Главная  Новости  Гостевая  Комментарий  Ссылки   Дневник  English  Deutsch  Français  El español

ОБЗОР РАЗРАБОТОК АППАРАТОВ ВЕРТИКАЛЬНОГО ИЛИ КОРОТКОГО

ВЗЛЕТА И ПОСАДКИ

A status review of non-helicopter V/STOL aircraft development. Lindenbaum B. "Vertiflite". 1990, 36. № 3, 32-43

История авиации демонстрирует множество концепций аппаратов вертикального взлета и посадки (АВВП) и аппаратов короткого взлета и посадки (АКВП), исследовавшихся и разрабатывавшихся с различным успехом западными странами (США, Великобритания, Германия, Канада, Франция, Италия)  и СССР в 1950-1990-е годы. Побудительными причинами разработок являлись в основном военные требования и стремление использовать современные технические достижения и новые технологии. Например, только в США разрабатывались проекты аппаратов специального назначения: истребитель - бомбардировщик рассредоточенного размещения (для ВВС США), дальний спасательный аппарат и легкий транспортный  аппарат (для армии США), сверхзвуковой истребитель (для стран НАТО), боевой разведывательный аппарат (для армии), многоцелевой сверхзвуковой аппарат и сверхзвуковой истребитель (для ВМС США), аппарат ближней воздушной поддержки (для морской пехоты США) и многоцелевой легкий транспортный аппарат (для морского и воздушного флота США). В настоящее время ВВС США заинтересованы в разработке транспортного АВВП или АКВП для специальных тактических сил на пе­реднем театре военных действий.

Аппараты различаются от цели назначения, скорости полета, типу си­ловой установки, внешней конфигурации и могут быть объединены в три широкие категории по средствам обеспечения вертикального полета: 1) ТРД/ТРДД АВВП и АКВП; 2) пропеллерные и пропеллерно - винтовые аппараты, 3) аппараты с останавливаемым в полете несущим винтом.

Аппараты с ТРД и ТРДД

 В зависимости от способа комбинирования ТРД и ТРДД экспериментальные аппараты этой категории можно подразделить на четыре группы:

1) аппараты с подъемно-маршевым двигателем (двигателями), включающие аппараты с вертикальным положением продольной оси при взлете (Ryan X-l3m SNECMA Coleopter С-450) и горизонтальным положением продольной оси аппарата при взлете Bell ATV, Bell X-14, Harrier);

2) аппараты с раздельно работающими подъемными и маршевыми двигателями   (Short SC-1 (Dassault Balzac, Dassault Mirage III);

3) аппараты с подъемными и подъемно-маршевыми двигателями (EWR VJ-IOIC; VFW VAK-I9IB; Dornler Do-3l. Lockheed. XV-4B. ЯК-36 и Як-38 (СССР), тактический истребитель-проект США и ФРГ);

4) аппараты с подъемно-маршевыми  двигателями и средствами уси­ления тяги, включающими вентиляторы  (Ryan XV-5A/B, Auro Aurocar VZ-9AV) и эжекторы струй (Lockheed XV-4A. Rockwell  XFV-12A).

Аппараты первой группы имеют простейшую конфигурацию при вертикальном положении продольной оси при взлете. Двигатель, расположен­ный в задней части  фюзеляжа, позволяет контролировать крен и тангаж аппарата небольшими отклонениями вектора тяги. Дополнительное управление обеспечивает эжекция отбираемого за компрессором сжатого воздуха через сопла на конце крыла. Посадка может осуществляться либо на специальное шасси, либо на обычное самолетное шасси. Примерами являются аппарат Х-13, совершивший  104 вертикальных взлета в начале 195О-х годов и истребитель-бомбардировщик, разрабатывавшийся фирмой Ryan в 1957 г. Недостатками аппаратов этой подгруппы яв­ляются плохая ориентация пилота при взлете, потребность специального наземного оборудования для обеспечения взлета и посадки и т.д. Однако простота схемы привлекала разработчиков истребителей (Focke-Wulf, Vought, Northrop, Boeing)  в 196О-1970 гг. Например, в США значительную поддержку со стороны флота получил проект фирмы Boeing сверхзвукового истребителя для контроля над морем (число М=2,5), показанный на рис. 1, где обозначено:  1 - переход к посадке; 2 – линия земли; 3 - авиационное оборудование; 4 - бомбы с лазерным наведением; 5 - подсветка и теленаведение. Для устранения проблемы ориентации пилота этот АВВП использует поворотную носовую кабину.

