязнение окружающей среды сделали ежедневную жизнь для граждан, проживающих вблизи действующих аэропортов, менее сносной. Но в Хэтфилде, недалеко от Лондона, конструкторы уже начали вырисовывать на чертежных досках новый авиалайнер, который в течение 10 лет может обратить вспять эту тенденцию в большинстве крупнейших аэропортов.

В то время, когда "социальные нравы" воздушного судна имеют большое значение, все надежды возлагаются на спроектированный в Хэтфилде Hawker Siddeley HS.141, который сочетает вертикальные или очень короткие взлет и посадку с возможностью обеспечить ожидаемые от любого нового самолета семидесятых стандарты комфорта и скорости. 

Наиболее очевидное преимущество авиалайнеров с вертикальным/коротким взлетом и посадкой (В/КВП) является то, что они могут работать на менее крупных аэропортах, чем обычные самолеты, которые, чтобы получить безопасную скорость полета, должны броситься очертя голову вниз к широкой бетонной полосе не менее двух миль в длину с работающими на полную мощность двигателями. Не так давно, как это предполагалось, считалось, что эксплуатация авиалайнеров с В/КВП приблизит аэропорты к населенных пунктам, снижая, таким образом, разочарование путешественников, чье время перемещения из аэропорта более чем в два раза превышало время в пути. Усилия в течение последних 20 лет для развития жизнеспособных коммерческих вертолетов и регулярных вертолетных маршрутов было мотивировано прежде всего этим требованием, но они добились лишь ограниченного успеха.

Теперь уже становится ясно, что развитие авиалайнеров В/КВП могло быть подстегиваемо средствами, которые предлагают снижения раздражающего воздействия существующих аэропортов. Это вполне может стать наиболее актуальной причиной продвижения вперед самолетов таких как HS.141, даже если общая "инфраструктура" для междугородней транспортной системы для самолетов с В/КВП представляется недостижимой. Для многих городов, вероятно, уже слишком поздно, чтобы строить специальные аэропорты для самолетов с укороченным пробегом или вертикальным взлетом гораздо ближе к их центрам, чем существующие аэропорты, и путешественники, таким образом, должны продолжать терпеть разочарование от поездок в и из этих аэропортов. Но новое поколение самолетов с В/КВП могут, как минимум, остановить тенденцию к гигантизации новых аэропортов, расположенных на все большем удалении от городов, которым они призваны служить, за счет увеличения пропускной способности существующих аэропортов и одновременном снижении шума и неудобств, наносимых по соседству. 

Если эта точка зрения верна, то само собой разумеется, что деньги, необходимые для разработки третьего лондонского аэропорта — там, где он расположен — было бы лучше потратить на развитие, в том же масштабе времени, настоящего авиалайнера с В/КВП. В Великобритании из нескольких конструкций на стадии проектирования HS.141 является одним из наиболее перспективных, а также является относительно продвинутым на этапе определения концепции.  

Термин СВ/КВП используется для обозначения воздушного судна, который обладает возможностью вертикальных (В) взлета и посадки, но, вероятно, будет использоваться также в режиме короткого взлета и вертикальной посадки (STOVL/СКВВП) — то есть, делая короткий разбег и вертикальную посадку, и тем самым достижения улучшения экономики. Эти меры экономии получены, потому что самолет с установленной тягой достаточной, чтобы поднимать вертикально с определенным весом; возможен взлет и с большим весом, если крылья самолета позволяют выполнить подъем при коротком взлете. Многие из преимуществ В/КВП могут быть востребованы для самолетов короткого взлета и посадки (т.е. таких, которые не имеют возможности выполнять вертикальные взлет и посадку), но по мнению Hawker Siddeley любой новый проект в этой категории, предназначенный для эксплуатации к концу этого десятилетия, должен иметь, по крайней мере, потенциал развития для полного применения В/КВП, даже если изначально только используется режим КВП. Это лежит в основе философии HS.141.

