lion_rat (lion_rat) wrote,
lion_rat
lion_rat

Category:

Про вертикально взлетающие самолёты

Когда я был маленьким киндером, то бездумно повторял весьма распространённое мнение: самолёт вертикального взлёта и посадки (СВВП) должен быть с одними лишь подъёмно-маршевыми двигателями. Потому что отдельные подъёмные двигатели - это большой мёртвый груз, который самолёт носит в горизонтальном полёте, и, таким образом, наихудший вариант - делать СВВП с только маршевыми и только подъёмными двигателями, поскольку мёртвый груз в этом случае максимален. А для СВВП это смерти подобно: у таких самолётов весьма велик расход топлива на взлёте, и, следовательно, весовое совершенство должно быть максимальным.

Однако потом знаний по теме прибавилось, и уверенность в этом сошла на нет. На смену её пришло убеждение в том, что именно раздельная силовая установка оправдывает существование СВВП, а всякие там конвертопланы, "Харриеры" и F-35B есть порочные в самой своей сути компромиссы, в которых ради экономии массы гробятся и ЛТХ, и уникальные возможности по взлёту и посадке, а также спасению ЛА и всего, что на борту в случае серьёзных неприятностей :)



Когда французы в конце пятидесятых годов принялись разрабатывать свой сверхзвуковой истребитель-СВВП Dassault Mirage IIIV и его прототип, Dassault Balzac V, вариант наподобие "Харриера" с подъёмно-маршевым двигателем рассматривался, однако в итоге самолёт был сделан с одним маршевым и восемью подъёмными двигателями. И на то были веские причины :)

"...Специализированные малогабаритные подъемные двигатели, устанавливаемые на СВВП, должны были использоваться только во время взлета и посадки подобно шасси или закрылкам. Исходя из того, что максимальная взлетная масса вертикально взлетающего самолета была строго ограничена, требовалась жесткая экономия массы как конструкции планера, так и запаса топлива, необходимого для боевого вылета. При этом масса конструкции не могла служить критерием выбора оптимальной схемы вертикального взлета. Независимо от типа системы - с отклонением вектора тяги или система с раздельными двигателями, общая масса силовой установки самолета оказывалась приблизительно одинаковой.

Расчеты показали, что масса двигателя с отклоняемым вектором тяги и суммарная масса маршевого и подъемных двигателей сопоставимы, причем вторая система даже имеет некоторое преимущество. Схема самолета с силовой установкой, состоящей из одного двигателя, очень стесняла конструкторов. Дело в том, что прежде чем располагать двигатель вблизи центра тяжести самолета, необходимо было решить трудную задачу размещения топлива, вооружения и бортовых систем, масса которых изменялась в полете. К тому же турбореактивный двигатель с тягой, превышающей взлетный вес самолета, не мог быть оптимальным как на взлетном, так и на крейсерском режимах.

Расчеты показывали, что у однорежимного двигателя расход топлива будет на 30 процентов меньше. В единственном в то время двухрежимном двигателе BS.53 "Пегас" с большим коэффициентом двухконтурности "холодная" струя из двух передних сопел создавала примерно половину тяги двигателя. Скорость истечения "холодной" струи была слишком мала (вследствие низкой температуры) для того, чтобы создавать достаточную тягу для преодоления звукового барьера. Кроме этого, очень трудно было спроектировать единый воздухозаборник, оптимальный для полетов как на дозвуке, так и с числом М, близким к двум единицам.

У СВВП со специализированным маршевым и небольшими подъемными ТРД можно было установить воздухозаборники двух типов - для маршевого двигателя и подъемных двигателей. Площадь выходного сечения сопла маршевого двигателя можно было сделать равной площади сечения заднего среза фюзеляжа, что существенно снижало донное сопротивление самолета, являющееся самой большой частью сопротивления самолета в сверхзвуковом полете.

Вертикально взлетающий самолет с универсальной силовой установкой, состоящей из единственного мощного двигателя, проигрывал в этом смысле, так как большое сужение хвостовой части фюзеляжа являлось причиной значительного донного сопротивления и, кроме того, обтекатели поворотных сопел сами по себе являлись дополнительным источником сопротивления. При эксплуатации также предпочтительнее было использовать раздельные двигатели: летчику удобнее, когда разделены параметры подъемной силы и тяги, а обслуживающему составу легче снимать и обслуживать небольшие двигатели массой до 200 кг, в то время как для обслуживания большого двигателя с отклоняемым вектором тяги, расположенного в центре тяжести самолета, подчас требовался демонтаж важных элементов конструкции и проводки управления.

Еще один важный вопрос, изучавшийся инженерами фирмы Dassault, - надежность двигателей и возможность их отказа. Дело в том, что для вертикально взлетающего летательного аппарата при взлете должна была обеспечиваться, по меньшей мере, такая же безопасность, как для классического самолета с одним двигателем. У обычного самолета при отказе двигателя не исчезает подъемная сила, а его система управления сохраняет работоспособность. Машина с неработающим двигателем будет иметь определенную скорость снижения, от величины которой зависит, сможет она совершить нормальную или аварийную посадку. Во всех случаях сохраняется управляемость, что позволяет летчику в благоприятных условиях катапультироваться и спастись.

