Конструктивна складність крил реактивних літаків

Історія розробок та будування літака з перемінною геометрією радянським авіаконструктором В. Шевченком. Зліт з рампи як одне з рішень проблеми крапкового старту, його виконання літаком з вертикальним злетом і посадкою. Перспективи повітряних авіаносців.

Конструктивна складність крил реактивних літаків


"Конструктивна складність крила зі змінюваної стрілкою перешкоджає його широкому застосуванню", - констатували в 1955 році автори англійського довідника "Реактивні літаки світу". Проте , уже тоді, повозивши з " сирими", недосконалими конструкціями, авіабудівники переконалися: застосування крила, стрілка якого міняється в залежності від швидкості польоту, дозволяє на третину збільшити радіус дії машини і на чверть знизити її посадкову швидкість. Строго говорячи, змінювана геометрія, у широкому змісті цього слова, не така вуж новинка в авіації. шасі, повітряний гвинт змінюваного кроку, усілякі засоби посадкової механізації - дія кожного з цих пристроїв зв'язано зі зміною конфігурації літального апарата. Та й сам принцип керування літаком заснований на відхиленні кермових поверхонь чи крила оперення. Ще брати Райт змушували коритися свій аероплан, перекошуючи кінцеві частини площин... Важко створити машину, позбавлену звичайних "недуг" досвідченого літака. Випуск закрилків може викликати різке перебалансування апарата, утруднити пілотування, недостатня твердість крила - усілякі вібрації і як наслідок - навіть руйнування конструкції.

Случалося, міцне, але надто " гнучке" крило так скручувалося при відхиленні елеронів, що діяли вони "навпаки", накреняли літак усупереч діям пілота в зворотну сторону...

Словом, навіть традиційні методи зміни геометрії літака таять у собі багато сюрпризів. Проблем куди більше, якщо зазіхають на статичність самого крила: змінюють у польоті його розмах, стрілка, зовсім забирають, скажемо, одне з крил біплана. З труднощями не справився французький конструктор Махонін, що побудував на початку 30-х років літак з т крилом, що розсовується. Механізм не був навіть перевірений у польоті.

Літаки з перемінною геометрією удалося побудувати радянському авіаконструктору і льотчику В. Шевченко. От що написав у звіті про іспит монобіплана Шевченко льотчик-випробувач Г. Шянов: " Літак протягом усього процесу збирання зберігає стійкий політ і не вимагає додаткової роботи рулями. Вібрацій, зривів і інших ненормальних явищ не спостерігається. Збирання відбувається протягом 6-7 с. По відчуттях льотчика процес збирання і випуску крил може бути збиранню і випуску шасі звичайної машини ".

ДО 1946 року, створивши чимало літали зразків і проектів Шевченко впритул підходить до ідеї літака зі змінюваної стрілкою крила і розробляє, видимо, перший у світі проект такої машини.

Чому ж, "обпікши" на перших зразках, що літали, конструктори продовжували займатися перемінної стрілкою?

... Давно минули часи, коли співвідношення максимальної і посадкової швидкостей складало три-чотири.

Тепер як би ні росла швидкість літаків, їхні колеса не можуть стикатися з землею при ще більшій швидкості - вона і так уже перевалила за 300 км/ч. От і виходить: з кожним кроком уперед швидкісний діапазон збільшується, а відношення граничних - максимальної і посадковий - швидкостей підскочило до десяти.

Крила цілком задовольняють своєму призначенню в широкому діапазоні - від до швидкості, що відповідає подвоєної звуковий. А от на малих швидкостях стрілка заважає. Таке крило додає машині надлишкову поперечну стійкість, утрудняє виконання маневрів.

Несущі властивості площин гірше, ніж у прямого крила: величину піднімальної сили визначає не швидкість потоку, що набігає, а її складова, спрямована перпендикулярно передній крайці крила. Вдобавок при польоті на великих кутах атаки знижується ефективність засобів механізації, що погіршує злітно-посадочні властивості машини. Тим часом для сучасного літака знаходиться робота практично на усіх швидкостях і висотах.

Проектувати ж машину класичним методом компромісів між суперечливими вимогами стає усе сутужніше і сутужніше.

Конструктори намагаються уникнути достатку типів бойових машин, прагнучи утілити властивості кожної з них в одній, універсальної, багатоцільовий. Подібний літак повинний на гранично малій висоті з надзвуковою швидкістю проникати на територію супротивника. Його ж приходиться використовувати для перехоплення ворога, що летить на граничній висоті. Не виключено, що багатоцільовій машині прийдеться супроводжувати в далекому рейсі бомбардувальник.

