Žiedinis lėktuvas: orlaivis su uždara sparno kilpa

2024 Autorius: Seth Attwood | [email protected]. Paskutinį kartą keistas: 2023-12-16 16:11

Lėktuvas su uždara sparno kilpa negali skristi – tai įrodė laikas. Žiedo lėktuvai buvo bandomi nuo brolių Wrightų laikų, ir nė viena tokia konstrukcija negalėjo išlikti aukštyn kelias minutes. Tačiau žmogaus protas nepasiduoda. 2007 m., po 100 metų ir daugiau nei 20 bandymų, panašus įrenginys pakilo. Ir jis įrodė, kad yra manevringas, lengvas ir patvarus orlaivis.

Ši istorija prasidėjo 1988 m., kai reikalai jau ėjo Sąjungos žlugimo link, tačiau didžiulės valstybės vadovų širdyse vis dar kunkuliavo stabilumo viltis. Techninės kūrybos klubas Minsko pavarų gamykloje gavo kūrybinę užduotį iš vietinės žemės ūkio struktūros: suprojektuoti manevringą ir lengvą orlaivį, kuris atlaikytų stiprų šoninį vėją. Populiariausias „ūkininkas“tuo metu buvo AN-2: jis galėjo pasiimti daug trąšų ir purškimo įrangos. Tačiau vėjas buvo jo baisus priešas – nesibaigiančiuose Kubos laukuose AN-2 valdomumu priminė pašėlusį dramblį. Bylos ėmėsi aviacijos technikas Arkadijus Aleksandrovičius Naruševičius, pilotas Anatolijus Leonidovičius Guščinas ir keli kiti asmenys. Po ilgų tyrinėjimų Naruševičius padarė netikėtą išvadą: reikia sukurti orlaivį uždaro sparno kontūru, bet ne apskrito, o ovalo formos. Buvo pastatyti keli modeliai, kurie skrido gana sėkmingai (atkreipiu dėmesį, kad mūsų pokalbio metu Naruševičius pagamino popierinį modelį per 15 minučių – ir jis skrido!). Entuziastai įsigijo medžiagų ir sukonstravo ovalų sparną. Ir tada sugriuvo 1991 m. SSRS liko praeityje, finansavimas pasibaigė vos po kelių dienų, o likusios lėšos buvo išimtos. Sparnas buvo išsiųstas ilgalaikiam saugojimui, o lėktuvo projektas buvo pamirštas. Bet tai buvo toli gražu ne pabaiga.

Nuo Blerioto iki Živodano

1903 metų gruodžio 17 dieną žmogus pirmą kartą pakilo į orą lėktuvu su varikliu. Vyriškis buvo vadinamas Orville'u Wrightu, o lėktuvą vadino Wright Flyer I.

Nepaisant didžiulės brolių Wrightų sėkmės, daugybė išradėjų sugalvojo įvairias sparnų konfigūracijas, kurios pagal savo koncepcijas yra efektyvesnės nei įprasti Wright lėktuvai. Vienas iš aviacijos pradininkų buvo prancūzų išradėjas Louisas Bleriotas, dar 1900 metais sukonstravęs savo pirmąjį „Ornithopter“įrenginį. Tiesa, pirmuoju tikrai skraidančiu „Bleriot“lėktuvu tapo tik 11-asis modelis, pagamintas 1909 m. Mus domina visai ne tai, o 1906 metais sukonstruotas ir nė karto nepakilęs lėktuvas „Bleriot III“. Tai buvo pirmasis orlaivis su uždara sparno kilpa orlaivių statybos istorijoje.

Bleriotas tiesiog eksperimentavo – atsitiktinai. Jis sujungė įprasto biplano sparnų galus puslankiais ir įrengė tokį patį dizainą kaip ir uodega. Tiesa, gautas hidroplanas „Bleriot III“niekada pats nepakilo iš vandens. Liudininkai aprašė kelis skrydžius – kai aparatas buvo tempiamas kaip aitvaras, bet nieko daugiau.

Šiandien Blériot klaidos akivaizdžios: per sunki uodega, dideli keliamosios galios nuostoliai dėl neteisingai parinkto sparno kontūro. Tačiau faktas lieka faktu – uždarų sparnų orlaiviai pradėjo savo kelionę aviacijoje.

