В результате стоимость строительства и обслуживания подобных сооружений составляет более половины всех расходов на тяжелую авиацию. Впрочем, дело не только в деньгах. Серьезную озабоченность вызывает и безопасность полетов. Случись с такой машиной что-либо в воздухе вдали от аэродрома — это верная катастрофа: ведь приземлиться он может только на бетонную полосу.
Именно поэтому давно уже предпринимаются попытки создать крупные машины, способные садиться на обычный грунт. Конструкторы прибегают к разным хитростям. К примеру, предлагают заменить колесные шасси посадочными устройствами на принципе воздушной подушки. По идее такое шасси позволяет сажать тяжелый самолет даже на вспаханное поле.
Впервые такая машина была испытана в нашей стране еще в 1940 году. Она могла садиться чуть ли не на болото, но размеры и вес посадочного устройства, заменившего колеса, оказались неприемлемо велики. От затеи пришлось отказаться.
Серьезна для авиации и еще одна проблема — минимального веса машины при достаточной ее прочности. У самолетов традиционного типа есть ахиллесова пята — концентрация сил в корнях крыльев — местах, где они соединяются с фюзеляжем. Освободиться от этих сил пытались неоднократно. Еще в 1918 году немецкий авиаконструктор X. Юнкерс получил патент на «свободнонесущее крыло», в котором размещались двигатели, топливо, пассажиры и грузы. Их вес равномерно распределялся по длине крыла, и его удавалось сделать достаточно легким. Фюзеляжже заменяли балки, несущие только хвостовое оперение, необходимое для придания машине устойчивости.
Наш авиаконструктор Б. И. Черановский в 1920 году предложил пассажирский самолет, представлявший собой «летающее крыло». В плане оно имело форму параболы, что позволяло надеяться на устойчивый полет без хвостового оперения и даже без намека на фюзеляж. Ожидалось, что равномерное распределение нагрузок и гладкая, без выступающих элементов обшивка обеспечат прекрасную аэродинамику машины. Но эксперименты на моделях показали — толстое и широкое крыло малого удлинения имеет очень высокое лобовое сопротивление и плохую устойчивость. Так что проект остался не осуществленным.
Все эти проблемы с блеском решены в новом летательном аппарате, основы конструкции которого были заложены профессором Н. Л. Щукиным еще три десятка лет тому назад.
Прежде чем перейти непосредственно к рассказу о новом летательном аппарате, вспомним, что еще в XVIII веке французский математик Ж.Л. д'Аламбер теоретически обосновал парадоксальное утверждение, которое в упрощенном виде звучит так: при отсутствии сил вязкости сопротивление движению тела в несжимаемой жидкости равно нулю. При скорости, близкой к половине звуковой, сжимаемость воздуха почти не принимает участия в создании сопротивления, а вот про вязкость этого не скажешь. Тут она — корень зла.
На муху, севшую на мед, вязкость оказывает непосредственное силовое воздействие. По отношению к крупному самолету, летящему с дозвуковой скоростью, вязкость выполняет функции в основном «управленческие». То есть она перераспределяет обтекающие его потоки воздуха, и вступающие в действие силы инерции воздушных масс начинают создавать мощное сопротивление. Подчеркнем еще раз, что чисто вязкостные силы составляют весьма малую часть этого сопротивления. Например, у самолета с шириной крыла 2 м и летящего со скоростью 600 км/ч силы вязкости в 20 млн раз меньше сил инерции! Но вязкость, как мы уже упомянули, выполняет роль детонатора, разрушающего стройный поток воздушной среды.
И тут напрашивается мысль — поскольку уничтожить вязкость воздуха нельзя, не стоит ли попытаться за счет работы двигателей самолета скомпенсировать ее действие? Причем сделать это надо очень тонко, в таком месте, где силы «зла» только начинают свою подрывную работу.
