ЗАСТОИ. Непредвзятый анализ предшествующего развития авиации показывает, что все его пути зашли в тупик. Для подтверждения — небольшой экскурс в историю.
В начале века самолетостроение развивалось небывалыми темпами, и особенно быстро совершенствовались внешний вид и конструкция планера. Но уже в середине 30-х американцы построили транспортный DC-3. Аэродинамическая схема оказалась настолько удачной, что компоновка сохранилась до наших дней. Действительно, посмотрите внимательно: большинство пассажирских винтовых самолетов — практически копии DC-3 с некоторыми (непринципиальными) вариациями. Более того,— и реактивные лайнеры «растут» из того же «корня». Выходит, это направление авиационной технологии 60 лет почти не развивалось.
Другой пример — двигателестроение. Поршневые двигатели до сих пор широко применяются в авиации, хотя принципиально их конструкция не меняется уже около 100 лет.
Качественный скачок 40—50-х гг., когда началось широкое применение газотурбинных двигателей, совпал с началом интенсивного развития вертолетостроения. С тех пор — более полувека — компоновка как вертолетов в целом, так и двигателей, остается практически неизменной.
Разумеется, прогресс не остановился. Совершенствуются отдельные узлы, агрегаты и механизмы, летательные аппараты начиняются современной электроникой. Но все эти изменения носят частный характер. Очевидно, что наступило время кардинальных, качественных преобразований авиационной техники.
Почему же авиастроение так упорно буксует? Может быть, все объясняется его спецификой: на разработку принципиально новой модели требуются годы напряженного труда и миллиардные затраты, а потому конструкторы предпочитают не рисковать, идя проторенными путями. Увы, именно эти-то пути и привели в тупик. Ясно, что необходимо выбирать новые, перспективные направления.
КРЫЛО — ЛИШНЯЯ ДЕТАЛЬ! Прежде чем предложить концепцию летательного аппарата будущего, — небольшой экскурс в аэродинамику.
ся крыльями, а на больших скоростях их размеры могут быть минимальными. Но ведь предложено множество конструкций таких машин, какую выбрать?
Обратимся к природе. Известно, что птица тратит примерно в 10 раз меньше энергии, чем современный самолет. Однако Большие размах и площадь самолетного крыла, его механизация предназначены для одной цели — снизить взлетно-посадочную скорость. Однако на крейсерском режиме полета крыло создает большое лобовое сопротивление. Любой самолет — всегда компромисс между многими противоречивыми требованиями, в данном случае: лучше взлетно-посадочные характеристики — меньше крейсерская скорость, а рост крейсерских показателей приведет к ухудшению взлетно-посадочных. Конструкторы вынуждены оснащать крылья механизацией или складывать их…
А ведь на скорости более 600 км/ч воздух приобретает упругость жидкости, и для создания необходимой подъемной силы достаточно несущих свойств специально профилированного фюзеляжа. Тогда крылья играют только вредную, тормозящую роль: с ростом скорости лобовое сопротивление увеличивается в геометрической прогрессии.
Вертикальновзлетающий самолет (СВВП) на взлете и разгоне не пользует
однако работают они совершенно по разному! Птица взлетает
как КОНВЕРТОПЛАН -сначала крылья машут в горизонтальной плоскости, затем,по мере разгона, постепенно разворачиваются, плоскость взмахов становится вертикальной. Причем крыло птицы при взмахах имеет мертвые точки, у винта же их нет — значит, полет самолета с поворотными винтами в принципе может быть даже экономичней, чем птицы. Многие авиастроительные фирмы мира разрабатывают конвертопланы. Самый известный и удачный из них — V-22 «Оспри» («Белл Аероспэйс», США) — выглядит как обыкновенный самолет с крыльями и оперением, включающий также все элементы вертолета. В этих аппаратах совмещено несовместимое: для вертолета лишние крылья и оперение, а самолету не требуются большие винты и автомат перекоса.
Но их гибриду, вообще-то, не нужно ни то, ни другое! Так, вертолету необходим большой винт, чтобы обдувать фюзеляж, на что тратится до 30% воздушного потока. У конвертоплана эта проблема отсутствует, поскольку винты расположены в стороне от фюзеляжа.
Известно, далее, что сила сопротивления вращению винта зависит от его диаметра в пятой степени, а от оборотов — в третьей. Тяга, развиваемая винтом, зависит от диаметра в четвертой степени, а от оборотов — во второй.
Значит, уменьшение его диаметра приведет к значительному сокращению сопротивления и менее значительному — тяги, а если увеличить обороты, то рост сопротивления будет ненамного больше, чем тяги.
Следовательно, уменьшение диаметра винта можно компенсировать увеличением оборотов. Тогда отпадает необходимость в громоздких редукторах, по массе и размерам сопоставимых с двигателем (обычно частота вращения винта значительно меньше, чем вала турбины). Кроме того, немаловажно, что ресурс лопастей вертолетов значительно меньше, чем у самолетов — значит, КПД, эффективность и надежность самолетных винтов гораздо выше, чем вертолетных.
