Высотный исследовательский самолет Grob Strato 2C. Германия
Высотный исследовательский самолет Grob Strato 2C. Германия
Написанная по горячим следам статья из журнала «Letectví + Kosmonautika» 1996 года, которая, думаю, заинтересует коллег.
Самый крупный пластиковый самолет в мире. Высотный исследовательский самолет Grob Strato 2C
Содержание:
Предисловие редакции: С тех пор, как в 1909 году граф Ламберт, достигнув высоты чуть более 300 метров над землей, пролетел над Эйфелевой башней в высота полета самолетов очень быстро выросла. Первые самолеты имели недостаточную избыточную мощность силовых установок, и достигнутая высота часто зависела в первую очередь от терпения пилота. Тем не менее, рекорды высоты следовали один из другим, и уже в 1913 году была достигнута высота 6000 метров. Спустя четверть века в 1938 году итальянский высотный самолет Caproni Ca.161 смог достичь высоты 17083 метров. Но в те годы достижение столь большой высоты было в первую очередь вопросом престижа.
Предыстория
Вероятно, впервые для исследования атмосферы самолет был применен на рубеже августа и сентября 1913 года, но в то время предпочтение отдавалось пилотируемым и беспилотным зондирующим аэростатам. Дело в том, что спустя небольшое время после изобретения воздушных шаров они стали достигать больших высот и вскоре, хотя и довольно спорадически, на их борту стали появляться метеорологические приборы. Воздушные шары достигали приличной высоты: уже в 1784 году французские физик Пилатр де Розье и химик Пруст поднялись на высоту почти четыре тысячи метров, а во второй половине XIX века во время научных полетов пилотируемых аэростатов в некоторых случаях были достигнуты высоты в диапазоне от восьми до девяти тысяч метров. В начале двадцатого века беспилотные аэростаты-метеорологические зонды достигли высоты 12000 метров, а иногда поднимались даже на значительно большие высоты. Так, например, 9 мая 1913 года австрийский аэростатный зонд достиг высоты 21660 метров. Впервые специальный высотный исследовательский самолет появился в начале 1930-х годов. Этим самолетом был Jukers Ju 49, который достиг высоты около 13000 метров. Как уже упоминалось выше, в конце 1930-х годов максимальная высота, достигаемая самолетом, увеличилась до 17000 метров.
Высотные самолеты, появившиеся после Второй мировой войны, предназначались в первую очередь для использования в военных целях и их использование в научных целях было второстепенным. Это касается как американских самолетов U-2, так и советских Як-25РВ и М-17. Фактически, первыми «специальными» летательными аппаратами, предназначенными для исследования верхних слоев атмосферы, стали самолеты Grob Strato 1 и Starto 2, хотя их происхождение было связано с военными программами конца холодной войны.
История разработки
Компания Burkhart Grob Luft- und raumfahrt (Grob) была основана в 1971 году в Миндельхайме, к западу от Мюнхена, и через год переехала на собственный аэродром Миндельхейм-Маттзиес (Mindelheim-Mattsies). Свою деятельность компания начала с производства по лицензии композитных (ламинатных) планеров Standard Cirrus, которых к 1975 году было выпущено двести экземпляров. Свое собственное развитие безмоторных летательных аппаратов компания Grob начала в 1973 году с планера Astir, а затем компанией были созданы моторные планеры, первым из которых был G 109. В 1987 году компанией был создан композитный двухместный спортивный самолет G 115, который в середине 1990-х годов выпускался в нескольких модификациях. На 1995 год в компании Grob работало 230 сотрудников, и ей было выпущено три с половиной тысячи самолетов.
снимок производственных мощностей компании Grob и ее аэродрома. Здесь и далее снимки компании Grob и Мартина Салайки
С ростом производства и успехов в бизнесе компания начала «присматриваться» к самолетам более сложных категорий. Они включали в себя административный самолет нетрадиционной конструкции GF 200 с толкающим винтом, расположенным в задней оконечности фюзеляжа, высотные самолеты G 500, Strato 1, G 520T и Strato 2C.