Более тридцати лет назад эту идею успешно осуществил в эксперименте наш ученый. Рассмотрим его открытие применительно к толстому крылу малого удлинения. Тут основные беды происходят из-за отрыва потока с образованием множества больших и малых вихрей на задней верхней поверхности. Именно здесь и установил Щукин особую систему щелей. Работают они попарно. В переднюю щель компрессором подается воздух, струя которого выходит на поверхность крыла и, описав дугу, засасывается в заднюю щель. И так в каждой паре.
В результате сверху на крыле образуется движущаяся воздушная пелена, прилегающая к его поверхности. Соприкасаясь с ней, набегающий поток не испытывает торможения, и на значительной части крыла возникает подъемная сила. В итоге аэродинамическое качество (отношение подъемной силы крыла к создаваемому сопротивлению) с 3–4 поднимается до 15–18!
Итак, проблема улучшения обтекаемости толстого крыла решена. Правда, строить на его основе самолет классического типа, увы, нерационально. Придется ставить винт, диаметр которого должен хотя бы в два раза превышать толщину крыла.
Щукин блестяще избежал этого. В разработанном им летательном аппарате максимально используются особенности формы и открытые им принципы.
Тягу для полета создают турбовентиляторные двигатели, размещенные в просторных объемах крыла. Часть отбираемого от них воздуха идет на работу системы активного управления струей вблизи поверхности аппарата. Благодаря вентилятору, встроенному в силовую установку, а также плоской нижней поверхности крыла по-новому решается вопрос об использовании воздушной подушки. Для ее создания оказалось достаточным поставить снизу специальные выступы — скеги. При этом ни вес летательного аппарата, ни его сопротивление практически не возросли.
Подобный самолет может взлетать и садиться на любой аэродром, даже на грунтовую площадку, водную поверхность, да и длина взлетно-посадочной полосы не превысит 500 м. Машина способна летать на совсем малой высоте в режиме экраноплана. И в этом случае дальность полета возрастет вдвое.
В 1990 году российская фирма «ЭКИП» взялась за создание летательных аппаратов нового типа. За прошедшие годы она построила уже две летающие модели нового аппарата. Одна из них, массой 7,5 т, не раз демонстрировалась на зарубежных выставках в полете.
А в проекте пассажирская машина взлетной массой 120 т и полезной нагрузкой в 40 т. При скорости 650 км/ч она может одолевать до 4,5 тысячи км на высоте 10–12 км. Самолет классического типа при аналогичных характеристиках мог бы поднять не более 30 т.
Даже если в салоне все места заняты (а вмещает он 350 пассажиров), он кажется просторным.
Для большей надежности в полете устойчивость машины дополнительно обеспечивают четыре плоскости, снабженные аэродинамическими рулями и закрылками. Эти две системы могут работать независимо друг от друга, к тому же многие жизненно важные системы многократно продублированы.
Каждый из турбовентиляторных двигателей приводится в действие двумя турбинами. В случае отказа одной другая увеличивает свою мощность, и вентилятор работает, почти не снижая производительности. Даже если выйдут из строя три из четырех турбин, что почти невероятно, машина сможет продолжать полет.
А сесть она может на любой клочок ровной земли или водную поверхность. Если для обычного самолета полет над океаном — всегда риск, посадка его на воду чаще всего ведет к гибели, то для «ЭКИПА» — это режим наибольшей безопасности. Не случайно огромный интерес к работам фирмы проявляют страны Юго-Восточной Азии, расположенные на островных территориях.
И еще одно немаловажное достоинство новинки — здесь вполне реально использовать в качестве самолетного топлива жидкий водород, килограмм которого при сгорании в специально сконструированной газовой турбине может заменить почти 3 кг керосина. За счет этого можно было бы втрое увеличить дальность полета или почти вдвое — массу полезной нагрузки. К тому же водород при сжигании не загрязняет атмосферу.
Правда, плотность жидкого водорода более чем в 11 раз ниже, чем керосина. Баки для его хранения должны иметь надежную и довольно толстую теплоизоляцию. В обычном самолете они займут столько места, что для пассажиров и грузов его просто не останется. У самолетов же фирмы «ЭКИП» подобных проблем нет — разместить в них водородные баки можно, совсем не стесняя салон. А на водородном топливе новый летательный аппарат способен облететь земной шар.
