Самолёт вертикального взлёта и посадки

       Таким образом, для создания транспортно-пассажирских СВВП остаются пригодными реактивный и турбовентиляторный принципы вертикального полёта. По надёжности СВВП, созданные на основе этих принципов, не уступают обычным аэродромным самолётам. Однако по другим показателям, таким как стоимость вертикального полёта, уровень шума, реактивные СВВП оказываются в безнадёжном проигрышном положении, чего нельзя сказать о турбовентиляторных СВВП. Последние по этим показателям не уступают аэродромным самолётам. Но здесь возникает другая проблема: недостаточная грузоподъёмность.

       Весовой нагрузкой, например, для авианосного СВВП является бортовое вооружение, включающее ракеты, пушки, пулемёты и др. Два подъёмных вентилятора СВВП XV-5A хорошо справляются с этой нагрузкой, но для коммерческих ЛА этого крайне мало. В подъёмных турбовентиляторных системах грузоподъёмность определяется величиной развиваемой ими вертикальной тяги, а величина тяги пропорциональна массовому расходу воздуха в единицу времени, протекающему через проходные сечения турбовенти-ляторов. Увеличить массовый расход можно либо путём увеличения площади проходного сечения, либо путём увеличения числа турбовентиляторов на крыле ЛА. Но и тот, и другой путь в рассматриваемом случае неосуществимы. Основным назначением аэродинамического крыла является обеспечение горизонтального полёта ПА. Крыло должно быть прочным и содержать достаточные внутренние обьёмы для расположения исполнительных устройств механизации крыла, а часто и топливных ёмкостей. Увеличение грузоподьёмности СВВП за счёт уменьшения внутренних обьёмов крыла приведёт к ухудшению многих его качеств. Поэтому установка в крыле только двух турбовентиляторов, как это сделано в самолёте XV-5A, является оптимальным вариантом, и сколько-нибудь заметно увеличить грузоподъёмность рассматриваемой схемы подъёмно-несущих плоскостей СВВП XV-5A невозможно. Выходит, и здесь тупик. В этом варианте - да, но в принципе — нет.

       Тупиковой ситуация является только при попытке решить две принципиально разные задачи на основе одного конструктивного элемента. При этих условиях взаимный ущерб неизбежен. Основным недостатком аэродинамического крыла со встроенными турбо-вентиляторами является совмещение в одном конструктивном элементе двух принципиально различных, а в данном случае и противоречивых функциональных назначений или свойств вертикального и горизонтального полёта. Если вместо одного конструктивного элемента - крыла самолёта, сделать два, можно без взаимного ущерба найти решения и одной, и другой задачи, т.е. и вертикального, и горизонтального полёта. Иными словами, нужно избавить аэродинамическое крыло от турбовентиляторов и разместить их на отдельной несущей плоскости с основной функцией обеспечения вертикального полёта, т.е. вернуться к почти забытой схеме биплана, правда с иным назначением нижнего крыла. А для верхнего аэродинамического крыла оставить традиционную функцию обеспечения только горизонтального полёта. Если к тому же нижнюю турбовентиляторную плоскость выполнить поворотной, как, например, в самолётах с изменяемой геометрией, и при горизонтальном полёте убирать её в фюзеляж, по крайней мере, в транспортных и скоростных самолётах, можно считать, что задача создания безаэродромной транспортно-пассажирской авиации будет решена. Самолёты же с вертикальным взлётом и посадкой могут приземляться практически в любом месте. Это означает, что для воздушных перевозок грузов и пассажиров возможно создать широчайшую сеть, так сказать, авиаполустанков и доставлять грузы и людей непосредственно на места назначения. Правда, за это нужно будет немного приплачивать, так как взлёт и посадка на любых типах ЛА стоит дороже, чем горизонтальный полёт, но для биплановых СВВП овчинка, несомненно, выделки стоит. Биплановые СВВП не содержат переразмеренных двигателей, поэтому стоимость их полёта в любом режиме будет не дороже аэродромных ЛА.

