Название книги в оригинале: Цихош Эдмунд. Сверхзвуковые самолеты

A- A A+ Белый фон Книжный фон Черный фон

На главную » Цихош Эдмунд » Сверхзвуковые самолеты.





Читать онлайн Сверхзвуковые самолеты. Цихош Эдмунд.

Эдмунд Цихош

Сверхзвуковые самолеты

 Сделать закладку на этом месте книги

Dr. inz. EDMUND CICHOSZ

Rozwуj samolotуw naddzwiekowych Wydawnictwa Komunikacji i Lacznosci Warszawa 1980

Э. Цихош

Сверхзвуковые самолеты

Перевод с польского

канд. техн. наук Л. В. ЛЕВИЦКОГО, Л. Л. ТЕПЕРИНА и канд. экон. наук Ю. А. ИВАНОВА

Под редакцией

д-ра техн. наук, проф. В. Г. МИКЕЛАДЗЕ и канд. техн. наук Е. В. ЗЯБРЕВА


Цихош Э.

Сверхзвуковые самолеты: Справочное руководство. Пер. с польск.-М.: Мир, 1983.-432 е., ил.


В книге польского авиационного специалиста приведены основные летно-технические характеристики, фотографии, чертежи общих видов и компоновочных схем большинства современных отечественных и зарубежных сверхзвуковых самолетов. Кратко излагается история их разработки. Описывается оборудование различных типов сверхзвуковых самолетов и рассматриваются научно-технические проблемы, связанные с их созданием. Наиболее полное для настоящего времени справочное руководство по зарубежным и отечественным сверхзвуковым самолетам.

Для конструкторов самолетов, студентов соответствующих специальностей вузов и лиц, интересующихся авиацией.

Предисловие к русскому изданию

 Сделать закладку на этом месте книги

Книга польского авиационного специалиста Э. Цихоша, исправленное и дополненное издание которой предлагается советскому читателю, несомненно, будет встречена с большим интересом. Дело в том, что авиация, прежде всего сверхзвуковая,-это одна из наиболее динамичных и увлекательных областей современной техники, отражающая, пожалуй, наиболее наглядно извечное стремление человечества, по выражению М. Горького, «все вперед и выше». Таким образом, перед автором стояла благодарная задача-создать книгу, в которой были бы изложены история и тенденции развития сверхзвуковой авиации, основные проблемы, связанные с проектированием сверхзвуковых самолетов, а также по возможности полный обзор самолетов, разработанных в различных странах мира,-причем сделать это так, чтобы книга была интересной как специалисту, так и любителю. Можно с удовлетворением отметить, что автору это удалось.

Первая часть книги дает достаточно полную картину развития сверхзвуковых самолетов и их систем с первых послевоенных лет практически до наших дней. Много внимания уделено проблемам звукового, теплового и психологического барьеров, обзору различных аэродинамических схем и компоновок самолетов, типов двигательных установок и систем управления.

Большую ценность представляет вторая часть книги, в которой даются описания большинства сверхзвуковых самолетов, созданных в мире за время существования сверхзвуковой авиации. Эти материалы, включающие историю разработки, описание конструкции, двигателей и вооружения, летно- технические характеристики, иллюстрируются фотографиями и чертежами общих видов самолетов. Такой полный обзор сверхзвуковых самолетов появляется на русском языке впервые.

Однако следует отметить, что летно-технические данные зарубежных самолетов (особенно новых), заимствованные из западных источников информации, нередко носят рекламный характер, и поэтому должны восприниматься критически; с другой стороны, описания отечественных самолетов в книге сохранены в соответствии с авторским текстом, хотя и они не свободны от неточностей. Тем не менее эти недостатки, обусловленные объективными трудностями темы, не умаляют отмеченных выше достоинств книги.

Книга Э. Цихоша написана на хорошем научно-техническом уровне, содержит обширный фактический материал и богато иллюстрирована. Такая книга будет полезна специалистам авиационной промышленности и авиации, студентам соответствующих учебных заведений и многочисленным авиалюбителям.

В. Г. Микеладзе, Е. В. Зябрев

От автора

 Сделать закладку на этом месте книги

Когда 14 октября 1947 г. летчик Чарлз Егер на экспериментальном самолете XS-1 с ракетным двигателем достиг скорости, соответствующей числу Маха 1,06, стало ясно, что перед авиацией открылась еще малоизведанная область сверхзвуковых скоростей полета. В настоящее время благодаря применению высокоэффективных двигателей, оптимальной аэродинамической компоновки самолета (особенно его крыла), автоматических систем управления и совершенствованию технологии производства деталей из высокопрочных конструкционных материалов скорость серийных самолетов превзошла границу 3000 км/ч. Сейчас, т. е. через тридцать с небольшим лет после первого полета со сверхзвуковой скоростью, авиация стоит на пороге области гиперзвуковых скоростей, соответствующих числам Маха М = 6 -15. Научно-технические предпосылки для проникновения в эту область скоростей полета в настоящее время имеются, однако трудно предвидеть, какие препятствия возникнут при ее достижении. Тем не менее можно предположить, что попутно выявятся многочисленные проблемы, не менее сложные, чем те, которые существуют на современном этапе развития авиации.

Книга, предлагаемая читателям, посвящена разработке сверхзвуковых самолетов. В ней изложены наиболее важные проблемы аэродинамики и конструкции сверхзвуковых самолетов, связанные с их летными характеристиками.

Объем данной книги не позволяет в такой же мере рассмотреть проблемы разработки двигательных установок и оборудования для сверхзвуковых самолетов; эти вопросы достаточно полно освещены в других трудах.

В книге изложена история развития сверхзвуковых самолетов и приведены данные почти о всех самолетах этого класса, построенных во многих странах, касающиеся их геометрических и массовых параметров, а также летных характеристик.

В книге собраны обстоятельные сведения, хотя и в ограниченном объеме из-за неполной информации о некоторых военных самолетах и об опытных аппаратах, не изготовлявшихся серийно. С этой точки зрения хронологический обзор сверхзвуковых самолетов, приведенный во второй части книги, не является исчерпывающим, а общее число самолетов, имеющихся в данном обзоре,-88 типов-представляется ориентировочным. Это обусловлено тем, что к классу сверхзвуковых самолетов отнесены только те, которые могли развивать максимальную скорость крейсерского полета, соответствующую числу Маха не менее 1,3 (около 1400 км/ч). Тем самым исключался ряд самолетов, которые могли развить сверхзвуковую скорость лишь на некоторых форсированных режимах, например при пикировании или полете с ускорителем. Принятая система группировки типов самолетов для описания в книге соответствует принципу классификации на дозвуковые, околозвуковые (М = 0,8 – 1,3) и сверхзвуковые самолеты. При описании самолетов автору приходилось учитывать также и следующие чисто формальные обстоятельства:

1) Для некоторых самолетов отсутствуют четкие названия и летно-технические данные.

2) Некоторые модификации самолетов нередко объединялись под одним общим наименованием типа самолета, несмотря на значительную разницу в габаритах, двигателе, оборудовании и т.п. (это касается, например, такого самолета, как Р-1А, и его последующей модификации «Лайтнинг», а также самолетов «Тайгер» и «Супер-Тайгер», F-8U-1 и F-8U-3 и др., по которым работы были прерваны на этапе создания опытного экземпляра).

3) Некоторые самолеты отличались друг от друга из-за изменения общей схемы или названия в последующей модификации (такие самолеты, как «Мираж» III, «Мираж» 5 и «Кфир»),

В книге рассмотрены только те самолеты, на которых был осуществлен хотя бы один полет с последующим приземлением. Таким образом, отсутствуют описания значительной группы сверхзвуковых самолетов, по которым работы были прерваны на этапах проектирования или наземных испытаний. С учетом этих ограничений представленный обзор является достаточно полным. Очередность, в которой приведены описания самолетов, определяется датой облета первого опытного экземпляра независимо от времени испытаний модификаций самолета, введенных как перед налаживанием серийного выпуска, так и за все время существования и эксплуатации описываемого типа самолета. Если о точной дате первого облета не сообщалось, то за нее принимался конец соответствующего календарного года. При определении очередности описаний самолетов принималась также во внимание последовательность их наименований согласно латинскому алфавиту.

Характерной чертой развития сверхзвуковой авиации до середины 60-х годов был непрекращающийся поиск возможностей увеличения максимальной скорости. Переход от дозвуковой скорости полета до скорости, соответствующей числу Маха М = 2 (а затем М = 3,0), произошел относительно быстро, главным образом благодаря увеличению тяги двигателей и использованию стреловидного крыла. Оказалось, однако, что освоение авиацией новых областей скоростей и высот является весьма дорогостоящим мероприятием, выходящим за экономические возможности даже сильных в экономическом отношении государств, имеющих развитую авиационную промышленность. Это свидетельствует о том, что прогресс авиации, определявшийся первоначально достижениями науки и техники, в дальнейшем оказался связанным в большей мере финансовыми возможностями, чем научно-техническими. Такое положение подтверждается статистическими данными по постепенному уменьшению за период с 1946 по 1978 г. количества новых типов самолетов, внедренных в серийное производство. Можно также полагать, что и в дальнейшем число новых типов самолетов будет уменьшаться, тем более что уже сегодня военная авиация сосредоточила свое внимание главным образом на совершенствовании оборудования самолетов, которое улучшает их характеристики. Конструкторы современных сверхзвуковых самолетов проводят работы по улучшению маневренности и обеспечению запаса скорости в диапазоне чисел Маха 0,8-1,2, наиболее широко используемом в воздушном бою, по увеличению максимальной скорости на малых высотах полета, а также по снижению чувствительности самолетов к турбулентности атмосферы и самовозбуждающимся колебаниям. Значительное внимание уделяется задаче уменьшения посадочной скорости с целью обеспечения безопасности экипажа и возможности использования автомобильных дорог или наскоро подготавливаемых взлетно-посадочных полос. Кроме того, проводятся также интенсивные работы и вкладываются значительные средства для улучшения технологичности конструкции, повышения надежности, экономичности, удобства эксплуатации и т. п. С этой точки зрения работы, проводимые в последние годы и намечаемые на ближайшее будущее, состоят в поисках простых и эффективных аэродинамических и конструктивных решений с использованием легких, прочных и технологичных материалов.

Можно считать, что в общем проектировании самолета (главным образом в части аэродинамики и статической прочности) уже достигнут значительный прогресс благодаря применению современных электронно-вычислительных машин, позволяющих с минимальными затратами времени производить расчет большого числа проектных вариантов.

Прогрессу авиации за последние тридцать с лишним лет, несомненно, способствовало появление двигателей новых типов. Нельзя, однако, умалять, а тем более игнорировать и роль других усовершенствований, позволивших улучшить летно-тактические данные самолетов. Ведь любое техническое достижение всегда является результатом развития многих отраслей, даже общим прогрессом цивилизации и подъемом уровня технической культуры современного человека.

Ограниченный объем данной книги, а также ее целевое назначение не позволяют всесторонне осветить все проблемы, связанные с разработкой, производством и эксплуатацией сверхзвуковых самолетов. Поэтому основное внимание в книге уделено изложению лишь общих проблем, представляющих интерес также и для читателя, не имеющего специальной подготовки в области авиационной техники.

Варшава, июнь 1979 г.



Число типов сверхзвуковых самолетов, облетанных в период 1946-1980 гг.






Часть первая

ПРОБЛЕМЫ РАЗРАБОТКИ СВЕРХЗВУКОВЫХ САМОЛЕТОВ

1. Конструктивная идея боевого сверхзвукового самолета

 Сделать закладку на этом месте книги

Известно, что основные пути развития авиации определялись и определяются главным образом прогрессом летательных аппаратов военного применения, на разработку которых затрачиваются большие силы и средства. При этом гражданская авиация, для которой надежность и удобство эксплуатации имеют решающее значение, обычно идет по пути, проторенному создателями военных самолетов. Указанная закономерность подтверждается тем фактом, что из общего числа 88 облетанных сверхзвуковых самолетов, описание которых приведено в данной книге, имеются только 3, которые можно зачислить в чисто гражданские (ВАС-221, Ту-144 и «Конкорд»), а также 4 экспериментальных, созданных с учетом потребностей гражданской авиации («Аналог» 144, FD-2, 1488 и ХВ-70А). Остальные самолеты имели военное назначение. Как следует из табл. 1, серийно выпускались 43 типа самолетов военного назначения и 2 типа пассажирских самолетов.

Среди военных типов самолетов самую большую группу составляют истребители (57), из которых 36 строились серийно (при этом не учитывается планируемое производство самолетов «Сюпер-Мираж» 4000, F-18 и XFV-12). В это общее число включены облетанные и изготовлявшиеся серийно истребители-перехватчики (соответственно 20 и 7), истребители-бомбардировщики (соответственно 14 и 8; в эту группу включены самолеты «Ягуар» и Т-2, соответствующие модификации которых зачислены также в группу учебно-тренировочных самолетов, но не учитывался XFV-12A, который не запускался в серийное производство), а также многоцелевые истребители (соответственно 23 и 20 с учетом планирования серийного производства «Торнадо»), Кроме того, облетаны 8 типов опытных бомбардировщиков или бомбардировщиков-разведчиков (6 из них были запущены в серийное производство), а также 1 самолет-разведчик и 1 учебно-тренировочный самолет, которые выпускались серийно.

Таким образом, приведенные данные свидетельствуют о том, что сверхзвуковые самолеты развивались главным образом как военные, причем преимущественно как истребители. Содержание настоящего обзора основано на материалах, опубликованных в западной прессе за последние 25 лет. Идеи боевого применения авиации в разных условиях, изложенные в этих публикациях, в большинстве случаев нельзя признать как официальную военную доктрину. Чаще всего в них приводится лишь точка зрения авторов соответствующих статей, которая тем не менее обычно отражает мнение военных специалистов или специалистов авиационной промышленности.

Таким образом, изложенные ниже идеи являются своего рода философией развития западной военной авиации. Эта философия имеет много аспектов, однако следует учитывать, что наряду с чисто военными факторами, связанными с усовершенствованием методов и средств использования авиации, важную роль в западных странах играла политика военно-промышленных комплексов.

Кроме того, следует иметь в виду, что связь между развитием авиационной техники и ее использованием носит двусторонний характер. С одной стороны, постановка новых задач вдохновляет конструкторов самолетов на поиск лучших технических решений. С другой стороны, разработка новой авиационной техники открывает перед авиацией новые возможности ее применения.



Первое поколение сверхзвуковых самолетов

8 ноября 1950 г. во время войны в Корее впервые в истории авиации дело дошло до непосредственного применения реактивных истребителей. В ходе войны выяснилось, что истребитель МиГ-15 конструкции А. И. Микояна со стреловидным крылом по ускорениям, маневренности и максимальной скорости значительно превосходит американские самолеты «Шутинг Стар» F-80 фирмы «Локхид» и «Сандерстрик» F-84 фирмы «Рипаблик» с прямым крылом. Из этого факта на Западе был сделан вывод, что решающими факторами в борьбе за превосходство в воздухе являются максимальная скорость и оснащение самолета управляемым ракетным оружием.

В США в первую очередь был ускорен выпуск самолета «Сейбр» F-86 фирмы «Норт Америкен», который признавался отвечающим этим требованиям ввиду применения стреловидного крыла и предполагаемой высокой максимальной скорости. Затем была развернута программа строительства самолетов «Скорпион» F-89 фирмы «Нортроп» и «Старфайр» F-94 фирмы «Локхид». Со своей стороны, стремление к достижению все больших скоростей и к мощному вооружению в ущерб иным показателям, главным образом маневренности, привело к концепции самолета «истребитель-бомбардировщик». У такого самолета способность к выполнению тактических задач поддержки войск с воздуха сочетается с высокой скоростью, причем высокая скорость в дальнейшем была признана решающим фактором как в отношении эффективности поддержки с воздуха, так и для превосходства в воздухе. Использование этих критериев и боевого опыта привело к тому, что поколение дозвуковых истребителей F-86, F-89 и F-94, сконструированных около 1950 г., характеризовалось высокой скоростью полета и возможностью эксплуатации в любых атмосферных условиях, а также способностью к перехвату цели с помощью радара.




Рис. 1.1. Советский истребитель МиГ-21, принадлежащий к числу наиболее популярных сверхзвуковых самолетов. 




Рис. 1.2. Американский истребитель «Старфайтер» F-104S. 


Другой характерной чертой самолетов этой группы была их способность уничтожать цели с помощью неуправляемых или управляемых (только самолет F-89) ракет с одновременным исключением стрелкового вооружения. Следовательно, на первый план был выдвинут автоматизированный бой, целью которого являлось внезапное уничтожение самолета противника, с полным исключением классического воздушного боя, основанного на мастерстве и инициативе пилота. Этот взгляд достиг апогея в первой половине 50-х годов, когда был разработан и испытан в полете сверхзвуковой самолет «Старфайтер» F-104. Его концепция была признана революционной, определяющей будущее самолета-истребителя.

Из-за характерного силуэта и габаритных пропорций (сильно вытянутый фюзеляж и прямое крыло малого удлинения) самолет F-104 был назван «пилотируемой ракетой», что отражало тенденцию к переходу самолета в разряд дистанционно управляемого оружия. Такой самолет должен удовлетворять только одному условию-достигать все больших скоростей полета путем преодоления технологических преград (одна из них была названа в свое время «тепловым барьером»). Через несколько лет «пилотируемая ракета» стала объектом насмешек, а в ФРГ ее не без основания назвали «летающим гробом».



Таблица 1 ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА СВЕРХЗВУКОВЫХ САМОЛЕТОВ








Таблица 1 ( продолжение )






Обозначения: 

Назначение самолета-. Б – бомбардировщик; БР – бомбардировщик-разведчик; ИБ – истребитель-бомбардировщик; ИМ – истребитель многоцелевой; ИП – истребитель-перехватчик; Э – экспериментальный; Пс – пассажирский; Р – разведчик; УБ – учебно-боевой; УТ – учебно-тренировочный. 

Производство: ОЭ – опытный экземпляр; С – серийное производство; * – планируемое производство. 

Тип двигателя: ЖРД – жидкостный ракетный; ПВРД – прямоточный; ТВРД – турбовентиляторный (турбореактивный двухконтурный); ТРД – турбореактивный одноконтурный.

Характеристика: Г – геометрический уступ передней кромки крыла; Д – дифференциальный управляемый стабилизатор; ЗЭ – зависающие элероны; ИГ – крыло изменяемой геометрии; К – крыльевые (элевоны или ниши уборки шасси); КРВ – крыльевой руль высоты; Н – нерегулируемый воздухозаборник; Р – регулируемый воздухозаборник; СПС – сдув пограничного слоя; Ф – фюзеляжные ниши уборки шасси; Фк – фюзеляжно-крыльевые ниши уборки шасси; Щ – щелевые (закрылки или уступ передней кромки крыла); Э – эжекторные закрылки. 

Опущенные порядковые номера соответствуют самолетам, по которым отсутствует достаточная информация. 


Влияние, которое оказала на конструкцию самолетов тенденция автоматизации истребителя, ощущалось вплоть до второй половины 60-х годов. В ходе очередных военных конфликтов выявилось, что превосходство в скорости и вооружении управляемыми ракетами не обеспечивает победы в воздушном бою. Опыт вьетнамской, а также индо-пакистанской и арабо- израильских войн не только подтвердил значение воздушного боя (понимаемого в классическом смысле, когда необходимо учитывать конкретные преднамеренные и целенаправленные действия противника), но также показал, что в определенных условиях успех боя зависит скорее от стрелкового, чем от ракетного оружия, и что в итоге превосходство в воздухе так же часто зависит от результатов воздушного боя, как результат этого боя зависит от маневренности и разнообразия вооружения самолета. В конце концов мнение, что самолет, лишенный управляемых ракет класса воздух – воздух, уступает самолету, оснащенному таким вооружением, и что это превосходство не компенсируется ни лучшей управляемостью, ни иными показателями, оказалось ошибочным.

Заодно был опрокинут своеобразный «миф» о ракете «Сайдуиндер», составлявшей в то время основное (часто единственное) оружие почти всех американских истребителей. Боевая практика же показала, что ракета «Сайдуиндер» эффективна лишь в случае, когда атакующий самолет находится в оптимальной позиции (прямо по цели-с одновременным условием: атакуемый противник не должен заметить яркой вспышки запуска двигателя ракеты), так как ввиду малой маневренности ракета не достигнет самолета, производящего противоракетный маневр. Управляемые ракеты того времени имели еще один недостаток, а именно-они не дифференцировали цели по принципу «чужой-свой».

Поскольку лишь немногие самолеты имели постоянное стрелковое вооружение, была предпринята попытка подвески пушек в контейнерах на внешних замках (например, в самолетах F-4C). Однако оказалось, что такое вооружение эффективно лишь при поражении наземных целей, но совершенно непригодно в атаках на воздушные цели ввиду вибрации контейнеров, затрудняющей прицеливание.

Только разработка новых самолетов со всеми видами вооружения (например, F-4E) выявила достоинства ракет как оружия, дополняющего стрелковое вооружение, поскольку в ситуациях, отличных от ближнего боя, на вираже, они значительно эффективнее пушек. Выяснилось, что использование комбинации стрелкового вооружения с управляемыми ракетами увеличивает гибкость воздушного боя, в котором, правда, ограничена возможность автоматического поражения цели, но зато обеспечено ведение ближнего боя. Таким образом, практика применения вывела развитие самолета-истребителя на правильный путь благодаря признанию того факта, что именно истребитель решает задачу превосходства в воздухе. Это впоследствии сделало возможным выполнение всех прочих задач, таких, как тактическая бомбардировка, поддержка с воздуха, разведка, наблюдение и т. п.

Прежде чем это случилось, т.е. вплоть до середины 60-х годов, когда развитие американских самолетов сотой серии (от F-100 до F-111) достигло своей кульминации (рекорд 3332,5 км/ч у самолета YF-12A), акцент делался на максимальную скорость, в результате чего «пилотируемая ракета» действительно двигалась все быстрее, но утрачивала способность к «полету» в классическом значении этого слова. Это, очевидно, нашло отражение в технических параметрах американских истребителей, облетанных в 1953-1958 гг. Особенно это касается взлетной массы, которая с 10921 кг (F-11) возросла сначала до 15420 кг (F-8D), затем 23 832 кг (F-105D) и достигла максимального значения 24 765 кг (F-4B).

В этой ситуации необходимым оказалось не только использование стреловидного крыла, но также увеличение его удельной нагрузки до 475-665 кг/м? и применение профиля с малой относительной толщиной (5-3%). Поскольку увеличение удельной нагрузки и стреловидности крыла и уменьшение относительной толщины профиля отрицательно влияют на скорость приземления и маневренность, такие самолеты характеризовались большой посадочной скоростью (свыше 300 км/ч), а также неспособностью к выполнению фигур высшего пилотажа с большими перегрузками. Первое исключило возможность базирования таких самолетов на аэродромах без специальных взлетно-посадочных полос длиной 2,5-3 км, второе-целесообразность их использования для ближнего воздушного боя.




Рис. 1.3. Тенденции изменения взлетной массы и максимальной скорости американских истребителей.

^ поршневые самолеты; ? околозвуковые самолеты; • сверхзвуковые самолеты.


Впоследствии, уже в начале 60-х годов, в США пришлось выполнить большой объем научно-исследовательских и опытно- конструкторских работ для изменения создавшейся ситуации в направлении возвращения самолету его наиболее характерных свойств.

В Западной Европе концепция самолета-истребителя развивалась несколько иначе. Западноевропейские условия войны предопределяли иной, отличающийся от американского подход. Ввиду малых расстояний в Европе весьма ограничено время, которым можно располагать от момента объявления тревоги до успешного перехвата цели. Этот фактор позволяет также относительно проще уничтожать стационарные наземные средства, главным образом аэродромы, средства навигации и наведения.

В процессе развития концепций самолетов оказалось, что большую роль играют также ограниченные экономические ресурсы, вынуждающие европейские государства искать дополнительные возможности. Таким образом, на начальном этапе к западноевропейскому самолету-истребителю предъявлялись следующие требования: высокая боеготовность, максимальная скороподъемность и максимальная скорость в горизонтальном полете (не менее чем М = 2), относительная независимость от стационарных наземных средств (в том числе возможность эксплуатации с аэродромов без твердого покрытия), легкость и простота конструкции. В дальнейшем эти требования были дополнены задачей многоцелевого назначения.

Развитие западноевропейской сверхзвуковой авиации начала Франция реализацией идеи создания легких истребителей, способных к выполнению задач перехвата, отличающихся высокой маневренностью и высокой скороподъемностью в любых погодных условиях. Предпосылкой к разработке новых французских самолетов были тактико-технические требования, опубликованные в 1953 г. На основе этих требований в 1953-1956 гг. было создано шесть новых типов самолетов.

Безусловно, значение этого факта заключается не столько в числе новых типов самолетов, сколько в разнообразии путей поиска наилучших решений, позволившем проверить пригодность для сверхзвуковой авиации ряда нововведений, а именно:

– прямоугольного крыла малого удлинения («Тридан», облетан в 1953 г.);

– классической схемы в совокупности с треугольным крылом («Жерфо», 1954 г.);

– треугольного крыла в схеме «бесхвостка» с дополнительной дестабилизирующей поверхностью («Гриффон», 1955 г.);

– той же схемы, но без дестабилизатора («Мираж» I, 1955 г.; «Дюрандаль», 1956 г.);

– комбинированной двигательной установки, состоящей из турбореактивных и ракетного («Тридан») либо турбопрямоточного («Гриффон», «Ледюк» 022, 1956 г.) двигателей;

– ракетного стартового ускорителя («Дюрандаль», «Мираж»).

Позднее изменение концепции назначения самолета послужило поводом к прекращению работ над этими самолетами на стадии опытного образца. Лишь программа «Мираж» была продолжена, но уже в существенно измененном виде. Тем не менее полученный опыт был использован при разработке новых типов самолетов. Здесь уместно напомнить, что аналогичную судьбу имел английский экспериментальный самолет с комбинированным двигателем SR.53, на базе которого планировалась разработка самолета SR.177, отвечающего идее легкого самолета-перехватчика. Однако его программа была свернута по другим обстоятельствам. Проводившаяся в жизнь в США еще со второй половины 50-х годов идея вытеснения пилотируемого самолета-истребителя управляемой ракетой стала в Великобритании официальной доктриной: согласно «Белой Книге обороны» за 1957 г., последним английским пилотируемым истребителем должен был стать Р. 1В, который позднее назвали «Лайтнинг».

На втором этапе развития


убрать рекламу







западноевропейской сверхзвуковой авиации была разработана концепция так называемого многоцелевого истребителя. Эта концепция была проверена в европейских условиях в минувшем двадцатилетии; она сохраняет свою актуальность и на будущее. Типичным примером развития этой концепции на рубеже 1950-1960-х годов был французский самолет «Мираж» III, а на рубеже 1960-1970-х годов-самолеты «Ягуар» и «Торнадо», разрабатывавшиеся совместно несколькими западноевропейскими странами, а также шведский «Вигген». Разница между первым и остальными заключалась в том, что «Мираж» III модернизировался по мере своего развития и развития текущих потребностей, тогда как универсальность остальных предусматривалась уже на стадии эскизного проекта с учетом накопленного в области сверхзвуковой техники опыта, разработки новых типов оборудования, совершенных двигателей и т.п.

Однако на развитие самолета «Мираж» и его модификаций повлияла главным образом смена концепции его назначения. Это касается в определенной степени также самолетов «Дракен», «Лайтнинг» и модификации G самолета F-104. Еще не были реализованы проекты легкого самолета-перехватчика, когда военно-воздушные силы западных стран приняли решение по приспособлению самолетов к условиям атомной войны. В этих условиях истребитель- перехватчик должен иметь совсем иные свойства, так как он не может уже полагаться на помощь наземных радиолокационных станций, которые к этому времени могут быть уничтожены в результате атомной атаки; таким образом, самолет должен иметь соответствующее автономное радиолокационное и навигационное оборудование. Ввиду такого изменения требований конструкторы вынуждены были отказаться от реализации варианта легкого истребителя и принять новую концепцию самолета с увеличенным фюзеляжем, в котором могло бы разместиться оборудование, требуемое для новых задач. Однако со временем, когда во второй половине 50-х годов были поставлены на вооружение баллистические ракеты дальнего радиуса действия и уменьшилось значение бомбардировочной авиации среднего и дальнего проникновения, стало ясно, что и эта концепция должна претерпеть изменения. Было признано, что существование специализированных истребителей-перехватчиков, предназначенных для уничтожения самолетов неприятеля (а особенно его бомбардировщиков), утратило свой смысл.




Рис. 1.4. Компоновочная схема английского самолета TSR.2. 

1-передний лонжерон; 2-задний лонжерон; 3-крыльевой топливный бак; 4, 5-закрылки; 6-обтекатели узлов навески закрылков; 7-отогнутые книзу концы крыла; 8-дифференциальный управляемый стабилизатор; 9-узлы навески плоскостей управляемого стабилизатора; 70-закрылки стабилизатора; 11 -управляемый киль; 12- узел навески киля; 13-антенна; 14-носовой обтекатель РЛС; 15 РЛС; 16, 17-кабина экипажа; 18-антенна доплеровского высотомера; 19- отсек оборудования; 20-антенна радиолокатора бокового обзора; 21 -передняя стойка шасси; 22-25-фюзеляжные топливные баки; 26- воздухозаборники двигателей; 27-бомбоотсек; 28-турбореактивные двигатели (два); 29-главные стойки шасси; 30-люки ниш уборки главного шасси; 31 -тормозные щитки. 


Именно поэтому была разработана концепция многоцелевого истребителя, который вначале, кроме способности к перехвату, мог атаковать также и наземные цели. В последующие годы универсальность назначения неуклонно расширялась по мере появления новых потребностей и совершенствования авиационной техники. Однако приспособление самолетов к выполнению все более трудных задач привело к увеличению взлетной массы с 5-7 т (французские «легкие истребители») до 9-11 т, усложнению конструкции и оборудования и возрастанию закупочной цены. Введение самолетов новых типов в вооруженных силах отдельных стран привело в свою очередь к изменению тактики действия авиации во время подавления противовоздушной обороны противника. Ведь еще в начале 50-х годов в военной авиации западных стран был распространен тезис о нечувствительности современных бомбардировщиков к атакам самолетов-истребителей. Поэтому в Великобритании, например, в 1951-1952 гг. были испытаны три самолета-бомбардировщика так называемой серии V: «Вэлиент» фирмы «Виккерс», «Вулкан» фирмы «Хоукер» и «Виктор» фирмы «Хэндли Пэйдж» – с максимальной скоростью около 1000 км/ч и потолком 15 000 – 18 500 м, предназначавшиеся для стратегических бомбардировок с использованием ядерных бомб. Появление ракетных комплексов класса земля- воздух с системами активного радиолокационного наведения существенно снизило вероятность выхода таких самолетов на цель. Потребовался переход к полетам на малых высотах, т.е. ниже зоны радиолокационного обнаружения и эффективного действия активных средств противовоздушной обороны. Поскольку специальных самолетов еще не существовало, такие полеты были возложены на обычные бомбардировщики. Однако опыт показал, что полеты на малых высотах с околозвуковой или сверхзвуковой скоростью имеют свою специфику и значительно отличаются от полетов на крейсерских высотах (гл. 2).




Рис. 1.5. Американские истребители-бомбардировщики «Тандерчиф» F-105 в полете. 


С учетом этого начались исследования самолетов, специально предназначенных для полетов и выполнения заданий на небольших высотах со сверхзвуковыми скоростями. Первым из них в Западной Европе должен был стать самолет TSR.2. Кроме полезных для небольших высот пилотажных свойств, а также высокой эксплуатационной гибкости, он мог бы использовать ядерное и обычное вооружение различных видов, а также осуществлять фотографическую и радиолокационную разведку в любых погодных условиях днем и ночью. Этот самолет предполагалось приспособить к эксплуатации с полевых аэродромов (что упрощает рассредоточение и уменьшает уязвимость в отношении воздушных налетов), т.е. обеспечить его независимость от крупных аэродромов и комплексов наземных средств.

Правда, работы над самолетом TSR.2 закончились на этапе летных испытаний опытного образца, однако тем не менее они выявили сложность проблемы и тем самым принудили конструкторов к поиску иных, менее сложных решений. В первую очередь была рассмотрена проблема уменьшения тактического радиуса действия ввиду большого удельного расхода топлива при полете на малых высотах. Вначале наиболее рациональным решением было признано перемещение баз самолетов ближе к линии фронта. На практике оказалось, что таким путем нельзя выполнить поставленные задачи, поскольку приближение баз к зоне боевых действий увеличивает опасность уничтожения аэродромов и самолетов. Поэтому было решено приспособить самолеты к базированию на грунтовых аэродромах (путем использования эффективных средств механизации крыла и шасси с пониженным давлением в пневматиках), а также использовать маскировку самолетов от воздушного обнаружения. Для увеличения ресурса была усилена конструкция планера, а улучшение условий работы экипажа было достигнуто с помощью автоматов, обеспечивающих продольную стабилизацию самолета. Однако все эти мероприятия в совокупности привели к дальнейшему росту взлетной массы самолета до 12-16 т.

В США переход на концепцию атомного вооружения (с учетом вероятности его использования противником) имел в вопросах ведения воздушных боевых действий значительно большие последствия. Прежде всего было признано, что утратила значение обычная противовоздушная оборона, которую стали считать недостаточной для обеспечения возможностей ответного удара. Впоследствии, в конце 50-х годов, было проведено быстрое перевооружение истребительных подразделений противовоздушной обороны на тяжелые сверхзвуковые самолеты-перехватчики с высокой скороподъемностью, а также введены постоянные боевые дежурства, которые должны были сократить время перехвата до минимума. С другой стороны, было признано, что преодоление противовоздушной обороны противника, точный выход самолета на цель и осуществление ядерной бомбардировки будут возможны лишь при условии оснащения самолетов новыми совершенными навигационными средствами и электронным оборудованием, а также высокоэффективными системами управления вооружением самолета. Так как в США считается, что самолеты должны иметь большой радиус действия (3500-4500 км, тогда как в Западной Европе считается достаточным радиус действия 1800-2300 км), то взлетная масса самолетов выросла еще больше.

В этой ситуации было сочтено, что уменьшение затрат на все более дорогие самолеты возможно только путем вооружения тактической авиации истребителями-бомбардировщиками, приспособленными к выполнению и других задач, в частности разведки.

Первым американским сверхзвуковым истребителем, пригодным к транспортировке ядерного оружия (т.е. истребителем- бомбардировщиком), был F-105, а затем F-4. Они соответствовали концепции сбрасывания ядерных бомб с малой высоты, требующей соответствующего бортового оборудования. Самолет F-4, помимо основного варианта, выпускался также как перехватчик и разведчик.

Второе поколение сверхзвуковых самолетов

 Сделать закладку на этом месте книги

Прогресс в разработке двигательных установок и конструкции планера, а также достижения в области аэродинамики и технике управления привели к созданию на рубеже 1960-1970-х годов сверхзвуковых самолетов, которые обычно называют самолетами второго поколения. Для них характерно использование двухконтурных (турбовентиляторных) реактивных двигателей, которые, развивая такую же тягу, как одноконтурные, расходуют значительно меньше топлива. Использование таких двигателей позволило не только уменьшить массу самолета и увеличить его грузоподъемность, но также и уменьшить отношение массы самолета к тяге двигателя ниже 1 кг/даН, что вместе с другими усовершенствованиями привело к заметному увеличению маневренности, набора скорости и скороподъемности самолетов 70-х годов в сравнении с самолетами 50-х годов. Первым западным самолетом, положившим начало новому поколению, стал F-111, за ним были испытаны «Мираж» F.1 и «Вигген».

Кроме нового типа двигателя, эти самолеты имеют значительно более эффективные аэродинамические схемы, обеспечивающие высокую крейсерскую скорость в сочетании с небольшими скоростями взлета и посадки для возможности эксплуатации со срочно подготовленных аэродромов или гражданских автомобильных дорог. Для обеспечения таких характеристик первый из названных выше самолетов был выполнен с крылом изменяемой геометрии, второй-с крылом небольшой стреловидности, а третий-как биплан-тандем с треугольными крыльями. В самолете «Вигген» в дополнение к этому имеется устройство реверса тяги.

От самолетов первого поколения новые машины отличались главным образом меньшими скоростями приземления (около 220 км/ч) и взлета, а также возможностью их базирования на наскоро подготовленных аэродромах. Высокие летно-технические характеристики самолетов второго поколения связаны с использованием крыла изменяемой геометрии с разнообразной и эффективной механизацией, а также экономичных двигательных установок большой тяги, облегченных конструкций и т.п.

Некоторые данные выпускаемых серийно истребителей обоих поколений приведены в табл. 2.

Сейчас все шире распространяется мнение, согласно которому разработанные образцы сложной авиационной техники морально устаревают уже к моменту их принятия на вооружение. Это происходит не только ввиду разработки очередных типов в конструкторских бюро, но также (а может быть, и главным образом) ввиду изменения принципов использования авиации. Новый тип самолета, который должен эксплуатироваться в качестве боевой единицы не меньше 10 лет, требует почти столько же времени на прохождение от стадии обоснования тактико-технических характеристик проекта до начала серийного производства. Это означает, что намерения и возможности вероятного противника необходимо прогнозировать на период около 20 лет.

Как следует из сказанного выше, изменение взглядов на принципы применения авиации было столь частым и радикальным, что сегодняшнее прогнозирование на ближайшее двадцатилетие может оказаться фикцией. С учетом этого в Западной Европе установилось мнение, что снижение финансовых затрат и риска создания морально устаревших систем оружия может быть достигнуто, в частности, путем разработок многоцелевого самолета, который после определенной модернизации будет соответствовать текущим требованиям, т.е. сможет конкурировать даже с новейшими средствами более узкого назначения. Дополнительно уменьшить риск, а значит, увеличить вероятность успеха можно путем сохранения в тайне работ, связанных с новой программой, так как это затрудняет противнику прогнозирование развития собственных боевых средств. Так же как и в предыдущие годы, была заметна разница в концепциях самолетов второго поколения, созданных в Западной Европе и в США.

В проектах сверхзвуковых истребителей, разрабатывавшихся в 50-х годах, почти повсеместно принималось за аксиому то, что уничтожение наземных целей будет вестись с использованием траекторий полета, условно названных «высоко-низко-высоко». Это означает подлет к цели на большой (обычно оптимальной для данного самолета) высоте-снижение и до лет до цели (около 100 км) на малой высоте, выполнение задания и отлет на дистанцию около 100 км-возвращение на большой высоте с экономичной скоростью.

Развитие пассивных и активных средств противовоздушной обороны опровергло эти принципы и, как упоминалось выше, принудило авиацию к использованию траектории полета типа «низко-низко- низко», а следовательно, к выполнению продолжительных полетов на малой высоте с до- или сверхзвуковой скоростью.

С усложнением конструкции планера и оборудования самолета росла его масса, что влекло за собой рост закупочных цен и эксплуатационных затрат. К этому надо прибавить затраты на специализированные самолеты, предназначаемые для выполнения узкой задачи (такие самолеты создаются и в наше время). Тогда становится понятным появление концепции «легкого, простого и дешевого» многоцелевого самолета с отличными способностями проникновения в тыл врага на малой высоте и одновременно с хорошими летными данными на большой высоте.

Представителями этого направления развития боевой авиации являются в Западной Европе «Ягуар», «Торнадо», «Вигген» и «Мираж» F.I. Считается, что в европейских условиях понятие универсальности назначения следует значительно расширить, с тем чтобы в круг задач самолета входили не только перехват, но также ближняя и дальняя поддержка с воздуха, разведка и учебные задачи (учебно-тренировочные самолеты). Созданные многоцелевые самолеты имеют таким образом разработанную конструкцию, оборудование и вооружение, что смена этого оборудования и вооружения может производиться быстро и непосредственно перед полетом. Это означает, что универсальность применения указанных самолетов достигнута путем замены лишь немногих элементов, т. е. способность выполнять разные задачи связана не с различными вариантами конструкции, а лишь с заменой одних видов оборудования и вооружения на другие. Правда, принятие концепции универсальности повлекло за собой увеличение взлетной массы «легкого, простого и дешевого» самолета до 15 000-20 ООО кг, дополнительное усложнение конструкции и оснащения, а также повышение закупочных цен до 4-6 млн. долл. за экземпляр, но и это оказалось выгодным с военной и экономической точек зрения.



Таблица 2. Данные сверхзвуковых истребителей первого и второго поколений



1) Скорость подхода на посадку. 

2) Номинальный радиус действия. 

3) Удельная нагрузка на крыло для максимального угла стреловидности. 




Рис. 1.6. Западноевропейский многоцелевой самолет «Ягуар». 




Рис. 1.7. Западноевропейский многоцелевой самолет «Торнадо». 


С военной точки зрения эта концепция обеспечивает гибкость и высокую эффективность использования малого числа боевых средств (уменьшение числа самолетов), а также упрощает обслуживание и материальное обеспечение (малое число типов). Выгодна она также в отношении экономики и организации, так как позволяет ограничить число профилей подготовки летного и наземного персонала, уменьшить производство запасных частей, упростить ремонт и т.п.

Поскольку разработка нового самолета становится сейчас все более сложной и дорогостоящей, каждый новый самолет является своего рода компромиссом, и даже суммой компромиссов, причем не только между разного рода техническими соображениями, но также и между более сложными факторами, учитывающими экономические возможности и оперативные требования. «Ягуар», выпускаемый совместно Францией и Великобританией, служит примером такого компромиссного подхода. Во французских оперативных требованиях было оговорено, что самолет должен выполнять учебные, тактические и морские задачи (британские требования оговаривали только первые два вида задач). Очевидно, во Франции стремились к разработке самолета настолько «типового», чтобы избежать производства трех различных типов самолетов, и вместе с тем настолько «гибкого», чтобы он был пригоден к выполнению всевозможных задач. К ним относятся:

– боевая подготовка пилотов и тренировка в полете по приборам;

– уничтожение целей на дистанции до 500 км за линией фронта;

– прикрытие наземных войск, и в частности поддержка с воздуха тактических соединений наземных сил, участие в борьбе за превосходство в воздухе;

– разведка поля боя;

– действия с палубы авианосца и поражение морских целей.

В тактико-технических требованиях были оговорены требования самостоятельного запуска двигательной установки, легкого доступа к важнейшим узлам конструкции и оборудования, высокой надежности, простого пилотирования и эксплуатации на земле, времени подготовки к полету не более 10-15 мин, времени технического обслуживания не более 10 ч на 1 ч полета и времени эксплуатации между капитальными ремонтами до 1000 ч.

С целью удовлетворения этих требований (а также финансовых, предусматривающих низкую единичную цену и минимальные эксплуатационные затраты) было решено сконструировать один самолет, способный при незначительной модификации выполнять все предполагаемые задания, а также подобрать планер, двигательную установку и оборудование настолько простые, чтобы обеспечивалось удобство эксплуатации, и вместе с тем настолько совершенные, чтобы могли быть выполнены все оперативные требования. Различия между видами задач, определенными для самолета британской и французской авиацией, привели к тому, что британский и французский «Ягуары», имея одинаковые планер, двигательную установку и шасси, а также оборудование общего характера (гидравлическое, электрическое, оборудование системы кондиционирования и т. п.), различаются оснащением, связанным непосредственно с выполнением заданий (главным образом навигационным оборудованием и средствами управления огнем).

Иную концепцию западноевропейского истребителя представляет «Торнадо». В соответствии с требованиями, заложенными в техническое задание, он должен был иметь:

– свойства самолета короткого взлета и высокие ускорения при околозвуковых скоростях, обеспечивающие выполнение заданий с полевых аэродромов и быструю адаптацию к изменению ситуации в воздухе;

– сверхзвуковую скорость и высокую устойчивость в бреющем полете на очень малой высоте с целью захвата врасплох противовоздушной обороны противника;

– большую тяговооруженность для быстрого набора высоты и скорости до М = 2 на больших высотах с целью успешного перехвата или быстрого отступления в разведывательных полетах;

– способность к действиям в любую погоду против наземных сил, аэродромов и т.п., а также к перехвату днем, ночью и во время неблагоприятных метеорологических условий;

– большую грузоподъемность, а также гибкость в ее использовании (вооружение, топливо, оборудование), обеспечивающую эффективность перехвата и атакующих действий для различных вариантов задач (цель, расстояние).




Рис. 1.8. Американский истребитель YF-16. 


Удовлетворение этих требований должно было обеспечить выполнение самолетом шести типов задач, к которым относятся непосредственная поддержка войск, атака системы коммуникаций в зоне тактических действий, завоевание превосходства в воздухе над полем боя, перехват воздушных целей, воздушная разведка и поддержка действий подразделений военно- морских сил.

Это означает, что в Западной Европе концепция многоцелевого назначения боевых самолетов останется обязательной и в будущем, так как с западноевропейской точки зрения она выгодна по многим пунктам. Зато в военных кругах США во второй половине 60-х годов сформировалось мнение, что возрастание закупочных цен на многоцелевые самолеты, а также их недостаточная пригодность к воздушному бою (большая масса, низкая маневренность) требуют поиска новых решений.

Результатом этого подхода явилась программа разработки всепогодных истребителей F-14 (для авиации ВМС) и F-15 (для ВВС), которые должны были обеспечивать превосходство в воздухе. Однако в начале 70-х годов затраты на разработку и производство этих самолетов так возросли, что стала необходимой формулировка новых тактико-технических требований. Их основная идея отвечает европейской концепции легкого самолета-перехватчика 50-х годов с учетом последних достижений авиационной техники. На основе новых требований были разработаны два самолета-YF-16 и YF-17,- предназначенные исключительно для перехвата и только для дневных действий. Благодаря ограничению максимальной скорости новые самолеты отличаются не только малой массой и низкой стоимостью (по представлениям середины 70-х годов), но также высокой маневренностью и быстрым набором скорости в области околозвуковых скоростей полета (М = 0,8 4-1,2), которые, как следует из опыта 60-х годов, чаще всего используются во время воздушного боя.

Однако в 1976-1977 гг. выяснилось, что самолет F-14 не обладает требуемыми характеристиками, и для их достижения необходима замена двигателя (стоимость этой операции оценена в 1,7 млрд. долл.), а самолет F-16 нужно модернизировать в направлении универсальности, что наверняка отразится на его летных показателях, достигнутых к тому времени. Это касалось также самолета F-18, разработанного для авиации военно-морского флота США, который уже в тактико-технических требованиях был определен как многоцелевой. Очевидно, что не только теоретические концепции, но и военный опыт имел определяющее влияние на возвращение самолету его первостепенной роли в системе вооруженных сил.

2. Преодоление барьеров

 Сделать закладку на этом месте книги

Эволюция принципов использования сверхзвуковых самолетов происходила параллельно с объективной необходимостью непрерывного совершенствования техники, что побуждало к разработке и выпуску самолетов со все более высокими параметрами, среди которых на первый план выдвинулась максимальная скорость горизонтального полета. Конструкторская практика показала, что требование увеличения скорости связано с необходимостью преодоления своего рода барьеров, затрудняющих либо вообще делающих невозможным без изменения конструкции самолета механическое увеличение скорости полета за счет использования двигательных установок все большей тяги.

Наибольшие трудности вызвали в свое время «звуковой барьер» и «тепловой барьер», хотя и другие препятствия технического и нетехнического характера составляли определенные проблемы, требующие специальных исследований и соответствующих усовершенствований конструкции самолета. К таким проблемам относили проблему управляемости самолета при околозвуковых скоростях, проблему полета на малой высоте, условно названную «психологическим барьером», а также экономические факторы, вытекающие из непрерывного и быстрого роста затрат на реализацию новых разработок. Ориентировочно можно принять, что в 40-х годах основные усилия конструкторов были направлены на решение проблемы управляемости самолета и преодоления звукового барьера, в 50-х-теплового барьера, в 60-х-психологического барьера. Для 70-х годов было характерно в принципе отсутствие технологических препятствий для дальнейшего совершенствования самолета, но одновременно и существование «экономического барьера», определяющего не столько технический уровень и летные качества самолета, сколько количественный состав авиации.

Общепринято считать, что главным препятствием к достижению самолетом сверхзвуковой скорости был звуковой барьер, который проявлялся в неожиданном резком росте аэродинамического сопротивления самолету. В действительности резкое возрастание сопротивления при околозвуковых скоростях-лишь один из аспектов звукового барьера, которому сопутствуют изменение величины и точки приложения подъемной силы самолета (а вследствии этого-утрата устойчивости), ухудшение либо полная потеря управляемости (иногда даже с противоположным эффектом управляющих воздействий), тенденция к возникновению самовозбуждающихся колебаний (особенно опасных для конструкции) и т. д. Ввиду этого многие специалисты придерживаются мнения, что преодолеть околозвуковой максимум аэродинамического сопротивления было все же относительно просто, тогда как действительным барьером оказалась проблема обеспечения самолету необходимой устойчивости, а особенно эффективности действия управляющих поверхностей во время прохождения диапазона околозвуковых скоростей. Впрочем, с этой проблемой сталкивались уже раньше.

Во время второй мировой войны авиационные поршневые моторы достигли предельных возможностей, благодаря чему самолеты в горизонтальном полете приобрели максимальную скорость ~ 700 км/ч. Попытки дальнейшего увеличения скорости полета путем оснащения самолетов двигательными установками все большей тяги приводили к неудачам. Потребовалось выяснить физические причины отрицательных явлений, которые сопутствовали таким скоростям. Оказалось, что важнейшими из них являются изменение устойчивости самолета с одновременным снижением эффективности управляющих поверхностей, а затем резкое возрастание аэродинамического сопротивления. Таким образом, оказалось, что аэродинамический расчет самолетов, развивающих во время пикирования максимальную скорость, соответствующую М = 0,7-^-0,75, не учитывает важных явлений аэродинамики, и дальнейший прогресс авиации возможен лишь при изменении аэродинамической схемы самолетов и использовании реактивного двигателя.




Рис. 1.9. Американские экспериментальные самолеты (слева снизу по часовой стрелке): Х-1А, D-558-I, XF-92A, Х-5, D-558-II, Х-4 и Х-3 (в центре). 


Тем не менее проблема еще не была осознана полностью, и первые реактивные самолеты проектировались в соответствии с требованиями аэродинамики винтомоторных самолетов, либо (даже чаще) планеры этих самолетов модифицировались лишь в пределах, необходимых для установки реактивного двигателя. Однако реактивные самолеты развивали большую скорость, чем самолеты с винтомоторной силовой установкой, поэтому острота проблемы стала нарастать. Полет, в котором возникали указанные выше явления, часто заканчивался катастрофой. Причины таких катастроф были окончательно выяснены лишь в последующие годы, и только изменение аэродинамической схемы околозвукового самолета (а позднее-сверхзвукового) позволило окончательно решить эту проблему.

Стали создаваться самолеты со все большей стреловидностью крыла, меньшей относительной толщиной профиля и большей удельной нагрузкой на крыло. Очевидно, именно такое, а не иное направление развития самолета было связано с главной целью-увеличением максимальной скорости полета. Однако такая эволюция в области аэродинамики и конструкции была в принципе односторонней, так как следствием ее было не только уменьшение коэффициентов сопротивления при высоких скоростях, но и уменьшение коэффициента подъемной силы при любых скоростях. Это отрицательно повлияло, в частности, на посадочную скорость, которая с точки зрения безопасности экипажа и надежности конструкции должна быть как можно меньшей.

Резкое увеличение аэродинамического сопротивления самолета при околозвуковых скоростях полета требует увеличения тяги, необходимой для его преодоления, или изыскания способов снижения этого сопротивления. Первый путь весьма неэкономичен, поскольку двигатель большой тяги не только потребляет значительно большее количество топлива, но и, использованный в аэродинамически несовершенных самолетах, лишь несущественно увеличивает скорость полета. Такой способ вынужденно применялся в экспериментальных самолетах на начальном этапе развития сверхзвуковой авиации. Например, самолет Х-1 фирмы «Белл», сверхзвуковая скорость полета которого была достигнута именно таким путем, мог летать с работающим двигателем не дольше 5-10 мин и поэтому не был способен выполнять какие-либо боевые задания. Кроме того, как выяснилось при испытаниях этого самолета, достиж


убрать рекламу







ение им сверхзвуковых скоростей было связано с нарушением устойчивости и управляемости и даже приводило к аварийным ситуациям. Именно с этих позиций второй путь достижения сверхзвуковых скоростей полета является экономичным, а его реализация – выдающимся этапом развития авиации.

Звуковой барьер

 Сделать закладку на этом месте книги

Аэродинамическое сопротивление самолета в области дозвуковых скоростей полета (М ‹ 0,7-0,8) примерно пропорционально квадрату скорости 1* . Зато, когда скорость самолета приближается к скорости звука, сопротивление становится пропорциональным уже не квадрату скорости, а скорости в более высокой степени, например в третьей или даже в пятой. Из практических соображений в аэродинамике условно принято, что во всем диапазоне скоростей сопротивление пропорционально квадрату скорости, действительное же влияние скорости в околозвуковом диапазоне (0,8 ‹ М ‹ 1,4) и при сверхзвуковых скоростях учитывается путем соответствующего изменения безразмерного коэффициента сопротивления Сх  в функции числа Маха. Полное аэродинамическое сопротивление самолета в полете с дозвуковыми скоростями состоит из сопротивления трения, сопротивления формы, а также из индуктивного и интерференционного сопротивлений.

1*  При полете на постоянной высоте.- Прим. ред. 



Таблица 3. Данные экспериментальных самолетов






Рис. 1.10. Скачки уплотнения при сверхзвуковом обтекании модели самолета. 


Сопротивление трения возникает в результате непосредственного контакта потока воздуха с обтекаемой поверхностью самолета (ввиду этого оно называется также поверхностным сопротивлением) и связано с торможением частиц воздуха в пограничном слое. Сопротивление формы зависит от характера обтекания частей планера и существенно возрастает при возникновении явления отрыва потока воздуха от поверхности, особенно при больших углах атаки.

Сумма сопротивлений трения и формы называется профильным сопротивлением (поскольку ее значение характеризует любой аэродинамический профиль) и определяется коэффициентом Схр  . Возникновение индуктивного сопротивления Cxi  вызвано завихрениями потока на концах крыла вследствие тенденции к выравниванию давлений на верхних и нижних поверхностях и изменениями вектора подъемной силы. Причиной же появления интерференционного сопротивления является взаимное нарушение условий обтекания соседних частей планера, особенно влияние фюзеляжа на условия обтекания крыла.

Сопротивление трения составляет около 70% общего сопротивления дозвукового самолета, поэтому его снижению всегда уделялось большое внимание. Однако это положение принципиально изменилось для скоростей полета выше критического числа Маха Мкр  , при котором на каком-либо участке самолета местная скорость обтекания достигает значения местной скорости звука. При сверхкритических скоростях полета имеет место стремительный рост аэродинамического сопротивления, главным слагаемым которого становится новый вид сопротивления Схволн  , называемый волновым.

Механизм появления волнового сопротивления заключается в следующем. Во время обтекания аэродинамического профиля с выпуклыми поверхностями происходит местное сжатие внешнего потока до слоя максимальной плотности, а затем его расширение. При малых числах Маха набегающего потока в сжимаемой струе скорость возрастает, а давление снижается. Максимальной скорости поток достигает в сечении наименьшей площади, где давление минимально. По мере расширения потока скорость падает, а давление растет. Чем больше скорость потока, тем больше местная скорость на профиле. В итоге если общая скорость обтекания (скорость самолета) достаточно велика, то местная скорость на профиле в месте максимального разрежения достигает местной скорости звука. Такое явление возникает при скорости, соответствующей Мкр  . В этом случае в расширяющейся струе скорость уже не уменьшается, а продолжает расти, так что обтекание становится сверхзвуковым. Однако, пока набегающий поток является дозвуковым, область сверхзвукового обтекающего потока не может быть неограниченной, и сверхзвуковой обтекающий поток переходит в дозвуковой.

Увеличение скорости в сверхзвуковой части обтекающего потока приводит к тому, что статическое давление в струе падает, уменьшаясь в конечном счете ниже значения, соответствующего наименьшему сечению. В то же время за профилем преобладает более высокое давление, равное давлению окружающей среды, а поток имеет дозвуковую скорость, равную скорости набегающего потока. Значит, частицы воздуха в струе, обтекающей заднюю часть профиля, перед подходом к его задней кромке должны двигаться с замедлением, а давление должно иметь значение, соответствующее существующим там условиям. Плавное торможение сверхзвукового потока невозможно, поэтому изменение значений скорости и давления происходит резко. Торможение и сжатие движущегося потока воздуха происходит в некоторой плоскости, перпендикулярной поверхности профиля. Эта плоскость образует фронт плоской волны уплотненного воздуха, которая называется ударной волной или прямым скачком уплотнения. На прямом скачке давление резко возрастает, а скорость уменьшается до дозвукового значения. Поскольку за скачком поток уже дозвуковой, то его дальнейшему расширению сопутствуют уменьшение скорости и увеличение давления.




Рис. 1.11. Зависимости коэффициента лобового сопротивления Сх  

a – от числа Маха (показано также влияние С х на максимальную скорость полета с данной двигательной установкой);  

б – от вида скачков уплотнения; 1 -самолет сверхзвуковой конструкции; 2-самолет дозвуковой конструкции. 


Таким образом, наличие сверхзвуковой области обтекания приводит к тому, что в соответствующей части профиля давление оказывается меньше, чем на других его частях (особенно передней), где обтекание остается дозвуковым. Чем меньше давление в сверхзвуковой области, тем больше сила, увлекающая профиль назад, а следовательно, тем больше его волновое сопротивление. С дальнейшим увеличением скорости самолета область сверхзвуковых скоростей на профиле становится более обширной, интенсивность скачка уплотнения увеличивается, возрастают его размеры и происходит дальнейший рост волнового сопротивления. Вскоре после возникновения скачка на верхней поверхности профиля он появляется также и на нижней поверхности, увеличивая и без того уже большое сопротивление. Есть еще одна причина возрастания сопротивления. За скачком вследствие резкого изменения скорости и давления происходит уплотнение и отрыв пограничного слоя воздуха, и возникающая вследствие этого турбулентность увеличивает сопротивление формы. Указанный быстрый рост аэродинамического сопротивления, образующего препятствие в виде своего рода «стенки» уплотненного воздуха, уже в 1936 г. был назван звуковым барьером.

Когда набегающий поток воздуха является сверхзвуковым, скачок уплотнения возникает перед передней кромкой крыла. Форма этого скачка зависит от формы профиля. Если профиль имеет закругленную переднюю кромку, то перед ним возникает криволинейный прямой скачок уплотнения максимальной интенсивности, которому соответствует наибольшее волновое сопротивление. Наименьшее волновое сопротивление создает профиль с острой передней кромкой, на которой возникают косые скачки уплотнения. Их характеризует меньшее изменение параметров течения, а это значит, что при косых скачках уплотнения волновое сопротивление меньше.

На первой стадии развития сверхзвуковой авиации был достаточно хорошо изучен механизм возникновения волнового сопротивления. Понимание происходящих явлений позволило разработать множество средств, а также подобрать соответствующую форму различных частей планера в зависимости от скорости полета. Этим проблемам посвящены последующие разделы книги.

Звуковой удар

 Сделать закладку на этом месте книги

В первый период эксплуатации сверхзвуковых самолетов значительное внимание привлекала проблема так называемого звукового удара-явления, необычного для предыдущего развития авиации. Выяснение физического смысла, широкая распространенность явления, а позднее и введение ограничений в полетах военных самолетов над крупными населенными пунктами привели к тому, что в дальнейшем к этому явлению привыкли. Лишь в 70-х годах – после ввода в эксплуатацию сверхзвуковых пассажирских самолетов – оно снова приобрело актуальность в связи с требованиями ограничения шума, которые были выдвинуты вследствие повышения внимания к охране среды обитания человека.

Правда, звуковой удар кратковременен, но в некоторых случаях он может быть и продолжительным, а его неблагоприятное воздействие связано с большой интенсивностью и внезапностью возникновения звукового удара. Явление это поразительно похоже на артиллерийский залп, и ясно, что оно вредно воздействует на органы слуха и при соответствующей интенсивности может даже быть причиной их повреждения. Кроме того, звуковой удар может вызывать также изменение частоты пульса, нарушает душевное равновесие человека, влияет на самочувствие водителей транспорта и т.п. Интенсивные звуковые удары могут возбудить панику среди больших стад животных, растрескивание и осыпание штукатурки стен и даже разрушение стен и кровли зданий. Среди этих аргументов встречаются также утверждения о возможности нарушения биологического равновесия среды, загрязнения атмосферы и т.п. Многие из них сходны с аргументами противников первых транспортных средств с паровым двигателем и обусловлены либо консерватизмом части людей, либо соображениями торговой конкуренции. Тем не менее стало необходимым проведение специальных исследований вредных последствий звукового удара для определения допустимых уровней шума, а особенно допустимой нижней границы высоты полета сверхзвуковых самолетов над заселенными территориями. Безусловно, само по себе изучение явления не разрешает еще экологических проблем звукового удара, а дает лишь ориентиры того, как можно избежать его негативных последствий. Итак, в чем заключается явление звукового удара?

Выше указывалось, что во время полета самолета со скоростью звука перед ним возникает ударная волна, в которой скорость потока резко снижается, а давление (и, следовательно, плотность и температура) возрастает. Таким образом, происходит высвобождение значительного количества энергии в окружающую самолет среду, что приводит к интенсивным колебаниям частиц воздуха, проявляющимся в виде громового звука, подобного раскату пушечного залпа. В период первых полетов с кратковременным превышением скорости звука (при пикировании, поскольку раньше всего скорость звука была достигнута на этом режиме) звуковой удар воспринимался наблюдателем на земле два раза. Первый хлопок происходит в момент превышения самолетом скорости звука, а второй-в момент обратного перехода через нее. Промежуток времени, разделяющий эти два удара, определяется продолжительностью полета со сверхзвуковой скоростью; с учетом неоптимальных аэродинамических форм самолета того времени с ростом плотности воздуха происходило быстрое торможение самолета. Как видно из рис. 1.12, при пикировании самолета с относительно небольшой высоты оба удара могут быть услышаны одновременно. Звуковая волна перемещается (очевидно, со скоростью звука) в направлении, перпендикулярном ее плоскости, поэтому интенсивность удара в рассматриваемом случае бывает тем больше, чем круче пикирование и чем меньше расстояние от самолета до наблюдателя.