Якщо рішенню однієї з цих задач буде сприяти крило малої площі і великий, то для іншої, скажемо, для польоту на дальність, вимоги діаметрально протилежні.

Де ж вихід? Звичайно, вже в схемі монобіплана. Але сам принцип зміни геометрії найголовнішого елемента літальної машин-крила допоміг і цього разу . На авіаційному святі в Домодедові (1967 р.) глядачі бачили, як над трибунами проносилися радянські літаки з крилом перемінної с. Плавно і швидко займають крила положення, найбільш придатне для поставленої бойової задачі.

Це непроста задача - змусити крило в будь-якім положенні виконувати свою основну функцію і не бути джерелом різномастих коливань. Конструкторам потрібно було домогтися, щоб при зміні кута машина не втрачала стійкості, була керованою. Адже мало того, що при цьому переміщається маса, "гуляє" і крапка додатка аеродинамічного навантаження на несущу поверхню, фокус крила, інакше впливають один на одного повітряні потоки на крилі, фюзеляжі, хвостовому оперенні. А поворотний вузол крила - це цілий комплекс проблем! По-перше, вузол повинний бути легким і компактної і при цьому витримувати колосальні навантаження і не мати люфтів. По-друге, він повинний забезпечити строгу синхронність відхилення консолей.

І усе-таки всі найважливіші проблеми виміру стреловидности були успішно вирішені. Краще тому свідчення - польоти таких машин у СРСР, Франції, США. Але авіабудівники йдуть далі. На сторінках авіаційних журналів миготять зображення літаків наступного покоління. Судячи з цих проектів, принцип змінюваної геометрії застосований не тільки до крил. У польоті міняється конфігурація всього апарата.

ЛІТАКИ З ВЕРТИКАЛЬНИМ ЗЛЕТОМ І ПОСАДКОЮ

Варто простягнути історичні зв'язки, розповідаючи і про іншій, теж неновій ідеї - літаку з вертикальним злетом і посадкою. Але не тільки тому, що історія цікава, так сказати, сама по собі. Вертикально злітають апарати і літаки з перемінної стрілкою крила - спроба різними засобами вирішити одну і цю же проблему, протиріччя між швидкісними і злітно-посадочними режимами. І якщо конструктори -"геометри" прагнуть полегшити все-таки нормальні - по-літаковому - зліт і посадку, те "вертикалки" геть-чисто усунули і розбіг і пробіг.

Одне з рішень проблеми крапкового старту - зліт з рампи. З могутнім двигуном, з ракетними прискорювачами, на форсажі винищувач кулею зривається зі спеціального спорудження - рампи і, що підпирається величезною тягою, йде вгору. Так наприкінці 50-х років стартував на Мить-19. " Шиянов злітав з віддаленої крапки аеродрому, - згадує льотчик-випробувач И. Шелест, - і видовище це сприймалося в першу секунду як щось надприродне, як вигнання з пекла провиненого сатани. Начебто раптом земля і з розпеченою магмою виплеснула деякий чорний предмет. Двома секундами пізніше, випереджаючи кромішній вогонь і дим, свідомість виявило в темному предметі літак... Потім пекельний гуркіт різко обривався. Миті назустріч сонцю, небу, життю ". Однак машині, що може так злітати, не вистачало " крапкової" посадки. Сідала Мить, як звичайно, з вереском покришок об бетонку, з випущеними на максимальний кут закрилками, іноді з гальмовим парашутом.

Злітав з рампи й американський " Супер Сейбр ". Двигун (на форсажі) розвивав тягу 7250 кг. Стартовий прискорювач 59 тис. кг! Уже через 4 з послу відділення від рампи швидкість досягала 440 км/ч.

Без рампи не міг ні стартувати, ні приземлятися американський літак вертикального злету і посадки Райан Х-13. Оснастили машину могутнім ТРД, тяга якого перевищувала злітну вагу Х-13.

Разом з рампою машина приймала вертикальне положення, повисала на гаку, а стартуючи, від'єднувалася від нього. Посадка жадала від пілота ювелірної роботи: потрібно було плавно, збільшуючи кут атаки, загальмувати Х-13, перевести його з горизонтального у вертикальне положення, зачепитися гаком за трос, підвести машину до рампи і "зістикуватися" з нею. На висінні пілот маніпулює газовими рулями і, якщо кабіна не оснащена поворотним кріслом, знаходиться в не занадто зручній позиції - ногами догори.

