Взгляд из США 1961 года на будущее летательных аппаратов с вертикальными взлетом и посадкой

Винтажная статья из январского выпуска 1961 года журнала «Flying», которая, думаю, заинтересует коллег.

Будущее самолетов с вертикальными взлетом и посадкой

Хотя экспериментальные самолеты доказали осуществимость концепции вертикального взлета и посадки, прогресс в создании полноценных машин все еще отстает.

Автор: Дж. С. БУТЦ-мл.

1960-е годы в Соединенных Штатах станут болезненным периодом выбора самолетов вертикального взлета и посадки (СВВП). В течение следующего десятилетия от большинства вертикально поднимающихся самолетов, успешно испытанных в 1950-х годах, придется отказаться.

Этот процесс устранения обязательно наступит несмотря на то, что инженерная проблема вертикального взлета и посадки была решена и есть несколько продемонстрированных способов заставить самолеты взлетать и садиться вертикально без использования несущих винтов вертолетного типа. В последние годы благодаря программам летных испытаний была доказана неоспоримая осуществимость широкого спектра самолетов СВВП с поворачивающимися крыльями, воздушными винтами с изменяемым наклоном, поворачивающимися двигателями и многими другими уникальными особенностями доказал. Эти экспериментальные самолеты являются неоспоримым достижением инженерной мысли. И они значительно расширили знания о безопасном управляемом полете на малых скоростях, а также о конструкции легких валов и передач, необходимых для соединения нескольких двигателей на таких самолетах при выполнении безопасных посадки и взлета с одним неработающим двигателем.

Однако в целом эти инженерные достижения омрачаются всеобщим неудовольствием и неопределенностью по поводу программы создания самолетов вертикального взлета и посадки в вооруженных силах и в промышленности. Сегодня можно услышать три основные жалобы на руководство проводившихся в 1950-х годах программ разработки СВВП:

• • • Поэтапное выделение финансов — за 10 лет проектирования и разработки СВВП (исключая вертолеты) вооруженными силами, ВМС и ВВС было потрачено более 100 миллионов долларов. Однако ни одна крупная часть этой значительной суммы не была доступна одновременно, и она была распределена примерно по 20 различным программам разработки самолетов. В результате разработка ни одного проекта не продвигалась так быстро как могла бы.
    • Разработка только экспериментальных самолетов — все средства были потрачены исключительно на создание экспериментальных самолетов первого поколения, оснащенных любым типом системы обеспечения вертикального взлета и посадки. Не было изготовлено никаких усовершенствованных или «оптимизированных» СВВП второго поколения, в конструкции которых могли быть применены знания, полученные в ходе разработки и испытаний машин первого поколения, с целью точно доказать, на что способен хороший СВВП.
    • Отсутствие испытаний в реальных условиях — ни один из экспериментальных СВВП никогда не использовался в полевых условиях в рамках программы эксплуатационных испытаний для имитации его применения войсками в бою. Некоторые из основных вопросов, касающихся боевой пригодности СВВП, таких как влияние облаков пыли, поднимаемых нисходящими потоками большой скорости, никогда не были предметами полевых испытаний.

Этого мнения почти повсеместно придерживаются армейские офицеры, которые в 1950-х годах эксплуатировали летательные аппараты с вертикальными взлетом и посадкой и сражались на них. Они рассматривают эти летательные аппараты как абсолютную необходимость в любой будущей войне, для того чтобы армия могла быть по-настоящему мобильной и чтобы ее снабжение не было привязано к дорожной системе.

Этого мнения также решительно придерживаются конструкторы нынешнего поколения экспериментальных ССВП. Одним из главных преимуществ инвестиций, которые правительство вложило в СВВП за последние 10 лет, стало воспитание нескольких групп независимо мыслящих и жестко конкурирующих авиаконструкторов. В некотором смысле этих людей можно назвать голодранцами авиации, потому что они неизменно выполняли свою работу с небольшими бюджетами, напоминающими 1920-е годы. Технический уровень и способности этих конструкторов выросли, и сегодня лишь немногие из них отказались от веры в свой особый подход к СВВП, по крайней мере, для некоторых боевых задач. Таким образом, сегодня существует несколько основных подходов к проектированию СВВП, и каждый из них настойчиво поддерживается собственной группой сторонников. И эти представители располагают данными летных испытаний, подтверждающими все их аргументы.