Рис. 1.12. Возникновение первого и второго звуковых ударов. 




Рис. 1.13. Изменение давления в звуковой волне N в вертикальной плоскости под самолетом (а) и зона слышимости звукового удара на земле во время полета англо-французского пассажирского самолета «Конкорд» со сверхзвуковой скоростью (б). 


При полете со сверхзвуковой скоростью на поверхностях планера создается сложная система скачков уплотнения и областей низкого давления. Наиболее интенсивные скачки создают носовая часть самолета, которая в полете первой встречает частицы невозмущенного потока воздуха, и элементы хвостовой части, где практически заканчиваются возмущения, вносимые самолетом в окружающую среду. Эти два скачка уплотнения называются соответственно головным и хвостовым. Промежуточные возмущения либо догоняют головной скачок, либо из-за меньшей скорости настигаются хвостовым скачком. Таким образом, уже на небольшом расстоянии от самолета система скачков уплотнения превращается в двухскачковую систему. За головным скачком давление воздуха скачкообразно возрастает выше атмосферного на значение Ар, а затем плавно уменьшается ниже атмосферного на то же самое значение. В хвостовом скачке происходит скачкообразный рост давления до атмосферного значения.

Описанная плоская модель возникновения системы скачков уплотнения в действительности является пространственной системой, которую можно привести к двум конусам Маха. Таким образом, при горизонтальном полете с постоянной сверхзвуковой скоростью звуковой удар слышен одновременно в различных точках поверхности Земли (этот вид звукового удара называется сверхзвуковым; в зависимости от длины самолета и высоты полета промежуток времени, разделяющий обе волны, может быть так мал, что хлопки сливаются в один отзвук). Геометрическим местом этих точек является гипербола, образуемая пересечением конуса Маха с поверхностью Земли. Поскольку самолет движется с определенной скоростью, вслед за ним распространяются ударные волны, которые в виде громовых раскатов слышатся на определенной территории. Практически это означает, что звуковой удар сопровождает сверхзвуковые самолеты на протяжении всей трассы полета, начиная с момента достижения скорости звука вплоть до момента обратного перехода через скорость звука при торможении перед посадкой.

Размеры зоны слышимости звукового удара (ширина «коридора», над которым самолет пролетает со сверхзвуковой скоростью) и его интенсивность зависят от многих параметров. С увеличением массы самолета и его скорости, а также с уменьшением высоты полета интенсивность звукового удара возрастает, а зона слышимости уменьшается. Так как до сих пор не разработано активных средств, снижающих интенсивность звукового удара, пока единственно возможными средствами являются пассивные. Так, для конкретного типа самолета допустимый уровень акустического давления определяется путем установления минимально допустимой высоты полета над населенными территориями.

Летные исследования самолета «Конкорд» показали, что при полете на высоте 18000 м с М = 2,2 угол конуса Маха составляет около 30°, акустическое давление Ар х 0,1 кПа, а зона слышимости звукового удара имеет ширину ~ 100 км. Установлено также, что на расстоянии около 200 км от аэродрома самолет должен уже лететь над малонаселенной территорией. Действительное влияние звукового удара, производимого эксплуатируемыми в настоящее время пассажирскими самолетами, до конца еще не изучено. Однако установлено, что водные животные и рыбы не подвергаются его отрицательным последствиям, а дикие и домашние животные на открытой местности реагируют на него, как на грозовой гром средней интенсивности. Не обнаружено также отрицательных воздействий полетов сверхзвуковых самолетов над горами, скалами, береговыми кручами и т.п. Итак, результаты проведенных до настоящего времени исследований говорят о том, что сейчас нет необходимости во введении каких-либо новых жестких ограничений для трасс пассажирских сверхзвуковых самолетов.

Тепловой барьер

 Сделать закладку на этом месте книги

Исследования, проведенные на рубеже 1940-1950-х годов, позволили разработать ряд аэродинамических и технологических решений, обеспечивающих безопасное преодоление звукового барьера даже серийными самолетами. Тогда казалось, что покорение звукового барьера создает неограниченные возможности дальнейшего увеличения скорости полета. Буквально за несколько лет было облетано около 30 типов сверхзвуковых самолетов, из которых значительное число было запущено в серийное производство.

Многообразие использованных решений привело к тому, что многие проблемы, связанные с полетами на больших сверхзвуковых скоростях, были всесторонне изучены и решены. Однако встретились новые проблемы, значительно более сложные, нежели звуковой барьер. Они вызваны нагревом конструкции летательного аппарата при полете с большой скоростью в плотных слоях атмосферы. Это новое препятствие в свое время назвали тепловым барьером. В отличие от звукового новый барьер нельзя охарактеризовать постоянной, подобной скорости звука, поскольку он зависит как от параметров полета (скорости и высоты) и конструкции планера (конструктивных решений и использованных материалов), так и от оборудования самолета (системы кондиционирования, охлаждения и т.п.). Таким образом, в понятие «тепловой барьер» входит не только проблема опасного нагрева конструкции, но также такие вопросы, как теплообмен, прочностные свойства материалов, принципы конструирования, кондиционирование воздуха и т.п.

Нагрев самолета в полете происходит главным образом по двум причинам: от аэродинамического торможения воздушного потока и от тепловыделения двигательной установки. Оба эти явления составляют процесс взаимодействия между средой (воздухом, выхлопными газами) и обтекаемым твердым телом (самолетом, двигателем). Второе явление типично для всех самолетов, и связано оно с повышением температуры элементов конструкции двигателя, воспринимающих тепло от воздуха, сжатого в компрессоре, а также от продуктов сгорания в камере и выхлопной трубе. При полете с большими скоростями внутренний нагрев самолета происходит также и от воздуха, тормозящегося в воздушном канале перед компрессором. При полете на малых скоростях воздух, проходящий через двигатель, имеет относительно низкую температуру, вследствие чего опасный нагрев элементов конструкции планера не происходит. При больших скоростях полета ограничение нагрева конструкции планера от горячих элементов двигателя обеспечивается посредством дополнительного охлаждения воздухом низкой температуры. Обычно используется воздух, отводимый от воздухозаборника с помощью направляющей, отделяющей пограничный слой, а также воздух, захватываемый из атмосферы с помощью дополнительных заборников, размещенных на поверхности гондолы двигателя. В двух- контурных двигателях для охлаждения используется также воздух внешнего (холодного) контура.

Таким образом, уровень теплового барьера для сверхзвуковых самолетов определяется внешним аэродинамическим нагревом. Интенсивность нагрева поверхности, обтекаемой потоком воздуха, зависит от скорости полета. При малых скоростях этот нагрев так незначителен, что повышение температуры может не приниматься во внимание. При большой скорости воздушный поток обладает высокой кинетической энергией, в связи с чем повышение температуры может быть значительным. Касается это равным образом и температуры внутри самолета, поскольку высокоскоростной поток, заторможенный в воздухозаборнике и сжатый в компрессоре двигателя, приобретает настолько высокую температуру, что оказывается не в состоянии отводить тепло от горячих частей двигателя.

Рост температуры обшивки самолета в результате аэродинамического нагрева вызывается вязкостью воздуха, обтекающего самолет, а также его сжатием на лобовых поверхностях. Вследствие потери скорости частицами воздуха в пограничном слое в результате вязкостного трения происходит повышение температуры всей обтекаемой поверхности самолета. В результате сжатия воздуха температура растет, правда, лишь локально (этому подвержены главным образом носовая часть фюзеляжа, лобовое стекло кабины экипажа, а особенно передние кромки крыла и оперения), но зато чаще достигает значений, небезопасных для конструкции. В этом случае в некоторых местах происходит почти прямое соударение потока воздуха с поверхностью и полное динамическое торможение. В соответствии с принципом сохранения энергии вся кинетическая энергия потока при этом преобразуется в тепловую и в энергию давления. Соответствующее повышение температуры прямо пропорционально квадрату скорости потока до торможения (или, без учета ветра – квадрату скорости самолета) и обратно пропорционально высоте полета.

Теоретически, если обтекание имеет установившийся характер, погода безветренна и безоблачна и не происходит переноса тепла посредством излучения, то тепло не проникает внутрь конструкции, а температура обшивки близка к так называемой температуре адиабатического торможения. Зависимость ее от числа Маха (скорости и высоты полета) приведена в табл. 4.

В действительных условиях повышение температуры обшивки самолета от аэродинамического нагрева, т. е. разница между температурой торможения и температурой окружения, получается несколько меньшей ввиду теплообмена со средой (посредством излучения), соседними элементами конструкции и т. п. Кроме того, полное торможение потока происходит лишь в так называемых критических точках, расположенных на выступающих частях самолета, а приток тепла к обшивке зависит также от характера пограничного слоя воздуха (он более интенсивен для турбулентного пограничного слоя). Значительное снижение температуры происходит также при полетах сквозь облака, особенно когда они содержат переохлажденные капли воды и кристаллики льда. Для таких условий полета принимается, что снижение температуры обшивки в критической точке по сравнению с теоретической температурой торможения может достичь даже 20-40%.



Таблица 4. Зависимость температуры обшивки от числа Маха




Тем не менее общий нагрев самолета в полете со сверхзвуковыми скоростями (особенно на малой высоте) иногда так высок, что повышение температуры отдельных элементов планера и оборудования приводит либо к их разрушению, либо, как минимум, к необходимости изменения режима полета. Например, при исследованиях самолета ХВ-70А в полетах на высотах более 21 ООО м со скоростью М = 3 температура входных кромок воздухозаборника и передних кромок крыла составляла 580-605 К, а остальной части обшивки 470-500 К.Последствия повышения температуры элементов конструкции самолета до таких больших значений можно оценить в полной мере, если учесть тот факт, что уже при температурах около 370 К размягчается органическое стекло, повсеместно употребляемое для остекления кабин, кипит топливо, а обычный клей теряет прочность. При 400 К значительно снижается прочность дюралюминия, при 500 К происходит химическое разложение рабочей жидкости в гидросистеме и разрушение уплотнений, при 800 К теряют необходимые механические свойства титановые сплавы, при температуре выше 900 К плавятся алюминий и магний, а сталь размягчается. Повышение температуры приводит также к разрушению покрытий, из которых анодирование и хромирование могут использоваться до 570 К, никелирование-до 650 К, а серебрение-до 720 К.

После появления этого нового препятствия в увеличении скорости полета начались исследования с целью исключить либо смягчить его последствия. Способы защиты самолета от эффектов аэродинамического нагрева определяются факторами, препятствующими росту температуры. Кроме высоты полета и атмосферных условий, существенное влияние на степень нагрева самолета оказывают:

– коэффициент теплопроводности материала обшивки;

– величина поверхности (особенно лобовой) самолета; -время полета.

Отсюда следует, что простейшими способами уменьшения нагрева конструкции являются увеличение высоты полета и ограничение до минимума его продолжительности. Эти способы использовались в первых сверхзвуковых самолетах (особенно в экспериментальных). Благодаря довольно высокой теплопроводности и теплоемкости материалов, употребляемых для изготовления теплонапряженных элементов конструкции самолета, от момента достижения самолетом высокой скорости до момента разогрева отдельных элементов конструкции до расчетной температуры критической точки проходит обычно достаточно большое время. В полетах, продолжающихся несколько минут (даже на небольших высотах), разрушающие температуры не достигаются. Полет на больших высотах происходит в условиях низкой температуры (около 250 К) и малой плотности воздуха. Вследствие этого количество тепла, отдаваемого потоком поверхностям самолета, невелико, а теплообмен протекает дольше, что значительно смягчает остроту проблемы. Аналогичный результат дает ограничение скорости самолета на малых высотах. Например, во время полета над землей со скоростью 1600 км/ч прочность дюралюминия снижается только на 2%, а увеличение скорости до 2400 км/ч приводит к снижению его прочности на величину до 75% в сравнении с первоначальным значением.




Рис. 1.14. Распределение температуры в воздушном канале и в двигателе самолета «Конкорд» при полете с М = 2,2 (а) и температуры обшивки самолета ХВ-70А при полете с постоянной скоростью 3200 км/ч (б). 


Однако необходимость обеспечения безопасных условий эксплуатации во всем диапазоне используемых скоростей и высот полета вынуждает конструкторов искать соответствующие технические средства. Поскольку нагрев элементов конструкции самолета вызывает снижение механических свойств материалов, возникновение термических напряжений конструкции, а также ухудшение условий работы экипажа и оборудования, такие технические средства, используемые в существующей практике, можно разделить на три группы. Они соответственно включают применение 1) теплостойких материалов, 2) конструктивных решений, обеспечивающих необходимую теплоизоляцию и допустимую деформацию деталей, а также 3) систем охлаждения кабины экипажа и отсеков оборудования.

В самолетах с максимальной скоростью М = 2,0-1-2,2 широко применяются сплавы алюминия (дюрали), которые характеризуются относительно высокой прочностью, малой плотностью и сохранением прочностных свойств при небольшом повышении температуры. Дюрали обычно дополняются стальными либо титановыми сплавами, из которых выполняются части планера, подвергающиеся наибольшим механическим или тепловым нагрузкам. Сплавы титана нашли применение уже в первой половине 50-х годов сначала в очень небольших масштабах (сейчас детали из них могут составлять до 30% массы планера). В экспериментальных самолетах с М ~ 3 становится необходимым применение жаропрочных стальных сплавов как основного конструкционного материала. Такие стали сохраняют хорошие механические свойства при высоких температурах, характерных для полетов с гиперзвуковыми скоростями, но их недостатками являются высокая стоимость и большая плотность. Эти недостатки в определенном смысле ограничивают развитие высокоскоростных самолетов, поэтому ведутся исследования и других материалов.

В 70-х годах осуществлены первые опыты применения в конструкции самолетов бериллия, а также композиционных материалов на базе волокон бора или углерода. Эти материалы пока имеют высокую стоимость, но вместе с тем для них характерны малая плотность, высокие прочность и жесткость, а также значительная термостойкость. Примеры конкретных применений этих материалов при постройке планера приведены в описаниях отдельных самолетов.

Другим фактором, существенно влияющим на работоспособность нагреваемой конструкции самолета, является эффект так называемых термических напряжений. Возникают они в результате температурных перепадов между внешними и внутренними поверхностями элементов, а особенно между обшивкой и внутренними элементами конструкции самолета. Поверхностный нагрев планера приводит к деформации его элементов. Например, может произойти такое коробление обшивки крыла, которое приведет к изменению аэродинамических характеристик. Поэтому во многих самолетах используется паяная (иногда клееная) многослойная обшивка, которая отличается высокой жесткостью и хорошими изоляционными свойствами, либо применяются элементы внутренней конструкции с соответствующими компенсаторами (например, в самолете F-105 стенки лонжерона изготовляются из гофрированного листа). Известны также опыты охлаждения крыла с помощью топлива (например, у самолета Х-15), протекающего под обшивкой на пути от бака до форсунок камеры сгорания. Однако при высоких температурах топливо обычно подвергается коксованию, поэтому такие опыты можно считать неудачными.

Сейчас исследуются различные методы, среди которых нанесение изоляционного слоя из тугоплавких материалов путем плазменного напыления. Другие считавшиеся перспективными методы не нашли применени


убрать рекламу







я. Среди прочего предлагалось использовать «защитный слой», создаваемый путем вдува газа на обшивку, охлаждение «выпотеванием» посредством подачи на поверхность сквозь пористую обшивку жидкости с высокой температурой испарения, а также охлаждение, создаваемое плавлением и уносом части обшивки (абляционные материалы).

Довольно специфичной и вместе с тем очень важной задачей является поддержание соответствующей температуры в кабине экипажа и в отсеках оборудования (особенно электронного), а также температуры топливных и гидравлических систем. В настоящее время эта проблема решается путем использования высокопроизводительных систем кондиционирования, охлаждения и рефрижерации 1* , эффективной теплоизоляции, применения рабочих жидкостей гидросистем с высокой температурой испарения и т.д.

Проблемы, связанные с тепловым барьером, должны решаться комплексно. Любой прогресс в этой области отодвигает барьер для данного типа самолетов в сторону большей скорости полета, не исключая его как такового. Однако стремление к еще большим скоростям приводит к созданию еще более сложных конструкций и оборудования, требующих применения более качественных материалов. Это заметным образом отражается на массе, закупочной стоимости и на затратах по эксплуатации и обслуживанию самолета.

Из приведенных в табл. 2 данных самолетов-истребителей видно, что в большинстве случаев рациональной считалась максимальная скорость 2200-2600 км/ч. Лишь в некоторых случаях считают, что скорость самолета должна превосходить М ~ 3. К самолетам, способным развивать такие скорости, относятся экспериментальные машины Х-2, ХВ-70А и Т. 188, разведывательный SR-71, а также самолет Е-266.

1*  Рефрижерацией называется принудительный перенос тепла от холодного источника к среде с высокой температурой при искусственном противодействии естественному направлению движения тепла (от теплого тела к холодному, когда имеет место процесс охлаждения). Простейшим рефрижератором является бытовой холодильник. 

Психологический барьер

 Сделать закладку на этом месте книги

В гл. 1 показано, что разработка систем обнаружения и обороны, обладающих все большей эффективностью, а также непрерывное совершенствование этих систем привели к тому, что шансы незаметного проникновения самолетов, летающих на больших либо средних высотах, весьма уменьшились уже под конец 50-х годов. Таким образом, для уменьшения вероятности дальнего обнаружения наземными (а также морскими и воздушными) радиолокационными станциями противника оказались необходимыми полеты с большой скоростью на малой высоте, что затрудняет обнаружение из-за естественных преград, а также из-за вторичного отражения сигналов от местности. «Малой» считалась высота около 300 м. Такая высота была признана безопасной с учетом достигнутой точности навигации самолета с помощью эксплуатируемого либо разработанного к тому времени бортового оборудования. Однако полет на такой малой высоте имеет ряд особенностей, которые влияют на работу двигательных установок, а также обусловливают появление знакопеременных нагрузок малой амплитуды и высокой частоты. Большое сопротивление воздуха и недопустимое возрастание температуры конструкции самолета в результате аэродинамического нагрева ограничивают максимальную скорость полета на высотах ниже 300 м (эта высота условно называется нулевой) величиной, составляющей лишь 55-70% скорости, развиваемой на оптимальной высоте. Из данных табл. 2 видно, что наибольшая скорость самолетов с М макс ›2 на Н = 0 составляет 1300-1490 км/ч. В таких условиях полет на заданный радиус действия требует не только в 3 раза больше топлива, чем полет в стратосфере, но и происходит в сложных пилотажных условиях при воздействии нагрузок, ведущих к снижению эксплуатационного ресурса самолета, а в некоторых случаях даже к разрушению планера.

При первых полетах на малых высотах самым опасным казался риск столкновения самолета с естественными либо искусственными преградами, поскольку этот риск возрастает пропорционально росту скорости и уменьшению высоты полета. Опыт, полученный в экспериментальных полетах, а позднее-при нормальной эксплуатации, существенно изменил эти взгляды. Оказалось, что более важным фактором является влияние турбулентности атмосферы на усталостную прочность планера, а также на физическую и психологическую усталость экипажа. Поскольку в начальный период полетов на малых высотах на первый план, кроме прочего, выдвинулась проблема психофизиологических последствий усталости человека, это новое препятствие по аналогии с предыдущими было названо психологическим барьером.

Сущность психологического барьера связана с атмосферными условиями вблизи поверхности Земли. В приземном слое в результате существования градиентов температур и давлений постоянно происходит интенсивное перемещение воздушных масс с разными скоростями и в разных направлениях. Эти порывы и флуктуации приводят к резким и непредвиденным колебаниям самолета относительно различных осей, а также к возникновению положительных или отрицательных перегрузок различной частоты. Кроме высоты полета, эти атмосферные возмущения зависят от скорости полета, прямо или косвенно влияя на самочувствие экипажа. Установлено, что на малой высоте перегрузка с амплитудой 0,5 изменяется с частотой 5 раз в минуту при скорости полета М = = 0,45, до 27 раз в минуту при М = 0,7 и вплоть примерно до 500 при М = 1,2.

Порывы ветра с частотой 5 раз в минуту не оказывают заметного влияния на психологическое состояние человека, в пределах 5-12 они неприятны, но легко переносятся при соответствующей тренировке, однако они трудно переносимы при частотах выше 12 раз в минуту. Во время полета на большой высоте экипаж может легко обнаружить и обойти область турбулентной атмосферы; зато на малой высоте это почти невозможно из практических и тактических соображений.

Ввиду недостаточного технического оснащения самолетов для первых полетов на малой высоте, а также отсутствия опыта и соответствующей тренировки экипажа первые полеты с большой скоростью на малой высоте были весьма опасны и выполнялись крайне неохотно. Условия такого полета приводили к увеличению вероятности ошибок, уменьшению до минимума времени реакции экипажа на события, а также к появлению чувства беспокойства и неуверенности из-за вибрации конструкции и внезапных ускорений, особенно во время выполнения маневров.

Все это отрицательно влияет на самочувствие членов экипажа и через определенное время может снизить их способность к восприятию, осмыслению и реакции, т.е. работоспособность. Эти неблагоприятные явления существенно усугублялись в зависимости от характера действий, выполняемых экипажем. Например, необходимость наблюдения за преградами перед самолетом затрудняет наблюдение по сторонам, и в то же время объекты, над которыми пролетает самолет, экипаж видит крайне неотчетливо, поскольку располагаемое время наблюдения слишком коротко для детального рассмотрения. Дело затрудняется также необходимостью частого контроля приборов, т.е. необходимостью частого переноса взгляда с лобового стекла на приборную доску, что требует определенного времени на аккомодацию и приводит к утомлению зрения. Проблема усугубляется также тем фактом, что часть времени пилот должен выделить на сравнение местности с картой. В этой ситуации объекты, особенно находящиеся в боковом поле зрения, весьма неотчетливы и идентифицируются с трудом, поскольку сливаются в сплошную колеблющуюся массу. Трудности наблюдения могут быть еще большими, поскольку они зависят также от метеорологических условий, рельефа местности и времени суток, в частности от специфического освещения во время захода солнца и при отражении лучей от воды, песка или снега, а также во время тумана. В ночных полетах встречные наземные огни также мешают адаптации глаз и затрудняют наблюдение местности.

Дополнительную помеху в полетах на малых высотах создает повышенная температура в кабине-пилот потеет, пот стекает у него со лба на глаза, запотевает также остекление кабины, что вместе с загрязнением ветрового стекла налипающими насекомыми существенно ухудшает видимость.

Сказанное приводит к выводу, что область работ, связанных с преодолением психологического барьера, должна охватывать множество явлений, сопутствующих полетам на малых высотах с большими скоростями. Благодаря работам, проведенным в 60-70-х годах, удалось ввести такие технические усовершенствования, которые, с точки зрения экипажа самолета, свели проблему психологического барьера к уровню обычных явлений любого полета.

Помимо усиления конструкции планера, разработан и используется (обычно с учетом требований преодоления и иных барьеров, а также требований, определяемых назначением самолета) ряд технических средств, среди которых:

– система автопилота, связанная с бортовой ЭВМ, а также с высотомером и радиолокатором для обнаружения преград по курсу; такая система, разработанная на основе последних достижений технологии микроволновых элементов, отличается высокой точностью и большой разрешающей способностью, что обеспечивает автоматическую прецизионную корректировку траектории полета. Бортовое оборудование, разработанное во второй половине 60-х годов, позволило уменьшить значение «малой высоты» до 150-100 м, а в 70-х годах-даже до ~ 30 м;

– модернизированное приборное оборудование кабины (особо следует отметить высвечивание показаний некоторых приборов на телевизионных дисплеях и индикаторе на лобовом стекле с помощью систем отображения информации, а также размещение важнейшей информации о состоянии самолета и условиях полета на линии зрения пилота, что значительно уменьшило время реакции на внешние возмущения и освободило от обременительного разделения времени на внешнее и внутреннее наблюдение; значительное сокращение с той же целью числа приборов в кабине, например с 48 в F-4 до 30 в F-15), а также введение экипажа из двух человек;

– встроенное адаптивное управление, немедленно и автоматически реагирующее на возникающие случайные изменения траектории полета самолета (в иных случаях применена система демпфирования вибраций носовой части фюзеляжа с помощью дополнительных управляющих поверхностей); применение такого рода систем существенно уменьшает знакопеременные нагрузки и, как следствие, повышает живучесть самолета и комфорт полета, избавляет пилота от необходимости беспрерывного реагирования на изменения характеристик полета и позволяет ему сконцентрировать внимание на выполняемом задании.

При анализе проблем, связанных с полетами на малых высотах, необходимо помнить, что чувствительность самолета к воздействию турбулентности атмосферы зависит от его динамических характеристик, поскольку частота флюктуаций перегрузок пропорциональна скорости полета, а амплитуда прямо пропорциональна коэффициенту подъемной силы крыла в функции угла атаки и обратно пропорциональна удельной нагрузке на крыло. Следовательно, каждому типу самолета свойствен особый, зависящий от его конструкции вид «восприимчивости» к атмосферным возмущениям.

3. Эволюция конструктивных форм самолета

 Сделать закладку на этом месте книги

Из истории развития авиации вообще и сверхзвукового самолета в частности следует, что самолет претерпевал и еще проходит конструктивную эволюцию. Это вполне понятно, так как пути совершенствования самолета всегда имели и имеют своей целью не только улучшение его летных качеств, таких, как скорость, потолок, радиус действия, устойчивость, управляемость и т.д., но также повышение безопасности и комфорта полета, простоты, экономичности и удобства производства, облегчения эксплуатации, обслуживания, ремонта и т.п.

Больше всего в этой эволюции обращает на себя внимание изменение форм и пропорций узлов планера и их взаимной компоновки, что является результатом улучшающегося понимания конструкторами проблемы полета. Это касается в равной степени как формы крыла, фюзеляжа, оперения и местоположения двигательных установок, так и общей конструктивной идеи нового самолета, который должен быть совершеннее уже существующих машин.

Безусловно, решающее влияние на форму самолета оказывают физические явления, сопровождающие полет на тех или иных высотах и скоростях, однако существенны также индивидуальность конструктора либо традиции конструкторского бюро. Из данных, приведенных в настоящей книге, следует, что в разные периоды развития сверхзвуковых самолетов проводились в жизнь различные подходы к их разработке. Каждый из них в свое время представлялся логичным и рациональным. Однако научно-технический прогресс непрерывно корректирует представление об оптимальных решениях, вследствие чего естественно предположить, что следующие поколения самолетов будут создаваться на основе иных предпосылок в сравнении с теми, которые определяли создание самолетов в прошлом.

Эволюция крыла

 Сделать закладку на этом месте книги

Крыло не только представляет собой основной узел планера самолета, создающий подъемную силу, но оно также решающим образом влияет на аэродинамическое сопротивление и определяет устойчивость и управляемость самолета. С этой точки зрения одной из самых важных проблем, которые нужно разрешить в процессе проектирования самолета, является проблема оптимального выбора формы крыла и его параметров – геометрических, аэродинамических, прочностных и т. п. Таким образом, только оптимальное согласование противоречивых требований (главным образом аэродинамики и прочности) может обеспечить успех, т. е. получение желаемых летных характеристик самолета.

В результате теоретических и экспериментальных исследований установлено, что самым эффективным средством снижения волнового сопротивления и смягчения кризисных явлений при околозвуковых скоростях является использование стреловидных крыла и оперения. Реализация в планере самолета идеи стреловидности позволила относительно просто превзойти скорость звука. Известно, что в самолетах с прямым крылом и достаточно большой толщиной профиля преодоление звукового барьера путем форсирования тяги создавало существенные трудности в управлении и приводило к аварийным ситуациям, тогда как в самолетах со стреловидным крылом при околозвуковых скоростях катастроф уже не отмечалось. Еще более эффективным (на определенном этапе развития самолетостроения) оказалось использование треугольного крыла, которое сочетает в себе черты большой стреловидности, малого удлинения и малой относительной толщины профиля при требуемой жесткости. Эта последняя особенность исключительно полезна, так как жесткость стреловидного крыла с возрастанием угла стреловидности быстро уменьшается, что приводит к новым затруднениям, в частности к увеличению массы конструкции ввиду необходимости сохранения требуемой жесткости.

Прямое крыло

 Сделать закладку на этом месте книги

Достоинством прямого крыла является его высокий коэффициент подъемной силы даже при малых углах атаки. Это позволяет существенно увеличивать удельную нагрузку на крыло, а значит, уменьшать габариты и массу, не опасаясь значительного увеличения скорости взлета и посадки. Приемлемые взлетно-посадочные характеристики самолета в этом случае обеспечиваются еще и тем, что на прямом крыле удается разместить эффективную механизацию, расширяющую диапазон эксплуатационных скоростей. Благодаря указанным достоинствам прямые крылья умеренного удлинения нашли широкое применение не только в дозвуковых, но и в околозвуковых самолетах с реактивным двигателем.

Недостатком, предопределяющим непригодность такого крыла при сверхзвуковых скоростях полета, является резкое увеличение коэффициента лобового сопротивления самолета при превышении критического значения числа Маха; вследствие этого преодоление звукового барьера самолетом с таким крылом возможно только при очень большом избытке тяги. Ситуацию ухудшает еще и тот факт, что при переходе через скорость звука у самолетов с прямым крылом происходит значительное изменение положения центра давления, а значит, и изменение балансировки, которое трудно скомпенсировать при помощи одного только руля высоты. Некоторое улучшение характеристик достигается при использовании крыла с небольшим удлинением и тонким сверхзвуковым профилем. Крыльями этого типа оснащены, например, такие самолеты, как F-104, F-5A, Т-38, «Тридан» II и Т. 188. Крыло последнего из названных самолетов по форме приближается к треугольному, поскольку в исследованиях установлено, что вредное влияние перемещения центра давления назад при превышении скорости звука может быть несколько уменьшено, если концевым частям крыла дать больший угол стреловидности. Так как удлинение таких крыльев обычно невелико (2-4), то упрощается задача обеспечения достаточной жесткости.




Рис. 1.15. Изменение коэффициента лобового сопротивления Сх и аэродинамического качества Кмакс в зависимости от числа Маха для самолетов с крыльями различной формы. 


Важнейшими достоинствами прямого крыла с малым удлинением в сравнении со стреловидным и треугольным являются (при таких же относительной толщине профиля и удлинении) лучшие аэродинамические характеристики при докритических скоростях, главным образом при приземлении. Зато их основной недостаток- большое сопротивление и невысокое аэродинамическое качество при околозвуковых скоростях. Эти отрицательные эффекты сжимаемости воздуха можно несколько смягчить, используя еще меньшее удлинение и более тонкий профиль крыла. Однако надлежащую прочность такого крыла можно получить лишь за счет увеличения массы конструкции. Поэтому прямое крыло хотя и легче стреловидного, но по массовым характеристикам уступает треугольному крылу с теми же параметрами. Считается, что применение тонких прямых крыльев малого удлинения целесообразно лишь в самолетах с М › 1,8. Волновой кризис преодолевается такими самолетами с помощью форсажа двигателя либо путем использования дополнительных ускорителей. Вследствие этих недостатков прямые крылья нашли лишь ограниченное применение в сверхзвуковой авиации (известно только 11 типов самолетов с прямыми крыльями среднего и малого удлинения).




Рис. 1.16. Английский экспериментальный самолет Т. 188. 

Стреловидное крыло

 Сделать закладку на этом месте книги

Большинство современных около- и сверхзвуковых самолетов гражданской и боевой авиации имеет стреловидные крылья постоянной геометрии (29 самолетов), что связано с их несомненными аэродинамическими достоинствами при таких скоростях полета.

Широкое распространение крыльев этого типа обусловило большое разнообразие применяемых конструктивных решений и их модификаций с целью наилучшего использования достоинств и устранения или смягчения недостатков, связанных со стреловидностью передней кромки крыла. Недостатки стреловидного крыла проявляются как при больших, так и при малых скоростях полета, причем они усиливаются с увеличением угла стреловидности. К важнейшим из них относятся:

– пониженная несущая способность крыла, а также меньшая эффективность действия механизации;

– увеличение поперечной статической устойчивости по мере возрастания угла стреловидности крыла и угла атаки, что затрудняет получение надлежащего соотношения между путевой и поперечной устойчивостями самолета и вынуждает применять вертикальное оперение с большой площадью поверхности, а также придавать крылу или горизонтальному оперению отрицательный угол поперечного V;

– отрыв потока воздуха в концевых частях крыла, что приводит к ухудшению продольной и поперечной устойчивости и управляемости самолета (снижает эффективность элеронов);

– увеличение скоса потока за крылом, приводящее к снижению эффективности горизонтального оперения;

– возрастание массы и уменьшение жесткости крыла (при прочих неизменных параметрах), что обусловлено большей действительной длиной такого крыла (при данном размахе) и, следовательно, большим плечом приложения результирующей подъемной силы.

Таким образом, стреловидность приводит к возрастанию изгибающего момента в корневом сечении крыла при данной массе самолета. Кроме того, несколько увеличивается масса крыла в связи с необходимостью введения дополнительных силовых элементов в корневых частях, а также из-за увеличения поверхности механизации. Дополнительный рост массы стреловидного крыла связан с менее благоприятным (по сравнению с прямым крылом) распределением давления пр его длине, что выражается в увеличении плеча приложения подъемной силы, требующем усиления конструкции, и т.д.

Широкое применение стреловидного крыла стало возможным благодаря проведению соответствующих аэродинамических и конструктивных мер, проявляющих его достоинства и смягчающих недостатки. С этой целью среди прочего применяются «крутка» крыла, аэродинамические направляющие и турбулизаторы, уступ передней кромки крыла, механизация, переменный угол стреловидности вдоль размаха, обратное сужение крыла либо отрицательная стреловидность.

Крыло с наплывом

 Сделать закладку на этом месте книги

Анализ недостатков и достоинств прямых и стреловидных крыльев показывает, что диапазоны благоприятных условий их применения в сверхзвуковых самолетах не совпадают, а дополняют друг друга. Ввиду этого около 20 лет тому назад начали разрабатываться крылья изменяемой геометрии (проблемы самолетов с изменяемой геометрией крыла рассмотрены отдельно), а несколько позднее-крылья, которые условно можно назвать стреловидно-прямыми. Оба эти новшества впервые внедрены в боевой авиации, поскольку боевые самолеты, помимо прочего, должны обладать высокой маневренностью, под которой понимается способность экономичного и быстрого выполнения маневров.




Рис. 1.17. Характерные формы прямого крыла сверхзвуковых самолетов (масштаб 1 :200). 


Маневренность ограничивается прежде всего статической и динамической прочностью конструкционных материалов планера самолета, а также аэродинамическими характеристиками самолета. Другую часть ограничений образует множество физических эффектов, таких, как максимальная величина коэффициента подъемной силы, возрастание полетного сопротивления, изменение эффективности управления, потеря устойчивости, вибрации крыла и оперения, крены, происходящие из-за срыва потока на крыльях при большой скорости полета, и т.п. Главный источник аэродинамических ограничений-отрыв потока, проявляющийся в различных формах и по разным причинам. Поэтому задача аэродинамического проектирования боевого самолета имеет первостепенную важность, так как качество решения этой задачи определяет достоинства нового летательного аппарата.

Одним из средств, позволяющих контролировать процесс отрыва, является крыло с переменной стреловидностью по передней кромке (наплывом), которое характеризуется образованием пелены вихрей большой энергии, определяющей его аэродинамические свойства.

Для выяснения характера работы крыла с наплывом (или другим устройством тур- булизации набегающего потока) необходимо напомнить, что вообще крылья по характеру обтекания можно разделить на два типа-линейно работающие и работающие нелинейно. Теоретически линейно работающее крыло отличает безотрывное обтекание, а нелинейно работающее-отрыв потока воздуха вблизи передней кромки и его присоединение ниже по потоку к остальной поверхности крыла. В практике самолетостроения нашли применение оба типа крыла, из которых первое вследствие его повсеместного использования было названо классическим.

Крылья, работающие линейно, обычно имеют умеренный угол стреловидности по передней кромке и удлинение, превышающее 2-3, а также соответствующие аэродинамические и конструктивные средства, обеспечивающие безотрывное обтекание. Характерной чертой нелинейно работающих крыльев является большой угол стреловидности по передней кромке и среднее либо малое удлинение. Примером применения нелинейного крыла может служить самолет «Дракен», у которого треугольное крыло с изломом передней кромки фактически представляют собой комбинацию двух крыльев с малым удлинением (однако же с закругленной передней кромкой). Их можно трактовать как две несущие поверхности, работающие нелинейно. Зато в прямом трапециевидном крыле с большим углом стреловидности наплыва, использованном, например, в самолете F-5, оба типа обтекания возникают последовательно друг за другом.

Достоинства и недостатки линейного и нелинейного крыльев известны давно, однако только в начале 70-х годов предприняты попытки совместить их преимущества. Так было создано трапециевидное крыло с наплывом, являющееся комбинацией линейно работающего трапециевидного основного крыла с закругленной передней кромкой и нелинейно работающего стреловидного (или треугольного) крыла с малым удлинением и острой криволинейной передней кромкой с большим углом стреловидности.

Таким образом, главной особенностью крыла с наплывом является одновременное наличие обоих типов обтекания, что позволяет увеличить коэффициент подъемной силы и критическое число Маха и уменьшить коэффициент индуктивного сопротивления при больших углах атаки в диапазоне дозвуковых и околозвуковых скоростей, а также волновое и балансировочное сопротивления в диапазоне сверхзвуковых скоростей. Такой эффект возникает в результате использования малого сопротивления линейно работающего основного крыла при малых углах атаки с сохранением большой подъемной силы и малого сопротивления нелинейно работающего вспомогательного крыла (наплыва) при больших углах атаки. На основании комплексных исследований в гидродинамических каналах и в аэродинамических трубах установлено, что наиболее благоприятные характеристики имеет крыло с наплывом, обладающим углом стреловидности 70°.

Действие крыла с наплывом можно описать следующим образом: спиральный поток вихрей, срывающихся с острой передней кромки большой стреловидности в околофюзеляжной части крыла, ограничивает расширяющуюся с увеличением угла атаки область отрыва, расположенную между передней кромкой крыла и линией присоединения воздушного течения. Вихревая пелена вызывает также образование обширных областей низкого давления (вдоль оси вихрей) и увеличивает энергию пограничного слоя воздуха. Благодаря этому крыло с наплывом при больших углах атаки отличается от обычного крыла большим коэффициентом подъемной силы и меньшим коэффициентом сопротивления, т.е. оно обеспечивает более высокое аэродинамическое качество при выполнении маневров. В сверхзвуковом же полете дополнительная плоскость, размещенная перед основным крылом, уменьшает интервал перемещения центра давления назад, что не только обеспечивает сохранение надлежащей устойчивости, но и одновременно уменьшает балансировочное сопротивление на 20%.

Эффективность крыла с наплывом значительно возрастает при оснащении его носовыми щитками по всему размаху, а также однощелевыми или двухщелевыми выдвижными закрылками. Крылья с наплывом применены в трех новейших самолетах американской истребительной авиа- Hhh-F-16, YF-17 и F-18.

Из опубликованных данных самолетов «Конкорд» и «Мираж» 2000 следует, что некоторые характеристики рассматриваемого крыла можно получить также путем использования небольших горизонтальных несущих плоскостей, размещенных в носовой части фюзеляжа. Ввиду отсутствия более полной информации можно лишь предположить, что эти плоскости выполняют также роль турбулизаторов в полете при больших углах атаки.

Сверхкритическое крыло

 Сделать закладку на этом месте книги

Интересный пример модификации стреловидного крыла представляет собой также так называемое сверхкритическое крыло. (Название происходит от большего критического числа Маха этого крыла в сравнении с классическим стреловидным.) Для этого крыла характерно использование уплощенных профилей с соответствующим образом изогнутой задней частью, что дает более равномерное распределение давления вдоль хорды профиля и тем самым приводит к смещению центра давления назад, а также увеличивает критическое число Маха на 10-15%. Это равносильно увеличению скорости околозвукового самолета (с максимальной скоростью ~ 1000 км/ч) почти на 100-150 км/ч без возникновения волнового кризиса. В других отношениях выгоды от использования сверхкритического крыла невелики, а технология из


убрать рекламу







готовления гораздо сложнее; тем не менее в околозвуковых пассажирских самолетах с реактивным двигателем оно может оказывать существенное влияние на экономичность эксплуатации. Для исследования свойств таких крыльев был использован сверхзвуковой самолет «Крусейдер», а также модернизирован опытный образец самолета F-111A TACT.




Рис. 1.18. Характерные формы стреловидного крыла самолетов (масштаб 1 :200). 







Рис. 1.19. Характер обтекания модели самолета с трапециевидным крылом с наплывом. 




Рис. 1.20. Общий вид американского самолета «Крусейдер» F-8 со сверхкритическим крылом. 

Треугольное крыло

 Сделать закладку на этом месте книги

Стремление к уменьшению массы и повышению жесткости крыла принуждает уменьшать его удлинение и увеличивать сужение. Такая тенденция одновременно с большим углом стреловидности приводит к треугольной форме крыла. Практическое применение получили треугольные крылья с углом стреловидности 55-70°. Наряду с «чисто треугольным» используются также крылья с усеченными концами, а также с небольшим отрицательным или положительным углом стреловидности задней кромки. В отношении аэродинамики эти крылья незначительно отличаются друг от друга, а разнятся лишь конструктивными особенностями. Треугольное крыло имеет практически такие же аэродинамические характеристики, как и стреловидное, но зато оно избавлено от некоторых недостатков последнего. Применение треугольного крыла определяется главным образом прочностными и конструктивными соображениями. Треугольное крыло жестче и легче как прямого, так и стреловидного (при тех же параметрах их масса составляет 8-11% по сравнению с 12-15% взлетной массы самолета). Благодаря большой хорде в корневом сечении в треугольном крыле возможно использование профилей меньшей относительной толщины. Кроме того, большая строительная высота в корневой части позволяет лучше использовать внутренний объем крыла и упрощает передачу нагрузок на фюзеляж.

Недостатками треугольного крыла являются возникновение и развитие волнового кризиса и примерно такая же, как у стреловидного, зависимость аэродинамических характеристик от скорости полета. Кроме того, для треугольного крыла характерны несколько большее сопротивление и более резкое падение максимального аэродинамического качества при изменении угла атаки, что затрудняет достижение большого потолка и радиуса действия. Кроме того, большие значения коэффициента подъемной силы треугольного крыла можно получить лишь на таких больших углах атаки, которые недостижимы при используемых в настоящее время высотах шасси (на обычных для приземления углах атаки коэффициент подъемной силы треугольного крыла на 30-40% меньше, чем у прямого, а возможность механизации такого крыла с целью увеличения коэффициента подъемной силы при посадке ограничена малым его размахом). Названные недостатки усугубляются по мере увеличения угла стреловидности передней кромки и острее всего проявляются во время приземления. Для получения приемлемых посадочных характеристик самолета с треугольным крылом удельная нагрузка на крыло не должна быть большой, а угол стреловидности передней кромки ограничивается значениями 60-65°. Из этого следует, что достоинства треугольного крыла лучше всего проявляются при больших (сверхзвуковых) скоростях полета, когда высокая жесткость конструкции и малая относительная толщина профиля оказывают определяющее влияние на летно-технические характеристики самолета. Диапазон скоростей, в котором треугольное крыло оптимально, распространяется от скорости звука до М ~ 2. Большие скорости требуют увеличения угла стреловидности передней кромки больше используемых в настоящее время углов 60-65° ценой отказа от хороших характеристик передней кромки с умеренным углом стреловидности и закругленным носком при дозвуковых скоростях.

Следовательно, достоинства треугольного крыла особенно привлекательны для сверхзвуковых самолетов, где оно нашло столь же широкое применение, что и стреловидное (создано 38 типов самолетов с треугольным крылом, в том числе четыре с оживальным – модификацией треугольного). Это стало возможным благодаря разработке множества эффективных способов смягчения недостатков треугольного крыла.




Рис. 1.21. Советский самолет с треугольным крылом и треугольным горизонтальным оперением, показанный в День авиации 1967 г. 


Помимо конструктивных мер, характерных для стреловидного крыла, в треугольных крыльях используется, например, передняя кромка с изломом или с плавно изменяющимся углом стреловидности вдоль размаха (так было создано оживальное крыло, описанное в главе, посвященной пассажирским самолетам). Применяется также отгиб носка профиля. Излом передней кромки треугольного крыла осуществлен, например, в самолете «Дракен», а отгиб носка профиля-в самолете F-102A (работы проводились в расчете на самолет В-58).

Разработка самолета «Дракен» была начата в 1949 г., т.е. в то время, когда в эксплуатации еще не было истребителей со стреловидным крылом. Первые из них (МиГ-15, F-86, J29) выпущены позднее, а из сверхзвуковых самолетов с ракетным двигателем к тому времени были облетаны только Х-1 и D-588-II. В этой ситуации конструкторский коллектив рассмотрел множество вариантов нового самолета, причем наименьшее внимание уделялось компоновке с треугольным крылом без горизонтального оперения-все находились еще под впечатлением катастроф первых самолетов с такой компоновкой (это были XF-92A и AYR0 707).

Обычно в процессе проектирования нового самолета прежде всего разрабатывается его аэродинамическая схема, а затем соответствующая ей компоновочная схема, обеспечивающая размещение экипажа, двигательной установки, топлива, оборудования и вооружения. Обычно это достигается путем последовательных приближений с использованием компромиссных решений. Шведские конструкторы, проектируя самолет «Дракен», поступили наоборот, исходя из того соображения, что в первую очередь нужно определить наилучшее относительное расположение тех частей самолета, которые ни в коем случае нельзя размещать одну за другой, а потом уже положение тех, которые можно поместить спереди, сзади либо внутри первых. К первым причислялись воздухозаборники, двигатель, крыло и оперение, а ко вторым-кабина пилота, топливные баки, шасси, вооружение, оборудование и т. п. Путем оптимизации компоновки можно получить наименьшее миделево сечение самолета. При этом поперечные сечения воздушных каналов и двигателя оказываются определяющими. Кресло пилота, электроника и другое оборудование были размещены перед двигателем, а топливные баки, главные стойки шасси и часть вооружения-в консолях крыла, за воздухозаборниками. Поскольку самолет с малым сопротивлением формы должен иметь и малое интерференционное сопротивление, была принята схема среднеплана и учтено правило площадей. В результате были определены диаметр и длина фюзеляжа, а также местоположение и минимальный размах крыла.

Следующим шагом был выбор профиля и формы крыла с минимальным сопротивлением при сверхзвуковой скорости полета. Величина полного аэродинамического сопротивления складывается из сопротивления трения (в принципе такого же, как и при дозвуковой скорости), волнового, индуктивного и интерференционного сопротивлений. Волновое сопротивление прямо пропорционально квадрату площади поперечного сечения и обратно пропорционально площади крыла, а сопротивление трения пропорционально площади крыла. Считается, что уменьшение волнового сопротивления должно происходить при уменьшении как площади крыла в плане, так и его поперечного сечения. Поскольку в крыле размещаются топливо, вооружение и шасси, то уменьшить сечение крыла можно было только в его концевых частях. Так получился излом передней кромки (с большим углом стреловидности в корневых частях крыла), который оказался подходящим как для сверхзвуковых скоростей полета, так и для скорости приземления. Дело в том, что треугольное крыло такого типа характеризуется меньшим поперечным сечением при оптимальной несущей поверхности, большим внутренним объемом и большим углом стреловидности прифюзеляжных частей, более близким положением центра тяжести крыла относительно центра давления, более благоприятным распределением площади поперечного сечения в продольном направлении и оптимальным выдвижением воздухозаборников к носу самолета.

Применение излома передней кромки крыла привело к тому, что при малой относительной толщине профиля получена большая строительная высота крыла, позволяющая разместить в нем воздушные каналы, а также топливные баки, шасси и часть оборудования.




Рис. 1.22. Характерные формы треугольного крыла сверхзвуковых самолетов (кроме ХВ-70А, масштаб 1 :200). 





Уменьшение же угла стреловидности концевых частей крыла благоприятствовало безотрывному обтеканию при малых скоростях (больших углах атаки). С этой точки зрения аэродинамическая схема самолета «Дракен» оригинальна; она оказала влияние на выбор схем таких самолетов, как YF-12 (SR-71), Ту-144, «Конкорд» и даже F-16, YF-17 и F-18. Большой угол стреловидности передней кромки крыла в прифюзеляжной части обеспечивает малое сопротивление самолета в полете со сверхзвуковыми скоростями, а также незначительное изменение положения центра давления самолета при переходе через скорость звука, а следовательно, и стабильность его балансировки на различных режимах полета.

Применение треугольного крыла с увеличенным углом стреловидности в корневых частях и малой удельной нагрузкой позволило самолету «Дракен» приземляться со скоростью 215 км/ч, несмотря на отсутствие механизации.

Совершенно иная концепция использована в процессе проектирования самолета В-58. Считалось, что при высоких скоростях наилучшие характеристики обеспечивает треугольное крыло с прямолинейной передней кромкой, которое имеет большое критическое число Маха, а также малое волновое сопротивление. Проблема же ухудшения несущих свойств такого крыла при малых скоростях, особенно ограничение используемых углов атаки явлением срыва потока, разрешена другим путем.



Таблица 5. Геометрические параметры сверхзвуковых самолетов






Рис. 1.23. Шведский истребитель «Дракен» J35 в полете. 


На основании проведенных исследований установлено, что хорошие результаты в этом отношении дает коническая крутка сечений крыла, т. е. постепенно увеличивающийся от корневого до концевого сечения отгиб передней кромки крыла книзу. Такая крутка затягивает срыв потока в концевых сечениях крыла до больших углов атаки и обеспечивает более благоприятное распределение подъемной силы вдоль размаха крыла, приближая его к идеальному (эллиптическому). Кроме того, направление вектора подъемной силы при этом приближается к вертикальному, благодаря чему уменьшается горизонтальная составляющая равнодействующей аэродинамической силы. Правда, при малых углах атаки сопротивление крыла с конической круткой несколько больше (вследствие локального отрыва потока на нижней поверхности). Прирост сопротивления оказывается незначительным, если крутка (как и закругление передней кромки) сочетается с большим углом стреловидности. Кроме того, благодаря увеличивающейся кривизне отогнутой передней части профиля концы крыла работают при меньших локальных углах атаки, чем корневые части. Вследствие этого отрыв потока на концах крыла возникает при большем угле атаки самолета, что существенно улучшает его летные качества (эффективность элеронов), а также распределение нагрузки на крыло вдоль размаха (аналогичный эффект получается при использовании аэродинамической или геометрической турбулизации).

Эволюция фюзеляжа

 Сделать закладку на этом месте книги

Непрерывный рост удельной нагрузки на крыло, а также уменьшение относительной толщины профиля (т.е. уменьшение габаритов и особенно внутренних объемов крыла) приводят к тому, что в современных боевых самолетах оборудование, вооружение, часть топливных емкостей (а часто и двигательная установка), боевая нагрузка и т.п., не говоря уже о кабине экипажа, размещаются в фюзеляже. Кроме того, фюзеляж объединяет в единое целое отдельные части планера самолета-крыло, оперение и шасси. Эти обстоятельства приводят к увеличению размеров фюзеляжа и, следовательно, к ухудшению аэродинамических характеристик всего самолета, главным образом в результате возрастания коэффициента сопротивления. Некоторые размеры фюзеляжа, особенно его длина, определяются не только необходимым полезным пространством, но также и минимально допустимым с точки зрения устойчивости и управляемости расстоянием от оперения (в первую очередь горизонтального) до центра тяжести самолета.

В первые 10-15 лет разработки и эксплуатации сверхзвуковых самолетов считалось, что аэродинамически наиболее совершенной формой фюзеляжа является форма тела вращения с удлинением, зависящим от скорости полета. Благодаря пространственному характеру обтекания фюзеляжа волновой кризис возникает на нем позже, чем на профиле крыла с такой же относительной толщиной. Ввиду этого первые сверхзвуковые самолеты со скоростью полета около 1400 км/ч имели веретенообразные фюзеляжи, т.е. с контуром обычного дозвукового симметричного профиля: носовая часть закруглена по небольшому радиусу, миделево сечение расположено на 40-50% длины от передней точки и удлинение фюзеляжа равно 6-8. При увеличении сверхзвуковой скорости полета волновое сопротивление такого фюзеляжа значительно возрастает, поэтому оказалось необходимым применение фюзеляжей с остроконечной носовой частью и малой относительной толщиной, т. е. с удлинением до 10 и даже до 15 (особенно в тяжелых самолетах). В случае однодвигатель- ного самолета с лобовым воздухозаборником и соплом в «усеченной» хвостовой части длина фюзеляжа (и соответственно поверхность, обтекаемая внешним потоком) существенно уменьшается, вследствие чего уменьшается и аэродинамическое сопротивление. Таким образом, в конкретных случаях отклонение от теоретических форм для удовлетворения требований, касающихся компоновки, технологии, массы, прочности конструкции и т.п., может практически не ухудшать летных качеств самолета.

Поскольку применяемые двигательные установки при заданных габаритах и массе имеют ограниченную тягу, особое внимание при проектировании обращается на профилирование больших выступающих элементов фюзеляжа (надстроек), таких, как кабина, воздухозаборники и радиолокационные устройства. Эти надстройки, если они не имеют аэродинамически правильных форм, не только увеличивают сопротивление (уменьшая М кр ), но также на некоторых режимах полета уменьшают устойчивость и могут быть причиной появления вибраций. Чтобы избежать этого, надстройки вписываются по мере возможности в общую форму фюзеляжа, а выступающим элементам придаются большие углы наклона лобовых поверхностей и плавные очертания, переходящие в очертания фюзеляжа. Много внимания уделяется также аэродинамическому проектированию элементов соединения фюзеляжа с другими частями планера, особенно с крылом. Аэродинамическая интерференция между крылом и фюзеляжем при нерациональном их сочленении вызывает дополнительный прирост сопротивления, уменьшает М кр , а в некоторых случаях ведет к потере устойчивости (особенно при больших углах атаки) либо к возникновению вибраций оперения (бафтингу). При небольших скоростях полета интерференция вызывает преждевременный отрыв воздушного потока вследствие появления диффузорного эффекта между стенкой фюзеляжа и верхней поверхностью крыла. С этой точки зрения хуже всего схема низ- коп лана (построен 21 самолет такой схемы), особенно с фюзеляжем круглого сечения и прямым крылом. Поэтому в области соединения крыла с фюзеляжем часто предусматривают специальные обтекатели (зализы), предназначенные для выравнивания потока. Среднеплан (42 самолета), а особенно высокоплан (25 самолетов) в этом отношении гораздо лучше, так как устойчивость у высокоплана выше, хотя он и уступает среднеплану по величине сопротивления. При больших дозвуковых скоростях полета явление интерференции зависит от взаимного наложения полей скоростей вокруг крыла и фюзеляжа. В неблагоприятном случае это может стать причиной преждевременного достижения потоком воздуха локальных скоростей звука со всеми вытекающими из этого аэродинамическими последствиями, вызываемыми сжимаемостью воздуха.

Соединение фюзеляжа со стреловидным или треугольным крылом также может создавать значительное волновое сопротивление. Для его уменьшения эти соединения выполняются так, чтобы не происходило наложения друг на друга локальных областей пониженного и повышенного давлений.

С этой точки зрения одним из важнейших достижений первого периода развития сверхзвуковых самолетов было установление так называемого правила площадей, состоящего в том, что комбинация крыла с фюзеляжем обладает наименьшим сопротивлением, когда распределение нормальных к потоку сечений по длине самолета имеет тот же характер, что и у тела вращения наименьшего сопротивления. Практически это означает уменьшение сечений фюзеляжа в области крыла на величину, равную площади соответствующего нормального к потоку сечения крыла. Эффективность правила площадей в отношении уменьшения волнового сопротивления зависит, конечно, помимо фюзеляжа, и от других частей самолета, тем не менее наилучшие результаты достигаются при вытянутых фюзеляжах и коротких тонких крыльях. Особенно это касается крыльев с малым удлинением, обтекание которых является пространственным и имеет тенденцию к осевой симметрии. В связи с этим в некоторых самолетах, как бы «от природы» соответствующих упомянутому правилу, можно почти полностью пренебречь характерным сужением фюзеляжа (как, например, у английского самолета «Лайтнинг»). Это происходит потому, что каждый из факторов, уменьшающих волновое сопротивление (малая относительная толщина профиля, большая стреловидность, малое удлинение крыла), является определенным шагом в направлении выполнения правила площадей, т.е. самолет, выполненный с соблюдением требований аэродинамики, приближается по форме к геометрическому телу с малым аэродинамическим сопротивлением.

Невысокая эффективность правила площадей в отношении самолетов с М =› 2 иногда служит поводом к отрицанию его, тем более что выполнение этого правила ведет к увеличению стоимости изготовления планера самолета, а также к уменьшению полезного объема фюзеляжа. Кроме того, многие современные самолеты располагают такой тяговооруженностью, что преодоление звукового барьера не представляет для них особой трудности. Однако, с другой стороны, необходимость приспосабливания самолетов, особенно многоцелевых, к долговременным полетам с околозвуковыми скоростями на малой высоте привела к тому, что большинство из них строится в соответствии с правилом площадей, хотя внешне это и не всегда заметно.

За последние 10-20 лет появились сверхзвуковые самолеты, фюзеляж которых используется для создания подъемной силы. Такой фюзеляж имеет форму не тела вращения (конус-цилиндр-конус), а параллелепипеда. Это означает замену круглого или овального поперечного сечения фюзеляжа сечением, близким к прямоугольному, причем одна из больших сторон прямоугольника образует нижнюю часть фюзеляжа, которая и играет роль дополнительной несущей поверхности. Изменению подвергся также и профиль самолета. Использовавшаяся ранее форма днища фюзеляжа с кривизной, очерченной практически дугой одного радиуса, была заменена формой с кривизной, описываемой тремя дугами, создающими выпуклость носовой и хвостовой частей и вогнутость средней части. Фюзеляж, обладающий такой формой, получил название несущего. Характерной чертой фюзеляжей этого типа является еще и то, что фюзеляжная часть планера у таких самолетов значительно больше. Несущие фюзеляжи имеют самолеты F-4, F-5, SR-71A, F-111A, Е-266, «Ягуар» и др.

Другой, не менее характерной чертой сверхзвуковых самолетов является применение фюзеляжей с носовой частью, значительно выдвинутой вперед. Конечно, такое размещение больших масс вдоль оси самолета повлекло за собой существенное уменьшение отношения момента инерции относительно продольной оси к моментам инерции относительно других осей. Заметное удлинение самолета в сравнении с его размахом (длина фюзеляжа, отнесенная к размаху крыла, находится в пределах от 1,6 для самолета F-102A до 2,6 для самолета Х-3) не только ухудшило маневренность в вертикальной плоскости, но также затруднило поперечную управляемость ввиду слишком быстрого прироста угловой скорости при отклонении элеронов и управляемость по курсу вследствие возникновения эффектов обратного действия руля направления.

Общая схема самолета

 Сделать закладку на этом месте книги

Эволюция как крыла, так и фюзеляжа сверхзвукового самолета еще не завершена. Разнообразие возможных путей поиска и найденных конструктивных решений привело к большому разнообразию схем и конструкций сверхзвуковых самолетов.

Взаимное положение частей планера и их назначение определяют аэродинамическую схему самолета. Выбор соответствующей схемы и форм частей планера обеспечивает определенные аэродинамические, прочностные, массовые, тактико-технические и прочие характеристики, т. е. определенные функциональные свойства самолета в процессе его эксплуатации. В большинстве построенных до настоящего времени самолетов (62) принята классическая (нормальная) схема как наиболее всесторонне исследованная и оправдавшая себя на практике и лишь в двух случаях принята схема «утка» (XFV-12A и «Мираж» 4000). В остальных 24 случаях использована схема без горизонтального оперения («бесхвостка»), но в модификациях, сохраняющих достоинства классической схемы с одновременным исключением ее недостатков. Таким путем были разработаны аэродинамические схемы самолетов со свойствами, промежуточными между схемами «утка» и «бесхвостка». Это самолеты «Гриффон», ХВ-70А, F-4CCV, YF-16CCV и «Кфир» С2 со стационарными либо подвижными дополнительными поверхностями, «Мираж-Милан», Ту-144 и F-14 с убираемыми дестабилизаторами, а также «Вигген», выполненный по схеме биплан-тандем.




Рис. 1.24. Характерные формы фюзеляжа сверхзвуковых самолетов (масштаб 1 :200, для ХВ- 70А-масштаб 1 :400). 










Рис. 1.25. Американские самолеты с несущим фюзеляжем. 

Вверху F-5A, внизу SR-71A. 







Рис. 1.26. Американский самолет «Валькирия» ХВ-70А с опущенными (вверху) и поднятыми (внизу) концевыми частями крыла. 