Интенсивно разрабатывалась в 1950-е годы концепция колеоптера С-450, имевшего осесимметричную поверхность кольцевого крыла вокруг центрального реактивного двигателя. Программа С-450 была прек­ращена после катастрофы единственного экспериментального аппарата.

В первую группу аппаратов с турбореактивным двигателем и гори­зонтальным положением фюзеляжа при взлете входит АВВП Harrier AV-8, имеющий один подъемно-маршевый двигатель. Двигатель расположен в центре тяжести аппарата и питает сжатым воздухом четыре симметрично расположенных вокруг центра тяжести аппарата поворотных сопла и аэродинамические эжекторы на носу, хвосте и концах крыла аппарата. Векторизация тяги двигателя позволяет аппарату совершать взлет и посадку с коротким пробегом. Недостатком является возможность   потери   контроля при отказе единственного двигателя. Расположение двигателя в центре тяжести затрудняет проектирование сверхзвуковых аппа­ратов такого типа, тем не менее в 196О-е годы был разработан аппарат Р-1154 фирмы Hawker-SIddeley (Великобритания) с более мощным двигателем BS-100 и улучшенным распределением площадей поперечных сечений фюзеляжа  (не получивший дальнейшей финансовой поддержки).

Недостатком аппаратов первой группы являются чрезмерные размеры двигателя, вынужденного выполнять функции обеспечения подъемной силы на взлете и пропульсивной силы в крейсерском полете. В аппаратах второй группы этот недостаток устраняется добавлением вспомогательных подъемных двигателей. Примерами аппаратов второй группы являются демонстрационный аппарат Short SC-I и самолет Dassault Mirage IIIV   показанный на рис.

Mirage IIIV достиг в испытаниях ско­рости М=2,0. АВВП является модификацией сверхзвукового самолета Mirage III с увеличенными размерами фюзеляжа для размещения нескольких подъемных двигателей вокруг центра тяжести аппарата. Маршевый двигатель размешен в задней части фюзеляжа и питает сжатым воздухом эжекционные сопла на концах крыла и  носовой и хвостовой частях фюзе­ляжа на режиме взлета аппарата. Испытания аппарата и его прототипа (Balzac) показали наличие проблем обеспечения устойчивости и управ­ляемости на малых скоростях, подсасывания и инжекции выхлопного газа в двигатель вблизи земли. Недостатком аппаратов этой группы является не использование значительной части фюзеляжа для обычных целей, заня­той подъемными двигателями.

Аппараты с ТРД и ТРДД третьей группы отличаются многообразием размещения двигателей. В аппаратах Як-36 и тактическом истребителе (проект США и ФРГ)  подъемные двигатели расположены в фюзеляже перед центром тяжести, а подъемно-маршевые двигатели размещены позади центра тяжести аппарата. В конфигурации АВВП VAK-191В подъемные двигатели расположены как спереди, так и позади подъемно-маршевого двигателя. В проекте V-101C  подъемные двигатели расположены за кабиной пилота, а подъемно-маршевые двигатели расположены по бокам фюзеляжа и распределяют в режиме АВВП  тягу через сопла, расположенные  между подъемными двигателями. В транспортном аппарате DO-31 подъемные и подъемно-маршевые двигатели размещены в отдельных гондолах под крылом.

Советские аппараты Як-36  и 38 (Forger).