Однако даже самые ярые сторонники летательных аппаратов с вертикальными взлетом и посадкой видит мало шансов на то, что программа скоростной разработки доведет хотя бы один тип СВВП до состояния эксплуатационной готовности. Два основных события 1961 года полностью противоречат этому. Во-первых, стоимость всех видов опытно-конструкторских работ быстро растет, и космическая техника, разработка ракет и проекты высокоскоростных самолетов поглощают большую часть имеющихся средств. Во-вторых, самолет вертикального взлета и посадки хорошо зарекомендовал себя и в военном и коммерческом применении усилил конкуренцию вертолету и транспортному самолету с коротким взлетом и посадкой.

Мало кто будет отрицать, что есть место для СВВП, который сочетает в себе способность вертолета к вертикальному подъему и высокую скорость обычного самолета. Однако среди технических руководителей широко распространено мнение, что в течение многих лет будет экономически нецелесообразно заниматься полномасштабной разработкой ни военных, ни гражданских самолетов вертикального взлета и посадки. Данную позицию также занимает высшее инженерное руководство Министерства обороны США. Короче говоря, это означает, что мечта энтузиастов о СВВП в каждом гараже или, по крайней мере, в каждом центре города, которая не стала реальностью в 1950-х годах, вероятно, не осуществится в 1960-х годах.

В настоящее время министерство обороны в соответствии с рекомендациями д-ра Герберта Ф. Йорка (Dr. Herbert F. York), бывшего начальника управления НИОКР министерства обороны, приступило к осуществлению определенной программы разработки СВВП. Программные рекомендации д-ра Йорка заключались в том, чтобы придать СВВП низкий приоритет и объединить усилия и средства трех видов войск в создании транспортного самолета с ВВП второго поколения, который можно было бы испытать в полевых условиях.

В соответствии с планом Министерства обороны США, утверждённым исполняющим обязанности начальника управления НИОКР министерства обороны, военно-морские силы предоставят руководителя для совместных усилий по созданию прототипа транспортного СВВП, предназначенного для удовлетворения боевых потребностей сухопутных войск, флота, корпуса морской пехоты и военно-воздушных сил. Каждый вид войск должен способствовать выполнению согласованных технических требований.

Предполагается, что прототип будет иметь массу 35000 фунтов (15876 кг) и способен нести четыре тонны полезной нагрузки. Он будет иметь дальность полета 1500 миль (2414 км) и скорость около 300 узлов (556 км/ч). Ориентировочная стоимость разработки составляет 70 миллионов долларов.

Одним из основных результатов этой новой политики объединения усилий видов войск, по крайней мере на данный момент, стал отказ армии и военно-воздушных сил от планов по созданию боевых СВВП в период с 1965 по 1967 год.

В начале года у командования ВВС были активные планы по разработке для тактического авиационного командования боевого истребителя СВВП, способного развивать скорость М = 2. От этих планов отказались как слишком дорогих и слишком амбициозных с технической точки зрения. Эксплуатация большого количества истребителей с ВВП с широко рассредоточенных позиций вместо обычных аэродромов в несколько раз увеличила бы стоимость эксплуатации самолетов тактического авиационного командования. Это также потребовало бы разработки и крупномасштабного производства транспортного СВВП для обслуживания рассредоточенных истребителей. Руководство Пентагона запретило реализацию подобных планов еще как минимум на пять лет.

В настоящий момент командование ВВС планирует получить истребитель СКВП, который сможет взлетать с 3000-футовой (914 м) взлетно-посадочной полосы и совершать сверхзвуковые полеты на высоте менее 500 футов (152 м). Это означает, что мощности его силовой установки и будет достаточно для того, чтобы на большой высоте разогнаться до скорости почти три Маха. Возможно, у этих самолетов будут крылья переменной стреловидности, которые более года интенсивно изучаются исследовательскими группами авиационной промышленности и Национального комитета по аэронавтике и исследованию космического пространства

Армия также рассматривала возможность заказа боевого СВВП для замены Cessna L-19 Bird dog в качестве штатного самолета-корректировщика и ближнего разведчика. После консультаций со всеми экспертами в этой области из правительства, промышленности и образовательных учреждений было решено, что армия получит максимальную отдачу от своих средств, если приобретет новый двухместный вертолет, разработанный с использованием новейшей современной информации. Серьезное рассмотрение вопроса о СВВП для армии было отложено еще как минимум на два года.

Одной из основных проблем, связанных с реализацией объединенной программы разработки транспортного СВВП и доведением ее до этапа полевых и эксплуатационных испытаний, является решение, какую систему вертикального взлета и посадки использовать. Естественно, по этому поводу разгорелись ожесточенные технические дебаты. Принимая во внимание публичные заявления конструкторов, офицеров и представителей Пентагона, кажется вероятным, что этот вертолет будет комбинированным вертолетом (винтокрылом), который также известен как самолет с разгруженным несущим винтом и как конвертоплан.