       На такого рода биплановый безаэродромный самолёт Федеральной службой по интеллектуальной собственности, патентам и товарным знакам Российской Федерации автору выдан патент RU 2276043 С2 «Безаэродромный летательный аппарат (варианты), механизм управления безаэродромным летательным аппаратом». Изобретение относится к ЛА со свойствами самолёта и вертолёта. ЛА выполнен по схеме биплан с нижней подъёмно-несущей в вертолётном режиме плоскостью, содержащей полуплоскости с встроенными турбовентиляторами с управляемым вектором тяги с газовым приводом от маршевых турбореактивных двигателей в качестве газогенераторов. Безаэродромный ЛА или биплановый безаэродромный самолёт (БАС) выполнен в трёх вариантах: с поворотной, неподвижной и подвесной нижними подъёмно-несущими плоскостями. Верхняя плоскость представляет собой обычное самолётное крыло, подъёмная сила на котором возникает при определённой горизонтальной скорости. Вариант с поворотными турбовентиляторными полуплоскостями предназначен для применения в скоростных БАС с большой и средней грузоподъёмностью. После взлёта и набора необходимой горизонтальной скорости, турбовентиляторные полуплоскости убираются в бортовые ниши фюзеляжа, и маршевые двигатели обеспечивают ЛА

обычную самолётную скорость порядка 700 — 800 км/ч и более  и дальность полёта 1500 — 3000 км.

       Варианты с неподвижной и подвесной турбовентиляторными плоскостями рассчитаны на несколько меньшую скорость и дальность полёта, как и грузоподъёмность. Эти БАС более пригодны для местных авиапиний, а также для личных ЛА, как, например, автомобили, особенно вариант с подвесными турбовентиляторными плоскостями. Для создания продольной тяги после вертикального взлёта ЛА и перехода к горизонтальному полёту турбовентиляторы снабжены механизмом поворота на некоторый угол вокруг поперечной относительно ЛА оси и изменения таким образом вектора тяги. Надёжность функционирования нижних подъёмно-несущих плоскостей обеспечивается путём объединения трубопроводов от маршевых двигателей-газогенераторов в единую газопроводную систему. Поэтому при выходе из строя одного из ТРД в вертолётном режиме, вертикальный полёт может быть продолжен, т.е. ЛА может продолжать взлёт, посадку или другой вертолётный манёвр. Механизм управления БАС в вертолетном режиме содержит хвостовой турбореактивный двигатель, рулевые сопла которого связаны с единой газоструйной системой с возможностью управления ЛА в вертикальной и горизонтальной плоскостях полёта.

      Безаэродромный самолёт показан с двумя маршевыми двигателями может быть и больше, в зависимости от требуемой грузоподъёмности ЛА.

        Безаэродромный самолёт по сравнению с СВВП будет обладать большей безопасностью полёта, большей грузоподъёмностью и стоимостью эксплуатации, близкой к обычным аэропланам.

       Управление полётом БАС в вертолётном режиме осуществляется с помощью отдельного ТРД , размещённого в хвостовой части фюзеляжа и снабжённого выдвижными воздухозаборниками . Выходная часть ТРД 17 представляет собой двойное разветвляющееся сопло. На позиции а) верхнее и нижнее сопла закрыты газовыми заслонками  и , и газовый поток проходит через осевое сопло, т.е. управляющее действие отсутствует. Нижнее сопло открыто, а осевое и верхнее сопла закрыты, вследствие чего хвостовая часть ЛА отклоняется вверх. На позиции в) газовые заслонки 21 и 22 закрывают нижнее и осевое сопла, газовый поток выходит через верхнее сопло и отклоняет хвостовую часть ЛА вниз. При закрытых верхнем и нижнем соплах управляющее действие, как было отмечено выше, отсутствует, но под действием газового потока через осевое сопло ЛА будет перемещаться вперёд. Если подобный эффект необходимо исключить, заслонки и переводятся в заднее положение, как показано на позиции, и запирают осевое сопло. Реактивные моменты верхнего и нижнего сопел при этом взаимно компенсируются, управляющее действие отсутствует, но отсутствует и продольная тяга ТРД.

