В современном мире появляется все больше самолетов с любыми характеристиками и мощностью. Инженеры повсеместно пытаются решить главные проблемы, связанные с этим видом транспорта: уменьшить расход топлива, увеличить дальность, упростить взлет и посадку, но при этом не жертвовать пространством и площадью салона.
Пожалуй, все привыкли видеть разгон самолета по взлетной полосе – это сложная задача, и сами пилоты говорят, что именно от взлета и посадки во многом зависит удачность полета в целом. Но не логичнее ли представить, как упростится эта процедура, если самолет будет просто подниматься вверх, вертикально? Однако в широком обсуждении нигде особо таких вариантов не видно. Самолет с вертикальным взлетом – это миф, реальность или, может быть, далеко идущие планы, за которыми стоит будущее авиации? Стоит разобраться подробнее.
Истребитель короткого взлета и вертикальной посадки STOVL F-35B
В первую очередь нужно знать, что самолет вертикального взлета и посадки действительно существует. Первые модели начали появляться одновременно с развитием реактивной авиации, и с тех пор до сих пор не дают покоя инженерам во всем мире. По времени это совпадает со второй половиной прошлого столетия. Название они носили весьма говорящее – «турболеты ». Поскольку тогда происходил бум военных разработок техники, к инженерам выдвигалось требование разработать такой аппарат, который поднимался бы воздух с минимальными усилиями или вообще из вертикального положения. Такие самолеты не требуют взлетной полосы, а значит, стартовать им можно откуда угодно и в любых условиях, даже с мачты корабля.
Все эти проекты совпали с другими, не менее важными, связанными с освоением космического пространства. Общий симбиоз позволил удвоить силы, черпать идеи из космического проектирования. Как итог, первый вертикальный аппарат увидел свет в 1955 году. Можно сказать, что это было одно из самых странных строений в истории техники. У самолета не было крыльев, хвоста – только двигатель (турбореактивный), колбообразная кабина, топливные бани. Двигатель был сделан внизу. Можно выделить такие особенности первого турболета:
- Подъем за счет реактивной струи из двигателя.
- Управление посредством газовых рулей.
- Вес первого аппарата – немногим больше 2000 килограмм.
- Тяга – 2800 килограмм.
Поскольку такой самолет нельзя было назвать ни устойчивым, ни управляемым, первые испытания были сопряжены с большим риском для жизни. Несмотря на это, в Тушино прошла демонстрация аппарата, причем успешно. Это все дало базу для дальнейших исследований в этой области, хоть сам самолет был далек от идеала. Но информация послужила для создания нового проекта. Это был первый российский самолет с вертикальным взлетом под названием ЯК-38.
История создания вертикальных самолетов в России и других странах
Многие инженеры и проектировщики до сих пор утверждают, что турбореактивные двигатели, которые начали активно использовать и совершенствовать в 50-х годах, позволили сделать множество открытий, используемые и в настоящее время. Одно из них – активные испытания вертикальных аппаратов. Особый вклад принесло развитие этой области, а точнее, реактивных устройств, в странах, которые в то время считались передовыми. Поскольку реактивные самолеты имели огромные показатели скорости при посадке и взлете, для них, соответственно, использовались очень длинные, масштабные и качественные взлетные полосы. А это – дополнительные траты, оборудование новых аэродромов, неудобства в военное время. Вертикальный самолет может решить все эти проблемы.
Именно в 50-е годы были созданы различные образцы. Но их проектировали в одном или двух вариантах, не больше, ведь все равно не получалось создать полностью подходящие варианты. Ведь поднимаясь в воздух, они терпели крушения. Несмотря на неудачи, комиссия НАТО в 60-х годах дала этому направлению приоритет, как крайне перспективному. Были попытки создать и конкурсы, но каждая страна сфокусировалась на своих разработках. Так, свет увидели такие аппараты со всего мира:
- «Мираж» III V;
- ФРГ VJ-101C;
- XFV-12A.
В СССР таким турболетом стал ЯК-36, а после и 38. Его разработки начались в тех же годах, а для испытаний создали специальный павильон. Уже через 6 лет прошел первый полет. То есть, самолет вертикально взлетел, принял горизонтальное положение, а после вертикально приземлился. Поскольку испытания были успешными, создали 38-ю модель, а после Россия представила самолет с вертикальным взлетом ЯК-141 и 201 в девяностых.
«Мираж» III V
Самолет ФРГ VJ-101C
Самолет XFV-12A
Особенности конструкции
Фюзеляж в таких аппаратах может быть расположен вертикально или горизонтально. Но в обоих случаях бывают модели реактивные и с винтами. Довольно мощные самолеты с вертикальным фюзеляжем, которые используют тягу от маршевого двигателя. Еще один вариант – кольцевые крылья, которые также дает неплохие результаты во время подъема и полета.
Если говорить подробнее о горизонтально фюзеляже, то тут часто делают поворотные крылья. Другая разновидность, когда винты располагают на конце крыльев. Здесь может быть и двигатель поворотного типа. В Англии также вели активную работу над подобными аппаратами. Там активно разрабатывали проект, который назывался инновационный, реализованный с помощью двух двигателей с тягой в 1800 килограмм. В итоге даже это не спасло самолет от аварии.
Сейчас во всем мире ведутся работы по разработке уже не военного, а гражданского вертикального самолета. В теории, это прекрасные перспективы, ведь тогда самолеты смогут без труда летать даже в небольшие города, где нет масштабным и дорогостоящих самолетов, а взлет и посадка облегчаются в разы. Но на деле, есть множество минусов у такой технологии и задумки.
Почему вертикальные самолеты до сих пор не нашли широкого применения?
К сожалению, все разработки, даже если отличались неплохими результатами, не могут похвастаться надежностью. Лопасти винтов, которые и помогают делать вертикальный взлет, поражают своими размерами. Они вместе с мощными двигателями создают невообразимый шум. Также с точки зрения конструкции нужно избежать любых возможных препятствий на их пути, исключить попадание различных предметов.