Аппараты разработаны для действий с кораблей,  аналогичных действиям АВВП   Harrer Як-36 имеет три двигателя, два из которых  создают подъемную силу на взлете  и посадке  и расположены тандемно за кабиной пилотов,  а третий, подъемно-маршевый двигатель размещен в центральной части фюзеляжа и имеет  два управляющих вектором тяги сопла за задней кромкой крыла. Сопла поворачиваются контролируя движение всей реактивной струи двигателя. Дополнительное управляющее воздействие в аппарате Як-36/38 оказывают реактивные силы эжекционных сопел  на концах крыла и фюзеляжа. Наличие комбинации подьемно-маршевого и подъемных двигателей обеспечивает большую полезную нагрузку по сравнению с АВВП типа Harrier,  но последний может использовать варьируемый вектор тяги более мощного подъемно-маршевого двигателя для высокоскоростного маневрирования в режиме АКВП, в то время как подъемные двигатели Як-36/38 не участвуют в создании пропульсивной силы, ограничивая возможности маневрирования.

Тактический истребитель, разрабатываемый США и ФРГ.

Схема АВВП/АКВП третьей группы использована при совместной разработке в 1960-х годах тактического  истребителя фирмами EWR Sud (ФРГ) и Republic Aviation        (США). Конфигурация аппарата показана на рис. 3. Подъемно-маршевые двигатели      размещены в задней части фюзеляжа, а подъемные двигатели попарно расположены по бокам обтекателя за ка­биной   пилотов и управляются по углу тангажа при работе или убираются внутрь фюзеляжа в нерабочее положение. Подъемно-маршевые двигатели имеют отклоняемые сопла  и систему форсажа,  а крыло имеет изменяемый в полете угол стреловидности. На режимах взлета и посадки аппара­та продольное  управление осуществляется варьированием тяги   подъем­ных двигателей и реактивной струей подъемно-маршевых двигателей. Дифференциальный наклон подъемных двигателей обеспечивает путевое управление, угол крена контролируют реактивные сопла на концах крыла, использующие сжатый воздух от компрессоров подъемных двигателей. Работа над проектом тактического истребителя была прекращена в 1968 г. по финансовым причинам.

 Транспортный АВВП/АКВП   Dornler DO-31. Аппарат DO-31 имеет взлетную массу 24 т и силовую установку из двух подъемно-маршевых и восьми подъемных двигателей,    расположенных в гондолах крыла, при­чем подъемные двигатели размещены в концевых гондолах крыла. Тангаж контролируется эжекцией сжатого воздуха компрессоров подъем­ных двигателей через сопла на носовой и хвостовой частях фюзеляжа, путевое управление аппаратом осуществляется дифференциальным изменением векторов тяги подъемно-маршевых двигателей, крен регулируется модуляцией тяги подъемных двигателей левой и правой половины крыла. Аппарат в летных испытаниях выполнял переходы от вертикального  к са­молетному режиму полета, однако имел высокий уровень шума и пробле­мы инжекции отработанного газа в двигатели  вблизи земли на режиме ВВП. Дальнейшая разработка   DO-31 прекращена.

Аппараты с подъемно-маршевыми двигателями и средствами усиления тяги. 

Конструктивными особенностями этой группы АВВП/АКВП с ТРД и ТРДД являются эжекторы и вентиляторы, увеличивающие массовый поток воздуха и тягу или подъемную силу аппарата при данной распола­гаемой  мощности. Вентиляторы удалены от двигателя и могут иметь механический  или пневматический привод (валы и редукторы трансмиссии или каналы подвода сжатого воздуха от двигателей). Возможно так­же комбинирование многоступенчатой турбины с валом вентилятора.