Разнообразие конфигураций   

Многие конфигурации самолетов В/КВП были спроектированы и даже построены в форме прототипов в течение последних нескольких лет. Хотя некоторые из этих конфигураций может быть отклонено как непрактично для дальнейшего развития, несколько альтернативных направлений развития остаются открытыми для конструкторов. В целом, их можно разбить на три группы в зависимости от способа получения подъемной силы: от роторов; крылатого типа с поворотными винтами; крылатого типа с вентиляторами. Все они в той или иной форме используют систему увеличения подъемной силы. Существует и еще одна группа на основе аэродинамической подъемной силы, но она может диспользовать только режим КВП, если ей в той или иной форме не помогала система увеличения подъемной силы, такая как отклонение воздушного потока от винтов.  

Конструкторы Hawker Siddeley изучили широкий спектр конфигураций с возможностями полного "В", такие как винтокрыл, поворотное крыло, поворотный ротор и ротор с регулируемой циркуляцией, а также тип с подъемными вентиляторами, представленный HS.141. Основные параметры последней упомянутой конфигурации были определены спецификацией выпущенной в 1969 году комитетом по определению требований к транспортной авиации (TARC — Transport Aircraft Requirements Committee) — официальным органом, ответственным за координацию работ по новым гражданским самолетам в Великобритании. Выпущенное краткое изложение требований запрашивало исследования на 100-местный самолет вертикального взлета и посадки с дальностью 450 миль (725 км). Выполненные Hawker Siddeley сравнительные исследования привели после некоторых ранних сомнений по поводу уровня шума, развеянных работами Rolls-Royce над проектом RB.202, к выбору принципа подъемных вентиляторов. Rolls-Royce RB.202 или двигатель аналогичного типа, является ключом к достижению приемлемого уровня шума с помощью подъемных вентиляторов. Но это не только низкий уровень шума установленных двигателей, что делает авиалайнер с В/КВП все более и более привлекательным. Кроме того, он может предложить высокие скорости подъема и снижения, которые позволят свести к минимуму площадь, над которой шум является помехой. 

Решив, что подъемные вентиляторы были предпочтительным методом достижения возможности вертикальных взлета и посадки, конструкторы Hawker Siddeley продолжали изучать различные возможные конфигурации планера как для кратких требований TARC, так и для других категорий самолетов. Из этих исследований HS.141 стал наиболее экономически жизнеспособным, хотя расположение подъемных двигателей в обтекателях рядом с фюзеляжем производит некоторые осложнения по сравнению с использованием расположения  гондол двигателей как на Dornier Do 31. 

Как и следовало ожидать, на данном этапе проекта многие детали самолета еще предстоит завершить. Описание и иллюстрации, находящиеся на этих страницах, связаны с тем, что можно назвать "исходным" самолетом — в основе представления TARC на январь 1970 года. С тех пор были сделаны исследования, в которых были разнообразные размеры таких папраметры, как формы поперечного сечения и ширины фюзеляжа, геометрия уборки основных стоек шасси и габаритные размеры. Большой знак вопроса также висит над выбором силовой установки, в поле зрения настоящей ситуации была фирма Rolls-Royce, а точнее, номинальная мощность, которая, в конечном итоге, может быть доступна с двигателями либо от Rolls-Royce, так и других производителей. Количестве подъемных двигателей, требуемых для HS.141, может быть изменено.

Установка двигателя в такие самолеты, как HS.141 имеет гораздо большее значение для конструкции планера, чем в более ортодоксальных авиалайнерах. До 15% по весу и на 35% от стоимости окончательного самолета может быть ограничено силовой установкой, ее расположением и монтажом. Выбор двигателей для таких самолетов зависит не только от тяги, но и способности обеспечить в режиме ВВП управляемость и безопасность. 

Ответ Hawker Siddeley

HS.141 является обычным монопланом с низким расположением крыла с умеренной стреловидностью крыла и хвостового оперения. Его единственная необычная особенность, в той мере, в какой она  имеет отношение к конструкции, является установка спонсонов или обтекателей по всей длине фюзеляжа с каждой стороны для размещения подъёмных вентиляторных двигателей. В данном самолете по восемь двигателей расположены с каждого борта фюзеляжа: четыре перед носовой и четыре после кормовой части крыла. Предлагаемый удлинённый вариант вместимостью до 150 пассажиров имеет 20 двигателей (по 10 с каждой стороны), в то время как варианты КВП рассматривались с четырьмя, шестью, восемью и двенадцатью двигателями.  