Как ни крути, невозможно отменить ограничение по скорости. Просто по законам физики такой самолет не сможет двигаться также быстро, как современные. И если военные аппараты могут развить фантастическую в их случае скорость в 1000 километров в час, то с увеличением массы и размеров для гражданской авиации показатель падает до 700 и ниже километров в час.
Вконтакте
0Конструирование самолетов с вертикальным взлетом и посадкой сопряжено с большими трудностями, связанными с необходимостью создания легких двигателей, управляемостью на околонулевых скоростях и др.
В настоящее время известно много проектов схем самолетов вертикального взлета и посадки, многие из которых уже воплощены в реальные аппараты.
Самолеты с воздушными винтами
Одним из решений проблемы вертикального взлета и посадки является создание самолета, у которого подъемная сила при взлете и посадке создается поворотом оси вращения винтов, а в горизонтальном полете - крылом. Поворот оси вращения винтов может быть достигнут поворотом двигателя или крыла. Крыло такого самолета (рис. 160) выполняется по многолонжеронной схеме (минимум два лонжерона) и крепится к фюзеляжу на шарнирах. Механизм поворота крыла чаще всего представляет винтовой домкрат с синхронизированным вращением, обеспечивающий изменение угла установки крыла на угол больше 90°.
Крыло снабжается по всему размаху многощелевыми закрылками. На участках, где крыло не обдувается воздушным потоком от винта, или там, где скорости обдувания невелики (в центральной части крыла), устанавливаются предкрылки, способствующие устранению срыва потока при больших углах атаки. Вертикальное оперение отличается относительно большими размерами (для повышения путевой устойчивости при малых скоростях полета) и оснащается рулем направления. Стабилизатор такого самолета обычно управляемый. Углы установки стабилизатора могут изменяться в больших пределах, обеспечивая переход самолета от вертикального взлета к горизонтальному полету и обратно. Основание киля переходит в вынесенную назад хвостовую балку, на которой в горизонтальной плоскости крепится хвостовой винт небольшого диаметра, изменяемого шага, обеспечивающий продольное управление на режиме висения и переходных режимах полета.
Силовая установка состоит из нескольких мощных турбовинтовых двигателей, отличающихся небольшими размерами и малым удельным весом порядка 0,114 кГ/л. с., что очень важно для летательного аппарата вертикального взлета и посадки любой схемы, так как у таких аппаратов при вертикальном взлете тяга должна быть больше веса. Кроме преодоления веса, тяга должна преодолевать аэродинамическое сопротивление и создавать ускорение для разгона самолета до такой скорости, при которой подъемная сила крыла будет полностью компенсировать вес самолета, а рулевые аэродинамические поверхности будут достаточно эффективны.
Серьезный конструктивный недостаток самолетов вертикального взлета и посадки с воздушными винтами заключается в том, что обеспечение безопасности полета и надежной управляемости самолета при вертикальном взлете и на переходных режимах полета достигается ценой утяжеления и усложнения конструкции за счет применения механизма поворота крыла и трансмиссии, синхронизирующей вращение воздушных винтов.
Сложной является также система управления самолетом. Управление во время взлета и посадки и в крейсерском полете по трем осям осуществляется с помощью обычных аэродинамических поверхностей управления, но на режиме висения и. переходных режимах до и после крейсерского полета применяются иные методы управления.
Во время вертикального набора высоты продольное управление осуществляется с помощью горизонтального рулевого винта (с изменяемым шагом), расположенного за килем (рис. 160, б), путевое управление - дифференциальным отклонением концевых секций закрылков, обдуваемых струей от воздушных винтов, а поперечное управление - дифференциальным изменением шага крайних воздушных винтов.
На переходном режиме осуществляется постепенный переход к управлению с помощью обычных поверхностей; для этого используется смеситель команд, работа которого программируется в зависимости от угла поворота крыла. В систему управления включен механизм стабилизации.
Улучшение характеристик самолетов вертикального взлета и посадки с воздушными винтами в настоящее время возможен за счет того, что воздушный винт заключают в кольцевой канал (короткую трубу соответствующего диаметра). Такой винт развивает тягу на 15-20% больше, чем тяга винта без «ограждения». Объясняется это тем, что стенки канала препятствуют перетеканию сжатого воздуха с нижних поверхностей винта на верхние, где давление понижено, и исключают рассеивание потока от винта в стороны. Кроме того, при подсасывании воздуха винтом над кольцевым каналом создается область пониженного давления, а так как винт отбрасывает вниз поток сжатого воздуха, разность давлений на верхнем и нижнем срезе кольца канала приводит к образованию дополнительной подъемной силы. На рис. 161, а представлена схема самолета вертикального взлета и посадки с воздушными винтами, установленными в кольцевых каналах. Самолет выполнен по схеме тандем с четырьмя винтами, приводимыми в движение общей трансмиссией.
Управление по трем осям в крейсерском и вертикальном полете (рис. 161, б, в, г) производится в основном путем дифференциального изменения шага воздушных винтов и отклонения закрылков, расположенных горизонтально в струях, отбрасываемых винтами за каналами.
Следует отметить, что самолеты вертикального взлета и посадки с воздушными винтами способны развивать скорость 600- 800 км/ч. Достижение более высоких дозвуковых, а тем более сверхзвуковых скоростей полета возможно лишь при использовании реактивных двигателей.
Самолеты с реактивной тягой
Известно много схем самолетов вертикального взлета и посадки с реактивной тягой, однако их можно достаточно строго разделить на три основные группы по типу силовой установки: самолеты с единой силовой установкой, с составной силовой установкой и с силовой установкой с агрегатами усиления тяги.
Самолеты с единой силовой установкой, у которой один и тот же двигатель создает вертикальную и горизонтальную тягу (рис. 162), теоретически могут летать со скоростями, превышающими скорость звука в несколько раз. Серьезным недостатком такого самолета является то, что отказ двигателя на взлете или при посадке грозит катастрофой.
Самолет с составной силовой установкой может совершать полет также со сверхзвуковыми скоростями. Его силовая установка состоит из двигателей, предназначенных для вертикального взлета и посадки (подъемные), и двигателей для горизонтального полета (маршевые), рис. 163.