Для СВВП с единственным универсальным двигателем его отказ при взлете приведет к полной потере подъемной силы и управляемости, так как для управления требуется подача сжатого воздуха от компрессора двигателя. При этом гибель самолета становится неизбежной. Более того, поскольку во время падения такого самолета управлять его положением в пространстве невозможно, не гарантируется спасение летчика. Свободное падение характеризуется быстро возрастающей скоростью, и даже при строго горизонтальном положении фюзеляжа отсутствует гарантия срабатывания катапультируемого кресла.

Если же на самолете подъемная сила создается восемью двигателями, то отказ одного из них приведет к потере только 1/8 подъемной силы. При этом полностью сохраняется работоспособность реактивной системы управления, а семь работающих двигателей компенсируют потерю тяги отказавшего двигателя. Момент, вызванный асимметрией подъемной силы, может компенсироваться реактивной системой управления или выключением двигателя, симметрично расположенного относительно центра тяжести самолета с одновременным увеличением тяги работающих подъемных двигателей. При этом всегда остается возможность при отказе подъемного двигателя в первые секунды взлета (до высоты менее 5 м) благополучно посадить самолет.

Если же авария произойдет позднее, то может быть осуществлен переход в горизонтальный полет с использованием форсажа маршевого двигателя. Кроме того, схема с раздельными двигателями повышает безопасность в случае отказа в полете двигателя, создающего тягу. Ведь в таком случае всегда можно повторно включить в полете подъемные двигатели и осуществить вертикальную посадку на подходящую площадку."


По-моему, наиболее важным во всей этой цитате из статьи о "Бальзаке" на "Уголке Неба" является даже не вопрос массы силовой установки и расхода топлива, а именно простота управления и живучесть. По статистике, на взлёт и посадку приходится порядка 90% всех авиационных происшествий, из них половина вызвана человеческим фактором. Учитывая, что одни из наиболее востребованных применений СВВП - быстрая доставка и высадка войск туда, где они срочно требуются (в том числе где нет никакой ВПП и противник ведёт сильный огонь), поиск и спасение людей на море (в том числе при неблагоприятных погодных условиях, с горящих и взрывающихся объектов типа нефтяных вышек и судов), то способность успешно совершать взлёт, посадку и висение даже в тяжёлых условиях и с многочисленными повреждениями явно весьма нелишняя.

Широко распроспространено мнение, что способность совершать вертикальный взлёт и посадку находится в прямом противоречии со способностью совершать полёты на большую дальность и в течении длительного времени, потому что на вертикальый взлёт и посадку тратится много топлива, и обеспечивающие их устройства в горизонтальном полёте являются мёртвым грузом. А у самолётов, которые взлетают вертикально только за счёт подъёмных двигателей, этот мёртвый груз наибольший. Однако существует пример, косвенно опровергающий это мнение :)



Это знаменитый Rutan Model 76 "Voyager", на котором лётчик-испытатель Дик Рутан и лётчица-спортсменка Джина Игер в 1986 году поставили рекорд дальности, облетев вокруг земного шара без промежуточных посадок и дозаправок. Среди разных интересных особенностей его конструкции была и такая: на самолёте были установлены два двигателя разной мощности, и самый мощный из них работал только на взлёте, являясь во время всей остальной кругосветки тем самым пресловутым мёртвым грузом и страховкой на случай отказа маршевого движка, подобно подъёмным двигателям СВВП. И это - на самолёте, который предназначен для установления рекорда дальности полёта, на котором, казалось бы, весовое совершенство должно быть на пределе возможностей, и борьба должна вестись за каждый грамм! А тут - взяли и удвоили массу силовой установки, воткнув второй двигатель, работающий только на взлёте и посадке, да ещё и мощнее маршевого. Но на то были веские причины, и знаменитого Бёрта Рутана сложно заподозрить в том, что он не умеет конструировать самолёты.

"...Гондола с кабиной экипажа и двумя поршневыми двигателями располагались на крыле. Передний двигатель воздушного охлаждения мощностью 130 лошадиных сил с тянущим винтом работал на взлете, а задний, жидкостного охлаждения, мощностью 110 лошадиных сил использовался для маршевого полета. Двигатели были изготовлены фирмой "Теледайн Континенталь" по заказу Пентагона для беспилотных разведывательных самолетов.

"...Самой большой находкой конструктора Б. Рутана, - пишет В.А. Киселев в журнале "Техника и наука", - является разработка и применение на "Вояджере" концепции двух двигателей. Уже отмечалось, что для экономии топлива нужно применять двигатель минимальной мощности. Hо в процессе полета на дальность вес самолета снижается за счет выработки топлива. У "Вояджера" это снижение тоже рекордно - в 5 раз! Следовательно, в эти 5 раз желательно уменьшить и мощность силовой установки. Снижать мощность за счет такого значительного дросселирования и уменьшения числа оборотов двигателя невыгодно; удельный расход топлива растет; желательно совершать полет при оборотах, близких к расчетным. В такой ситуации очень выгодным явилось решение использовать два работающих двигателя в начальный период полета и только один - в остальной период, когда выработка горючего снизила вес самолета".