Непросто було і керувати літаками, що зависли. Порив вітру, "власна" вихлопний струмінь, відбитий бетонкою, - усе це перешкодило Х-13 стать бойовою машиною.

Будували в 50-х роках гвинтові літаки, що обходилися без рампи, Конвер ХРУ-1 і Локхід ХРУ-1. Шасі розташовувалося: у " Конвера " на кінцях хрестоподібного стабілізатора, а в "Локхіда" на кінцях трикутного крила, верхнього і нижнього кола. Стартували машини з положення "коштуючи на хвості" і переходили потім у "нормальний" політ.

Подібно першим літакам з перемінної стрілкою, ранні вертикально злітають не стали основою нинішніх апаратів такого типу, але допомогли конструкторам усвідомити всю складність проблеми, намітити коло ще не вирішених задач. Важливо було не просто знайти оптимальну схему СВВП (так коротко називають літаки з вертикальним злетом і посадкою) , а зрозуміти загальні закономірності "висячого" польоту, посадки з урахуванням впливу землі, керування без всяких аеродинамічних рулів.

Для цих цілей у нашій країні побудували літаючий стенд "Турболет" літаючий ТРД зі змонтованими на ньому кабіною, шасі, а саме головне - хрестоподібно розташованими штангами газових рулей. Літав на " Турболеті " Ю. Гарнаев. Схожий експериментальний апарат створила й англійська фірма "Роллс-Ройс".

На відміну від нашого "Турболета ", у якого двигун розташовувався вертикально, ТРД "англійця" розташували "лежачи"...

Струмінь направляли вниз і в сторони спеціальними трубами-дефлекторами. Двигуни, що змінюють своє положення в залежності від режиму - злету-посадки, розгону-гальмування, крейсерського польоту, ТРД із дефлекторами для відхилення струменя, комбіновані силові установки, що складаються з незалежних друг від друга маршового і піднімального двигунів, - СВВП таких схем побудовані у ведучих авіаційних державах. Прикладами літаків з реактивним струменем, що відхиляється, можуть служити радянський СВВП, показаний у 1967 році на авіаційному святі Хоукерсіддлі "Херріер", кілька варіантів якого серійно випускаються в Англії.

Про перспективи вертикально злітає авіації ще в 1966 році журнал "Спейс енд еронотікс" (США) писав так: "... Двигун зі змінюваним напрямком вектора тяги забезпечує гарні характеристики при зльоті й операціях по перехопленню, однак дальність польоту такого літака мала. Невеликий дозвуковой літак з турбовентиляторами, розташованими в крилі, має гарні характеристики в польоті в землі, однак дальність цієї машини обмежена. Як двигуни для вертикально злітає чи з малою довжиною розбігу літака... повинні бути обрані чи ТВРД (турбовентиляторні реактивні двигуни) , що мають кращі характеристики при польоті в землі, чи ТРД, очевидно, більш придатні для польотів з великими числами М на великій висоті. Одним з компромісних рішень є застосування ТВРД зі змінюваним напрямком вектора тяги, з легкими піднімальними двигунами; двигунами, що визначають розміри літака, будуть маршові, а не піднімальні двигуни".

Новітній представник сімейства вертикально злітають - досвідчений багатоцільовий літак ХРУ-12А фірми " Рокуелл" (США) . За схемою ця машина, призначена для базування на авіаносцях, -" утоку" з горизонтальним оперенням у носовій частині фюзеляжу.

Вертикальне оперення на кінцях дуже короткого трикутного крила. Частина реактивного струменя приділяється від двигуна і викидається вертикально вниз через щілини в крилі. У залежності від потужності відведеного потоку літак стартує чи вертикально пробігає перед відривом близько 90 м.

ПОВІТРЯНІ АВІАНОСЦІ.

Друге народження переживає зараз ще одна, бути може, сама давня ідея повітряного авіаносця, бойова комбінація двох чи декількох літальних апаратів. Ще в першу світову війну англійці випробували так називану " антицеппелинную" систему: дирижабль патрулював у чеканні німецьких цепелінів-бомбовозів з підвішеним до нього винищувачем. Якщо наближався ворог, літак віддалявся від оболонки і, відбивши атаку, повертався на авіаматку. У нашій країні успішно пройшли іспиту ланки В. Вахмістрова: великі літаки, на собі винищувачі И-4, И-5, И-16. На початку Великої Вітчизняної війни кілька ланок взяли участь у бойових діях.