Подъемные двигатели имеют вертикально расположенную ось, а маршевые - горизонтально расположенную. Отказ одного или двух подъемных двигателей на взлете позволяет продолжать вертикальный взлет и посадку. В качестве маршевых двигателей могут использоваться ТРД, ДТРД. Маршевые двигатели на взлете могут также участвовать в создании вертикальной тяги. Отклонение вектора тяги производится или поворотными соплами, или поворотом двигателя вместе с гондолой.
На самолетах ВВП с реактивными двигателями устойчивость и управляемость на режимах взлета, посадки, висения и переходных режимах, когда аэродинамические силы отсутствуют или малы по величине, обеспечивается управляющими устройствами газодинамического типа. По принципу работы они разделяются на три класса: с отбором сжатого воздуха или горячих газов от силовой установки, с использованием величины тяги движителей и с применением устройств отклонения вектора тяги.
Управляющие устройства с отбором сжатого воздуха или газов наиболее просты и надежны. Пример компоновки управляющего устройства с отбором сжатого воздуха от подъемных двигателей представлен на рис. 164.
Самолеты ВВП, оснащенные силовой установкой с агрегатами усиления тяги, могут иметь турбовентиляторные агрегаты (рис. 165) или газовые эжекторы (рис. 166), которые и создают необходимую вертикальную тягу на взлете. Силовые установки этих самолетов могут быть созданы на базе ТРД и ДТРД.
Силовая установка самолета с агрегатами усиления тяги, представленная на рис. 165, состоит из двух ТРД, установленных в фюзеляже и создающих горизонтальную тягу. При вертикальном взлете и посадке ТРД используются в качестве газогенераторов для привода во вращение двух турбин с вентиляторами, размещенных в крыле, и одной турбины с вентилятором в носовой части фюзеляжа. Передний вентилятор используется только для продольного управления.
Управление самолетом на вертикальных режимах обеспечивается вентиляторами, а в горизонтальном полете - аэродинамическими рулями. Самолет с эжекторной силовой установкой, представленный на рис. 166, имеет силовую установку из двух ТРД. Для создания вертикальной тяги поток газов направляется в эжекторное устройство, расположенное в центральной части фюзеляжа. Устройство имеет два центральных воздушных канала, из которых воздух направляется в поперечные каналы с щелевыми соплами на концах.
Каждый ТРД соединен с одним центральным каналом и половиной поперечных каналов с соплами, чтобы при выключении или выходе из строя одного ТРД эжекторное устройство продолжало работать. Сопла выходят в эжекторные камеры, которые закрываются створками на верхней и нижней поверхностях фюзеляжа. При работе эжекторной установки вытекающие из сопла газы эжектируют воздух, объем которого в 5,5-6 раз больше объема газов, что на 30% превышает тягу ТРД.
Вытекающие из эжекторных камер газы имеют небольшую скорость и температуру. Это позволяет эксплуатировать самолет с взлетно-посадочных площадок без специального покрытия, кроме того, эжекторное устройство понижает уровень шума ТРД. Управление самолетом на крейсерском режиме осуществляется обычными аэродинамическими поверхностями, а на режиме взлета, посадки и переходных режимах - системой струйных рулей, обеспечивающих устойчивость и управляемость самолету.
Силовые установки с усилением вектора тяги обладают несколькими очень серьезными недостатками. Так, силовая установка с турбовентиляторным агрегатом требует больших объемов для размещения вентиляторов, что затрудняет создание крыла с тонким профилем, нормально работающего в сверхзвуковом потоке. Еще больших объемов требует эжекторная силовая установка.
Обычно при таких схемах возникают трудности с размещением топлива, что ограничивает дальность полета самолета.
При рассмотрении схем самолетов ВВП может сложиться ошибочное мнение о том, что возможность вертикального взлета должна окупаться уменьшением поднимаемого самолетом полезного груза. Даже приближенные расчеты подтверждают вывод о том, что вертикально взлетающий самолет, обладающий большой скоростью полета, может быть создан без значительных потерь в полезной нагрузке или дальности, если с самого начала проектирования самолета в основу его положить требования вертикального взлета и посадки.
На рис. 167 представлены результаты анализа весов самолетов обычной схемы (нормального взлета) и ВВП. Сравниваются самолеты равного взлетного веса, имеющие одинаковую скорость крейсерского полета, высоту, дальность и поднимающие одинаковую полезную нагрузку. Из диаграммы рис. 167 видно, но самолет ВВП (с 12 подъемными двигателями) имеет силовую установку тяжелее обычного самолета примерно на 6% взлетного веса самолета нормального взлета.
Кроме того, гондолы подъемных двигателей еще на 3% от взлетного веса увеличивают вес конструкции самолета ВВП. Расход топлива на взлет и посадку, включая движение по земле, больше, чем у обычного самолета, на 1,5%, а вес дополнительного оборудования самолета ВВП на 1%.
Этот неизбежный для вертикально взлетающего самолета дополнительный вес, равный примерно 11,5% взлетного веса, может быть скомпенсирован уменьшением веса других элементов его конструкции.
Так, для самолета ВВП крыло выполняется меньшего размера по сравнению с самолетом обычной схемы. К тому же отпадает необходимость в применении механизации крыла, и это уменьшает вес примерно на 4,4%.
Дальнейшей экономии веса самолета ВВП можно ожидать от уменьшения веса шасси и хвостового оперения. Вес шасси самолета ВВП, рассчитанного на максимальную скорость снижения 3 м/сек, может быть уменьшен на 2% взлетного веса по сравнению с самолетом обычной схемы.
Таким образом, весовой баланс самолета ВВП показывает, что вес конструкции самолета ВВП больше веса обычного самолета приблизительно на 4,5% максимального взлетного веса самолета обычной схемы.
Однако обычный самолет должен иметь значительный резерв топлива для полетов в зоне ожидания и для поиска запасного аэродрома в плохую погоду. Этот резерв топлива для вертикально взлетающего самолета может быть значительно уменьшен, так как он не нуждается во взлетно-посадочной полосе и может приземляться практически па любой площадке, размеры которой могут быть незначительны.
