Крыло-ножницы: самолет, который летал боком ( 17 фото )
Может показаться, что на снимке запечатлен момент складывания или раскладывания крыла. Однако это не так — аппарат действительно совершает полеты именно с такой конфигурацией.
Стоит разобраться, с какой целью было создано это техническое решение.
Американский конструктор Берт Рутан (Elbert Leander «Burt» Rutan) — признанный гений еще при жизни. Он сумел без конструкторского бюро с тысячами сотрудников и без колоссального финансирования разработать 367 концепций летательных аппаратов, и 45 из них поднялись в воздух. Одним из его детищ стал уникальный самолет Ames-Dryden AD1.
Механизм изменения стреловидности крыла дает возможность летать как на дозвуковых, так и на сверхзвуковых скоростях, хотя и ценой снижения эффективности на малых скоростях. Благодаря этой технологии появились такие революционные машины, как Grumman F-111, F-14, Rockwell B-1, Panavia Tornado, МиГ-23 и Ту-160. Но все они страдают от сложности конструкции крыла и веса механизма поворота.
Инженер NASA Роберт Т. Джонс (Robert T. Jones) в 1945 году выдвинул идею поворачивать все крыло на единственном шарнирном пальце — это должно было обеспечить куда более легкие и прочные конструкции. Предполагалось вращать крыло против часовой стрелки (при взгляде сверху): правое крыло разворачивалось бы к носу, а левое — к хвосту. Крыло асимметрично изменяемой стреловидности, или поворотное, косое крыло (Oblique Wing) в обиходе прозвали крылом-ножницами. Казалось, что планы по созданию больших сверхзвуковых транспортников вот-вот осуществятся. Впрочем, первооткрывателем этой идеи Джонс не был.
Еще в 1944 году несколько немецких компаний работали над подобными самолетами для достижения более высоких скоростей. Первой стала Blohm und Voss с BV P 202, превратившимся впоследствии в Messerschmitt Me P 1109 с двумя поворотными крыльями — верхним и нижним.
По подсчетам Джонса, самолет с косым крылом позволил бы увеличить взлетную массу на 17 процентов либо дальность полета на 29 процентов при сохранении веса. Продувки модели в аэродинамической трубе Ames Research Center в Моффетт Филд (Moffett Field), штат Калифорния, продемонстрировали, что аппарат с такой схемой крыла на сверхзвуке обеспечит двукратную экономию топлива по сравнению с обычными крыльями, а также будет значительно тише при взлете и переходе звукового барьера.
Кроме того, испытания в трубе показали, что самолет с крылом-ножницами на скоростях до 1.4 Маха (в 1.4 раза быстрее звука) будет обладать существенно лучшими аэродинамическими характеристиками, чем машины с традиционными крыльями. Основываясь на этих обнадеживающих результатах, было решено построить опытный образец.
Многие авиастроительные компании хотели заняться разработкой такого самолета, но, как водится, ни у кого не нашлось денег на проект. Не было средств и у NASA. Тем не менее в 1975 году два однокурсника Рутана — один с авиабазы Edwards, другой из NASA — пришли к нему с предложением: «Мы слышали, что ты сделал самолет VariEze за 3 месяца. Почему бы тебе не спроектировать самолет с поворотным крылом?» Вскоре был заключен контракт с фирмой Rutan Aircraft Factory на разработку конструкции низкоскоростного самолета для серии испытательных полетов и изучения этого уникального режима полета за пределами аэродинамической трубы.
Создание AD-1 началось в инициативном порядке компанией Rutan Aircraft Factory для удовлетворения требований NASA в декабре 1975 года. В декабре 1976 года Rutan Aircraft Factory сообщила, что они «завершили рабочее проектирование исследовательского самолета для NASA с использованием технологии VariEze. Самолет NASA получился малоразмерным, однопилотным, предназначенным для проверки характеристик управляемости будущего (в 1990-ых годах) самолета с поворотным крылом». NASA выбрало конструкцию, основанную на геометрической конфигурации, предоставленной компанией Boeing. Самолет был выполнен в масштабе 15% от запланированного Boeing транспортного самолета. Косое крыло оставалось перпендикулярным к осевой линии фюзеляжа во время полета на малой скорости и поворачивалось на углы до 60 градусов при увеличении скорости.
Конструкция AD-1 позволила проекту достичь всех основных технических задач. Как и ожидалось, самолет продемонстрировал аэроупругие явления, а также связь движений тангажа и крена, которые способствовали плохой управляемости на углах стреловидности выше 45 градусов. Структура стекловолокна ограничила жесткость крыла, которая могла бы значительно улучшить управляемость самолетом. Таким образом, после завершения проекта AD-1 по-прежнему оставалось необходимо исследовать косое крыло на сверхзвуковых скоростях для оценки эффекта сжимаемости, структурной прочности и анализа летных характеристик на сверхзвуковых скоростях.
Рутан произвел детальное проектирование AD-1 в период с мая 1976-го по февраль 1977-го в рамках контракта всего на $12,000. Корпорация Ames Industrial Corp Лонг-Айленд (Нью-Йорк) выиграла контракт на производство и приступила к строительству самолета в декабре 1977-го года в рамках фиксированного контракта в $240,000. AD-1 оказался первым не самодельным самолетом, изготовленным с использованием структурных методов, разработанных для VariEze. На самом деле вся его конструкция была в основном похожа на VariEze, примерно такого же диаметра, но составила 12 метров в длину, 2 метра в высоту и размахом крыльев в 9.8 метров.