Після війни американці експериментували з комбінацією бомбардувальника В-29 і двох прямокрилих винищувачів Р-84. Як би ескортуючи " Сверхкрепость ", Р-84 летіли з нею крилом до крила: права і ліва консолі В-29 минулому зчеплені з площинами винищувачів. Двигуни Р-84 працювали на помірному, економічному режимі. Через велике подовження "складеного" крила підвищувалася аеродинамічна якість. При необхідності винищувачі відчіплювалися і захищали свого лідера.

Як з'ясувалося через багато років, кращі шанси на майбутнє виявилися в іншої комбінації: У-29 зі спеціально побудованим "бортовим" винищувачем ХР-85 "Гоблін". При навантаженні крило ХР-85 складалося. Оперення компактне, з чотирьох площин. По вираженню авторів довідника "Реактивні літаки світу", винищувач ХР-85 фактично перетворився в крилатий реактивний двигун, на якому буквально верхи сидів льотчик".

Улітку 1948 року відбулося перше відділення "бортового" винищувача від авіаматки. Досвідчений льотчик-випробувач не зміг причалити до носія і, ледь уникнувши загибелі, приземлив машину за допомогою аварійної посадкової лижі. Труднощі з поверненням ХР-85 на борт носія розчарували військових, експерименти припинили. Але, як виявилося, до пори...

З кінця 60-х - початку 70-х років фірма "Локхід" займається за завданням ВВС США розробкою військової комбінації літака-авіаносця і телекерованих літальних апаратів. Поставлена задача - збільшити радіус дії легень, бойових машин збігалася з надією "Локхід" знайти нову сферу застосування для свого транспортного літака місткості З-5А. У 1971 році над комбінацією стала працювати фірма "Боїнг" і одержала в 1972 році від ВВС тактико-технічне завдання на проектування повітряного авіаносця для телекерованих апаратів: модифікованого Боїн м-747 і шести апаратів літакового типу Райан ВОМ-34.

Є і варіант У-747 і 24 спеціально спроектованих телекерованих апаратів. Усередині просторої середньої частини носія, перетвореної в ангар, літаки будуть знаходитися під час їхнього транспортування. З чрева "Боинга" літаки зможуть стартувати через кожні чверть години. З тією же частотою посадка апаратів, що повернулися. Стартом, посадкою і виконанням бойового завдання будуть керувати оператори на борті авіаносця. Допомагати їм повинна система, що складається з телевізійної установки поблизу посадкової трапеції і комп'ютера.

Як передбачається, авіаносець доставить телекеровані літаки до району бойових дій, але сам залишиться в недосяжності для ПВО супротивника. Виконавши завдання, снаряди повертаються на "Боинг".

Якщо ціль дуже далеко від бази й у "матки" не вистачає палива на всю операцію, то стартують два літаки. Один несе телекеровані літаки, інший " під зав'язку " залитий паливом. Перший випускає підопічних і відразу ж повертається. Другий же керує літаками, приймає їх на борт і повертає "додому"...


ВИСНОВОК

Змінювана стрілка, вертикальний зліт і посадка, комбінація повітряного авіаносця з телекерованими літаками, багато інших новинок не витиснули з військової авіації звичайні машини. Одна з причин (крім розумінь, що стосується бойового застосування літаків) економічна.

Мало того, що з прогресом авіації літальні апарати стають усе складніше в проектуванні, іспитах, виробництві, вони безупинно дорожчають. От лише кілька цифр. Вартість винищувача СПАД часів першої світової війни - 10 242 долара.

"Лайтнінга" випуску 1932 року - 134 284, а " Сейбра " (1950 р.) - 218 460 доларів. "Фантом" (1962 р.) коштує вже більш 2, а F-111 (1963 р.) - майже 6 мільйонів! Неабияку лепту у вартість нових літаків вносить устаткування, яким насичений будь-який сучасний винищувач, чи штурмовик бомбардувальник.