Из вышесказанного следует, что самолет ВВП, имеющий взлетный вес такой же, как и у самолета обычной схемы, может нести ту же полезную нагрузку и совершать полет с той же скоростью и на ту же дальность.
Используемая литература: "Основы авиации" авторы: Г.А. Никитин, Е.А. Баканов
Скачать реферат: У вас нет доступа к скачиванию файлов с нашего сервера.
Как известно, боевой самолет наиболее уязвим на земле и на взлете, а дорогостоящие взлетно-посадочные полосы -едва ли не главная статья расходов современных ВВС и первоочередная цель для вражеской авиации. Поэтому авиаконструкторы десятилетиями бились над проблемой вертикального взлета, но решить ее удалось лишь освоив технологию управления вектором тяги, на основе которой созданы первые серийно выпускавшиеся СВВП -британский «Харриер» и советский Як-38. Очень похожие внешне, эти самолеты вертикального взлета и посадки имели совершенно разную судьбу. Пройдя длинную эволюцию и превратившись из неуклюжего «прыгуна» в эффективную боевую машину, «Харриер» дебютировал во время Фолклендского конфликта, принимал участие во многих локальных войнах, от Персидского залива и Афганистана до Балкан, и остается в строю до сих пор. В отличие от Як-38, который поднялся в воздух позже своего западного визави, но был снят с вооружения уже к началу 1990-х гг. Почему его служба оказалась столь недолгой? Из-за чего эта технология, представлявшаяся столь перспективной, так и не смогла потеснить традиционные машины даже в палубной авиации? И есть ли у самолетов вертикального взлета будущее - или они тупиковая ветвь в развитии авиапрома?
С тех самых пор, когда человек начал проектировать и строить аэропланы, способные относительно безопасно и быстро перемещаться в пространстве, его преследовало одно существенное ограничение: самолет требует довольно значительного места на земле для взлета и посадки. Чем больше и тяжелее летающая машина, чем больше людей и груза способна она поднять, тем больше требуется этого места. По мере создания все более современных самолетов возрастали требования к длине и качеству взлетно-посадочных полос, накладывая существенные ограничения на область практического применения авиации. Особенно острой эта проблема представлялась военным - ведь бомбардировка взлетно-посадочных полос авиацией противника могла легко парализовать действия собственных самолетов. Но человек - существо упрямое и находчивое, и с самого начала эпохи летательных аппаратов тяжелее воздуха он пытался заставить их взлететь если не вертикально, то с возможно более коротким разбегом.
Попытки создать геликоптер, предпринимаемые с самого начала XX века (в том числе и Игорем Сикорским ещё в киевский период его деятельности), поначалу оказались безуспешными - этим аппаратам элементарно недоставало двигателей с достаточно высокой удельной мощностью, ждали своего решения и целый ряд других технических проблем. Более перспективным казался автожир, использующий принцип авторотации несущего винта и тягу обычного самолетного двигателя. Такой аппарат вертикально взлететь не мог, но разбег, и особенно - пробег сокращались радикально. Созданные под руководством Хуана де ла Сиервы автожиры в 20-е - 30-е гг. завоевали значительную популярность, они строились по лицензии в раалнчных странах, а военные вовсю экспериментировали с применением новой «игрушки» в своих целях. Вскоре. однако, оказалось, что эти машины тоже отнюдь не идеальны - вертикально взлететь или зависнуть в воздухе они не могли, а полезная нагрузка автожиров была незначительной. И хотя во время Второй мировой войны такие аппараты даже участвовали в боях (например, советский автожир-корректировщик А-7-ЗА или немецкий безмоторный автожир Fa 330, применявшийся на подводных лодках), это участие было лишь эпизодическим и никоим образом не угрожало монополии самолетов.
В 40-е годы на новой технической основе начинается бурный прогресс вертолетостроения. В течение последующих десятилетий геликоптеры заняли очень важное место, как в военной, так и в гражданской авиации. Вертолет стаз очень удачной попыткой создания летательного аппарата - помимо вертикального взлета и посадки, он может зависать в воздухе. Он оказался идеальным для многих задач, которые были не по плечу самолетам. Однако и вертолет имеет свои ограничения. Да, он способен взлетать и садиться с площадок минимальных размеров, летать практически в произвольных плоскостях и направлениях. Но он не летает ни так быстро, как самолет, ни так высоко, ни так далеко. Вертолет неспособен приблизиться к скорости звука - не говоря уж о том. чтобы превзойти её.
Вскоре оказалось, что и дальше ощущается потребность в летательном аппарате, способном хотя бы частично совмещать характеристики вертолета (вертикальный взлет и посадка, свободное управляемое висение) и классического самолета (высокая скорость, большой потолок и дальность полета). И если гражданские эксплуатанты без такого аппарата могли ешё обойтись, то военные были крайне заинтересованы в создании боевого самолета вертикального взлета и посадки. Ведь, хотя вооруженные вертолеты стали весьма грозным оружием над полем боя, они не могли заменить многоцелевые истребители-бомбардировщики ни в воздушном бою, ни при изоляции района боевых действий. Обычный же истребитель, с успехом справлявшийся с этими задачами, требовал взлетно-посадочной полосы - хотя бы в виде палубы авианосца.
Проблема создания боевого самолета вертикального взлета представлялась неразрешимой - в чем могли убедиться, например, американцы, попытавшись создать винтовой истребитель вертикального взлета «Конвэр» XFY-1 «Пого», странную машину, взлетавшую из положения «стоя на хвосте». Однако разрешение проблемы лежало в совершенно иной плоскости, и путь к нему открыла мысль - применить на практике известное в принципе явление управления вектором тяги. Как и каждое новое изобретение в авиации, путь к внедрению его был труден, извилист и, увы, щедро окроплен кровью пилотов-испыта-телей. Но, в конце концов, концепция управления вектором тяги оказалась вполне жизнеспособной, и все серийные конструкции боевых самолетов вертикального взлета и посадки имеют в своей основе именно её: и британский (позже ставший американо-британским) «Харриер», и советский Як-38, и только внедряемая в производство модификация американского «Лайтнинга» II - F-35B. Эти машины разнятся не столько самими конструкторско-техническими решениями, сколько способом подхода к проблеме и её решению. Рассмотрим же подробнее то явление, которое называют управлением вектором тяги (УВТ), или же английской аббревиатурой VTC (Vector Trust Control).
