Самолёт вертикального взлёта и посадки

Самолёт вертикального взлета и посадки  фирмы 

McDonnell Douglas, штурмовик AV-8B+ Harrier II

Самолёт вертикального взлёта и посадки, общепринятое сокращение — СВВП или англ. VTOL — Vertical Take-Off and Landing — самолёт, способный взлетать и садится при нулевой горизонтальной скорости, используя тягу двигателя.

       Принципиальным отличием СВВП от различных винтокрылых машин является то, что в режиме горизонтального полета, как и у самолёта традиционной схемы, подъемную силу создает крыло. FAA определяет СВВП как «летательный аппарат тяжелее воздуха, способный к вертикальному взлету и посадке, полету на малых скоростях, который на указанных режимах использует устройства для создания подъемной силы, приводимые двигателем или непосредственно тягу двигателя: а в режиме горизонтального полета для создания подъемной силы использует неподвижное крыло или крылья». Существуют, однако, различные подходы к классификации СВВП и отнесения различных летательных аппаратов к этой группе.

       Условно (исходя из принципа создания подъемной силы на вертикальных режимах) существующие СВВП можно разделить на аппараты, использующие энергию газовой струи реактивного двигателя - реактивные -(McDonnell Douglas AV-8 Harrier II , Як-38) и другие схемы СВВП, создающих вертикальную тягу посредством воздушных винтов различной конструкции и схемы их расположения (винтовые СВВП, конвертопланы, например Bell V-22 Osprey). 
 

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Введение

      В настоящее время рынки авиационной техники полностью поделены и выход на них с новыми изделиями весьма затруднителен и сопряжен с колоссальными затратами. В этих условиях наиболее целесообразным представляется путь создания конкурентоспособных изделий за счет резкого улучшения некоторых технических характеристик без снижения (или с незначительным снижением) остальных. Определяющим при выборе характеристик для такого улучшения должен стать качественный рост потребительских свойств создаваемого образца авиационной техники по сравнению с имеющимися на рынке.  

       На сегодняшний день самыми востребованными, с этой точки зрения, являются взлетно-посадочные характеристики (ВПХ) самолетов. Это определяется тем, что они оказывают сильное влияние на:

1. Безопасность  прохождения самых опасных этапов полета - взлета и посадки.

2. Расположение  аэродромов (их удаленность от  потребителя) и их количество.

3. Размеры потребных  взлетно-посадочных полос (ВПП)  и их характеристики.

4. Нагрузки на  самолет при посадке, а следовательно и на его весовое совершенство.

5. Экологию и  комфортность людей, проживающих  вблизи аэродрома.

6. Требования  к уровню подготовки пилотов.

7. Затраты на  обеспечение безопасности полетов.

       Представленная технология может позволить создать конкурентоспособный самолет за счет значительного улучшения его взлетно-посадочных характеристик.

        
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Для того чтобы  самолёты с вертикальным взлётом  и посадкой стали конкурентноспособными  в сравнении с традиционными  крылатыми машинами, надо делать их бипланами. 

       Несмотря на очевидные преимущества, самолёты с вертикальным взлётом и посадкой (СВВП) до настоящего времени не стали массовым средством передвижения.

       Такие самолёты есть, но они пока применяются только в военной области, в частности в авианосной авиации. Могут спросить, а зачем создавать подобные самолёты, когда есть вертолёты, которые обладают свойством вертикального взлёта и посадки? Это верно. Но дело в том, что вертолёты значительно уступают самолётам по многим показателям, например скорости, грузоподъёмности, дальности полёта, да и стоимость полёта у них великовата, как, впрочем, и у современных СВВП. В коммерческих перевозках с такими затратами можно вылететь в трубу.