Надзвичайно підготовка пілотів. Десятиліття назад, за даними авторитетного журналу "Интеравиа" (Швейцарія) , повна вартість підготовки льотчика надзвукового винищувача " Лайтнинг" складала 364 тисячі доларів. Ремствували американські військові на складність обслуговування сучасних винищувачів-бомбардувальників під час в'єтнамської війни. За свідченням журналу "Интеравіа", "70% літако-вильотів тактичної авіації затрачається на удари і по наземним цілям з малих висот у ході безпосередньої підтримки сухопутних військ і ізоляції району бойових дій ". Природно, що бойові дії такого роду вимагають швидкої реакції ВВС на запити військ.

Швидкісні, але складні машини, хоча і швидко добиралися до мети, упускали момент через "неодружений" простою на аеродромі. Саме з цієї причини на завдання по оперативній підтримці військ частіше, ніж сучасні F-105 "Тандерчіф" і F-4 "Фантом", стартував застарілий F-100 " Супер Сейбр". До бойового вильоту його готували набагато швидше.

Далеко не завжди сучасні надзвукові літаки можуть використовувати і свої висотні дані. Дії в стратосфері, де тактична авіація невразлива для зенітних ракет, мало чим допомагають наземним військам. Найбільш придатні середні висоти небезпечні і жадають від літаків гарної маневреності, а від екіпажів відмінної літної виучки: адже на втратах прямо позначається час перебування машин у зоні ПВО. Більше заходів на мету вище імовірність поразки зенітним вогнем. Через недостатню маневреність 20-тонний "Тандерчіф" не міг часом виконати різкий протизенітний маневр і, случалося, ставав жертвою дозвукових північно-в'єтнамських Мить-17...

Досвід агресивної війни у Вєтнаму, військові події на Близьких Схід змусили західних стратегів не тільки тверезо оцінити можливості сучасної бойової авіації, але і порівнювати звабні дані новітніх літаків з їхньою вартістю, простотою обслуговування, потребою в добре оснащених базах.

От чому, замовляючи промисловості авіаційну техніку, армія, ПВО, інші замовники керуються принципом "ціль повинна виправдувати засобу". Інакше кажучи, не треба жадати від сучасного літака для авіапідтримки величезних швидкостей і стелі, від винищувача-перехоплювача - могутнього бронювання, і від вертикально злітає машини - дальності дії бомбардувальника... " Для ілюстрації цього можна привести приклад з американськими літаками Р-14 і Р-15, - писав генеральний авіаконструктор А. Яковлєв. - Ці новітні універсальні винищувачі важать 18 - 20 т, їхня вартість 10 - 12 млн. доларів за кожен, але ж по своєму призначенню вони повинні бути масовими літаками. Очевидно, і самі американці прийшли до висновку про надмірну вартість своїх літаків. Тому на початку 70-х років у США був оголошений конкурс на створення винищувача простої і недорогої конструкції з мінімумом устаткування і злітною вагою не більш 9 т. У результаті в 1974 році з'явилися винищувачі УР-16 і УР-17, польотна вага яких 8 - 9 т... " "Отже, вибір системи, - укладає А. Яковлєв, -повинний бути строго обґрунтований технічно, тактично й економічно".

Особлива увага закордонні авіаконструктори приділяють спеціальним літакам для авіапідтримки наземних військ. Але всупереч, здавалося б, " вічному " прагненню авіаторів літати швидше, нинішні штурмовики лише ненабагато швидше поршневих ветеранів другої світової війни. Новітній Ферчалд А-1ОА, наприклад, розвиває максимальну швидкість 742 км/ч. У крейсерському польоті - 355 км/ч.

Оснащена двома двоконтурними ТРД, машина при злітній вазі 20,5 т несе на зовнішній підвісці до 8392 кг бомб і ракет. Бойова ноша підвішується до 24 крапок на крилі і фюзеляжі.

Простій по конструкції, живучий літак призначений для атаки об'єктів на поле бою, патрулювання й ударів по викликах військ, супроводу бойових і транспортних вертольотів, розвідки в тактичній глибині...

Прогнози - підступна штука. Пройдуть роки, час і прогрес внесуть свої виправлення в довгострокові перспективи, зроблять явою нинішні розробки, знімуть з повістки сьогоднішні і завтрашні проблеми, поставлять нові... Одне очевидно: авіація - динамічна, що швидко реагує на вся нове, галузь техніки - і надалі залишиться ареною творчого змагання і співробітництва дослідників різних напрямків, інженерів, робітників, льотчиків, усіх, кому ми зобов'язані дивною можливістю літати всупереч силі земного притягання.