Словом, пока у новой машины просматривается лишь один серьезный недостаток — у фирмы нет денег на реализацию своего проекта в полном масштабе. А государство наше, как обычно, финансировать новую разработку не торопится. Зато проектом всерьез заинтересовались зарубежные специалисты. И поговаривают, что в скором времени «ЭКИП» вполне может улететь за океан. А мы опять останемся у разбитого корыта.
Их называют «инолетами»
Каждый человек в мире, наверное, слышал сегодня об НЛО или, попросту, о «летающих тарелках». Ну а что, интересно, думают о возможности их создания профессиональные изобретатели и конструкторы? И среди них, оказывается, есть своего рода рекордсмены.
Аппарат, который смело можно отнести к категории «летающих тарелок», создал в США бывший профессор аэронавтики, а ныне изобретатель и бизнесмен Пол Моллер. Его аппарат «Волонтер-М200Ф» имеет 6 двигателей с винтами, расположенных в кольцевых каналах по периметру «тарелки». В центре же сидит пилот, управляющий машиной. Аппарат может летать на высоте нескольких километров со скоростью порядка 250 км/ч.
Другим столпом «тарелкостроения» является американец Джек Джонс. Первым на работы Джонса обратил внимание журнал Popular Science еще в 1997 году. Опубликованная им заметка привлекла внимание Пентагона, который отправил с инспекционной поездкой к Джонсу трех инженеров своей военно-морской исследовательской лаборатории (NRL — Naval Research Laboratory). И те выяснили, что на самом деле дела у Джонса обстоят не столь блестяще, как говорилось в публикации.
Тем не менее Джонс запатентовал свою конструкцию под названием «трехсегментное круговое крыло» (3WCP — Three Wing Circular Platform), и в 2000 году вошел в число 10 номинантов конкурса журнала Discovery на лучшую технологическую инновацию.
Недавно авиационный инженер из США Джордж Ноймайер взял патент еще на одну конструкцию «летающей тарелки». Она представляет собой диск диаметром 60 м. В центре его толщина 15 м, а на периферии истончается, образуя острую кромку. Сверху вся поверхность диска покрыта фотоэлементами. А в нижней части прорезаны иллюминаторы для 800 пассажиров, сидящих в четырех рядах по окружности летательного аппарата. Верхняя часть диска будет заполнена легким гелием для создания дополнительной подъемной силы. Под ним на поворотных шарнирах смонтированы 8 турбореактивных двигателей. Они могут поднять аппарат в воздух вертикально, а затем придать ему поступательное движение. При этом дополнительная подъемная сила создается самим диском, представляющим собой аэродинамическую поверхность. Таким образом обеспечивается запас мощности, позволяющий аппарату продолжать полет, даже если половина его двигателей вдруг выйдет из строя.
Так конструкция выглядит на бумаге. А что покажет жизнь? Даже сам изобретатель настроен довольно скептически. «После братьев Райт лишь одному человеку удалось ввести в практику США новый вид летательного аппарата, — говорит он. — То был Игорь Сикорский, запатентовавший в 1943 году свой проект геликоптера. Хорошо, если я буду вторым…»
И он знает, о чем говорит. До сих пор аэродинамические характеристики «дисков» и «тарелок» оказывались хуже, чем традиционных летательных аппаратов. Поэтому дело и не двигалось дальше экспериментов.
Тем не менее, начиная с 1992 года, ВВС США провели уже 135 испытательных полетов малозаметного низкоскоростного самолета-разведчика, напоминающего по форме хлебный батон с крылом. Примерно так же выглядит, кстати, и наш «ЭКИП». С той лишь разницей, что «Тэсит Блю» откровенно предназначен для военных целей, и странная его форма, созданная конструкторами фирмы «Нордроп», обусловлена прежде всего большой PJIC бокового обзора, занимающей практически весь фюзеляж этого самолета.
Впрочем, летал он все же настолько плохо, что его испытания, по существу, так и не были доведены до конца. Основные силы были переключены на доводку других конструкций.