Аппараты Ryan XV-5А и В. Аппараты используют, идею подъемного вентилятора, предложенную фирмой General Electric (США) в 1958 г. Эта фирма совместно с субподрядчиком фирмой Ryan Aeronautical получила в 1961 г. контракт от армии США на разработку двух демонстрационных  аппаратов, получивших наименование XV-5А. Аппарат XV-5В   является модификацией, отличающейся    улучшенными вентиляторами, формой кры­ла и положением шасси. Аппарат двухместный со скоростью М=0,8. Два вентилятора размещены в консолях крыла, третий вентилятор расположен в носовой части фюзеляжа перед кабиной пилотов. Воздух от двигателей комбинировался в общем канале для обеспечения привода всех вентиляторов в случае отказа одного из двигателей. Каналы вентиляторов крыла закрывались крышками после перехода от вертикального к крейсерскому режиму полета, а регулируемые жалюзи на нижней поверхности крыла позволяли управлять вектором тяги вентилятора. Регулирующие створки имелись и у носового вентилятора для варьирования его тяги. Управление креном и тангажом осуществлялось дифференциальным отклонением створок жалюзи вентиляторов. Аппараты неоднократно совершали испытательные полеты, показавшие слабость путевого управления,  приемле­мые характеристики крейсерского режима и 2,6-кратное   увеличение тяги на режиме  ВВП за счет вентиляторов. Характеристики режима КВП были неудовлетворительными. В испытаниях аппаратов произошли две ка­тастрофы, не связанные с характеристиками аппаратов.

Аппарат   Rockwell XFV-I2A.

Проект этого истребителя схемы утка разрабатывался с 1972 г. фирмой Rockwell (США) по заказу флота США. Главной особенностью аппарата являются размещенные в переднем и основном крыльях эжекторы газовой  струи подъемно-маршевого двигателя. Диффузорную часть сопл эжекторов образуют сегменты поверхности крыла, поворот   которых позволяет изменять выходную площадь эжекторов, одновременно или дифференциально для управления углами крена, тангажа или курса аппарата. При отклонении всех сегментов крыла назад создается пропульсивная сила для ускорения из  вертикального полета к полету вперед. Испытания XFV-12А в подвешенном положении показали 1,3-кратное увеличение тяги аппарата за счет эжекторных средств, недостаточное для вертикального полета (потребно 1,5-кратное усиление тяги двигателя). Вследствие этого и роста финансовых затрат программа дальнейшей разработки аппарата была прекращена.

Пропеллерные  и пропеллёрно-винтовые АВВП и АКВП.

Аппараты этой категории включают четыре группы:

1) аппараты с вертикальным положением продольной оси при взлете

(Convair XFV-I, Lockheed XFV-I);

2)  аппараты с поворотным крылом (Boeing Vertol VZ—2PH, Hlller X-18. LTVXC-M2. Candair CL-84, VFW VC-400);

3)   аппараты с поворотными винтами-пропеллерами и фиксированным крылом    (Curtlss Wright X-100 и Х-19, Doak VZ-4DA,Bell Aero X-22A. Transcendental Model 2,Bell Helico, XV-3, Bell Helico, XV-15, Bell-Boeing V-22);

4)  аппараты с отклоняемой индуктивной струей  (Ryan VZ-3/RY).

Список аппаратов первой из этих групп невелик, так как аппараты этой схемы более перспективно разрабатывать в беспилотном варианте с дистанционным управлением. Более широко    исследованы и эксперимен­тально отработаны схемы АВВП/АКВП второй и третьей группы. Схема с поворотными несущими винтами применена в аппарате V-22  Osprey. Результаты, достигнутые при демонстрации аппарата четвертой группы (VX-3Ry)c отклоняемой струей от пропеллеров, показали низкое соотно­шение тяги пропеллера и подъемной силы, недостаточное для АВВП и пригодное только для аппаратов типа АКВП.

Аппараты с поворотным крылом.