Общая идея была впервые предложена в Австрии Доблхоффом (Doblhoff) во время Второй мировой войны, и с тех пор были изготовлены и испытаны два летательных аппарата данного типа: Fairey Rotodyne в Англии и McDonnell XV-1 в США. Rotodyne все еще находится в стадии разработки, и его планируется ввести в эксплуатацию в начале 1960-х годов. В течение некоторого времени не проводилось особых летных испытаний XV-1, хотя в последние годы группы предварительного проектирования в Соединенных Штатах уделяли серьезное внимание комбинированному вертолету. Для этого интереса есть основания.

Комбинированные вертолеты имеют несущий винт и небольшое крыло достаточной площади, чтобы поддерживать летательный аппарат на крейсерских скоростях. В крейсерском режиме мощность снимается с несущего винта и подается на толкающие (или тянущие) воздушные винты, которые совместно с реактивной тягой обеспечивают поступательное движение. Затем несущий винт вращается на низких оборотах, обеспечивая лишь небольшую подъемную силу. Сопротивление в крейсерском полёте с разгруженным несущим винтом и создающим подъемную силу крылом меньше, чем сопротивление аналогичного вертолета, на котором несущий винт используется для обеспечения подъемной силы и поступательной тяги. Скорость чистых вертолетов составляет около 125 миль в час (201 км/ч), в то время как составные вертолеты могут похвастаться увеличением скорости примерно до 175 миль в час (282 км/ч).

Двумя основными техническими проблемами комбинированных вертолетов являются:

• • • Неблагоприятное воздействие крыла для крейсерского полета на скос потока, создаваемого несущим винтом, при вертикальных взлете и посадке. Подъемная сила несущего винта значительно изменяется, когда он проходит над крылом, и возникают вибрации.
    • Механические трудности при передаче мощности от несущего винта к двигательным установкам для поступательного полета. Как в XV-1, так и в Rotodyne несущий винт приводится в движение небольшими соплами на его законцовках. Горячий воздух высокого давления для этих сопел подается расположенными в фюзеляже компрессорами и проводится через лопасти несущего винта. Затем топливо сжигается в соплах на законцовках лопастей. Для поступательного полета используются воздушные винты. Также в конструкции комбинированных вертолетов для привода несущего винта можно использовать механические соединения, а также чистые реактивные двигатели и двигатели других типов.

Еще одной проблемой комбинированных вертолетов является шум от реактивных двигателей, расположенных на законцовках несущего винта. Большинство конструкторов считают реактивные двигатели наиболее эффективными силовыми установками для несущих винтов, поскольку они имеют малую массу и устраняют необходимость в рулевом винте для компенсацией крутящего момента. Однако при сжигании топлива в реактивных двигателях уровень шума достаточно высок, чтобы вызвать беспокойство даже у военных. Это может оказаться непреодолимым препятствием для коммерческой эксплуатации таких транспортных средств в центральных районах города или даже в терминалах аэропортов. Подавление шума снижает мощность до состояния холодной струи, когда мощность несущего винта обеспечивается газом высокого давления, отводимым от фюзеляжа без какого-либо сгорания у законцовок. Наиболее эффективные и конкурентоспособные комбинированные вертолеты будут использовать сгорание топлива на законцовках лопастей.

Выбор комбинированного вертолета в качестве первого разрабатываемого летательного аппарата с вертикальными взлетом и посадкой обусловлен несколькими причинами. Наиболее важными из них являются:

В Соединенных Штатах большинство технических заключений, сделанных экспертов из вооруженных сил, промышленности, университетов и правительственных научно-исследовательских институтов сводятся к тому, что комбинированный вертолет построен быстрее, чем любой другой тип СВВП. Подробные технические сведения об этом транспортном средстве являются более полными, поскольку оно использует винтокрылую несущую систему, аналогичную системе вертолета.