«планерное» крыло с большим удлинением использовалось компанией Grob при создании предыдущих высотных самолетов. На снимке двухместный высотный самолет G 520T
Разработка последнего «специального» была заказана компании Grob Федеральным министерством исследований и технологий (Министерство) в апреле 1992 года. Используя предыдущий опыт строительства композитных самолетов, имевших довольно большие размеры (размах крыла самолета Strato 1 составлял 33 метра), можно было ожидать, что разработка планера не вызовет особых проблем. Также представляется вероятным, что некоторые опытно-конструкторские работы велись несколько ранее и что проект Strato 2C является дальнейшим развитием нереализованного проекта высотного самолета-разведчика. Таким образом, компания, вероятно, уже к тому времени, когда ею был подписан контракт с Германским центром авиации и космонавтики – организацией, которая была уполномочена Министерством, – имела готовые к реализации результаты предварительных исследований. Контракт был заключен на строительство одного самолета стоимостью 72 миллиона немецких марок. Намерение министерства заключалось в том, чтобы получить летательный аппарат, с помощью которого можно было бы проводить многочасовые исследования на высотах, значительно превышающих высоту 16000 метров, которая была достигнута самолетом Strato 1. Новый самолет должен был достичь высот свыше 25000 метров и иметь продолжительность полета 48 часов. Первый полет должен был состояться в 1994 году.
Через несколько месяцев после подписания контракта компания Grob опубликовал свой первоначальный вариант высотного самолета. Предполагалось, что это будет высокоплан с крылом большого удлинения («планерного» типа), тонким фюзеляжем и горизонтальным оперением, присоединенным к хвостовой части фюзеляжа. Силовая установка должна была состоять из установленных над крылом двух двигателей с толкающими винтами с расчетным диаметром 5,7 метров. Двигатели, которые должен был получить самолет, были поршневыми с турбонаддувом или модифицированными турбовинтовыми.
В исследовании, получившем название Strato 2TP, планировалось использовать два турбовинтовых двигателя с границей высотности 16000 метров. В варианте Strato 2R эти турбовинтовые двигатели должны были быть дополнены гибридным ракетным двигателем с управляемой тягой, что в течение небольшого времени позволяло достичь высоты 18600 метров. Однако такого гибридного ракетного двигателя в наличии не было, а его разработка была технически сложной, финансово дорогостоящей и могла бы привести к задержке всей программы.
В конечном итоге внимание было сосредоточено на версии 2C, в которой изначально делалась ставка на упомянутые выше поршневые двигатели с наддувом. В этом случае согласно расчетам, самолет мог достичь высоту до 24000 метров. Фюзеляж самолета был рассчитан на размещение двух пилотов и двух исследователей с оборудованием. Герметичная камера должна была иметь длину 5,5 метров, и ее обогрев позволял экипажу работать при температурах наружного воздуха до минус 90°C.
рисунок первоначального варианта высотного самолета Strato 2C с тянущими винтами
В первоначально рассмотренной конфигурации плоскости вращения воздушных винтов размещались примерно в середине длины отсека экипажа, что могло отрицательно повлиять на некоторые измерения, а тянущие винты мешали обтеканию ламинарного крыла. Поэтому весной 1993 года конфигурация самолета была изменена. Теперь фюзеляж плавно сужался за кабиной экипажа, хвостовое оперение получило Т-образную форму, в нижней части фюзеляжа появились широкие плоские выступы, в которые убирались основные стойки шасси. Стойки шасси убирались поворотом к фюзеляжу, при этом половины внешних частей колес оставались открытыми. Передняя стойка шасси полностью убиралась в фюзеляж, и ее ниша закрывалась двумя створками.
сделанная по заводскому чертежу 1993 года модель высотного самолета Strato 2C с тянущими винтами
Однако главным изменением этой новой конфигурации самолета является компоновка силовой установки с толкающими винтами. Силовая установка, вероятно, представляла собой самую сложную часть проекта. Это связано с тем, что на предполагаемой максимальной высоте полета самолета 24000 метров давление воздуха составляет всего лишь 3,5% от значения на уровне моря. Составные части силовой установки были разработаны совместно компаниями Grob и IABG – Industrieanlagen Betriebsgesellschaft mbH.
Основу силовой установки составляет шестицилиндровый поршневой (бензиновый) двигатель жидкостного охлаждения Teledyne Continental TSIOL-550 с рабочим объемом 9 литров. Наддув обеспечивают газогенератор Pratt & Whitney Canada PW127 и турбокомпрессор высокого давления. Воздух проходит через три ступени сжатия с эффективным охлаждением после каждой ступени. Первые две ступени сжатия – низкого и среднего давления – обеспечиваются генератором PW127 и степень сжатия на выходе из него составляет 18. Сжатый воздух из газогенератора поступает в отдельный турбокомпрессор высокого давления, из которого также отбирается воздух для создания избыточного давления в кабине экипажа.