общая схема "исходного" HS.141; справа внизу вариант с удлиненным фюзеляжем длиной 135 фт 2 дйм (41,2 м)

Маршевых двигателей располагаются в обычных подкрыльевых пилонах и в данном самолете эта силовая установка требует тягу около 27000 фнт (12250 кг). Проект Rolls-Royce в этом диапазоне мощнестей — RB.220, в то время как французской альтернативой может быть предлагаемый компанией SNECMA двигатель M.56 — "10-тонный" коммерческий двигатель.

испытания модели HS.141 в аэродинамической трубе

Вариант HS.141, показанный здесь имеет фюзеляж с шириной, определенной установленными в ряд пятью сиденьями, но широкий фюзеляж с сиденьями расположенными по шесть в ряд также был исследован. Основной салон предусматривает размещение 102 пассажиров по пять в ряд с шагом кресел 32 дюйма (0,81 м) и увеличением вместимости до 119 пассажиров с шагом кресел в 29 дюймов (0,71 м). Багажные контейнеры будут специально размещены в расположенном под полом пространстве, сдвигая в сторону направляющие. 

сравнение шумового следа с воспринимаемым уровнем шума в 90 дБ (т.е. область вокруг и под самолетом, который создает шум такого уровня и выше) для обычного транспорта сегодня и СКВП и СВВП будущего. Значение нового класса самолетов в связи с этим основанием ясно показано на рисунке слева. Ниже на рисунке показано общее расположение силовой установки HS.141

В то время как режим эксплуатации таких самолетов, как HS.141, будет предметом многих дальнейшего изучения и исследования в последующие годы, Hawker Siddeley показывает, что для минимального уровня шума вокруг аэропорта, максимальная подъемная тяга будет использоваться при взлете только на высоте до 250 фт (76,2 м). Чтобы избежать ограничения не превышение шума на границах населенных пунктов мощность затем будет сокращено до 83% на оставшеюся части набора высоты.  

Переход вперед от вертикального режима начнется на высоте 1000 футов (305 м) наклоном вентиляторных двигателей, и самолет будет продолжать ускоряться, поднимаясь до 2000 фт (610 м), при помощи тяги маршевых двигателей. На последней высоте должна быть достигнута эквивалентная воздушная скорость в 168 узлов (310 км/ч) и самолет бы тогда полностью перешел на создание подъемной силы с помощью крыла: подъемные двигатели прекращают работу, впускные и выпускные створки закрываются, освобождая верхние и нижние стороны спонсонов.

кривые грузоподъемность-дальность для HS.141 использующего высокоскоростной (вверху) и дальнего действия (внизу) крейсерские режимы. Преимущества использования режима короткого взлета явно показаны на схемах

Аналогичным образом, при подходе к посадочной площадке подъёмные вентиляторы начинают работу на высоте 2000 фт (610 м) и на расстоянии 4 мили (6,4 км) от точки посадки. Допуская одну минуту для запуска и проверки двигателей, замедляющий переход начнется на высоте 1000 фт (305 м) на расстоянии 2650 фт (808 м). Затем высота будет сохраняться почти до подхода к посадочной площадке, опускаясь с начальной высоты в 800 фт (244 м) с вертикальной скоростью сокращающейся от первоначальных 35 фт/с (10,7 м/с) до 10 м/с (3,05 м/с), когда высота HS.141 составляла 100 фт (30 м) над уровнем площадки. Переход и посадка будет занимать полторы минуты.

Проблемы управления

Наиболее нетрадиционный и наиболее сложный аспект конструкции HS.141 заключается в его системе управления.  Самолет имеет обычные элероны, рули высоты и руль направления, которые теряют свою эффективность с падением скорости ниже минимального значения эволютивной скорости (минимально допустимая скорость при сохранении управляемости) в обычной полете, в котором подъемная сила вырабатывается с помощью крыла. Для вертикального и очень медленного поступательного движения используются подъёмные вентиляторные двигатели, обеспечивающие управление и выполняющие те же функции, что и "вытяжные трубы", используемые для управления на Harrier-е. Это требует дифференцированной работы двигателей как с точки зрения тяги, так и вектора тяги. 