Принятая аэродинамическая схема самолета обычно свидетельствует об индивидуальности конструктора, но тем не менее она всегда опирается на глубокий теоретический анализ и экспериментальные исследования, и ее принятие обусловлено рациональными предпосылками. Например, в самолете ХВ-70А с проектной крейсерской скоростью М = 3 использовано треугольное в плане крыло с отклоняемыми концевыми частями. При малых скоростях они образуют единую плоскость с основными частями крыла, благодаря чему при взлете и посадке удельная нагрузка на крыло меньше, а подъемная сила больше. При полете с большей скоростью концы крыла отклоняются вниз, что обеспечивает необходимую продольную устойчивость самолета (центр давления крыла оказывается ближе к центру тяжести самолета), а также позволяет обойтись горизонтальным оперением с поверхностью, почти вдвое меньшей, чем требуется обычно для условий сверхзвукового полета. Использование крыла такой конструкции приводит к уменьшению сопротивления самолета ввиду меньшего балансировочного сопротивления и сопротивления трения. Дестабилизирующая же плоскость (переднее крыло) во время взлета и посадки самолета ХВ-70А выполняет роль дополнительной несущей поверхности, размещенной перед центром тяжести самолета, что позволяет выполнять эти этапы полета на больших углах атаки без необходимости отклонения элевонов кверху (и уменьшения в связи с этим подъемной силы крыла).

Переднее крыло самолета ХВ-70А отличается высокой эффективностью, поскольку оно оснащено закрылками и расположено в носовой части самолета на значительном расстоянии от его центра тяжести. Взлет и посадка происходят при нулевом угле установки (относительно оси самолета) дополнительного крыла и отклонении закрылков на 20° (вместе с отклонением закрылков автоматически отклоняются книзу элевоны, что дополнительно увеличивает подъемную силу всей системы). На остальных режимах полета закрылки заблокированы в нейтральном положении и вся дополнительная плоскость выполняет роль балансировочных рулей, что особенно полезно для уравновешивания продольного момента, возникающего в результате изменения положения центра давления при переходе через скорость звука.

Другой особенностью самолета ХВ-70А (наряду с отклоняемыми концами крыла и дополнительной несущей поверхностью) является такой выбор его аэродинамической схемы, при котором скачок уплотнения используется для создания дополнительной подъемной силы. Этот эффект был обнаружен NACA в первой половине 50-х годов при определении количеств движения потоков, обтекающих различные тела. Например, при симметричном обтекании конического тела с горизонтальной плоскостью посередине количество движения потока разделяется поровну вверх и вниз. Поскольку для самолета выгодно, чтобы вектор количества движения обтекающего потока был направлен книзу, то вначале исследовалось тело в форме полуконуса, обращенного плоской поверхностью кверху, с несущей поверхностью, совмещенной с этой плоскостью. Затем этой поверхности были приданы отогнутые книзу концы; такая аэродинамическая схема оказалась оптимальной.

Помимо надлежащей формы крыла, необходимым условием создания дополнительной подъемной силы является соответствующее аэродинамическое проектирование части фюзеляжа, находящейся под крылом. В самолете ХВ-70А это средняя часть фюзеляжа, в которой располагаются воздушный канал и отсек двигательной установки, состоящей из шести двигателей. Под передней центральной частью крыла расположен воздухозаборник, центральный клин которого с углом при вершине ~ 48° создает косой скачок с углом, зависящим от скорости потока (числа Маха). Поскольку самолет проектировался на крейсерскую скорость, соответствующую М = 3,0, то в этих условиях угол наклона косого скачка составляет ~ 65°. Именно поэтому в самолете ХВ-70А треугольное крыло расположено так, что его передняя кромка оказывается непосредственно над первичным скачком. За этим скачком число Маха снижается на 0,3, а давление возрастает в среднем почти на 1,90 кПа. Расположенные ниже по потоку части фюзеляжа генерируют дальнейшие скачки уплотнения с тем же углом наклона, так что вся нижняя поверхность крыла оказывается над системой скачков, создающих область повышенного давления.

Прирост подъемной силы в результате использования благоприятных эффектов скачков уплотнения позволяет выполнять полеты при меньших углах атаки. Например, если самолет нормальной аэродинамической схемы летит с крейсерской скоростью при угле атаки 4°, то для самолета ХВ-70А этот угол составляет только 2°. Такое уменьшение угла атаки приводит к существенному уменьшению сопротивления самолета и снижению расхода топлива. Поскольку использование скачков уплотнения для создания дополнительной подъемной силы оказывается наиболее эффективным лишь при постоянной высокой сверхзвуковой скорости полета, т.е. когда угол наклона скачка уплотнения соответствует положению передней кромки крыла, то оно особенно целесообразно в пассажирских самолетах. Поэтому в самолетах Ту-144 и «Конкорд» с целью использования скачков обеспечено надлежащее взаимное положение гондол двигателей и передней кромки крыла.

Самолет «Гриффон» имеет менее сложную аэродинамическую схему, так как ег


убрать рекламу







о дополнительная поверхность является простой стационарной дестабилизирующей плоскостью. Зато в самолетах «Мираж- Милан» и Ту-144, как и у ХВ-70, дополнительные несущие поверхности выполняют более сложные функции, но их новизна заключается в том, что дополнительные несущие плоскости («усы») выдвигаются лишь при малых скоростях полета (т. е. используются исключительно при определенных условиях обтекания), что обеспечивает максимальную эффективность при взлете и посадке и исключает влияние этих плоскостей на летные качества самолета при сверхзвуковых скоростях.




Рис. 1.27. Расположение и принцип действия управляющих поверхностей в самолетах, выполненных по схемам «бесхвостка» (а), «бесхвостка» со вспомогательным передним крылом или «утка» (б) и нормальной схеме (в). 




Рис. 1.28. Французский истребитель «Мираж- Милан». 


Применение дополнительных несущих поверхностей на самолете без горизонтального оперения объяснялось стремлением увеличить коэффициент подъемной силы треугольного крыла при малых скоростях полета. Как известно, увеличение угла атаки (для увеличения подъемной силы при одновременном сохранении продольной устойчивости) в таком самолете может быть достигнуто только посредством отклонения элевонов кверху. Однако такое отклонение элевонов ведет к опасному изменению характера обтекания крыла и уменьшению коэффициента подъемной силы на величину до 25%. Поскольку в рассматриваемом случае нужно применять мощные элевоны, механизация треугольного крыла в самолетах без горизонтального оперения почти невозможна. Поэтому такие самолеты отличаются, при малой удельной нагрузке на крыло, большими скоростями взлета и посадки. Оснащение самолета небольшими несущими плоскостями, располагаемыми перед крылом, позволяет создавать при взлете и посадке кабрирующий момент, поднимающий нос самолета кверху, что полезно с различных точек зрения, в особенности тем, что позволяет отклонять элевоны книзу.

Эффективность «усов» зависит от их положения относительно центра тяжести самолета; она возрастает при вынесении «усов» вперед. Однако применение таких дополнительных плоскостей имеет и ряд недостатков, к которым относятся:

– увеличение сопротивления всего самолета, что резко ухудшает характеристики треугольного крыла при сверхзвуковых скоростях;

– появление новых источников завихрений, нарушающих нормальную работу воздухозаборников и двигателей;

– отклонение потока воздуха за «усами» и уменьшение вследствие этого подъемной силы крыла;

– ухудшение условий обзора из кабины экипажа вперед при больших углах атаки;

– возникновение зависящего от угла атаки момента на кабрирование (тогда как в диапазоне используемых углов атаки целесообразно, чтобы этот момент был всегда постоянным).

Единственным способом, позволяющим исключить указанные недостатки, является применение убирающихся «усов». Для получения кабрирующего момента, не зависящего от угла атаки, необходимо использовать «усы» малой поверхности с большим коэффициентом подъемной силы, слабо изменяющимся в области критических углов атаки. При выдвижении таких «усов» положение центра давления самолета почти не меняется, что весьма важно, так как при изменении положения центра давления изменяется запас статической устойчивости самолета.

Специальные исследования убираемых «усов» позволили определить их оптимальную аэродинамическую конфигурацию следующими признаками: «ус» должен иметь форму, близкую к прямоугольной, и большое удлинение, должен изготовляться из толстых профилей значительной кривизны и иметь две стационарные щели-за передней и перед задней кромками. «Усы», удовлетворяющие этим требованиям, характеризуются большим коэффициентом подъемной силы, сохраняющим почти постоянное значение во всем диапазоне используемых околокритических углов атаки при небольших скоростях полета. Кроме того, «усы», оптимизированные для условий малых скоростей обтекания, хорошо работают и при околозвуковых скоростях.




Рис. 1.29. Кинематика системы управления «усами» самолета «Мираж-Милан». 1 -стационарный предкрылок; 2-основная часть крыла; 3-стационарный однощелевой закрылок; 4-щели; 5-люк ниш убирания «усов»; 6-лонжерон; 7-тяга системы управления положением; 8 -ходовой винт; 9-кронштейны крепления двигателя; 10-электропривод. 


Плавное изменение кабрирующего момента обеспечивает соответствующая кинематическая система, увеличивающая угол атаки по мере выпускания «усов». Результаты исследований показали, что возрастание подъемной силы при выпускании «усов» вполне компенсирует уменьшение этой силы на основном крыле вследствие отклонения потока воздуха. Зато возможность отклонения элевонов книзу, а не кверху позволяет увеличить подъемную силу почти на 25% при неизменном аэродинамическом качестве самолета с выпущенными «усами». Кроме вышеназванных достоинств, система «усов» обеспечивает простое управление и повышенную устойчивость самолета во время снижения и уменьшения скорости перед посадкой, возможность захода на посадку с большим углом атаки, а также улучшение реакции самолета на режиме выравнивания, что позволяет более точно намечать точку приземления и дополнительно уменьшает посадочную дистанцию.

В самолете «Мираж-Милан» применены «усы» с площадью, составляющей 1,7% площади всей несущей поверхности самолета. Они изготовлены с применением усовершенствованного профиля St-Cyr-156. Усовершенствование заключалось в двукратном увеличении кривизны средней линии, а также во введении двух постоянных щелей, обеспечивающих механизацию крыла в виде неподвижных предкрылков и однощелевых закрылков. Такое изменение профиля обеспечивает контроль за отрывом потока, а значит, и возможность создания подъемной силы, не зависящей (в определенных пределах) от изменения угла атаки. В выпущенном состоянии «усы» устанавливаются под углом 19° и имеют положительный угол поперечного V 15°. Каждый «ус» может поворачиваться относительно собственной вертикальной оси, наклоненной под небольшим углом, посредством общего привода, состоящего из электромотора, ходового винта, траверсы, рычага и поворотной цапфы. Боковые ниши в передней части фюзеляжа позволяют выпускать и втягивать «усы»; ниши закрываются подвижными щитками, плотное прилегание которых обеспечивают пружины. Масса всей системы составляет 50 кг. Выпускание «усов» длится 6-7 с. Они используются при скоростях полета до 600 км/ч.







Рис. 1.30. Иллюстрация принципов создания подъемной силы в самолетах «Дракен» и «Вигген» (а) и зависимости коэффициента подъемной силы Cz от угла атаки а для самолета схемы биплан-тандем при различных расположениях переднего крыла (б). 


Проблема улучшения взлетно-поса- дочных характеристик заметно повлияла также на концепцию самолета «Вигген», который был спроектирован по схеме би- план-тандем без горизонтального оперения, т.е. с определенными аэродинамическими признаками схемы «утка». Система двух несущих плоскостей различной площади дает комбинацию, которая наиболее рациональна с точки зрения сочетания хороших взлетно-посадочных характеристик и крейсерских летных данных при сверхзвуковых скоростях. Кроме того, самолет, выполненный по схеме биплан-тандем, не очень чувствителен к воздействию турбулентности атмосферы, что особенно важно во время полетов на малых высотах с большими скоростями.

Перед началом проектирования самолета «Дракен» военные потребовали, чтобы этот самолет имел скорость, вдвое большую, чем его предшественник, но чтобы он в то же время мог эксплуатироваться с существующих аэродромов. Тогда было применено треугольное крыло с изломом передней кромки (с увеличенным углом стреловидности в корневых частях крыла). В случае самолета «Вигген» была поставлена задача лишь незначительно увеличить максимальную скорость и одновременно введено условие эксплуатации с аэродромов, имеющих взлетно-посадочные полосы длиной до 500 м. Конфигурация «двойной треугольник» была подвергнута разносторонним исследованиям, целью которых являлось улучшение летных качеств крыльев при малых скоростях и сохранение хороших характеристик при сверхзвуковых скоростях полета.

Так возникла аэродинамическая схема биплан-тандем, в которой большая общая подъемная сила во время взлета и посадки достигается благодаря созданию дополнительной подъемной силы на переднем крыле, оснащенном закрылками. Для увеличения этой силы закрылки имеют систему управления пограничным слоем (путем сдува его воздухом, отбираемым от компрессора двигателя), а само вспомогательное крыло расположено значительно выше главного и имеет больший угол установки. Благодаря этому угол атаки при посадке может быть больше, чем для самолета «Дракен» (у которого он равен 12-14°). Испытания показали, что даже при углах атаки ~ 30° нет опасности срыва потока и сохраняется достаточная продольная и поперечная устойчивость. В результате «Вигген», будучи сверхзвуковым самолетом, имеет посадочные характеристики хорошего дозвукового самолета.

Использование устройства реверса тяги и форсажной камеры даже обеспечивает «Виггену» свойства самолета короткого взлета и посадки. Использованный в конструкции этого самолета принцип создания дополнительной подъемной силы за счет использования дополнительной несущей поверхности перед основным крылом не нов, но ввиду тенденции быстрого отрыва потока на передней плоскости он не нашел широкого применения, поскольку это явление вызывает ухудшение летных качеств самолета при малых скоростях (больших углах атаки). Однако эксперименты в аэродинамической трубе, проведенные SAAB, показали, что если обе несущие плоскости имеют треугольную форму с надлежащими характеристиками и оптимально взаимораспо- ложены, то отрыв потока на передней плоскости не возникает даже при углах атаки, превышающих эксплуатационные. Кроме того, как это видно на схемах рис. 1.30, размещение переднего крыла выше плоскости главного обеспечивает не только высокую эффективность переднего, но также и полезное взаимодействие обоих крыльев при возникновении вихрей на больших углах атаки.

Очень хорошие летные характеристики самолета достигнуты также благодаря применению треугольного крыла с профилями малой относительной толщины и с большим углом стреловидности по передней кромке. Переднее крыло имеет постоянную стреловидность по передней кромке (60°), а основное-переменный угол стреловидности: меньший в корневых частях (45°) и больший в концевых (57°), т.е. наоборот по сравнению с самолетом «Дракен».

Благодаря достоинствам схемы биплантандем самолет «Вигген» оказалось возможным оснастить крыльями с площадью и размахом, значительно меньшими, чем у треугольных крыльев обычных самолетов. Это позволило существенно уменьшить аэродинамическое сопротивление, особенно при высоких скоростях.

Резюмируя изложенное выше о самолете «Вигген», можно констатировать, что с точки зрения аэродинамики схема биплан-тандем периодически привлекала внимание конструкторов на протяжении всего развития авиации. Но поскольку выбор такой схемы содержит в себе определенный риск (возможный отрыв потока на передней плоскости при больших углах атаки и связанные с этим неблагоприятные последствия), то она оказалась реализованной и нашла путь к серийному производству только после введения сдува пограничного слоя с закрылков переднего крыла.

Такая схема при ее оптимальной реализации обеспечивает короткий взлет и посадку без конструктивных дополнений, какие имеют самолеты ВВП или самолеты с изменяемой геометрией крыла, т.е. самолеты сложной конструкции. Это позволило не только значительно снизить единичную стоимость самолетов этого типа, но также упростить обслуживание и эксплуатацию и повысить надежность. Однако поскольку любая схема не лишена и определенных недостатков, а технический прогресс непрерывно открывает новые возможности, то при разработке самолетов следующего поколения могут оказаться полезными даже те конструктивные идеи, которые сегодня считаются нерациональными. Таким образом, разнообразие путей поиска решений можно расценивать как фактор, обеспечивающий дальнейший прогресс.

4. Управление сверхзвуковым самолетом

 Сделать закладку на этом месте книги

Во время второй мировой войны и в первые годы после ее окончания пилоты и конструкторы столкнулись с рядом аномалий в устойчивости и управляемости самых быстрых самолетов-истребителей с поршневыми двигателями и первых реактивных самолетов. Позднее, после проведения обширных исследований, удалось так усовершенствовать форму околозвукового, а затем и сверхзвукового самолета, что изменения устойчивости и управляемости при волновом кризисе стали проявляться менее резко, а потом и вовсе едва заметно.

Эти аномалии связаны главным образом с характером обтекания при околозвуковых скоростях. Такому обтеканию сопутствовали среди прочих следующие характерные явления:

1. Наиболее часто происходило затягивание в пикирование. В таких случаях после достижения определенной скорости полета при неподвижной ручке управления самолет начинал самопроизвольно наклоняться носом вниз, а скорость и угол пикирования быстро увеличивались. Пытаясь противодействовать этому, пилот прикладывал к ручке исключительно большое усилие, наклоняя ее на себя. Однако иногда самолет не реагировал на действия пилота и выходил из пикирования самопроизвольно на малой высоте либо разбивался.

Причины, вызывающие это явление, были выяснены только в последующие годы. Исследования показали, что при достижении околозвуковых скоростей в областях наибольшего разрежения на поверхностях крыла и оперения возникает сверхзвуковое обтекание, изменяющее характер распределения давления вдоль хорды профиля. При этом центр давления (ц.д.) профиля смещается назад, что приводит к соответствующему сдвигу назад ц. д. всего самолета; это в свою очередь (при постоянном положении центра тяжести самолета ц. т.) вызывает увеличение момента на пикирование. В самолетах дозвуковых аэродинамических форм, в которых планер винтомоторного самолета был приспособлен для установки реактивного двигателя, явление затягивания в пикирование было реальной опасностью, поскольку у прямого крыла с довольно большой относительной толщиной профиля ц.д. сильнее смещается назад при переходе от дозвуковых скоростей полета к сверхзвуковым. Ввиду этого для первых реактивных самолетов устанавливалось ограничение на максимально допустимое полетное число Маха, всегда меньшее критического значения Мкр .

Изменение продольного момента при переходе самолета через звуковой барьер всегда значительно; только в результате смещения назад ц.д. происходит 3-кратное увеличение момента на пикирование. В самолетах дозвуковых аэродинамических форм с горизонтальным оперением, состоящим из стабилизатора и руля высоты, необходимый для балансировки самолета момент можно было создать лишь с помощью руля. В то же время явление затягивания в пикирование сопровождалось значительным снижением эффективности управления при околозвуковых скоростях полета. Это не позволяло компенсировать резко возрастающий продольный момент, особенно в диапазоне чисел Маха 0,8-1,0.

2. Снижение эффективности при М › › Мкр характерно не только для руля высоты, но и для всех других управляющих поверхностей и связано с особенностями сверхзвуковых течений, в которых возмущения не распространяются вверх по потоку (поток имеет сверхзвуковую скорость, а возмущения распространяются со скоростью звука). Ввиду этого при полетах с дозвуковыми скоростями отклонение руля, расположенного в задней части профиля, приводит к изменению распределения давления по всему профилю (т.е. на всей поверхности, например, оперения), тогда как при возрастании М выше Мкр это изменение охватывает все меньшую область ввиду перемещения сверхзвукового скачка уплотнения в направлении задней кромки. При М › 1 отклонение руля вызывает изменение распределения давления уже только на нем самом, из-за чего эффективность руля в сверхзвуковом полете всегда ниже, чем в полете с дозвуковой скоростью.

3. При околозвуковых скоростях полета руль настолько охвачен областью возмущений, вызванных отрывом, что его отклонения (в большом диапазоне углов) не в состоянии изменить направления потока. Это означает, что эффективность, например, руля высоты дополнительно снижается, а в некотором диапазоне углов отклонения утрачивается полностью. Это явление названо аэродинамической блокировкой рулей. Руль вновь приобретает нормальную действенность только тогда, когда все обтекание становится сверхзвуковым.

4. Большое значение для устойчивости самолета и характера переходных процессов имеют демпфирующие моменты, которые появляются во время поворота самолета относительно соответствующих осей. Эти моменты возникают вследствие существования относительной скорости потока, противоположной направлению поворота. Относительная скорость потока вызывает изменение углов атаки профилей и приводит к возникновению дополнительных аэродинамических сил, моменты которых относительно центра тяжести самолета противодействуют повороту. Результирующий демпфирующий момент представляет собой сумму моментов от оперения, фюзеляжа и крыла. С учетом несущих поверхностей наибольший момент возникает, очевидно, относительно поперечной оси, а его значение зависит от формы и величины крыла, фюзеляжа и горизонтального оперения, т.е. от принятой аэродинамической схемы и компоновки самолета, особенно от формы крыла и наличия горизонтального оперения.

5. На продольное демпфирование значительное влияние оказывает скос потока в области горизонтального оперения. Возникновение скоса потока объясняется тем, что вихревое течение, индуцируемое концами крыла, имеет составляющую скорости, направленную вниз, которая, суммируясь со скоростью невозмущенного потока, изменяет угол атаки горизонтального оперения. Величина этого изменения зависит от угла атаки крыла (или коэффициента подъемной силы), числа Маха, а также от формы крыла. Скос потока вблизи горизонтального оперения, расположенного за крылом, может оказывать существенное влияние на продольную устойчивость самолета, поскольку сильнее всего он проявляется при околозвуковых скоростях, когда центр давления перемещается назад.

Особенно неблагоприятен скос потока для самолетов с прямым крылом, у которых в результате интерференции крыла и фюзеляжа кризисные явления возникают главным образом в корневой части крыла. Они приводят к уменьшению скоса потока, а тем самым к уменьшению направленной вниз уравновешивающей силы оперения и появлению дополнительного момента на пикирование, который возникает одновременно с другим дополнительным моментом-от перемещения ц.д. самолета.

В отличие от прямого крыла у стреловидного кризисные явления возникают прежде всего на концах. Это вызывает такое изменение распределения давления вдоль размаха, что скос потока вблизи горизонтального оперения возрастает, а устойчивость самолета уменьшается. В самолетах со стреловидным либо треугольным крылом при околозвуковых скоростях это совпадает с уменьшением подъемной силы на концах крыла. Поскольку концы таких крыльев находятся за центром тяжести самолета, уменьшение на них подъемной силы приводит к возрастанию момента на кабрирование, что в совокупности с увеличением этого же момента вследствие скоса потока может привести к неустойчивости на некоторых режимах полета, особенно при больших значениях коэффициента подъемной силы. При увеличении сверхзвуковой скорости полета скос потока вблизи горизонтального оперения постепенно уменьшается, так как по мере разгона самолета углы раствора конусов возмущений уменьшаются. В зависимости от соотношения размахов крыла и оперения, а также от значения числа Маха скос потока за крылом может вообще не оказывать влияния на работу горизонтального оперения, если это оперение расположено за конусами возмущений.

6. Возникновение скачков уплотнения на крыле в области элеронов, а также интенсивный срыв потока за элеронами при околозвуковых и сверхзвуковых скоростях полета могут снизить эффективность элеронов и даже вызвать их обратное действие, обусловленное чисто аэродинамическими причинами 1* . Например, отклонение элерона книзу может усугубить волновой кризис (отрыв потока) на верхней поверхности, что приведет к уменьшению подъемной силы крыла вместо требуемого увеличения ее. Отклонение элерона кверху на другом полукрыле может вызвать отрыв потока на его нижней поверхности, что приведет к нежелательному увеличению подъемной силы. В результате оказывается, что момент крена, создаваемый элеронами, противоположен требуемому.

7. Явление, аналогичное описанному выше, возникает также при управлении самолетом по курсу. При дозвуковой скорости полета после поворота руля направления, например, вправо самолет, осуществляя поворот, кренится в ту же сторону независимо от формы крыла. При полете с Мкр  картина меняется: после отклонения руля вправо левое крыло выдвигается вперед и его эффективный угол стреловидности относительно потока уменьшается, в связи с чем снижается также Мкр  . В результате волновой кризис раньше возникает на левом крыле и его подъемная сила уменьшается, вследствие чего самолет получает крен на левую сторону вместо правой. Этот эффект усугубляется еще и тем, что сила, возникшая на вертикальном оперении, после поворота руля направления воздействует на определенном плече относительно продольной оси самолета и, следовательно, создает момент, вызывающий дополнительный крен в направлении, противоположном требуемому.

Описанное явление особенно характерно для современных самолетов с вертикальным оперением большой площади и крыльями малого удлинения, которые имеют малый продольный момент инерции. Очевидно, что противоположная реакция самолета на отклонение руля направления может быть связана также со сжимаемостью воздуха и возникновением кризисных явлений при несимметричном обтекании правой и левой консолей крыла, а также со специфическими формами сверхзвуковых самолетов и их меньшим моментом инерции относительно продольной оси. Эффект реверса руля направления может проявляться в диапазоне не только околозвуковых, но также и сверхзвуковых скоростей, особенно при М › l,5-2,0.

1*  Обратное действие (реверс) элеронов проявляется в отклонении самолета в сторону, противоположную заданной пилотом. Реверс связан с упругостью конструкции и возникает при определенной (для данного типа самолета) скорости. 

Развитие аэродинамических систем управления

 Сделать закладку на этом месте книги

Большое число и разнообразие явлений, ведущих к ухудшению устойчивости и управляемости в диапазоне сверхкритических скоростей, а также отсутствие эффективных средств противодействия им в первых около- и сверхзвуковых самолетах сделали полеты очень сложными и потребовали от пилотов исключительно осторожного управления. Практическое использование таких самолетов было невозможным, так как выполнение полета требовало концентрации всего внимания пилота.

Утрата эффективности управления в диапазоне сверхкритических скоростей-крайне опасное явление, требующее энергичного противодействия со стороны конструктора самолета. Если самолет имеет двигательную установку с достаточно большой тягой, то при разгоне он может относительно быстро преодолеть интервал околозвуковых скоростей, и поэтому некоторые из вышеописанных эффектов проявляются в течение такого короткого времени, что это не влияет на поведение самолета. Однако требование длительного полета современных самолетов на малой высоте с околозвуковыми скоростями вынуждает конструкторов разрабатывать различные аэродинамические и конструктивные способы обеспечения надлежащей управляемости во всем диапазоне эксплуатационных скоростей. Особенно стремятся к тому, чтобы снижение эффективности управления не совпадало по времени с нарушениями устойчивости, связанными с волновым кризисом на крыле в диапазоне околозвуковых скоростей.

В построенных до настоящего времени сверхзвуковых самолетах проблемы устойчивости разрешены различными способами, однако преимущественно посредством соответствующих комбинаций управляющих поверхностей: элеронов; элевонов; управляемого дифференциального стабилизатора; элеронов и рулей высоты, размещенных в хвостовых частях крыла; зависающих элеронов; интерцепторов; рулей высоты и направления либо цельнопово- ротного горизонтального и вертикального оперения, которое в самолетах вертикального взлета и посадки (как исключение, и в высотном самолете Х-15А) дополнено системой струйного (реактивного) управления.

Как следует из данных, содержащихся в табл. 1, в 37 самолетах для поперечного управления использованы элероны; в 7-элероны и интерцепторы; в 3-элероны и дифференциальный управляемый стабилизатор; в 8-интерцепторы и дифференциальный управляемый стабилизатор; в 5-только дифференциальный управляемый стабилизатор; в 19-элевоны; в 6-элероны и рули высоты в хвостовой части крыла; в 1-зависающие элероны и дифференциальный управляемый стабилизатор и в 2-только интерцепторы. Для управления по тангажу и курсу в 6 самолетах использовано классическое горизонтальное оперение, состоящее из неподвижного стабилизатора и руля высоты; в 56-полностью поворотное горизонтальное оперение, в том числе в 17-дифференциальное (всего создано 62 самолета классической схемы); в 75-классическое одно- килевое оперение; в 6-двухкилевое оперение; в 5-полностью поворотное одно килевое и в 2-поворотное двухкилевое.

Приведенные данные показывают, что проблема управления самолетами разрешалась разными способами в зависимости от принятой общей концепции самолета, развития аэродинамики и имеющегося опыта. В то же время возможности использования различных методов в целях получения требуемой устойчивости весьма ограничены. Помимо соответствующего взаимного расположения несущих поверхностей различной формы и площади, улучшения продольной устойчивости можно добиться только путем регулирования положения центра тяжести самолета посредством перекачки топлива из передней части фюзеляжа к хвостовой (либо наоборот), а улучшения устойчивости по курсу- посредством применения подфюзеляжных килей и аэродинамических направляющих.

Топливная система, позволяющая изменять балансировку самолета в полете, использована в 4 самолетах, а подфюзе- ляжные кили-в 26 (в том числе: в 15-одиночные, в 10-сдвоенные и в 1-строенные).

Проблема малой маневренности первых сверхзвуковых самолетов как следствия недостаточной эффективности продольного управления с помощью руля высоты была разрешена путем использования цельнопо- воротного горизонтального оперения (управляемого стабилизатора). Такое оперение выполняется в виде моноблочной конструкции, поворачиваемой относительно поперечной оси и выполняющей функции как руля, так и стабилизатора. Оно не теряет эффективности при сверхзвуковом обтекании, поскольку не подвержено аэродинамической блокировке. Конструкция существенно упрощается в связи с возможностью избежать разделения горизонтального оперения на неподвижную и поворотную части, исключить шарнирные соединения и элементы управления рулем, весовую балансировку руля и т.п. Цельноповоротное оперение позволяет применять весьма тонкий профиль, что также положительно влияет на аэродинамические характеристики.

Достоинства цельноповоротного горизонтального оперения имеют двоякий характер. Во-первых, оперение этого типа значительно более эффективно в диапазоне около- и сверхзвуковых скоростей, что позволяет расширить возможности использования несущих свойств крыла для увеличения грузоподъемности. Во-вторых, более высокая эффективность цельноповоротного оперения позволяет создавать в полетах со сверхкритическими скоростями большие перегрузки, что существенно увеличивает маневренность самолетов с таким оперением в сравнении с самолетами, имеющими обычный руль высоты. Часто поворотный стабилизатор выполняется в виде двух плоскостей (левой и правой), что дает возможность как согласованного, так и дифференциального их отклонения. Эффективность такого оперения может быть дополнительно повышена применением закрылков со сдувом пограничного слоя (TSR.2) или созданием уступа передней кромки (F-15).

Упомянутое выше явление скоса потока вблизи горизонтального оперения, расположенного за крылом, может при их неблагоприятном взаимном расположении привести к отрицательным последствиям как при дозвуковых, так и при сверхзвуковых скоростях. В последнем случае наибольшее изменение скоса потока происходит на фронте косых скачков у задней кромки крыла. При полете на больших высотах ввиду значительных углов атаки этот фронт в районе оперения находится высоко над продольной осью самолета. В связи с этим при среднем или верхнем расположении горизонтального оперения (как это сделано на многих околозвуковых самолетах, с тем чтобы вынести оперение из области возмущений, индуцированных крылом) на сверхзвуковом режиме полета оперение может оказаться в зоне наибольшего скоса потока. Это,


убрать рекламу







очевидно, может стать причиной возникновения неустойчивости, поэтому на большинстве сверхзвуковых самолетов классической схемы горизонтальное оперение размещено в нижней части фюзеляжа. В таком случае горизонтальное оперение находится вне области возмущений, а скос потока за крылом при сверхзвуковых скоростях бывает наименьшим.

Исключение составляют самолеты с очень короткими хвостовыми частями фюзеляжа (SR.53 и «Жерфо»), а также самолеты с прямыми крыльями малого удлинения (F-104 и Т. 188), в которых применено Т-образное хвостовое оперение. Поскольку расположение оперения влияет также и на возникновение вибраций типа бафтинга, то оно для каждого конкретного случая определяется путем исследований моделей в аэродинамической трубе и испытаний самолета в полете.

Как уже упоминалось, при переходе от дозвуковой скорости полета к сверхзвуковой происходит увеличение момента на пикирование, для компенсации которого в самолете классической схемы при передней центровке необходимо создание на горизонтальном оперении направленной вниз силы, увеличивающей момент балансировки. Однако это приводит к уменьшению аэродинамического качества и в конечном счете к сокращению на 10-20% радиуса действия самолета. Обеспечение устойчивости самолета такой ценой, естественно, неприемлемо.

Помимо описанных выше способов изменения положения (перемещения вперед) центра давления самолета путем размещения в передней части фюзеляжа дестабилизирующих плоскостей (т.е. путем использования схемы, близкой к схеме «утка»), а также с помощью крыла оживальной формы (эта проблема освещена в главе, посвященной пассажирским самолетам), практическое применение нашел также метод изменения положения центра тяжести самолета в полете посредством перекачки топлива. Для реализации этого метода потребовалось разработать специальные автоматические устройства, определяющие и изменяющие положение ц. т. самолета при изменении его ц.д., а также использовать топливные насосы большой производительности, трубопроводы и балансировочные баки в передней и хвостовой частях фюзеляжа. Этот метод обеспечения почти постоянного запаса статической продольной устойчивости при дозвуковых и сверхзвуковых скоростях полета нашел применение в самолетах среднего радиуса действия. Исследования влияния величины аэродинамического качества на увеличение радиуса действия подтвердили целесообразность применения такой системы, несмотря на соответствующее усложнение и утяжеление конструкции. Перекачка топлива применяется как в боевых (В-58 и «Мираж» IVА), так и в пассажирских (Ту-144 и «Конкорд») самолетах. Особые трудности вызывает при этом необходимость обеспечения соответствующей поперечной устойчивости и управляемости при сверхзвуковых скоростях полета и больших углах атаки, поскольку при перекачке топлива происходят изменения аэродинамических, инерционных и жесткостных характеристик самолета. В полете с около- и сверхкритическими скоростями может произойти аэродинамическая блокировка элеронов, поэтому поперечное управление самолетом при таких скоростях обычно затруднено. Уменьшение относительной толщины профиля крыла и оперения, рекомендованное вначале для уменьшения волнового сопротивления, оказалось полезным также и для улучшения управляемости, однако проблема этим путем решается лишь частично.




Рис. 1.31. «Игл» F-15 с управляемым дифференциальным стабилизатором, имеющим геометрический уступ передней кромки. 




Рис. 1.32. Элементы аэродинамической системы управления самолета «Виджилент» А-5. 1 -носовые щитки с устройствами сдува пограничного слоя с носка крыла; 2-закрылки со сдувом пограничного слоя; 3-цельноповоротный киль; 4 -управляемый дифференциальный стабилизатор; 5-трехсек- ционные интерцепторы. 


Дополнительные нарушения работы элеронов (помимо влияния сжимаемости воздуха) вызывает стреловидность передней кромки крыла. Отрыв пограничного слоя в средней и концевой частях стреловидного крыла приводит к снижению эффективности находящегося там элерона, в связи с чем нередко последние располагают вблизи фюзеляжа. Прифюзеляжными элеронами оснащены, в частности, самолеты F-100 и F-8. Дополнительное достоинство таких элеронов-меньшая подверженность явлению реверса, а недостаток-уменьшение плеча действия силы, т. е. управляющего момента. Для компенсации уменьшения плеча таких элеронов приходится увеличивать их площадь.

В самолетах do стреловидным крылом элероны дополняются либо зачастую заменяются интерцепторами, размещаемыми на верхней поверхности крыла перед элеронами или вблизи задней кромки. Выдвижение интерцептора нарушает обтекание крыла, вызывая уменьшение подъемной силы и увеличение сопротивления. В результате самолет накреняется в сторону того крыла, на котором выдвинут интерцептор.

Как уже упоминалось, интерцепторами оснащено 16 самолетов, причем только в двух из них (YF-107A и Т-2) для поперечного управления оказалось достаточно одних лишь интерцепторов. Поскольку для интерцепторов характерно некоторое запаздывание действия, в других самолетах используется их комбинация с дифференциальным управляемым стабилизатором или с элеронами. Первая комбинация реализована только в двух самолетах постоянной геометрии (А-5 и «Ягуар»); чаще всего применяется она в самолетах изменяемой геометрии, которые обычно не имеют элеронов, так как весь размах крыла отводится под механизацию для повышения эффективности крыла при малых углах стреловидности. В этом случае (обычно при малой или умеренной стреловидности крыла) интерцепторы работают совместно с дифференциальным управляемым стабилизатором, выполняющим функции как руля высоты, так и элеронов. В самолетах же постоянной геометрии интерцепторы обычно используются при больших скоростях полета, а элероны в это время блокируются в нейтральном положении.

Интересным примером такого взаимодействия могут служить интерцепторы в самолете МиГ-19, размещенные на нижней поверхности крыла. Они выполнены в виде уголковой конструкции, подвешенной на двух кронштейнах и выдвигаемой из крыла. Интерцептор выдвигается на толщину пограничного слоя только на той консоли, где элерон отклоняется книзу. Это вызывает торможение потока и увеличение подъемной силы, повышая тем самым эффективность управления.

Эффективность действия элеронов на треугольном крыле достаточно высока. Благодаря большому углу стреловидности, малому удлинению и тонкому профилю волновой кризис возникает здесь при больших скоростях и проявляется в смягченной форме, из-за чего самолету почти не угрожает аэродинамическая блокировка элеронов. Кроме того, малое удлинение предотвращает срыв потока на концах крыла при больших углах атаки. Перемещение центра давления для треугольного крыла при переходе через скорость звука относительно мало. Это положительно влияет на устойчивость, и поэтому в таких самолетах часто обходятся без горизонтального оперения, монтируя руль высоты на задней кромке крыла (схема «бесхвостка»).

Поскольку задняя кромка в треугольном крыле обычно весьма коротка, то чаще всего функции элерона и руля высоты объединяются в одной управляющей плоскости, называемой элевоном. Таким образом, элевон служит как для продольного, так и для поперечного управления. При движении ручки управления вперед или назад оба элевона отклоняются соответственно вниз или вверх, действуя, таким образом, как руль высоты. Движение ручки управления в стороны вызывает дифференциальные отклонения, т. е. левый элевон отклоняется вверх, а правый-вниз, либо наоборот, т. е. элевоны работают как обычные элероны. Аналогичным образом работают также зависающие элероны (закрылки-элероны, флапероны), используемые как для поперечного управления, так и для улучшения несущих характеристик самолета, улучшения маневренности и уменьшения скорости взлета и посадки. Поперечное управление с помощью зависающих элеронов и интерцепторов используется на самолете F-16. Поперечное управление может осуществляться также посредством одного управляемого дифференциального стабилизатора («Тридан» II, Х-15A, TSR.2).

Следует отметить, что на многих современных самолетах со стреловидными или треугольными крыльями поперечная управляемость улучшается в результате установки крыла с отрицательным углом поперечного У. Однако существенного улучшения динамических характеристик сверхзвуковых самолетов при поперечном маневре получить посредством значительного увеличения отрицательного угла поперечного V не удается, так как это приводит либо к поперечной неустойчивости при больших скоростях полета, либо к возможности повреждения концов крыла о землю при взлете или посадке. С учетом этого в самолете TSR.2 применен отгиб концов крыла книзу (что позволяет схема высоко- плана с треугольным крылом малого размаха), а в самолете F-4-кверху. Поскольку в последнем случае устойчивость самолета оказалась слишком большой, горизонтальное оперение установлено с большим отрицательным углом поперечного V. При этом расстояние от концов крыла (или оперения) до земли оказывается вполне достаточным. Благодаря такому подходу (при одновременном использовании закрылков со сдувом пограничного слоя) для самолета F-4 оказались возможными взлет и посадка с большими углами атаки.




Рис. 1.33. Элементы аэродинамической системы управления самолета Х-15. 

1 -управляемый дифференциальный стабилизатор; 2-поворотная часть киля; 3-отъемная нижняя часть подфюзеляжного киля; 4-тормозные щитки; 5-закрылки; 6-реактивные сопла поперечного управления; 7-реактивные сопла продольного управления; 8-реактивные сопла управления рысканием; 9-баллон сжатого воздуха; /0- рьгчаг подсистемы реактивного управления. 


Ввиду необходимости применения вертикального оперения с тонкими профилями и большими углами стреловидности, а также из-за его аэродинамического затенения длинным фюзеляжем и крылом малого удлинения путевая устойчивость самолета существенно снижается при малых скоростях полета. Уменьшается она также и при больших сверхзвуковых скоростях по причине снижения эффективности вертикального оперения (из-за изменения распределения давления на профиле), а также вследствие дополнительного затенения, возникающего при полетах на больших высотах, выполняемых с большими углами атаки.

Устранение этих недостатков возможно посредством увеличения либо поверхности оперения, либо расстояния между центром давления вертикального оперения и центром тяжести самолета. Поскольку это ведет к увеличению массы конструкции и сопротивления трения, для повышения путевой устойчивости часто используют дополнительное вертикальное оперение под фюзеляжем (где оно находится в невозмущенном потоке). Такой подфюзеляжный киль установлен на экспериментальном ракетном самолете Х-15 (в обычных самолетах такой подфюзеляжный киль не отвечает требованиям эксплуатации-его надо убирать перед приземлением, а взлет возможен только при малых углах атаки). Поэтому для повышения устойчивости на серийных сверхзвуковых самолетах применяется либо двухкилевое оперение (например, в Е-266, SR-71, ХВ-70А), либо одноки- левое с подфюзеляжными небольшими (по высоте) килями или аэродинамическими направляющими. Эти поверхности имеют форму и размеры, не затрудняющие взлет и посадку. Они ограничивают поперечное перетекание потока на фюзеляже при полете со скольжением, благодаря чему в создание демпфирующего поперечного момента включается значительно большая поверхность хвостовой части фюзеляжа.

Такой способ увеличения путевой устойчивости наиболее рационален, поэтому он и нашел исключительно широкое применение; распространены одинарные, сдвоенные и даже строенные направляющие и кили (YF-12A), главным образом стационарной конструкции, и только в четырех случаях использованы подвижные конструкции. Одинарные кили последнего типа выполняются либо складывающимися в стороны (F-11), либо втягиваемыми в фюзеляж (YF-12A) на время взлета и посадки для увеличения угла атаки при низком шасси. Сдвоенные подвижные направляющие отклоняются в стороны (F8U-3) так, чтобы обеспечивалось их положение, близкое к вертикальному в сверхзвуковом полете и близкое к горизонтальному после выпускания закрылков.




Рис. 1.34. «Фантом» II F-4. 


Другой способ увеличения путевой устойчивости состоит в использовании управляемого стабилизатора с отрицательным поперечным V. В этом случае стабилизатор выполняет двоякую роль: собственно горизонтального оперения, обеспечивающего необходимую продольную устойчивость и управляемость, и аэродинамических направляющих, увеличивающих путевую устойчивость. Оперение такого типа применено, к примеру, на самолете «Тридан» II (угол поперечного V – 20°), а также на «Фантоме» II F-4 (-23°). Подобную же роль выполняют подвижные (опускаемые) либо отогнутые книзу концы крыла. В самолете ХВ-70 использован первый способ, а в TSR.2-второй.

Значительное повышение эффективности вертикального оперения, а значит, и путевой устойчивости самолета (особенно при околозвуковых скоростях) достигается в случае использования Т-образного хвостового оперения, т. е. горизонтального оперения на верхнем конце киля. Такая компоновка вследствие недостаточной жесткости склонна к бафтингу, тем не менее она применяется в самолетах F-104, Т. 188 и SR-53 ввиду эффективности как вертикального, так и горизонтального оперения.

Из вышесказанного следует, что при переходе на сверхзвуковые скорости полета значительно снизилась эффективность управляющих поверхностей. Это особенно сказалось на поперечной и путевой управляемости в связи с дополнительным неблагоприятным влиянием деформации крыла и вертикального оперения. Ввиду этого, помимо более жесткой конструкции, необходимы дополнительные средства, повышающие эффективность управляющих поверхностей. Так, в некоторых самолетах используются турбулизаторы на руле направления (Х-2, F-102A, F-100), дефлекторы (F-102A, В-58, F-5A) либо закругленная задняя кромка крыла (главным образом в самолетах без горизонтального оперения-F-106A, «Дракен» и CF-105). Выше упоминалось, что снижение эффективности руля высоты и увеличение статической продольной устойчивости при сверхзвуковых скоростях потребовали перехода на продольное управление с помощью управляемого стабилизатора. В управлении курсом самолета вертикальное оперение такого типа используется редко и встречается как в однокилевом («Тридан» II, YF-107A, А-5 и TSR.2), так и в двухкилевом (SR-71A и ХВ-70 А) варианте.

Система активного управления

 Сделать закладку на этом месте книги

Проблемы, описанные в предыдущем разделе, касались системы управления, которую с сегодняшних позиций можно назвать пассивной. Поскольку других систем управления на предыдущем этапе развития авиации не было, то не было и нужды в определении такого подхода как пассивного метода управления.

При использовании систем пассивного управления пилот (или автопилот в соответствии с заданной программой) воздействует на управляющие поверхности, которые в обычном положении не выступают за контур неподвижных элементов планера. Составной частью такой системы является механизм управления, связывающий исполнительные плоскости с соответствующими рычагами в кабине экипажа при помощи тросов (гибкая проводка управления), тонкостенных труб, изготовленных обычно из алюминиевых сплавов (жесткая проводка), либо тросов и труб (смешанная проводка).




Рис. 1.35. Элементы системы активного управления самолета F-16. 

I – вычислитель полетных параметров; 2-командная ручка управления самолетом, размещенная на подлокотнике кресла пилота; 3 – акселерометры; 4 -зависающий элерон; 5-гидропривод зависающего элерона; 6-руль направления; 7-гидропривод руля направления; 8 – управляемый дифференциальный стабилизатор; 9-гироскопы в каналах крена, рыскания и тангажа; 10 -электрическая подсистема управления; II -центральная ЭВМ. 


В начале 70-х годов механизм управления был заменен системой электропередачи сигналов от соответствующих ручек к быстродействующим исполнительным устройствам (ими служат гидроприводы), отклоняющим управляющие поверхности. Работу системы обеспечивает цифровое вычислительное устройство, получающее информацию от датчиков угловой скорости, ускорения, угла атаки и т.п. и при необходимости корректирующее решения пилота, сигналами которых служат отклонения командных рычагов управления.

Электродистанционная система управления позволила реализовать активное управление, основанное на автоматическом отклонении рулей в ответ на возникающие отклонения параметров полета от заданных. Эта система работает независимо от пилота, допуская тем не менее возможность его вмешательства в процесс управления. Обычно электродистанционная система выполняет ту же роль, что и механическая, и может применяться самостоятельно как основная или аварийная либо параллельно с механической системой, которой отводится роль аварийной.

Самолет с системой активного управления выполняется как статически неустойчивая система, особенно по продольной оси, т.е. используется оперение меньшей площади. Неустойчивость компенсируется динамически посредством непрерывного автоматического воздействия системы на управляющие поверхности, т.е. путем их отклонения, приводящего к уравновешиванию действующих на самолет моментов. При таком управлении обеспечиваются:

– высокая маневренность, связанная, во- первых, с уменьшением запаздывания отклонения управляющей поверхности в ответ на сигнал системы управления и, во-вторых, с использованием предкрылков и закрылков в качестве управляющих поверхностей ;

– более быстрая реакция самолета на воздействие порывов ветра и уменьшение нагрузок, действующих на конструкцию (что повышает усталостную выносливость планера);

– демпфирование самовозбуждающихся колебаний;

– разгрузка пилота от реагирования на изменение балансировки самолета, особенно от изнурительного постоянного реагирования на изменение параметров траектории полета на малой высоте в условиях турбулентной атмосферы.

Обычно это приводит к улучшению характеристик самолета и живучести планера, а также комфортабельности полета. В боевом самолете это повышает эффективность вооружения, позволяет экипажу сконцентрировать свое внимание на выполнении задания, сохраняет на более длительный период времени его оперативную готовность и т.п. Включение в систему активного управления носовых щитков или закрылков позволяет управлять распределением нагрузки вдоль размаха крыла. Например, при одновременном отклонении элеронов кверху нагружаются концы крыла, а при отклонении закрылков книзу происходит дополнительное нагружение его корневых частей. При этом, сохраняя постоянной подъемную силу, крыло будет воспринимать меньший изгибающий момент при полете самолета в турбулентной атмосфере или во время выполнения маневров.




Рис. 1.36. Самолет F-4CCV с дополнительным передним оперением. 


Дальнейшим шагом в направлении улучшения характеристик самолета является увеличение числа управляемых степеней свободы самолета. В современных самолетах используются системы управления четырьмя степенями свободы: тяга (сопротивление), крен, тангаж и рыскание.

Разрабатываемая в настоящее время концепция предусматривает в дополнение к этому управление подъемной силой для вертикального и горизонтального перемещения самолета относительно траектории полета без изменения его углового положения. Для реализации управления по этим двум степеням свободы предполагается использовать шарнирно-закре- пленные консоли крыла (с изменяемым в полете углом установки), поворот которых в соответствии с отклонением руля высоты создаст дополнительную вертикальную силу, приложенную к центру тяжести самолета. Предполагается также установка дополнительного вертикального оперения в носовой части фюзеляжа; поворот этого оперения, согласованный с поворотом руля направления, создаст дополнительную горизонтальную силу. Таким образом, управление самолетом по шести степеням свободы потребует применения только 6-7 подвижных плоскостей (2 консоли крыла, 2 плоскости горизонтального оперения и 2 или 3 плоскости вертикального оперения) в сравнении с 9-15 подвижными элементами, используемыми в современных сверхзвуковых самолетах (рули, элероны, носовые щитки, предкрылки и закрылки, тормозные щитки, интерцепторы). Такой результат можно получить и для самолета классической схемы, однако необходимо дополнительно установить на нем одну вертикальную и две горизонтальные плоскости либо только две плоскости по схеме V-образного оперения, которые надо разместить в носовой части фюзеляжа.

Для новой схемы характерны все свойства активного управления, а также дополнительные качества, вытекающие из увеличения числа степеней свободы.

С точки зрения боевого применения самолета такая система, кроме прочего, обеспечивает:

– наведение самолета в плоскости крыла при атаке на наземные цели, что увеличивает точность сброса неуправляемых бомб (эта точность зависит от момента крена, воздействующего на самолет);

– ориентацию фюзеляжа со стационарным вооружением по линии прицеливания независимо от траектории полета в атаках на наземные цели с малой высоты, что увеличивает время атаки одной цели либо число атакуемых целей;

– управление положением фюзеляжа в воздушном бою, а также большую маневренность, что сокращает время прицеливания и предохраняет самолет от возможного столкновения с атакуемой целью;

– бомбардировку при почти вертикальном пикировании благодаря эффективному управлению сопротивлением за счет поворота всего крыла, что увеличивает точность бомбометания и уменьшает вероятность уничтожения самолета наземными средствами противовоздушной обороны;

– более высокие ускорения при сохранении неизменными характеристик двигательной установки посредством управления сопротивлением самолета, что может обеспечить наивыгоднейшие условия перед началом воздушного боя;

– лучшие условия выруливания, взлета и посадки благодаря использованию боковых сил, горизонтальному положению фюзеляжа (лучшей обзорности, большему удалению вооружения от земли), а также благодаря управлению сопротивлением во время разбега и пробега.




Рис. 1.37. Управление самолетом F-4CCV с использованием боковых сил для изменения положения фюзеляжа без изменения траектории полета (а), для изменения траектории полета без изменения положения фюзеляжа (б) и для обоих изменений одновременно (в). 


Из вышесказанного следует, что применение автоматического активного управления может дать многообразные преимущества. Поэтому после решения проблем волнового кризиса и обеспечения самолету классической схемы надлежащей управляемости во всем диапазоне эксплуатационных скоростей были начаты работы по внедрению электродистанционных систем управления. В первую очередь были заменены электрическими некоторые механические тяги (например, управление носовыми щитками в самолете F-104, интерцепторами в «Мираже» F.8, а также внутренними секциями элевонов в «Мираже» III), а затем введены устройства стабилизации и демпфирования в поперечном управлении, искусственно повышающие устойчивость. Проведенные исследования показали, что даже ограниченное применение активного управления приносит значительные преимущества. Например, введение в стратегическом околозвуковом бомбардировщике «Боинг» В-52 противотурбу- лентной системы, приводящей в действие руль высоты и закрылки, повысило усталостный ресурс планера на 35-50% без дорогостоящего усовершенствования самой конструкции. Подобную же задачу выполняют две дополнительные небольшие несущие плоскости, установленные в передней части фюзеляжа самолета В-1, которые включены в электрическую систему активного гашения изгибных колебаний, возникающих при полете в турбулентной атмосфере.

Введение первых систем активного управления относится к началу 70-х годов. Первым шагом в этом направлении была модернизация самолетов классической схемы, в которых механические устройства управления были заменены электродистанционной системой (например, у самолетов F4 и F-8) . Следующим шагом было применение дополнительного переднего оперения (горизонтального и вертикального) для создания вертикальных и боковых сил, позволяющих самолету выполнять «скачки» вверх-вниз либо в стороны. Характеристика первого типа реализована в самолете F-4CCV, на котором установлено дополнительное горизонтальное оперение, составляющее 7,5% поверхности основного крыла, а также небольшой дополнительный киль. Подобным образом модернизирован и самолет классической схемы YF-16CCY, в котором использованы только две дополнительные плоскости, работающие как V-образное оперение, выполняющее роль вертикального и горизонтального оперения.

Практическим результатом первого этапа работ над активным управлением было то, что автоматическая электродистанционная система управления предусматривалась в качестве основной уже при проектировании самолетов «Торнадо» (с механической аварийной системой), самолет F-16 проектировался с исключительно электрической цифровой системой без типичной рукоятки управления, а затем аналогичные системы управления были применены в самолетах «Мираж» 2000, F-18 и «Сюпер- Мираж» 4000.

Активное управление охватывает множество различных технических вопросов, часть из которых еще требует дополнительных исследований. Однако уже можно утверждать, что использование активного управления дает наибольший эффект в боевых пилотируемых и беспилотных самолетах.

5. Эволюция конструкции планера

 Сделать закладку на этом месте книги

Совершенно очевидно, что каждый новый самолет должен в целом превосходить своих предшественников, т.е. должен отвечать более высоким требованиям. Опыт показывает, что одним из способов удовлетворения все возрастающих требований, предъявляемых к вновь проектируемым самолетам, является снижение массы планера. Это выполняется на основании таких конструктивных и силовых схем, которые обеспечивают требуемую прочность и жесткость при минимальной собственной массе с использованием более легких и прочных материалов (в обоснованных случаях-жаропрочных), а также посредством улучшения технологии самолетостроения. Анализ характеристик самолета показывает, что улучшения некоторых из них можно достичь лишь ценой ухудшения других. В конкретных случаях отдают приоритет характеристикам, более важным для данного типа самолета, что позволяет согласовать противоречивые требования.

Однако при проектировании любого самолета нельзя избежать противоречия, вытекающего из необходимости обеспечить, с одной стороны, как можно меньшие аэродинамическое сопротивление и массу конструкции, а с другой-требуемые прочность и жесткость. Увеличение прочности и жесткости, например, путем увеличения габаритов приводит к возрастанию сопротивления, а путем усиления конструкции-к возрастанию массы. Уменьшение сопротивления, достигнутое благодаря уменьшению толщины крыла либо увеличению его стреловидности, приводит к росту механических нагрузок, а значит, требует увеличения массы конструкции и т.д.

В процессе разработки и изготовления планера всегда в первую очередь выполняются требования аэродинамики, а затем требования прочности, технологичности конструкции, удобства обслуживания и т. п.

В этих условиях оптимальное определение размеров конструкции заключается в компромиссном согласовании возможностей уменьшения массы конструкции (благодаря применению лучших технических решений и материалов) и необходимости увеличения массы (для выполнения тех или иных повышенных требований).

Планер, как и любые другие конструкции, может выполнять свою роль, если он обладает наряду с прочим соответствующей прочностью и жесткостью. Это означает, что отдельные элементы и узлы планера должны выдерживать нагрузки, возникающие при эксплуатации (критерий прочности), а их деформации (изгибы, углы скручивания, коробление обшивки) не должны превышать допустимых значений (критерий жесткости). Под воздействием эксплуатационных нагрузок не должны появляться остаточные деформации, увеличивающиеся с течением времени (ползучесть), поскольку это может вызвать изменение формы самолета, исключающее возможность его дальнейшей эксплуатации.

Требования к прочности планера зависят от нагрузок, действующих на самолет и его отдельные узлы во всем периоде эксплуатации. Одну и ту же прочность какого-либо узла планера, например крыла, можно обеспечить, используя различные конструктивные решения, материалы, технологии производства. От этих факторов зависит масса планера и, следовательно, всего самолета. Известно, что конструкции требуемой прочности и одинакового назначения могут существенно различаться между собой по массе. Масса же их зависит от оптимальности принятой конструктивно-прочностной схемы, от соответствующего выбора материала и форм поперечно


убрать рекламу







го сечения отдельных элементов, а также их взаимного положения, от используемых соединений, технологии исполнения, числа необходимых вырезов и множества других

конструктивно-технологических факторов. Прогресс в области материаловедения привел к созданию и применению новых материалов, а также новой технологии изготовления и соединения частей планера, что позволило не только существенно уменьшить собственную массу самолета, но и увеличить ресурс работы планера.

Новые требования к планеру возникли при достижении и превышении самолетом скорости звука (они связаны с аэродинамическими и тепловыми нагрузками, сопутствующими сверхзвуковым скоростям); эти требования привели к разработке многослойных и моноблочных конструкций и технологическому освоению таких новых конструкционных материалов, как сплавы титана и бериллия, а также так называемые композиционные материалы (композиты).

Авиационные конструкции-это тонкостенные (оболочечные) конструкции, обшивки которых относительно тонки, в связи с чем требуется увеличение их жесткости при помощи дополнительных продольных и поперечных элементов. Классическую конструкцию, повсеместно используемую в дозвуковой авиации, характеризует огромное количество (исчисляемое тысячами) деталей различных габаритов и форм, соединяемых с помощью винтов, болтов и заклепок (которых насчитываются сотни тысяч или миллионы). Изготовление такой конструкции требует больших затрат труда и времени и одновременно связано со снижением прочности из-за большого количества соединений и отверстий. Применение клееных конструкций лишь частично разрешило проблему соединений, поскольку по мере развития сверхзвуковой авиации требования выросли настолько, что многослойные конструкции стали вытесняться моноблочными.

Первые опыты использования клея как материала, соединяющего металлические части авиационных конструкций, были проведены еще перед второй мировой войной. Однако только военные и особенно послевоенные годы стали периодом быстрого прогресса и важных достижений в этой области. Одним из факторов, побуждавших к развитию этих работ, были недостатки казеиновых клеев, широко использовавшихся в деревянных конструкциях. Чувствительность авиационных конструкций на этих клеях к атмосферным воздействиям особенно дала о себе знать во время суровой зимы 1939/40 г. Это дало толчок работам над синтетическими клеями, что привело к разработке новых составов с высокими адгезионными свойствами.

Интенсивное развитие исследований синтетических клеев для деревянных конструкций сопровождалось попытками использования их для соединения металлических деталей. В послевоенный период (особенно в 50-е годы) потребности авиации в области разнородных конструкционных материалов высокого качества и их соединения возросли. Это привело к постепенному отказу от старых способов соединения при помощи заклепок и винтов и к промышленному освоению склеивания высокона- груженных элементов конструкции планера самолета.

Соединения металлических деталей авиационных конструкций с помощью винтов или заклепок оказываются ослабленными из-за большого количества отверстий, а непрерывность нагружения при этом нарушается. Клепаным соединениям сопутствуют деформации поверхности обшивки вблизи головок заклепок, а также волнистость как следствие принципа точечного соединения. На краях отверстий при этом возникает существенная концентрация напряжений. В результате теплового и механического воздействия в процессе клепки материал на кромках отверстий становится хрупким и приобретает склонность к старению. Концентрация напряжений и охруп- чивание материала увеличивают опасность усталостного разрушения. Применение сварки вместо клепки приводит ввиду необходимости высокой температуры к появлению местных напряжений и деформаций, к структурным изменениям материала вблизи сварного шва и опасности усталостного разрушения. Эти неблагоприятные явления можно в значительной степени устранить, применяя склеивание металлических элементов конструкции.

Склеивание как метод соединения металлических деталей имеет конструктивные, технологические и эксплуатационные достоинства, а именно:

– применение склеивания часто устраняет серьезные конструктивные трудности и позволяет соединять различные сплавы, не опасаясь коррозии;




Рис. 1.38. «Супер-Сейбр» F-100. 

1 -антенна радиолокационного дальномера; 2-электронное оборудование; 3-отбор охлаждающего воздуха из воздухозаборника; 4-перепускная створка воздухозаборника; 5-воздушный канал; 6-ниша выхода ствола пушки; 7 – узел крепления пушки; 8 – пушка; 9-снарядный ящик; 10-прицел; И – внешние замки открывания фонаря кабины экипажа; /2-баллон кислорода; 13-клапан давления в кабине; 14-антенна радиокомпаса; 15-створка отвода воздуха; 16- крышка отсека агрегатов гидравлической системы; 17-горловина для заправки топлива; 18-штепсельные разъемы заземления на время заправки топливной системы; 19-топливный бак; 20-двигатель; 27-предохранительный воздушный клапан компрессора двигателя; 22-плоскость разъема фюзеляжа; 23-люки накидных болтов для соединения частей фюзеляжа; 24-форсунки форсажной камеры; 25-регулируемое многостворчатое сопло; 26-приводы регулирования сопла; 27-задний узел крепления двигателя; 28-контейнер тормозного парашюта; 29- узел крепления парашюта; 30-дренаж топливных баков; 31 -гидроусилитель руля направления; 32-ги- дроусилитель элеронов; 33-тяга системы управления элеронами; 34-элерон; 35-управляемый дифференциальный стабилизатор; 36 -тормозной щиток; 37-передняя стойка шасси с управляемыми колесами; 38-главные стойки шасси; 39-люки шасси; 40-подвесной топливный бак емкостью 1040 л; 41 -габаритные огни; 42-предкрылки; 43-обшивка крыла; 44-узлы навески предкрылков; 45-убираемая хвостовая пята; 46-приемник воздушного давления; 47-канал тяг дистанционной системы управления; 48 -люк узлов демонтажа двигателя. 




Рис. 1.39. «Хастлер» В-58. 