Воздух от турбокомпрессора поступает к 400-сильному (300 кВт) поршневому двигателю TSIOL-550, который через редуктор приводит в движение пятилопастный воздушный винт. По сравнению с первым вариантом его диаметр немного увеличился до 6,0 метров. Выхлопные газы, выходящие из двигателя, приводят в действие турбину турбокомпрессора высокого давления, от которой они подаются в газогенератор PW127, приводят в действие его турбину (генератор не имеет камеры сгорания) и в нижней части гондолы двигателя выходят непосредственно за крылом через пару сопел. В этих соплах создается 12% общей тяги силовой установки. Толкающие тихоходные пропеллеры имеют деревянные лопасти и вращаются с частотой 650 об/мин.
первоначальный (сверху) и окончательный (снизу) варианты силовой установки. Охлаждающие элементы отмечены крестиками. Рисунок автора статьи Павла Свитака
Как это обычно бывает при разработке машин подобного рода, затраты на разработку оказались больше запланированных. Существенный вклад в это внесло повышение цен на закупаемые системы. Так, например, на момент начала проектирования автопилот американской компании Honeywell стоит 3 миллиона немецких марок, но ко времени изготовления самолета его цена возросла до 16 миллионов. Просьба компании увеличить финансовое покрытие проекта поступила в неподходящий момент, поскольку в октябре 1994 года в Германии началась предвыборная кампания. Министерство приостановило дальнейшее финансирование строительства после того, как было использовано всего 62 миллиона немецких марок, то есть на 10 миллионов меньше, чем было предусмотрено в контракте, и дальнейшее финансирование проекта было предложено осуществлять компании Grob. В начале 1995 года после того как выборы были проведены средства на финансирование программы были найдены, и по сравнению с первоначально ожидаемыми 72 миллионами было даже несколько увеличено, так что работы по программе могли продолжаться полным ходом.
Летные испытания
28 февраля 1995 года самолет получил временное свидетельство о пригодности к полетам, которое действовало только до 28 мая того же года. Несмотря на определенные ограничения – например, самолету не разрешалось летать над городами и густонаселенными районами, не разрешалось летать над другими федеральными землями без их предварительного согласия, он должен был соответствовать новым требованиям по шуму Федерального авиационного управления LBA – можно было приступать к первому полету.
Первый взлет состоялся 31 марта в 10:54 с заводского аэродрома Миндельхейм-Маттзис. Экипаж самолета состоял из летчиков-испытателей Эйнара Эневолдсона (Einar Enevoldson; бывший летчик-испытатель НАСА) и Ханса-Людвиаг Мейера (Hans-Ludwig Meyer). После 66 минут полета самолет плавно приземлился в аэропорту Меммингерберг (Memmingerberg). Пилоты отметили, что самолет показал хорошие характеристики и полет прошел без каких-либо проблем.
высотный самолет Strato 2C набирает высоту
Дальнейшие испытательные полеты сопровождались повышением летно-технических характеристик, а в конструкцию самолета вносились незначительные изменения (например, фюзеляж получил новую, чуть более длинную заднюю оконечность с небольшим килем на её нижней стороне). Во время 29-го полета, 4 августа 1995 года, исследовательский самолет Strato 2C достиг высоты 18552 метра и превзошел предыдущий рекорд высоты поршневых самолетов (17083 метров), установленный в 1938 году итальянским самолетом Caproni Ca.161.
Таким образом, первый этап разработки был завершен достаточно успешно. В целом и планер самолета, и его силовая установка хорошо показали себя, но была продемонстрирована необходимость более крупных изменений, которые позволили бы снизить массу собственной конструкции планера. В первую очередь эти изменения включали в себя изготовление и установку нового более легкого крыла. Также некоторых изменений требовала и силовая установка. Если масса самолета будет снижена ан 1000 кг, то можно будет достичь высоты 21500 метров и пролететь на ней в течение 1 часа 10 минут или же достичь практического потолка 22200 метров. Увеличение мощности силовой установки на 15% позволило бы оставаться на высоте 22200 метров в течение 5 часов. Возможное улучшение аэродинамики самолета должно позволить совершить пятичасовой полет на высоте 23000 метров. Однако эти показатели, рассчитанные на основе результатов испытаний, хотя и являются замечательными, они несколько отстают от первоначальных требований.
Таким образом, дальнейшая разработка самолета требовала дополнительных средств. Для того чтобы в этом году провести предварительную сертификацию, необходимо потратить дополнительные 47 миллионов немецких марок и еще 38 миллионов – на полную сертификацию. Однако правительственные органы и бундестаг снова начали колебаться.