Прежде чем продолжить, вернемся еще раз к птицам и посмотрим, как летает обыкновенный воробей. Сделав несколько взмахов и разогнавшись, он складывает крылья и летит некоторое время по инерции, отдыхая. Далее снова разгоняется и снова отдыхает. То есть, у воробья вообще нет планирующего полета, в этом случае машущее крыло выполняет ту же роль, что и пропеллер самолета. При этом скорость и маневренность птицы не может не вызывать восхищения.
Так вот, на рисунке 1 представлена новая концепция летательного аппарата с вертикальным взлетом и посадкой, устраняющая недостатки, о которых шла речь выше. Это конвертоплан с поворотным крылом, на котором установлены двигатели с самолетными винтами. Крылья минимальных размеров, только для крейсерского полета (и значительно меньше, чем для взлета). Еще одна оригинальная особенность: задняя часть мотогондол переходит в стойки шасси, которые приводятся в рабочее положение при повороте двигателей — исключается механизм уборки шасси и его возможные отказы.
Мотогондолы с двигателями, шасси и крылья жестко связаны центропланом, который поворачивается
вокруг поперечной оси самолета на угол до 120°, т.е. в посадочной конфигурации нос самолета можно опустить вниз на 30°.
Это обеспечит необходимый для СВВП обзор на взлетно посадочных режимах несмотря на пологое остекление кабины пилотов.
Центроплан состоит из двух лонжеронов: передний является осью вращения, а задний упрятан в специальной нише фюзеляжа.
Такой аппарат обладает рядом ценных преимуществ по сравнению с обычным, даже самым современным, самолетом.
Во-первых, значительно снижается лобовое сопротивление (на 50—60%), вследствие чего увеличивается скорость, экономичность, а значит, — и дальность полета.
Во-вторых, уменьшается собственный вес конструкции, следовательно, — повышается грузоподъемность.
В-третьих, наш «воробьиный» СВВП обладает почти 100%-ной безопасностью на всех этапах полета. Например, при отказе одного двигателя полет продолжается на другом — второй винт вращается через трансмиссионный вал. При отказе же обоих двигателей аппарат переводится в вертолетный режим и безопасно садится на авторотации винтов.
Подобные СВВП меньше зависимы от погодных условий, но самое главное — для таких машин не нужны дорогостоящие аэродромы.
С ростом скорости полета уменьшается фактический угол атаки, под которым лопасть пропеллера встречается с набегающим потоком воздуха. Можно бы увеличивать установочный угол (между хордой лопасти и плоскостью вращения винта), или, как чаще говорят, шаг винта, но тогда все большая часть воздуха не отбрасывается назад, создавая тягу, а закручивается и разлетается в стороны.
Поэтому изменять только шаг винта недостаточно: такой подход действен в ограниченном диапазоне скоростей. Чтобы расширить его, необходимо предусмотреть механизм, позволяющий изменять передаточное число от двигателя к винту (т.е. частоту вращения винта,обычно постоянную) — своеобразную «коробку передач».ДЛЯ традиционного самолета (с большими крыльями) применять его, возможно, не имеет смысла. У нашего же конвертоплана скоростной потенциал значительно выше, для его наиболее полной реализации описанный агрегат необходим. Автором разработан оригинальный редуктор, который справится с ролью «коробки передач». Без сомнения, как только подобный самолет будет построен, он сразу же станет самым дешевым, безопасным и популярным видом транспорта.
ДЛЯ ВСЕХ РЕЖИМОВ. Винт еще способен на многое, но напомню: уже более полувека совершенствование авиации связано с турбореактивными двигателями (ТРД). И все это время принципиальная схема последнего остается неизменной, хотя далеко не идеальна. Как ее улучшить?
Возможны несколько направлений. Например, кроме вращающихся турбин и компрессоров, в ТРД имеются еще неподвижные направляющие аппараты, призванные спрямлять закрученный газовый поток. Естественно, часть его энергии при этом теряется, и немалая. Почему бы не заменить неподвижные преграды рабочими колесами, вращающимися в противоположную сторону (рис. 3)?
Тогда значительно, почти в два раза, сокращается длина агрегата. Менее зримо, но тоже существенно, уменьшается число деталей двигателя, что способствует повышению его надежности.
Кроме того, надежность можно повы¬сить и за счет охлаждения лопаток… набегающим потоком воздуха! Обычно для этих целей используют горючее, а теплосъемные качества воздуха считаются недостаточными. В данном же случае организуется его постоянный подсос из центральной полости ротора через профилированные каналы, и качества компенсируются количеством.
Такой двигатель может быть установлен на реактивном варианте нашего конвертоплана (рис. 2).