Управление вектором тяги
Если попытаться дать самое простое определение термина, вынесенного в заглавие раздела, то получим примерно следующее: управление вектором тяги - это способность воздушного судна отклонять тягу, создаваемую его силовой установкой, от продольной оси самолета. Понятие это применяется, прежде всего, для воздушных судов с реактивным приводом (не только самолетов, но и ракет), однако может применяться и для самолетов с винтовым приводом (поршневым или турбовинтовым - например, MV-22 «Оспри»).
С практической точки зрения управление вектором тяги имеет две основные области применения:
Увеличение возможностей самолета в горизонтальном полете (прежде всего, в плане управляемости и маневренности);
значительное сокращение разбега и пробега либо полное исключение этих этапов полета - то есть, вертикальный взлет и посадка.
Конструкторские подходы в двух указанных случаях весьма разнятся. Если в первом отклонение вектора тяги от оси самолета становит от нескольких до нескольких десятков градусов (как правило, в пределах 25-35 градусов), то для второго, особенно, если силовая установка должна обеспечить самолету вертикальный взлет и посадку, необходимо направлять тягу вниз, то есть, при горизонтально установленном двигателе отклонение вектора тяги должно составлять около 90 градусов (дело в том, что угол отклонения тяги из-за особенностей термодинамики не должен или не может равняться точно 90 градусов от горизонтали).
Остановимся чуть подробнее на первом случае, обозначаемом в английском языке как Vectoring in Forward Flight (VIFF), то есть, управление вектором тяги в горизонтальном полете. Целью его (в отношении боевых самолетов, прежде всего многоцелевых истребителей) является улучшение маневренности самолета и снижение радиолокационной заметности, что в сумме ведет к повышению его выживаемости на поле боя. Кроме того, значительно сокращается длина разбега и пробега. И хотя это может показаться странным, но отклонение вектора тяги на 20-30 градусов является с технологической точки зрения решением гораздо более поздним и сложным для реализации, чем отклонение на величину, близкую к 90 градусам. Такое решение применяется на практике лишь в боевых самолетах самых последних поколений, хотя и сулит бесспорные преимущества. Согласованная работа аэродинамических поверхностей управления с изменением вектора тяги существенно усиливает действие аэродинамических рулей. Самолет становится способным к более резким маневрам - в принципе, единственным ограничением становится стойкость организма пилота и конструкции летательного аппарата к перегрузкам. Кроме того, при маневрировании с отклонением вектора тяги самолет расходует меньше топлива, чем при маневрировании с применением только аэродинамических рулей - а значит, увеличивается дальность полета. Уменьшение длины разбега и пробега облегчает эксплуатацию с коротких ВПП (например, поврежденных в ходе боевых действий), полевых аэродромов или авианосцев.
Применение управления вектором тяги в горизонтальном полете может существенно повлиять и на конструкцию планера. Оно открывает путь к развитию самолетов-бесхвосток, лишенных не только горизонтального, но и вертикального оперения. Отсутствие оперения уменьшает аэродинамическое сопротивление и массу планера (то есть, снова уменьшается расход топлива и увеличивается дальность полета). Кроме того, уменьшается эффективная площадь рассеивания самолета, придавая ему черты «стеле».
Управление вектором тяги имеет и свои недостатки, о которых не стоит забывать, по крайней мере, на существующем уровне развития авиационной техники. К наиболее существенным из них относятся сложная конструкция и достаточно большая масса устройств управления вектором тяги.
На нынешнем этапе развития конструкции боевых самолетов приоритетным является применение управления вектором тяги в целях обеспечения вертикального взлета и посадки либо значительного сокращения разбега (самолет с управлением вектором тяги может не иметь возможности вертикального старта, или же быть способным взлетать вертикально лишь до определенного показателя взлетного веса) при сохранении возможности вертикальной посадки. Именно эти характеристики реализованы в «Харриере» и Як-38.
Итак, вернемся к «вертикалкам». Применение в таких самолетах управления вектором тяги имеет целью существенное изменение хода старта и посадки самолета. Оно существенно сокращает эти две фазы полета по сравнению с самолетами с классическими силовыми установками (реактивными либо винтовыми). В фазе старта это касается, в первую очередь, разбега, то есть, говоря попросту, пути, который должен преодолеть самолет до того момента, когда его крылья создадут достаточную несущую силу, способную оторвать самолет от земли и поднять его в воздух. В фазе посадки речь идет о пробеге, то есть, пути, который преодолевает самолет от момента касания колесами земли до остановки. Разбег и пробег определяют требования не только к длине, но и к качеству ВПП - ведь если самолет будет двигаться на большой скорости по достаточно длинной, но неровной или поврежденной полосе, то он рискует получить серьезные повреждения и даже разбиться.
Если же самолет будет оборудован устройствами управления вектором тяги в достаточно широком диапазоне, то взлет и посадка выглядят совершенно иначе. Такие самолеты в зависимости от их возможностей подразделяют на несколько групп:
VTOL (Vertical Take off and Landing) - самолеты, способные осуществлять вертикальный взлет и посадку (СВ-ВП);
STOL (Short Take off and Landing) - самолеты с коротким взлетом и посадкой (СКВП);
VSTOL (Vertical Short Take off and Landing) - самолеты, способные осуществлять как вертикальный, так и короткий взлет и посадку (СКВВП);
STOVL (Short Take off and Vertical Landing) - самолеты, мощность силовой установки которых не позволяет взлетать вертикально, но допускает вертикальную посадку (после снижения массы путем выработки топлива и сброса внешней подвески).
Самые первые исследования устойчивость аппарата вертикального взлета показывали, что при старте и посадке вектор несущей силы должен проходить через центр тяжести самолета, а её величина должна по крайней мере на 20% превышать массу планера.