       Газоструйная система управления БАС в горизонтальной плоскости представляет собой сопло с отклоняющимися створками, ось вращения которых расположена на вращающемся вокруг осевого сопла кольце. В рассматриваемом примере при наличии рассмотренной ранее системы управления ЛА в вертикальной плоскости в системе горизонтального управления в вертолётном режиме реализуются только две возможности -повороты ЛА по и против часовой стрелки. Эти две возможности реализуются при отклонении створок, например, справа налево и слева направо, для чего кольцо поворачивают вокруг осевого сопла на 180°. Однако в принципе рассматриваемая система

управления обладает свойством универсальности и  может обеспечить отклонение хвостовой  части ЛА на любой угол.

Посадка СВВП AV-8B_Harrier_II.

Видны газовые  струи вертикальной тяги. 

   При вертикальном взлёте осевые сопла маршевых ТРД перекрывают газовыми заслонками , и подъём ЛА производится только на основе турбовентиляторов. При достижении заданной высоты, в зависимости от особенностей взлётной площадки, производится поворот турбовентиляторов вокруг поперечной оси и изменение их вектора тяги, и начальный разгон ЛА выполняется благодаря создаваемой ими продольной пропульсивной составляющей. По мере увеличения скорости и возникновения аэродинамической подьёмной силы на верхней несущей плоскости заслонки поворачивают и направляют газовый поток в осевые сопла ТРД, вследствие чего горизонтальная скорость ЛА возрастает. При достижении скорости, обеспечивающей полёт ЛА только на основе верхней несущей плоскости, заслонками полностью перекрывают боковые отверсти сопел маршевых ТРД, нижние полуплоскости выводят из зацепления с крепёжными узлами, поворачивают их и размещают в нишах фюзеляжа.

       При вертикальной посадке механизмы БАС переводятся в вертолётный режим, для чего снижают скорость полёта, нижние полуплоскости выводят из бортовых ниш , производят их поворот и зацепление с ТРД через крепёжные узлы, заслонками перекрывают осевые сопла ТРД , выдвигают воздухозаборники , запускают хвостовой ТРД (если он был остановлен), и дальнейший полёт и посадочные манёвры производят только на основе турбовентиляторов.

       Рассмотрим вариант безаэродромного самолёта с неподвижной подъёмно-несущей плоскостью. Нижняя подъёмно-несущая плоскость выполнена в этом варианте в виде двух турбовентиляторов левого и правого бортов, расположенных на трубчатых осях между маршевыми двигателями и фюзеляжем. Газодинамическая связь турбовентиляторов с маршевым двигателем обеспечивается через газопроводы , расположенные внутри опорных консолей . Трубчатые оси турбовентиляторов со стороны фюзеляжа связаны с общим трубопроводом, проходящим по периметру верхней части фюзеляжа и объединяющим газодинамические комплексы в вертолётном режиме в единую газопроводную магистраль. Поворотные механизмы турбовентиляторов расположены в фюзеляже и обеспе­чивают возможность поворачивать их на некоторый угол вокруг трубчатых осей и получать кроме вертикаль­ной, также и горизонтальную тягу.          Управление по крену производят путём перераспределения газового потока между турбовентиляторами правого и левого бортов, для чего их газопроводящие трубопроводы снабжены управляемыми газовыми заслонками, позволяющими изменять сечение га­зопроводов. В скоростном горизонтальном полёте турбовентиляторы после их отключения закрывают сверху и снизу поворотными обтекателями типа жалюзи.

        Управление рассматриваемым безаэродромным самолётом в принципе не отличается от бипланового ЛА с поворотной нижней плоскостью. При вертикальном взлёте на турбовентиля-торах открывают жалюзи, выдвигают из фюзеляжа воздухозаборники , производят запуск маршевого и хвостового двигателей, поворотом газо­вой заслонки  перекрывают осевые сопла ТРД и через трубопровод запускают турбовентиляторы . После набора необходимой высоты поворо­том турбовентиляторов изменяют их вектор тяги и производят горизонтальный разгон ЛА. При достижении ЛА го­ризонтальной скорости, необходимой для создания аэродинамической подъёмной силы на верхней несущей плос­кости, заслонкой переводят газо­вый поток на маршевые сопла ТРД , закрывают турбовентиляторы, и дальнейший полёт производят только на маршевом ТРД и аэродинамической системе управления полётом. Хвостовой ТРД, если он не используется для повышения горизонтальной скорости, останавливают.