Be Bleriot, su uždaru sparnu eksperimentavo dar keli šimtmečio pradžios dizaineriai. Vienu metu garsėjo prancūzų inžinieriaus Živodano lėktuvas, kurį jis pastatė Velmorelio gamykloje 1909 m. Visi ir visi, įskaitant Scientific American ir daugybę gerbiamų leidinių, rašė apie nuostabią mašiną, kuri atveria naują aviacijos amžių. Živodano lėktuve sparnų vaidmenį atliko dvi žiedo formos figūrėlės, tarp kurių buvo ir piloto sėdynė. Variklis svėrė 80 kg ir išvystė 40 AG, sukdamas 2,4 metro sraigtą. Kaip ir galima tikėtis, keista konstrukcija, primenanti vamzdį su išplėšta centrine dalimi, į orą nepakilo. Verta paminėti, kad prancūzų modelių lėktuvų dizaineris Emmanuelis Fillonas devintajame dešimtmetyje suprojektavo veikiantį Zhivodan lėktuvo modelį. Ir modelis skraidė gražiai. Tai yra, jo aerodinaminės savybės nebuvo tokios blogos. Per didelė masė arba maža variklio galia galėjo sutrukdyti originalui pakilti.

Verta paminėti dar vieną nuostabų dizainą – amerikiečio Williamo Pierce'o Gary vadinamąjį „Gary-Plane“. Gary lėktuvas (1910 m.) turėjo plokščią žiedo formos sparną, kurio skersmuo siekė 8 m – daugiau nei keturių žmogaus ūgių! Tiesa, Gary lėktuvas pasižymėjo siaubingu nestabilumu: visi bandymai juo skristi baigdavosi apsivertimu į priekį.

1990-ųjų pabaiga: antrasis vėjas

1998 m. Anatolijus Guščinas, Anri Naskidiantas ir daugelis kitų pilotų įtikino Naruševičius tęsti darbą lėktuve. Lėktuvu susidomėjo tam tikra privati įmonė, buvo rasti pinigai, atkurtas pusiau pamirštas sparnas, komanda pradėjo montuoti fiuzeliažą. Viskas buvo daroma nuo nulio. Nebent važiuoklė buvo paimta iš sraigtasparnio Mi-1, o prietaisų skydelis – iš AN-2. Automobilis buvo sukurtas potencialiam vartotojui: sėdynės vienam ar dviem pilotams ir trims keleiviams puslankiu. Vietoj keleivių buvo galima pastatyti konteinerius trąšoms ir purškimo įrangai laikyti …

Svarbi Naruševičiaus lėktuvo savybė buvo ta, kad ovalus sparnas nebuvo pritvirtintas tiesiai prie fiuzeliažo. Jis buvo sparno viduje ant stelažų ir pakabų. Taigi keltuvas buvo sukurtas per visą sparno paviršių.

Iki 2004 m. buvo atlikti pirmieji gautos mašinos lauko bandymai. Ji atliko kelis skrydžius ramiomis ir šoninio vėjo sąlygomis. Išradėjai atrado, kad prietaisas turi labai neįprastų aerodinaminių savybių. Pirma, lėktuvas su ovaliu sparnu (toliau vadinsime SOC) visiškai nereagavo į šoninio vėjo gūsius iki 13 m/s. Antra, kilimo bėgimui pakako 150 m (AN-2 - 180 m, kitiems tos pačios klasės lėktuvams kartais net daugiau). Tačiau svarbiausia pasirodė praktinis naudingosios apkrovos ir bendros orlaivio masės santykis - 0,45! Iki šiol niekas nepriartėjo prie tokio koeficiento. Lėktuvas gali būti saugiai parodytas būsimiems investuotojams.

Šiandien keista Louiso Bleriot „ovaloplane“atrodo absurdiška: ją statydamas prancūzų dizaineris padarė per daug klaidų. Tačiau Bleriotas pasielgė atsitiktinai: 1906 m. niekas nežinojo, kuri sparno konfigūracija laimės.