– клеевое соединение превосходит всякое другое с точки зрения гладкости и чистоты поверхности, не ослабляет сечение и не приводит к возникновению концентрации напряжений в стыке;

– в сравнении со сварными либо с твер- допаяными соединениями при склеивании не возникает структурных изменений и сварочных напряжений, так как температура затвердевания клея не превышает 140-260°С в зависимости от сорта клея и времени отверждения;

– правильно выполненное клеевое соединение обеспечивает равномерное распределение напряжений в стыке и позволяет получить прочность соединения, равную прочности соединяемых элементов;

– клеевые соединения обеспечивают снижение массы почти на 25% в сравнении с клепаными соединениями ввиду отсутствия головок заклепок и уменьшения сечений (ввиду отсутствия ослабления отверстиями) соединяемых элементов;

– существенное снижение стоимости изготовления при склеивании ввиду простоты технологии и возможности широкого применения механизации и автоматизации процесса изготовления клееных конструкций, а также использования персонала более низкой квалификации;

– отсутствие коррозии во время эксплуатации клееных конструкций в отличие от клепаных, в которых всегда существует опасность проникновения влаги в имеющиеся или образовавшиеся зазоры между заклепками и листами обшивки.

Клеи на основе смол обеспечивают хорошую электроизоляцию, благодаря чему исключается опасность контактной коррозии при соединении металлов с разными электрическими потенциалами.

Однако клеевые металлические соединения имеют и недостатки:

– использование метода склеивания требует приспособления конструктивных решений к технологическим процессам склеивания и применения соответствующих материалов с учетом температуры этих процессов и возможности надлежащей подготовки поверхности;

– прочностные свойства клеев невысоки в сравнении с прочностью металлов и классических средств соединения; особенно низка прочность клея на отрыв, что влияет на выбор основного типа клеевого соединения: исключаются соединения встык и применяются фактически только соединения внахлестку.

Наиболее широкое применение клеевые соединения нашли главным образом в нагруженных тонкостенных элементах, требующих дополнительного ужестче- ния. В обшивке крыла такими местными элементами жесткости служат нервюры и лонжероны, а в обшивке фюзеляжа- шпангоуты, лонжероны и стрингеры. Склеивание повышает жесткость конструкции и в ряде случаев позволяет обойтись без конструктивных элементов жесткости. Так были созданы многослойные конструкции, состоящие из нескольких (чаще всего из трех) слоев материалов с различными свойствами. Внешний слой (обшивка) является основным рабочим элементом и изготовляется из высокопрочных материалов, внутренний слой (наполнитель) играет роль жесткостного элемента и изготовляется обычно в виде ячеистой конструкции. Наполнитель приклеен либо припаян к обшивке в зависимости от уровня температур конструкции во время полета, а также от термостойкости клея.

Как уже указывалось, характерной чертой многослойных конструкций является их значительно более высокая жесткость в сравнении с обычной обшивкой. Это позволяет выполнять обшивку самолета без продольных элементов жесткости даже при увеличении расстояния между нервюрами (шпангоутами). Высокая устойчивость таких конструкций позволяет применять наружный слой малой толщины, что приводит к уменьшению массы планера. Например, в сверхзвуковых самолетах, построенных с применением клепаных соединений, толщина обшивки крыла достигает 8-3 мм, в то время как толщина наружного слоя соответствующей клееной конструкции составляет ~ 1 мм.

В первых сверхзвуковых самолетах методом склеивания выполнялись передние кромки крыла, элероны, рули, закрылки, тормозные щитки, крышки ниш шасси и т.п. Первым же сверхзвуковым самолетом с широким применением клееных конструкций, о котором сообщалось в печати, был В-58. Поскольку клеевые соединения в этом самолете должны были выдерживать большие нагрузки и работать в тяжелых температурных условиях полета со сверхзвуковыми скоростями, то уже на стадии проектирования было исследовано (для выбора оптимальной конструкции планера) свыше двух десятков конструкций обшивок различных типов. Эти исследования показали, что клееная многослойная обшивка с ячеистым (сотовым) наполнителем имеет наилучшие характеристики. Она обеспечивает аэродинамически гладкую поверхность при больших напряжениях и повышенных температурах, позволяет упростить и удешевить конструкцию, улучшить герметичность топливных баков-отсеков и их теплоизоляцию. Кроме того, применение клееных элементов повышает устойчивость конструкции по отношению к вибрациям высокой частоты, вызываемым работой турбореактивных двигателей, а также усталостную выносливость.

Склеивание выгодно также и с технологических позиций, так как уменьшает число сборочных операций и позволяет стандартизировать способы производства большинства блоков (сборочных единиц) планера. В планере самолета В-58 использованы различные конструкционные материалы. Около 15% поверхностей выполнено из нержавеющего листа методом пайки (в основном обшивка хвостовых частей гондол двигателей и пилонов, а также нижних частей крыла, подвергаемых воздействию выхлопных газов двигателей). Остальная часть обшивки изготовлена из дюралевых листов (склеивание) толщиной 0,25-1,00 мм с заполнителем из алюминиевой фольги или из стеклоткани, пропитанной смолой. Благодаря использованию слоистой конструкции взлетная масса планера самолета В-58 снижена почти до 16% в сравнении с 25% для самолетов, изготавливавшихся традиционными методами. Одной из важнейших проблем, решенных при разработке планера этого самолета, была защита находящегося в крыльевых баках топлива от изменений температуры обшивки под воздействием солнечного и аэродинамического нагрева; эти изменения были особенно опасны в связи с неблагоприятным отношением площади поверхности конструкции к объему топлива. Оказалось, что применение слоистой конструкции выгодно и с этой точки зрения.

Однако клееные конструкции затруднительно применять в самолетах, скорость которых превышает М ~ 2, из-за существенного снижения прочности таких конструкций с ростом температуры.

Ввиду этого для создания самолета, например, ХВ-70 с крейсерской скоростью М = 3 оказалось необходимым применение новых материалов и технологии, а также соответствующего оборудования, поскольку в полете с такой скоростью планер подвергается воздействию высоких температур, неприемлемых для освоенных клеевых конструкций. Исследования показали, что воздухозаборник и передняя кромка крыла самолета нагреваются до 315-340°С, а остальные поверхности-до 200-230°С. Так как самолет предназначался для длительных полетов, то потребовалось применение материалов с высокими механическими характеристиками в этом диапазоне температур, а также устройств охлаждения и теплоизоляции отсеков оборудования, топливных баков и т.п.

70% массы планера самолета ХВ-70 составляют детали из нержавеющей стали, 17%-из конструкционной стали и 9,5%-из титана и сплавов никеля. По опубликованным данным, для постройки одного планера требуется 5420 кг титана; это значит, что масса планера самолета ХВ-70 достигала почти 57 т и составляла свыше 23% максимальной взлетной массы. Из нержавеющей стали в самолете ХВ-70 изготавливаются слоистые конструкции, из титана-элементы, подвергающиеся воздействию высоких температур (дестабилиза- тор, обшивка носовой части фюзеляжа и его хвостовой части в области двигательного отсека); титан пошел также на некоторые элементы других узлов планера. Слоистые конструкции (толщиной ~ 25 мм) выполнены из стальной фольги толщиной 0,15 мм (увеличение толщины фольги всего на 0,025 мм приводит к возрастанию массы планера почти на 1000 кг), которая соединяется с сотовым наполнителем путем пайки в атмосфере аргона. В качестве припоя использован сплав серебра с добавкой 7,3% меди и 0,2% лития.




Рис. 1.40. Конструкция и расположение клееных элементов планера самолета «Валькирия» ХВ-70А. 


Непрерывное возрастание требований к самолетам привело к тому, что уже в 60-х годах начали применяться, особенно при изготовлении крыла, моноблочные конструкции с монолитными панелями, при этом слоистые конструкции использовались при изготовлении управляющих поверхностей, крышек ниш и отсеков, стенок воздушных каналов двигателей, а иногда и обшивки фюзеляжа. Монолитные панели, часто довольно сложной формы, изготавливаются из одного куска материала. Такой подход позволяет выполнить важнейшую часть планера – обошивку крыла – как одно целое с элементами жесткости, без деталей крепления. При этом нередко оказывается возможным в зависимости от габаритов самолета изготовить крыло только из двух частей (нижней и верхней), дополнив их отдельными конструкциями носка и подвижных элементов. Кроме того, такая конструкция дает возможность выполнить обшивку с переменной толщиной как вдоль размаха, так и вдоль хорды. Возможность выбора формы продольных и поперечных сечений крыла в соответствии с распределением нагрузок позволяет оптимально использовать материал с точки зрения прочности.

Следовательно, крыло такой конструкции имеет ряд достоинств в сравнении, например, с клепаным. К основным из этих достоинств можно отнести: уменьшение массы вследствие уменьшения числа деталей и соединений, повышение прочности, высокое качество наружной поверхности, упрощение технологии сборки и сокращение подготовительных работ, увеличение производственных возможностей самолетостроительного предприятия и т.п.

В зависимости от принятой технологии монолитные панели изготавливаются путем штамповки, фрезерования, ковки либо прессования, причем это может быть конструкция как с постоянным, так и переменным сечением в любом направлении.

В настоящее время широкое распространение в самолетостроении нашел метод фрезерования. Поскольку изготовление жестких крупногабаритных деталей методом фрезерования часто требует применения уникального оборудования, то, кроме механического фрезерования, используется также и метод химического фрезерования (травления). Этот метод изготовления деталей основан на том, что определенная часть металла удаляется с намеченных участков поверхности заготовок погружением их в ванны с растворами, обладающими сильными коррозионными свойствами. Производительность химического фрезерования такая же, а иногда даже и выше, чем механического, а стоимость значительно ниже. Этот метод имеет еще и то дополнительное преимущество, что он позволяет получить такие конфигурации, которые недостижимы при других методах обработки.

В производственной практике используются травильные среды двух типов: кислотные и щелочные. Кислотные ванны вызывают межкристаллитную коррозию. Этот процесс очень производителен и находит применение прежде всего при обработке стальных материалов. Однако таким способом не удается изготовить детали с высокой размерной точностью ввиду трудности контроля скорости процесса травления. Кроме того, компоненты кислотных растворов относительно дороги. Щелочные растворы значительно дешевле, процесс травления в них также производителен (если он проводится при температуре 80-90°С), а скорость травления можно просто и довольно точно контролировать. С учетом меньших затрат на материалы чаще всего применяются растворы едкого натра.

Таким образом, технический прогресс в самолетостроении в 1950-1960-х гг. привел к освоению новых технологических методов изготовления и соединения частей планера, что не только значительно снизило собственную массу самолета, но и позволило повысить прочность планера, особенно усталостную. Предполагается, что уже в ближайшее время будет достигнут дальнейший прогресс в этой области, в частности, благодаря лучшему исследованию воздействий окружающей среды, совершенствованию расчетных методов, широкому применению средств повышения надежности и моноблочных конструкций и т.п., а также в связи с упомянутыми выше работами в области активного управления и увеличения числа управляемых степеней свободы самолета.

Более точное определение воздействий окружающей среды оказывает непосредственное влияние на определение параметров конструкции в том смысле, что уменьшает «степень незнания», которая вынужденно учитывается в расчетах в виде коэффициентов запаса. Это относится не только к новым исследованиям, но и к накоплению статистических данных, касающихся, в частности, знакопеременных нагрузок.

Благодаря прогрессу вычислительной техники стало возможным применение новых методов расчета (например, метод конечных элементов), учитывающих такие специфические характеристики материалов, как пластичность, анизотропия и т.д. Увеличение степени детализации расчетов оказалось важным средством, позволившим существенно продвинуться по пути оптимизации конструкции.

Концепция безопасных повреждений нашла применение в самолетостроении из-за заботы скорее о безопасности, чем об улучшении летных характеристик, однако уже сейчас она оказывает существенное влияние также и на массу самолета, а особенно на прочностную надежность планера. Эта концепция предусматривает расчет каждой силовой детали планера, исходя из предпосылки, что в детали могут существовать дефекты, возникшие во время ее изготовления и имеющие величину, равную пороговым значениям чувствительности обычно применяемых методов контроля. Следовательно, каждая деталь в условиях нормальной эксплуатации должна выдерживать переменные нагрузки без катастрофического роста дефектов и снижения прочности. До недавнего времени реализация этой концепции сводилась к местным усилениям конструкции. Предполагается, что дальнейший прогресс в этой области связан с более точным определением усталостного роста дефектов и учетом его в прочностных расчетах. Таким образом, оптимизация конструкции должна производиться с учетом коэффициента хрупкости материала так же, как это делалось ранее в отношении статической прочности, а теперь усталостной. Таким путем может быть повышена надежность конструкции планера и упрощена технология изготовления самолета.




Рис. 1.41. Модульная конструкция планера самолета YF-16. 


Надежды на определенный прогресс в самолетостроении связываются с применением модульной конструкции планера. Такой подход позволяет в процессе производства проводить модернизацию выпускаемой модели путем замены целых узлов другими, более совершенными.

Среди авиационных материалов и в дальнейшем важное место будут занимать сплавы алюминия. Проводятся дальнейшие технологические исследования алюминиевых и других известных сплавов и материалов; большое внимание уделяется разработке новых сплавов и армированных волокнами композитов.

Важное место среди материалов для сверхзвуковых самолетов занимают сплавы титана. Титан отличается превосходными физическими и механическими свойствами: его прочность на растяжение в 3 раза больше, чем у алюминия, и равняется прочности железа, а плотность больше, чем у алюминия, только в 1,7 раза и в несколько раз меньше плотности железа. После введения соответствующих легирующих добавок и пластической обработки (обжатием) прочность титана возрастает до уровня прочности высоколегированной стали и сохраняется до температуры ~ 600°С. Титан имеет также хорошие технологические качества: его можно вальцевать, ковать, подвергать холодной гибке, сваривать и т.п.; он также стоек к воздействию морской воды. Благодаря таким качествам титан стал незаменимым конструкционным материалом в сверхзвуковой авиации, причем его доля в общей массе конструкции самолета непрерывно возрастает.

В 60-х годах предпринимались опыты использования в конструкции планера и других металлов. Один из них- бериллий, который отличается малой плотностью (меньшей, чем у алюминиевых сплавов), большим модулем продольной упругости (почти на 50% больше, чем у стали), а также относительно высокой прочностью при повышенных температурах.

Применение бериллия дает существенную экономию массы конструкции. Так, изготовление некоторых узлов самолета F-4C с использованием бериллия позволило уменьшить массу соответствующих узлов на 25-58,6%. Применение бериллия в авиации ограничено пока его высокой стоимостью.

Важнейшей проблемой авиационного материаловедения на рубеже 1960-1970-х гг. была разработка так называемых композитов, т.е. комбинаций матрицы и армирующего материала. Композиты, особенно с волокнами бора или углерода в качестве армирующего материала, отличаются большой удельной прочностью, которая дает реальные возможности уменьшения массы планера на величину до 20%. Однако довольно высокая стоимость композитов, недостаточная изученность их свойств и в некоторой степени психологический консерватизм конструкторов пока препятствуют широкому применению этих материалов в самолетостроении.

Еще несколько лет тому назад представлялось, что внедрение композитов ограничивается линейными свойствами волокон, т.е. анизотропными свойствами материала, а также почти полным отсутствием его пластичности. С учетом линейных свойств волокон необходима разработка композитов с надлежащей ориентацией волокон для каждого конкретного применения, а также точных методов расчета конструкций из таких материалов. Отсутствие же пластичности у композитов объективно нельзя считать недостатком, поскольку ее сравнивают с пластичностью металла, которая расценивается как положительное качество. Благодаря пластичности в конструкции происходит перераспределение напряжений в направлении их выравнивания, и зачастую пластичность сглаживает или исключает последствия ошибок, допущенных в процессе конструирования или производства. В настоящее же время существует мнение, опирающееся на результаты применения композитов в элементах конструкции некоторых новейших самолетов, что линейные свойства волокна в композите при условии тщательного проектирования и производства могут стать ценным достоинством.

Определенная ориентация волокон в различных слоях композита вызывает определенное поведение конструкции под нагрузкой. Например, в крыле появляются деформации кручения, которые во время полета дополнительно увеличивают эффективность управления. Это позволяет уменьшить требуемые размеры управляющих поверхностей и тем самым массу и полетное сопротивление самолета.

6. Взаимодействие планера самолета с двигательной установкой

 Сделать закладку на этом месте книги

Из данных, представленных в гл. 3, следует, что эволюция конструктивных форм и общая конструктивная идея самолета зависят от физических явлений, определяемых скоростями полета, и от возможных мер смягчения отрицательных последствий этих явлений. Важную роль в самолете играет двигательная установка, которая не только обеспечивает требуемую скорость полета, но и (с учетом ее габаритов, массы и характера внутренних процессов) значительно влияет также на форму самолета в целом. В отдельных случаях это влияние имеет даже решающее значение. Следовательно, уже на этапе проектирования самолета необходимо провести анализ взаимного влияния частей планера и двигательной установки с точки зрения возможности реализации требуемых летно- технических характеристик. Уровень же достигнутых характеристик свидетельствует о совершенстве самолета в целом и, в частности, об эффективности примененной двигательной установки.

Различия двигательных установок по типу и числу двигателей, их компоновке и габаритам привели к большому разнообразию форм планера сверхзвукового самолета и его частей. Тем не менее, несмотря на разнообразие очертаний самолетов, обусловленное различием задач и требуемых характеристик, располагаемой двигательной установкой и доступными материалами, самолеты каждого конструкторского бюро отличаются определенным «почерком» их создателей.

Двигательной (силовой) установкой называется совокупность устройств и коммуникаций, обеспечивающих самолету необходимую тягу во всем диапазоне его эксплуатационных условий. Основными элементами реактивной двигательной установки являются: двигатели и узлы их крепления, воздухозаборники и устройства выхода отработанных газов, гондолы и кожухи, системы обеспечения топливом и смазкой, системы охлаждения, противопожарной защиты и управления работой двигателя, а также средства контроля за работой систем.

Общий к. п. д. двигательной установки зависит в основном от эффективности работы двигателя, на которую влияет степень совершенства воздушного и выхлопного трактов. В сверхзвуковых самолетах это особенно относится к воздушному каналу, характеристики которого зависят от принципа работы и конструкции его входной части, называемой воздухозаборником. Выбор параметров двигателя для определенного самолета производится на основании энергетических требований, выполнение которых является одним из основных условий обеспечения заданных летно-тех- нических характеристик самолета.

На первом этапе развития сверхзвуковых самолетов существовала в определенных пределах свобода выбора двигателя, в том числе его типа. Однако надежды на использование ракетных и прямоточных двигателей в качестве основы двигательных установок для самолетов широкого применения не оправдались, что ограничило в настоящее время эту свободу лишь до возможности выбора числа и местоположения двигателей, а также принципа действия и конструкции воздухозаборника.

Из представленного во второй части книги обзора 88 типов сверхзвуковых самолетов следует, что 43 из них-одно- двигательные, 3 8 – двух двигательные, 1 – трехдвигательный, 6 – четырехдвига- тельные и 1-шестидвигательный (разница в числе типов самолетов получается в результате учета одно- и двухдвигательного вариантов самолета Х-15). Следовательно, преобладают одно- и двухдвигательные схемы. Значительно большее разнообразие наблюдается среди типов используемых двигателей. На однодвигательных самолетах в 3 случаях применены ракетные двигатели, в 33-турбореактивные (в том числе Е-50, «Дюрандаль» и «Мираж» III оснащены вспомогательными ракетными двигателями), а в 7-двухконтурные турбореактивные (турбовентиляторные).

На двухдвигательных самолетах в 1 случае установлен ракетной двигатель, в 2-комбинированная система, состоящая из турбореактивного и ракетного двигателей («Скайрокет» и SR. 53), в 2-комбинация турбореактивного и прямоточного воздушно-реактивного двигателей («Ледюк» 022 и «Гриффон» И), в 23-турбореактивные, а в 10-турбовентиляторные двигатели. На четырехмоторных самолетах в 4 случаях применены турбореактивные, а в 2-турбовентиляторные двигатели.




Рис. 1.42. Самолет «Ягуар» с балочным кронштейном крепления оперения. 

Размещение двигательной установки

 Сделать закладку на этом месте книги

Отсутствие воздушного винта, относительно небольшая масса, сравнительно простые конструкция и обслуживание реактивных двигательных установок позволяют размещать двигатели в местах, обеспечивающих оптимальные условия их работы и оптимальные характеристики самолета. В современной реактивной авиации наблюдается большое разнообразие вариантов размещения двигателей на самолете. Правда,


убрать рекламу







в сверхзвуковых самолетах эти возможности существенно ограничены, тем не менее в конструкторской практике реализованы следующие варианты размещения двигателей:

– в гондолах, расположенных непосредственно под корневыми (Ту-144, В-1) или средними («Конкорд») частями крыла, либо в гондолах, встроенных в средние части крыла (Т. 188, YF-12A); в самолетах Ту-144, «Конкорд» и В-1 применены гондолы, вмещающие по два двигателя, в остальных случаях-индивидуальные гондолы;

– в гондолах, размещенных под крылом на пилонах (В-58, М-50) либо на концах крыла («Тридан», М-50, VJ-101C); в самолете VJ-101C использованы двухдвигатель- ные, а в остальных-индивидуальные гондолы ;

– в гондоле, вмещающей шесть двигателей и расположенной под хвостовой частью фюзеляжа и корневыми частями крыла;

– в индивидуальных гондолах, размещенных над хвостовой частью фюзеляжа с обеих сторон вертикального оперения.

Остальные самолеты построены по од- но- и двухдвигательной схемам с двигателями, размещенными в хвостовой части фюзеляжа.

Классической для двухдвигательных самолетов можно считать схему с двигателями, размещенными в фюзеляже рядом, хотя построены также и самолеты с двигателями, расположенными один над другим («Лайтнинг», SR.53), друг за другом (в самолете «Скайрокет» с комбинированной двигательной установкой турбореактивный двигатель размещен в средней части фюзеляжа, а ракетный – в его хвосте), а также один в другом («Гриффон» II и «Ледюк» 022, где турбореактивные двигатели установлены соосно внутри прямоточных). Пять из остальных двухдвигательных самолетов (Х-3, F-101, F-4, «Ягуар» и Т-2) имеют короткие фюзеляжи с балочными кронштейнами крепления оперения, что придает самолету специфичную форму. Можно отметить также схему размещения двигателей в самолете F-14, где двигательные гондолы объединены с фюзеляжем, что определяет как общий вид, так и поперечные сечения этой части планера самолета.

При проектировании самолета обычно прорабатываются различные варианты расположения двигателей. Каждый из вариантов, являясь результатом компромисса, имеет определенные недостатки и достоинства. Из них обычно выбирается такой, который с учетом современного состояния науки и техники, назначения самолета, располагаемых возможностей конструкторского бюро, его смежников и заводов-изготовителей представляется конструктору вариантом, обеспечивающим наилучшие показатели самолета.

Варианты конструкции самолета с двигателями, размещенными в крыле, под ним либо на его концах, имеют следующие преимущества:

– свободное пространство в фюзеляже для бомбовых отсеков, топливных баков, грузов и т.п.;

– малую длину воздушных каналов, а значит, и малые потери давления на входе в компрессор двигателя;

– разгружение крыла от массовых сил (тяжести и инерции) в полете, что позволяет уменьшить массу крыла на 10-15%;

– двигатели, размещенные в передней части крыла, выполняют роль противофлат- терного груза и гасят вибрации крыла при полете в турбулентной атмосфере;

– в двигательных гондолах могут размещаться также и люки для уборки шасси;

– в случае установки гондолы на пилоне замена двигателя одного типа на другой (с иными габаритами) может быть осуществлена путем лишь незначительного изменения конструкции (этот вариант обеспечивает также большую противопожарную безопасность);

– более легкий доступ к двигателям во время обслуживания.

Основными недостатками таких компоновок (особенно варианта с двигателями, размещенными в средних частях крыла в плоскости хорд) являются:

– ухудшение аэродинамических характеристик крыла, связанное с размещением воздухозаборника вблизи передней кромки, а выходного сопла возле задней кромки крыла, что приводит к уменьшению несущей способности крыла, увеличению полетного сопротивления самолета и уменьшению возможностей механизации крыла;

– усложнение силовой конструкции крыла;

– возникновение значительного отклоняющего момента в случае выхода из строя одного из двигателей;

– увеличение моментов инерции массы самолета относительно продольной и вертикальной осей, приводящее к уменьшению его маневренности;

– низкое расположение воздухозаборников при размещении двигателей под крылом на пилонах приводит к попаданию в двигатель пыли и других предметов вместе с воздухом во время взлета и посадки, что ускоряет износ деталей двигателя и может быть причиной аварии.

При выборе варианта установки двигателей в крыле необходимо учитывать проблему возникновения дополнительной аэродинамической интерференции между крылом и гондолами, а также проблему нагрева конструкции. Вследствие интерференции при больших скоростях полета у самолета с двигателями в крыле или под ним раньше возникает волновой кризис, что приводит к уменьшению критического числа Маха (т.е. к уменьшению эффекта стреловидности крыла) по сравнению с самолетом, двигательная установка которого размещена в фюзеляже. Интенсивность этого явления зависит от положения гондолы как в вертикальной, так и в горизонтальной плоскостях, поскольку интерференционное сопротивление оказывается наименьшим, когда ось двигателя совпадает с хордой профиля, а наибольшим – при размещении гондол двигателей на пилонах.

Проблема нагрева конструкции при работе двигателя имеет наряду с фактом снижения прочности материала при повышении температуры и другие аспекты. Например, в процессе проектирования самолета В-58 с треугольным крылом потребовалось в соответствии с принципами балансировки, чтобы центры тяжести двигателей, установленных на пилонах, находились перед линией центров давления крыла. Однако при этом возникала опасность нагрева нижней поверхности крыла потоком выхлопных газов. Для самолета В-58 это было тем более опасно, поскольку внутренние объемы его крыла предполагалось использовать как емкости для топлива.

Испытания макета самолета с двухдвигательными гондолами показали, что температура обшивки крыла при работающих двигателях (особенно на земле) возрастает выше допустимого предела. Рассматривался также вариант с гондолами, размещенными над крылом и под ним, однако этот вариант оказался менее всего соответствующим правилу площадей. В конце концов была принята компоновка, удовлетворяющая обоим условиям: гондолы сдвинуты одна относительно другой в продольном направлении (правило площадей) и установлены под разными углами относительно хорды крыла. Для уменьшения интенсивности нагрева внутренние гондолы установлены под значительным положительным углом атаки, а внешние, с выхлопными соплами, находящимися уже за задней кромкой крыла,-под отрицательным углом. Такое расположение двигательных гондол позволило также уменьшить до приемлемого уровня вибрации, сопутствующие воздействию выхлопных газов на обшивку крыла.




Рис. 1.43. Схемы размещения двигателей в сверхзвуковых самолетах. 


Другого рода проблемы возникают при размещении двигателей в гондолах под задними частями крыла либо под корневой частью крыла и фюзеляжем. Такое местоположение гондол позволяет использовать систему косых скачков уплотнения, возникающих под крылом, для увеличения подъемной силы самолета. Наиболее эффективным с этой точки зрения является размещение двигателей в одной общей гондоле, как это сделано в самолете ХВ-70А. Однако недостаток такого решения заключается в увеличении массы конструкции из-за большой длины воздушных каналов. Разнесение гондол, как в самолете «Конкорд», позволяет использовать более короткие воздушные каналы и приводит к разгрузке крыла. Однако при этом прирост подъемной силы по сравнению с общей подфюзеляжной гондолой уменьшается в два раза (20 и 10% соответственно). Ввиду этого в самолете Ту-144 принято промежуточное решение.

В сверхзвуковых самолетах двухмоторная двигательная установка размещается обычно внутри хвостовой части фюзеляжа. Такая компоновка имеет следующие преимущества :

– отсутствие дополнительного аэродинамического сопротивления;

– уменьшение момента инерции массы самолета относительно его продольной оси, что облегчает управление по крену.

Но эта компоновка имеет также и недостатки, а именно:

– усложнение формы и конструкции, а также удлинение воздушных каналов;

– значительный объем фюзеляжа занят двигателями, воздушными каналами и выходными устройствами;

– затрудняется доступ к двигателям, так как для этого возможно использовать лишь относительно небольшие люки конструкции фюзеляжа.

Выше упоминалось, что расположение двигателей один над другим в плоскости симметрии самолета использовалось редко. Одним из двух самолетов, построенных по такой схеме, является «Лайтнинг». При проектировании этого самолета оказалось, что проблема размещения двух двигателей при условиях наименьшей площади миде- лева сечения и минимальной асимметрии тяги может быть успешно решена путем установки двигателей (с общим лобовым воздухозаборником) друг над другом с продольным сдвигом (верхний ближе к концу фюзеляжа). Это не только упрощает задачу балансировки самолета, но также приводит к увеличению боковой поверхности фюзеляжа, а значит, к улучшению путевой устойчивости и возможности некоторого уменьшения площади вертикального оперения.

Однако эта концепция не нашла последователей, так как, помимо обычных недостатков размещения двигателей в фюзеляже, ее характеризует еще более трудный доступ к двигателям, усложнение формы воздушных каналов, а также большой демпфирующий момент хвостовой части фюзеляжа, возникающий во время выполнения маневров в горизонтальной плоскости. Таким образом, основным вариантом компоновки двух двигателей в фюзеляже можно считать их расположение рядом друг с другом.

Наиболее часто двигатели устанавливаются в фюзеляже рядом практически вплотную и только в одном случае (самолет F-14) они раздвинуты на некоторое расстояние. Для первого варианта характерны большие потери давления и большая масса конструкции воздушных каналов (что связано с их большей длиной и криволинейной формой), а также опасность последовательного отказа обоих двигателей. Второй же вариант объединяет достоинства размещения двигателей в фюзеляже и в крыле, поскольку в этом случае воздушные каналы короткие и прямые, а двигатели разделены внутрифюзеляжным пространством, значительная часть которого может быть отведена под оборудование. Этот вариант компоновки отличается также меньшим сопротивлением хвостовой части фюзеляжа, которую можно выполнить в форме клина.

Эволюция воздухозаборника

 Сделать закладку на этом месте книги

Основными параметрами, характеризующими двигатель как силовую установку самолета, являются развиваемая им тяга и удельный расход топлива. Эти параметры определяются на основании характеристик внутридвигательных процессов, которые в случае турбореактивного двигателя зависят главным образом от работы компрессора и турбины. Однако с увеличением скорости полета остальные узлы и агрегаты начинают оказывать на работу двигателя все большее влияние. Это в первую очередь относится к воздушному каналу, форма которого зависит не только от конструкции и назначения двигателя, но также и от его местоположения на планере. С увеличением скорости полета потери давления в воздушном канале увеличиваются, вследствие чего происходит уменьшение тяги двигателя и увеличение удельного расхода топлива.




Рис. 1.44. Возникновение неприсоединенного (а) и присоединенного (б) скачков уплотнения перед воздухозаборниками с закругленной и острой входными кромками. 


Следовательно, определяющими для самолета являются характеристики двигательной установки в целом, а не одного только двигателя. Это утверждение в первую очередь относится к сверхзвуковым самолетам, так как различие между соответствующими характеристиками двигательной установки и двигателя возрастает с увеличением скорости полета. Поэтому для двигательной установки вводится понятие «эффективная тяга», под которой понимается результирующая сил, действующих на внешние и внутренние поверхности двигателя. Характер и величины сил, создаваемых внутренним давлением, и сил трения, обусловленного вязкостью рабочего тела, определяются процессами, происходящими внутри двигателя. Силы же, действующие на внешние поверхности, определяются характером обтекания двигателя внешним потоком и зависят от местоположения и способа установки двигателя на планере, а также от скорости полета. Воздухозаборник и воздушный канал, обычно составляющие часть планера, более других элементов влияют на силу тяги, создаваемой двигательной установкой. Они обеспечивают подвод воздуха, необходимого для нормальной работы двигателя, в требуемом количестве и с определенными скоростью и давлением. При малых скоростях полета сжатие воздуха перед камерой сгорания происходит главным образом в компрессоре. С ростом же скорости полета, а особенно после достижения сверхзвуковых скоростей, появилась возможность использования кинетической энергии потока для повышения давления воздуха, подводимого к двигателю. При таких скоростях роль воздухозаборника существенно возрастает, поскольку использование кинетической энергии набегающего потока воздуха приводит к уменьшению расхода энергии на привод компрессора. Такое входное устройство является фактически предварительным бестурбинным компрессором.

В околозвуковых самолетах достаточно хорошо выполняет свою функцию воздухозаборник постоянной геометрии с закругленной передней кромкой. Тщательное профилирование воздухозаборника обеспечивает малые потери, а также однородное поле скоростей потока перед компрессором. Однако при сверхзвуковой скорости перед таким воздухозаборником на расстоянии толщины ударного слоя образуется неприсоединенный прямой скачок уплотнения, за которым скорость уменьшается до дозвукового значения. Такому скачку сопутствует большое волновое сопротивление, поэтому воздухозаборники постоянной геометрии с закругленной передней кромкой могут использоваться только до М ‹ 1,14-1,2.

Для сверхзвуковых самолетов потребовалось разработать воздухозаборники иной формы и иного принципа действия. Ввиду широкого диапазона эксплуатационных скоростей этих самолетов их воздухозаборники и воздушные каналы должны одинаково хорошо работать в разных условиях, обеспечивая как простой подвод воздуха при взлете, так и создание оптимальной системы скачков уплотнения в полете с максимальной скоростью. Таким образом, конструкция воздухозаборника зависит от скорости полета и расположения двигателя на планере, а также от формы и принципа действия входного устройства двигателя.

В построенных до настоящего времени сверхзвуковых самолетах нашли применение воздухозаборники:

1) центральные (лобовые), т.е. размещенные по оси симметрии самолета (или оси гондолы), либо боковые (по бокам фюзеляжа);

2) нерегулируемые либо регулируемые, т.е. воздухозаборники, внутренняя геометрия которых постоянна или может изменяться в зависимости от условий полета;

3) с внешней, внутренней или комбинированной компрессией, т.е. воздухозаборники, в которых сжатие воздуха путем преобразования кинетической энергии потока в статическое давление происходит соответственно перед воздухозаборником либо в воздушном канале;

4) плоские либо трехмерные, т.е. воздухозаборники, форма поперечных сечений которых близка к прямоугольной либо круглой (полукруглой, эллиптической и т.п.).

В табл. 1 воздухозаборники характеризуются только по первому и второму признакам. Из этих данных следует, что на 33 самолетах применен лобовой воздухозаборник (в том числе на 13 нерегулируемый), а на 52-боковой (в том числе на 17 нерегулируемый). Три самолета с ракетным двигателем, естественно, не имели воздухозаборника. Лобовые воздухозаборники в 21 случае размещены в фюзеляже и в 12-в гондолах. Среди фюзеляжных воздухозаборников в 18 случаях они находятся в носовой части фюзеляжа, а в остальных 3 применен надфюзеляжный (в самолете YF-107A) или под фюзеляжные (в самолетах «Гриффон» и F-16). Боковые же воздухозаборники обычно размещаются перед передней кромкой крыла в его плоскости, над крылом либо под ним в зависимости от принятой аэродинамической схемы самолета. Первый вариант характерен для среднепланов, а второй и третий – соответственно в низкопланах и высокопланах.

Центральные воздухозаборники в фюзеляже или в индивидуальных гондолах выполнены почти исключительно круглыми по форме поперечного сечения, и только в редких случаях использована овальная форма (F-100, «Дюрандаль» и др.) Преимуществом воздухозаборников двигателей, размещенных в гондолах, является их непосредственное соединение с компрессором, благодаря чему они имеют малую массу, малые потери давления и равномерное поле скоростей потока. В крейсерском полете со сверхзвуковыми скоростями для круглых воздухозаборников характерна, кроме того, постоянная система скачков уплотнения, соответствующая расчетным условиям работы.

К недостаткам круглых воздухозаборников относится снижение их эффективности с увеличением угла атаки, обусловленное изменением системы скачков уплотнения. В случае центральных фюзеляжных воздухозаборников воздушный канал оказывается длинным и сложным по форме, что требует значительного объема фюзеляжа и затрудняет размещение топлива, оборудования и т.п. Кроме того, такой воздухозаборник исключает возможность применения радиолокационной антенны большого диаметра, величина которого ограничена габаритами центрального тела, размещенного внутри входного устройства.

Недостаток надфюзеляжного и подфюзеляжного воздухозаборников состоит в снижении их эффективности при больших углах атаки (соответственно положительных или отрицательных) ввиду того, что воздухозаборник заслоняется фюзеляжем и крылом.

Боковым воздухозаборникам свойственно значительно большее разнообразие форм поперечного сечения. В начальный период развития сверхзвуковых самолетов обычно применялись воздухозаборники полуэллиптические, полукруглые или составляющие четверть круга. В последнее время почти повсеместно применяются плоские боковые воздухозаборники прямоугольной формы с закругленными углами. Отказ от полукруглых воздухозаборников объясняется стремлением не искажать профиль корневых частей крыла и плоскую форму несущего фюзеляжа. Размещение воздухозаборников по бокам фюзеляжа позволяет не только значительно укоротить воздушные каналы, но и занять всю носовую часть фюзеляжа оборудованием, в том числе оборудованием радиолокационной станции. Плоские боковые воздухозаборники работают очень эффективно во всем диапазоне эксплуатационных скоростей и углов атаки.

Основными недостатками боковых воздухозаборников являются затенение одного из них фюзеляжем во время выполнения маневров со скольжением при сверхзвуковой скорости полета и влияние на их работу пограничного слоя, который является основным источником неравномерности поля скоростей в воздухозаборнике и воздушном канале. Пограничный слой возникает в результате вязкого трения воздушного потока на обтекаемых поверхностях самолета, причем скорость потока у обшивки резко падает до нуля. При сверхзвуковом обтекании скачки уплотнения, взаимодействуя с пограничным слоем, вызывают местный отрыв потока от обтекаемой поверхности с резким увеличением толщины пограничного слоя 1* и т.д. Неравномерность распределения скорости изза пограничного слоя возрастает так значительно, что, например, в самолете с воздухозаборниками, непосредственно прилегающими к обшивке фюзеляжа, при скорости полета М = 2,5 тяга уменьшается на ~ 45%, а удельный расход топлива увеличивается на ~ 15%.

1*  Толщина пограничного слоя зависит от скорости полета, коэффициента вязкости воздуха, а также от длины обтекаемого участка поверхности. Принимается, что толщина пограничного слоя составляет 1% длины обтекаемого участка при сверхзвуковой скорости полета и возрастает с уменьшением скорости. 










Рис. 1.45. Примеры конструкций воздухозаборников. 

а-боковой воздухозаборник самолета F-4 (видны подвижная передняя и неподвижная-с системой отвода пограничного слоя-части клина); б-боковой воздухозаборник самолета «Мираж» III (видны щель для отвода пограничного слоя с поверхности фюзеляжа и генератор скачков уплотнения в виде полуконуса); в-подфюзеляжный воздухозаборник самолета F-16. 


Аналогичная проблема существует и для лобовых воздухозаборников, оснащенных конусами или клиньями, а также для воздухозаборников с внутренней или комбинированной компрессией. Помпаж воздухозаборника или двигателя, вызванный отрывом потока, может привести к аварии. Для устранения этого нежелательного и опасного явления применяют устройства для отвода пограничного слоя с поверхности фюзеляжа (крыла) перед боковым, под- или надфюзеляжным воздухозаборником, а также отверстия для отсоса пограничного слоя с поверхности конуса или клина, что благоприятствует безотрывному обтеканию. При этом воздух пограничного слоя отводится во внешний поток либо используется для охлаждения двигателя.

Таким образом, проблема работы воздухозаборника самолета с М ‹ 1,1-1,2 весьма сложна, и поэтому входное устройство должно быть спроектировано несколько иначе, чем в дозвуковом самолете.

В диапазоне малых сверхзвуковых скоростей еще применимы нерегулируемые воздухозаборники, выполняемые с заостренными входными кромками, на которых возникает локальный присоединенный прямой скачок уплотнения.

Скорость потока за таким скачком уменьшается до дозвуковой, но она еще так велика, что необходимо дальнейшее замедление потока до значения скорости, требуемого для компрессора. Происходит это в расширяющемся диффузоре. Использование входных острых кромок препятствует возникновению в воздухозаборнике толстого пограничного слоя и последующему отрыву этого слоя, ухудшающему работу двигателя. За локальным присоединенным скачком уплотнения скорость воздуха уменьшается до дозвукового значения так же резко, как и за неприсоединенным головным скачком, однако вследствие его локальности большая часть кинетической энергии переходит в статическое давление (остальная преобразуется в тепловую энергию). Тем не менее с увеличением скорости полета интенсивность скачка и соответственно потери в процессе динамического сжатия возрастают, вследствие чего снижается тяга двигательной установки. Поэтому воздухозаборники такого типа применяются в самолетах с максимальной скоростью, не превосходящей М = 1,5. При более высоких скоростях хорошая эффективность динамического сжатия на бегающего потока может быть достигнута только в системе косых скачков уплотнения, для которых характерна меньшая интенсивность, т.е. меньшее падение скорости и меньшие потери давления. Скорость потока за косым скачком еще остается сверхзвуковой, и если она соответствует числу Маха, не превышающему 1,5-1,7, то дальнейшее торможение потока может

происходить в прямом скачке. Потери в таком слабом скачке невелики, а дозвуковая скорость за ним уже приемлема для воздушного канала. Двухскачковый воздухозаборник работает эффективно до скорости полета М = 2,2. При дальнейшем увеличении скорости набегающего потока возрастает также число Маха за косым скачком. Если оно превышает 1,5-1,7, то поток воздуха следует дополнительно сжать в еще одном косом скачке, чтобы его скорость перед замыкающим прямым скачком имела приемлемое значение. Воздухозаборник с такой системой скачков называется трехскачковым и может применяться до М ~ 3.

Требуемую систему скачков можно создать путем выдвижения из воздухозаборника вперед элемента с острой вершиной (независимо от использованного принципа компрессии) либо путем использования воздухозаборника с острыми входными кромками и соответствующим образом спрофилированного диффузора (во входных устройствах с внутренней или комбинированной компрессией).

Конструктивные элементы внутри воздухозаборника, используемые для создания косых скачков уплотнения, называются генераторами скачков. На практике нашли применение генераторы в форме конусов, полуконусов, четвертьконусов и клиньев. На их вершинах при сверхзвуковом полете образуется присоединенный скачок с углом наклона, зависящим как от угла при вершине тела, так и от числа Маха. Поскольку в косом скачке изменение параметров потока, как уже упоминалось выше, происходит менее резко, чем в прямом, значительно меньше и потери, а тем самым выше создаваемое статическое давление. Статическое давление заторможенного потока тем больше, чем выше скорость полета и число косых скачков уплотнения, в которых происходит преобразование энергии.

На практике используются двух-, трех- и даже четырехскачковые системы. Второй и последующие косые скачки могут создаваться генератором с ломаной образующей или в результате отражения волн возмущения от внутренних стенок диффузора. Первый способ создания скачков характерен для воздухозаборников с внешней компрессией, а второй-с комбинированной.




Рис. 1.46. Воздухозаборники сверхзвуковых самолетов. 

а -«Сюпер-Мистэр» В.4; 6-F-100; e-F-104; г-F.D.l; d-F-8; е-В-58. 




Рис. 1.47. Геометрия совкового воздухозаборника самолета F-14 с верхней кромкой, выполняющей роль генератора косых скачков уплотнения в полете с дозвуковой (а), околозвуковой (б) и сверхзвуковой (в) скоростями. 


В воздухозаборниках с внутренней компрессией скачки индуцируются внутри неосесимметричного воздушного канала благодаря соответствующему профилю поперечных сечений диффузора.

Описанные выше способы создания скачков уплотнения различаются между собой местом образования скачков относительно плоскости входа в воздухозаборник. Общей чертой их является многоступенчатость процесса торможения потока, благодаря чему обеспечиваются максимальное использование динамического сжатия, минимальные потери и равномерное распределение скорости.

На первых сверхзвуковых самолетах с воздухозаборниками, оснащенными генераторами косых скачков уплотнения, использованы входные устройства с внешней компрессией. По сравнению с другими они довольно просты в регулировке и имеют малую массу. Генератор размещается относительно входа в воздухозаборник таким образом, чтобы генерируемый им первичный скачок касался входной кромки воздухозаборника в расчетных условиях полета, что позволяет получить максимальный захват воздуха, минимальные потери в процессе сжатия и минимальное внутреннее сопротивление входного устройства.

Однако существенными недостатками входных устройств этого типа по сравнению с другими являются большое (наибольшее) внешнее сопротивление, связанное с изменением направления движения потока, а также наименьший прирост статического давления и большая лобовая площадь из-за того, что внутри воздухозаборника необходимо разместить генератор скачков. Теоретически наиболее рационально использование входных устройств с внутренней компрессией, которые наиболее эффективны и обладают минимальным внешним сопротивлением. Однако такие входные устройства пока не нашли практического применения ввиду сложности конструкции профилированного воздушного канала и необходимости плавного изменения его внутренней геометрии в соответствии с изменяющимися условиями полета и работы двигателя. В настоящее время все шире применяются входные устройства с комбинированной компрессией, которые при относительно простой конструкции отличаются довольно высокой эффективностью.

Представленные примеры геометрии и конструкции воздухозаборников свидетельствуют о возможности индивидуального подхода к задаче проектирования воздухозаборника с учетом изменяющихся условий его работы. Показанные на рис. 1.45 и 1.46 воздухозаборники принципиально различаются по форме и внешнему виду, но они аналогичны по характеру работы при определенной скорости. Разница в деталях обычно связана с принятыми теоретическими предпосылками, результатами экспериментов и вкусами конструкторов.

Например, британский экспериментальный самолет F.D.2, на котором в 1956 г. был установлен мировой рекорд скорости (1822 км/ч), имел весьма специфичный воздухозаборник. Его верхняя входная кромка заострена и выдвинута вперед относительно закругленной нижней. С одной стороны, это приводит к возникновению на верхней кромке присоединенного косого скачка, который проходит на определенном расстоянии перед нижней кромкой, не позволяя возникнуть около нее неприсоединенному прямому скачку. С другой же стороны, выдвижение верхней кромки вперед позволяет увеличить лобовое сечение воздухозаборника в полетах на больших углах атаки, когда скорость полета мала, а требуемый расход воздуха в двигателе велик.

Кроме того, получили распространение устройства дополнительного подвода или отвода воздуха, входящие в систему воздухозаборника. К таким устройствам относят впускные (взлетные) и перепускные створки, которые обычно располагаются либо вблизи регулирующего элемента (конуса, рампы, клина), либо по длине воздушного канала и открываются или закрываются в зависимости от требуемого для дви


убрать рекламу







гателя расхода воздуха. На рис. 1.47 показаны положения элементов воздухозаборника самолета F-14 на различных режимах полета.

При взлете и полете с небольшими скоростями передняя и задняя части подвижной рампы воздухозаборника подняты, а взлетно-перепускная створка открыта, благодаря чему обеспечивается поступление к двигателю требуемого количества воздуха, несмотря на малую скорость набегающего потока. С увеличением скорости полета и давления воздуха на входе в компрессор направление воздушного потока, протекающего через взлетную створку, меняется на противоположное, и излишний воздух из воздушного канала перепускается в атмосферу. При полете с околозвуковой скоростью пропускная способность створки оказывается недостаточной, и для ограничения поступления воздуха в компрессор задняя часть рампы отклоняется вниз, вследствие чего уменьшается проходное сечение воздухозаборника, а размеры канала для отвода воздуха увеличиваются. При полете с большими сверхзвуковыми скоростями передняя и задняя части рампы еще больше отклоняются вниз, обеспечивая поступление в двигатель оптимального количества воздуха. Щель между передней и задней частями рампы используется для отвода пограничного слоя.

Из представленного выше обсуждения следует, что сверхзвуковые воздухозаборники с генератором косых скачков должны профилироваться таким образом, чтобы при расчетной скорости полета первичный скачок касался входной кромки. Такое положение скачка обеспечивает наибольшую эффективность работы входного устройства, поскольку при этом расход воздуха максимален, потери в процессе сжатия и входное сопротивление минимальны, а двигатель работает наиболее устойчиво. Очевидно, что такие условия существуют лишь при определенном числе Маха. Это означает, что данному числу Маха соответствует определенное положение генератора скачков относительно входной кромки воздухозаборника, а на других режимах работы характеристики воздухозаборника ухудшаются. Таким образом, в широком диапазоне сверхзвуковых скоростей набегающего потока удовлетворительные характеристики работы двигателя с нерегулируемым воздухозаборником обеспечить не удается.

Этот недостаток является следствием несоответствия постоянной геометрии воздухозаборника, рассчитанной для определенных условий течения, оптимальным параметрам внутреннего и внешнего потоков при нерасчетных условиях. Этот недостаток может быть устранен частично или полностью путем изменения геометрии воздухозаборника (входного, критического и/или выходного сечений) в соответствии с изменяющимися скоростью и высотой полета. Обычно это осуществляется посредством плавного автоматического перемещения регулирующего элемента, что обеспечивает требуемый расход воздуха при малом внешнем сопротивлении в широком диапазоне скоростей полета, соответствие пропускной способности входного устройства производительности компрессора и соответствие системы скачков

конфигурации воздухозаборника. Это исключает также возможность возникновения неприсоединенного прямого головного скачка – основной причины неудовлетворительной работы воздухозаборника и воздушного канала в целом.

В заключение следует отметить, что расположение двигателей и воздухозаборников на самолете, как и выбор типа входного устройства, являются предметом комплексных исследований, учитывающих не только требования обеспечения наилучших условий работы двигательной установки, но и характеристики самолета в целом.

7. Самолеты изменяемой геометрии

 Сделать закладку на этом месте книги

Подводя итог предыдущим рассуждениям, можно сказать, что при создании сверхзвуковых самолетов основное внимание в области аэродинамики направлено на решение проблем, с одной стороны, увеличения максимальной скорости полета, а с другой стороны, ограничения роста скоростей взлета и посадки. Что касается максимальных скоростей полета, то достигались они лишь путем уменьшения площади и относительной толщины крыльев и оперения самолетов и увеличением угла стреловидности. Такие крылья, действительно, имеют малое сопротивление, но одновременно и малую подъемную силу. Использовавшиеся до сих пор способы уменьшения скорости взлета и посадки всегда приводили к существенному увеличению массы самолета и усложнению его конструкции (особенно крыльев с механизацией), в результате чего ухудшались летные качества самолета и усложнялось обслуживание.

Ввиду этого приходится создавать самолеты с характеристиками, которые оказываются хорошими только для некоторых, точно определенных режимов полета, или самолеты, у которых вследствие компромиссных решений наихудшие летные характеристики повышаются за счет наилучших. Первый подход приводит к созданию самолетов узкого назначения и используется главным образом в военной авиации. Однако практика военных действий показывает, что военной авиации требуются самолеты, обладающие не только хорошими летно-тактическими данными во всем диапазоне используемых скоростей, но также допускающие посадку и взлет с автомобильных дорог и наскоро подготовленных аэродромов. Такие самолеты будут иметь потенциальную возможность достижения преимущества в воздухе, быстрого выполнения боевого задания, проникновения в глубь территории противника на малой высоте (как правило, вне зоны действия наземных радиолокационных станций и прочих элементов системы активной и пассивной противовоздушной обороны) и т.п. Со своей стороны, применение самолетов узкого назначения уменьшает гибкость и эффективность использования большого количества оборудования (большое число одновременно действующих военных самолетов), усложняет обслуживание и материальное обеспечение, а также обучение наземного и летного состава (большое число типов самолетов), требует расширения производства запасных частей и ремонтной базы и т.п. Это означает, что в военной авиации известная универсальность самолета имеет важное значение не только с точки зрения разнообразных условий боевого использования, но также из-за высоких эксплуатационных требований.

На современном этапе развития авиации именно такими свойствами обладают самолеты с изменяемой геометрией крыла, создаваемые в основном как многоцелевые истребители (рис. 1.48). Каким образом это достигается? Известно, что максимальная скорость горизонтального полета зависит от тяги двигательной установки и лобового сопротивления самолета, а посадочная скорость-от подъемной силы и от массы самолета. При данной силовой установке и постоянной массе конструкции самолета увеличение отношения максимальной скорости к посадочной зависит главным образом от аэродинамической формы и конструкции крыла. Поэтому усовершенствования крыла обычно направлены как на увеличение первой из указанных скоростей, так и на уменьшение второй.

Таким образом, завоевание авиацией новых рубежей по скорости и высоте связано не только с использованием более совершенной или принципиально новой двигательной установки и новой компоновки самолетов, но также с изменениями их геометрии в полете. Такие изменения, улучшая характеристики самолета при больших скоростях, не должны ухудшать их качеств, соответствующих малым скоростям, и наоборот. Ввиду этого от упомянутой выше тенденции уменьшения площади крыльев и относительной толщины их профилей, а также увеличения угла стреловидности крыла у самолетов с изменяемой геометрией конструкторы в последнее время отказываются, возвращаясь к крыльям малой стреловидности и большой относительной толщины, если уже достигнуты удовлетворительные величины максимальной скорости и потолка. В таком случае считается важным, чтобы сверхзвуковой самолет имел хорошие летные данные на малых скоростях или на малых высотах. Таким образом, крылья с изменяемой геометрией применяются с целью увеличения подъемной силы самолета при малых скоростях и уменьшения сопротивления при больших скоростях, особенно на малых высотах.




Рис. 1.48. Самолеты изменяемой геометрии польских ВВС. 


Возможность достижения указанных качеств в различных диапазонах скоростей в зависимости от конкретных потребностей (фактически это означает выбор угла стреловидности крыла, соответствующего скорости полета) позволяет считать самолеты с изменяемой геометрией самолетами, характеристики которых достаточно хороши на всех этапах полета и во всем диапазоне скоростей.

Принцип изменения геометрии крыла

 Сделать закладку на этом месте книги

Все вспомогательные подвижные элементы крыла (кроме поверхностей, используемых в системе управления самолетом), которые каким-либо образом влияют на аэродинамические свойства крыла, носят общее название «механизация». Механизация применяется в самолете в основном с целью уменьшения скорости взлета и посадки и поэтому не обеспечивает необходимых свойств на основных режимах полета. Исключение составляют тормозные щитки, используемые для уменьшения скорости, особенно во время пикирования, а также предкрылки или носовые щитки, иногда применяемые для увеличения кривизны траектории полета при маневре.

Крыло с такого рода механизацией называется крылом постоянной геометрии (обычно это подразумевается само собой и определение «крыло постоянной геометрии» не применяется), несмотря на то что во время полета обычно происходит изменение геометрических параметров крыла, таких, как форма, площадь, кривизна профиля и т.д. К самолетам постоянной геометрии относят также самолеты с крылом переменного угла установки или с крылом, концы которого могут отклоняться в вертикальной плоскости с целью уменьшения площади несущей поверхности и увеличения или уменьшения устойчивости во время сверхзвукового полета. К этой группе относятся также самолеты, у которых, исходя из требований устойчивости на сверхзвуковых скоростях, вместо вертикального оперения большой площади используются подфюзеляжные кили или аэродинамические направляющие, устанавливаемые в задней части фюзеляжа, которые могут выдвигаться наружу из фюзеляжа, складываться или сбрасываться в полете, что позволяет осуществить взлет и посадку самолета с коротким шасси на больших углах атаки. Таким же образом рассматривается изменение геометрии во время убирания шасси и контейнеров неуправляемых ракет или поднятие передней части фюзеляжа, которое выполняется с целью уменьшения сопротивления.

Какой же самолет с учетом изложенного называется самолетом изменяемой геометрии? Поскольку основное влияние на лет- но-технические характеристики самолета оказывает крыло, а у сверхзвукового самолета-стреловидность передней кромки крыла и относительная толщина профиля, в настоящее время самолетом изменяемой геометрии называют самолет, крылья которого изменяют в полете угол стреловидности передней кромки по желанию пилота или по заданной программе 1* . При изменении угла стреловидности изменяются размах и отчасти площадь, а также положение сечений крыла относительно направления потока; в результате изменяются удлинение крыла и относительная толщина профиля, а вместе с ними подвергаются изменению аэродинамические характеристики, особенно качество.

Крыло изменяемой стреловидности в «развернутом» положении обычно практически прямое (иногда с очень малым углом стреловидности), а в «сложенном» положении оно приобретает большую стреловидность. Это означает, что самолеты с изменяемой геометрией крыла сочетают достоинства самолетов с прямым крылом большого удлинения и самолетов с крылом большой стреловидности малого удлинения.

1* Ввиду нечеткости термина «самолет изменяемой геометрии», который употребляет автор, здесь удобнее использовать термин «самолет с изменяемой стреловидностью (геометрией) крыла».- Прим. ред.

Развитие концепции самолета с изменяемой геометрией крыла

 Сделать закладку на этом месте книги

Проекты самолетов с изменяемой геометрией крыла появились практически одновременно с проектами обычных самолетов, однако впервые они поднялись в воздух лишь в начале 30-х годов (Павгуста 1930 г. прошел летные испытания самолет М.10 с крылом изменяемого размаха конструкции Махонина). Изменение геометрии крыла, которое в то время должно было выполнять функцию современной механизации крыльев, касалось почти исключительно изменения площади крыла с сохранением угла стреловидности передней кромки. Это и понятно, так как проблема уменьшения волнового сопротивления на том этапе развития авиации еще не существовала.

Как известно, изменение площади крыла (посредством увеличения его размаха, или хорды, или одновременно обоих параметров) может привести к изменению удлинения, относительной толщины профиля и сужения, а отсюда к изменению летных характеристик самолета, которые зависят от этих параметров. Такое изменение геометрии малоэффективно, так как усложняет конструкцию и изготовление крыльев, что дает сравнительно небольшой аэродинамический эффект ценой значительного увеличения массы самолета (достигнутые максимальные скорости для конфигураций максимальной и минимальной площадей различались не более чем на 5-10%).

Первые конструктивные решения, соответствующие современным взглядам на изменение геометрии крыла, были реализованы в период второй мировой войны, при разработке самолета «Мессершмитт» Р-1101 со стреловидным крылом, угол стреловидности которого мог составлять 35 или 45°. Летные испытания этого самолета не были завершены, и в 1945 г. он был захвачен войсками США. В 1948 г. в NACA рассматривалась возможность применения крыла изменяемой геометрии на экспериментальных сверхзвуковых самолетах Х-1 и Х-2. В связи с этим фирме «Белл» было предложено решить эту задачу, используя опыт разработки конструкции прототипа Р-1101. Самолет, обозначенный Х-5, разрабатывался как истреби- тель-штурмовик, поэтому в процессе проектирования принимались во внимание тактико-технические требования военно- воздушных сил США для самолетов такого типа. Первый из двух построенных экземпляров Х-5 совершил полет 20 июня 1951 г. На самолете был установлен один турбореактивный двигатель J35-A-17 фирмы «Эллисон» тягой 2220 даН. В дальнейшем предполагалось использовать двигатель J40-WE-2 фирмы «Вестингауз» с системой дожигания, однако ни двигатель, ни форсажная камера на самолете не устанавливались.

Характерной чертой системы изменения угла стреловидности крыла была автоматическая компенсация перемещения центра давления относительно центра тяжести самолета при изменении положения крыла. Это обеспечивалось путем перемещения крыла вперед при увеличении угла его стреловидности и позволяло получить приемлемые характеристики устойчивости и управляемости (т.е. маневренность) в используемом диапазоне углов стреловидности на всех этапах полета. Улучшение характеристик взлета и посадки достигнуто не только благодаря возможности установки крыла в положение минимальной стреловидности, но также вследствие использования предкрылков,размещенных почти по всему размаху. Кинематика изменения положения крыла позволяет варьировать угол стреловидности передней кромки в диапазоне 20-60°, при этом обе консоли крыла поворачиваются относительно общей оси, расположенной в плоскости симметрии самолета, с помощью электропривода. При стреловидности 20° размах составляет 9,7 м, а максимальная скорость 967 км/ч, тогда как в положении максимальной стреловидности эти параметры равны соответственно 6,3 м и 1040 км/ч. Во время летных испытаний максимальная стреловидность обеспечила высокую скорость подъема, а минимальная-высокую экономичность на крейсерском режиме и возможность взлета и посадки с использованием короткой взлетно-посадочной полосы (ВПП).

Вторым самолетом, на котором использовано крыло изменяемой стреловидности, был «Ягуар» XF10F-1 фирмы «Грумман», предназначенный для морской авиации США. При разработке самолета преследовалась цель обеспечения хороших характеристик при полете на малых скоростях, что важно для палубной авиации. На самолете XF10F-1 устанавливалось крыло, угол стреловидности которого изменялся в диапазоне 13,5-42,5°. При наименьшей стреловидности размах составлял 15,42 м, а при наибольшей 11,17м. Первый облет этого самолета был произведен 19 мая 1953 г.

Посредством изменения положения крыльев вдоль фюзеляжа механизм установки угла стреловидности «Ягуара» автоматически компенсировал перемещение центра давления относительно центра тяжести самолета. При наибольшем угле стреловидности крыло занимает крайнее переднее положение, а при наименьшем-крайнее заднее. Изменение угла стреловидности должно быть точно синхронизировано с перемещением крыла, иначе расстояние между центром давления и центром тяжести увеличивается настолько, что самолет становится опасно неустойчивым. На самолете «Ягуар» был установлен турбореактивный двигатель J40-WE-8 с тягой 32,92 кН (3357 кГ) без форсирования и 48,48 кН (4944 кГ) с форсированием. При взлетной массе 14177 кг самолет развивал максимальную скорость 1175 км/ч. Сравнительный анализ летных данных «Ягуара» и самолета «Демон» F3H-1 фирмы «Макдоннел» (оба самолета использовали одну и ту же силовую установку и имели приблизительно одинаковую взлетную массу) показал, что у самолета изменяемой геометрии аэродинамическое качество возрастает на 15%, а посадочная скорость уменьшается на 25%, но в то же время примерно на 130 км/ч снижается максимальная скорость. Вначале командование морской авиации США заказало 30 самолетов F10F-1, однако отрицательные результаты летных испытаний и усложненное обслуживание вызвали отказ от этого решения.