В их числе, например, и экспериментальный самолет «Дакстар» («Темная звезда»), который еще больше походит на «летающую тарелку», к которой еще зачем-то добавлены два крыла. Как и его предшественники, этот летательный аппарат предназначен прежде всего для целей разведки. Однако первые испытания этого детища конструкторов двух фирм, «Локхид Мартин» и «Боинг», оказались не очень удачными. Уже во втором полете на 10-й секунде самолет потерпел аварию, и полеты пришлось отложить почти на полгода, пока не разобрались в ее причинах. Теперь он снова летает, но сказать что-либо определенное о его достоинствах пока трудно.
Следующий логический шаг сделали наши конструкторы. Один из них — тюменский преподаватель, бизнесмен и изобретатель А. И. Филимонов, предложивший такую конструкцию. Сразу же за пилотской кабиной фюзеляж резко расширяется, обтекая кольцевым каналом вертолетный ротор. А в районе хвоста расположены маршевые двигатели с самолетными пропеллерами.
У кольца сразу несколько назначений. При крейсерском полете оно прикрывает ротор, обеспечивая лучшую обтекаемость, а значит, и экономичность. Начинается снижение — раскрутившийся винт и струйные рули обеспечивают хорошую устойчивость. Наконец, при посадке из кольца выдвигается резиновая «юбка», позволяющая мягко приземляться на «брюхо», точнее, на «воздушную подушку».
«Подушка» эта, кстати, также позволяет передвигаться над самой поверхностью как по воде, так и по суше, преодолевая неровности до 0,5 м высотой.
Гибриды ищут работу
Наиболее рациональным способом доставки пассажиров из одного города в другой на расстояние в несколько сотен километров уже известный нам П. Моллер считает «воздушный автомобиль». Так он называет гибридный вид транспорта, который будет сочетать в себе качества спортивного автомобиля и истребителя.
Для осуществления своей мечты профессор уже создал серию летающих гибридов. Одни из них — «Мерлин-300» — по внешнему виду действительно напоминает нечто среднее между автомобилем и самолетом. Шесть двигателей двухместной машины обеспечивают исключительную надежность полета, поскольку отказ даже трех моторов сразу позволяет все-таки совершить благополучную посадку.
«М-300» способен пролететь с одной заправки около 1500 км со средней скоростью 250 км/ч на высоте до 9 км. В немалой степени тому способствуют экономичные двигатели, потребляющие всего литр дизельного топлива на 7 км пути.
Однако наилучшим из своих творений профессор считает «Волонтер-М400». Он представляет собой гибрид вертолета, самолета и автомобиля. До скорости 400 км/ч крыло-ротор этого летающего гибрида будет вращаться по-вертолетному, обеспечивая вертикальный взлет и посадку. При наборе достаточной высоты и превышении стартовой скорости ротор стопорится, и лопасти превращаются в неподвижные аэродинамические поверхности, подобные крыльям. Полет продолжается за счет тяги пропеллеров, установленных на концах ротора и заключенных в кольцевые кожухи.
Профессор полагает, что к 2010 году подобные гибриды станут рядовым средством городского транспорта.
Его оптимизм разделяют и другие изобретатели «летающих автомобилей». «Наш летающий автомобиль будет просто перемахивать через транспортные пробки», — утверждают сотрудники компании Terrfugia, создавшие гибридный транспортный аппарат — автосамолет Transition.
Основатель этой компании, выпускник Массачусетского технологического института Карл Дитрих, создал 2-местный аппарат весом всего 600 кг (столько же весит наша «Ока»), который на трассе не уступит обычному джипу, а взлетев на раскладных крыльях, сможет развить и скорость около 200 км/ч. Двигатель мощностью в 100 л. с. тратит чуть больше 7,5 литра бензина на 100 км пути, так что емкости стандартного бака хватит примерно на 740 км. Мелкосерийный выпуск аппарата намечен на конец 2009 года, так что у Дитриха есть шанс обогнать Пола Моллера.