       Основная причина высокой стоимости полёта вертолёта и СВВП заключается в том, что величина подъёмной тяги для вертикального полёта значительно больше, чем для полёта горизонтального. В самолёте подъёмная сила создаётся аэродинамическим крылом или крыльями. Энергия двигателя необходима только для обеспечения горизонтального движения самолёта, в результате которого на его крыльях и возникает подъёмная сила. В вертолёте энергия двигателя через несущий винт обеспечивает как подъёмную, так и пропульсивную силу, определяющую его горизонтальное движение. Поэтому и мощность двигателя при одинаковом весе должна быть существенно выше у вертолёта. 

Одни  из первых в мире самолётов ВВП

«Мираж» III—V и «Бальзак».

Испытания. 1962 год. 

      Работы по созданию СВВП ведутся давно и ускорились после появления

турбореактивных двигателей (ТРД) в 1950-х гг. Конечно, были попытки использовать для вертикального  подъёма и посадки и другие механизмы, например воздушные винты  в самолётах с вертикальным положением фюзеляжа при взлёте, но они были свёрнуты из-за трудностей технического обслуживания и управления при взлёте и посадке. Тем не менее различными фирмами было создано достаточно много конструкций СВВП, в которых реализовывался один из трёх принципов вертикального взлёта и посадки: реактивный, воздушно-винтовой и турбовентиляторный. Одни СВВП имели достаточно удачные конструктивные решения и использовались на протяжении ряда лет в качестве экспериментальных, а некоторые даже были приняты на вооружение, другие после завершения программы испытаний передавались в музеи или списывались. Так, например, самолёт Х-14А фирмы «Белл» был выпущен в 1957 г. в нескольких экземплярах, оснащён двумя двигателями J85-GE5 с поворотными соплами и длительное время использовался для оценки лётных качеств СВВП ( Данные по экспериментальным СВВП взяты из книги К.Хаффер, Г.Закс «Техника вертикального взлёта и посадки». М. Машиностроение, 1985 г). Самолёт SC-1 фирмы «Шорт» был выпущен в двух экземплярах и выполнил более 900

испытательных полётов. Он был оснащён четырьмя двигателями RB 108 для создания вертикальной тяги и одним таким же двигателем для горизонтального полета.

Французская фирма  «Дассо» разработала в 1962 г. экспериментальный  СВВП «Бальзак» по этой же схеме.

      Вертикальная тяга обеспечивалась восемью двигателями RB 108, а горизонтальный полёт — двигателем «Орфей 803» фирмы «Бристоль-Сиддли». После двух аварий в 1965 и 1966 гг. были начаты испытания двух аналогичных самолётов III V-1 и III V-2, но с более мощными двигателями с форсажными камерами. Самолёт III V-2 первым из СВВП достиг сверхзвуковой скорости с числом Маха больше 2,0.

       Английская фирма «Хоукер» построила самолёт Р-1127 с двигателем «Пегас» фирмы «Бристоль-Сиддли», расположенным в средней части фюзеляжа. Двигатель был оснащён четырьмя поворотными соплами, два передних сопла были связаны со вторым контуром двигателя, а два задних - с основным контуром. Проведённые испытания оказались весьма успешными, и на основе этого экспериментального самолёта был разработан СВВП «Хар-риер» с более мощным двигателем. Эта схема получила дальнейшее развитие, на его основе были созданы СВВП для Вооруженных сил Великобритании и США.

       Немецкая фирма «EWR-Зюд» выпустила два опытных образца VJ 101 C-X1 и VJ 101 C-X2. В первом самолёте маршевые двигатели размещались в поворотных мотогондолах и при вертикальном полёте вместе с неподвижными подъёмными двигателями создавали вертикальную тягу. Во втором опытном образце маршевые двигатели снабжались форсажными камерами, которые использовались как при вертикальном полёте, так и при горизонтальном, что позволяло достигать сверхзвуковой скорости. Интерес представляет самолёт Do31 фирмы «Дорнье», который проектировался как транспортный.  
 