Рис. 1.49. Модель самолета «Ласточка» с развернутыми крыльями. 


Из вышеизложенного следует, что переворота в авиационной технике, ожидавшегося от крыла изменяемой стреловидности, не произошло, и первые два самолета с этим нововведением показали недостаточные летные качества, так как многочисленные технические проблемы, связанные с неизбежным усложнением конструкции летательного аппарата, были решены в них не на должном уровне. Использованная кинематическая система перемещения подвижных консолей крыла была слишком сложной, и любая небольшая неточность в изготовлении или не слишком тщательная подготовка к полету приводили, как правило, к аварийной ситуации. Поэтому указанные самолеты не вышли из стадии опытного образца. Это объясняется недостаточным для такого рода задач уровнем технологии в области конструкции самолета, двигателестроения и оборудования, а также малой прочностью и большой плотностью применявшихся материалов. Кроме того, выигрыш, который дает применение крыла изменяемой стреловидности на дозвуковых или околозвуковых самолетах, слишком мал по сравнению с увеличением массы и усложнением конструкции самолета. В то же время эффективность использования сверхзвуковых самолетов зависит и от их характеристик при полете на дозвуковых скоростях, что делает необходимым применение крыла изменяемой стреловидности, а с технической точки зрения это стало возможным уже в начале 60-х годов.

В 1950 г. в Великобритании фирма «Виккерс-Армстронг» начала разработку крыла изменяемой геометрии для сверхзвуковых самолетов. Проект под названием «Своллоу» («Ласточка») предполагал создание самолета (в перспективе-бомбардировщика) по типу «летающее крыло». «Ласточка» (рис. 1.49) имела треугольные неподвижные прифюзеляжные части крыла со стреловидностью передней кромки 75°

и подвижные консоли трапециевидной формы в плане. Предусматривалась возможность изменения положения подвижных консолей в широком диапазоне углов, причем в крайнем заднем положении их передняя кромка становилась продолжением передней кромки неподвижных частей крыла. Четыре двигателя устанавливались в гондолах-по два на каждой консоли (одна над крылом, другая под ним). Гондолы имели одну степень свободы, которая позволяла сохранять ось двигателя параллельной оси самолета независимо от угла стреловидности. Благодаря такому расположению двигателей во время изменения угла поворота консолей происходило перемещение центра тяжести, которое компенсировало изменение положения центра давления (при увеличении стреловидности центр тяжести перемещался назад вместе с центром давления).

В 1958 г. после отказа в правительственных кредитах работы над «Ласточкой» прекращаются еще до создания опытного экземпляра; это объясняется появившейся тенденцией снабжения самолетов ракетным вооружением и в связи с этим утратой заинтересованности Министерства обороны Великобритании в пилотируемых бомбардировщиках. Однако в рамках проекта были проведены обширные летные испытания управляемой модели с ракетными двигателями. Почти в это же время проектом заинтересовались военно-воздушные силы США, для которых такой самолет мог бы явиться хорошим дополнением околозвукового стратегического бомбардировщика «Стратофортресс» В-52 фирмы «Боинг», предназначенного для выполнения роли дежурящего в воздухе носителя ракет дальнего действия.



Таблица 6. Характеристики самолетов изменяемой геометрии



Принятые обозначения:  

Н-низкоплан; В-высокоплан; Б-бомбардировщик; МИ-многоцелевой истребитель; Э-экспериментальный самолет; Д-стабилизатор-полностью поворотное горизонтальное оперение, выполняющее функцию элевонов (дифференциальным стабилизатор); ТРД – турбореактивный двигатель; ТВРД-турбовентиляторный двигатель. 

1) Проектные данные. 


В этой ситуации оказались ненапрасными большие затраты на теоретические и экспериментальные исследования, которые первый раз в истории развития самолетов изменяемой геометрии соответствовали достигнутому уровню техники (на рубеже 50-х-60-х годов), и успешное завершение начатых работ выразилось в создании серийных сверхзвуковых самолетов с изменяемой стреловидностью крыла. Работы, начатые в США в начале 60-х годов над многоцелевым истребителем ТFХ (позднее F-111), а затем аналогичные разработки в СССР и Франции были успешно завершены. Таким образом, F-111 стал не только первым сверхзвуковым самолетом изменяемой геометрии, но и первым серийным самолетом этого класса.

В настоящее время, по опубликованным данным, производится или готовится к серийному производству несколько типов таких самолетов (табл. 6). Это обусловлено не только достижениями в области двига- телестроения и технологии производства летательных аппаратов, но также и военными требованиями.

Аэродинамические характеристики

 Сделать закладку на этом месте книги

На начальном этапе разработки самолетов с изменяемой стреловидностью крыла было обнаружено, что решающее значение для самолета, развивающего высокие максимальные скорости, имеет малая посадочная скорость. К началу 70-х годов было установлено, что достигнуть этого можно конструктивно менее сложным и более дешевым способом, если использовать, например, схему крыльев «тандем» (как на самолете «Вигген») или дополнительные поверхности, убираемые (как в самолетах «Мираж-Милан» и Ту-144) или неубираемые (как в самолетах «Кфир» С2 и «Мираж» 4000).

Благодаря применению тех или иных конструктивных решений посадочная скорость сверхзвукового самолета оказывается близкой к посадочной скорости дозвуковых самолетов. Таким образом, нецелесообразно создавать самолет с изменяемой стреловидностью крыла, предназначенный исключительно для выполнения длительных полетов с максимальной скоростью на большой высоте, поскольку требования взлета и посадки могут быть выполнены другими средствами (именно с этой точки зрения отвергнут проект американского пассажирского самолета с изменяемой стреловидностью крыла). Исключение составляют многоцелевые истребители, для которых необходимы хорошие летно-тактические характеристики при различных условиях полета; особенно это касается полета в неспокойной атмосфере на малой высоте с максимальной скоростью, поскольку аэродинамические характеристики крыла изменяемой геометрии менее чувствительны к неспокойной атмосфере.




Рис. 1.50. Истребитель F-111B фирмы «Дженерал дайнемикс». 


При проектировании самолета с изменяемой стреловидностью крыла основной проблемой является создание подвижных частей крыла по возможности наибольших площади и размаха в «развернутом» положении, чтобы получить достаточное изменение характеристик. Обе величины зависят от диапазона изменения угла стреловидности. В созданных до сих пор конструкциях максимальный диапазон изменения угла стреловидности составляет 16-72,5° (для самолета F-111, рис. 1.50), при этом диапазон 20-68° с учетом положения оси поворота в центроплане считается оптимальным. Этот диапазон достаточен для того, чтобы крылья приобретали форму, необходимую для полета как на малой, так и на максимальной скорости, соответствующей даже М = 3. Выше говорилось, что изменение стреловидности вызывает изменение удлинения крыла и относительной толщины профиля. Из зависимости, показанной на рис. 1.51,а, видно, что уменьшение угла стреловидности от ~ 70 до ~ 20° приводит к увеличению удлинения с 2-3 до 6-8,5 и относительной толщины профиля с 4-6 до 10-12%. Вследствие этого изменяются соответствующие аэродинамические характеристики.

Наиболее важным параметром, отражающим аэродинамические характеристики самолета, является качество, равное отношению подъемной силы к лобовому сопротивлению. Аэродинамическое качество при прочих равных условиях зависит в основном от удлинения крыла, его угла стреловидности и толщины профиля. В дозвуковом диапазоне скоростей можно считать, что качество возрастает при увеличении удлинения и толщины профиля, а также при уменьшении угла стреловидности. Эта зависимость показана графически на рис. 1.51,6 как функция скорости при полете на малой высоте для крыльев постоянной геометрии с различными значением угла стреловидности и для крыльев изменяемой геометрии. Видно, что у последних аэродинамическое качество является оптимальным во всем диапазоне скоростей полета. В сверхзвуковых самолетах постоянной геометрии используются компромиссные значения угла стреловидности в диапазоне 60-45°, которому соответствует максимальное качество 10-12.

Из графика видно, что крыло изменяемой геометрии на сверхзвуковых скоростях имеет качество выше почти на 100%, а на околозвуковых скоростях-почти на 50%. Следовательно, характеристики сверхзвукового самолета с изменяемой стреловидностью крыла на дозвуковых скоростях (патрульный полет истребителя, полет к цели бомбардировщика, ожидание разрешения на посадку и т.п.) будут значительно лучше, чем у сверхзвукового самолета обычного типа.

Другим важным свойством крыла изменяемой геометрии при уменьшении угла стреловидности является рост несущей способности вследствие увеличения удлинения и толщины профиля. Дополнительное увеличение подъемной силы обеспечивается с помощью механизации крыла, например предкрылков и щелевых закрылков, устанавливаемых по всему размаху. При этом эффективность закрылков максимальна на прямых крыльях большого удлинения.

Таким образом, уменьшение стреловидности приводит к уменьшению взлетной скорости (длины разбега) или увеличению полезной нагрузки, а при посадке-к сокращению пробега самолета.




Рис. 1.51. Пример возможного изменения удлинения "лямбда", относительной толщины профиля g и качества самолета Кмакс в зависимости от угла стреловидности передней кромки Х. 


Благодаря хорошим взлетно-посадочным характеристикам самолеты с крылом изменяемой стреловидности имеют малую скорость отрыва и посадки по сравнению с обычными самолетами. Поэтому длины разбега и торможения уменьшаются в 1,5-2 раза, а вертикальная составляющая скорости снижения при заходе на посадку с включенным двигателем-в 2-2,5 раза. Это упрощает технику пилотирования на таких ответственных этапах полета, как взлет и посадка, а также позволяет использовать самолет на аэродромах с укороченной взлетно-посадочной полосой. На этих этапах полета сверхзвуковой самолет с крылом изменяемой стреловидности имеет характеристики классического дозвукового самолета. Изменение величины коэффициента подъемной силы способствует также уменьшению чувствительности самолета к неспокойной атмосфере в около- и сверхзвуковом полете на малой высоте. Уменьшение этой чувствительности улучшает условия пилотирования (меньшие амплитуды и частоты возмущений), увеличивает точность выполнения боевого задания (например, сброс груза), а также уменьшает нагрузки, действующие на летательный аппарат в полете, и предотвращает чрезмерное утомление экипажа 1*.

В самолетах изменяемой геометрии (рис. 1.52) удельная нагрузка на крыло является одним из наиболее важных параметров. Если самолет должен иметь хорошие взлетно-посадочные характеристики и большую дальность полета на дозвуковой с


убрать рекламу







корости, то следует ориентироваться на малую удельную нагрузку. Если самолет должен выполнять длительные полеты с большой скоростью на малой высоте и быстро разгоняться до сверхзвуковой скорости с одновременным подъемом для проведения воздушного боя, то удельная нагрузка на крыло будет большой.

Большинство построенных самолетов с изменяемой стреловидностью крыла принадлежит к классу многоцелевых, поэтому из компромиссных условий для них выбиралась большая удельная нагрузка. Воздействие большой нагрузки на крыло смягчается применением эффективной механизации для взлета и посадки; при этом работа механизации синхронна с работой механизма изменения стреловидности. Например, в самолете F-111 по всему размаху установлены секционированные выдвижные закрылки с углом отклонения 37,5° и предкрылки, выдвигаемые вперед и отклоняемые на 40°. Чтобы обеспечить синхронное, симметричное и одинаковое по величине отклонение механизации, предусмотрено специальное приспособление, выравнивающее относительное положение элементов механизации и в необходимых случаях блокирующее ее. Таким образом, при наличии блокировки механизацией нельзя управлять до тех пор, пока управляющее приспособление не будет отрегулировано на земле до требуемого положения. Кроме того, предусмотрена блокировка закрылков и предкрылков в положениях «выпущено» и «убрано» в зависимости от угла стреловидности крыльев. При стреловидности, большей 26°, общий рычаг закрылков и предкрылков блокируется в положении «убрано», а при отклоненных закрылках исключается возможность увеличения угла стреловидности крыла более 26°. Это означает, что закрылки могут отклоняться в диапазоне угла стреловидности крыла 16-26°. Аналогичное блокирующее приспособление препятствует несимметричному отклонению предкрылков.

1*  Еще одним важным достоинством крыла изменяемой геометрии по сравнению с обычным является меньшее сопротивление в процессе преодоления звукового барьера, что позволяет сэкономить топливо и тем самым увеличить дальность полета или полезную нагрузку- Прим. ред. 




Рис. 1.52. Форма центропланов и подвижных консолей крыла самолетов изменяемой геометрии (кроме В-1, масштаб 1 :200). 


Механизация имеет только два положения-убранное и выпущенное. Отклонение закрылков и предкрылков производится с помощью одного рычага, однако закрылки не могут отклоняться на угол, больший 15°, если предкрылки не отклонились на угол, равный 28°. Предкрылки не могут быть убраны, если закрылки отклонены на угол, превышающий 15°. Синхронизация отклонения элементов механизации на заданных углах стреловидности крыла связана с тем, что каждый угол соответствует определенным условиям полета: взлет-16°, подъем-26°, экономичный полет на дозвуковой скорости-26°, полет с большой дозвуковой скоростью-45°, полет с околозвуковой скоростью (до М = = 1,1)-от 55 до 60°, полет со сверхзвуковой скоростью-72,5°, посадка-16-26°.

В процессе проектирования самолета приходится решать важную задачу разработки простого метода увеличения продольной и поперечной управляемости при изменении угла стреловидности. Проблема состоит в том, что при увеличении угла стреловидности центр давления существенно смещается назад относительно центра тяжести. В результате этого перемещения, приводящего к резко выраженной передней центровке, возрастает продольная устойчивость, что приводит к ухудшению управляемости и увеличению балансировочного сопротивления.

Один из способов противодействия этому явлению состоит в размещении оси поворота крыла вне контура фюзеляжа (несколько сзади). Благодаря этому можно уменьшить величину поверхности подвижных частей крыла при сохранении того же размаха. Это в свою очередь уменьшает перемещение центра давления, а неподвижные, относительно большие околофюзеляжные части крыла сохраняют стреловидность, допустимую при полете на больших скоростях. Следует отметить, что увеличение подъемной силы неподвижной части крыла (относительно подвижной) при увеличении угла стреловидности противодействует перемещению центра давления назад. Это приводит к увеличению эффективного угла атаки, благодаря чему возвращается часть подъемной силы, утраченной при увеличении угла стреловидности. В этом случае продольная устойчивость самолета остается в допустимых пределах во всем диапазоне углов стреловидности и чисел Маха, а небольшие изменения в равновесии могут быть устранены с помощью оперения.

Другая проблема, возникающая при изменении стреловидности, связана со снижением эффективности работы элеронов, что ухудшает поперечную управляемость. Эти потери при увеличении угла стреловидности вызваны невыгодным направлением оси отклонения элеронов, уменьшением плеча возникающих на них сил и деформацией крыла (при отклонении элеронов), приводящей к изменению угла атаки элерона в направлении, обратном желаемому. Практически это означает, что достижение заданного угла атаки элерона на стреловидном крыле требует отклонения элерона на больший угол, нежели на прямом крыле. Эта проблема, несмотря на некоторые трудности, была решена почти для всех самолетов при помощи дифференциальных стабилизаторов, интерцепторов или элеронов, используемых при углах стреловидности до 45°. Однако такое решение вызывает усложнение конструкции и необходимость применения ряда элементов оборудования, работающего в автоматическом режиме.

Проблемы конструкции

 Сделать закладку на этом месте книги

Реализация конструкторских решений, связанных с изменением геометрии крыла в полете, требует разработки и изготовления легких, простых и надежных узлов, исполнительных устройств и т.п. Трудность создания таких устройств заключается в том, что узлы крепления крыла на фюзеляже испытывают значительные силы и моменты, передаваемые с крыла. У многоцелевых истребителей при полете подъемная сила может во много раз (до 8) превышать взлетный вес; поэтому механизмы, осуществляющие изменение геометрии крыла, являются наиболее нагруженными элементами самолета, а их установка связана с нарушением сплошности конструкции фюзеляжа и приводит к концентрации напряжений. Для обеспечения необходимой прочности конструкции приходится дополнительно усиливать некоторые узлы и элементы, что вызывает увеличение массы самолета.

Особые трудности конструирования узла крепления и поворота крыла связаны с тем, что:

– узел состоит из подвижных частей, перемещающихся одна относительно другой, что требует обеспечения минимального трения;

– узел должен занимать ограниченный объем конструкции, высота его должна быть меньше толщины неподвижной околофюзеляжной части крыла;

– конструкция узла должна обладать значительной прочностью и жесткостью во всех возможных положениях крыла относительно фюзеляжа и самолета относительно земли.

Крыло самолета-конструкция упругая, подвергающаяся в полете колебаниям, поэтому узел крепления и поворота крыла должен иметь минимальные зазоры для предохранения конструкции от динамического разрушения и одновременно выполнять определенные функциональные требования. Наконец, механизм изменения геометрии крыла должен обеспечивать абсолютную синхронность отклонения обеих подвижных консолей, поскольку даже малейшая несогласованность движений приводит к нежелательным боковым моментам. При этом необходима высокая надежность узла, поскольку поломка узла или его устройств практически неизбежно становится причиной гибели самолета. С этой точки зрения механизм изменения геометрии крыла должен иметь дублирующую систему, как, например, в двигательной установке.

В соответствии с общими принципами, принятыми в авиации, требованиям к механизму изменения геометрии крыла должна удовлетворять конструкция, достаточно легкая ( с тем чтобы добавочная масса не привела к утрате преимуществ применения изменяемой геометрии), а также простая в изготовлении и обслуживании. Для создания легкого, сильно нагруженного механизма изменения геометрии при ограничении на его объем целесообразно использовать материалы высокой прочности, а для обеспечения его работоспособности при минимальном коэффициенте трения в условиях низких и высоких температур-специальные смазочные средства или материалы, не требующие смазки при трении одной поверхности о другую.

Кроме того, конструкционные материалы должны обладать постоянной статической прочностью во время работы при разных температурах и атмосферных условиях, а также высокой динамической и усталостной прочностью под действием вибраций большой частоты и амплитуды при полете в неспокойной атмосфере или при выполнении маневров. При этом следует помнить, что внешние нагрузки подвижных частей крыла (возникающие в полете) складываются из аэродинамических сил, зависящих от условий полета, массовых сил (силы тяжести и инерции), обусловленных собственной массой конструкции крыла и массой расположенных в нем грузов и агрегатов (топливо, оборудование внутри крыла, подвесные грузы), и сил, возникающих при использовании оружия. Под действием таких нагрузок крыло подвергается изгибу и кручению. Эти нагрузки, передающиеся с подвижных элементов конструкции на неподвижные, вызывают реакции четырех видов. Ими являются: перерезывающая сила (вертикальная), действующая в плоскости, параллельной плоскости симметрии самолета; осевая сила (горизонтальная), действующая параллельно оси самолета; изгибающий момент; крутящий момент. Эти реакции определяют размеры узла, соединяющего крыло с фюзеляжем. Изгибающий момент можно заменить парой горизонтальных сил, а крутящий-парой вертикальных, поэтому ясно, что конструкция узла крепления должна иметь элементы, способные воспринимать равнодействующую горизонтальных сил и равнодействующую вертикальных сил.

В общем случае предполагается, что элементы узла, рассчитанные на перерезывающую силу и изгибающий момент, выдерживают осевую силу и крутящий момент. В самолетах с крылом постоянной геометрии силы и моменты передаются через несколько узлов, конструкция которых может соответствовать индивидуальному характеру приложенной нагрузки.




Рис. 1.53. Схема узла, соединяющего подвижные части крыла с центропланом, а-с отдельными вертикальным и горизонтальным шарнирами; б-с шарниром, имеющим косые поворотные пластины. 


В самолетах изменяемой геометрии эту функцию, очевидно, может выполнять только один узел, обеспечивающий, кроме того, перемещение одних частей крыла относительно других. Это значительно усложняет задачу создания простого и работоспособного узла, поэтому при проектировании первых самолетов с изменяемой стреловидностью рассматривалось большое количество механизмов изменения геометрии по разным кинематическим схемам (принципам действия). По-видимому, наибольшее применение получили два относительно простых решения (рис. 1.53). Первое из них основано на выделении в узле специальных шарниров, воспринимающих по отдельности перерезывающие силы и изгибающий момент. Преимуществом этого решения является ограничение кинематики вращательным движением узла, а недостатком-необходимость применения дополнительного шарнира, воспринимающего перерезывающую силу. Такое решение использовано в самолетах F-111 и «Торнадо», а также предусмотрено в проекте сверхзвукового пассажирского самолета «Боинг» 2707. Второе решение основано на использовании одного шарнира с косыми поворотными пластинами, воспринимающими нагрузки обоих видов. Преимуществом этого решения является простота конструкции, а недостатком-одновременное появление вращательного и циклического поступательного перемещения. Конструкция такого типа использована в самолете F-14. Шарниры крыла должны свободно вращаться, поэтому в них обычно устанавливаются подшипники скольжения со слоем тефлона, существенно снижающего трение.

Вторым слабым местом в конструкции самолета изменяемой геометрии является система привода, состоящая из механизма, изменяющего положение подвижных частей крыла, и устройства, синхронизирующего эти перемещения. Эта система должна не только обеспечивать синхронное отклонение плоскостей крыла (обычно также механизации и элеронов), но и быть абсолютно надежной. С этой точки зрения система механизмов изменения положения должна приводиться в движение и воспринимать нагрузки от различных частей крыла по крайней мере двумя независимыми путями. В реализованных до настоящего времени системах применяются обычно два гидромотора, связанные между собой механически валом синхронизации поворота крыла и подкрыльных пилонов, что позволяет топливным бакам, бомбам, ракетам и т.п., подвешенным под крылом на пилонах, располагаться вдоль набегающего потока независимо от угла стреловидности. Такая система обычно дополняется управляющим блоком и шарнирно-вин- товыми исполнительными механизмами с соответствующими редукторами.

Гидромоторы работают в независимых гидравлических системах, поэтому в случае неисправности одной из них возможно нормальное отклонение крыла (с уменьшенной скоростью) при помощи вала синхронизации. В случае одновременного отказа обеих систем предусмотрена блокировка положения крыла. Если система работает нормально, то пилот может выбрать любое желаемое положение из всего диапазона отклонений, при этом соответствующая электронная приоритетная система обеспечивает правильный порядок действий во время изменения положения крыла. Управление положением крыла производится из кабины посредством специального рычага, направление перемещения которого совпадает с направлением перемещения передней кромки, или при помощи соответствующего электрического переключателя.

В зависимости от выбранной компоновочной схемы самолета и положения плоскости, разделяющей крыло на подвижные и неподвижные элементы, необходимо производить уплотнение соединений подвижных частей с неподвижными, а в случае, когда задние кромки заходят частично в фюзеляж,-уплотнение соединений крыло-фюзеляж. В самолете «Торнадо», например, применяется уплотнение в виде пневматических камер с наддувом, которые обеспечивают аэродинамическую «чистоту» соединений и малое интерференционное сопротивление. Камеры, изготовленные из упругого пластика, усиленного стекловолокном, не вносят дополнительных неблагоприятных влияний, например не вызывают флаттера крыла, не снижают ресурс самолета и т.д.

Даже из тех немногих проблем, которые перечислены выше, следует, что для реализации преимуществ самолетов с изменяемой геометрией крыла необходим тщательный анализ не только аэродинамических характеристик, функциональности и надежности каждого элемента системы и оборудования, но также весовых, прочностных и кинематических исследований элементов и агрегатов самолета. Только комплексное решение этих проблем может сделать самолет изменяемой геометрии эффективным оружием, послушным воле пилота, а в будущем, возможно, и надежным транспортным средством.

8. Самолеты вертикального взлета и посадки

 Сделать закладку на этом месте книги

В начале 50-х и конце 60-х годов проблема вертикального (или короткого) взлета и посадки наиболее часто обсуждалась на страницах специальных изданий. Этот факт станет понятным, если учесть, что одним из важнейших достоинств самолета как военного оружия в течение многих лет была максимальная скорость его горизонтального полета (для воздушного транспорта она и в обозримом будущем останется главным показателем с точки зрения пассажира), увеличению которой сопутствовал рост вертикальной скорости и высоты управляемого полета.

Ввод в эксплуатацию новых типов самолетов с максимальной скоростью, соответствующей М = 2,0-1-2,5, сопровождался ростом взлетной и посадочной скоростей до значений 250-350 км/ч, что потребовало удлинения взлетно-посадочной полосы и, следовательно, создания новых ВПП. Такой неблагоприятый оборот дела не удалось радикально исправить применением высокоэффективной механизации крыла, а позднее и крыла изменяемой геометрии. Оба эти способа позволили лишь смягчить ситуацию, поскольку отношение максимальной скорости к минимальной в самолетах обычного взлета и посадки не может регулироваться беспредельно. Для первых серийных сверхзвуковых самолетов это отношение составляло около 5-9 и возросло до 10 для самолетов второго поколения, а для самолетов с изменяемой стреловидностью крыла оно достигло 11,5.

Стало ясно, что необходимо изменить принттип взлета и посадки – вместо касательного относительно земли направления движения перейти по возможности к вертикальному посредством дополнения аэродинамической подъемной силы вертикальной составляющей тяги двигательной установки. В предельном случае тяга двигателей целиком может быть направлена вертикально, а ее величина-превышать вес самолета. Если при этом выполняются условия устойчивости и управляемости, то возможен подъем самолета при нулевой горизонтальной скорости. Таким образом родилась идея самолета вертикального взлета и посадки (ВВП) и самолета короткого взлета и посадки (КВП).

Конструктивная идея самолетов ВВП и КВП

 Сделать закладку на этом месте книги

Разработка самолетов ВВП началась впервые в 50-х годах, когда был достигнут соответствующий технический уровень турбореактивного и турбовинтового двига- телестроения, что вызвало повсеместную заинтересованность в самолетах этого типа как среди потенциальных пользователей, так и в конструкторских бюро. За десятилетия, прошедшие с тех пор, в мире были созданы десятки опытных самолетов ВВП разных систем. Большинство конструкций было изготовлено в 1-2 экземплярах, которые, как правило, терпели аварии уже во время первых испытаний, и дальнейших исследований над ними уже не проводилось. Большие надежды, которые связывались с такими самолетами, натолкнулись на серьезные практические трудности, и, по опубликованным данным, на Западе сейчас имеется единственный выпускаемый серийно околозвуковой самолет-штурмовик ВВП «Харриер» Р. 1127 британской фирмы «Хоукер-Сиддли» (изготавливается также по лицензии в США под индексом AV-8).

Техническая комиссия НАТО, огласившая в июне 1961 г. требования к истребителю-бомбардировщику вертикального взлета и посадки, дала тем самым определенный импульс развитию сверхзвуковых самолетов ВВП в западных странах. Предполагалось, что в 60-х-70-х годах странам НАТО потребуется около 5000 таких самолетов, из которых первые войдут в эксплуатацию уже в 1967 г. Прогноз такого большого количества продукции вызвал появление шести проектов самолетов: Р. 1150 английской фирмы «Хоукер-Сидд- ли» и западногерманской «Фокке-Вульф»; VJ-101 западногерманского Южного Объединения «EWR-Зюд» («Бельков», «Хейнкель», «Мессершмитт»); D-24 голландской фирмы «Фоккер» и американской «Рипаблик»; G-95 итальянской фирмы «Фиат»; «Мираж» III-V французской фирмы «Дассо» и F-104G в варианте ВВП американской фирмы «Локхид» совместно с английскими фирмами «Шорт» и «Роллс- Ройс».







Рис. 1.54. Самолеты вертикального взлета и посадки «Мираж-Бальзак» V-001 фирмы «Дас- со» (а) и VJ-101C-X2 объединения «EWR-Зюд» (б) во время наземных испытаний. 


Еще до представления проектов на конкурс стало ясно, что он не состоится. Оказалось, что каждое государство имеет свою собственную, отличную от других концепцию будущего самолета и не согласится на монополию одной фирмы или группы фирм. Например, английские военные поддерживали не свои фирмы, а французский проект, Федеративная Республика Германии поддерживала проект фирмы «Локхид» и т.д. Судьбу конкурса предрешила, по-видимому, Франция, представители которой заявили, что независимо от результатов конкурса будут работать над своим проектом самолета «Мираж» III-V.

Политические, технические и тактические проблемы повлияли на изменение концепции комиссии НАТО, которая разработала новые требования. Началось создание многоцелевых самолетов. В этой ситуации только два из представленных проектов вышли из стадии предварительного проектирования: самолет «Мираж» III-V, финансируемый французским правительством, и самолет VJ-101C объединения «EWR-Зюд», финансируемый западногерманской промышленностью. Эти самолеты (рис. 1.54) были изготовлены соответственно в 3 и 2 экземплярах и подвергались испытаниям (4 из них погибли в катастрофах) до 1966 и 1971 гг. В 1971 г. по заказу командования авиации ВМС США начались работы над третьим сверхзвуковым самолетом ВВП в западных странах-американским XFV-12A.

Отношение СССР к проблеме вертикального взлета и посадки проявилось в 1967 г. Во время демонстрационных полетов на подмосковном аэродроме «Домодедово» были показаны три опытных сверхзвуковых самолета КВП и один околозвуковой ВВП конструкции А. И. Микояна, П. О. Сухого и А. С. Яковлева.

В 60-х годах преобладало мнение, что большое число и разнообразие проектов и программ самолетов ВВП свидетельствуют о том, что авиаконструкторы рассмотрели уже все решения проблемы вертикального взлета и посадки. Создалось впечатление, что они лучше подготовлены к реализации заказов в будущем, нежели конструкторы, которые более 20 лет назад приступили к разработке военных сверхзвуковых самолетов. Однако последующая практика использования сверхзвуковой авиации показала малую вероятность того, что в ближайшем будущем сверхзвуковые самолеты ВВП найдут широкое применение. На это указывают трудности, которые возникают при их разработке, и тот факт, что летные данные, которыми они обладают, значительно хуже, чем у обычных современных сверхзвуковых самолетов, при более высокой стоимости изготовления и эксплуатации и меньшей надежности.

Принципы использования самолетов ВВП и КВП

 Сделать закладку на этом месте книги

История развития самолетов ВВП и КВП показывает, что до настоящего времени они создавались почти исключительно для военной авиации. Поэтому принципы использования и типы задач, которые предусматривались ранее или ожидались в будущем, имели решающее значение при поиске наилучших решений. Потребность в самолетах подобного типа вызвана необходимостью рассредоточения военной авиации с целью избежать ее уничтожения на стоянке. Рассредоточение современных военных самолетов, требующих аэродромов с протяженными взлетно-посадочны- ми полосами, весьма затруднено не только из-за малого количества последних (даже с учетом соответствующих гражданских аэродромов), но и из-за малой вероятности строительства новых в условиях войны. Это означает, что вертикальные взлет и посадка дают на первый взгляд оптимальное решение, поскольку самолет ВВП может базироваться на площадках, размеры которых не намного превышают его габариты.

Кроме способности вертикального взлета и посадки, самолеты ВВП обладают дополнительными преимуществами, а именно возможностью зависания, разворота в этом положении и полета в боковом направлении в зависимости от используемых двигательной установки и системы управления.

Перечисленные преимущества самолетов ВВП в боевых условиях значительно обесцениваются наличием серьезных недостатков, приводящих к усложнению эксплуатации таких самолетов и ухудшению их летных данных. Испытания сверхзвуковых самолетов и опыт их эксплуатации в войсковых частях показывают, что рассредоточение большого числа малых групп самолетов в различных местах выгодно с точки зрения безопасности, но неудобно с точки зрения материально-технического обеспечения (топливом, запасными частями, боеприпасами и т. д.), которое в общем не должно зависеть от наземного транспорта. Используемые в настоящее время системы материально-технического обеспечения и обслуживания не приспособлены к эксплуатации в труднодоступной местности. Поэтому необходимо создать новую систему, способную функционировать при частой смене мест базирования, решать, кроме задач управления полетами и технического обслуживания, много других проблем, в частности вопросы работы, жилья, питания, бытового обслуживания и отдыха летного и наземного персонала. В этой ситуации ясно, что только военно-морская авиация, располагающая авианосцами, готова к эффективной эксплуатации самолетов ВВП. И не случайно поэтому при проектировании современных самолетов ВВП и КВП предполагается их базирование на палубах авианосцев.

Другая группа недостатков самолетов ВВП касается летных характеристик. Одной из них является чувствительность к порывам ветра при полете на малых скоростях, вследствие чего взлет и посадка в неспокойной атмосфере становятся небезопасными. К недостаткам следует отнести и значительную разницу в грузоподъемности самолета обычного взлета и вертикального или короткого взлета.

Взлетная масса самолета во время эксплуатации может быть различной в зависимости от количества принятого на борт груза (вооружения или топлива). При этом у обычных самолетов увеличение взлетной массы приводит к удлинению пути разбега, а у самолетов ВВП-к невозможности вертикального взлета. Для используемых в настоящее время двигательных установок приближенно можно считать, что самолет ВВП в варианте вертикального взлета может поднять груз, в два раза меньший, чем при обычном взлете. Ввиду этого диапазон задач и радиус действия такого самолета существенно зависят от расположения района боевых операций по отношению к месту взлета и от возможности выбора последующего места посадки. Определяющим параметром самолета ВВП является величина, обратная тяговооруженности, т.е. отношение взлетной массы к тяге при взлете. Исследования показали, что для вертикального взлета необходимо наличие значительного резерва вертикальной составляющей тяги по отношению к весу самолета. В современных околозвуковых и сверхзвуковых самолетах ВВП отношение взлетной массы к тяге двигателей составляет ~ 0,65-0,85 кг/даН. Вертикальная тяга создается либо путем отклонения вниз реактивных струй тяговых двигателей, обеспечивающих поступательное движение самолета, либо с помощью специальных подъемных двигателей, установленных в положении, близком к вертикальному.



Таблица 7. Характеристики самолетов вертикального взлета и посадки

Самолет

Назначение

Экипаж

Аэродинамическая схема

Система управления

Двигательная установка


«Мираж- Бальзак»

Экспериментальный

1

«Бесхвостка», треугольное крыло, низкоплан

Аэродинамическая + реактивная (сжатым воздухом)

8 подъемных, 1 маршевый двигатель


«Мираж» V-02

Истребитель-бомбардировщик

1

То же

То же

То же


VJ-101C Х-2

Экспериментальный

1

Классическая, стреловидное крыло, высоко- план

Аэродинамическая + реактивная (тягой двигателей)

2 подъемных, 4 подъемно-маршевых двигателя в поворотных гондолах


XFV-12A

Истребитель-бомбардировщик

1

«Утка», стреловидное крыло, высокоплан

Аэродинамическая + реактивная (эжективные закрылки, регулирующие величину и направление тяги)

1 тяговый двигатель с эжекторными щитками


Самолет

Размах, м

Длина, м

Высота, м

Площадь несущей поверхности, м2 

Стандартная взлетная масса, кг

Стандартная удельная нагрузка, кг/м2 

Отношение массы тяге 1* , кг/даН

Максимальное число Маха


«Мираж- Бальзак»

7,58

12,80

4,25

29,0

6100

210

2,77 (0,83)

– /-


«Мираж» V-02

8,72

18,0

5,55

– /-

12000

– /-

1,43 (0,96)

2,04


VJ-101C Х-2

6,61

15,70

4,13

18,60

7 690

413

1,20 (0,88)

1,14


XFY-12A

8,69

13,39

3,15

27,20

6259

230

0,98 (0,64)

2,0

1*  Данные в скобках относятся к вертикальному взлету. 




Рис. 1.55. Расположение подъемной двигательной установки и элементов системы струйного (реактивного) управления самолета «Мираж- Бальзак» фирмы «Дассо». 


В табл. 7 представлены характеристики четырех сверхзвуковых самолетов вертикального взлета и посадки, в том числе околозвукового самолета VJ-101C, развивающего М = 1,14 (по проекту М = 2,0). Сравнение показывает, что самолеты различаются аэродинамическими схемами, системами управления на различных этапах полета и принципами работы двигательных ус


убрать рекламу







тановок.

Появление отдельных двигателей для вертикального и горизонтального полета в самолетах «Мираж-Бальзак» (рис. 1.55) и «Мираж» III-V фирмы «Дассо» не было случайным. Этому послужили две причины. Первая из них определяется желанием использовать уже существующую конструкцию с минимальными изменениями. Вторая причина вытекает из сравнительной оценки преимуществ и недостатков двигательной установки такого типа. Разделение функций между двигателями позволяет выбрать оптимальные типы двигателей для весьма различных условий взлета-посадки и горизонтального полета, особенно на сверхзвуковой скорости.

Не менее важной является проблема безопасности во время зависания, так как в случае аварии одного из нескольких подъемных двигателей должна сохраняться возможность благополучного приземления. Параметры такой двигательной установки зависят главным образом от характеристик подъемных двигателей. Эти двигатели должны иметь малую удельную массу (по отношению к подъемной силе), малые размеры, высокую надежность и низкую стоимость. Выполнение этих требований оказывается возможным благодаря кратковременной работе двигателей-два раза на каждый полет по 30^0 с в ограниченном диапазоне скоростей и высот. Как следует из опубликованных данных, такая двигательная установка на самолете ВВП может быть эффективной только при условии создания подъемных двигателей с удельной массой не более 0,05 кг/даН. (Для сравнения напомним, что двигатели самолета «Мираж» III-V-02 имеют удельную массу 0,08 кг/даН.)




Рис. 1.56. Компоновочная схема самолета VJ-101C. 

1-телеметрическое оборудование; 2-кабина пилота; 3-катапультируемое кресло; 4-створка воздухозаборника подъемных двигателей; 5-подъемные двигатели; 6 – подъемно-маршевые двигатели; 7-оси поворота подъемно-маршевых двигателей; 8-форсажная камера; 9-кольцевая щель дополнительного воздухозаборника; 10-передний топливный бак; 11 -задний топливный бак; 12 -привод поворота двигателей; 13 -элероны; 14-закрылки; 15 -руль направления; 16 -стабилизатор; 17 -передняя стойка шасси; 18-главные стойки шасси. 


Проект самолета VJ-101C объединения «EWR-Зюд» (рис. 1.56) разрабатывался в других условиях. Вначале предполагалось, что это будет самолет-перехватчик, который заменит в 70-х годах самолет F-104G (позднее была принята программа «Панавиа»), но затем появились требования полета на малой высоте (использование самолета для нанесения ударов по наземным целям), что обусловило необходимость применения экономичной двигательной установки. В этой ситуации более выгодной оказалась комбинированная система, в которой часть двигателей используется только при взлете, посадке и на переходных режимах. Был разработан проект двигательной установки с двумя подъемными двигателями, расположенными вертикально за кабиной пилота, и четырьмя подъемно-маршевыми двигателями, помещенными в две поворотные гондолы, закрепленные на концах крыла. Выбор такой схемы двигательной установки продиктован следующими соображениями:

– во время взлета и посадки может быть использована тяга всех двигателей;

– можно применить форсирование в двигателях, установленных в гондолах, что повышает их эффективность ценой некоторого увеличения массы конструкции;

– отсутствуют потери тяги, которые имеют место в двигательных установках с отклонением реактивной струи газов;

– использование поворотных гондол упрощает переход в различные фазы полета;

– управление в режимах висения, вертикального взлета и посадки может быть легко реализовано путем дифференциального изменения тяги отдельных групп двигателей, благодаря чему не нужна специальная система струйного (реактивного) управления (применение которой вызывает усложнение конструкции и увеличение ее веса и снижение эффективности по тяге вследствие дополнительного расхода сжатого воздуха);

– отсутствие тяговых двигателей и их сопел в фюзеляже позволяет рациональнее использовать объем самолета, например разместить все топливо вблизи центра тяжести и упростить конструкцию главных опор шасси;

– изменение направления тяги двигателей дает возможность осуществить короткий взлет и посадку;

– влияние земли в режиме висения (приводящее к засасыванию выхлопных газов и повышению температуры) невелико, поскольку воздухозаборники двигателей в гондолах размещаются достаточно высоко;

– установка гондол на концах крыла в принятой аэродинамической схеме уменьшает нагруженность конструкции и ее массу, а также облегчает доступ при обслуживании.

Единственным существенным недостатком принятой системы двигательной установки является дополнительное сопротивление от гондол. Сравнение результатов исследования для такой компоновки и системы, в которой тяговые двигатели располагаются в фюзеляже, показало, что разница сопротивлений равна сопротивлению одной гондолы. Система двигательной установки с поворотными гондолами применима только в самолетах с крылом малого удлинения, поскольку подъем самолета с помощью сил, приложенных к концам длинных консолей крыла, связан с увеличением массы, так как при этом необходимо использовать соответственно более прочную и жесткую конструкцию.

Поворотные гондолы-одна из наиболее интересных особенностей самолета VJ-101C. Весовой анализ показывает, что механизм поворота гондол весит меньше, чем система отклонения реактивной газовой струи. В конструкции узла поворота использованы шарикоподшипник большого диаметра, встроенный в боковую стенку гондолы, и трубчатая ось, через которую подается необходимое питание. Гондолы поворачиваются гидроприводами, работающими в сдвоенной гидросистеме с насосами, размещенными непосредственно на двигателях. Установка разъемных соединений топливной и гидравлической систем и блока управления в плоскости концевых сечений крыла позволяет легко демонтировать гондолы как отдельные агрегаты. Запуск двигателей производится с помощью гидравлического стартера.

Существенную проблему при проектировании самолета вертикального взлета и посадки представляет выбор типа воздухозаборников, которые должны удовлетворять требованиям, относящимся к принципиально различным режимам полета. Одной из трудностей является запуск подъемных двигателей в горизонтальном полете при положительных углах атаки фюзеляжа, поскольку в районе воздухозаборника создается разрежение, а в районе сопла – повышенное давление. Задача решается с помощью больших щитков, расположенных на верхней и нижней поверхностях фюзеляжа, вызывающих движение воздуха, благоприятное для работы двигателей. Воздухозаборники основных подъемно- маршевых двигателей рассчитаны на сверхзвуковую скорость полета, поэтому на взлете, висении и посадке оказалось необходимым применение дополнительного воздухозаборника, который образуется при выдвижении передней части гондолы вперед одновременно с выпуском щитков и шасси. Щель, создаваемая при этом на поверхности гондолы, увеличивает площадь сечения воздухозаборника и благоприятно влияет на распределение скорости и давления воздушного потока на входе в компрессор даже при сильных горизонтальных порывах ветра.

В самолете XFV-12A фирмы «Норт Америкен» используется явление эжекции, т.е. всасывание окружающего воздуха каналами, расположенными в крыльях и горизонтальном оперении, под действием струи газов, выходящей из турбовентиляторного двигателя (рис. 1.57). На режимах висения и полета с малой скоростью управление самолетом осуществляется при помощи четырех работающих независимо эжекторов, создающих реактивную подъемную силу различной величины. При горизонтальном полете двигатель работает, как в обычном самолете, а при зависании и полете с малой скоростью вся струя выходящих газов направляется в эжекторы.




Рис. 1.57. Этапы полета и соответствующее им положение направляющих щитков эжекторов в самолете XFV-12A. 

а-висение; б-короткий взлет и посадка; в-горизонтальный полет. 


Реактивная подъемная сила эжекторов возрастает благодаря захвату воздуха газовой струей. Вследствие смешения этих потоков (в отношении 7,5:1) скорость и температура газовоздушной смеси на выходе из эжектора уменьшаются, а тяга возрастает примерно на 50%. Использованный в этом самолете принцип вертикального взлета еще мало изучен, несмотря на проведенные в последние годы NASA летные испытания модификации самолета DHC-8A «Буффало» фирмы «Де Хэвилленд Канада», снабженного реактивными закрылками (данные летных испытаний которого значительно отличались от результатов аэродинамических расчетов и продувок). При создании эжекторной системы были использованы исследования фирмы «Локхид», на опытном самолете которой XV-4A «Хаммингбёд» («Колибри»), совершившем первый полет в 1962 г., подъемная сила создавалась в результате эжекции воздуха струей газов от двух турбореактивных двигателей. Однако аэродинамика этого самолета была другой, так как эжекторы, находящиеся в средней части фюзеляжа, не влияли на обтекание крыла и горизонтального оперения и не использовались для управления самолетом.

Согласно опубликованным данным, этот самолет имеет следующие преимущества: -схема «утка» с крылом и горизонтальным оперением, снабженными эжекторами, позволяет развивать во время вертикального взлета и посадки большую подъемную силу;

– наличие общей системы управления подъемной силой, тягой двигателя и самолетом обеспечивает простоту перехода из режима висения в горизонтальный полет с М-2;

– габариты двигателя составляют менее 2/3 габаритов использованных ранее подъемных двигателей;

– большое значение коэффициента подъемной силы в области задней кромки крыла и оперения, благоприятный характер обтекания (от действия эжекторов) на верхней поверхности крыла на переходных режимах полета;

– очень короткий разбег, что позволяет повысить грузоподъемность;

– использование щитков эжекторов как управляющих поверхностей и аэродинамических тормозов, что способствует уменьшению массы самолета и упрощает продольное управление;

– путевая устойчивость и управляемость благодаря большой поверхности тормозных щитков и стабилизаторов близка к аналогичным параметрам современных самолетов классической схемы.

Кроме специфической системы двигательной установки самолеты ВВП характеризует еще одна отличительная черта, а именно необходимость дополнять схему аэродинамического управления другими устройствами, обеспечивающими управляемость самолета при полете с малой поступательной скоростью. В самолетах «Мираж», например, применена струйная система управления с 10 соплами, через которые под давлением выпускается воздух, создавая реактивную силу регулируемой величины. Воздух забирается из компрессоров подъемных двигателей и направляется по специальным каналам в сопла, которые находятся в передней и задней частях фюзеляжа (управление по тангажу), на концах крыла (управление креном) и с двух сторон киля (управление рысканием).

В самолете YJ-101C тяга двигателей регулируется. Ручка управления соединена непосредственно с рычагом газа двигателей, поэтому при зависании высота регулируется изменением тяги всех двигателей. Необходимые углы крена или атаки достигаются дифференциальным изменением тяги двигателей при отклонении ручки управления в соответствующую сторону. Продольное управление осуществляется увеличением тяги двигателей в гондолах и одновременно уменьшением тяги фюзеляжных двигателей или наоборот. Поперечное управление производится путем дифференциального изменения тяги двигателей в гондолах (при этом изменение тяги фюзеляжных двигателей не имеет значения). Путевое управление обеспечивается с помощью педалей, осуществляющих поворот гондол для создания необходимого момента. С целью уменьшить влияние величины тяги на устойчивость самолета применяется система механизмов, изменяющих угловую скорость поворота гондол по закону косинуса; для уменьшения продольного момента от фюзеляжных двигателей (при переходе гондол в горизонтальное положение) производится уменьшение их тяги по синусу угла поворота гондол.

Принятая схема обеспечивает автоматический переход самолета из режима висения в горизонтальный полет. При достижении высоты 25-30 м нажатие кнопки на рычаге газа приводит в движение систему поворота гондол (вначале со скоростью 2°/с, а через 35-40 с пилот может увеличить ее до 4°/с), что вызывает уменьшение вертикальной и увеличение горизонтальной составляющих тяги. Переход к горизонтальному полету обычно занимает ~ 55 с, самолет за это время пролетает около 1600 м и достигает скорости 70 м/с. При посадке пилот выпускает сначала тормозные щитки, затем шасси и включает оба подъемных (фюзеляжных) двигателя. При переходе гондол в вертикальное положение увеличиваются тяга фюзеляжных двигателей и вертикальная составляющая тяги двигателей в гондолах. Окончательное торможение до нулевой скорости производится путем увеличения угла атаки. Обычно процесс посадки длится ~ 60 с, при этом самолет пролетает расстояние – 2300 м.

Из представленной по необходимости кратко проблемы вертикального взлета и посадки видно, что самолеты ВВП имеют очень сложные двигательную установку и систему управления. Следует при этом напомнить, что максимальная тяга двигателей необходима только во время взлета и посадки, а не на основных этапах полета, для которых предназначается большая часть топлива. Применяемые двигательные и управляющие системы, а также особенности техники пилотирования не только усложняют обслуживание и эксплуатацию, но и требуют повышения уровня обучения летно-технического состава. Несмотря на эти недостатки, самолеты ВВП могут служить важным дополнением к обычным самолетам, так как их появление и развитие являются следствием поисков оптимальных решений задач, продиктованных увеличением диапазона применения авиации. Возобновление исследований сверхзвуковых самолетов ВВП свидетельствует о том, что современный технический уровень достаточно высок для создания надежного, малоуязвимого самолета такого типа с высокими эксплуатационными качествами. Несмотря на высокую стоимость, в некоторых случаях использования самолет ВВП может оказаться наиболее экономичным и универсальным транспортным средством или оружием, нежели обычный самолет или вертолет.

9. Пассажирские самолеты

 Сделать закладку на этом месте книги

Проведенные в первой половине 50-х годов летные испытания десятков экспериментальных и военных сверхзвуковых самолетов и двух первых опытных реактивных пассажирских самолетов («Комета» фирмы «Де Хэвилленд» и Ту-104 конструкции А. Н. Туполева), а затем переход к серийному производству некоторых из них свидетельствовали о приближении эры сверхзвуковой пассажирской авиации. Ввод в эксплуатацию в 1956-1959 гг. пяти типов пассажирских самолетов (кроме указанных выше, «Боинг» 707, «Каравелла» фирмы «Сюд авиасьон» и DC-8 фирмы «Дуглас») с крейсерской скоростью около 800 км/ч, а особенно организация регулярных пассажирских трансатлантических рейсов привели не только к заинтересованности проблемой со стороны потенциальных пользователей, но и склонили многих специалистов к мнению о возможности создания к середине 60-х годов сверхзвуковой пассажирской авиации со скоростями полета, соответствующими М = 2.

Эти взгляды основывались на всесторонней (как тогда казалось) оценке технических и финансовых возможностей промы- шленно развитых стран и на анализе тенденций развития пассажирской авиации за период послевоенных 15 лет. Проведенный в конце 50-х-начале 60-х годов анализ показал, что в среднем каждые 5 лет в авиации происходила замена оборудования на новое с более высокими техническими и экономическими показателями, лучшего качества, повышенными комфортом и безопасностью эксплуатации. Однако практика последующих лет существенно скорректировала эти прогнозы, так как и сейчас, после ввода в эксплуатацию самолетов Ту-144 (с декабря 1975 г. грузовые рейсы на линии Москва-Алма- Ата) и «Конкорда» (с января 1976 г. пассажирские рейсы на линиях Париж – Рио-де- Жанейро и Лондон-Бахрейн), гораздо большее внимание уделяется техническому развитию околозвуковых пассажирских самолетов, чем сверхзвуковых. Это вызвано двумя причинами:

1) Из того факта, что создано несколько десятков типов экспериментальных и военных сверхзвуковых самолетов, еще не следует, что все проблемы авиации, связанные с преодолением очередных «барьеров», уже решены. Эксплуатация пассажирского самолета должна удовлетворять совсем другим требованиям по сравнению с исследовательским или рекордным полетом, которому предшествует длительная подготовка, тем более она отличается от полета военного самолета, на борту которого находится лишь специально подготовленный, обученный и натренированный летчик, снабженный на случай аварии катапультируемым сиденьем и парашютом. Рейсовый пассажирский самолет появляется лишь после решения комплекса дополнительных сложных проблем. Такой самолет должен перевозить пассажиров с определенной скоростью, регулярно и на большие расстояния, без перегрузок, шума, тряски и т. п., т. е. в условиях привычного в обычной жизни комфорта и практически полной безопасности. Это касается также экипажа. Поскольку самолет совершает регулярные полеты, он становится местом повседневной работы экипажа, что требует обеспечения соответствующих условий работы, оказывающих, между прочим, определенное влияние и на безопасность полета. Наконец, пассажирский самолет должен быть экономичным в эксплуатации. С одной стороны, это означает пригодность к эксплуатации на существующих взлетных полосах аэропортов, что требует наличия взлетно-посадочных характеристик, аналогичных характеристикам эксплуатируемых в настоящее время околозвуковых самолетов, а с другой стороны,- необходимость обеспечения длительного срока службы машины (ресурс современных военных сверхзвуковых истребителей составляет порядка 4000-6000 ч полета, а пассажирских самолетов-около 40000 ч) в условиях периодического действия аэродинамических и тепловых нагрузок, связанных с преодолением звукового и теплового барьеров.







Рис. 1.58. Ту-144 (а) конструкции А. Н. Туполева (прототип) и «Конкорд» (б) фирм «Аэроспасьяль» и ВАС. 


2) Почти одновременно со сверхзвуковыми самолетами в пассажирской авиации появилось новое поколение широкофюзеляжных самолетов, так называемых аэробусов, с большим количеством пассажирских мест (в настоящее время эксплуатируются самолеты с числом пассажиров 350-500). Поэтому в авиационном транспорте произошла определенная переоценка ценностей, в результате чего на первый план вышли проблемы массовой перевозки пассажиров в комфортных и безопасных условиях, посадки и высадки, размещения багажа, использования возможностей попутной транспортировки грузов, повышения эффективности служб аэропорта и т.п. Все это несколько уменьшило интерес к сверхзвуковым самолетам.

Как следует из опыта проведения сверхзвуковых грузовых и пассажирских рейсов, ввод в эксплуатацию Ту-144 (рис. 1.58,а) и «Конкорда» (рис. 1.586) не потребовал ни существенных изменений в работе наземных служб, ни перестройки аэродромов (единственной трудностью, появляющейся практически всегда при введении в эксплуатацию нового самолета, была необходимость создания соответствующей технической базы, включая подготовку летного и технического персонала).

Однако, в соответствии с прогнозами, стоимость эксплуатации таких самолетов оказалась высокой, что, с учетом значительной стоимости самолета, привело к увеличению цены билета. Из этого можно сделать вывод, что с экономической точки зрения в современных условиях преимущества сверхзвуковой пассажирской авиации минимальны (многие наблюдатели считают, что в отношении «Конкорда» не менее важную роль сыграла, кроме прочего, конкурентная борьба, замаскированная компанией за охрану окружающей среды). Тем не менее сверхзвуковая пассажирская авиация стала реальностью, как естественное проявление закономерностей технического прогресса, в частности, стремления ко все большим скоростям.

История развития

 Сделать закладку на этом месте книги

Успешное завершение в 1954 г. в Великобритании работ над сверхзвуковым экспериментальным самолетом F.D.2 утвердило английских специалистов в мнении о целесообразности создания сверхзвукового пассажирского самолета. Учитывая большой объем работ и неизбежно возникающие при этом трудности, правительство Великобритании создало специальный комитет (Super Sonic Transport Aircraft Committee), объединяющий 9 крупнейших авиационных организаций, который должен был провести необходимые исследования. Комитет начал работу в конце 1955 г. и спустя четыре года опубликовал первые рекомендации относительно строительства пассажирского самолета большой дальности и скорости М = 2. В авиационной литературе обсуждались проекты, которые удивляли необычностью и разнообразием форм. Однако, опираясь на исследования самолета F.D.2, англичане выяснили, что наиболее выгодной для сверхзвукового пассажирского самолета SST (Super Sonic Transport) является схема без горизонтального оперения с треугольным крылом. Разработкой проекта такого самолета занялся Бристольский филиал Британской авиационной корпорации ВАС; предварительный проект под названием ВАС 223 был разработан в 1960 г.

Во Франции первые работы над самолетом ATS (Avion de Transport Supersonique) начались в 1956 г.; в 1959 г. три фирмы («Сюд авиасьон», «Нор авиасьон» и «Дассо») начали разработку проекта, который в 1961 г. получил название «Сюпер-Каравелла». Модель этого самолета, разрабатываемого главным образом фирмой «Сюд авиасьон», впервые была показана на Авиационном салоне в Париже в июне 1961 г. Положение дел в СССР по этому вопросу было выяснено только в 1965 г., когда на Авиационном салоне в Париже была выставлена модель самолета Ту-144. Это была сенсация, тем более что официальные представители сообщили о планировании первого полета на 1968 г. Как известно, этот срок был выдержан (полет совершен 31 декабря 1968 г.), благодаря чему Ту-144 стал первым сверхзвуковым пассажирским самолетом.

В США во второй половине 50-х годов несколько фирм независимо начали конструкторские работы, которыми с 1959 г. руководила созданная для этого специальная группа экспертов.

Проведенный в 1960-1961 гг. технико- экономический анализ показал, что стоимость разработки и создания будущего самолета настолько велика, а диапазон на- учно-технических исследований так широк, что они превышают индивидуальные возможности даже таких стран, как Франция или Великобритания. В такой ситуации стало ясно, что необходимо объединение усилий в работе над общим проектом, и 5 октября 1962 г. было подписано соглашение между ВАС и «Сюд авиасьон», к которому 28 ноября присоединились двигательные фирмы «Бристоль-Сиддли» (филиал корпорации «Роллс-Ройс») и SNECMA. На следующий день было подписано соглашение между правительствами Великобритании и Франции, при этом за основу для разработки нового самолета под названием «Конкорд» («Согласие») был принят французский проект «Сюпер-Каравелла» с английскими двигателями «Олимпус».

Для европейских наблюдателей подписание этого соглашения не было неожиданностью, однако в США оно не только встревожило общественное мнение (соображения престижа), но также и (что еще важнее) застало врасплох авиационные фирмы, у которых не было собственной конкретной программы разработки самолета. Реакция правительства США была незамедлительной, и уже в январе 1963 г. начал работать комитет (во главе с вице- президентом США), координирующий программу создания пассажирского самолета с крейсерской скоростью, соответствующей ? = 2,7^3,0, и дальностью не менее 6400 км.

К январю 1964 г. три организации представили эскизные проекты, два из которых были допущены к дальнейшим разработкам (сенсацией оказалось отклонение проекта фирмы «Норт Америкен», разрабатывавшей в то время первый тяжелый сверхзвуковой бомбардировщик ХВ-70А с примерно такой же максимальной скоростью). Впоследствии был отклонен и проект фирмы «Локхид», а разработка поручена фирме «Боинг», которая вначале рассматривала возможность создания самолета изменяемой геометрии (были проведены даже лабораторные испытания некоторых агрегатов самолетов, например соединения подвижных частей крыла с центропланом), а затем самолета классической схемы с треугольным крылом (рис. 1.59). Работы над самолетом были прекращены в 1971 г. на этапе предварительных исследований после постановления сената США о прекращении дальнейших государственных ассигнований (стоимость программы достигла уже 700 млн. долл.).

Проблема разработки американского сверхзвукового пассажирского самолета снова была рассмотрена в 1975 г. фирмой «Макдоннел-Дуглас» (рис. 1.59). Этот факт оказался знаменательным, так как он предшествовал отправке в музей одного из опытных образцов самолета «Конкорд», которому был закрыт доступ в американское (и не только американское) небо («Конкорд» 002 стал экспонатом музея авиации ВМС Великобритании в Эвилтоне в 1976 г.).




Рис. 1.59. Сравнение форм в плане самолетов «Конкорд», SST («Боинг») и AST («Макдоннел- Дуглас»). 


В настоящее время «Конкорд» не имеет тех оптимистичных перспектив, которые предвиделись в начале разработки. Рост инфляции и углубление экономического кризиса не позволяют говорить об обширном рынке сбыта таких самолетов, по крайней мере в ближайшее время. Поэтому произведенные огромные затраты окупятся только частично (в 1962-1975 гг. Франция и Великобритания истратили вместе 1200 млн. фунтов стерлингов, т.е. в 7 раз больше, чем предполагалось ранее). Несмотря на это, в обеих странах создание «Конкорда» считается полезной программой, особенно с технической точки зрения. В рамках этой программы созданы новые материалы и технологические процессы, приборы и оборудование, методы производства и производственные мощности.

Конструктивная идея самолета

 Сделать закладку на этом месте книги

Уже в начале работ над проектом будущего сверхзвукового пассажирского самолета было выяснено, что в соответствии с требованиями эксплуатации (к пассажирским самолетам, эксплуатировавшимся в то время) эффективность эксплуатации нового самолета определяется следующими условиями :

– его летные данные должны обеспечивать высокую безопасность полета;

– самолет должен быть приспособлен к существующему оборудованию аэропортов и радионавигационному обслуживанию;

– стоимость эксплуатации и авиабилетов должна не более чем на 10% превышать соответствующие характеристики околозвуковых самолетов.

Перед началом работы над предварительным проектом нового пассажирского самолета задаются, как правило, три параметра-крейсерская скорость, дальность полета и количество пассажиров. Эти параметры определяют тип двигательной установки, требуемое количество топлива, конструкцию самолета, стоимость его агрегатов, необходимое оборудование и т.п., т.е. определяют взлетную массу и затраты на разработку и эксплуатацию самолета. Скорость самолета, который должен заменить эксплуатируемые околозвуковые реактивные самолеты, не может только слегка превышать их скорость (800-1000 км/ч), поскольку она оказалась бы в менее выгодном диапазоне чисел Маха, характеризующихся появлением особенно большого волнового сопротивления. После прохождения этого диапазона начинают сказываться два благоприятных фактора-улучшается аэродинамика самолета и повышается эффективность турбореактивных двигателей. Таким образом, экономически эффективный пассажирский самолет должен летать со скоростью, значительно превышающей скорость звука. Уровень развития современной науки и техники позволяет создать экономичный пассажирский самолет, развивающий скорость до 3000 км/ч. Однако для этого следует решить ряд важных конструкторско-технологических проблем в области скоростей полета, при которых непропорционально быстро растут требования к конструкции самолета и используемым в ней материалам. Это относится прежде всего к повышению температуры при увеличении скорости. Для полетов при ? = 2,5 еще можно использовать апробированные конструкторские решения, технологию и материалы. Говоря конкретно, эти скорости еще допускают применение в конструкции самолета качественных алюминиевых сплавов. При больших скоростях необходимы титановые сплавы и специальные стали с хорошими механическими свойствами при высоких температурах, что потребует изменения хорошо отлаженной современной технологии производства и, как следствие, вызовет рост стоимости и массы самолета.