«Ахиллесовой пятой» современной военной авиации являются аэродромы. Даже не столько они, сколько взлетно-посадочные полосы (ВПП). Самый «навороченный» боевой самолет последнего поколения станет бесполезен, если неприятель ее разрушит. Любая современная армия располагает десятком средств для проведения подобной операции. Особенно актуально вышесказанное для фронтовой авиации.
Но есть очень простое решение этой проблемы: сделать так, чтобы взлетная полоса самолету совсем была не нужна. Речь идет о самолетах вертикального взлета и посадки (СВВП), которые способны уходить в небо буквально с крошечного пятачка.
Мысли о создании подобного летательного аппарата посещали конструкторов уже давно, разработка проектов самолетов СВВП началась вскоре после начала авиационной эры. Но технические возможности не позволяли инженерам воплотить свои мечты в реальность.
Первым советским самолетом вертикального взлета и посадки стал Як-36, который поднялся в воздух в 1966 году. Продолжением этого проекта стал серийный Як-38.
Более успешно разработки по СВВП шли в Великобритании. Уже в 1960 году компания Hawker создала прототип самолета, который смог совершить вертикальный взлет. Одной из главных составляющих успеха этого проекта стало создание компанией Rolls-Royce уникального двигателя, способного развивать 3600 килограмм тяги в четыре поворотных сопла, которые и обеспечивали взлет машины. В 1969 году СВВП Hawker Siddeley Harrier GR.1 был принят на вооружение ВВС Великобритании. Сегодня «Харриер» - это уже несколько поколений боевых самолетов, которые стоят на вооружении целого ряда стран (включая Англия и США), участвовавшие в боевых действиях и обладающие высокими летно-техническими характеристиками.
В СССР судьба самолетов вертикального взлета и посадки тесно связана с развитием программы (проекты 1143) строительства авианесущих крейсеров – кораблей, обладавших и ракетным , и авиационным вооружением.
Еще в середине 70-х годов началась разработка палубного истребителя СВВП, способного защитить корабль от налетов вражеской авиации. Опыт создания «вертикалок» в СССР был только в КБ Яковлева и этот опыт нельзя назвать слишком позитивным.
Як-38, принятый на вооружение ВМФ СССР, имел очень низкую тяговооруженность и был оснащен сразу тремя двигателями. Конструкторам пришлось максимально облегчить машину, с нее даже сняли бортовую РЛС. Двигатели не хотели работать синхронно, в условиях южных широт они просто не заводились. Самолет мог взять на борт только бомбы небольшого калибра и неуправляемые ракеты, что уменьшало его боевую ценность практически до нуля. С этими самолетами постоянно случались катастрофы.
Кроме того, для уменьшения взлетной массы Як-38 был вынужден брать ограниченный запас топлива, что значительно уменьшало его радиус действия.
Проект создания нового самолета СВВП Як-141 для нужд флота начался в 1975 году. Государственные испытания были назначены на 1982 год. Новый самолет задумывался как сверхзвуковой истребитель, изначально его планировали оснастить одним двигателем, но позже предпочтение было отдано самолету с комбинированной силовой установкой.
Самолет Як-141 должен был поступить на вооружение авианесущих крейсеров (ТАКР) «Баку», «Ульяновск», «Рига» и «Тбилиси». Также новым истребителем планировали вооружить ТАКР «Минск» и «Киев» после проведения модернизации этих кораблей. Як-141 должен был заменить устаревшие и неудачные Як-38.
Силовая установка состояла из трех двигателей: двух подъемных РД-41 и одного подъемно-маршевого Р-79. Работа силовой установки контролировалась электроникой, она могла обеспечить Як-141 вертикальный или укороченный взлет с корабельной палубы.
В 1980 году военные несколько изменили свои требования к будущему самолету: он должен быть стать многоцелевым – способным не только уничтожать воздушные цели, но и наносить удары по кораблям и наземным объектам противника. То есть, выполнять функции штурмовика.
Из-за проблем с двигателями, испытания Як-141 постоянно переносились. Они начались только в 1987 году, а к 1990 году было построено четыре прототипа истребителя. Полноценные испытания взлета и посадки на корабельную палубу проходили в сентябре 1991 года. За период испытаний были установлены 12 мировых рекордов по скорости и грузоподъемности. Во время испытаний один из самолетов потерпел катастрофу. Летчик катапультировался, но машина восстановлению не подлежала. Причиной авария стала ошибка пилота.
Этот самолет стал не только важным этапом в развитии отечественного авиастроения, но и знаковой машиной в истории мировой авиации – первым самолетом вертикального взлета и посадки, преодолевшим звуковой барьер. Следует отметить, что Як-141 способен взлетать вертикально при полной боевой нагрузке.
Этому самолету сильно не повезло, он появился именно в тот момент, когда огромная страна уже доживала свои последние месяцы, а экономика валилась в пропасть. Имея горький опыт эксплуатации Як-38, военные с большим недоверием относились к «вертикалкам». Не последнюю роль в бесславном конце этого перспективного проекта сыграла и авария Як-141 во время испытаний. Денег на продолжение работ по этому весьма перспективному самолету в 1992 году уже не нашлось.
В КБ Яковлева были созданы проекты еще двух СВВП: Як-43 и Як-201, но они так и остались на бумаге. Разработчики пытались предлагать новую машину иностранным покупателям, но заказов не было. Было недолгое сотрудничество с американцами (Lockheed Martin), но оно также закончилось безрезультатно.
В 2003 году проект истребителя Як-141 был официально закрыт.
Описание
Як-141 – это высокоплан, он выполнен по нормальной аэродинамической схеме и оснащен комбинированной силовой установкой. На 26% фюзеляж самолета выполнен из композитных материалов, часть элементов изготовлена из жаропрочных сплавов на основе титана. В корпусе активно использованы алюминиево-литиевые сплавы, обладающие меньшим весом.
Фюзеляж самолета – типа полумонокок с прямоугольным сечением. Подъемно-маршевый двигатель располагается в его хвостовой части, еще два подъемных – в носовой, непосредственно за кабиной пилота. Носовая часть фюзеляжа имеет заостренную форму.