Vertikalios kilimo žiedai

Tarp vokiečių Antrojo pasaulinio karo projektų daugelis buvo absoliučiai nuostabūs savo drąsa ir originalumu. Taigi Ernsto Heinkelio (1944) sukurtas vertikalaus kilimo ir tūpimo naikintuvas-perėmėjas „Lark“(Lerche) turėjo uždarą devynių pusių sparną ir du nepriklausomus Daimler-Benz 605D variklius, kurių kiekvienas suko savo sraigtą. Abu sraigtai buvo sparno viduje. Tuo metu lėktuvas buvo neįprastas tuo, kad reiškė vertikalų kilimą ir nusileidimą.

Sunku pasakyti, ką Heinkelis būtų daręs, jei Larką įkūnytų metalas. 1945 metais Heinkelis taip pat sukūrė LercheII, pirmajam pritrūko laiko ir projektas dingo į nežinią. Tačiau kiekvienas turi galimybę skristi „Skylark“– kompiuteriniame žaidime „IL-2 Sturmovik: Forgotten Battles“. 1946 “.

Tačiau prancūzai 1959 metais rado galimybę įkūnyti savo žiedinį sparnų šedevrą metale. Nuostabus SNECMA C-450 Coleoptere reaktyvinis lėktuvas net pakilo. Tiesa, nusileido gana sunkiai, beveik palaidodamas po savimi pilotą. Tiesą sakant, SNECMA žiedinio sparno nepilotuojamą orlaivį sukūrė dar anksčiau, 1954 m. Jai buvo suteiktas lyrinis pavadinimas Atar Volant C-400 P-1 (Skraidanti žvaigždė) ir atlikta daugiau nei 200 sėkmingų bandomųjų skrydžių. Kaip ir vokiečių Lark, tai buvo vertikalaus kilimo ir tūpimo orlaivis. Kitas žingsnis buvo pilotuojamos transporto priemonės, kuri tapo C-450, sukūrimas. Aštuonių metrų naikintuvas buvo sėkmingai paleistas, tačiau pereinant nuo vertikalaus skrydžio prie horizontalaus skrydžio, jis pademonstravo visišką nesugebėjimą išlaikyti aukščio ir nukrito kaip akmuo. Pilotas katapultuotas, o brangus projektas buvo nedelsiant uždarytas.

SNECMA C-450 (1959) Jis galėjo skristi tik vertikaliai. Kai pilotas bandė pereiti prie horizontalaus skrydžio, eksperimentinė konstrukcija nukrito kaip akmuo. Uždarojo sparno lėktuvo projektas buvo nedelsiant uždarytas.

SNECMA C-450 (1959)

Jis galėjo skristi tik vertikaliai. Kai pilotas bandė pereiti prie horizontalaus skrydžio, eksperimentinė konstrukcija nukrito kaip akmuo. Uždarojo sparno lėktuvo projektas buvo nedelsiant uždarytas.

Paskutinis bandymas sukurti vertikalaus kilimo žiedinį lėktuvą buvo amerikiečių projektas Convair Model 49 (1967). Convair dabar gerai žinomas dėl savo povandeninio laivo dizaino ir daugybės kitų beprotiškų dizainų. Model49 buvo lėktuvo ir sraigtasparnio hibridas. Jo žiedo formos sparnas slėpė arsenalą, kuriuo galėjo didžiuotis visas artilerijos pulkas. Kulkosvaidžiai, granatsvaidžiai, pabūklai ir raketų svaidikliai – „49-asis“vienas gali duoti mūšį visavertei armijai. Jei jis buvo pagamintas. Beprotišką projektą JAV vyriausybė išmintingai atmetė.

Uždarytas sparnas naujas gyvenimas

2006 metais ekspertai vėl susidomėjo ovalo formos sparno tema. Vienoje Minsko įmonių buvo organizuoti eksperimentiniai projektavimo darbai (MTEP), siekiant atkurti orlaivį su ovaliu sparnu, jį išbandyti ir ištirti jo aerodinamines savybes. Vyriausiasis ROC dizaineris buvo Aleksandras Michailovičius Anokhinas, buvęs karo lakūnas, turintis solidžią 35 metų patirtį. Naruševičius ir Guščinas tapo projektavimo biuro nariais. 2008 m. darbe dalyvavo fizinių ir matematikos mokslų daktaras, profesorius Leonidas Ivanovičius Grechikhinas. Raketų aerodinamines savybes jis dirbo su garsiuoju Korolevu, o dabar konsultuoja ir skaito paskaitas įvairiuose NVS institutuose. Dėl to susikūrė komanda, kuri ir dabar toliau dirba šia tema.