Скорость скоса потока, создаваемого большим несущим винтом комбинированного вертолета, будет ненамного больше, чем у обычного вертолета. Эта скорость будет меньше 100 узлов (161 км/ч) или скорости урагана. Конструктор выражает это в терминах нагрузки на диск (общая масса летательного аппарата, разделенная на площадь, занимаемую несущим винтом при его вращении), и максимальная нагрузка на диск для комбинированного вертолета составит около 10 фунтов на квадратный фут (49 кг/м²) по сравнению с пятью или шестью фунтами. за квадратный фут (24-29 кг/м²) для чистого вертолета. Поскольку диаметр несущего винта или пропеллера уменьшается до размеров поворотных крыльев и более совершенных СВВП, нагрузка на диск увеличивается до 50 фунтов на квадратный фут (244 кг/м²) и выше, а скорость вращения пропеллера достигает 200 миль в час (322 км/ч) и более. Пыль и мусор, поднимаемые такими машинами, ослепят пилота и забьют двигатели, если попытка посадки будет предпринята на неподготовленной местности, а не на чистых бетонированных площадках. Если реактивные двигатели повернуть вниз для подъема летательного аппарата, то их истекающие газы разрушат бетонированные площадки, если двигатели будут установлены неправильно и если взлет будет производиться быстро.

Проблема нисходящего потока, безусловно, является одной из самых серьезных проблем, с которыми сталкиваются СВВП с высокими летными характеристиками, и она должна быть решена прежде, чем эти летательные аппараты будут применяться военными. В настоящее время рассматривается ряд предложений, относящихся к подготовке посадочной площадки путем сброса материала с зависшего СВВП.

Следующий шаг в направлении комбинированного вертолета также обсуждался достаточно подробно. На основании сегодняшней информации представляется вероятным, что он будет представлять собой самолет с комбинацией поворотного крыла, отклоняемых закрылков и турбовинтовых двигателей, связанных друг с другом и способных передавать друг другу развиваемую мощность. Испытания в аэродинамической трубе и летные испытания с использованием различных типов СВВП показали, что данный тип, вероятно, будет иметь меньше технических проблем, чем у любого другого, и что его можно будет довести до работоспособного состояния за несколько лет сосредоточенных усилий.

Комбинированный самолет с поворотным крылом и отклоняемыми закрылками будет первым СВВП в том смысле, что в его конструкции отсутствует несущий винт, и, следовательно, его максимальная скорость может приблизиться к скорости любого другого самолета с аналогичной силовой установкой. С турбовинтовыми двигателями этот самолет сможет развивать скорость от 300 до 400 миль в час (от 483 до 644 км/ч) и превосходить самый современный вертолет по стоимости, массе доставляемой полезной нагрузки и затраченному времени на дальностях свыше 300-400 миль (483-644 км).

Двумя основными преимуществами данного типа СВВП являются:

• • • высокая устойчивость к сваливанию, если закрылки и предкрылки правильно сочленены с перемещением крыла при его повороте;
    • очень хорошие взлетно-посадочные характеристики в условиях перегрузки и действий с укороченных аэродромных площадок.

Крылья поворотного типа смогут обеспечивать посадку и взлет сильно перегруженного СВВП на площадках размером с футбольное поле с углами захода на посадку около 40 градусов.

Проведенные на сегодняшний день научно-исследовательские работы с различными типами СВВП показали, что все они имеют проблемы. Рассмотренный выше самолет с поворотным крылом и отклоняемых закрылков вследствие больших закрылков имеет очень сильную тенденцию к пикированию во время взлета и посадки. Самолеты с подъемными вентиляторами в крыльях или широким фюзеляжем с плоским днищем могут испытывать серьезную потерю подъемной силы при нахождении вблизи земли. Под самолетом создается отрицательное давление, поскольку выдуваемый по земле высокоскоростной поток воздуха от вентилятора создает сильный приток воздуха вдоль нижних поверхностей крыла и фюзеляжа.

Однако общепризнанный вывод относительно исследовательских работ в области СВВП заключается в том, что ни одна из выявленных проблем не является непреодолимой или противоречащей какому-либо основному закону полета. Мало кто сомневается в том, что удастся решить основные проблемы, выявленные нынешними экспериментальными самолетами, и построить несколько типов СВВП, которые обладали бы удовлетворительными характеристиками устойчивости и управляемости.

Например, только что упомянутые проблемы могут быть решены, поскольку их точная природа была выявлена в ходе исследований, проведенных в последние годы. Большой момент пикирования, возникавший на носовой части фюзеляжа или на консолях крыла с очень большими закрылками, можно нейтрализовать с помощью большой хорды крыла и при этом разместить ступицу воздушного винта точно в нужном месте относительно хорды крыла и правильно спроектировав регуляторы тангажа на горизонтальном оперении. Нежелательные условия обтекания и отрицательная подъемная сила под крылом или фюзеляжем, каждый из которых несет подъемный вентилятор, в значительной степени могут быть устранены, если выходное отверстие вентилятора на высоте не менее двух диаметров вентилятора над землей. Если удерживать вентиляторы на необходимом расстоянии от земли невозможно за счет использования длинных стоек шасси или высокорасположенного крыла, то, возможно, могут быть использованы интерцепторы для прерывания притока воздуха, который проходит вдоль нижней поверхности самолета.