Крылья – трапециевидной формы, высокорасположенные с прямой стреловидностью и корневыми наплывами. Крыло выполнено таким образом, чтобы самолет мог достигать сверхзвуковых скоростей, вести маневренный воздушный бой и осуществлять длительный крейсерский полет.
Хвостовое оперение – двухкилевое, состоит из рулей направления и цельноповоротных стабилизаторов. Оно крепится к двум выносным балкам, между которыми находится сопло подъемно-маршевого двигателя.
Воздухозаборники прямоугольной формы, они расположены сразу за кабиной пилота. Управление воздушным потоком осуществляется с помощью горизонтального клина.
Шасси – трехопорное, оно способно выдержать падение самолета с высоты пяти метров.
В состав силовой установки Як-141 входит два подъемных двигателя (ПД) РД-41 и один маршево-подъемный (ПМД) Р-79. Также во время проведения маневров при вертикальном взлете используются струйные рули, которые запитываются от подъемно-маршевого двигателя. По своей конструкции Як-141 близок к современному американскому СВВП F-35B , который также оснащен комбинированной силовой установкой.
Подъемные двигатели РД-41 расположены в передней части самолета, в специальном отсеке, сразу за кабиной пилота. Во время горизонтального полета или на стоянке двигатели закрыты специальными створками сверху и снизу. Во время взлета или посадки они раскрываются, обеспечивая двигателям поступление воздуха и открывая сопла. Двигатели установлены под углом 10° к вертикали, сопла могут отклоняться на ±12,5° по вертикали от оси двигателя. РД-41 – это одноконтурный, одновальный турбореактивный двигатель, он может работать на скорости, не превышающей 550 км/ч.
Подъемно-маршевый двигатель Р79В-300 – это двухконтурный турбореактивный двигатель с форсажной камерой и изменяемым вектором тяги. Он находится в задней части корпуса самолета. Роторы этого двигателя вращаются в разные стороны, компрессоры отличаются повышенной газодинамической устойчивостью, в камере сгорания находятся уникальные вихревые горелки. Сопло двигателя – поворотное, с регулируемой площадью сечения, оно может отклонять вектор тяги на 95°. Максимальная тяга Р79В-300 на форсаже — 15 500 кгс.
Як-141 может взлетать тремя разными способами: вертикально, с коротким разбегом и с проскальзыванием (сверхкороткий взлет). Сопло маршевого двигателя при вертикальном взлете отклоняется на максимальный угол, при взлете с коротким разбегом и проскальзыванием он составляет 65°. При взлете с проскальзыванием длина разбега равняется шести метрам.
Если у вас возникли вопросы - оставляйте их в комментариях под статьей. Мы или наши посетители с радостью ответим на них
Министерство обороны обсуждает создание нового самолёта с вертикальным взлётом и посадкой, проект по созданию которого был заморожен в 90-е. Речь идёт о возрождении серии СВПП, разработанных в КБ Яковлева, при создании нового самолёта может быть использован технологический задел, наработанный в ходе ОКР по созданию Як-141.
Справочно:
Последней демонстрацией Як-141 стало его появление на авиасалоне в Фарнборо, уникальный истребитель не получило ни одного заказа ни от отечественных, ни от зарубежных заказчиков. Потенциальные клиенты не видели необходимости в приобретении СВВП. “Яку” были не очень рады.
В 1995 году, компания “Локхид Мартин”, как раз работавшая над истребителем 5-го поколения с вертикальным взлетом, предоставила финансирование в обмен на получение технических данных и ограниченных конструктивных данных по Як-141 и другим проектам отечественных СВВП.
Не зря в российском инфопространстве до сих пор спорят о том, что компоновка и узлы новейшего истребителя корпорации Lockheed Martin F-35B вертикального взлета и посадки так напоминают наш Як-141.
Для чего же и почему Минобороны возрождает забытую технологию СССР?
На Як-141 возлагали огромные надежды, это была по настоящему прорывная технология. За этим самолетом числиться не мало мировых рекордов:
В 2003 г. , когда проект "Яка" был окончательно закрыт никто не мог себе представить, что технология СВВП будет такой актуальной для России. В ВМФ РФ делали ставку на корабельные МиГи и Су. Но сейчас, когда Россия задумала построить второй авианосец, истребитель вертикального взлета был бы крайне актуален.
Всё новое — это хорошо забытое старое?
Алексей Заквасин
В России могут появиться несколько типов самолётов корабельного базирования. Об этом заявил на МАКС-2017 замминистра обороны РФ Юрий Борисов. В частности, военное ведомство планирует возродить проект палубного самолёта вертикального взлёта и посадки ОКБ Яковлева. Машина может войти в состав авиакрыла новых авианосцев, которые поступят на вооружение к 2030 году. Также Минобороны не исключает создания корабельной версии лёгкого истребителя поколения 4++ МиГ-35. RT выяснял, каким может быть будущее российской палубной авиации.
- РИА Новости
Замминистра обороны России Юрий Борисов рассказал журналистам, что в ведомстве обсуждают создание перспективного самолёта для авианесущих кораблей. Речь идёт о машинах укороченного и вертикального взлёта и посадки. По его словам, Минобороны раздумывает обратиться за помощью к ОКБ Яковлева.
«Это развитие «яковской» линии, которая была прекращена. Такие планы есть, мы их обсуждаем, в том числе, может быть, и эти направления будут реализованы для перспективного самолёта для авианесущих крейсеров», — заявил Борисов на Международном авиационно-космическом салоне (МАКС-2017).
Замглавы Минобороны пояснил, что новый самолёт понадобится для авианосцев, которые планируется заложить «на финише» госпрограммы вооружений 2018—2025 годов. Борисов подчеркнул, что разработка самолёта вертикального взлёта — это вопрос на отдалённую перспективу.
12 мировых рекордов
В России монополией на производство самолёта вертикального взлёта и посадки (СВВП) обладает ОАО «Опытно-конструкторское бюро им. А.С. Яковлева». В 1966 году первый публичный полёт совершил палубный штурмовик Як-36. Модель стала прототипом для более совершенных образцов подобного типа.