Транспортный  СВВП Dornier Do.31 

       Самолёт оснащался двумя маршевыми двигателями, снабжёнными поворотными соплами, которые обеспечивали при взлёте и посадке вертикальную тягу. Кроме того, самолёт имел восемь подъёмных двигателей, размещённых по четыре в двух гондолах на концах крыла. Были построены два опытных образца. Всесторонние испытания прошли успешно, было установлено несколько рекордов, но в 1969 г. работы были свёрнуты.

      Все рассмотренные выше СВВП выполняли вертикальный полёт на основе реактивной тяги с помощью неподвижных ТРД, поворотных двигателей или сопел. Фирма «Райан» (США) пошла по принципиально иному пути. Она спроектировала и построила самолёт XV-5A, в котором вертикальный полёт обеспечивался двумя турбовентиляторами, размещёнными в крыле. В качестве газогенераторов использовались маршевые ТРД. В самолёте XV-5A турбовентиляторы были установлены в крыле неподвижно и не могли изменять вектор тяги, поэтому выполняли функции только вертикального полёта. Применение турбовентиляторов позволило увеличить тягу маршевых двигателей более чем вдвое.

       В США разрабатывались также СВВП и на воздушно-винтовой тяге, которая по ряду показателей имеет существенные преимущества перед реактивной тягой, прежде всего по экономичности и шуму. Бесспорным лидером этих разработок следует считать фирму «Белл». В конечном итоге её разработки привели к созданию серийного конвертоплана CV-22B «Оспри»" (Данные по конвертоппану «Оспри» здесь и далее взяты из журнала «Взлёт«, №10. 2006 г) , принятого Пентагоном на вооружение. В конвертоплане CV-22B взлёт и посадка обеспечиваются двумя воздушными винтами диаметром 11,6 м с приводом от двигателей, расположенных в поворотных гондолах на концах крыла. После взлёта ПА гондолы с винтами переводятся в горизонтальное положение, и конвертоплан обретает самолётный облик. Воздушные винты такого размера не позволяют конвер-топлану взлетать и садиться «по-самолётному», поэтому CV-22B самолётом является только в горизонтальном полёте, а на земле он имеет облик вертолёта.

       В приведённом кратком обзоре упомянуты, конечно, не все разработки СВВП, названы только основные, с помощью которых реализованы существующие в настоящее время принципы создания самолётов с вертикальным взлётом и посадкой. Этот краткий перечень показывает, что поиски технических решений вертикального взлёта и посадки ЛА самолётного типа вели и ведут в настоящее время авиационные фирмы, обладающие достаточно большим научным и техническим потенциалом. И, тем не менее, они достигли только частичного успеха. Ни в одном случае СВВП по показателю грузоподъёмности даже не приблизились к обычным аэродромным самолётам. То же самое можно сказать и об экономической стороне ЛА этого класса. Особенно высокая стоимость характеризует СВВП на реактивной тяге. СВВП на турбовентиляторной тяге в вертикальном полёте выглядит намного лучше реактивных СВВП. Турбовентиляторная тяга в несколько раз эффективнее реактивной тяги, что позволяет применять в этом случае маршевые двигатели без переразмеренности и наилучшим образом увязать требования большой тяги при вертикальном полёте и умеренной (самолётной) тяги в горизонтальном маршевом полёте. Эта особенность турбовентиляторной тяги позволяет получить экономику полёта СВВП, примерно равной экономике аэродромных самолётов.

       Использование техники СВВП с винтовыми двигателями на первый взгляд сулит неплохие возможности.

       Воздушные винты создают тягу при относительно малой скорости воздушной струи и большом массовом расходе в единицу времени. Поэтому их КПД значительно выше, чем реактивного двигателя. Имеются и другие положительные качества. Однако СВВП с поворотными несущими винтами имеют один крупный недостаток. При повороте винтов при переходе из вертикального режима полёта в горизонтальный возможна потеря управляемости с весьма тяжёлыми последствиями.