Схема конструкции с поворотным крылом обеспечивает приемлемую эффективность расхода мощности на режимах висения и крейсерского полета АВВП/АКВП и вполне конкурентоспособна при разработке транспортных и поисково-спасательных аппа­ратов дальнего радиуса действий и М=0,7. Представителя­ми этой группы являются экспериментальные аппараты CL-84 (моноплан с двумя винтомоторными установками на поворотном крыле) , LTV XC ХС-142А (моноплан с четырьмя винтомоторными установками на крыле)  HVFWVC-400 . Различие между указанными монопланами помимо числа силовых установок состоит в разных удлинениях крыла, взлетных массах (6,1 т и 19 т)  и нагрузках на пропеллерный диск.  Было построено два аппарата CL-84, успешно осуществлявших висения, режим КВП скоростной полет. Все пять построенных экземпляров ХС-142А потерпели летные происшествия(конструктивные недостатки,  производственные дефекты,  ошибки пилотирования). Аппараты ХС-142А имели плохие характеристики управляемости из-за потери эффективности элеронов на висении и малых скоростях полета, наличия срыва потока с крыла на режиме снижения,  перегруженности хвостового винта канала продольного управления и нуждались в системе повышения стабилизации. 

Проект VC-400 отличается повышенной устойчивостью благодаря тандемной  схеме размещения крыльев и пропеллеров по сравнению с моношшиными АВВП/АКВП. Работы по программе VC-400 были прекращены после разработки пропеллеров диаметра 7 м, трансмиссии и модели аппарата,  испытанной в аэродинамической трубе.

 АВВП/АКВП с поворотными винтами.

Эта схема оказалась наиболее успешно разрабатываемой. Впервые поворотные  несущие винты предложены в  194О г. в проекте  вертолета поперечной схемы XV-1. Успешные демонстрационные полеты аппарата  Bell XV-3 с поршневым двигателем позволили фирме Bell  в дальнейшем по контракту с армией США  разработать,  построить и провести успешные летные испытания экспериментального  аппарата XV -15, показанного на рис. Накопленный опыт решения проблем аэродинамики, динамики и устойчивости XV-15 на различных режимах полета использован при разработке транспортного аппарата V-22,  подготовленного в настоящее  время к серийному производству.

Аппараты с останавливаемым в полете несущим винтом.   

Развитием  концепции АВВП на более высокие скорости крейсерского полета (свыше 640 км/ч)  являются схемы аппаратов с воротными   винтами   останавливаемыми в полете. При этом винт может останавливаться как при вертикальном, так и при   горизонтальном положении оси вала. В последнем случае устраняется проблема срыва потока на отступающей лопасти винта. Для устранения сопротивления лопастей может быть применена система складирования и уборки лопастей внутрь гондолы. Более  простым конструктивным решением является схема останавливаемого винта аппарата X-Wing,     показанного на рис,  где обозначено:  

1 - обтекатель втулки; 

2 - двигатели;  

3 - стабилизатор; 

4 - рулевой винт типа фенестрон.

Жесткие, консольно крепящиеся ко втулке лопасти винта при остановке занимают X-образное положение, превращая винт в несущее крыло аппарата на крейсерской скорости полета. Основной проблемой является уравновешивание моментов на втулке винта на переходных режимах. Одним из способов является эжекция сжатого воздуха из щелей   возле переднее и задней кромок лопастей для управления циркуляцией потока и подъемной силой лопасти в зависимости от азимутального положения и устранения срыва потока с винта. Разработкой проекта DARPA X-Wing последовательно занимались исследовательский центр ВМС США, управление перспективных НИОКР министерства обороны DARPA, фирма Lockheed и фирма Sikorsky. Был изготовлен и испытан в аэродинамической трубе несущий винт диаметра 7,6 м. Испытания показали сложности управления циркуляции при останове и раскрутке винта в полете и недостаточность одного управления циркуляции для создания нужного изменения тяги винта без изменения общего шага. Поэтому были отменены запланированные летные испытания винта X-Wing  на вертолете   RSRA (Rotor System Research Aircraft)  и в 1989 г. программа разработки аппарата была аннулирована.

2 января 2006 года