Он был изготовлен из пластика армированного стекловолокном и весил 658 кг пустой. Самолет был оснащен двумя микро турбореактивными двигателями, каждый из которых развивал тягу в 1.8 кН на уровне моря. Крыло поворачивалось электромеханическим приводом, расположенным внутри фюзеляжа впереди двигателей. Крыло было способно вращаться на 60 градусов по горизонтали. Облегченная конструкция не смогла обеспечить необходимую жесткость, чтобы исключить плохую управляемость. Из-за соображений безопасности и пары слабых турбореактивных двигателей самолет был ограничен скоростью в 274 км/ч.
Корпорация Ames при строительстве AD-1 уложилась в смету и график, окончательная стоимость контракта составила лишь $239,000. В то время авиационная промышленность не верила, что было возможно спроектировать и построить пилотируемый, двух двигательный опытный самолет с поворотным крылом менее чем за несколько миллионов долларов. «Интересно отметить, что работа, проделанная Rutan Aircraft Factory и Ames Industrial Corp была осуществлена с прибылью и при гораздо меньшей стоимости для налогоплательщиков, чем NASA расходует на надзор за подрядчиками и проведение моделирования!» — прокомментировал Рутан в 1979-ом году.
Самолет был доставлен в Летно-исследовательский центр Драйден в Эдвардс, штат Калифорния в феврале 1979-го года и сразу же подвергся испытаниям включавшим пробежки и статическое испытание нагрузкой. Первый полет был совершен 21-го декабря 1979-го года, а крайний 7-го августа 1982-го года. Оба эти полета были осуществлены летчиком-испытателем NASA Томасом Макмурти (Thomas C. McMurtry). В общей сложности AD-1 79 вылетов в течение программы исспытаний.
NASA отнесла проект крыла-ножниц к проектам с высоким риском. Их наиболее интересовало поведение самолета с таким крылом на малых скоростях. Испытания продолжались в течение 18-и месяцев постепенно увеличивая угол поворота крыла. К середине 1981-го года был достигнут угол поворота в 60 градусов. Крайние полеты самолета были осуществлены на ежегодной выставке Experimental Aircraft Association в Ошкоше, штат Висконсин, произведя там восемь вылетов в целях демонстрации концепции крыла. На испытаниях самолет достиг высоты в 3800 метров.
Уникальный экземпляр AD-1 был недавно помещен Музее Авиации Хиллер штат Калифорния.
У самолетов с изменяемой стреловидностью крыла имеется несколько недостатков, основные из которых:
— при изменении стреловидности смещается аэродинамический фокус, что становится причиной увеличения балансировочного сопротивления;
— увеличение массы конструкции в связи с наличием силовой балки и поворотных шарниров консолей, закрепляемых на ней, а также уплотнителей убранного положения крыла.
В конечном итоге, оба этих недостатка приводят к уменьшению дальности полета или к снижению массы перевозимой полезной нагрузки.
Специалисты NASA считают, что указанные недостатки отсутствуют у самолетов с КАИС (крыло асимметрично изменяемой стреловидности). Крыло в данной схеме к фюзеляжу крепится при помощи одного поворотного шарнира, а при повороте крыла изменение стреловидности консолей происходит одновременно, имея противоположный характер. Специалисты NASA провели сравнительный анализ самолетов, которые выполнены по схеме со стандартной изменяемой стреловидностью и с крылом асимметрично изменяемой стреловидности. В результате выяснилось, что лобовое сопротивление для схемы с КАИС уменьшится на 11-20 процентов, масса конструкции — на 14 процентов, волновое сопротивление во время полетов на сверхзвуковых скоростях — на 26 процентов.
Однако использование крыла асимметрично изменяемой стреловидности приводит к появлению рядя недостатков. Во-первых, консоль с прямой стреловидностью при большом угле стреловидности имеет больший эффективный угол атаки, по сравнению с консолью, имеющей обратную стреловидность. Это становится причиной асимметрии лобового сопротивления, вследствие чего возникают паразитные разворачивающие моменты по крену, рыскание и тангаж. Во-вторых, для крыла асимметрично изменяемой стреловидности характерно увеличение вдвое толщины пограничного слоя вдоль размаха, и в случае любого несимметричного срыв потока возникают интенсивные возмущения. При этом, по мнению авиационных специалистов, негативные эффекты можно устранить за счет использования цифровой системы электродистанционного управления, которая автоматически воздействует на органы аэродинамического управления при различных скоростях полета, углах атаки и углах стреловидности крыла, а также применением системы сдува (отсоса) с крыла пограничного слоя, управляемой от ЭСДУ.
Летно технические характеристики:
Модификация: AD-1
Модель номер: 35
Тип: реактивный, двух двигательный, опытный, с крылом асимметрично изменяемой стреловидности
Бортовой номер: N805NA
Заказчик: NASA
Изготовитель: Ames Industrial Corporation
Первый полет: 21 Декабрь 1979
Размах крыла: 9.84 м
Длина: 10 м
Высота: 2.05 м
Площадь крыла: 8.64 м2
Масса пустого самолета 658 кг
Масса максимальная взлетная 973 кг
Тип двигателя: 2 ТРД Microturbo TRS18-046
Тяга: 2х 1.8 кН
Максимальная скорость: 274 км/ч
Объем топливного бака: 320 литров
Практический потолок: 3800 м
Экипаж: 1
А вот какая штука была у немцев:
1/72 Me.P.1109
Как вы считаете, стоило ли NASA продолжать проект крыла-ножниц, несмотря на проблемы с управляемостью, или отказ от дальнейших испытаний был единственно верным решением?