В ноябре прошлого года руководство компании Grob ждало решения: будут ли выделены адекватные дополнительные ресурсы для дальнейших работ по программе Strato 2C. В свою очередь сама компания инвестировала в разработку высотного самолета 30 миллионов немецких марок собственных средств. Поскольку решение не было принято, в конце декабря прошлого года руководство компании Grob было вынуждено уволить 131 сотрудника, работавшего по программе Strato 2C. Этим решением команда разработчиков была ликвидирована, и ее восстановление потребует дополнительных затрат.
17 января 1996 года федеральный министр по исследованиям Юрген Рюттгерс объявил, что бюджетный комитет федерального парламента полностью прекратил дальнейшее финансирование программы Strato 2C, на которую было потрачено 93,4 миллиона немецких марок государственных средств, и что федеральное правительство рассматривает вопрос о возвращении вложенных денег. В такой ситуации в компании Grob решили, что, если правительство и Бундестаг выступят против проекта, то они будет искать партнеров за рубежом, включая возможный экспорт связанных с проектом технологий.
В любом случае прекращение финансирования проекта означает для компании Grob очень значительные финансовые потери. Однако, похоже, наступают хорошие времена: в начале февраля бюджетный комитет Федерального парламента изменил свое мнение по программе Strato 2C и решил выделить средства на дальнейшее развитие. Тем не менее, несколько месяцев колебаний относительно того, будут ли средства на дальнейшие работы по программе или нет, обернулись большими потерями как для самолета, интересного с технической и научной точки зрения, так и для самой компании, для которой создаваемая машина, несомненно, также является предметом престижа. Компании пришлось уволить более 50% сотрудников, и, как уже упоминалось, восстановление команды разработчиков будет сложным и финансово затратным.
Техническое описание
Grob Strato 2C представляет собой цельнокомпозитный двухмоторный самолет с убирающимся трехопорным шасси. На сегодняшний день это самый крупный самолет, изготовленный из композитных материалов.
схема высотного исследовательского самолета Strato 2C; автор Павел Свитак
Фюзеляж содержит герметичную кабину для двух сидящих бок о бок пилотов и двух ученых с их приборами. Монококовый фюзеляж вместе с килем вертикального оперения изготавливается на пресс-формах. Он состоит из двух половин, разделенных в продольной плоскости и усиленных в местах крепления шасси и крыла.
соединение половин фюзеляжа высотного самолета Strato 2C
Передняя стойка шасси убирается в фюзеляж, а основные стойки – в широкие выступы на нижней стороне фюзеляжа.
Цельнокомпозитное крыло с ламинарным профилем имеет дугообразную переднюю кромку и прямую заднюю кромку. Удлинение крыла составляет 22 единиц. Механизация крыла состоит из элеронов, установка закрылков не предусматривалась. Первоначально на законцовки крыла планировалось устанавливать винглеты, но затем от этого отказались. На консоли крыла устанавливались элементы силовой установки, которая была описана выше.
при взгляде снизу хорошо видно тонкое крыло большого удлинения
Цельнокомпозитное хвостовое оперение имеет Т-образную форму, киль представляет с фюзеляжем как единое целое. Рули высоты и направления снабжены балансировочными поверхностями. В ходе испытаний в нижней части фюзеляжа был установлен небольшой киль.
В конструкции самолета использовались стеклопластик и композиты из углепластика и арамида.
ЛЕТНО-ТЕХНИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ
Тип: Grob Strato 2C
Назначение: высотный исследовательский самолет
Статус: единичное производство
Экипаж: 4 человека
Силовая установка: два шестицилиндровых двигателей жидкостного охлаждения Teledyne Continental TSIOL-550 мощностью о 400 л.с. каждый
Размеры:
размах крыла 56,5 м
длина фюзеляжа 24 м
ширина фюзеляжа 2.3 м
площадь крыла 150 м²
Масса:
пустого (расчетная) 6650 кг
максимальная взлетная 13350 кг
топлива 5700 кг
Летные характеристики:
максимальная дальность полета (расчетная) 18100 км
продолжительность полета (расчетная):
• на высоте 18000 метров 48 часов
• на высоте 24000 метров 8 часов
практический потолок
• расчетный 26000 м
• реальный 18552 м
источник: Pavel Sviták «Největši «plastik» Grob Strato 2C» «Letectví + Kosmonautika» 7/96 стр.28-31/412-415