В результате расход горючего у "Вояджера" составил в среднем всего 91 грамм на километр. Это примерно столько же, сколько расходуют обычные легковые машины типа "Жигулей". А ведь самолет в несколько раз тяжелее и к тому же не ехал, а летел со средней скоростью 185 километров в час. Два двигателя, это не только экономия горючего, но и повышение безопасности. Они также в экстренном случае позволяют увеличить мощность при необходимости преодоления грозового фронта или горных вершин. По всей видимости, именно концепция двух двигателей явилась тем последним звеном, которое в итоге позволило достичь успеха."


Можно рассудить ещё и так. Допустим, при прочих равных, СВВП, скорее всего, будет летать на значительно меньшую дальность и унесёт меньшую полезную нагрузку, чем самолёт с обычным взлётом и посадкой. Однако характеристики всех самолётов - обычных и СВВП - улучшаются по мере совершенствования их конструкций. И в какой-то момент дальность и грузоподъёмность СВВП может достигнуть некого порога разумных требований к ним, выше которого эти характеристики если кому и потребуются, то лишь для каких-то отдельных назначений машин. А обычные самлёты, пусть даже и с более высокими дальностью и грузоподъёмностью, далеко за этот порог перешагнут, то есть эти характеристики у них станут неоправданно высокими. Например, пусть СВВП после вертикального взлёта с максимальной нагрузкой, удовлетворяющей большинству требований для большинства применений самолётов, способен совершить кругосветный полёт (с некоторым запасом) и после этого вертикально приземлиться (и, если потребуется, в промежутке совершить минимум одну вертикальную посадку и взлёт без дозаправки - что-нибудь выгрузить или наоборот принять). А обычный самолёт способен при большей нагрузке и той же скорости совершить две-три кругосветки. СВВП, получается, сможет достигнуть любой точки Земли из места старта, выполнить там задачу и затем вернуться, что, скорее всего, удовлетворит требованиям для большинства применений авиации, тогда как обычный самолёт с его двумя-тремя кругосветками будет востребован разве что для специфических применений, где летать без посадок надо очень долго. Можно увеличить нагрузку, разменяв её на дальность полёта - но она и так уже велика для большинства применений. С другой стороны, если самолёт легко может унести ещё много груза, то это могут быть подъёмные движки с запасом топлива для них - опять приходим к СВВП с раздельной силовой установкой.

Таким образом, СССР, строивший авианесущие крейсера с "вертикалками" вместо клонов "Нимица", скорее опередил время, чем отстал от империалистов, поскольку замахнулся сразу на будущее авиации :) Тогда как строительство советского "Нимица" было бы, по сути, признанием собственного поражения в Холодной войне: мало того, что ухватились бы за решение мрачного настоящего, а не светлого будущего, ради которого вроде бы старались, так ещё и повторяли бы за теми, лучшей и более новой альтернативой которым намеревались быть - т.е. ухватились вообще за прошлое. Сейчас этой дорогой поражения альтернативы нынешним порядкам идёт Китай.

Если же заглянуть в будущее, то дилемма "или СВВП - или самолёт с большой дальностью и нагрузкой" разрешится либо путём объединения очень простых подъёмных двигателей с конструкцией планера (с перспективой замены ПуВРД на их более продвинутые версии - детонационные движки), что в значительной мере ликвидирет мёртвый вес, либо путём беспроводной передачи передачи энергии на силовую установку с внешнего источника (Солнце, микроволновый излучатель, громоотводы и.т.п.), что ликвидирует потребность иметь на борту солидный запас топлива.

Более близкими к настоящему являются решения Р.Л.Бартини, которые он намеревался испытать на ВВА-14 для последующего применения на других проектах: комбинация воздушной подушки, взлёта на эффекте экрана, поддува под него маршевыми двигателями и отдельными подъёмными в теории позволяли вертикально взлететь с тяговооружённостью меньше единицы, уменьшив расход топлива и увеличив аэродинамическое качество на всех режимах полёта.
Tags: Забытое будущее, Транспорт будущего, Футурошок
Subscribe

  • "Брат-1" как пропаганда

    Когда я был намного моложе и зеленее, фильмы вроде этого заходили на ура. Потом стало не до них, и вообще не до кино. Однако со временем приходит…

  • Как пишется история

    Есть такая книга - Михаил Постников "Критическое исследование хронологии древнего мира. Античность. Том 1". Михаил Постников, советский математик, в…

  • История не подтверждается - 2

    Доводилось читать, что знаменитый Шампольон, основатель египтологии, расшифровавший египетские иероглифы, уничтожил оригиналы египетских настенных…

  • Post a new comment

    Error

    Anonymous comments are disabled in this journal

    default userpic

    Your IP address will be recorded 

  • 0 comments