Рис. 1.60. Зависимость продолжительности полета от дальности для самолетов с разной крейсерской скоростью. 


Для англо-французского и советского сверхзвуковых пассажирских самолетов, исходя из технических и экономических соображений, была принята крейсерская скорость неско


убрать рекламу







лько больше чем М = 2. В США считали, что европейский проект основан на «старой» технологии и традиционных конструкторских решениях, а потому, располагая предельными техническими возможностями, не имеет перспектив дальнейшего развития. Другими словами, новые самолеты в начале эксплуатации будут иметь максимально возможные летные данные, и уже в 70-х годах (!) их конструкция начнет устаревать. Именно такого рода аргументация послужила обоснованием американского проекта самолета с М = = 3,0, который почти в два раза дороже и потребует в два раза больше времени для разработки, но зато обеспечит возможность после проведения несложных модификаций увеличить крейсерскую скорость без принципиального изменения конструкции. Следует, конечно, учесть, что на решение США повлияли также престижные соображения и опыт, приобретенный при создании и эксплуатации самолетов Х-15 и ХВ-70 и особенно рекордного военного самолета YF-12A, развивающих максимальную скорость более 3000 км/ч. Как упоминалось выше, разработка американского сверхзвукового пассажирского самолета была приостановлена в 1971 г. После возобновления работ в 1975 г. выяснилось, что принципы, лежащие в основе проекта, на данный момент реализовать практически невозможно, и американцы приступили к созданию самолета с крейсерской скоростью М = 2,2.

Пассажира самолета интересует не то, с какой скоростью он летит (пассажир не чувствует скорости независимо от того, равна она 1000 или 3000 км/ч, а преодоление звукового барьера не оказывает на него заметного физиологического влияния), а сколько времени он затратит на передвижение, пользуясь сверхзвуковым самолетом в определенном рейсе. Конечно, увеличение скорости приводит к сокращению времени полета (для пассажира это означает сокращение времени поездки, а для авиатранспортного предприятия – повышение эффективности перевозок), однако это время зависит также от дальности беспосадочного перелета. Эта зависимость показана на рис. 1.60 для самолетов трех типов в предположении, что время выхода на полосу и ожидание взлета составляют 15 мин; разгон и подъем на крейсерскую высоту, а также торможение сверхзвукового самолета перед посадкой занимают в сумме 1000 км дальности. Из рисунка видно, что для дальности 2000 км экономия времени полета с крейсерской скоростью 2125 км/ч по сравнению с околозвуковой составляет 1 ч 15 мин, для дальности 4000 км-2 ч 45 мин, а для дальности 6000 км-более 4 ч. Сокращение времени полета самолета, имеющего скорость ~ 3200 км/ч, по отношению к предыдущему для тех же дальностей составляет соответственно только 10, 25 и 45 мин.

Приведенные выше рассуждения показывают, что самолет, летящий со скоростью, большей, чем, например, «Конкорд», будет иметь определенное преимущество только для относительно малого количества маршрутов. Выигрыш в 45 мин на дальности 6000 км не может оправдать затраты труда и средств. Принимая это во внимание, а также учитывая будущие потребности авиапредприятий, обслуживающих рейсы из Европы на другие континенты, английские и французские специалисты рассчитали, что при выбранной скорости полета минимальная, экономически приемлемая дальность равна 4500 км, а максимальная, ограничиваемая техническими возможностями,-около 6000 км. Однако по мере разработки проекта и создания опытных образцов самолетов дальность была уточнена и составила 4900 км (минимальная с максимальным полезным грузом) и 7215 км (максимальная с максимальным количеством топлива). При этом взлетная масса самолета возросла от первоначальной 130000 до 180000 кг. В СССР наиболее выгодной при полете с экономичной сверхзвуковой скоростью считается дальность 6500 км (для «Конкорда» она составляет 6320 км), а в США-около 8000 км.

С экономическими вопросами тесно связана также проблема выбора рациональных размеров самолета, которые определяют пассажировместимость. С точки зрения стоимости полета на единицу дальности предпочтительнее большие самолеты с 200 и более пассажирами, однако с учетом стоимости изготовления и наземного обслуживания и других причин, не связанных непосредственно со стоимостью полетной эксплуатации, следует создавать самолеты меньших размеров. В СССР, Франции и Великобритании принято за оптимальное количество 100-108 пассажирских мест первого класса, которые легко можно переоборудовать на 150 мест в туристическом варианте. В США, где планируется строительство около 500 сверхзвуковых пассажирских самолетов, определено, что число пассажиров в таком самолете должно быть не меньше 200, но рассматриваются проекты самолетов и на 218-350 пассажиров.

Удовлетворение поставленным требованиям и обеспечение определенных скорости и дальности полета всегда зависят от того, в какой степени при разработке и изготовлении самолета удается, с одной стороны, минимизировать сопротивление и взлетную массу, а с другой-обеспечить необходимую прочность и тягу двигательной установки при достаточном количестве топлива. Практически летные характеристики самолета определяются первыми двумя параметрами (сопротивлением и массой), а остальные либо являются производными от них, либо влияют на них тем или иным образом.

Теоретические исследования показали, что коэффициент сопротивления сверхзвукового пассажирского самолета должен быть в ~ 3 раза меньше по сравнению с типичным значением этой величины для околозвукового самолета. Это связано как с выбором соответствующей аэродинамической схемы самолета, так и с определением оптимальных для заданной крейсерской скорости форм элементов самолета и характеристик профилей. Некоторые проблемы такого рода упоминались в предыдущих главах. К пассажирским самолетам не предъявляются требования высокой маневренности; они должны иметь оптимальные характеристики в полете с постоянной скоростью, и при их проектировании основное внимание уделяется обеспечению максимального аэродинамического качества на крейсерском режиме. От аэродинамического качества самолета непосредственно зависит либо дальность полета при заданном запасе топлива, либо требуемое количество топлива и взлетная масса самолета для фиксированной дальности. Аэродинамическое качество равно отношению подъемной силы к силе сопротивления; его значение можно увеличить, например, уменьшая максимальную площадь поперечного сечения несущих поверхностей или поверхность, обтекаемую воздушным потоком, либо снижая значение так называемого балансировочного сопротивления.




Рис. 1.61. Аэродинамическое парирование продольного момента. 


Первый способ связан с выбором профилей малой относительной толщины. Хотя тонкие профили и имеют пониженные несущие свойства, им одновременно присуще очень малое сопротивление. Их применение повышает аэродинамическое качество самолета и снижает требования к двигательной установке. Например, уменьшение относительной толщины профиля крыла с 4 до 2,5% дает прирост качества примерно на 5%. Для реализации преимуществ тонких профилей без увеличения массы конструкции самолета необходимо использовать треугольное крыло малого удлинения. Малый размах такого крыла способствует значительному уменьшению изгибающего момента, а большая строительная высота в корневом сечении позволяет создать значительное расстояние между силовыми элементами, что приводит к преобразованию изгибающего момента в пару осевых сил небольшой величины. Такие свойства треугольного крыла делают его редким примером удовлетворения противоположным требованиям аэродинамики больших скоростей и прочности конструкции. Второй способ, по-видимому, более прост, поскольку уменьшение поверхности, обтекаемой воздушным потоком, обеспечивается в основном выбором фюзеляжа с минимально необходимым объемом и поперечным сечением. Полная поверхность самолета зависит от аэродинамической схемы, и в частности от наличия или отсутствия горизонтального оперения. Это влияет также на величину балансировочного сопротивления.

В гл. 2 и 4 показано, что одним из самых неблагоприятных факторов перехода от дозвуковой к сверхзвуковой скорости является перемещение центра давления (ц. д.) крыла назад при практически постоянном положении центра тяжести (ц. т.) самолета. Расстояние между ними определяет плечо действия аэродинамической силы крыла Pzs  .

При увеличении расстояния между ц. д. и ц. т. возникает продольный момент, переводящий самолет в пикирование (рис. 1.61). Для предотвращения этого необходимо уравновесить продольный момент силой PZH  , создаваемой на управляющих поверхностях горизонтального оперения. Требуемая величина силы PZH  зависит от плеча, на котором она приложена, т. е. от выбранной аэродинамической схемы самолета. В самолетах классической схемы на дозвуковой скорости отношение PZ  h/Pzs обычно составляет 0,03-0,05, а на сверхзвуковой возрастает до 0,15-0,20. Это означает, что для балансировки самолета при полете на сверхзвуковых скоростях необходимо увеличение аэродинамической силы оперения в 4-5 раз. Поскольку рост этой силы обеспечивается увеличением угла отклонения оперения, такая балансировка самолета связана со значительным увеличением сопротивления. Эта часть аэродинамического сопротивления самолета, называемая балансировочным сопротивлением, непосредственно влияет на изменение аэродинамического качества. В самолетах без горизонтального оперения парирование продольного момента производится отклонением элевонов. Центр давления у такого самолета перемещается значительно меньше, однако из-за малого расстояния от центра тяжести элевоны должны отклоняться на больший угол.

Рост балансировочного сопротивления вызывает среди прочего увеличение расхода топлива, и проблема решается как ограничением перемещения центра давления, так и перемещением по мере необходимости в том же направлении центра тяжести.




Рис. 1.62. Изменение относительного положения центра давления самолетов с оживальным (готическим) и треугольным крылом в зависимости от числа Маха. 

Внизу слева показана поверхность средних линий профилей крыла. 

1-4-запас статической продольной устойчивости самолета, имеющего соответствующую схему. Цифра 3 характеризует изменение устойчивости самолета с готическим крылом. 

Эти меры применимы независимо от выбранной аэродинамической схемы. 


В европейских проектах сверхзвукового пассажирского самолета требование минимального аэродинамического сопротивления удовлетворяется наиболее рациональным образом в самолете с треугольным крылом без горизонтального оперения и с четырьмя двигателями, расположенными в двух гондолах под крылом. Наиболее характерным для этих проектов является применение готического крыла и тонкого фюзеляжа S-образной формы с отклоняемой вниз передней частью. В американских проектах самолет имеет также четыре двигателя, но каждый из них располагается в отдельной гондоле. Рассматривалась также возможность создания самолета изменяемой геометрии и самолета с неподвижным крылом. При этом рассматривалось только треугольное крыло с переменной стреловидностью по передней кромке. [В случае неподвижного крыла подвергались анализу самолет классической схемы и самолет без горизонтального оперения («бесхвостка»).] Окончательный проект фирмы «Макдоннел-Дуглас» предусматривает создание самолета по классической схеме, имеющего треугольное крыло с наплывом. В проектах самолетов Ту-144 и «Конкорд» готическое крыло способствует уменьшению перемещения центра давления при изменении скорости полета, а балансировочные топливные баки позволяют перемещать в том же направлении и центр тяжести.

В чем преимущество готических крыльев? Теоретически можно считать, что готическое крыло состоит из двух крыльев (поверхностей). При малых скоростях полета работает основная треугольная поверхность с закругленными концами. Дополнительная передняя часть (наплыв) очень малого удлинения и большой стреловидности в таких условиях практически не создает подъемной силы. Только при больших сверхзвуковых скоростях ее эффективность резко возрастает, так что возникающая на ней подъемная сила компенсирует смещение назад центра давления основной треугольной части крыла. Взаимодействие этих двух частей крыла во время полета позволяет существенно уменьшить перемещение центра давления при переходе от дозвуковой к сверхзвуковой скорости полета (рис. 1.62). Поэтому самолет с готическим крылом имеет более высокие аэродинамические характеристики по сравнению с самолетом, имеющим треугольное крыло, которое более чувствительно к перемещению центра давления и поэтому требует применения конструктивных и аэродинамических решений, приводящих к росту массы самолета и усложнению его конструкции. Это полезное свойство готических крыльев может быть увеличено с помощью изгиба средней линии поперечных сечений. Благодаря такому профилированию крыла на нем возникают силы, которые компенсируют при неотклоненных элевонах продольный момент, возникающий в некотором диапазоне скорости полета. Крылья с искривленной срединной поверхностью и переменной стреловидностью передней кромки значительно увеличивают аэродинамическое качество самолета по сравнению с крыльями, применявшимися до сих пор. Деформированное таким образом готическое крыло обеспечивает самолету на крейсерской скорости характеристики сверхзвукового самолета, а при взлете и посадке-характеристики дозвукового самолета.




Рис. 1.63. Опытный самолет ВАС 221 фирмы «Бритиш эркрафт корпорейшн». 


Например, в самолете «Конкорд» на сверхзвуковой скорости аэродинамическое качество равно 7,5-8, на дозвуковой 13-14, т.е. приблизительно такое же, как у современных дозвуковых самолетов. Во время посадки качество уменьшается до 4. Хорошие характеристики в дозвуковом диапазоне имеет Ту-144, у которого в передней части фюзеляжа расположена дополнительная убираемая несущая поверхность. С целью изучения свойств готических крыльев были построены опытные самолеты ВАС 221 (рис. 1.63) и «Аналог» 144.

Дополнительное уменьшение сопротивления достигнуто благодаря применению фюзеляжа с большим удлинением пере- ¦ дней части и скрытым фонарем кабины. Для управления самолетом необходима хорошая видимость (особенно при взлете и посадке), поэтому в созданных и проектируемых сверхзвуковых пассажирских самолетах предусмотрено отклонение вниз передней части фюзеляжа. Во время полета эта часть фюзеляжа поднята, что обеспечивает малое сопротивление, но ограничивает видимость через небольшие иллюминаторы. При опущенной передней части во время взлета (у «Конкорда» на угол 5°) и посадки (17,5°) обеспечивается хорошая видимость взлетной полосы. Как в советском, так и в англо-французском проекте большое внимание уделяется качеству внешней поверхности самолета, которая выполняется обтекаемой (без каких-либо выступающих частей и узлов) благодаря применению в конструкции панелей, изготовляемых методами химической и механической обработки из металлических плит большого размера. Во-первых, это привело к уменьшению сопротивления трения, а во- вторых, повысило стойкость в отношении температурных напряжений, возникающих от циклического неравномерного повышения температуры поверхности до 130°С и последующего охлаждения до температуры окружающей среды.

С аналогичной целью было проведено исследование различных вариантов размещения двигательной установки и формы гондол двигателей; при этом дополнительное сопротивление от интерференции гондолы и крыла может быть использовано как фактор, благоприятно влияющий на подъемную силу самолета. Известно, что одиночная гондола двигателя, установленная непосредственно под крылом или на пилоне, создает собственное большое сопротивление из-за значительного увеличения поверхности (особенно для гондол двигателей с форсажными камерами) и площади поперечного сечения и, кроме того, из-за вредного взаимного влияния гондолы и крыла.




Рис. 1.64. Расположение баков и последовательность перекачивания топлива в зависимости от режима полета самолета «Конкорд». 

а-переход от дозвуковой к сверхзвуковой скорости; б-торможение; в-последняя стадия торможения и переход к дозвуковой скорости; г-перекачивание топлива из балансировочных баков. 


В самолетах «Конкорд» и Ту-144 (серийный вариант) двигатели помещаются парами в двух плоских гондолах, сдвинутых к задней кромке крыла, благодаря чему достигнуто уменьшение сопротивления, повышающее качество самолета примерно на 10%. Этот эффект объясняется двумя факторами. Один из них состоит в том, что перемещение двигателей назад, за максимальную толщину профиля крыла, значительно улучшает характер распределения площади поперечного сечения вдоль оси самолета. При этом максимальная площадь поперечного сечения уменьшается настолько, что ее отношение к площади несущей поверхности составляет ~ 4% (у околозвуковых самолетов она равна примерно 10%). Второй фактор связан с выбором формы воздухозаборников; исходящие от них косые скачки должны соответствовать форме крыла в плане. Благодаря этому на крейсерском режиме нижняя поверхность крыла находится под действием скачков уплотнения, повышающих давление, что увеличивает подъемную силу самолета. Поэтому для получения необходимой подъемной силы нужен меньший угол атаки, в результате чего уменьшается лобовое сопротивление самолета и возрастает его качество.

Характерной чертой советского и англо-французского сверхзвуковых пассажирских самолетов является также использование топлива (масса которого составляет ~ 50% взлетной массы самолета) для охлаждения самолета и для перемещения его центра тяжести при переходе от дозвуковых к сверхзвуковым скоростям полета. Эту особенность можно проиллюстрировать на примере самолета «Конкорд» (рис. 1.64), в крыльях и фюзеляже которого размещено 17 топливных баков объемом 117285 л. Они разделены на три группы: балансировочные баки (4 в околофюзеляжной части крыла, имеющей максимальную стреловидность, и 1 в задней части фюзеляжа), резервные баки (4 в крыле) и основные баки (6 в крыле и 2 в нижней средней части фюзеляжа).

Разделение внутреннего пространства каждого крыла на семь отдельных топливных емкостей-кессонов требуется для обеспечения по возможности минимальных перемещений центра тяжести самолета в результате расходования топлива и для управления его положением в зависимости от условий полета. На взлете, подъеме и околозвуковом полете передние балансировочные баки заполнены целиком, а задний бак пуст. При переходе от дозвуковых к сверхзвуковым скоростям полета топливо из передних баков перекачивается в задний бак. В результате центр тяжести самолета перемещается назад, т. е. движется вслед за центром давления. При переходе от сверхзвуковых к дозвуковым скоростям полета топливо перекачивается в обратном направлении. В зависимости от времени полета (количества израсходованного топлива) из балансировочных баков топливо может перекачиваться в основные баки. Количество перекачиваемого топлива контролируется бортинженером.

10. Аварийно-спасательные средства сверхзвуковых самолетов

 Сделать закладку на этом месте книги

Аварийные ситуации в современной авиации возникают достаточно редко, прежде всего благодаря высокой надежности летательных аппаратов, хорошей подготовке экипажей и тщательной работе наземных технических служб. Несмотря на это, иногда происходят аварии самолетов, например, вследствие отказа силовой установки, нехватки топлива, возникновения пожара на самолете, неисправности системы управления, потери пилотом ориентации в пространстве, из-за исключительно неблагоприятных метеорологических условий и т.п. Кроме того, военные самолеты постоянно подвергаются опасности оказаться в аварийной ситуации в результате действий противника.

К наиболее неблагоприятным относятся быстротечные аварии, когда время, которым располагает экипаж для того, чтобы покинуть самолет или произвести вынужденную посадку, невелико. Поэтому спасательные средства экипажей военных самолетов должны обеспечивать безопасность не только в любой ситуации, но и в любой момент времени.

В первом двадцатилетии развития авиации экипаж практически не располагал каким-либо спасательным средством, позволяющим покидать самолет в воздухе. Во втором двадцатилетии единственным средством такого рода был парашют. В случае аварии летчик покидал самолет таким образом: отстегивал ремни, удерживающие его в кресле, открывал фонарь, выходил из кабины и прыгал с крыла. После непродолжительного свободного падения летчик открывал парашют и приземлялся. С ростом скорости и высоты полета такой способ становился непригодным по многим причинам.

Во-первых, с увеличением скорости полета значительно возрастает сила аэродинамического сопротивления. Например, при скорости полета ~ 600 км/ч на тело летчика, высунувшегося только наполовину из кабины самолета, действует сила около 4,4 кН (450 кГ). Величина силы пропорциональна квадрату скорости, поэтому повышение скорости, например, до 1200 км/ч приводит к четырехкратному увеличению силы без учета дополнительного волнового сопротивления. В таких условиях выход из кабины самолета превышает физические возможности человека.

Вторым фактором, затрудняющим покидание самолета с парашютом, является большое различие между скоростью самолета и резко уменьшающейся скоростью парашютиста в результате торможения набегающим потоком. Поток подхватывает парашютиста и быстро уносит назад, что грозит столкновением с хвостовым оперением или другими частями самолета.

Третья опасность кроется в неблагоприятном действии воздушного потока большой скорости на незащищенные участки тела, вызывающем повреждение внешних и внутренних органов и т.п.

Другие опасности связаны с необходимостью покидать самолет на очень большой или очень малой высоте. В первом случае возникает неблагоприятное действие на человека очень низких атмосферного давления и температуры, вследствие чего возникает кислородное голодание и нарушается тепловое равновесие организма. На малой высоте, особенно при движении самолета по земле (или палубе корабля), не хватает промежутка времени и расстояния для раскрытия и наполнения купола парашюта, т. е. для уменьшения скорости падения до допустимой величины.

Практически установлено, что покидать с парашютом самолет, летящий со скоростью более 600 км/ч на высоте, меньшей 300 м, без специальных средств небезопасно или просто невозможно с учетом физических данных человека. По этой причине конструкторы разработали специальные технические средства, позволяющие покидать около- и сверхзвуковые самолеты в любых условиях и на любых этапах полета, т.е. во всем используемом диапазоне скоростей и высот.

Первым средством такого рода являлось выбрасываемое сиденье, позволяющее летчику покидать самолет с помощью катапультирования. Первые применявшиеся катапультируемые сиденья обеспечивали возможность безопасно покидать самолет только при ограниченной скорости и высоте, поэтому для сверхзвуковых самолетов было создано более сложное оборудование. К нему относятся спасательные капсулы и отделяемые кабины, в которых можно покидать самолет, сохраняя безопасность в любых условиях полета. Они нашли применение исключительно в сверхзвуковых самолетах.

Катапультируемое сиденье

 Сделать закладку на этом месте книги

Катапультируемое сиденье по сравнению с обычным, неподвижно закрепленным в самолете снабжено направляющими и приводом, позволяющим выбрасывать сидящего человека (вместе с сиденьем) на определенную высоту над траекторией полета самолета. В первых устройствах такого рода движение вдоль направляющих происходило под действием сжатых газов, подаваемых в цилиндр (скрепленный с самолетом), которые, действуя на поршень (скрепленный с сиденьем), придавали сиденью и летчику определенную скорость относительно самолета.

После катапультирования сиденье с летчиком движется по траектории, форма которой зависит от скорости полета самолета в момент катапультирования, скорости катапультирования сиденья, а также катапультируемой массы (сиденье с летчиком) и ее аэродинамических характеристик. Параметры конструкции кресла и его привода должны обеспечивать после катапультирования скорость движения, достаточную для того, чтобы миновать заднюю часть самолета на безопасном расстоянии. Высота катапультирования уменьшается с увеличением скорости полета и возрастает с увеличением начальной скорости катапультирования. Скорость катапультирования зависит от величины хода поршня в цилиндре, характеристик катапульты и допустимого значения перегрузки, действующей на человека.

Ограниченные габариты кабины экипажа и, следовательно, небольшой допустимый ход поршня повлияли на то, что первые катапульты снабжались приводом (обычно это был пороховой заряд, реже баллон сжатого воздуха), который на коротком промежутке пути сообщал человеку перегрузку 18-20, т.е. максимально допустимую с физиологической точки зрения. С помощью сидений такого типа можно было безопасно покидать самолет, летящий со скоростью, не превышающей 900-1100 км/ч. Авария на самолете, летящем с большей скоростью, требовала от экипажа уменьшения ее до такой, при которой можно безопасно покидать кабину. Случаи, в которых это было невозможно из-за повреждения самолета, могли закончиться трагически.

В 1955 г. произошли две аварии, которые снова обратили внимание на проблему покидания самолета, летящего со сверхзвуковой скоростью. В обоих случаях катапультирование произошло во время крутого пикирующего полета с возрастающей скоростью, причиной которого явилась потеря управляемости, вызванная аэродинамической блокировкой руля высоты. В первом из них пилот X. Молланд катапультировался на высоте около 7,5 км из околозвукового самолета «Хантер» фирмы «Хоукер», летевшего со скоростью 1140-1230 км/ч (что соответствует М = 1,0-1,1). Было установлено, что пилот правой рукой нажал рычаг сброса фонаря, левой же схватился за лицевой щиток, приводя в движение механизм катапультирования. После открытия фонаря пилоту не удалось правой рукой схватиться за лицевой щиток, и потоком воздуха щиток был сдвинут назад. От удара о спинку кресла щиток сломался. Уже после покидания кабины воздушный поток сорвал с пилота перчатки, шлемофон и кислородную маску, а первый удар потока в лицо вызвал появление синяков под глазами.

Второй случай катапультирования при полете со сверхзвуковой скоростью произошел в значительно более трудных условиях на самолете F-100A, который пилотировал профессиональный летчик-испытатель Г. Смит. Во время разгона до максимальной скорости на высоте 11 300 м с включенной форсажной камерой самолет вошел в пикирование, из которого пилот не мог его вывести. В момент аварии самолет находился в крутом пикировании со скоростью полета 1300 км/ч ц скоростью падения 350 м/с.







Рис. 1.65. Несколько этапов катапультирования из самолета F-8A с помощью сиденья, имеющего телескопический выталкивающий механизм. На фотоснимке вверху справа видна штанга механизма, выступающая из кабины. 


Смит отдавал себе отчет в том, что катапультирование на такой скорости небезопасно, однако он решил воспользоваться этой последней возможностью спасения. Закрыв щиток своего шлема, он уменьшил обороты двигателя и выпустил тормозные щитки. Растерявшись, Смит не поставил ноги на подножку кресла и не занял позиции, соответствующей катапультированию; открыв фонарь, он мгновенно был оглушен шумом воздушного потока. Не владея собой, левой рукой Смит продолжал держать ручку газа, а правой также безотчетно нажал рычаг катапультирования (это происходило на высоте около 2000 м). В следующее мгновение он потерял' сознание и пришел в себя только через несколько дней. Позднее было установлено, что в момент катапультирования скорость полета составляла около 1250 км/ч; таким образом, на пилота, покинувшего кабину, действовала тормозящая сила сопротивления воздуха, создавая отрицательную перегрузку около 40 и динамическое давление порядка 600 кПа. Воздушный поток сорвал с пилота ботинки, носки, шлем, кислородную маску и перчатки, а также кольцо и наручные часы, разорвал нос, губы и веки. Все тело имело сильные ушибы, а внутренние органы, особенно сердце и печень, повреждены. Желудок и легкие до такой степени были наполнены воздухом, что находившийся без сознания Смит плавал по поверхности моря до тех пор, пока его не выловил экипаж моторной лодки, оказавшийся случайным свидетелем всего происшествия.

Вследствие проведенных исследований конструкция катапультируемого кресла претерпела существенные изменения, благодаря которым сначала была повышена безопасность покидания самолета, летящего с большой скоростью, а затем-безопасность при взлете и посадке. К наиболее важным конструктивным усовершенствованиям относятся:

– совмещение в одном рычаге откидывания фонаря и катапультирования с одновременным автоматическим фиксированием ног и рук в необходимом положении. В креслах первоначальной конструкции катапультирование наступало после натягива


убрать рекламу







ния на лицо обеими руками матерчатого предохранителя, а после введения шлемов со щитками из органического стекла-нажатием рычага, расположенного в подлокотнике кресла или между бедрами. В новых катапультируемых креслах пилот выполняет только одно действие-подает команду исполнительному механизму, который притягивает ноги к креслу и фиксирует их, прижимает локти к туловищу, выбирает зазоры в ремнях, удерживающих пилота в кресле, фиксирует голову и сбрасывает фонарь (или открывает аварийный люк), а через 1-2 с приводит в действие катапульту;




Рис. 1.66. Катапультирование с помощью кресла с ракетным двигателем «Эскапак» II фирмы «Дуглас». 


– применение автоматического выпуска стабилизирующего парашюта, отделения пилота от кресла (расстегивание ремней и отбрасывание кресла), раскрытие спасательного парашюта и регулирование запаздывания исполнительных механизмов, которые обеспечивают как можно более быстрое прохождение больших высот (без превышения предельного перепада давления, безопасного для организма) и как можно более быстрое наполнение купола парашюта во время падения с малых высот; этими действиями управляет таймерно-анероидный автомат, а быстрое наполнение парашюта на малой высоте осуществляется системой небольших пирозарядов, выбрасывающих парашют из оболочки и раскрывающих его купол;

– применение телескопических и многозарядных выталкивающих механизмов, удлиняющих время действия ускорения и соответствующий путь катапультируемого кресла, благодаря чему начальная скорость кресла ограничивается величиной 20-24 м/с, а высота его подъема увеличивается до 25-28 м при перегрузке 18-20 (рис. 1.65).

Выталкивающий механизм такого типа позволяет покинуть самолет, летящий с большой скоростью на малой высоте, однако его невозможно использовать во время аварии на взлете или посадке. Эта проблема была решена с помощью дополнительного ракетного двигателя, который удлиняет активный участок траектории полета катапультируемого кресла при перегрузках, допустимых для организма человека. Катапультирование в таком кресле можно разделить на два этапа. На первом происходит обычный процесс катапультирования, а на втором включается ракетный двигатель тягой 20-30 кН, который, действуя уже вне кабины самолета, за несколько десятых долей секунды поднимает кресло на высоту 60-120 м. Такое кресло с ракетным двигателем позволяет покинуть самолет, находящийся на взлетной полосе, и поэтому относится к классу 0-0 (скорость и высота равны нулю).

Кроме средств, позволяющих вынужденно покидать самолет, летящий со сверхзвуковой скоростью, большое внимание уделяется проблеме защиты пилота от действия динамического давления. Из многих рассмотренных решений практическое применение нашел упомянутый выше метод натягивания на лицо полотняной предохранительной маски. Высотные скафандры и специальные шлемы для экипажей самолетов, эксплуатируемых на больших высотах, на сегодняшний день решают проблему защиты тела и лица человека при катапультировании. Не нашли широкого применения другие способы защиты от воздействия потока, которые, в частности, использовали:

– выдвигаемый щиток, выполняющий роль генератора косых скачков уплотнения, образующих конус Маха, внутри которого скорость потока и динамическое давление на 30% меньше, чем снаружи;

– быстрый поворот кресла после катапультирования в горизонтальное положение, с тем чтобы сиденье кресла воспринимало действие динамического давления;

– конструктивно связанную с креслом отъемную часть фонаря кабины, которая во время катапультирования поворачивается таким образом, чтобы закрыть от набегающего потока все кресло вместе с пилотом.

Эти способы могут оказаться эффективными в частных случаях, например при автоматическом катапультировании летчика, находящегося без сознания, из самолета, погружающегося в воду.

Спасательная капсула

 Сделать закладку на этом месте книги

Частые аварии и катастрофы первых сверхзвуковых самолетов, невысокая эффективность открытых катапультируемых кресел в экстремальных условиях полета, а также сложность отделения и безопасного возвращения на землю передней части самолета с экипажем привели к появлению в 50-х годах более рациональных закрытых катапультируемых устройств, называемых спасательными капсулами. Во время аварии это устройство по сигналу катапультирования автоматически закрывает человека вместе с креслом специальными щитками и, кроме того, позволяет применять более разнообразное оборудование, повышающее безопасность с момента катапультирования до приземления.

Изучалась возможность использования негерметичных и герметичных капсул. В первом случае капсула защищает человека от воздействия динамического давления, аэродинамического нагрева и частично от перегрузок при торможении (благодаря увеличению массы и уменьшению сопротивления). В свою очередь герметичная капсула позволяет, кроме того, совершать полет без сложного скафандра, затрудняющего движения, и парашюта, а также прочих индивидуальных средств членов экипажа. С учетом этих достоинств практическое применение получили герметические капсулы, обладающие непотопляемостью, что обеспечивает безопасное приводнение.

Первую из известных капсул разработала фирма «Гудьир» для военно-морской авиации США в начале 50-х годов. Однако эта капсула не нашла применения. Затем были созданы капсулы для самолетов В-58 и ХВ-70А. Конструкция этих капсул и приспособлений, служащих для катапультирования, определялась требованием безопасного покидания неисправного самолета в широком диапазоне высот и скоростей полета. Для самолета ХВ-70А такой диапазон скоростей начинается со 150 км/ч (при нулевой высоте) и охватывает скорости вплоть до М = 3 (при этом покинуть самолет, летящий с максимальной скоростью, можно только на высоте, превышающей 2100 м). Подробных данных о самолете В-58 не опубликовано, однако известно, что во время наземных испытаний капсула поднималась на высоту 75 м, что при использовании быстро раскрывающегося парашюта обеспечивает высокий уровень безопасности приземления.

Автоматическое оборудование, примененное, например, в капсуле самолета В-58, осуществляет подготовку к катапультированию, само катапультирование и приземление. Подготовка к катапультированию в этой капсуле включает придание телу человека определенного положения, закрытие капсулы и ее герметизацию. Механизм катапультирования приводится в движение с помощью одного из двух рычагов, расположенных на подлокотниках кресла. После этого зажигается пороховой заряд, газы которого попадают в два привода; один из них подтягивает и фиксирует ноги, другой отодвигает туловище назад и стабилизирует положение головы. После этих операций пороховые газы проникают в механизм герметичного закрывания капсулы. Длительность этих операций составляет около одной секунды, после чего осуществляется герметизация кабины и создается давление, соответствующее высоте 5000 м, что занимает еще 2-3 с. Закрытие капсулы вызывает срабатывание нескольких концевых выключателей электрических цепей. Цепь аварийной сигнализации закрытия капсулы передает сигнал остальным членам экипажа о принятии решения на катапультирование. Другая цепь включает средства связи, передающие сигналы об аварии. После закрытия капсулы пилот сохраняет возможность управления самолетом, так как штурвал остается в своем нормальном положении внутри капсулы, а ее обтекатель имеет иллюминатор, через который можно наблюдать за показаниями приборов и частью оборудования кабины. Такая конструкция позволяет осуществить (если авария не имеет катастрофического характера) снижение, изменение направления полета и даже открытие капсулы с сохранением возможности ее повторной герметизации. Система катапультирования не зависит от подготовительных операций, поэтому сам процесс катапультирования капсулы может быть произведен и в случае их невыполнения, например при поломке или отказе устройств, обеспечивающих выполнение подготовительных операций.




Рис. 1.67. Спасательная капсула самолета В-58. 


Процесс катапультирования основан на принципе, использованном в катапультируемых сиденьях, оборудованных ракетными двигателями, запускаемыми с помощью вспомогательной системы. Нажатие рычага катапультирования приводит к воспламенению порохового заряда. Выделяющиеся при этом газы сбрасывают обтекатель кабины, и по истечении 0,3 с происходит запуск ракетного двигателя. Во время движения капсулы вверх происходит воспламенение другого порохового заряда, выбрасывающего наружу стабилизирующий парашют, который после отделения капсулы от самолета инициирует раскрытие на ее поверхности щитков-стабилизаторов. Движение капсулы по направляющим катапульты сопровождается отделением от нее элементов управления и систем, связанных с самолетом, а также включением внутренней аппаратуры жизнеобеспечения.

Кроме того, происходит включение внутри капсулы таймерно-анероидных автоматов, которые после уменьшения высоты и скорости полета капсулы до безопасных значений вызывают открытие спасательного парашюта и выполнение всех надлежащих операций, в том числе наполнение амортизирующих резиновых подушек, смягчающих удар при приземлении или приводнении капсулы. В случае приводнения осуществляется наполнение дополнительных поплавковых камер, увеличивающих плавучесть и устойчивость капсулы на неспокойной поверхности воды. Во время плавания капсула может находиться как в открытом, так и закрытом состоянии. Если в случае волнения водной поверхности капсула должна быть закрыта, то осуществляется подключение шланга кислородной маски к клапану системы дыхания атмосферным воздухом. Несколько иную конструкцию имела капсула, примененная на самолете ХВ-70А. Она была оборудована обтекателем, состоящим из двух частей, а угол наклона кресла мог изменяться (рис. 1.68). Стабилизацию положения капсулы в полете обеспечивали два цилиндрических кронштейна телескопического типа, выдвигаемые через 0,1 с после катапультирования. Длина кронштейнов в расправленном положении составляла 3 м. Концы кронштейнов были снабжены стабилизирующими парашютами, которые раскрывались через 1,5 с после катапультирования. Силовая установка капсулы позволяла осуществить ее выброс на высоту до 85 м. Во время наземных испытаний собственная масса капсулы составляла 220 кг, а место испытателя было заполнено 90-килограммовым балластом. Безопасное снижение происходило с помощью спасательного парашюта, имеющего диаметр купола 11 м, а приземление или приводнение осуществлялось с помощью амортизатора в виде резиновой подушки, наполняющегося газом во время снижения.




Рис. 1.68. Спасательная капсула самолета ХВ-70А. 


Применение капсул такого типа обеспечивает возможность работы экипажа из двух человек в общей кабине вентиляционного типа, такой же, какая обычно используется на транспортных самолетах. Внутри капсулы, под сиденьем, размещается набор предметов первой необходимости, в состав которого, кроме всего прочего, входят: передающая радиостанция, высылающая сигналы для определения местоположения капсулы, и оборудование, необходимое для обеспечения жизнедеятельности в тропических и арктических условиях (в том числе удочка, ружье, вода, продовольствие и т.п.).

Отделяемая кабина

 Сделать закладку на этом месте книги

Основной предпосылкой разработки отделяемой кабины являлось стремление к повышению степени безопасности полетов, поскольку считалось, что отделение кабины от самолета при любых условиях и режимах полета будет для экипажа более легким и удобным процессом, осуществляемым, возможно, быстрее, чем при использовании катапультируемых сидений или капсул. Такая кабина должна быть устойчивой в полете и обеспечивать меньшие перегрузки.

В зависимости от принятой конструктивной идеи кабины уменьшение перегрузки может быть достигнуто либо посредством увеличения отношения массы кабины к ее аэродинамическому сопротивлению, либо путем использования ракетных двигателей, противодействующих резкой потере скорости при отделении кабины.

Практическое использование аварийной системы покидания самолета с помощью отделяемой кабины является более сложным мероприятием по сравнению с рассмотренными выше, поскольку требует решения ряда дополнительных проблем. К ним относится, в частности, проблема разъединения в доли секунды большого количества проводов и механических связей бортовых систем, которые в обычных условиях должны удовлетворять требованиям нормального функционирования и высокой надежности. Процесс этот должен происходить не только быстро и надежно, но и без нарушения работы оборудования, расположенного в кабине и обеспечивающего жизнедеятельность экипажа. В теоретических исследованиях и опытно- конструкторских работах изучаются различные варианты принципов построения и конструктивного выполнения кабин в зависимости от их назначения и габаритов, а также технологические возможности, стоимость разработки, производства, эксплуатации и т.п. Иными словами, задача разработки отделяемой кабины обычно рассматривается с точки зрения комплексной пригодности определенного решения для конкретного типа самолета.

Из опубликованных данных следует, что наиболее рациональным решением является такое, в котором осуществляется отделение кабины вместе с носовой частью фюзеляжа (в легких типах самолетов) или вместе с частью фюзеляжа, образующей с кабиной герметизированный легко разъединяемый модуль. Конструктивные решения в обоих вариантах могут также значительно различаться в зависимости от принятого способа приземления. Так, может быть предусмотрена посадка кабины на сушу или на воду либо экипаж должен покидать кабину (например, путем автоматического вытягивания кресел экипажа с помощью парашютов) после ее снижения до определенной высоты.

На начальном этапе развития сверхзвуковой авиации практическое применение нашел вариант отделяемой кабины, покидаемой экипажем на определенной высоте. Так как основным недостатком такого решения являлась низкая надежность на малой высоте (ввиду недостатка времени, необходимого для выполнения всех операций по покиданию кабины и наполнения купола парашюта) и полная непригодность в предельных условиях (при нулевой скорости и высоте), позднее рассматривались и строились только цельноприземляемые кабины. Кабины этого типа характеризуются не только высокой безопасностью при покидании самолета на любых режимах полета и значительным сокращением количества индивидуальных средств спасения экипажа, но и возможностью автоматизации всех необходимых действий, оставляя пилоту только выбор момента катапультирования.




Рис. 1.69. Самолет «Тридан» I SNCASO. 




Рис. 1.70. Принципиальная схема отделения кабины самолета Х-2. 


Первые отделяемые кабины, о которых сообщалось в печати, были применены в самолетах D-558-II, испытанных в 1948 г., и также «Тридан» I и Х-2 (1953 ?.) 1*. В самолете «Тридан», имеющем фюзеляж в виде тела вращения с конусообразной носовой частью, была применена негерметизированная кабина (пилот осуществлял полет в специальном комбинезоне), выполненная заодно с носовой частью фюзеляжа. При разработке было принято, что после отделения от самолета кабина должна опускаться вертикально со стабилизирующим парашютом до определенной высоты, на которой раскрывается основной парашют. Удар о землю должен был амортизироваться передней заостренной частью фюзеляжа. Такого рода аварийная система покидания самолета не нашла последователей, тем более что в следующей модификации самолета («Тридан» II) была применена герметизированная кабина с катапультируемым сиденьем.

В самолете Х-2 также использована кабина, отделяемая вместе с носовой частью фюзеляжа, которая опускалась на парашюте до определенной высоты. Далее пилот покидал ее обычным способом с применением индивидуального парашюта. Принцип отделения кабины от самолета состоял в использовании давления газов, получаемых от взрыва заряда, находящегося в специальной камере за задней стенкой кабины. После взрыва заряда образующиеся газы подводятся с помощью специальных трубопроводов к четырем шкворням, соединяющим кабину со средней частью фюзеляжа (рис. 1.70), и под действием давления газов происходит отделение кабины от остальной части самолета.

В конце 50-х-начале 60-х годов были проведены первые более комплексные исследования отделяемых кабин, в результате чего появились проекты новых конструктивных решений. Во Франции в 1961 г. была запатентована отделяемая кабина, оборудованная надувными резиновыми поплавками, которые являются амортизирующими или удерживающими элементами при посадке на землю или воду. Предполагалось, что в случае аварии электромеханическое устройство отделит кабину от самолета, включит встроенные ракетные двигатели, которые оттолкнут ее от самолета, и раскроет сложенные стабилизаторы, обеспечивающие полет кабины по восходящей траектории. В наивысшей точке траектории, когда вертикальная скорость уменьшится до нуля, предусматривалось раскрытие стабилизирующего парашюта. При достижении снижающейся кабиной определенной высоты должен выпускаться главный парашют, предназначенный для осуществления плавного спуска и приземления.

1*  В СССР отделяемой кабиной впервые был оборудован самолет Су-17 в 1949 г.-Прим. ред. 




Рис. 1.71. Отделяемая кабина самолета F-111. 


В США были разработаны два варианта отделяемых кабин. Фирма «Стэнли авиэйшн» разработала кабину для самолета F-102, а фирма «Локхид»-для самолета F-104. Обе кабины, однако, не нашли практического применения. Кабина самолета F-104 разработана с учетом предохранения экипажа от действия высоких температур и перепадов давления. Она имела конструкцию, выдерживающую большие перегрузки и аэродинамические воздействия, возникающие в процессе катапультирования.

С целью обеспечения стабилизации положения кабины был предусмотрен выпуск перед катапультированием соответствующих поверхностей с большим удлинением. Для отделения кабины от самолета и подъема ее на определенную высоту предполагалось применение твердотопливного ракетного двигателя с тягой около 200 кН и временем работы около 0,5 с. Предусматривалось, что вектор тяги двигателя должен проходить через центр тяжести кабины под углом 35° относительно оси симметрии самолета. Выброс спасательного парашюта должен происходить при достижении скорости 550 км/ч.

Современные отделяемые кабины нашли применение только в двух сверхзвуковых самолетах (F-111 и В-1); первое покидание самолета с такой кабиной было осуществлено в 1967 г. при аварии самолета F-111, во время которой экипаж самолета, состоящий из двух человек, произвел катапультирование на скорости полета 450 км/ч и высоте 9000 м (со скоростью относительно воздуха 730 км/ч) и осуществил благополучное приземление.

Разработка и производство фирмой «Макдоннел» полностью герметизированной двухместной кабины самолета позволили осуществлять полет без специального высотного оборудования и обеспечивали безопасное покидание самолета во всех диапазонах скоростей и высот полета, в том числе при нулевой скорости и под поверхностью воды. В процессе разработки кабины была выполнена обширная исследовательская программа. В частности, были проведены испытания на рельсовом стенде для определения траектории полета при достижимых на земле предельных скоростях, исследование свободного падения кабины с большой высоты с целью определения аэродинамических характеристик, исследования удара кабины с целью разработки системы амортизации, оценки плавучести, ориентации на воде и отсоединения кабины под водой, изучение возможности длительного пребывания экипажа в кабине после приземления в труднодоступной местности в различных климатических и географических условиях, а также исследования прочности, надежности, функционирования и т.п.




Рис. 1.72. Последовательные стадии и траектория снижения кабины самолета F-111 после катапультирования. 


Отсоединение кабины происходит после нажатия рычага, расположенного между креслами экипажа. После подачи команды система работает автоматически, причем вначале осуществляется затягивание ремней, пристегивающих экипаж к креслам, включение аварийной дыхательной кислородной системы и осуществление дополнительного наддува кабины. Затем происходит отделение кабины от самолета, разъединение элементов управления и проводов, включение ракетного двигателя. Отделение кабины и разрыв соединений осуществляются посредством взрыва заряда, выполненного в виде шнура, уложенного по контуру соединения модуля кабины с остальной частью фюзеляжа. Силовая установка кабины состоит из твердотопливного ракетного двигателя тягой 177,9 кН (18140 кГ).

В зависимости от высоты и скорости полета относительно воздуха двигатель выбрасывает кабину на высоту 110-600 м над самолетом. В верхней точке траектории полета кабины выбрасываются стабилизирующий парашют и полоски станиоля, облегчающие радиолокационное обнаружение кабины спасательными службами. По истечении 0,6 с после выбрасывания стабилизирующего парашюта прекращается работа двигателя и осуществляется выпуск основного спасательного парашюта с куполом диаметром 21,4 м (парашют этого типа применен в спускаемом модуле космического корабля «Аполлон»). Выброс парашюта, обеспечивающего снижение кабины со скоростью 9-9,5 м/с, происходит с помощью порохового заряда, воспламеняемого по сигналу таймерно-анероидного автомата или акселерометра. На высотах, меньших 4500 м, парашют выбрасывается сразу же, а в полетах со скоростью более 550 км/ч он выбрасывается только после уменьшения осевых перегрузок до величины 2,2. Наполнение купола парашюта происходит в течение 2,5 с, считая от момента натяжения строп. Амортизация удара о землю или воду, а также необходимая плавучесть обеспечиваются расположенными под кабиной резиновыми подушками, наполняющимися в течение 3 с после выброса спасательного парашюта. В случае приводнения кабины дополнительно выпускаются два поплавка, предотвращающие ее переворот. В убранном положении поплавки располагаются в нишах верхней части кабины. Кабина может отсоединяться от фюзеляжа под водой. Это происходит автоматически по сигналу гидростатического датчика после погружения самолета на глубину 4,5 м.

В программе разработки самолета В-1 первоначально предусматривалось применение трехместной отделяемой кабины, аналогичной кабине самолета F-111. Однако значительная стоимость такой кабины, необходимость проведения обширных исследований, сложность конструкции и обслуживания привели к тому, что было принято решение об использовании отделяемых кабин только в первых трех образцах самолета. В последующих же экземплярах стали использовать катапультируемые сиденья, специально разработанные для этого самолета.

11. Конструктивные усовершенствования в сверхзвуковых самолетах

 Сделать закладку на этом месте книги

При изложении материала в данной главе будем исходить из принципа, что первый облетанный образец является основой для сравнения всех последующих модификаций самолета. Отметим попутно, что технические решения, примененные в процессе развития сверхзвуковой авиации, в своем большинстве не могут считаться новыми в полном смысле слова. Это связано с тем, что определенная часть таких усовершенствований была впервые применена ранее при создании самолетов с дозвуковыми скоростями полета, в том числе использовавших винтомоторные силовые установки.

Другой использованный принцип состоит в том, что изложение основывается на опубликованных фактах испытаний образцов или модификаций самолетов, в которых применено новое техническое решение, а не на дате разработки летательного аппарата, которая зачастую оказывается неизвестной. В связи с этим может возникнуть ситуация, в которой приоритет изобретения приписывается не его непосредственному создателю, а тому, кто первый (согласно доступной автору книги информации) применил это техническое решение в практике сверхзвуковой авиации. Поэтому вполне возможны некоторые искажения действительного процесса развития сверхзвуковой авиации, которые возникли из-за недостатка сведений об истории создания того или иного самолета или отсутствия официальных дат испытаний, а также технических характеристик некоторых типов самолетов, являвшихся засекреченными или оставшихся на стадии разработки опытного образца. Несмотря на указанные оговорки, приведенный материал с методологической точки зрения можно считать достаточно точным, так как он охватывает наиболее существенные конструктивные усовершенствования в сверхзвуковых самолетах.

Таким образом, цель настоящего изложения заключается не в выявлении любой ценой того, кто, где и когда сделал соответствующее изобретение, а в хронологическом изложении результатов разработки различных конструктивных и аэродинамических решений, применение которых является основой сегодняшнего состояния сверхзвуковой авиации.

1946-9.12. Х-1 фирмы «Белл». Опытный самолет, выполненный по классической схеме. Среднеплан с прямым крылом, снабженным обычными закрылками и элеронами. Фюзеляж круглого сечения. Хвостовое оперение-прямое, нормальной схемы. Для управления закрылками на самолете применена гидравлическая система. Управление элеронами и рулями осуществляется с помощью гидромеханического привода. Самолет имеет четыре степени свободы-по скорости, курсу, крену и тангажу. В качестве силовой установки использован жидкостный ракетный двигатель. Самолет оборудован трехопорным шасси с одиночными колесами, убираемыми в фюзеляж. Старт самолета происходит со специального самолета-носителя.

1948-4.02. D-558-II фирмы «Дуглас». Самолет имеет стреловидное крыло и оперение нормальной схемы. Крыло оборудовано предкрылками и аэродинамическими гребнями. Силовая установка комбинированного типа состоит из турбореактивного и жидкостного ракетного двигателей. Воздухозаборники боковые, нерегулируемые. Самолет снабжен отделяемой кабиной. Старт может быть произведен с земли или с самолета-носителя.

– 27.05. МиГ-19 конструкции А. И. Микояна. Многоцелевой серийный истребитель. Крыло оборудовано выдвижными закрылками. Фюзеляж овально- кругового сечения. Поперечное управление осуществляется с помощью элеронов и интерцепторов, расположенных на нижней поверхности крыла вблизи задней кромки.

Самолет снабжен подфюзеляжным килем, тормозными щитками и тормозным парашютом. В качестве силовой установки использованы два турбореактивных двигателя. Нерегулируемый воздухозаборник лобового типа со скругленной кромкой расположен в носовой части самолета. Главные стойки шасси убираются в консоли крыла.




Рис. 1.73. Конструкция и кинематическая схема системы управления интерцептором на самолете МиГ-19. 

1 -интерцептор; 2-скоба навески интерцептора; 3-задний лонжерон крыла; 4-тяга системы управления элерон-интерцептор; 5-ролик тяги; 6-рычаг; 7-узел сочленения; ?-толкатель; 9-ось рычага; 10 -нижняя обшивка крыла; 11 -верхняя обшивка крыла; 12-направляющая. 


1952-20.10. Х-3 фирмы «Дуглас». Крылья трапециевидные, малого удлинения с щелевыми закрылками и носовыми щитками. Фюзеляж укороченный с балочным креплением элементов оперения. Управляемый стабилизатор лонжеронной конструкции. Самолет снабжен креслом, катапультируемым вниз. Два турбореактивных двигателя имеют индивидуальные нерегулируемые боковые воздухозаборники.

1953-2.03. «Тридан» I фирмы SNCASO. Истребитель-перехватчик с прямым крылом. Поперечное управление самолетом осуществляется с помощью элеронов. Управляемый дифференциальный стабилизатор установлен с большим отрицательным поперечным V. Плоскости киля и стабилизаторов имеют одинаковую конструкцию и взаимозаменяемы. На самолете применена комбинированная силовая установка, состоящая из одного ракетного и двух турбореактивных двигателей, расположенных в гондолах на концах крыла. Аварийное покидание самолета осуществляется путем отделения кабины вместе с заостренной частью фюзеляжа, выполняющей роль амортизатора при ударе о землю.

– (?). Х-2 фирмы «Белл». Низкоплан со стреловидным крылом. Самолет выполнялся либо с одной главной стойкой шасси, оборудованной лыжей, убираемой в фюзеляж, либо с двумя главными стойками, также снабженными лыжами, убираемыми в крыло. Аварийное покидание самолета осуществляется путем отделения от него кабины вместе с передней частью фюзеляжа. На определенной высоте пилот должен покинуть кабину и осуществить приз


убрать рекламу







емление на парашюте обычным способом.




Рис. 1.74. «Супер-Тайгер» XF11F-1F фирмы «Грумман». 


– 25.05. F-100 фирмы «Норт Америкен». Поперечное управление осуществляется с помощью двухсекционных независимых элеронов, расположенных вблизи корневого сечения крыла. На самолете использована система с необратимыми гидроусилителями. Вертикальное оперение выполнено с килевым, гребнем. Передняя стойка шасси двухколесная. Главные стойки шасси убираются в крыло и фюзеляж. На самолете применен нерегулируемый воздухозаборник с острыми передними кромками. Были осуществлены пробные старты самолета с катапульты.

– 24.10. F-102 фирмы «Конвэр». Самолет выполнен по схеме «бесхвостка» с треугольным крылом. Поперечное и продольное управление осуществляется с помощью элевонов. На киле самолета установлен дефлектор.

1954-15.01. «Жерфо» фирмы «Нор авиасьон». Самолет выполнен по классической схеме с треугольным крылом и треугольным оперением. Применены дополнительные рули высоты вблизи корневых сечений консолей крыла.

– 9.02. F-104 фирмы «Локхид». Крыло трапециевидное с острыми передней и задней кромками. Механизация крыла состоит из закрылков со сдувом пограничного слоя и носовых щитков с электрическим приводом. Самолет оборудован автоматической электронной системой стабилизации относительно трех главных осей. Воздухозаборники боковые сверхзвуковые с регулируемыми полуконусами.

– 30.07. F-11 фирмы «Грумман» (рис. 1.74). Самолет с грузовым отсеком, предназначенный для эксплуатации с авианосцев. Применено крыло переменной стреловидности по передней кромке. С целью уменьшения занимаемой площади

на стоянке концы консолей крыла выполнены складывающимися. Самолет спроектирован в соответствии с правилом площадей. Поперечное управление осуществляется с помощью элеронов и расположенных на верхней поверхности крыла интерцепторов. Последние используются также при аэродинамическом торможении самолета. Хвостовое оперение выполнено по оригинальной схеме. При малых скоростях полета плоскости стабилизатора неподвижны, и управление осуществляется отклонением рулей высоты. При больших скоростях рули высоты блокируются и их роль выполняет управляемый стабилизатор. Возможна подвеска дополнительных топливных баков, спроектированных с учетом правила площадей.

– 4.08. Р.1А фирмы «Инглиш электрик». Крыло самолета снабжено концевыми элеронами и имеет щелевой уступ передней кромки. Силовая установка состоит из двух двигателей, расположенных в продольной плоскости симметрии самолета один над другим.

– 29.09. F-101 фирмы «Макдоннел». Самолет имеет крыло с переменной стреловидностью по задней кромке. Вблизи корневого сечения стреловидность отрицательная, далее по размаху крыла-положительная. На самолете использована автоматическая система продольной балансировки со звуковой и световой сигнализацией опасных углов тангажа при изменении продольных моментов.

– 6.10. F.D.2 фирмы «Фэри». Передняя часть фюзеляжа вместе с кабиной может отклоняться вниз для улучшения обзора при взлете и посадке. Самолет выполнен по схеме «бесхвостка» с треугольным крылом, оснащенным элеронами и рулями высоты. Хвостовая часть фюзеляжа оборудована четырехсекционными тормозными щитками, которые в закрытом состоянии выполняют функции защитного кожуха сопла двигателя (рис. 1.75).




Рис. 1.75. F.D.2 фирмы «Фэри». 




Рис. 1.76. «Крусейдер» F-8 фирмы «LTV Аэроспейс». 




Рис. 1.77. «Дракен» фирмы «SAAB-Скания». 


– 20.12. YF-102A. фирмы «Конвэр». Модификация самолета F-102, выполненная в соответствии с правилом площадей. Крыло треугольное с отклоненным вниз носком.

– Ил- 54 конструкции С. В. Ильюшина. Трехместный бомбардировщик. На самолете применены двухопорное велосипедное шасси с одинарными колесами и двухдвигательная силовая установка. Двигатели расположены в гондолах под консолями крыла.

1955-25.03. F-8 фирмы «Чанс-Воут». Высокоплан с изменяемым углом установки крыла и уступом передней кромки. Кресло пилота оборудовано телескопическим механизмом катапультирования.

– 17.07. «Тридан» II фирмы SNCASO. Отличительной особенностью самолета является применение щелевых закрылков, расположенных по всему размаху крыла. Элероны на крыле не установлены.

– 20.09. «Гриффон» I фирмы «Нор авиасьон». Самолет выполнен по схеме «бесхвостка» с дополнительными дестабилизаторами, установленными перед крылом. В хвостовой части фюзеляжа имеются два подфюзеляжных киля с большим углом развала. На самолете применен нерегулируемый подфюзеляжный воздухозаборник.

– 22.10. F-105 фирмы «Рипаблик». Истребитель-бомбардировщик, приспособленный для несения ядерного оружия. На самолете применены крыльевые регулируемые воздухозаборники со скошенными острыми передними кромками.

– 25.10. «Дракен» фирмы «SAAB- Скания» (рис. 1.77). Крыло треугольное с переменной стреловидностью по передней кромке. Вблизи корневого сечения угол стреловидности максимальный. На нижней поверхности крыла установлены тройные аэродинамические направляющие. Шасси самолета выполнено по нормальной трехопорной схеме с дополнительной двухколесной убираемой задней стойкой. Используется система управления подачей топлива, обеспечивающая требуемое положение центра тяжести самолета.




Рис. 1.78. Истребитель-перехватчик конструкции П. О. Сухого. 


– (?). Истребитель-перехватчик конструкции П. О. Сухого. Самолет выполнен по классической схеме с треугольным крылом и стреловидным нормальным оперением. Воздухозаборник регулируемый, лобового типа с острой передней кромкой.

1956-20.04. S.E.212 фирмы «Сюд-Эст». В передней части самолета имеется подфюзеляжный аэродинамический киль. Применен встроенный несъемный стартовый ракетный ускоритель на жидком топливе.

– (?).07. Ла-250 конструкции С. А. Лавочкина. Двухместный истребитель-перехватчик. Силовая установка состоит из двух двигателей. Воздухозаборники боковые, нерегулируемые.

– 10.09. YF-107A фирмы «Норт Америкен». На самолете использована система поперечного управления с помощью интерцепторов. Воздухозаборник надфюзеляжный, регулируемый с подвижным клином.

– 26.10. «Ледюк» 022 фирмы «Ледюк». Самолет отличается применением турбопрямоточного реактивного двигателя, состоящего из соосно расположенных турбореактивного и прямоточного воздушно-реактивного двигателей. Полеты с работающим прямоточным двигателем были начаты в 1957 г. (подобной силовой установкой был оборудован самолет «Гриффон» II, испытанный 23.01.1957 г.). Кабина самолета конусообразная. Пилот в кабине занимает положение лежа.

– 11.11. В-58 фирмы «Конвэр». Силовая установка самолета состоит из четырех двигателей, установленных под крылом на пилонах. Спасение экипажа в аварийных ситуациях осуществляется с помощью индивидуальных герметизированных капсул для каждого члена экипажа. Главные стойки шасси оборудованы восьмиколесными тележками. Бомбовый отсек выполнен в виде смонтированного на фюзеляже специального контейнера. На самолете применена топливная система, использующая балансировочные баки, предназначенные для перемещения положения центра тяжести самолета путем перекачки топлива при изменении скорости полета от дозвуковой до сверхзвуковой и наоборот. В конструкции планера самолета широко используются клееные элементы.




Рис. 1.79. «Эрроу» CF-105 фирмы («AVRO Канада»). 


– 17.11. «Мираж» III фирмы «Дассо». Самолет выполнен по схеме «бесхвостка» с треугольным крылом, оборудованным элевонами и закрылками. Для управления работой закрылков в режиме автоматической балансировки самолета использована электрическая система.

1958-25.03. CF-105 фирмы «AVRO Канада» (рис. 1.79). На самолете применено крыло с уступом передней кромки, выполненное с применением профилей, имеющих отклоненный вниз носок. Главные стойки шасси оборудованы двухколесными тележками типа «тандем».

– 27.05. «Фантом» F-4 фирмы «Макдоннел». Крыло самолета стреловидное с отогнутыми вверх концевыми частями. Механизация крыла включает щитки-закрылки и носовые щитки. Для повышения эффективности управления самолетом применена система сдува пограничного слоя с поверхности крыла. Кроме указанных средств механизации, на крыле расположены интерцепторы и работающие совместно с ними, отклоняемые только вниз элероны. Стабилизатор самолета выполнен с отрицательным поперечным V. Нижняя часть фюзеляжа плоская.

– (?).07. F8U-3 фирмы «Чанс-Воут». Особенностью самолета является применение на нем двух подфюзеляжных управляемых аэродинамических килей. При дозвуковом полете кили занимают горизонтальное положение (убраны), а при сверхзвуковом-почти вертикальное.

– 31.08. А-5 фирмы «Норт Америкен». Управление самолетом по крену и тангажу осуществляется с помощью интерцепторов и управляемых стабилизаторов двойного действия. Воздухозаборники боковые, регулируемые с прямоугольным сечением и острой, вытянутой вперед подвижной верхней кромкой.

– (?). Е-150 конструкции А. И. Микояна. Рекордный самолет с двумя двигателями и одним лобовым воздухозаборником с острой входной кромкой.

1959-10.04. Т-38 фирмы «Нортроп». Двухместный учебно-тренировочный самолет с несущим фюзеляжем. Фонарь кабины открывается вперед вверх.