       Рассмотрим вариант безаэродромного самолёта с подвесной нижней плоскостью. БАС снабжён двумя маршевыми ТРД , расположенными на верхней несущей плоскости. Нижняя подъёмная плоскость выполнена в виде двух подъёмных платформ, связанными с маршевыми двигате­лями через консоли. Длина газоподводящего трубопровода практически равна высоте консоли, что существенно снижает величину потерь полного давления в газовой магистрали. Каждая подъёмная платформа содержит два турбовентилятора с возможностью изменения вектора тяги путём поворота вокруг трубчатых осей и цапф. Кроме того, подъёмная платформа в целом может поворачиваться на не­который угол вокруг продольной относительно ЛА оси на цапфах. С этой целью оконечные части газопроводящего трубопровода оснащены стыковочными поворотными узлами с уплотнительными кольцами, обеспечивающими газодинамическую связь маршевых ТРД в режиме газогене­раторов и турбовентиляторов  в любом их положении.   Приведённое техническое решение позволяет изменять вектор тяги турбовентиляторов как в продольном, так и в поперечном относительно ЛА направлениях и обеспечить вертолётные манёвры в полном объёме.

       Рассматриваемый вариант безаэродромного самолёта предполагает его использование также в качестве лично­го индивидуального транспортного средства. Поэтому существенное значение приобретает, так сказать, его ин­тегральная стоимость, т.е. стоимость собственно ЛА и стоимость его эксплу­атации. Прежде всего необходимо от­казаться от хвостового двигателя. Инерционная масса ЛА относительно небольшая, и его управление в вертолётном режиме вполне обеспечат руле­вые сопла с газовым приводом от еди­ной газопроводящей магистрали двух маршевых ТРД в качестве газогенера­торов. Вторая возможность уменьшения стоимости ЛА состоит в подборе, точнее в выборе типа маршевых двигателей-газогенераторов. Если исходить из того, что в общем случае ЛА должен обеспечить полёт 4 - 5 человек с некоторым   багажом,    как,    например, в легковом автомобиле, то его энерго­вооружённость будет сравнительно не­большой. Это означает, что в качестве газогенераторов можно применить ТРД с центробежными компрессорами и радиальными турбинами. ТРД такого типа конструктивно более просты, содержат меньшее число деталей, т.е. более технологичны, меньше зависят от условий эксплуатации; есть и другие достоинст­ва, но в то же время их стоимость зна­чительно меньше, чем лопаточных ТРД.

       Таким образом, изложенная концепция бипланоаых безаэродромных само­лётов обладает многими преимущест­вами перед применяемыми в настоя­щее время техническими решениями создания СВВП. Это прежде всего без­опасность полёта, большая грузоподъёмность, сравнимая с обычными аэродромными самолётами, и сходная с ни­ми стоимость эксплуатации. На основе биплановой схемы можно создать гам­му безаэродромных ЛА: от авиеток ав­томобильного типа до тяжёлых скоро­стных грузопассажирских лайнеров, пригодных для любых условий эксплуа­тации. Крайне важное значение имеет также то обстоятельство, что принципиально новых устройств и механизмов при этом создавать не нужно. Всё уже есть и достаточно широко применяется в других типах ЛА. Например, поворотные механизмы для убирающихся в фюзеляж подъёмных полуплоскостей хорошо отработаны в самолётах с из­меняемой геометрией крыла. Турбовентиляторы в настоящее время также до­ведены до очень высокого уровня со­вершенства и потребуют только увязки с конкретной конструкцией безаэродромного самолёта. Другие элементы конструкции биплановых ЛА также не порождают каких-либо проблем.