Хотя многие эксперты считают, что СВВП с поворотным крылом и отклоняемым потоком воздуха, вероятно, придет на смену комбинированному вертолету, это, безусловно, зависит от объема поддержки, который в течение последних четырех лет получают другие типы летательных аппаратов с вертикальными взлетом и посадкой. Вентиляторы в кольцевых обтекателях, поворотные несущие винты, подъемные вентиляторы и другие типы средств обеспечения вертикальных взлета и посадки показали значительные перспективы, и вполне возможно, что даже при ограниченной поддержке один из них может составить серьезную конкуренцию. Несмотря на то, что государственная поддержка большинства этих летательных аппаратов, по-видимому, прекратится, несколько крупных компаний все еще рассматривают возможность в течение года или около того потратить деньги на некоторые СВВП.

Всегда считалось, что двигатели являются ключом к созданию успешных СВВП. Это особенно актуально сейчас, когда кажется, что проблемы с устойчивостью и управляемостью являются вполне преодолимыми. Поскольку двигатели становятся более мощными и эффективными, а их тяговооруженность увеличивается и снижается расход топлива, характеристики СВВП будут улучшаться, а сами они будут становиться все более и более экономичными. Единственным достоинством этого прогноза является тот факт, что эти усовершенствованные двигатели всегда могут быть использованы для улучшения характеристик вертолетов и обычных самолетов. При выполнении определенных задач СВВП никогда не будут более экономичными, чем вертолеты и обычные самолеты.

Существует часть диапазона режимов полета, для которого СВВП будут подходить наилучшим образом, но если потребуется перевозить большие грузы на относительно короткие расстояния и зависать в течение нескольких минут во время каждого полета, то вертолет с его большим медленно вращающимся несущим винтом окажется самым эффективным транспортным средством, которым когда-либо располагал человек. Если требуется пролететь 800 миль (1287 км) или больше и представляется возможность использовать длинные аэродромные полосы для взлета и посадки, то обычный самолет всегда будет более эффективным, чем СВВП. Обычному самолету требуется установленная тяга, равная примерно одной трети его максимальной общей массы, потому что на взлете подъемную силу создает его крыло. В свою очередь для выполнения СВВП вертикального взлета и посадки требуется установленная тяга не менее 105% от его полной массы.

В ближайшем будущем основными преимуществами СВВП, по-видимому, станут их способность взлетать и садиться вертикально и достаточно экономично эксплуатироваться на дальностях полета от 300 до 800 миль (от 644 до 1287 км). Многие конструкторы также видят в СВВП как возможных соперников в области сверхзвуковых самолетов, которыми они могут стать в шестидесятые годы и в последующее десятилетие.

подъемно-вентиляторный двигатель компании General Electric с моделью СВВП во время успешных испытаний в аэродинамической трубе

этот предлагаемый армейский транспортно-десантный самолет с вертикальными/короткими взлетом и посадкой будет оснащен расположенными в консолях крыла подъемными вентиляторами

вооруженный самолет-разведчик и самолет наблюдения будет оснащен установленными в фюзеляже подъемными вентиляторами

двухместный самолет наблюдения с подъемными вентиляторами будет нести камеры и радиоэлектронное оборудование

Hiller X-18 с соосными винтами противоположного вращения демонстрирует поворотное крыло для вертикального взлета и перехода в горизонтальный полет

комбинированный вертолет Fairey Rotodyne с реактивными соплами, установленными на законцовках лопастей несущего винта

Ryan Vertiplane с отклоненными закрылками для выполнения вертикальных взлета и посадки

Bell X-14 оснащен реактивной двигательной установкой отклоняемого типа

комбинированный вертолет McDonnell XV-1 с толкающим воздушным винтом

Fairchild VZ-5Fa оснащен поворотным крылом, отклоняющимися закрылками и четырьмя воздушными винтами

Doak 16 – это армейский VZ-4da с туннельными вентиляторами, которые поворачиваются на 90 градусов

поворотные роторы объединены с неподвижным крылом в конструкции комбинированного вертолета Bell XV-3

источник: J. S. Butz jr. «The future of VTOL aircraft» «Flying» 1961-01, pages 32-35, 94-96

перевод впервые опубликован – https://vk.com/@710541705-the-future-of-vtol-aircraft