Bėda ta, kad lėktuvas į dangų nepakilo nuo 2004 metų ir tapo praktiškai nebenaudojamas. Tačiau darbai įsibėgėjo. Lėktuvas buvo modifikuotas, paruoštas skrydžiams ir iškeltas iš angaro. Prasidėjo bandymai. Transporto priemonės konfigūracija išliko ta pati, tačiau patikslinimas buvo rimtas – iki pat sparno profilio pakeitimo. Reikšmingas darbas (kuris tęsiasi ir dabar) teko Grečichinui: buvo pastatytas lėktuvas su ovaliu sparnu, bet niekas anksčiau to nebuvo detaliai apskaičiavęs!

Techninės savybės

Kas šiandien yra SOC? Tai tikrai yra lėktuvas. Tačiau savo savybėmis ore jis labai skiriasi nuo įprastų mašinų su plokščiais arba užapvalintais sparnais. Paprastam plokščiam sparnui būdingas indukcinis pasipriešinimas: oras iš aukšto slėgio zonos po sparnu linkęs tekėti į viršutiniame paviršiuje esančią vakuuminę zoną per sparnų antgalius. Tokiu atveju už orlaivio susidaro galiniai sūkuriai, kurių susidarymui taip pat sunaudojama energija, kuri yra indukcinės varžos reikšmė.

Ovaliam sparnui indukcinio pasipriešinimo problema nėra aktuali, nes jis neturi antgalių. Be to, įeinantis oro srautas, einantis per uždarą kilpą, nukreipiamas žemyn, sukuriant papildomą kėlimo jėgą. Kuo didesnis sparno atakos kampas, tuo stipresnis šis poveikis. Ir tokio dizaino atakos kampas gali būti precedento neturintis didelis.

Srauto sustojimas įvyksta, kai oro srovė, padidėjus atakos kampui, nustoja sklandžiai tekėti aplink viršutinį sparno paviršių ir atitrūksta nuo jo susidarant sūkuriams. Tokiu atveju sparno pakėlimas iš karto išnyksta ir aparatas praranda kontrolę. Ovalus sparnas leidžia sparno atakos kampą iki 50 °, o artimiausi konkurentai pasiekia daugiausia 20–22 °. Dėl uždaro sparno viduje esančio oro sunku sustabdyti srautą iš apatinės sparno dalies viršutinio paviršiaus. O kai srautas palieka uždarą kilpą, dėl išstūmimo (dviejų terpių maišymosi procesas, kai viena terpė įsitraukia kitą), „siurbia“orą, einantį išilgai viršutinės sparno dalies viršutinės dalies. Šie duomenys nebuvo gauti empiriškai – ovalus sparnas „išsiliejo“vandens kanale.

Prieš įsikūnydamas metale ir pakildamas į orą, baltarusių orlaivis su uždara sparno kilpa išgyveno tris „reinkarnacijas“– jo statyba prasidėjo dar 1988 m.

Galimybė skristi itin dideliais atakos kampais kartu su srauto nukreipimo efektu leidžia orlaiviui skristi itin mažu greičiu nenaudojant sklendių. SOK trūksta sparnų mechanizacijos, kuri netrukdo patikimai pakilti ir nusileisti. Neregėtas atsparumas užstrigimui leidžia orlaiviui stabiliai ir patikimai skristi plačiausiu greičio diapazonu.