Для управления по тангажу используется дифференцирования тяги между носовыми и кормовыми двигателями, в то время как управление по крену происходит дифференцированием тяги между левыми и правыми двигателями. Управление по рысканию требует дифференцирования наклона двигателей: так тяга одних двигателей отклоняется вперед, тогда как в то время как другие наклонены, чтобы направить тягу назад. Как уже отмечалось, для ускорения или торможения все двигатели отклонены вместе назад или вперед. Еще одним следствием использования двигателей для целей управления является очень быстрое реагирование на требуемые изменения тяги.   

Учитывая тот факт, что действие различных режимов управления будет необходимо в совокупности, то необходима сложная система для преобразования требований пилота в правильную реакцию двигателей. Hawker Siddeley предлагает использовать необходимую для маневрирования автоматическую систему стабилизации с электрической передачей сигналов в нормальном режиме и возвратом к непосредственному механическому приводу  после отказа любого из каналов автостабилизации. Выходные сигналы системы управления поступают в устройства управления питанием трех групп подъёмных вентиляторов и в мультиплексируют механизмы наклона приводов на противоположных сторонах самолета.

дифференцирование тяги и наклона подъемно-вентиляторных двигателей будет использоваться для управления HS.141 при низких поступательных скоростях

Дальнейшее осложнение возникает в связи с необходимостью разработки защиты от возможных сбоев системы. Повреждение любого из подъемных вентиляторов во время критических этапов взлета и посадки во избежание асимметричной тяги потребуют немедленной остановки его коллег по другую сторону самолета. Такие силы вполне могут быть усугублены любым изменением, которое в настоящее время используется в целях управления в момент отказа двигателя. Из-за скорости реакции необходимой в ситуации такого рода, у автоматической системы, вероятно, возникнет необходимость проверки каждого двигателя на отказ и принятич соответствующих мер, чтобы сохранить контроль.

В связи с необходимостью рассчитывать на "удвоенный выход" ("two out") требуется избыток тяги с лишним весом для вертикального режима, основанный на мощности 14 подъемных вентиляторов в данном HS.141. Hawker Siddeley предложил для RB.202-25 тягу в 10300 фнт (4670 кг). Хотя этот двигатель может быть увеличен, чтобы дать тягу от 10000 до 22000 фунтов (4535 — 9070 кг), и Rolls-Royce имел в виду его как 13000 фнт (5900 кг) силовую установку. В предполагаемой оценке Hawker Siddeley их HS.141 имеет тяговооружённость 1,16 : 1 с двумя поврежденными двигателями.

В то время как режим эксплуатации СВВП установил границы, в которых HS.141 и был спроектирован; его конструкция переносит нагрузки с весом, превышаюшим на 8% максимальный для данного режима. Это позволит улучшить экономию, когда воздушное судно эксплуатируется в режиме короткого взлета и вертикальной посадки. Планер будет рассчитан на высокую крейсерскую скорость в 0,85 Маха на высоте 21600 фт (6583 м), что дает дальность в 450 миль (724 км) при вертикальном взлете с 102 пассажирами. Несколько лучшая дальность возможного применения в крейсерской режиме максимальной дальности при числе Маха 0,8 на высоте 28000 фт (8535 м).

рисунки взлета, полета и захода на посадку авиалайнера Hawker Siddeley HS.141

В рамках развития HS.141 компания Hawker Siddeley провела обширные исследования в аэродинамической трубе и на моделях, и эти исследования продолжаются. В масштабе 1/10 модель с двигателем, используемая в исследованиях в аэродинамическиой трубе, имеет вентиляторы с индивидуальным приводом, а также приборы для измерения характеристик двигателей и аэродинамических характеристик во всем диапазоне скоростей. Работа продолжается с финансированием из частных источников, но чтобы самолету достичь состояния производства потребуется помощь правительства. Компания считает, что HS.141 может быть технически готов к эксплуатации в 1978-79 гг., а расходы на запуск самолета в производство (планер плюс подъёмные вентиляторные двигатели) оцениваются примерно в £200 млн. При этом исключаются затраты на необходимую инфраструктуру, но, как предполагалось ранее, концепция СВВП представляется сейчас стоящей, даже если эксплуатация будет ограничена первоначально существующими аэропортами. Решимость устремляться вперед совершенно не должно зависеть от системы новых аэропортов для самолетов с укороченным пробегом, вертикальным взлетом или другие "деловые центры" территорий аэропортов и если принимать его, то со временем HS.141 сможет проявить себя истинным "уменьшителем аэропортов".