– 30.07. F-5 фирмы «Нортроп». На самолете применено прямое крыло с резким переходом в стреловидное по передней кромке вблизи корневого сечения (прямое крыло с наплывом и переменной стреловидностью по передней кромке).

– 17.09. Х-15 фирмы «Норт Америкен». Система управления самолетом комбинированная, состоящая из обычной аэродинамической и струйной-реактивной, использующей сжатый воздух. Применено крестообразное хвостовое оперение с отделяемым подфюзеляжным килем клиновидного сечения. Фонарь кабины пилота выполнен в виде неразъемной конструкции. Используются дополнительные подвесные баки, сбрасываемые на парашютах после выработки из них горючего.

1960-(?). М-50 конструкции В.М. Мясищева. Самолет оборудован четырехдвигательной силовой установкой. Двигатели расположены в индивидуальных гондолах под крылом и в концевых сечениях консолей крыла.

1962-14.04. Т-188 фирмы «Бристоль». Особенностью самолета является применение прямого крыла с переменной кривизной передней кромки и элеронов, расположенных в концевых частях консолей крыла.

– 26.04. VF-12A фирмы «Локхид». Самолет без горизонтального классического оперения с разнесенным двойным вертикальным оперением. Применены две подкрыльевые аэродинамические направляющие и один убираемый подфюзеляжный киль. Концевые части крыла прикреплены к гондолам двигателей. Главные стойки трехопорного шасси оборудованы строенными соосными колесами.

1963-(?).03. «Мираж-Бальзак» фирмы «Дассо». Самолет с вертикальным взлетом и посадкой выполнен по схеме «бесхвостка». Для создания вертикальной и горизонтальной тяги применены отдельные двигатели. В качестве подъемных используется 8 турбореактивных двигателей, установленных вертикально в средней части самолета. Управление самолетом в режиме ви- сения осуществляется с помощью реактивной системы, использующей сжатый воздух, поступающий от компрессоров подъемных двигателей.

– 10.04. VJ-101C фирмы «EWR-Зюд». Самолет с вертикальным взлетом и посадкой, выполненный по классической схеме. Силовая установка состоит из шести двигателей (четыре расположены в двух поворотных гондолах на концах крыла, а два дополнительных вертикальных – в фюзеляже). Управление самолетом на малых скоростях и в режиме висения осуществляется изменением силы тяги двигателей.

– (?). Е-266 конструкции А.И.Микояна. Самолет выполнен по классической схеме с двойным разнесенным вертикальным оперением.

1964-17.04. «Лайтнинг» фирмы «Бритиш эркрафт». Самолет оборудован дополнительными пилонами для установки дополнительных топливных баков, кассет неуправляемых реактивных снарядов (НУРС) или другой требуемой нагрузки на верхней поверхности крыла.

– 1.05. ВАС-221 фирмы «Бритиш эркрафт». Отличительной чертой самолета является использование на нем треугольного оживального крыла.

– 23.09. ХВ-70А фирмы «Норт Америкен». Самолет выполнен по схеме «бесхвостка» с дополнительным передним де- стабилизатором, плоскости которого оборудованы закрылками. Концевые части консолей крыла во время полета отклоняются вниз от горизонтального положения. Форма и конструкция планера позволяют использовать носовой скачок уплотнения при сверхзвуковом полете для создания дополнительной подъемной силы. Силовая установка состоит из шести двигателей. Специальная электрическая система обеспечивает гашение вибраций по всем трем осям путем соответствующего отклонения рулей управления и автоматической загрузки штурвала в зависимости от условий полета.

– 27.09. TSR.2 фирмы «Бритиш эркрафт». На самолете применено треугольное крыло с отогнутыми вниз концевыми частями. Горизонтальное оперение-управляемое, двойного действия, с системой сдува пограничного слоя. Передняя стойка шасси выполнена выдвижной с целью увеличения угла атаки при взлете. Планер самолета безопасен во время аварии (сконструирован в соответствии с требованиями fail-safe).

– 21.12. F-111 фирмы «Дженерал дайнемикс». Двухдвигательный высоко- план с крылом изменяемой геометрии. Регулировка положения консолей крыла осуществляется вручную. Крыло оборудовано предкрылками, закрылками (по всему размаху) и интерцепторами. Кроме того, на крыле имеются поворотные узлы крепления внешних подвесок, кинематически связанные с механизмом поворота крыла. Силовая установка самолета состоит из двух турбовентиляторных двигателей. Для спасения экипажа предусмотрена отделяемая герметизированная кабина класса 0-0, являющаяся модулем носовой части фюзеляжа.

1966-23.12. «Мираж» F-1 фирмы «Дассо». На самолете применена электрическая система управления интерцепторами.

1967-8.02. «Вигген» фирмы «SAAB-Скания». Самолет выполнен с треугольными крыльями по схеме «тандем». В хвостовой части основного крыла расположены элевоны. Дополнительное переднее крыло оборудовано закрылками с системой сдува пограничного слоя. На самолете применена силовая установка с реверсированием тяги.

– 9.07. Истребитель конструкции А. И. Микояна. Одноместный, однодвигательный самолет с крылом изменяемой геометрии, имеющим уступ передней кромки. Самолет оборудован складывающимся подфюзеляжным килем.

– 9.07. Истребитель конструкции А. И. Микояна. Самолет классической схемы с укороченным разбегом и пробегом. Силовая установка состоит из одного маршевого двигателя и многодвигательной системы вертикальной тяги.




Рис. 1.80. Советский самолет укороченного разбега и пробега с дополнительными двигателями вертикальной тяги, показанный на воздушном параде в 1967 г. 


– 9.07. Истребитель конструкции П. О. Сухого. Самолет с укороченным разбегом и пробегом. Использована двухдви- гательная система вертикальной тяги.

– 9.07. Истребитель конструкции П. О. Сухого. Среднеплан с крылом изменяемой геометрии. Поперечное управление самолетом осуществляется с помощью элеронов.

1968-31.12. Ту-144 конструкции А.Н. Туполева. Пассажирский самолет. Главные стойки шасси снабжены 12-колесными тележками. На самолете применено оживальное низкорасположенное крыло с наплывом, изготовленное с применением профилей сложной формы. Другой особенностью самолета является использование на нем цельного отклоняемого при взлете и посадке (для улучшения обзора) носового обтекателя. Для повышения продольной устойчивости при полетах с дозвуковыми скоростями и большими углами атаки применено переднее убираемое крыло, расположенное на верхней части фюзеляжа позади кабины экипажа. Четыре турбореактивных двигателя с форсажными камерами располагаются в двух спаренных мотогондолах под фюзеляжем.

1969 – 29.5. «Мираж-Милан» фирмы «Дассо». Самолет оборудован убираемыми несущими поверхностями типа «усы» в передней части фюзеляжа.

1970-21.12. «Томкэт» F-14 фирмы «Грумман». Самолет с изменяемой (автоматически или вручную) геометрией крыла. На неповоротной части крыла расположены убираемые автоматически или вручную дестабилизаторы. Кабина экипажа двухместная (кресло пилота-слева, а штурмана-справа от продольной плоскости симметрии самолета).

1971-9.03. «Крусейдер» F-8 фирмы «LTV Аэроспейс» (рис. 1.76). Модификация самолета, предназначенная для исследований сверхкритического крыла.

1972 – 29.04. F-4 фирмы «Макдоннел-Дуглас». Модификация самолета, отличающаяся применением электродистанционной системы управления в качестве основной, а механической-как аварийной.

– 27.07. «Игл» F-15 фирмы «Макдоннел-Дуглас». Отличительной особенностью самолета является наличие уступа передней кромки стабилизатора.

– (?). F-8 фирмы «LTV Аэроспейс». Модификация самолета с электродистанционной системой управления без аварийной механической.







Рис. 1.81. YF-17 фирмы «Нортроп». 




Рис. 1.82. YF-16CCY фирмы «Дженерал дайнемикс». 


1974-2.02. YF-16 фирмы «Дженерал дайнемикс». На самолете применены много- лонжеронное крыло с наплывом и электродистанционная система управления. Обычные ручка управления или штурвал отсутствуют. Вместо них использована рукоятка, расположенная на правом подлокотнике катапультируемого кресла пилота. Самолет оборудован дифференциальным стабилизатором, зависающими элеронами и носовыми щитками. Положение щитков регулируется системой управления. Планер модульной конструкции.

– 29.04. F-4CCV фирмы «Макдоннел- Дуглас» (модификация). Самолет выполнен по классической схеме с дополнительным передним горизонтальным оперением и подфюзеляжным килем. Оба элемента переднего оперения включены в систему управления самолетом в соответствии с принципами управления объектом с шестью степенями свободы (дополнительное перемещение вверх-вниз и в стороны без изменения положения фюзеляжа).

– 9.06. YF-17 фирмы «Нортроп» (рис. 1.81). Управление самолетом осуществляется с помощью носовых щитков, закрылков, элеронов, дифференциального управляемого стабилизатора и рулей направления, расположенных на разнесенном двойном вертикальном оперении. Самолет оборудован горизонтальным дестабилизатором, выполненным в виде узкой полосы, опоясывающей носовую часть фюзеляжа. Крыло самолета прямое с наплывом и прифюзеляжными щелями.

– 14.08. «Торнадо» фирмы «Панавиа». Самолет изменяемой геометрии с носовыми щитками на неподвижных при- фюзеляжных частях крыла. Электрическая основная и механическая аварийная системы управления.

– 23.12. В-1 фирмы «Рокуэлл». Самолет выполнен по классической схеме с изменяемой геометрией крыла. Неподвижная прифюзеляжная часть крыла имеет криволинейную переднюю кромку. Силовая установка состоит из четырех двигателей. На самолете имеется активная система гашения изгибных колебаний носовой части фюзеляжа, использующая дополнительные передние стабилизаторы, отклоняемые автоматически в плохих погодных условиях.

1976-24.03. YF-16CCV фирмы «Дженерал дайнемикс» (рис. 1.82). Модификация самолета F-16 отличается применением дополнительного V-образного оперения, расположенного под передней частью фюзеляжа. Элементы переднего оперения включены в систему управления самолетом.

– (?). «Кфир» С2 фирмы «Исраэл эркрафт индастриз». Самолет выполнен по схеме «бесхвостка» с дополнительными передними несущими поверхностями.

1978-10.03. «Мираж» 2000 фирмы «Дассо». Самолет схемы «бесхвостка» с активной системой управления (электродистанционное управление с бортовой ЦВМ).

– (?). F-18 фирмы «Макдоннел-Дуглас». На самолете применено прямое крыло с уступом передней кромки.

1979-9.03. «Сюпер-Мираж» 4000 фирмы «Дассо». Самолет схемы «утка» с электродистанционным управлением и бортовой ЦВМ.

– (?). XFY-12A фирмы «Рокуэлл». Самолет схемы «утка» с вертикальным взлетом и посадкой. Управление на малых скоростях и в режиме висения осуществляется с помощью сопел с эжекторами, регулирующими величину и направление силы тяги.

12. Рекорды сверхзвуковых самолетов

 Сделать закладку на этом месте книги

Согласно классификации Международной авиационной федерации ФАИ, сверхзвуковые самолеты относятся к группе 3 класса С1, т.е. к классу самолетов, предназначенных для эксплуатации с твердой поверхности и оборудованных турбореактивными двигателями (допускается применение вспомогательной двигательной установки, например в виде ракетного ускорителя). Это означает, что рекордные скорости и высоты полета, полученные на опытных самолетах с ракетной двигательной установкой (Х-1, Х-2, Х-15 и D-558-II), не включаются в реестр С 1/3 ФАИ.

По этой причине представленные ниже показатели высоты и скорости, достигнутые на самолетах с ракетным двигателем, измерены не в соответствии с существующими требованиями ФАИ, а только на основании показаний приборов, имеющихся в кабине. Поэтому они не имеют официального характера и не охватывают всех последовательно полученных лучших результатов. Представленные ниже достижения лишь иллюстрируют неустанное стремление человека к достижению все больших скоростей и высот.

Достижения самолетов с турбореактивными двигателями регистрируются как мировые рекорды (т.е. в классе самолетов) или как международные рекорды (т. е. в группе самолетов с турбореактивными двигателями).

Мировые рекорды распространяются только на некоторые виды летных показателей, а именно: расстояние по прямой без прерывания полета, расстояние по замкнутому маршруту без прерывания полета, высоту полета, скорость полета по замкнутому маршруту, скорость при полете на базе. К международным рекордам относятся лучшие результаты, получаемые в следующих видах полетов:

– расстояние в полете по прямой без прерывания полета;

– расстояние в полете по замкнутому маршруту без прерывания полета;

– высота полета без полезной нагрузки; -высота полета с полезной нагрузкой 1000, 2000, 5000, 10000 кг (и далее через каждые 5000 кг);

– скорость полета на базе длиной 3 км при ограниченной высоте;

– скорость полета на базе 15-25 км при неограниченной (в принципе) высоте;

– скорость полета по замкнутому маршруту на расстояние 100, 500, 1000, 2000, 5000 и 10000 км без полезной нагрузки;

– скорость полета по замкнутому маршруту на расстояние 1000, 2000, 5000 и 10000 км с полезной нагрузкой 1000, 2000, 5000 кг и т. д.;

– скорость полета на известных трассах; -скорость в полете вокруг света; -время подъема на высоту 3000, 6000, 9000, 15000 и далее через каждые 5000 м.

Все без исключения самолеты, выдвигаемые на улучшение рекорда, должны соблюдать определенные условия, выполнение которых контролируется опломбированными бортовыми и наземными приборами. Самолеты, выдвигаемые на установление рекорда скорости, должны двукратно пролететь (в течение промежутка времени, не превышающего 0,5 ч, с целью исключения влияния изменения атмосферных условий) над базой, т.е. над определенным участком территории. В 20-х годах длина базы составляла 2 км. Позднее по мере роста скоростей появилась необходимость ее увеличения до 3 км (при высоте полета не более 75 м).

Прогресс авиации после второй мировой войны привел к тому, что измерение максимальной скорости полета самолетов на такой малой высоте и короткой базе стало весьма затруднительным как по причине повышения опасности полетов, так и вследствие сложности определения истинной скорости.

Кроме того, полеты на малых высотах не позволяют использовать всех скоростных преимуществ самолетов из-за высоких уровней аэродинамического сопротивления и нагрева на таких высотах. Поэтому в 1953 г. была введена дополнительная рекордная характеристика-скорость, достигаемая самолетом в полете на базе 15-25 км на определенной высоте. О важном значении длины базы для сверхзвуковых самолетов говорит тот факт, что рекорд скорости 1211 км/ч на базе 3 км, установленный в 1953 г. на сверхзвуковом самолете XF4D-1, был улучшен до 1452 км/ч только в 1961 г. самолетом F4H-1F, тогда как рекорд скорости на базе 15-25 км, принадлежавший самолету F-106A, составлял 2455 км/ч и всего несколькими месяцами позже был улучшен до 2585 км/ч самолетом F4H-1F.




Рис. 1.83. Трасса полета самолета «Гриффон» II во время установления рекорда скорости по замкнутому 100 км маршруту. 


В программе полета на установление рекорда скорости задается максимальная высота, позволяющая осуществлять контрольные измерения с земли. На конечных участках базы должны летать самолеты контрольной службы, наблюдающие за выполнением условий проведения таких полетов, например, не летит ли самолет с пикированием. Средняя скорость, определяемая из двух полетов над базой в противоположных направлениях (ввиду уменьшения массы самолета в процессе полета, возможного изменения атмосферных условий и других причин скорости полета в противоположных направлениях могут существенно различаться), представляет собой официальный результат.

Согласно действующим предписаниям, самолет, выполняющий рекордный полет на базе, не может отклоняться от заданной траектории более чем на 2 км по горизонтали (т.е. от заданного направления) и не более чем на 100 м по вертикали (т.е. от принятой высоты полета). Именно из-за невыполнения этих требований в 1958 г. не был признан рекорд французского пилота Андрэ Тюрка, который достиг скорости 2330 км/ч.

Установлению рекорда предшествует тщательная подготовка пилота и самого самолета; кроме того, разрабатывается тактика полета, производится расчет оптимальных параметров и т. д. В качестве примера, иллюстрирующего результаты такой подготовки, можно привести описание рекордного полета, который в 1959 г. был выполнен на самолете «Мираж» III А-03

по замкнутой 100-километровой траектории. Подготовленный к полету самолет имел нормальную взлетную массу с полными топливными баками и снятым стартовым ракетным ускорителем. Взлет, разгон и достижение расчетной высоты, а также вираж с отходом на расстояние 75 км для выхода на трассу были произведены без включения форсажной камеры двигателя. Скорость самолета на вираже соответствовала 0,95 М. Затем был включен форсаж и в течение 3 мин на отрезке 80 км самолет был разогнан до скорости 2,06 М. Над измерительной базой самолет набрал высоту 11 280 м, пролетел по прямой, сделал вираж с постоянной перегрузкой в 2,7 и закончил повторный контрольный полет над измерительной базой на высоте 11700 м со скоростью 2,1 М. Траектория полета проходила через 4 контрольных пункта, расположенных в виде ромба. На пунктах измерялись высота, координаты и время прохождения самолета. Замкнутую траекторию полета длиной 115 км самолет пролетел за 3,55 мин со средней скоростью 2050 км/ч, что для основной 100-километровой трассы составило рекордную скорость 1771 км/ч.

Форма трассы обычно задается организатором полетов и может быть, например, треугольной, как это имело место при рекордном полете самолета «Гриффон» II (рис. 1.83).

Количество видов рекордных показателей, регистрируемых ФАИ, для всех летательных аппаратов превышает 100. Ниже (в таблице) представлены почти все виды показателей, по которым регистрируются рекордные результаты полетов сверхзвуковых самолетов. Представленный перечень не имеет официального характера, так как содержит также и те результаты, которые по техническим или формальным причинам не были признаны в качестве официальных рекордов ФАИ. Он является лишь иллюстрацией прогресса сверхзвуковой авиации и заинтересованности конструкторских бюро и авиационных предприятий в рекордных результатах как лучшей рекламе своих изделий.




Рис. 1.84. Рекордный самолет Х-15А-2 фирмы «Норт Америкен». 

1-ЖРД XLR99-RM-2 с максимальной тягой 25 355 даН; 2-насосы аммиака и жидкого кислорода; 3-четыре резервуара с перекисью водорода; 4-патрубок аварийного слива аммиака; 5-патрубок аварийного слива перекиси водорода; 6-баллоны с гелием; 7-тормозные щитки; 8- сбрасываемый подфюзеляжный киль-лыжа; 9-убираемые стальные лыжи главных стоек шасси; 10-киль; 11 – плоскость горизонтального управляемого дифференциального стабилизатора; 72-основной бак жидкого аммиака; 13-основной бак жидкого кислорода; 14 -бак жидкого водорода; 15-отсек парашюта топливной системы; 16-тормозной двигатель топливной системы; 7 7-до- полнительный бак жидкого кислорода; IS-дополнительный бак жидкого аммиака; 19-отсек исследовательского оборудования; 20 -катапультируемое сиденье пилота; 2


убрать рекламу







1 -монолитный фонарь кабины; 22-четыре пары сопел реактивной системы управления по курсу и тангажу; 23-сопла реактивной системы управления креном; 24-закрылки.
 




Рис. 1.85. «Виджилент» А-5 (старое название A3J-1) фирмы «Норт Америкен». 




Рис. 1.86. «Игл» TF-15A фирмы «Макдоннел- Дуглас». 


Список содержит 132 рекордных достижения (не включены рекорды околозвуковых самолетов «Джетстар» и XF4D-1; результаты, достигнутые последним самолетом, отнесены к сверхзвуковому самолету F5D-1, представляющему собой модернизированный вариант XF4D-1), полученные пилотами четырех стран (74-США, 45 – СССР, 12 – Франция, 1 – Великобритания) на 23 типах самолетов 13 авиационных фирм.

Среди конструкторских бюро и авиационных фирм, выпускающих самолеты- рекордсмены, лидируют: КБ им. А. И. Микояна (37 рекордов), «Макдоннел» (25 рекордов), «Локхид» (27 рекордов). Среди типов самолетов настоящим рекордсменом следует считать самолет, представленный в перечне под обозначениями Е-266, Е-266М. На самолетах этого типа было установлено 25 рекордов, благодаря чему он превзошел по количеству рекордных достижений американские самолеты F-104 (17 рекордов) и F4H-1F (14 рекордов). Эти данные не только подтверждают ведущую роль СССР (12 женских и 10 мужских рекордов) и США (1 женский и 14 мужских) в развитии сверхзвуковой авиации, но и свидетельствует о характерной трактовке проблемы рекордных достижений за последние три десятилетия развития сверхзвуковой авиации. Из этого перечня следует, что рекорды были установлены на самолетах 23 типов (не считая модификаций), из которых 18 выпускались серийно, 3 остались на стадии прототипов и только 2 были построены как опытные. Такое положение дел указывает как на разумное распределение сил и средств, так и на принцип запуска в производство действительно лучших образцов самолетов. Следует, однако, помнить, что авиарекорды могут иметь (и обычно имеют), помимо спортивных и пропагандистских, также торговый и военный аспекты. Рекордные самолеты должны утверждать мнение о превосходстве авиации данной страны над авиацией других стран или вызывать интерес потенциальных покупателей к приобретению лучших на данный момент самолетов. Кроме того, рекордные достижения отражают состояние мировой авиации как определенной отрасли техники.

Представленный перечень не охватывает рекордных данных по скорости при полетах на признанных пассажирских трассах. Одним из такого рода рекордов, утвержденным ФАИ, был перелет самолета В-58А по трассе Токио-Лондон протяженностью 12919 км. Самолет преодолел это расстояние за 8 ч 35 мин со средней скоростью 1509 км/ч. Этот перелет представляет собой характерный пример условий, в которых совершаются длительные полеты со сверхзвуковыми скоростями, а также их влияния на летные характеристики самолета. Рекордный полет был начат со скоростью 2,0 М. При этом температура обшивки самолета на некоторых участках достигала 300°С, что создавало помехи в работе навигационного оборудования. В связи с этим оказалось необходимым снижение скорости до 0,9 ? и продолжение полета с этой скоростью в течение некоторого промежутка времени. После уменьшения скорости конструкция самолета остывала, и нормальная работа оборудования восстанавливалась, что позволяло снова увеличить скорость до 2,0 М. Полет проходил с таким периодическим изменением режимов на высотах 14326-18 288 м, причем на высокоскоростном режиме расход топлива составлял 22679-27 215 кг/ч, а на низкоскоростном-4989-5443 кг/ч. Во время полета пятикратно осуществлялась дозаправка самолета топливом.



Рекорды самолетов с ракетными двигателями

Дата

Пилот

Тип самолета, фирма

Результат


1. Абсолютная высота полета, м


1949

– /-

«Белл»

21383


31.08.1953

М. Карл

D-558-II, «Дуглас»

25 386


28.05.1954

К. Мюррей

Х-1 А, «Белл»

28 651


09.1956

И. Кинхлоэ

Х-2, «Белл»

38 430


12.08.1960

И. Кинхлоэ

Х-15А, «Норт Америкен»

41 605


31.03.1961

И. Кинхлоэ

То же

50300


31.04.1962

И. Кинхлоэ

» »

77 720


17.07.1962

Р. Уайт

» »

95935


22.08.1963

Д. Уолкер

» »

107960


2. Максимальная скорость в горизонтальном полете, км/ч (М)


14.10.1947

Ч. Егер

Х-1, «Белл»

(1,05)


1948

Ч. Егер

То же

1556


08.1951

В. Бриджмен

D-558-II, «Дуглас»

1980 (1,875)


10.1953

В. Бриджмен

То же

2040 (1,96)


21.11.1953

С. Кроссфилд

» »

2120 (2,01)


12.12.1953

Ч. Егер

Х-1 А, «Белл»

2655 (2,51)


23.07.1956

Ф. Иверст

Х-2, «Белл»

3050


27.09.1956

М. Апт

То же

3360


4.08.1960

М. Апт

Х-15А, «Норт Америкен»

3514


7.03.1961

М. Апт

То же

4264


21.04.1961

М. Апт

» »

5033


12.09.1961

М. Апт

«Норт Америкен»

5832


9.11.1961

Р. Уайт

Х-15А, «Норт Америкен»

6548


5.12.1963

Р. Рашворт

То же

(6,06)


18.11.1966

Р. Найт

Х-15А-2, «Норт Америкен»

6840 (6,33)


3.10.1967

Р. Найт

То же

(6,72)


Мировые рекорды сверхзвуковых самолетов с турбореактивными двигателями (класс CI/группа 3)


Дата

Пилот

Страна

Тип самолета, фирма

Результат


1. Расстояние по прямой без посадки, км


Женщины


18.09.1961

Кохрейн

США

Т-38, «Нортроп»

2401,780


22.04.1962

Кохрейн

США

«Джетстар», «Локхид»

3661,330 1*


2. Расстояние по замкнутому маршруту без посадки, км


Женщины


15.09.1961

Кохрейн

США

Т-38, «Нортроп»

2166,770


18.09.1967

Попович

СССР

РВ, КБ А. С. Яковлева

2497,009 2*


3. Абсолютная высота, м


Мужчины


18.04.1958

Уоткинс

США

F-11F-1F, «Грумман»

23449


2.05.1958

Карпантье

Франция

S.0.9050, «Тридан»

24217


7.05.1958

Джонсон

США

F-104A, «Локхид»

27811


14.07.1959

Ильюшин

СССР

Т-431, КБ им. П. О. Сухого

28 852


6.12.1959

Флинт

США

F4H-1F, «Макдоннел»

30040


14.12.1959

Джордан

США

F-104C, «Локхид»

31515


28.04.1961

Мосолов

СССР

Е-66А, КБ им. А. И. Микояна

34714


25.07.1973

Федотов

СССР

Е-266, КБ им. А. И. Микояна

36240


31.08.1977

Федотов

СССР

Е-266М, КБ им. А. И. Микояна

37650


Женщины


12.10.1961

Кохрейн

США

Т-38, «Нортроп»

17091


22.05.1965

Проханова

СССР

Е-33, КБ им. А. И. Микояна

24336


1*  Околозвуковой двухдвигательный самолет. 

2*  Околозвуковой двухдвигательный истребитель. 


4. Высота в горизонтальном полете, м


Мужчины


5.12.1961

Эллис

США

F4H-1F, «Макдоннел»

20252


4.09.1962

Ильюшин

СССР

Т-431, КБ им. П. О. Сухого

21170


11.09.1962

Остапенко

СССР

Е-166, КБ им. А. И. Микояна

22670


1.05.1965

Стефенс

США

YF-12A, «Локхид»

24462,596


28.07.1976

Хелт

США

SR-71A, «Локхид»

25929


Женщины


12.10.1961

Кохрейн

США

Т-38, «Нортроп»

16 841,148


23.06.1965

Зайцева

СССР

Е-33, КБ им. А. И. Микояна

19020


31.08.1977

Савицкая

СССР

Е-133, КБ им. А. И. Микояна

21 209,90


5. Абсолютная высота с грузом, м


1000 кг


13.12.1960

Хёс

США

A3J-1, «Норт Америкен»

27874


5.10.1967

Федотов

СССР

Е-266, КБ им. А. И. Микояна

29777


25.07.1973

Федотов

СССР

То же

35 200


22.07.1977

Федотов

СССР

Е-266М, КБ им. А. И. Микояна

37080


2000 кг


14.09.1962

Фултон

США

В-58А, «Конвэр»

26017,93


5.10.1967

Федотов

СССР

Е-266, КБ им. А. И. Микояна

29977


25.07.1973

Федотов

СССР

То же

35 200


22.07.1977

Федотов

СССР

Е-266М, КБ им. А. И. Микояна

37080


5000 кг


14.09.1962

Фултон

США

В-58А, «Конвэр»

26017,93


6. Скорость на базе 3 км, км/ч


3.10.1953

Вердин

США

XF4-D-1, «Дуглас»

1211,746


28.08.1961

Хардисти

США

F4H-1F, «Макдоннел»

1452,777


24.10.1977

Гринмейер

США

F-104RB, «Локхид»

1590,450


7. Скорость на базе 15-25 км, км/ч


Мужчины


29.10.1953

Иверст

США

YF-100A, «Норт Америкен»

1215,298


20.08.1955

Хейнс

США

F-100C, «Норт Америкен»

1323,312


10.03.1956

Твисс

Великобритания

FD-2, «Фэри»

1821,7


12.12.1957

Дрью

США

F-101A, «Макдоннел»

1943,5


16.05.1958

Ирвин

США

F-104A, «Локхид»

2259,538


6.10.1958

Тюрка

Франция

«Гриффон» II, «Нор»

2330


31.10.1959

Мосолов

СССР

Е-66, КБ им. А. И. Микояна

2388


15.12.1959

Роджерс

США

F-106A, «Конвэр»

2455,736


22.11.1961

Робинсон

США

F4H-1F, «Макдоннел»

2585,425


7.07.1962

Мосолов

СССР

Е-166, КБ им. А. И. Микояна

2681


1.05.1965

Стефенс

США

YF-12A, «Локхид»

3331,507


27.07.1967

Джорс

США

SR-71A, «Локхид»

3529,56


Женщины


24.08.1961

Кохрейн

США

Т-38, «Нортроп»

1358,6


12.04.1963

Кохрейн

США

TF-104G, «Локхид»

2048,875


11.05.1964

Кохрейн

США

F-104G, «Локхид»

2300,234


2.06.1975

Савицкая

СССР

Е-133, КБ им. А.И.Микояна

2683,446


8. Скорость полета по замкнутому 100-км маршруту, км/ч


Мужчины


16.10.1953

Ран

США

XF4D-1, «Дуглас»

1171,00


25.05.1959

Тюрка

Франция

«Гриффон» II, «Нор»

1638,00


18.06.1959

Мюзели

Франция

«Мираж» ????, «Дассо»

1771,00


11.12.1959

Мур

США

F-105B, «Рипаблик»

1878,67


28.05.1960

Адрианов

СССР

Т-405, КБ им П. О. Сухого

2092,00


16.09.1960

Коккинаки

СССР

Е-66, КБ им. А. И. Микояна

2148,66


25.09.1960

Дэвис

США

F4H-1F, «Макдоннел»

2237,37


7.10.1961

Федотов

СССР

Е-166, КБ им. А. И. Микояна

2401,00


8.04.1973

Федотов

СССР

То же

2605,1


Женщины


6.12.1961

Кохрейн

США

Т-38, «Нортроп»

1262,188


22.06.1962

Ориоль

Франция

«Мираж» IIIC, «Дассо»

1850,20


1.05.1963

Кохрейн

США

TF-104G, «Локхид»

1937,15


14.06.1963

Ориоль

Франция

«Мираж» IIIR, «Дассо»

2038,70


1.06.1964

Кохрейн

США

F-104G, «Локхид»

2097,266


18.07.1967

Мартова

СССР

Е-76, КБ им. А. И. Микояна

2128,70


9. Скорость при полете по замкнутому 500-км маршруту, км/ч


Мужчины


15.04.1959

Эдварде

США

RF-101C, «Макдоннел»

1313,677


5.09.1960

Миллер

США

F4H-1F, «Макдоннел»

1958,20


25.09.1962

Кознов

СССР

?-431, КБ им. П. О. Сухого

2337,00


1.05.1965

Даниэль

США

YF-12A, «Локхид»

2644,22


5.10.1967

Комаров

СССР

Е-266, КБ им. А. И. Микояна

2981,50


Женщины


7.09.1961

Кохрейн

США

Т-38, «Нортроп»

1095,56


3.06.1961

Кохрейн

США

F-104G, «Локхид»

1814,368


16.09.1966

Соловьева

СССР

Е-76, КБ им. А. И. Микояна

2062,00


21.10.1977

Савицкая

СССР

Е-133, КБ им. А.И. Микояна

2466,31


10. Скорость при полете по замкнутому 1000-км маршруту, км/ч


Мужчины


8.04.1959

Тейлор

США

RF-101C, «Макдоннел»

1226,619


19.06.1960

Биган

Франция

«Мираж» IVA, «Дассо»

1822,00


12.01.1961

Конфер

США

В-58А, «Конвэр»

2067,58


16.03.1965

Федотов

СССР

Е-266, КБ им. А. И. Микояна

2319,120


1.05.1965

Даниэль

США

YF-12A, «Локхид»

2718,006


27.10.1967

Остапенко

СССР

Е-266, КБ им. А. И. Микояна

2920,670


27.07.1976

Бледсоу

США

SR-71A, «Локхид»

3367,221


Женщины


8.09.1961

Кохрейн

США

Т-38, «Нортроп»

1028,99


28.03.1967

Зайцева

СССР

Е-76, КБ им. А. И. Микояна

1298,16


12.04.1978

Савицкая

СССР

Е-133, КБ им. А.И.Микояна

2333,00


11. Скорость полета по замкнутому 1000-км маршруту с грузом 1000 кг, км/ч


14.01.1961

Конфер

США

В-58А, «Конвэр»

2067,58


16.03.1965

Федотов

СССР

Е-266, КБ им. А. И. Микояна

2319,120


1.05.1965

Даниэль

США

YF-12A, «Локхид»

2718,006


27.10.1967

Остапенко

СССР

Е-266, КБ им. А. И. Микояна

2920,67


12. Скорость полета по замкнутому 1000-км маршруту с грузом 2000 кг, км/ч


14.01.1961

Конфер

США

В-58А, «Конвэр»

2067,58


16.03.1965

Федотов

СССР

Е-266, КБ им. А. И. Микояна

2319,12


1.05.1965

Даниэль

США

YF-12A, «Локхид»

2718,006


27.10.1967

Остапенко

СССР

Е-266, КБ им. А. И. Микояна

2920,67


13. Скорость полета по замкнутому 2000-км маршруту, км/ч


Мужчины


12.01.1961

Дойчендорф

США

В-58А, «Конвэр»

1708,82


Женщины


11.10.1966

Мартова

СССР

Е-76, КБ им. А. И. Микояна

900,267


14. Скорость полета по замкнутому 2000-км маршруту с грузом 1000 кг, км/ч


12.01.1961

Дойчендорф

США

В-58А, «Конвэр»

1708,82


15. Скорость полета по замкнутому 2000-км маршруту с грузом 2000 кг, км/ч


12.01.1961

Дойчендорф

США

В-58А, «Конвэр»

1708,82


16. Время подъема на высоту 3000 м, мин ('), с (")


28.02.1957

Кларлан

Франция

«Жерфо» II, «Нор»

0'51,20"


22.05.1958

Лефевр

США

F4D-1, «Дуглас»

0'44,39"


13.12.1958

Эневолдсон

США

F-104A, «Локхид»

0'41,85"


21.02.1962

Янг

США

F4H-1, «Макдоннел»

0'34,5"


16.01.1975

Смит

США

F-15, «Макдоннел»

0'27,57"


17. Время подъема на высоту 6000 м, мин, с


16.02.1957

Кларлан

Франция

«Жерфо» II, «Нор»

1' 17,00"


22.05.1958

Лефевр

США

F4D-1, «Дуглас»

1'06,09"


13.12.1958

Смит

США

F-104A, «Локхид»

0'58,41"


21.02.1962

Лонгрен

США

F4H-1, «Макдоннел»

0'48,78"


16.01.1975

Макфарлен

США

F-15, «Макдоннел»

0'39,33"


18. Время подъема на высоту 9000 м, мин, с


16.02.1957

Кларлан

Франция

«Жерфо» II, «Нор»

1'34,00"


22.05.1958

Лефевр

США

F4D-1, «Дуглас»

1'30,02"


14.12.1958

Смит

США

F104A, «Локхид»

1'21,14"


3.03.1962

Гроу

США

F4H-1, «Макдоннел»

1'01,68"


16.01.1975

Макфарлен

США

F-15, «Макдоннел»

0'48,86"


19. Время подъема на высоту 12000 м, мин, с


16.02.1957

Кларлан

Франция

«Жерфо» II, «Нор»

2'18,00"


22.05.1958

Лефевр

США

F4D-1, «Дуглас»

1'51,22"


14.12.1958

Смит

США

F-104A, «Локхид»

1'30,09"


1.03.1962

Гроу

США

F4H-1, «Макдоннел»

1'17,14"


16.01.1975

Макфарлен

США

F-15, «Макдоннел»

0'59,3 8"


20. Время подъема на высоту 15000 м, мин, с


16.02.1957

Кларлан

Франция

«Жерфо» II, «Нор»

3'56,00"


22.05.1958

Лефевр

США

F4D-1, «Дуглас»

2'36,23"


15.12.1958

Эневолдсон

США


F-104A, «Локхид»

2' 11,01"

3.03.1962

Нордберг

США


F4H-1, «Макдоннел»

1'54,54"


16.01.1975

Петерсон

США

F-15, «Макдоннел»

1'17,04"


21. Время подъема на высоту 20000 м, мин, с


14.12.1958

Смит

США

F-104A, «Локхид»

3'42,99"


31.03.1962

Браун

США

F4H-1, «Макдоннел»

2'58,05"


4.06.1973

Орлов

СССР

Е-266, КБ им. А. И. Микояна

2'49,90"


19.01.1975

Смит

США

F-15, «Макдоннел»

2'02,94"


22. Время подъема на высоту 25000 м, мин, с


13.12.1958

Эневолдсон

США

F-104A, «Локхид»

4'26,03"


3.04.1962

Янг

США

F4H-1, «Макдоннел»

3'50,44"


4.06.1973

Остапенко

СССР

Е-266, КБ им. А. И. Микояна

3'12,60"


26.01.1975

Петерсон

США

F-15, «Макдоннел»

2'41,02"


17.05.1975

Федотов

СССР

Е-266М, КБ им. А. И. Микояна

2'34,20"


23. Время подъема на высоту 30000 м, мин, с


14.12.1958

Джордан

США

F-104C, «Локхид»

15'04,92"


12.04.1962

Нордберг

США


F4H-1, «Макдоннел»

6'11,43"

4.06.1973

Остапенко

СССР


Е-266, КБ им. А. И. Микояна

4'03,86"


1.02.1975

Смит

США

F-15, «Макдоннел»

3'27,80"


17.05.1975

Остапенко

СССР

Е-266М, КБ им. А. И. Микояна

3'09,85"


Время подъема на высоту 35 000м, мин, с


17.05.1975

Федотов

СССР

Е-266М, КБ им. А. И. Микояна

4? 1,70"


Время подъема на высоту в категории женщин, мин, с


15.11.1974

Савицкая

СССР

Е-66В, КБ им. А. И. Микояна

41'2" (3000 м)


15.11.1974

Савицкая

СССР

То же

1'01" (6000 м)


15.11.1974

Савицкая

СССР

» »

1'21" (9000 м)


15.11.1974

Савицкая

СССР

» »

1' 59"

(12000 м)

Стоимость и продолжительность разработки самолета

 Сделать закладку на этом месте книги

Когда в конце 40-х-начале 50-х годов на вооружение были приняты околозвуковые самолеты и были испытаны в полете первые сверхзвуковые самолеты, стало ясно, что улучшение характеристик новых самолетов связано с увеличением их полезной нагрузки, габаритов и массы (табл. 8), усложнением их конструкции и оборудования. Это привело к такому росту стоимости разработки и эксплуатации самолетов, который поставил под сомнение целесообразность самостоятельной разработки самолетов и содержания большого воздушного флота для стран со средним экономическим потенциалом.

Именно сознание того, что стоимость наиболее современных самолетов начинает выходить за пределы финансовых возможностей большинства стран, легло в основу концепции легкого и дешевого сверхзвукового самолета. Первым самолетом, спроектированным с учетом этих соображений, был F-5 фирмы «Нортроп». Эта фирма в 1954 г. провела исследование стоимости разработки, строительства и эксплуатации американских истребителей так называемой 100-й серии с целью определения составляющих затрат, оказывающих наибольшее влияние на стоимость модернизации военно-воздушного флота. Для облегчения анализа издержки были разделены на три группы, охватывающие:

– затраты на научные и опытно-конструкторские исследования, связанные с разработкой и производством опытного экземпляра, его летными испытаниями и доработкой перед началом серийного производства;

– затраты на подготовку серийного производства и изготовление самолета;

– затраты на эксплуатацию, обслуживание и ремонт.



Таблица 8. Тенденции изменения габаритов и массы сверхзвуковых самолетов с течением времени



Анализ результатов исследования показал, что затраты третьей группы всегда выше других; одновременно они пропорциональны степени сложности конструкции и оборудования. Дополнительные исследования потенциальных потребностей военной и гражданской авиации привели к концепции многоцелевого самолета, который при уменьшенных габаритах и массе с максимально простой конструкцией (и, следовательно, простыми эксплуатацией и обслуживанием) сохранял бы характеристики, соответствующие требованиям, предъявляемым к самолетам данного класса.

В результате такого подхода F-5 стал наиболее дешевым западным сверхзвуковым самолетом как в отношении цены, так и с точки зрения стоимости эксплуатации. Подобная цель ставилась также фирмой «Дассо», которая благодаря модификации самолета «Мираж» IIIE смогла разработать менее сложный «Мираж» 5.

В настоящее время проблема затрат на авиацию является еще более острой, и ее с уверенностью можно считать наиболее существенным фактором, влияющим на дальнейшее развитие самолетостроения. В связи с этим рассмотрим вопросы стоимости несколько более подробно.

Известно, что развитие авиационной техники стимулируется стремлением государства иметь самолеты с наилучшими техническими характеристиками. Такие характеристики самолетов, особенно сверхзвуковых, могут быть достигнуты лишь в результате поиска и применения новых эффективных аэродинамических и конструктивных решений, усовершенствования двигательных установок, оборудования систем навигации и управления, более эффективного бронирования и вооружения, менее сложного обслуживания и эксплуатации, надежных устройств аэродромного оборудования и т.д. Это ведет к появлению все более сложных конструкций, которые требуют не только выполнения большого объема разработок и исследований, но также тщательной подготовки и проведения технологического процесса изготовления. Первое приводит к возрастанию трудозатрат и издержек на разработку проекта, а второе-к необходимости непрерывной модернизации производственного оборудования и измерительных устройств в промышленности, улучшению технологии и организации производства. Указанные факторы неизбежно приводят к увеличению продолжительности и стоимости разработки и в конечном счете к увеличению цены самолета, стоимостей эксплуатации, обслуживания и ремонта, обучения летного и наземного персонала, строительства аэродромов и создания комплекса вспомогательных служб.




Рис. 1.87. Стоимость электронного оборудования самолетов США. 

треугольник-самолеты с винтомоторной силовой установкой; квадрат -околозвуковые самолеты; круг -сверхзвуковые самолеты. 


О динамике роста капиталовложений, необходимых для создания самолета, ярко свидетельствует тот факт, что в 1907 г. Ор- вилл Райт получил от правительства США 25000 долл. на реализацию своего изобретения, тогда как ожидаемая стоимость разработки проекта и строительства четырех экземпляров сверхзвукового бомбардировщика изменяемой геометрии В-1 (первый полет совершен в 1974 г.), предназначаемого для стратегической авиации США, должна составить 1 930 000 000 долл. Среди специалистов распространено мнение, что технологические барьеры в авиационной промышленности в настоящее время уже преодолены, благодаря чему на современном этапе развития авиации возможно строительство самолетов с гиперзвуковыми скоростями полета М = 6-15. Однако строительство таких самолетов в обозримом будущем является маловероятным, поскольку оно связано с резким повышением стоимости разработки, строительства и эксплуатации таких самолетов.

Ниже представлены некоторые данные по стоимости самолетов, но их следует считать лишь ориентировочными, поскольку данные такого рода представляют обычно либо государственную, либо коммерческую тайну. Часто действительные затраты определить затруднительно, поскольку финансирование научно-исследовательских, опытно-конструкторских и производственных работ обычно ведется по различным каналам. Тем не менее можно считать, что приведенные данные верно отражают общую тенденцию и с этой точки зрения имеют познавательное значение.



Таблица 9. Стоимость разработки сверхзвукового самолета





Таблица 10. Затраты на разработку некоторых сверхзвуковых самолетов




Анализ составляющих стоимости, определяющих цену самолетов, обычно ведется по отдельности для трех этапов создания самолета. Таким образом, затраты можно разделить на три группы. К первой группе относят затраты, связанные с разработкой нового самолета, т. е. стоимость исследовательских, проектных и опытных работ и соответствующего оборудования, стоимость строительства опытных экземпляров для проведения прочностных и летных испытаний. Ко второй группе относятся расходы на подготовку серийного производства, т.е. затраты на создание новой технологии, проектирование и изготовление оснастки, разработку технологической документации, модернизацию производственного оборудования. Третья группа охватывает затраты, связанные с материально- техническим снабжением (затраты на материалы, сырье и покупные изделия-двигатели, оборудование и вооружение). К этой группе также относятся издержки на исследования новых материалов и рабочую силу.

Затраты первой группы не зависят от масштабов производства, т.е. от того, будет построен только один опытный образец или несколько тысяч самолетов. Естественно, что после запуска самолета в серийное производство эти издержки распределяются равномерно на все построенные самолеты, благодаря чему в условиях крупносерийного производства цена самолета всегда меньше.

Из данных табл. 9 следует, что действительные затраты на разработку указанных в ней самолетов разительно отличаются от запланированных. К причинам возникновения этих расхождений могут быть отнесены: изменения конструкции самолета в период проектирования и строительства опытного экземпляра в связи с требованиями, выдвигаемыми заказчиком и ожидаемыми будущими покупателями, имеющими собственные идеи использования самолета; удлинение пери


убрать рекламу







ода и расширение исследовательских работ, оказавшихся необходимыми для достижения требуемых характеристик самолета; предварительное занижение сметной стоимости в процессе поиска заказчика; возрастание издержек на материалы и рабочую силу. В случае серийного производства значительный рост цены самолета в сравнении с запланированной (примеры этого приведены во второй части книги, содержащей описание конкретных сверхзвуковых самолетов) связан также с модернизацией машинного парка и организацией производства, изменением технологии во время изготовления опытного образца, принятием неотработанной технологии и т.п.





Рост стоимости и удлинение периода разработки, как и налаживания серийного производства, отражаются на постоянном увеличении стоимости самолетов.

Этот вывод иллюстрируется данными табл. 10, в которой за основу для сравнения приняты самолеты P-51D и В-29 с винтомоторной силовой установкой и околозвуковые реактивные F-86D и В-47Е.

Расходы на двигательную установку, оборудование и вооружение зависят как от состояния развития техники, так и от назначения самолета (табл. 11).

Двадцать лет тому назад расходы на изготовление планера и двигательную установку составляли 80-90% общей стоимости самолета (исключением является величина 92,7% в случае самолета В-58А, что объясняется повышенными затратами на аэродинамические и прочностные исследования, освоение технологии склеивания и т.п.), которые в настоящее время уменьшились до 40-50%, с одной стороны, благодаря решению технологических и мате- риаловедческих проблем, а также вследствие применения более сложного и дорогого электронного оборудования-с другой. Это в первую очередь относится к самолетам, оборудованным для выполнения разведывательных полетов.




Рис. 1.88. Продолжительность разработки, строительства и испытаний опытных образцов и серийного производства некоторых сверхзвуковых самолетов. 



Таблица 11. Структура расходов на планер, двигательную установку, оборудование и вооружение




Другой характерной чертой процесса создания современных сверхзвуковых самолетов является увеличение периода разработки и внедрения в серийное производство до 7-10 лет. Возрастание продолжительности разработок, так же как и увеличение расходов на создание самолета, несомненно, влияет на количество принимаемых к разработке проектов.

Представленные в таблице авторского предисловия данные свидетельствуют о том, что масштабы и темпы работ по созданию сверхзвуковых самолетов в различные периоды времени были различными и в значительной мере зависели от международной ситуации. Особенно высокий темп разработок, большое количество и разнообразие новых типов самолетов отмечались в период после корейской войны, т.е. в 50-е годы. В то же время 70-е годы характеризуются уменьшением количества реализуемых проектов, отказом от создания экспериментальных самолетов, высоким процентом машин, запущенных в серийное производство.

Вооружение самолета

 Сделать закладку на этом месте книги

Совершенствование схемы, аэродинамики, конструкции и силовой установки боевого сверхзвукового самолета направлено в конечном счете на повышение его эффективности как системы оружия. Поэтому конструктивное совершенство самолета должно быть реализовано в его вооружении, так как даже самый совершенный в смысле аэродинамики и конструкции боевой самолет, оборудованный устаревшим вооружением, не может конкурировать с самолетом, пусть даже и уступающим ему по летным характеристикам, однако оснащенным более современным оружием. Поэтому при разработке боевого сверхзвукового самолета исключительное внимание уделяется вопросам выбора того или иного вида оружия и сопутствующего ему оборудования.

Ствольное вооружение

 Сделать закладку на этом месте книги

Исторически первым и наиболее распространенным вооружением боевого самолета были разнообразные пушечные и пулеметные установки. Конструкция и технические показатели пушек и пулеметов, применявшихся на первых сверхзвуковых самолетах, мало отличались от тех, которые использовались на дозвуковых самолетах времен второй мировой войны. Трудность управления самолетом на сверхзвуковых скоростях и одновременного прицеливания через визуально-оптический прицел, невысокий темп стрельбы и скоротечность воздушного боя привели к резкому снижению эффективности поражения цели. На основании этого в начале 50-х годов многие авиационные и военные специалисты, полагая, что воздушные бои будут происходить на больших расстояниях с использованием появившихся в это время самонаводящихся ракет, пришли к выводу о бесперспективности применения пулеметов и пушек на сверхзвуковых самолетах. Эта точка зрения нашла отражение в разработке ряда сверхзвуковых самолетов с исключительно ракетным вооружением (F-106, F-4, JIa-250, И-75Ф). Впоследствии с учетом результатов теоретических исследований и боевого опыта применения сверхзвуковых самолетов указанная концепция была признана неверной, и работы над пушечным вооружением были продолжены. Важным этапом в создании эффективного авиационного пушечного вооружения на Западе считается разработка в начале 50-х годов концерном «Дженерал электрик» шестиствольной скорострельной пушки М61-А1 «Вулкан», применяемой до настоящего времени на большинстве боевых самолетов США. Пушка имеет подвижный блок стволов калибром 20 мм, расположенных равномерно по окружности под углом 60° друг к другу; этот блок приводится во вращение электромотором мощностью 26 кВт (в модификации GAU-4A вращение осуществляется за счет энергии газов, отбираемых от трех стволов). Снаряд выстреливается при крайнем верхнем положении ствола (угол поворота 0°), гильза выбрасывается при повороте ствола на угол 120°. Заряжание второго ствола происходит в момент его нахождения под углом 240°. Общий темп стрельбы составляет ~ 6000 выстрел/мин, а начальная скорость снаряда достигает 1030 м/с. Стрельба ведется бронебойными, бронебойно-осколочными и осколочно-фугасными снарядами. Высокий темп стрельбы позволяет эффективно использовать пушку в скоротечном воздушном бюро даже при условии нахождения цели в зоне поражения в течение долей секунды.

Еще более высокая эффективность поражения целей была достигнута в результате применения автоматизированных систем управления огнем, которые включают в себя, как правило, радиолокационную станцию, бортовой вычислитель, устройства сопряжения с пушкой и пульт управления. При этом параметры движения цели и самого самолета, как и характеристика внешних условий, вводятся в бортовую ЭВМ, которая с учетом указанных факторов рассчитывает вероятность уничтожения цели и подает команду на открытие огня только при входе цели в зону поражения. Системы такого типа, обладая высокими быстродействием и скорострельностью, облегчают также процесс пилотирования самолета, снижая психологические нагрузки пилота, и предоставляют ему большие возможности для наблюдения и оценки тактической обстановки. Кроме того, автоматизированные системы управления огнем позволяют рационально расходовать боекомплект, что немаловажно при значительном темпе стрельбы.







Рис. 1.89. Ствольное оружие самолетов. а-пушка М61-А1 «Вулкан»; б-пушка GAU-8A; в-пушка «Маузер» Mk.27. 


Помимо пушки М61-А1, к вооружению этого же класса относятся, например, GAU-8A (США)-тяжелая шестиствольная 30-мм пушка для стрельбы по наземным целям (магазин барабанного типа с боекомплектом 1350 снарядов); DEFA-552 (Франция)-одноствольная пушка калибра 30 мм револьверного типа с пятипа- тронным барабаном (автоматика пушки работает за счет энергии выстрела), устанавливаемая практически на всех самолетах типа «Мираж»; «Маузер» Мк.27 (ФРГ)-одноствольная 27-мм пушка со скорострельностью 1700 выстрел/мин и массой 100 кг, устанавливаемая на самолетах «Торнадо».

Указанные пушки не только устанавливаются стационарно (внутри самолета), но и могут подвешиваться в специальных контейнерах (вместе с боекомплектом) на пилонах. Считается, что такое расположение пушек, примененное, в частности, на самолетах F-4, «Торнадо» и F-18, позволяет значительно сократить время замены как самой пушки, так и боекомплекта.

Западные специалисты считают, что дальнейшее развитие ствольного вооружения будет идти по пути совершенствования как самой огневой установки (применение безгильзовых патронов, новых порохов с высокими энергетическими характеристиками, увеличение ресурса пушечных стволов, скорострельности и т.п.), так и системы управления огнем, которую предполагается подключить к автопилоту для автоматизации процесса прицеливания.

Ракетное оружие

 Сделать закладку на этом месте книги

Помимо ствольного вооружения, сверхзвуковые самолеты (как, впрочем, и дозвуковые) обычно оснащаются различными ракетами, предназначаемыми для уничтожения воздушных, наземных и морских целей.

Ракеты класса воздух-воздух

 Сделать закладку на этом месте книги

К типичным управляемым ракетам класса воздух-воздух (табл. 12), находившимся или находящимся на вооружении ВВС западных стран, относятся «Фолкон», «Сайдуиндер», «Сперроу», «Феникс» (США); «Файрстрик», «Ред-Тэн» (Великобритания); «Нор» А А-20, «Матра» (Франция). Самой малогабаритной из них является GAR-1 «Фолкон» (длина и диаметр корпуса соответственно 2 и 0,15 м). Ракета снабжена крестообразным крылом малого удлинения с размахом 0,6 м и неуправляемым крестообразным передним стабилизатором. Управление осуществляется с помощью аэродинамических рулей, расположенных в хвостовой части крыла. На ракете установлены твердотопливный двигатель тягой 27,4 кН (2800 кГ), позволяющий развивать скорость до 700 м/с, и инфракрасная или радиолокационная головка самонаведения. На базе GAR-1 были разработаны две модификации ракеты: «Супер-Фолкон» и «Ядерный Фолкон». Первая имела усовершенствованную радиолокационную систему наведения, двигатель с более высокими характеристиками и предназначалась для истребите ля-перехватчика F-106. Вторая могла атаковать цель, находящуюся под углом до 35° к направлению полета самолета, имела дальность около 11 км и скорость полета, соответствующую ? = 3.

Более совершенным вариантом легкой противосамолетной ракеты является УР




Рис. 1.90. Ракеты «Сайдуиндер» (верхняя) и «Сперроу» (нижняя) под крылом самолета. 



Таблица 12. Основные характеристики управляемых ракет класса «воздух-воздух»






Рис. 1.91. Ракета класса воздух – воздух «Феникс». 


Для выполнения полетов на перехват истребители оснащаются обычно более тяжелыми ракетами класса воздух-воздух, обладающими увеличенным радиусом действия. К таким ракетам относятся «Сперроу», «Феникс», «Ред-Тэн». Из ракет этого класса наиболее распространена в авиации западных стран УР «Сперроу». Она выполнена по схеме «поворотное крыло» с треугольным неподвижным крестообразным хвостовым стабилизатором и такими же треугольными консолями крыла, крестообразно расположенными в средней части корпуса. Силовая установка ракеты состоит из заранее снаряженного ЖРД. Наведение ракеты на цель осуществляется с помощью радиолокационной полуактивной системы, для чего цель должна непрерывно облучаться РЛС истребителя. Ракетами «Сперроу» оснащаются F-4, F-14, F-15, F-18 и другие истребители. На базе ракеты «Сперроу» фирмами «Бритиш аэроспейс корпорейшн» (Великобритания) и «Рейтеон» (США) была разработана более совершенная модель «Скайфлеш». В 1977 г. были завершены ее летные испытания. В настоящее время ракеты «Скайфлеш» находятся на вооружении Великобритании, Щвеции и других европейских государств. Ими оснащаются самолеты «Торнадо», «Ягуар», «Вигген».

Повышение летно-технических характеристик самолетов, в частности увеличение высот и скоростей их полета, потребовало дальнейшего совершенствования управляемых авиационных ракет. Другим фактором, вынуждающим разрабатывать новые УР класса воздух-воздух, явилось принятие на вооружение авиацией многих стран ракет класса воздух-поверхность, которые обычно запускаются на значительном расстоянии от цели. При этом, естественно, возникла задача уничтожения не только самолета-носителя, но и выпущенных с него ракет. Задача борьбы с малогабаритными целями (истребителями, крылатыми ракетами и т. п.), летящими на малых и больших высотах с низкими и высокими скоростями, зачастую использующими системы активного и пассивного радиопротиводействия, потребовала разработки не только более совершенных ракет, но и новых систем управления вооружением.

Одной из первых ракет, разработанных в соответствии с новыми требованиями и поступивших на вооружение ВВС США, была УР AIM-54 «Феникс», предназначавшаяся для вооружения самолетов F-14. Она имела высокие тактико-технические данные и оснащалась полуактивной головкой самонаведения. Для эксплуатации ракет была разработана обзорно-прицельная система AN/AWG-9 с импульсной доплеровской РЛС и бортовой ЭВМ. Эта система позволяет обнаруживать малогабаритные цели на расстоянии до 110 км в импульсно-доплеровском режиме обзора и сопровождения, а также осуществлять одновременное сопровождение до 24 целей в режиме сканирования. Система обеспечивает наведение шести ракет по шести различным целям, находящимся на различных курсах и высотах и летящим с разными скоростями (при расстоянии между целями не менее 15 км). Указанный боевой комплекс значительно повысил эффективность истребителя в основном благодаря возможности одновременного пуска ракет по нескольким целям, находящимся в передней полусфере самолета-носителя, без выполнения дополнительных маневров, приводящих к потере времени и тактического преимущества, а также возможности выбора целей, подлежащих уничтожению, визуальной дифференциации и опознавания целей с помощью оптико-электронной системы ASX-1.

Другим примером ракеты этого класса является разрабатываемая в США фирмами «Хьюз эркрафт» и «Рейтеон» УР AMRAAM, предназначаемая для замены ракеты «Сперроу». Опытные образцы, испытанные в 1980-1981 гг., имели стартовую массу 135 кг, максимальную скорость M › 4 и дальность полета 80 км. По внешнему виду AMRAAM близка к «Сперроу». Ракета оборудована комбинированной системой наведения, состоящей из командно- инерциальной и активной радиолокационной систем. При этом в зависимости от типа цели и расстояния до нее возможно применение трех способов наведения: самонаведения, автономного с самонаведением и полуавтономного с самонаведением. При втором способе полет ракеты на среднем участке осуществляется по заранее введенной программе, а на конечном-с помощью активной системы самонаведения. В режиме полуавтономного полета на среднем участке производится коррекция траектории полета с помощью команд радиотелеуправления, посылаемых с самолета-носителя. Управление на конечном участке траектории производится так же, как и в предыдущем способе. В состав бортовой аппаратуры управления ракеты входят цифровая перепрограммируемая ЭВМ, командно-инерциальная система, выполненная на основе бескарданной гироплатформы, бортовой вычислитель и приемник команд радиотелеуправления. ЭВМ осуществляет обработку получаемых сигналов на среднем и конечном участках полета, расчет параметров траектории и оптимальное наведение ракеты на цель, что особенно важно в случае высокоманевренной цели. Бортовое счетно-решающее устройство определяет положение ракеты в пространственной системе координат на основе информации, получаемой от инер- циальной системы (впоследствии функции счетно-решающего устройства предполагается передать бортовой ЭВМ).

Благодаря комбинированной системе наведения ракета AMRAAM может использоваться как на самолетах F-15 (РЛС типа AN/APG-63 обеспечивает режим сопровождения при сканировании и выделение отдельных целей в плотном строю), так и на F-14. При этом ракеты могут наводиться как на единичные цели в плотном строю, так и на несколько целей, находящихся на значительном расстоянии друг от друга. Серийное производство ракет класса воздух-воздух типа AMRAAM намечено на 1984 г. Стоимость одного изделия оценивается в 80 тыс. долл.




Рис. 1.92. Ракета класса воздух – воздух «Матра-Мажик» R.550. 


К управляемым ракетам средней дальности класса воздух-воздух относится также французская ракета R. 530 «Сюпер-Матра», которой оснащаются самолеты «Мираж» F. 1 и «Мираж» 2000. На ракете использована полуактивная радиолокационная головка самонаведения, для работы которой цель облучается бортовыми самолетными радиолокаторами «Сирано-4» или RD1. Эти РЛС позволяют обнаруживать и сопровождать малогабаритные цели на расстоянии до 110 км, в том числе и на фоне земли (RD1). Дальность полета ракеты составляет 35 км, скорость превышает 3 М. Ракета обладает высокой маневренностью и допускает перегрузки до 20; она может успешно атаковать цели, находящиеся на больших расстояниях от самолета-носителя и летящие значительно выше или ниже истребителя, на встречных или встречно- пересекающихся курсах.

Ракеты класса воздух-поверхность

 Сделать закладку на этом месте книги

В состав вооружения современных истребителей-бомбардировщиков входят ракеты класса воздух – поверхность, предназначаемые для нанесения ударов по наземным или морским объектам (табл. 13). УР этого класса обычно подразделяют на типы: воздух – земля, воздух-корабль, противо- радиолокационные и противотанковые.