С 1977 года ВМФ СССР эксплуатировал Як-38 — первый советский серийный СВВП. Штурмовик собирался на Саратовском авиационном заводе. Самолёт базировался на авианесущих крейсерах проекта 1143 «Киев», «Минск», «Новороссийск», «Баку».
- Як-38
- РИА Новости
В 1985 году стартовали испытания опытного экземпляра Як-41М, который должен был стать сверхзвуковым, манёвренным и многофункциональным. ОКБ Яковлева отказалось от модернизации Як-38 и в итоге создало принципиальной новую машину, более известную как Як-141.
В сентябре — октябре 1991 года Як-141 проходил лётные испытания на Северном флоте. ОКБ Яковлева представило уникальную машину, которая по характеристикам превосходила зарубежные аналоги. В сентябре 1992 года Як-141 был успешно продемонстрирован на выставке в британском Фарнборо.
Як-141 под управлением лётчика-испытателя Андрея Синицына поставил 12 мировых рекордов. Машина получил все преимущества самолёта четвёртого поколения. Як-141 был способен прикрывать авианосные соединения, наносить удары по надводным и наземным целям.
Несмотря на очевидную перспективность, проект ОКБ Яковлева был заморожен из-за нерешённых имущественных вопросов с Украиной и курсом на сокращение ВМФ. В результате у России остался только один авианесущих крейсер — «Адмирал Кузнецов», который до сих пор является местом базирования Су-33 и Миг-29К/КУБ.
Практической необходимости в развитии Як-141 в 1990-е годы не было, но спустя 25 лет она вновь появилась. В конце июня 2017 года Минобороны анонсировало амбициозные планы по строительству к 2025 году двух универсальных десантных кораблей (УДК) типа «Прибой» и одного авианосца проекта 23000 «Шторм» к 2030 году.
Грозный и прихотливый
Самолёт вертикального взлёта и посадки — это революционная разработка авиаконструкторов. Машина занимает немного места на палубе, а её ударная мощь и боевая эффективность не идут ни в какое сравнение с возможностями вертолёта.
Однако, как и любая другая военная техника, СВВП, помимо преимуществ, имеет свои недостатки.
Подъём в небо требует от самолёта вертикального взлёта огромного запаса тяги двигателей, которые в момент отрыва от земли работают на максимальных оборотах. В результате самолёт «съедает» немыслимый объём топлива и порой небезопасен для использования в южных широтах и в жаркую погоду.
Повышенный расход топлива уменьшает радиус боевого действия и грузоподъёмность СВВП. Кроме того, самолёт подобного типа сложен в управлении и дорог в эксплуатации. От пилотов и технической команды машин с вертикальным взлётом требуется высочайший уровень квалификации.
Пионерами в развитии вертикально взлетающих самолётов была британская компания Hawker Siddeley, которая с 1967 года производит семейство истребителей-бомбардировщиков Harrier. Несмотря на кажущуюся неповоротливость, машина продемонстрировала хорошие качества в реальном воздушном бою.
- Harrier GR3
- Wikimedia
В 1982 году в фоклендском конфликте Harrier прекрасно проявили себя, сражаясь с аргентинскими истребителями, которые были вынуждены взлетать с континентальных баз. При этом британские самолёты могли подниматься в воздух буквально с любого клочка суши и оправдали своё применение на авианосных кораблях.
Для новых авианосцев
Мировой опыт эксплуатации самолётов вертикального взлёта позволяет сделать вывод о том, что они являются необходимым звеном в палубной авиации. Однако основная роль сохранилась за самолётами с укороченным или обычным взлётом ввиду меньшей прихотливости и превосходства в боевом радиусе. На сегодняшний день конструкторы не нашли эффективной замены аэрофинишёру и катапульте.
Например, ВМС США уже несколько лет пытаются определить боевое предназначение истребителя пятого поколения корабельного базирования F-35B. Примечательно, что этот самолёт корпорации Lockheed Martin был создан на основе купленных у ОКБ Яковлева «ограниченных проектных данных» и внешне напоминает скорее Як-38, чем Як-141.
Учитывая планы Минобороны РФ по увеличению авианосного флота, России понадобятся как самолёты с укороченным и обычным взлётом, так и СВВП. Текущие заявления представителей военного ведомства свидетельствуют, что новые авианосцы могут стать базой для самолёта ОКБ Яковлева и корабельной версии истребителя поколения 4++ МиГ-35.
Однако практически ничего не известно о ситуации с разработкой палубного варианта истребителя пятого поколения Т-50. На представленном в 2015 году макете авианосца проекта 23000 «Шторм» отчётливо видны уменьшенные копии Т-50, Су-33 и МиГ-29К.
Технологический рывок
Основатель портала Military Russia Дмитрий Корнев в разговоре с RT предположил, что на «Шторме» будет базироваться смешанное авиакрыло, но усомнился в необходимости размещения там перспективной версии Як-141. Эксперт видит применение будущего самолёта ОКБ Яковлева в качестве ударной силы на универсальных десантных кораблях.
«Шторм» будет достаточно велик, и потому там имеет смысл разместить полноценную авиагруппировку. Напомню, что Як-38 разрабатывали под крейсера, и я думаю, что самолёт Яковлева было бы логично разместить на новых УДК, кораблях типа «Мистраль» и, наверное, на «Адмирале Кузнецове», — рассуждает Корнев.
При этом Корнев подчеркнул, что СВВП не сможет базироваться на десантных кораблях ВМФ советского производства из-за отсутствия на них необходимой инфраструктуры. Перспективный самолёт Яковлева будет приспособлен только для новых плавучих платформ, хотя и сможет приземляться на все корабли с вертолётной площадкой.
«В целом новость о возможном возрождении проекта Як-141 положительная. Несомненно, это будет технологическим рывком и повысит качество нашей конструкторской и лётной школ. Но какие-либо выводы делать рано, так как информация о военном применении самолёта вертикального взлёта нуждается в конкретизации», — сказал Корнев.