Daugelis SOC savybių stebina. Jis sugeba įsibėgėti, pakilti ir nusileisti vos 400 m ilgio nelygioje žolėtoje trasoje, išjungus variklį, gerai planuoja ir ore apskritai elgiasi labai stabiliai. Ovalus sparnas daro orlaivį manevringesnį ir taupo degalus. Be to, uždara kilpa suteikia sparnui papildomo tvirtumo. Grečichino teigimu, lėktuvai su klasikiniais sparnais greitai pritrūks. Tai labai paprasta: kuo didesnis lėktuvas, tuo sunkesnis ir galingesnis jo sparnas, tuo sunkiau išlaikyti standumą. Iš esmės lėktuvas neša „nenaudingo“krovinio masę – savo stulpelių svorį. O ovalus sparnas yra dvigubai lengvesnis tam pačiam keltuvui.

Tradicinės problemos

Pagrindinė problema ta, kad Baltarusijos įstatymai dėl aviacijos apskritai nenumato orlaivių kūrimo šalies teritorijoje ir jų skrydžio veiklos. Neseniai „Midivisana“sukūrė specializuotą nepilotuojamų orlaivių kūrimo biurą, kuriam vadovauja Anokhin. Tarp darbuotojų yra ir Naruševičius, ir Guščinas. Susikūrusi entuziastų komanda nepraranda vilties, kad bent nepilotuojamame lėktuve pavyks realizuoti savo išradimą – uždarą ovalų sparną.

Sukhanovo žiedo planas

SSRS taip pat buvo bandoma sukurti žiedinį lėktuvą. 1936 m. Maskvos aviacijos instituto studentas Sukhanovas kaip baigiamąjį darbą pristatė lėktuvo su žiediniu sparnu gynybai projektą. Sparno skersmuo buvo 3 m, o projektinį 600 km / h greitį turėjo užtikrinti 800 arklio galių Hispano-Suiza variklis. Iki 1940 m. diplomas tapo visaverčiu trumpo kilimo ir tūpimo naikintuvo-perėmėjo projektu ir buvo svarstomas TsAGI mokslinėje ir techninėje taryboje. Tačiau atėjo karas, nebeliko laiko ir pinigų lėktuvo statybai, o juo labiau jo bandymams. 1942 m. Novosibirske Sukhanovas pastatė veikiantį žiedinio lėktuvo modelį. Modelių bandymai parodė, kad orlaivis gali atlaikyti atakos kampus iki 43°, turi aukštą galios ir svorio santykį, apsaugos nuo sukimosi savybes ir puikų manevringumą. Sukhanovas gavo autorinį pažymėjimą, atliko visus skaičiavimus, tačiau žiedo planas dėl karo ir niokojimo šalyje taip ir neišvydo dienos šviesos.

Sparnas parodo savo savybes tik esant tam tikram elipsės ašių santykiui viena su kita, sparno stygos ilgiu iki mažosios elipsės ašies ir kitais sparno profilio niuansais. Projektuotojai kreipėsi dėl patento ir gavo pirmumo sertifikatus šiai sparno formai Baltarusijoje ir Rusijoje. Dabar, regis, jų sėkmės pakartoti nebegalės, nes visi turimi palankių sparno parametrų „koridoriai“jau išvaryti.

Laikotarpiui nuo kūrimo pradžios iki pirmojo lengvojo variklio orlaivio modelio konstravimo reikia apie 12 milijonų dolerių, sako Aleksandras Anokhinas. „Su tokiu sparnu galime pagaminti net deltasparnį. Ar gali įsivaizduoti? Sklandytuvas, nebijo šoninio vėjo! Pagrindinė problema – net ne finansavimas: kai tik SOK pateks į MAKS, pavyzdžiui, investuotojai bus rasti. Problema yra Baltarusijos teisės aktuose, pagal kuriuos šalies teritorijoje sukurtą orlaivį registruoti itin sunku, o šiuo atveju tai tiesiog neįmanoma, nes jis nepriklauso žinomoms orlaivių klasėms. Tačiau jau yra susitarimas su Voronežo aerodromu, kurį planuojama panaudoti tolesniems transporto priemonės bandymams.

Kas toliau? Pažiūrėkime. Faktas išlieka. Pirmą kartą orlaivių statybos istorijoje pakilo uždarų sparnų lėktuvas. Galbūt esame ant naujų atradimų slenksčio. O gal tai tiesiog kurioziškas lėktuvas, pavienis incidentas. Laikas pasakys.