фотографии моделей HS.141

Некоторые проекты Hawker Siddeley самолетов В/КВП

художественное представление проекта HS.803

Двигатель Rolls-Royce RB.202

Разработка технического проекта была начала Rolls-Royce Ltd. в Дерби около пяти лет назад с целью разработки малошумного подъемного двигателя. Компания уже имела опыт создания реактивных подъемных двигателей в виде своих оригинальных работ на двух "Летающих стендах" и в строительстве RB.108 и RB.162. Эти два двигателя были чистыми турбореактивными двигателями, предназначенными для работы в вертикальном режиме при установке в таких самолетах, как Short SCI, Dassault Mirage III-V, Dornier Do 31 и VAK 191B. Эта линия развития была продолжена и в финансируемой правительством США программе сотрудничества с  Allison. Некоторые детали этого совместного двигателя доступны; он предназначался RB.198 или XJ99 и одним из возможных применений был проектируемый американо-немецкий истребитель AVS. Скорее всего чуть дальше англо-американских работ по программе.

RB.202 отличается от ранних турбовентиляторных двигателей тем, что в качестве основной цели разработки был низкий уровень шума в сочетании с высокой надежностью и малой массой смонтированной установки. Двигатель имеет отсек турбокомпрессора аналогичный RB.162, одноступенчатую турбину высокого давления и одну ступень вентилятора, приводимого в движение трехступенчатой турбиной низкого давления. Приведенный в статье рисунок дает представление об очень коротком и широком двигателе, диаметр которого больше длины.

компоновка HS.141, на схеме хорошо показано размещение силовой установки

Скорость реактивной струя выходящих газов имеет важное значение для уровня шума и у RB.202 эта скорость составляет 640 фт/с (195 м/с), по сравнению с 2170 фт/с (661 м/с) у RB.162. Двигатель RB.202-31 с тягой  в 13000 фнт (5900 кг) имеет наружный диаметр 75,1 дм (1,9 м) при длине в 45,4 дм (1,15 м) со степенью двухконтурности 9,5:1. Удельная тяга (на единицу веса) 15:1 сравнима с 16:1 у RB.163-81.

Двигатель достиг стадии разработки планов реализации проекта, но дальнейшие работы теперь зависят от результатов недавнего кризиса компании Rolls-Royce. Ранее компания установила 1976 год в качестве целевой даты для двигателей, которые будут доступны для прототипов СКВП. 

ЛЕТНО-ТЕХНИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ

Обозначение: HS.141

Силовая установка: два маршевых турбовентиляторных двигателя Rolls-Royce RB.220 мощностью 27000 фн (12250 кг) и 16 подъемных вентиляторных двигателей Rolls-Royce RB.202 мощностью 10300 фн (4670 кг).   

Размеры: 

размах крыла 75 фт 0 дйм (22,86 м)
площадь крыла 1060 фт² (98,47 м²)
относительное удлинение крыла 5,3:1
стреловидность 28° по линии четверти хорд
общая длина 120 фт 2 дйм (36,63 м)
максимальный диаметр фюзеляжа 11 фт 3 дйм (3,43 м)
максимальная внутренняя ширина салона 10 фт 8 дйм (3,25 м)
общая высота 29 фт 10 дйм (9,00 м)
размах хвостового оперения 32 фт 10 дйм (10,00 м)
общая площадь стабилизатора и руля высоты 239 фт² (22,20 м²)
общая площадь киля и руля направления 145 фт² (13,47 м²)

Вес: 

расчётная взлётная масса 134200 фнт (60872 кг)
максимальная масса в режиме вертикального взлета 124200 фнт (56336 кг)
расчетная посадочная масса 118000 фнт (53524 кг)
максимальная масса без топлива 110300 фнт (50031 кг)
масса топлива 33500 фнт (15195 кг)

Летные характеристики: 

проектная крейсерская скорость 375 уз (695 км/ч)
проектное крейсерское число маха 0,85
проектная максимальная скорость 435 уз (806 км/ч)
проектное максимальное число маха 0,92
дальность с максимальной полезной нагрузкой (СВВП) 400 ст миль (644 км)
дальность полета с максимальной полезной нагрузкой (СКВВП) 1200 ст миль (1931 км)

источник: "HS.141. The airport shrinker" Air Enthusiast 06/1971