Ракеты типа воздух – земля. К ракетам воздух-земля относятся УР «Булпап» AGM-12, «Мейверик» AGM-65 (США); «Мартель» AJ-168 (Великобритания); AS-12, AS-20, AS-30 (Франция); Rb-04, Rb-05 (Швеция). Ракеты «Булпап» и Rb-04 выполнены по схеме «утка»; «Мейверик», AS-30 и Rb-05-по нормальной аэродинамической схеме; AS-12 и AS-20-по схеме «поворотное крыло». Дальность ракет этого типа составляет от 10 до 60 км. УР типа воздух-земля оборудуются фугасными, осколочно-фугасными, бронебойными, кумулятивными или кассетными боевыми частями массой от 30 до 450 кг. Такое разнообразие боевых частей позволяет использовать ракеты для нанесения ударов по различным наземным целям: мостам, аэродромам, фортификационным сооружениям, технике и живой силе противника. Инициирование заряда боевой части обычно осуществляется электромеханическим или механическим контактным взрывателем (исключение составляет ракета AGM-65E, оборудованная дистанционным радиовзрывателем). Все упомянутые выше ракеты снабжены твердотопливными двигателями, за исключением «Булпап», которая имеет заранее снаряженный топливом ЖРД тягой 55,8 кН (5700 кГ). На этих ракетах применяются различные системы наведения, в том числе командные и самонаведения. Так, например, французская УР AS-12 оборудована системой телеуправления по проводам. Команды управления посылаются оператором (или пилотом) на основе визуального наблюдения за полетом ракеты. Недостатками такой схемы управления являются малая дальность полета (всего 10 км) и необходимость пребывания самолета в зоне расположения цели, которая обычно охраняется средствами ПВО. Поэтому в ракетах AGM-12, As-20, Rb-05 использована система радиотелеуправления. После пуска таких УР, как и в случае AS-12, летчик должен продолжать вести наблюдение за их полетом, подавая команды, корректирующие траекторию для точного попадания в цель. Для улучшения наблюдения за полетом ракета AGM-12 оборудована специальными трассерами. После пуска ракеты, который обычно осуществляется с пологого пикирования, летчик при помощи кнопок на ручке управления подает команды «вверх-вниз» и «вправо – влево», ориентируясь по следу трассеров. Ракетами AGM-12 «Булпап» вооружаются самолеты F-105, F-4, А-6, А-7, А-10, а ракетами AS-20, AS-30-самолеты «Мираж» III, «Мираж» 5, «Ягуар».

Радиотелекомандный способ наведения ракет на цель позволил несколько увеличить дальность полета (до 17 км у AGM-12C), однако не исключил необходимости нахождения самолета-носителя в зоне действия ПВО противника. Кроме того, точность наведения ракеты при этом остается невысокой и уменьшается по мере увеличения расстояния от самолета-носителя до цели, так что прицельная дальность полета ракеты, обеспечивающая высокую вероятность поражения цели, составляет всего 3,5-7 км.

Для устранения указанных недостатков были разработаны новые, более совершенные ракеты и системы их наведения. Примером такой УР может служить английская ракета AJ-168 «Мартель», обладающая дальностью полета до 60 км и оборудованная телевизионно-командной системой наведения. При использовании такой системы УР оборудуется приемной телевизионной установкой, аппаратурой передачи на самолет телевизионного изображения местности, приемным устройством команд радиотелеуправления ракетой, а самолет-носитель оснащается приемным устройством телевизионных сигналов с экранным индикатором на основе электронно-лучевой трубки и передающей аппаратурой радиотелеуправления. При подлете к цели оператор включает аппаратуру ракеты и на телевизионном экране в кабине самолета отображается местность, фиксируемая телевизионной аппаратурой ракеты. После пуска ракеты оператор, ориентируясь по изображению на экране индикатора в кабине самолета, осуществляет радиотелеуправление путем подачи команд, аналогичных используемым при управлении УР «Булпап». При этом точность наведения значительно повышается, а сам атакующий самолет может изменить направление полета сразу же после пуска ракеты, не входя в зону действия средств ПВО, охраняющих объект. Пуск ракеты может присходить и на значительном расстоянии от цели, вне зоны ее захвата телевизионной системой. В этом случае ракета наводится по ориентирам, заранее известным экипажу. Недостатком телевизионно-командного наведения является слабая помехозащищенность и возможность нарушения двусторонней связи между ракетой и самолетом-носителем средствами активного радиопротиводействия противника.

Этого недостатка, по мнению специалистов США, лишена УР AGM-65 (А или В) «Мейверик», оборудованная телевизионной системой самонаведения. Характерной особенностью комплекса является отсутствие обмена информацией между ракетой и самолетом и в связи с этим неуязвимость со стороны средств радиопротиводействия. Ракетная атака выполняется в виде определенной последовательности операций. При подлете к цели оператор (пилот) включает телевизионную систему УР, которая передает изображения местности на экран индикатора в кабине самолета. Обнаружив цель, оператор совмещает ее изображение с перекрестием на экране и подает команду на захват цели телевизионной головкой самонаведения. После этого запускается двигатель и ракета осуществляет автономный полет.

Недостатком ракет с телевизионной системой наведения является невозможность их использования в ночное время суток и в условиях плохой видимости (при низкой облачности, обильных осадках, тумане, задымленности). Этот недостаток отсутствует в УР AGM-65D с тепловизионной системой наведения, которая может функционировать в любое время суток и в любых погодных условиях, однако обладает несколько худшей разрешающей способностью в отношении целей.

Помимо авиационных ракет с телевизионными и тепловизионными системами наведения, в последнее время получили распространение УР, использующие лазерные полуактивные головки самонаведения (AGM-65C, AGM-65E, AS-30L).

Достоинствами лазерных систем наведения, разработка которых была начата на Западе в 60-х годах, являются высокая точность, нечувствительность к погодным условиям, времени суток и сопутствующим помехам (запыленности., задымленности), сложность организации эффективного противодействия. Реализация этого способа наведения оказалась возможной благодаря разработке малогабаритных, достаточно мощных лазеров, оптико-электронных приемников излучения и микроэлектронной аппаратуры управления.

По мнению западных специалистов, существующие лазерные системы наведения наиболее эффективны на высотах 400-8000 м и расстояниях до цели менее 20 км.

В случае использования лазерных систем наведения в состав бортового оборудования самолета входят средства обнаружения и сопровождения цели, лазерный облучатель, цифровая ЭВМ и блоки питания. На ракете устанавливаются приемник отраженного лазерного излучения, вычислитель и блок управления. Обычно самолетное оборудование размещают в специальном подвесном контейнере или устанавливают стационарно внутри планера самолета (встроенная аппаратура наведения). Первый способ более предпочтителен, поскольку он позволяет устанавливать эту аппаратуру на различных самолетах. Примером такой системы может служить «Пейв-Тэк» AVQ-26 (длина контейнера 4,10 м, диаметр 0,5 м, масса 595 кг), разработанная в США. Контейнер состоит из неподвижного корпуса и подвижной сферической носовой части, в которой располагаются инфракрасный целеуказатель и лазерный облучатель. В средней и хвостовой секциях контейнера находятся блоки питания, ЭВМ и устройство привода носовой части. Электронно-вычислительная машина осуществляет расчет параметров для навигационной системы самолета при выводе его на цель, управляет лазерным лучом, обеспечивая его отклонение до 190° по углу места и 270° по азимуту, и вырабатывает информацию, отображаемую на индикаторе в кабине экипажа. Однако эта система сложна в управлении и требует наличия на самолете второго члена экипажа. Другим примером разработанной в США лазерной системы наведения контейнерного типа может служить «Пейв- Спайк» (длина контейнера 3,66 м, диаметр 0,25 м, масса 193 кг). Этой системой оснащаются самолеты F-4D (к настоящему времени более 150 самолетов), а также англо-французский «Ягуар» и израильский «Кфир». Система «Пейв-Спайк» в отличие от «Пейв-Тэк» состоит из телевизионной аппаратуры обзора, лазерного дальномера и облучателя. После соответствующей доработки системой «Пейв-Спайк» предполагается оснастить истребители F-16.

Более совершенными системами лазерного наведения, разработанными в последние годы совместными усилиями специалистов США и Франции, являются «Атлис» 2 (французский вариант) и «Пэйв-Пэнни» (американский вариант), предназначенные для использования на самолетах «Мираж» 2000, «Сюпер-Мираж» 4000, F-16 и F-18. Системы снабжены соответственно телевизионным и инфракрасным целеуказа- телями, имеют гиростабилизированную платформу, на которой располагаются устройства целеуказания и лазерного облучения, обеспечивающие необходимую информацию для навигационной системы и системы управления оружием, а также автоматическую лазерную подсветку цели.



Таблица 13. Основные характеристики управляемых ракет класса «воздух-поверхность»




Независимо от конкретной лазерной системы, использованной на самолете-носи- теле, принцип наведения средства поражения цели остается практически неизменным; он схож с принципом полуактивного радиолокационного наведения. При подлете к цели оператор включает аппаратуру системы наведения и с помощью телевизионного или инфракрасного устройства осуществляет ее поиск. Обнаружив цель, оператор включает лазерный облучатель. Направление луча, постоянно подсвечивающего цель, поддерживается автоматически (на одноместном самолете) либо по командам оператора (в случае двухместного самолета). При этом самолет может изменять курс, высоту и совершать маневры, не входя в зону действия ПВО объекта. При приближении самолета к цели на достаточное расстояние происходит пуск ракеты. Головка самонаведения начинает воспринимать отраженное от цели лазерное излучение, направляя на нее ракету. Недостатком этого способа наведения является необходимость постоянной подсветки цели лазерным облучателем и в связи с этим нахождения самолета-носителя в районе цели.

Процесс совершенствования ракетного вооружения самолетов США и других западных стран осуществляется с учетом новейших достижений науки и техники, а также изменяющихся военных концепций и результатов применения вооружения в боевой обстановке в период американо- вьетнамской и арабо-изра


убрать рекламу







ильской войн. В соответствии с этим перспективные УР типа воздух – земля, разрабатываемые в США (программа YMRASM) и Франции (ASMP), снабжаются комбинированными системами наведения (инерциальной и радиолокационной или лазерной) и силовой установкой и должны иметь увеличенные дальность и скорость полета.










Рис. 1.93. Ракеты типа воздух-корабль, а-«Си-Киллер»; б-«Гарпун»; в-«Корморан». 


Ракеты типа воздух – корабль. К управляемым ракетам типа воздух-корабль относятся «Отомат», «Экзосет», AS-15TT (Франция); «Си-Киллер» (Италия); AGM-84 «Гарпун» (США); «Си-Скьюа» (Великобритания); «Корморан» (ФРГ) и другие. В большинстве своем указанные УР оснащаются полубронебойными боевыми частями («Корморан» и «Гарпун» снабжены соответственно кумулятивной и фугасной боевыми частями), имеют дозвуковую скорость полета и дальность действия до ~ 120 км. Ракеты «Отомат» и «Гарпун» оснащены турбореактивными двигателями, а все остальные из упомянутых УР-твердотопливными ракетными двигателями. За исключением ракет «Си-Киллер» и «Си-Скьюа», снабженных соответственно радиокомандной и активной радиолокационной аппаратурой наведения, все остальные УР имеют комбинированную систему наведения, состоящую из инерциальной и активной радиолокационной, действующей на конечном участке траектории.




Рис. 1.94. Противорадиолокационная ракета HARM на подкрыльном пилоне. 


Совершенствование ракет типа воздух – корабль осуществляется в направлении повышения скорости и дальности полета, а также точности наведения в условиях сильного радиопротиводействия со стороны противника. Так, например, перспективная англо-франко-западногерманская ракета ASSM должна обладать скоростью полета 2,3 ? при стартовой массе ~ 1000 кг (масса боевой части 200 кг). Ракету предполагается оснастить комбинированной системой, состоящей из аппаратуры инерциального и инфракрасного наведения.

Противорадиолокационные ракеты. В отличие от ракет типа воздух-земля и воздух -корабль противорадиолокационные УР оснащаются пассивными радиолокационными головками самонаведения, работающими в широком спектре частот. Эти ракеты, предназначаемые для уничтожения РЛС противника, обычно снабжаются твердотопливными двигателями, обеспечивающими высокую сверхзвуковую скорость полета и дальность до 80 км. К ракетам этого типа относятся AGM-45 «Шрайк», AGM-78 «Стандарт», AGM-88 HARM (США); «Мартель» AS-37 (Франция). Система самонаведения УР AGM-78 способна «запоминать» координаты цели и тем самым поражать РЛС даже в случае прекращения ее работы после пуска ракеты.

Неуправляемые реактивные снаряды

 Сделать закладку на этом месте книги

Помимо управляемых ракет класса воздух-поверхность, современные боевые самолеты оснащаются для действия по наземным целям неуправляемыми реактивными снарядами (НУРС) калибром от 37 до 135 мм (табл.14). Несмотря на меньшую точность попадания, ракеты этого типа более просты, дешевы и надежны; они снабжаются боевыми частями различных типов. Пуск НУРС осуществляется со специальных блоков трубчатых или рельсовых направляющих, устанавливаемых под фюзеляжем или крылом самолета. Основными элементами неуправляемой ракеты являются корпус, взрыватель, боевой заряд, двигатель и складываемый или встроенный стабилизатор. Типичными представителями неуправляемых реактивных снарядов могут служить ADAM (Швеция) и SNEB-253 (Франция), предназначенные для действия по наземным и воздушным целям. НУРС запускаются с магазинов, выдвигаемых из фюзеляжа самолета, либо с замков внешних подвесок. Стабилизация полета снаряда SNEB-253 осуществляется за счет его вращения с частотой ~ 30 об/мин, что обеспечивается скошенной конструкцией оперения. Продолжительность работы двигателя составляет 0,8 с.



Таблица 14. Основные характеристики неуправляемых ракет






Рис. 1.95. НУРС ADAM и снаряженный пусковой блок. 

Управляемые авиационные бомбы

 Сделать закладку на этом месте книги

Традиционным вооружением самолетов, которое используется практически в течение всего периода существования авиации, в частности сверхзвуковой, являются бомбы, конструкция которых совершенствовалась вместе с развитием самолета.

Повышение скорости и высоты полета самолетов привело к снижению точности бомбометания, несмотря на применение совершенных систем прицеливания, включающих оптико-электронную, инфракрасную аппаратуру и ЭВМ. Указанный недостаток был практически устранен в середине 60-х годов созданием управляемых авиационных бомб (УАБ) (табл. 15), обладающих высокой точностью попадания и значительной дальностью полета, что делает их основным конкурентом УР класса воздух-поверхность. По результатам исследований, проведенных в США, была установлена возможность значительного снижения затрат, необходимых для уничтожения наземных целей, при использовании УАБ. Так, для поражения шести различных целей обычными бомбами, по оценкам, необходимо осуществлять в среднем около 1000 самолето-вылетов общей стоимостью более 14 млн. долл., тогда как применение УАБ позволяет уменьшить эти значения до 20 самолето-вылетов и 0,6 млн. долл.

Первой управляемой бомбой, примененной американскими ВВС во время войны во Вьетнаме, была «Уоллай» 1 (AGM-62A) массой около 450 кг, оборудованная телевизионной системой самонаведения. Конструктивно бомба состоит из трех частей: носовой, в которой смонтирована система наведения, центральной-с боевым зарядом (на корпусе этой части бомбы крепится крыло) и хвостовой, несущей оперение (в хвостовой части размещены блоки питания и устройства управления плоскостями оперения). УАБ «Уоллай» 1 была принята на вооружение авиации США в 1966 г.



Таблица 15. Основные характеристики управляемых авиационных бомб






Рис. 1.96. Управляемая авиационная бомба «Уоллай» 1. 




Рис. 1.97. УАБ модульной конструкции GBU-15. 


По принципу наведения «Уоллай» аналогична ракете AGM-65 с телевизионной головкой самонаведения. После отделения от самолета благодаря наличию несущих аэродинамических поверхностей бомба осуществляет планирование на цель; при этом дальность ее полета в зависимости от высоты и скорости самолета-носителя в момент отделения бомбы может достигать 25 км.

В 1973 г. на вооружение ВВС США поступили более мощные и совершенные бомбы «Уоллай» 2 массой ~ 900 кг с телевизионной системой наведения, предназначенные для поражения крупных наземных целей. Модернизированный вариант этой бомбы, разработанный в 1975 г., был снабжен те- левизионно-командной системой наведения и предназначался для нанесения ударов по замаскированным целям. Были также улучшены аэродинамические характеристики бомбы, позволившие несколько увеличить дальность полета. В будущем предполагается оснастить эти УАБ тепловизионной системой наведения, аналогичной применяемой в ракетах AGM-65D «Мейверик».

В 1979 г. были завершены испытания и налажено производство управляемых бомб модульной конструкции GBU-15, отличающихся большой универсальностью. Количество этих УАБ планируется увеличить до 5000 с целью оснащения ими самолетов F-4, F-111, F-14, F-15, В-1. Известны две модификации GBU-15-с крестообразным и с раскрывающимся после сброса бомбы крылом. Первая предназначена для применения по малоразмерным единичным целям с малых и средних высот, вторая-по площадным целям с больших высот. Модульная конструкция позволяет осуществлять различные компоновки бомбы, выбирая наиболее целесообразную с точки зрения выполнения поставленной боевой задачи. Сборка УАБ выполняется в полевых условиях (на аэродроме) непосредственно перед вылетом самолета и требует лишь минимальных контрольно-диагностических работ.

В модуле боевой части содержится стандартная авиационная бомба Мк-84 и кассетная система SUU-54/D калибра 900 кг. Модуль аэродинамических поверхностей состоит из четырех крестообразно расположенных консолей крыла и четырех передних управляемых стабилизаторов или раскрываемого крыла и неподвижного хвостового стабилизатора. Модуль управления оборудуется сервомоторами для управления аэродинамическими поверхностями. Точное наведение бомбы в различных погодных условиях, в любое время суток, в разной боевой обстановке обеспечивается модулем системы наведения- телевизионной, лазерной или тепловизионной. В случае использования теле- или тепловизионного наведения возможно применение как телеуправляемого, так и самонаводящегося режима полета. Выбор того или иного режима осуществляется пилотом; выбранный режим может быть изменен в процессе полета УАБ. В настоящее время в США разрабатывается система наведения, которая будет использовать информацию, поступающую с искусственных спутников системы NAVSTAR. Соответствующая аппаратура должна устанавливаться на УАБ для поражения стационарных наземных целей типа пусковых шахт ракет и других стратегически важных сооружений, координаты которых известны заранее и определены с высокой степенью точности.







Рис. 1.98. Бомбовое и ракетное вооружение на самолетах «Вигген» (а) и F-15 (б). 


По сообщениям западной печати, в 1981 г. в США завершены разработка и испытания новой УАБ типа GBU-17, оборудованной лазерной системой наведения и бетонобойной боевой частью, состоящей из предварительного кумулятивного и основного фугасного зарядов. Помимо США, управляемые бомбы типа «Уоллай» и GBU находятся на вооружении ряда стран, включая Израиль, Саудовскую Аравию и Австралию. Разработкой УАБ собственной конструкции интенсивно занимаются специалисты Франции. Основные характеристики некоторых управляемых бомб приведены в табл. 15.

Рассмотренные в данной главе виды и типы вооружений, применяемые на боевых самолетах, иллюстрируют роль военной авиации и органически дополняют описание процесса развития сверхзвуковых самолетов, более полно раскрывая возможности их применения.

Конструкторские бюро и авиационные предприятия

 Сделать закладку на этом месте книги

Разработка, испытания и производство сверхзвуковых самолетов не только связаны с огромными финансовыми расходами, но и немыслимы без высокого научно- технического уровня и мощного промышленного потенциала. Ввиду этого среди десятков развитых государств только 12 взялись за разработку и строительство сверхзвуковых самолетов.

Представленный ниже перечень включает описания 88 самолетов, совершивших хотя бы один вылет. Среди них 30 типов машин, разработанных в США, 24-в СССР, 20-во Франции (в том числе 2 совместно с Великобританией), 9-в Великобритании (2 совместно с Францией и 1 с ФРГ и Италией), 2-в Швеции, 2-в ФРГ (1 с Великобританией и Италией) и по одному в Египте, Израиле, Канаде, Японии и Италии (с ФРГ и Великобританией).

Разработкой самолетов занимались 40 конструкторских бюро, фирм и объединений, которые кратко характеризуются ниже (в порядке латинского алфавита).

«Аэроспасьяль» (Франция) Societe Nationale Industrielle Aerospatiale (SNIAS)-французское объединение государственной авиапромышленности, образованное в 1970 г. путем объединения Sud Aviation, Nord Aviation и SEREB. Совместно с британским объединением ВАС разработало (Sud Aviation) и выпускало пассажирские самолеты «Конкорд».

«Дассо» см. «Дассо-Бреге»

«AVRO-Канада» (Канада) A.V. Roe Canada Ltd.-канадский филиал британской фирмы ?. V. Roe and Co., основанной в 1909 г. одним из пионеров британской авиации Э. В. Роу. В 1935 г. присоединилась к объединению «Хоукер-Сидд- ли». Разработала истребитель «Эрроу». ВАС -см. «Бритиш эркрафт». «Белл» (США)

Bell Aircraft Corp.-американская фирма, организованная в 1935 г. JI. Беллом (1894-1956). Фирмой были разработаны экспериментальные самолеты с ракетным двигателем Х-1 и Х-2.

«Бреге» (Франция) Breguet Aviation – французская фирма с первоначальным названием Societe Anonyme des Ateliers d'Aviation Louis Breguet-организована в 1911 г. Л. Бреге (1880-1955). В 1936 г. частично национализирована (группа NORD). В 1971 г. объединилась с заводами AM Dassault. Проект фирмы Вг-121 принят за основу при разработке самолета «Ягуар».

«Бристоль» (Великобритания) Фирма Bristol Aeroplane Co. Ltd. создана в 1910 г. по инициативе Дж. Уайта-одного из пионеров английской авиации. С 1963 г. входит в состав британского концерна ВАС. Фирмой разработаны самолеты Т-188 и ВАС-221, а также велись работы над самолетом «Конкорд».

«Бритиш эркрафт» (Великобритания) ВАС (British Aircraft Corp. Ltd.) – британский авиаконцерн, созданный в 1963 г. путем объединения фирм «Виккерс-Армстронг», «Инглиш электрик», «Бристоль» и «Хантинг». Перенял разработку и выпуск самолетов «Лайтнинг», ВАС-221 и TSR.2, сотрудничает с заграничными фирмами по разработке и производству самолетов «Ягуар», «Конкорд», «Торнадо».

«Чанс-Воут» (США) Chance-Vought Aircraft Inc.-под этим названием фирма выступает с 1954 г. Образована в 1917 г. Ч. Воутом и первоначально называлась Lewis and Vought Corp. В 1961 г. объединилась с фирмой Ling-Temco-Electronics, образовав концерн, который' первоначально назывался Ling- Temco-Vought, а затем LTV Aerospace. Фирмой разработан палубный самолет «Крусейдер».

«Конвэр» (США) Convair Div. of General Dynamics Corp.-отделение американского авиаконцерна, возникшее в 1923 г. под названием Consolidated Aircraft Corp. в результате объединения фирм Dayton Wright Со. и Gallaudet Aircraft Corp. В 1943 г. Consolidated Aircraft Corp. объединилась с Vultee Aircraft Corp., образовав Consolidated Vultee Aircraft Inc. (сокращенно CONVAIR), а в 1954 г.-с General Dynamics Corp. Разработаны и построены самолеты F-102, В-58, F-106.

«Дассо-Бреге» (Франция) Объединение французских авиационных фирм Avions Marcel Dassault и Breguet Aviation произошло в 1971 г. Фирмой разработано 13 типов сверхзвуковых самолетов, в том числе с изменяемой геометрией крыла, а также с вертикальным взлетом и посадкой серии «Мираж». Кроме того, фирма выпускает самолеты «Ягуар».

Дуглас (США) The Douglas Aircraft Co.-американская фирма, образованная в 1920 г. Д. Дугласом. В 1967 г. объединилась с корпорацией «Макдоннел». Фирмой разработаны экспериментальные самолеты D-558-II и Х-3, а также истребитель F-5D-1.

«Инглиш электрик» (Великобритания) Британская фирма The English Electric Co. LTD. образована в 1918 г. В 1963 г. включена в состав концерна ВАС. Фирмой разработан самолет Р.1, который в серийном производстве имел название «Лайтнинг».

«EWR-Зюд» (ФРГ) Конструкторское бюро Entwicklungsring Siid создано в 1959 г. западногерманскими фирмами Bolkow, Heinkel и Messerschmitt для целей разработки истребителя-перехватчика ВВП VJ-101C.

«Фэри» (Великобритания) The Fairey Aviation Co. Ltd.-английская фирма, организованная Р. Фэри в 1915 г. Разработала экспериментальный самолет F.D.2.

GAMD см. «Дассо-Бреге»

«Дженерал дайнемикс» (США) General Dynamics Corp.-американский концерн, имеющий 4 отделения, из которых только Fort Worth Div. занимается разработкой самолетов, переняв эти функции у Convair Div. Концерном разработаны самолеты F-111 и F-16.

«Грумман» (США) Американская фирма Grumman Aerospace Corp., созданная в 1929 г., имела первоначальное название Grumman Aircraft Engineering Corp. Разработала и выпускает палубные самолеты F-11 и F-14.

«Хелуан» (Египет) Helwan Air Works-египетская самолетостроительная фирма, образованная в 1962 г., разработала истребитель НА-300.

ОКБ им. С. В. Ильюшина (СССР) Конструкторское бюро С. В. Ильюшина (1894-1977 г.) образовано в 1933 г. Разработан сверхзвуковой бомбардировщик Ил-54. В основном занимается разработкой тяжелых пассажирских и транспортных самолетов.

«Исраэл эркрафт индастриз» (Израиль) Israel Aircraft Industries Ltd. (израильская самолетостроительная фирма, созданная в 1953 г. под названием Bedek Aircraft Со. Существующее название получила в 1967 г. Разработала истребитель «Кфир» на базе французского самолета «Мираж» 3.

«Ледюк» (Франция) Rene Leduc et Fils-французская фирма, разрабатывавшая экспериментальные самолеты с ПВРД. Последняя машина фирмы-«Ледюк» 0.22.

«Линг-Темко-Воут» см. «LTV-Аэроспейс».

«Локхид» (США) Фирма Lockheed Aircraft Corp. образована в 1916 г. братьями Алленом и Малькольмом Локхидами. Последнее название фирмы известно с 1926 г. Разработала и построила истребитель F-104 и разведчик SR-71 на базе опытного самолета YF-12A.

«LTV-Аэроспейс» (США) LTV Aerospace Corp.-американский концерн, выступающий под таким названием с 1962 г. Возник в 1961г. в результате слияния фирм Chanc-Vought и Ling-Temco. Разработал и выпускал самолет F-8.

«Макдоннел-Дуглас» (США) McDonnell Douglas Corp. – американский концерн, образованный в 1967 г. объединением фирм McDonnell и Douglas. Фирма McDonnell Со. образовалась в 1939 г. под названием McDonnell Aircraft Corp. Фирмой McDonnell разработаны и выпускались истребители F-101 и F-4, а концерном McDonnell и Douglas-самолеты F-15, F-18.




Рис. 1.99. Экспериментальный самолет А-144 конструкции А. И. Микояна и А. Н. Туполева. 


ОКБ им. А. И. Микояна (СССР) Конструкторское бюро А. И. Микояна образовано в 1939 г. В нем разработаны самолеты с обозначением МиГ (до МиГ-17 включительно с участием М. И. Гуревича). Разработано не менее 11 экспериментальных и боевых самолетов, в том числе самолеты с изменяемой геометрией крыла.

«Мицубиси» (Япония) Японский концерн Mitsubishi Jukogyo Kabushiki Kaisha образован в 1917 г. После второй мировой войны возобновил деятельность в 1952 г. Разработал и выпускает тренировочно-боевой самолет Т-2.

ОКБ В.М. Мясищева (СССР) После трагической гибели В. М. Петлякова (1891-1942) руководителем ОКБ стал В. М. Мясищев (1902-1978). Разработан бомбардировщик М-50.

«Нор авиасьон» (Франция) Societe Nationale de Constructions Aeronautiques du Nord-французский государственный авиационный концерн, образованный в 1936 г. С 1945 г. включает предприятия Caudron-Renault, а с 1953 г- частично Arsenal. В 1954 г. объединился с SFECMAS; с 1970 г. выступает как объединение Aerospatiale. Разработаны самолеты «Жерфо» и «Гриффон».

«Норт Америкен» (США) Корпорация North American Aviation Inc. образована в 1928 г. В 1967 г. вошла в состав концерна Rockwell. Разработала истребители F-100, бомбардировщик-развед- чик А-5, экспериментальный самолет Х-15, самолеты ХВ-70А, YF-107A. Разработан самолет ВВП XFY-12A.

«Нортроп» (США) Northrop Corp.-американская авиационная корпорация, созданная в 1932 г. Д. Нор- тропом. До 1959 г. выступала под названием Northrop Aircraft Inc. В Northrop Corp. разработаны истребители F-5 и YF-17, а также учебно-тренировочный самолет Т-38.

«Панавиа» (Великобритания/ФРГ/Италия) Panavia Aircraft GmbH-международное объединение, образованное в 1969 г. с целью разработки и производства многоцелевого истребителя изменяемой геометрии «Торнадо». Объединяет предприятия Великобритании (ВАС), ФРГ (Messerschmitt- Bolkow-Blhom) и Италии (AER-Italia).

«Рипаблик» (США) Фирма Republic Aviation Corp. возникла в 1931 г. под названием Seversky Aircraft Corp. В 1965 г. объединилась с Fairchild Hiller Corp., получив название Fairchild Republic Со. Фирма разработала истре- битель-бомбардировщик F-105.

«Рокуэлл» (США) Американский концерн Rockwell International Corp. создан в 1967 г. путем объединения North American и Rockwell- Standard с первоначальным названием North American Rockwell Corp. Современное название носит после присоединения Rockwell Manufacturing Со. Разработаны бомбардировщик В-1 и истребитель ВВП XFV-12A.

«SAAB-Скания» (Швеция) Шведская фирма SAAB-Scania Aktiebolag возникла в 1928 г. под первоначальным названием Svenska Aeroplan Aktiebolaget как отделение концерна. С 1937 г. является независимой и выступает под названием SAAB. В 1969 г. объединилась с концерном Scania- Vabis и получила современное название. Разработаны самолеты «Дракен» и «Виг- ген».




Рис. 1.100. Истребитель-бомбардировщик Су-7Б. 


«Саундерс Роу» (Великобритания) Saunders Roe Ltd.-британская судостроительная фирма, которая в 1912 г. начала производство самолетов. Разработан самолет с комбинированной двигательной установкой S.R.53.

SEPECAT (Франция) Объединение SEPECAT (Societe Europeenne de Production de l'Avion d'Ecole de Combat et d'Appui Tactique), созданное в 1965 г. правительствами Франции и Великобритании, контролировало разработку самолетов «Ягуар».

SNCASO (Франция) Societe Nationale de Constructions Aeronautiques Sud-Ouest – французское самолетостроительное объединение, возникшее в 1936 г. после национализации фирм Marcel Bloch, SASO, UCA и Liore-Et- Olivier. В 1957 г. включено в состав Sud Aviation. Разработчик истребителя «Три- дан» с комбинированной двигательной установкой.

ОКБ им. П. О. Сухого (СССР) Конструкторское бюро П. О. Сухого (1895-1975) создано в 1939 г. Работы над сверхзвуковыми самолетами начаты в 1953 г. Разработаны истребители и истребители-бомбардировщики, в том числе самолеты с изменяемой геометрией крыла серии «Су».

«Сюд авиасьон» (Франция) Французское объединение, образованное в 1957 г. путем слияния SNCASO и SNCASE (Sud-Est). В 1970 г. включено в состав Aerospatiale. Разработан (совместно с ВАС) пассажирский самолет «Конкорд».

«Сюд-Эст» (Франция) Aviation Societe Nationale de Constructions Aeronautiques Sud-Est (иногда используется сокращенное название SNCASE)-французское самолетостроительное объединение, образованное в 1936 г. путем национализации Liore-et-Olivier, Potez, Romano и SPCA. В 1957 г. включено в состав Sud Aviation. Разработан истребитель S.E.212.

ОКБ им. А. Н. Туполева (СССР) Конструкторское бюро А. Н. Туполева (1888-1972) образовано в 1922 г. Разработаны тяжелые военные самолеты и пассажирский самолет Ту-144.

ОКБ А. С. Яковлева (СССР) Конструкторское бюро А. С. Яковлева образовано в 1923 г. Разработало серийный многоцелевой истребитель Як-28.




Часть вторая ОБЗОР СВЕРХЗВУКОВЫХ САМОЛЕТОВ

Х-1 фирмы «Белл» – одноместный экспериментальный самолет с реактивным двигателем-США, 1946 г.

 Сделать закладку на этом месте книги

История создания. В декабре 1943 г. на совместном заседании представителей NACA, ВВС, ВМС и промышленности США была предварительно определена программа исследований высоких скоростей полета с перспективой их использования для военных целей. Поскольку промышленность в то время была перегружена массовым производством военных самолетов, лишь фирма «Белл» выразила готовность приступить к проведению соответствующих исследований, с которой 30.11.1944 г. было подписано соглашение о разработке и строительстве опытного экземпляра самолета с обозначением МХ-524, а также о проведении исследований его характеристик во время полета с околозвуковой скоростью. Начатые в конце 1944 г. под руководством Р. Вудса работы были завершены в январе 1946 г. созданием первого, а несколько позднее и второго экземпляров самолета Х-1 (первоначальное обозначение было изменено на МХ-1, затем на XS-1 и окончательно Х-1).

На первом опытном образце было выполнено большое количество планирующих полетов, в которых были определены аэродинамические характеристики самолета. Не оснащенный двигателем опытный самолет стартовал с носителя, роль которого выполнял модифицированный бомбардировщик «Летающая крепость» В-29 фирмы «Боинг». При скорости 240 км/ч бомбосбрасыватель отделял Х-1 от В-29 на соответствующей высоте, после чего Х-1 добирался до аэродрома в планирующем полете. В ходе последующих исследований сбрасывание осуществлялось при всевозрастающих скоростях полета. 9 декабря 1946 г. пилотом С. Гудлином был осуществлен облет второго опытного экземпляра самолета, на котором были установлены двигатель и все необходимое оборудование. После 20 полетов с двигателем была достигнута скорость, соответствующая M = 0,8, и лишь 14.10.1947 г. была превзойдена (М = 1,05) недосягаемая до этого времени скорость звука. Это совершил пилот Ч. Егер на первом опытном экземпляре самолета.

В 1947-1948 гг. на нем было выполнено свыше 80 полетов, причем последний полет (в январе 1949 г.) был осуществлен при самостоятельном старте с половинным запасом топлива, благодаря чему разбег составлял лишь около 700 м при скорости отрыва 273 км/ч. В 1948 г. на этом экземпляре самолета была достигнута максимальная скорость 1556 км/ч на высоте 14000 м (что соответствовало M = 1,46), а в 1949 г.-максимальная высота, равная 21 383 м. В общей сложности были изготовлены три экземпляра самолета Х-1, первый из которых в 1949 г. был передан в музей, а второй (модифицированный) получил новое обозначение Х-1 ? (третий в ноябре 1951 г. сгорел в воздухе в результате аварии самолета-носителя).

В конце 1951 г. начались работы по созданию самолета Х-1 А, представляющего собой усовершенствованный вариант третьего образца самолета Х-1, который предназначался для исследований при более высоких сверхзвуковых скоростях полета. Летные испытания этого самолета были начаты в апреле 1953 года. 12 декабря пилот Ч. Егер достиг на нем максимальной скорости 2655 км/ч (М = 2,5) на высоте свыше 21000 м, а летом 1954 г.-максимальной высоты 27 450 м. Летом 1955 г. самолет Х-1А взорвался спустя 17 с после его отделения от самолета-носителя В-29. Второй экземпляр самолета Х-1 А, приспособленный для проведения исследований аэродинамического нагрева, получил обозначение Х-1 В. Исследования проводились в 1954-1958 гг., после- чего самолет был переоборудован для оценки эффективности системы трехосного струйного (реактивного) управления.







Рис. 2.1. Первые опытные образцы экспериментального одноместного самолета Х-1 с ракетным двигателем. 


Кроме вышеназванных пяти самолетов, был построен также опытный образец модификации X-1D (программа Х-1С была аннулирована до завершения разработки соответствующего варианта самолета), который взорвался 23.08.1951 г. во время своего первого полета в воздухе в момент отделения от носителя В-50 (модификация В-29). На этом закончилась наиболее дорогостоящая и рискованная (по тем временам) исследовательская программа. Тем не менее она позволила получить множество ценных данных, касающихся главным образом поведения самолета в области околозвуковых скоростей.

Описание самолета. Самолет Х-1 является среднепланом, построенным по классической схеме, с прямым трапециевидным крылом удлинения 6,0. В зависимости от модификации самолета крылья выполняются из ламинарных профилей относительной толщины: 10% (второй экземпляр Х-1 до переделки), 8% (первый и третий экземпля


убрать рекламу







ры Х-1 и Х-1 D) и 4% (Х-1 А и Х-1Е). Они оснащены закрылками и элеронами. Обшивка крыла выполнена из дюралевых листов толщиной 12,7 мм в околофюзеляжных частях и приблизительно 3,2 мм на концах. Оперение-классической схемы, с рулями высоты и направления, причем стабилизатор закреплен шарнирно и оснащен серводвигателем с винтовым домкратом, обеспечивающим изменение угла установки стабилизатора в полете. Так как самолет рассчитывался на максимальную скорость около 2720 км/ч, то основное внимание было уделено аэродинамическому проектированию фюзеляжа.

В рамках предварительных исследований проводился анализ траекторий баллистических моделей и возникающих при их движении ударных волн. Эти исследования проводились с использованием фотоснимков, полученных при испытаниях на баллистических трассах, которые дополнялись испытаниями соответствующих моделей в аэродинамической трубе. В результате было установлено, что наилучшей для корпуса сверхзвукового самолета является форма, близкая к оживальной форме снаряда. Из этих соображений кабина пилота была полностью вписана в геометрический контур фюзеляжа с использованием для этого неразъемного фонаря и расположенной с правой стороны дверцы кабины. Частые аварии и катастрофы вынудили конструкторов использовать типовой фонарь кабины с неподвижной передней и откидной остальной частью. Модифицированная защита кабины использовалась в самолетах Х-1 А, Х-1 В и Х-1Е. Трехстоечное шасси с одинарными колесами полностью убиралось в фюзеляж. Планер самолета был рассчитан на перегрузки от + 18 до – 10.

Двигательная установка. Во всех модификациях самолета использован четырехкамерный ЖРД XLR-11-RM-5 фирмы «Риэкшн моторз» тягой 26,69 кН (2722 кГ). Система управления двигателем позволяет включать в работу любое число камер (от одной до всех четырех), каждая из которых развивает максимальную тягу 6,67 кН (680,5 кГ). Топливо (спирт и жидкий кислород) находится в баках, размещенных соответственно за узлами крепления крыла и перед ними. В проекте предусматривалось, что топливо будет подаваться к двигателю с помощью насосов, однако в самолете Х-1 была применена вытеснительная система подачи, поскольку насосы с необходимыми характеристиками своевременно разработать не удалось. Вытеснительная система состояла из 12 сферических баллонов с азотом, что значительно увеличило собственную массу самолета. В целях уменьшения взлетной массы количество топлива ограничили до 2310 кг, что повлекло за собой сокращение времени работы двигателя с планировавшихся 10 до 2,5 мин. В остальных модификациях самолета (Х-1 А, …, 1Е), кроме использования топливных насосов, был удлинен фюзеляж на 1,4 м; это позволило разместить дополнительные баки, увеличить массу топлива до 2680 кг и продлить время работы двигательной установки при максимальной тяге до 4,2 мин. В целях повышения безопасности на период проведения испытаний самолета жидкий кислород был заменен раствором перекиси водорода.



Летно-технические данные






Рис. 2.2. Проекции экспериментальных самолетов Х-1 и Х-1 А. 




Рис. 2.3. Компоновочная схема экспериментального самолета Х-1. 

1-баллон с азотом; 2-кабина пилота; 3-семь баллонов с азотом; 4-бак с жидким кислородом емкостью 1200 л; 5-исследовательское оборудование; 6-ЖРД; 7-два баллона с азотом; 8-бак со спиртом емкостью 1160 л; 9-колеса главных стоек шасси; 10-баллоны с азотом; 11 -колеса передней стойки шасси. 

«Скайрокет» D-558-II фирмы «Дуглас»-одноместный экспериментальный самолет с комбинированной двигательной установкой – США, 1948 г.

 Сделать закладку на этом месте книги

История создания. Уже в 1945 г. фирма «Дуглас» начала заниматься исследованием явлений, присущих сверхзвуковым скоростям полета. На первом этапе совместно с NACA был спроектирован и изготовлен опытный самолет D-558-I «Скайстрик». Это был типичный для того времени среднеплан с прямым крылом ламинарного профиля с относительной толщиной 10%. Самолет был предназначен для исследования и измерения аэродинамических нагрузок, действующих на самолет при околозвуковом полете, поскольку измерение таких нагрузок в аэродинамической трубе оказалось в то время еще невозможным. 25.08.1947 г. на самолете D-558-I был установлен абсолютный рекорд скорости полета 1047,5 км/ч. На втором этапе исследований по заказу военно-морской авиации США был изготовлен самолет модификации D-558-II «Скайрокет». Он предназначался для исследования стреловидного крыла при сверхзвуковых скоростях и прежде всего для определения предельного числа Маха, до которого возможно применение обычных, дозвуковых профилей.

Облет первого из трех опытных образцов самолета был осуществлен 4.02.1948 г. В этом же году были начаты летные исследования, которые на начальном этапе включали определение устойчивости и управляемости самолета при околозвуковых скоростях без использования двигательной установки. На следующем этапе исследований проводились полеты в более широком диапазоне чисел Маха. Во время их проведения были собраны ценные аэродинамические данные, характеризующие, в частности, сопротивление самолета, максимальную подъемную силу, критические режимы по скорости и углам атаки, изменение устойчивости и управляемости. Были также получены сведения о распределении давления по поверхности самолета, усилиях в системе управления, распределении напряжений в конструкции, температуре обшивки, а также скорости, при которых наступает бафтинг оперения. На заключительном этапе работ один из самолетов был реконструирован для исследований влияния наружных подвесок (бомб, топливных баков и т.п.) при сверхзвуковом полете.

В процессе проведенных исследований были зарегистрированы следующие максимальные скорости и высоты полетов: в мае 1949 г. была достигнута скорость 1170 км/ч (М = 1,05) на высоте 7600 м; в августе 1951 г. была достигнута высота 20 800 м и скорость 1980 км/ч (М = 1,875); в августе 1953 г.-высота 25386, а в октябре – скорость 2040 км/ч (М = 1,96). Самолет D-558-II был первым пилотируемым летательным аппаратом, на котором 21.11.1953 г. была в два раза превзойдена скорость звука (М = 2,01, 2120 км/ч). Полученные результаты являются тем более интересными, что самолет «Скайрокет» со своим дозвуковым крылом (угол стреловидности 35°) проектировался на максимальную скорость, соответствующую M = 1,4.

Описание самолета. «Скайрокет» представляет собой среднеплан со стреловидным крылом, имеющим отрицательное поперечное V. В конструкции крыла использованы обычные дозвуковые профили с закругленным носком и относительной толщиной 10%. Угол стреловидности (по линии фокусов) составляет 35°, а удлинение крыла выбрано равным 3,57. Крыло снабжено автоматическими предкрылками и обычными элеронами с весовой балансировкой. Фюзеляж самолета полумонококовой конструкции, выполненный из сплавов алюминия, имеет диаметр 1525 мм в миделевом сечении. Горизонтальное и вертикальное оперение самолета стреловидное, классической схемы, с рулями высоты и направления. В передней части фюзеляжа размещена герметическая кабина пилота, которая в аварийных ситуациях отделяется от самолета (вместе с носовой частью фюзеляжа). В целях уменьшения сопротивления фонарь кабины на первом летном образце самолета вписывался в контур фюзеляжа. Однако при этом видимость из кабины оказалась недостаточной, вследствие чего фонарь был реконструирован в обычный (типовой), состоящий из выступающего козырька и обтекателя. Обшивка фюзеляжа выполнена преимущественно из магниевых сплавов. Трехопорное (трехстоечное) шасси убирается в фюзеляж.




Рис. 2.4. Экспериментальный самолет D-558 с работающими ракетными ускорителями в полете. 




Рис. 2.5. Модифицированный опытный образец D-558-II. 




Рис. 2.6. Проекции экспериментального самолета «Скайрокет» D-558-II. 


В целях измерения характеристик полета и состояния конструкции самолет был оснащен измерительным оборудованием общей массой 2830 кг. Кроме того, использовались специальные манометры, измеряющие давление в 400 точках поверхности крыла и оперения, а также 904 тензодатчика для измерения сил в системе управления и напряжений в элементах планера. Результаты измерений и показания приборов автоматически регистрировались осциллографом и пятью кинокамерами.

Двигательная установка. На самолете используется комбинированная двигательная установка, состоящая из турбореактивного двигателя J-34 (W24C) фирмы «Вестингауз» со статической тягой 13,34 кН (1360 кГ) и жидкостного ракетного двигателя 6000С фирмы «Риэкшн моторз» с четырьмя камерами сгорания тягой 6,67 кН каждая (полная тяга 26,67 кН примерно постоянна на всех высотах). Турбореактивный двигатель обеспечивает взлет, полет в области околозвуковых скоростей и посадку, а ракетный двигатель предназначается исключительно для увеличения тяги при проведении исследований в области сверхзвуковых скоростей в течение нескольких минут. Для достижения рекордных скоростей полета в 1951 г. на одном из этих самолетов вместо ТРД был установлен топливный бак, позволивший в два раза увеличить время работы жидкостного ракетного двигателя.

Турбореактивный двигатель располагается в средней части фюзеляжа, а ракетный-в хвостовой. Боковые воздухозаборники установлены в нижней передней части фюзеляжа, а два выхлопных сопла-в его нижней части, за задней кромкой крыла. При полете на ТРД сопла ракетного двигателя закрываются специальным конусообразным обтекателем, представляющим собой хвостовую часть фюзеляжа. Взлет самолета осуществляется с помощью двух стартовых твердотопливных ускорителей, установленных по бокам фюзеляжа и сбрасываемых после сгорания топлива. Для полета на высоте около 10 500 м в качестве носителя использовался тяжелый бомбардировщик В-29.



Летно-технические данные

Размах крыла, м 7,62

Угол стреловидности, ° 35

Длина, м 13,8

Высота, м 3,5

Площадь несущей поверхности, м2  16,26

Нормальная взлетная масса, кг 9000

Удельная нагрузка на крыло, кг/м2  553

Отношение массы самолета к тяге, кг/даН

– без ракетного двигателя 6,73

– с ракетным двигателем 2,24

Максимальное число Маха 2,01

Максимальная скорость, км/ч 2120

Посадочная скорость, км/ч 240

Потолок, м 25386

Х-3 фирмы «Дуглас»-одноместный экспериментальный самолет с турбореактивным двигателем-США, 1952 г.

 Сделать закладку на этом месте книги


Рис. 2.7. Экспериментальный самолет Х-3. 


История создания. Заключенный в 1947 г. фирмой «Дуглас» контракт предусматривал проектирование и строительство самолета для исследований свойств трапециевидных крыльев с малым удлинением и аэродинамического нагрева при полетах со скоростями ? = 2,0-^3,0. Работы по созданию самолета, обозначенного Х-3, продолжались пять лет. За это время фирма исследовала свыше 60 вариантов различных аэродинамических и компоновочных схем самолета и все доступные типы двигательных установок, включая и комбинированные. В своем выборе специалисты остановились на классической схеме планера и двигательной установке, состоящей из двух разработанных к этому времени турбореактивных двигателей J46 фирмы «Вестингауз» с тягой 31,14-37,75 кН. В период создания опытного образца самолета был увеличен диаметр двигателей, и они оказались непригодными для самолета, что привело к необходимости использования двигателей примерно в два раза меньшей тяги. Это не могло не сказаться на характеристиках Х-3, который превратился в самолет, едва достигающий околозвуковой скорости, и был пригоден только для исследования вибраций типа бафтинга. С самолетом Х-3 ВВС США связывали большие надежды, так как считалось, что он должен сыграть важную роль в повышении боевой мощи авиации противовоздушной обороны. Исходя из этих соображений, все данные, касающиеся этого самолета, вначале были тщательно засекречены. После же получения неудовлетворительных результатов испытаний их вообще не стали публиковать.

Создание опытного образца самолета было закончено в ноябре 1951 г. Однако вследствие замены двигательной установки и связанных с ней модификаций конструкции первый полет самолета был совершен 20 октября 1952 г. Испытания проводились до конца 1956 г. В одном из полетов была достигнута максимальная скорость, соответствующая M = 1,25. В процессе проведения исследований выяснилось, что из-за низкой тяговооруженности, большой удельной нагрузки на крыло и высоких скоростей взлета и приземления самолет является небезопасным в эксплуатации, особенно во время взлета и посадки.

Описание самолета. Х-3 представляет собой выполненный по классической схеме среднеплан с прямым трапециевидным крылом, изготовленным с применением ромбовидных профилей относительной толщины около 3% (максимальная толщина расположена на 2/3 хорды).

Крыло оснащено носовыми щитками, элеронами и щелевыми закрылками с внешними узлами навески, размещенными в удлиненных подкрыльевых обтекателях. Благодаря тому что фюзеляж имеет вытянутую переднюю часть, почти треугольное поперечное сечение и балочное завершение, самолету Х-3 было дано прозвище «летающая авторучка». Кабина пилота вписана в геометрический контур средней части фюзеляжа и оснащена ветрозащитным козырьком треугольного сечения, выполненным из двух пластин органического стекла. Кресло пилота (смещенное назад и влево от оси симметрии) в случае аварии катапультируется вниз; оно оборудовано двумя стабилизаторами и автоматом, отделяющим пилота от кресла на высоте 3400 м. При покидании самолета на меньших высотах отделение пилота от кресла происходит по истечении 3 с после катапультирования. Поскольку при расчетной скорости полета (3 М) может произойти значительное повышение температуры конструкции, возникла необходимость использования в кабине кондиционера с водяным испарителем, а также искусственного охлаждения передней части фюзеляжа с помощью принудительной циркуляции топлива под обшивкой. Хвостовое оперение-симметричное, нормальной схемы с управляемым стабилизатором и рулем направления. Управление осуществляется с помощью необратимого гидропривода. Трехопорное шасси с одинарными колесами полностью убирается в фюзеляж.




Рис. 2.8. Проекции экспериментального самолета Х-3. 


Самолет Х-3, проектировавшийся как летающая аэродинамическая лаборатория, был оснащен разнообразной контрольно-измерительной и регистрирующей аппаратурой общей массой около 550 кг. Давления измерялись в 850 точках поверхности самолета, механические напряжения-в 185 точках, а температура – в 150 точках.

Двигательная установка. Два турбореактивных двигателя J34-WE-17 фирмы «Вестингауз» тягой 18,63 кН (1900 кГ) каждый с форсажной камерой размещены в средней части фюзеляжа рядом в горизонтальной плоскости. Между двигателя

ми расположен топливный бак. Боковые нерегулируемые воздухозаборники плоско-овального сечения находятся в верхней части фюзеляжа, непосредственно за кабиной пилота. Воздухозаборники имеют щели для отвода пограничного слоя с поверхности фюзеляжа. Сопла двигателей, также регулируемые, расположены в конце средней части фюзеляжа, под балочным кронштейном крепления оперения.



Летно-технические данные

Размах крыла, м 6,91

Длина, м 21,78

Высота, м 3,80

Площадь несущей поверхности, м2  15,25

Масса пустого самолета, кг 6 800

Взлетная масса (ном./макс.), кг 12250/13600

Удельная нагрузка на крыло (ном./макс.), кг/м 2 803/892

Отношение массы самолета (ном./макс.) к тяге при форсировании, кг/даН 2,28/3,65

Максимальное число Маха 1,25

Посадочная скорость, км/ч 320-350

МиГ-19-одноместный многоцелевой истребитель конструкции А. И. Микояна-СССР, 1952 г.

 Сделать закладку на этом месте книги


Рис. 2.9. Истребитель-перехватчик МиГ-19П польских ВВС. 


История создания. В конце 1950-начале 1951 гг. конструкторские бюро А. И. Микояна, А. С. Яковлева и С. А. Лавочкина приступили к разработке всепогодных сверхзвуковых истребителей, способных выполнять боевые задачи в любое время суток. Первое бюро предложило проект И-360 (СМ-2), второе-Як-25, а третье JIa-200. Прототипом первого из них был И-350 (М), разработка которого началась в 1948 г. Это был однодвигательный (ТР-ЗА) самолет с углом стреловидности крыла 55°. Первый полет самолета был осуществлен 16.06.1951 г. В июле 1951 г. было принято решение о серийном производстве самолетов И-360 и Як-25, которые вместе с бомбардировщиком Ту-16 конструкции А. Н. Туполева в 50-х годах представляли собой основу боевой мощи советской военной авиации.

В самолете И-360 (СМ-2), который при серийном производстве получил обозначение МиГ-19, используются два двигателя А М-25 конструкции А. А. Микулина. В первом полете, осуществленном 27.05.1952 г., была развита скорость, соответствующая ? = 1,1. Использование модифицированных двигателей АМ-5Ф позволило повысить полетное число Маха до 1,4. Во время опытных полетов, выполнявшихся в 1953-1954 гг., была достигнута максимальная скорость 1650 км/ч при динамическом потолке около 20 000 м. Применение в последующем ракетного ускорителя позволило достичь скорости 1930 км/ч и потолка 24 000 м. Облет предсерийного самолета СМ-9 был совершен 5.01.1954 г., а 3.07.1955 г. самолет впервые был показан на воздушном параде в Тушино.

Кроме СССР, МиГ-19 был принят на вооружение военной авиацией Польши, Чехословакии, Венгрии, Болгарии, Кубы, КНР. Производство этого самолета было налажено также в Чехословакии (под обозначением S-105) и в Китайской Народной Республике («Сенянь» F-6). Были разработаны и выпускались следующие модификации самолета:

– фронтовые истребители МиГ-19, МиГ-19С (получивший наиболее широкое распространение) и МиГ-19Ф;

– перехватчик МиГ-19П (способный действовать ночью и в неблагоприятных атмосферных условиях), МиГ-19ПМ и МиГ-19ПФ; -разведчик МиГ-19Р;

– опытные СМ-10 (с оборудованием для дозаправки топливом в полете), СМ-30 (нулевой старт с катапульты), СМ-12П (со сверхзвуковым воздухозаборником) и СМ-50 (с ракетными ускорителями).




Рис. 2.10. Компоновочная схема многоцелевого истребителя МиГ-19. 


Разные модификации серийных самолетов отличались друг от друга применявшимися двигателями, вооружением и оборудованием, формой воздухозаборника, конструкцией фонаря кабины и горизонтальным оперением.

Указанные технические изменения, введенные в различные модификации самолета, позволяли добиться улучшения тех характеристик, которые для данной модификации являлись основополагающими. Так, использование дополнительного ЖРД на одной из модификаций истребителя-перехватчика позволило значительно увеличить скороподъемность и потолок самолета. В 1958 г. на этом самолете были достигнуты скорость 1720 км/ч и высота 17 400 м. Впоследствии жидкостный ракетный двигатель как менее удобный в эксплуатации был заменен твердотопливным с тягой 32 кН. Запуск двигателя мог быть осуществлен на любой высоте и скорости полета. Это позволило увеличить максимальную скорость до 1800 км/ч, а время подъема на высоту 20 000 м сократить до 8 мин. Для обеспечения нормальных условий работы пилота, особенно при повышенных скоростях полета, на самолетах использовались турбохо- лодильники, осуществляющие кондиционирование воздуха в кабине. В процессе доработки самолета для улучшения аэродинамических характеристик была увеличена до 58° стреловидность крыла и уменьшена его относительная толщина. С целью облегчения управления самолетом по тангажу и для выбора оптимальных углов поворота управляемого стабилизатора на различных скоростях полета в канале тангажа был установлен автомат регулировки управления.




Рис. 2.11. Истребитель МиГ-19С. 


Эффективность истребителей-перехватчиков зависит не только от их летных характеристик и огневой мощи, но и во многом от внезапности, с которой они атакуют противника. Таким самолетом, неожиданно появляющимся перед неприятелем вдали от аэродромов, должен был стать истребитель-перехватчик безаэродромного взлета СМ-30. В 1956 г. после продолжительных работ по совершенствованию конструкции и аэродинамики самолета, а также его двигательной установки был осуществлен первый беспилотный старт самолета, для которого использовались передвижная катапульта и стартовый 400-кг пороховой ускоритель. Старт происходил при работающих в форсированном режиме основных двигателях. Позднее с модернизированной катапульты на этом самолете совершали полеты летчики-испытатели Шиянов Г. М., Иванов В. Г., будущий космонавт Береговой Г. Т. и другие.

Проведенные испытания показали перспективность использования такого самолета для нужд обороны и подтвердили безопасность воздействия перегрузок на организм летчика в момент старта. Однако ввиду нерешенной проблемы посадки самолета и появления в этот период времени высокоэффективных мобильных ракет класса земля-воздух дальнейшие работы над модификацией СМ-30 были прекращены.




Рис. 2.12. Проекции многоцелевого истребителя МиГ-19. 


Описание самолета. МиГ-19 представляет собой построенный по классической схеме среднеплан со стреловидным крылом (55° по передней кромке), оснащенным закрылками, элеронами, интерцепторами и аэродинамическими гребнями. Профиль крыла имеет относительную толщину 8,73% в корневом сечении и 8% на концах. Закрылки с перемещаемой осью вращения (типа ЦАГИ) расположены в околофюзеляжных частях крыла; во время работы они выдвигаются назад приблизительно на 40% хорды.

В системе поперечного управления использованы элероны с внутренней аэродинамической компенсацией, а также интерцепторы, расположенные на нижней поверхности консолей крыла.

Интерцепторы взаимодействуют с элеронами таким образом, что при отклонении элерона вниз на этом же полукрыле выдвигается интерцептор. Вертикальное оперение – классическое, стреловидное, с рулем направления постоянной толщины. В опытных и первых серийных самолетах применялось классическое горизонтальное оперение, располагавшееся на киле, по аналогии с самолетами МиГ-15 и МиГ-17. Малая эффективность такого оперения при сверхзвуковых скоростях заставила разместить (начиная с модификации МиГ-19С) стабилизатор на фюзеляже и сделать его управляемым. В системе рулевого управления применены гидроусилители, питаемые от отдельной установки.

Вследствие использования в самолете двух- двигательной силовой установки его фюзеляж имеет в передней части круглое поперечное сечение, а в хвостовой овальное с уменьшающейся боковой поверхностью.

В целях повышения путевой устойчивости была увеличена площадь вертикального оперения за счет устройства килевого гребня, а также применения подфюзеляжного киля. Кабина пилота имеет стационарное переднее остекление и подвижной фонарь. В первых модификациях самолета использовался неразъемный, перемещаемый продольно фонарь; в последних же нашли применение фонари со стационарной задней и отодвигаемой в сторону передней частью.

Начиная с модификации МиГ-19С, в самолетах используются катапультируемые сидения с телескопическим выбрасывающим механизмом, обеспечивающим более безопасное покидание самолета при больших скоростях полета. Шасси трехстоечное с одинарными колесами. Передняя стойка убирается в носовую часть, главные стойки-в ниши крыла. Самолет (начиная с модификации С) оснащен трехсекционными тормозными щитками и тормозным парашютом, который располагается в отсеке нижней хвостовой части фюзеляжа.

Двигательная установка. В самолете использована система двух двигателей небольшого диаметра, расположенных в горизонтальной плоскости. На опытных экземплярах самолета применялись двигатели АМ-5 и АМ-5Ф, а в самолетах серийного производства – турбореактивные двигатели РД-9Б тягой 25,99 кН (2650 кГ) без форсирования и 31,87 кН (3250 кГ) с форсированием. Внутреняя топливная система (фюзеляжные и крыльевые баки) может быть дополнена двумя баками, подвешиваемыми под крылом. Воздухозаборник-центральный, нерегулируемый, с перегородкой, делящей входной канал на две части. Для обеспечения способности самолета в модификации МиГ-19П выполнять благодаря использованию бортовой РЛС ночные полеты в неблагоприятных атмосферных условиях оказалось необходимым переделать переднюю часть фюзеляжа. Эта переделка прежде всего коснулась воздухозаборника, где была помещена антенна. Поэтому пришлось изменить контур кромки заборника, выдвинув ее верхнюю часть вперед, а в перегородке разместить конусообразный обтекатель антенны.

Вооружение. Стационарное вооружение самолета состоит из трех (МиГ-19С) или двух (МиГ-19П) пушек НР-30 (калибр 30 мм), размещенных в околофюзеляжных частях крыла (с зарядными лентами, уложенными вдоль передней кромки), а также в перегородке воздухозаборника (самолет МиГ-19ПМ не имел стрелкового оружия). Самолет оснащен четырьмя подкрыль- евыми пилонами, на которых крепятся ракеты, бомбы и контейнеры со снарядами.



Летно-технические данные МиГ-19С

Размах крыла, м 9,2

Длина, м 12,6

Высота, м 3,88

Площадь несущей поверхности, м2  25,0

Масса пустого самолета, кг 5172

Взлетная масса (ном./макс.), кг7500/8500

Удельная нагрузка на крыло (ном./макс.), кг/м2  300/340

Отношение массы самолета (ном./макс.) к тяге при форсировании, кг/даН 1,17/1,34

Максимальная скорость на высоте 10000 м, км/ч 1450

Полетная скорость с грузом на наружных подвесках, км/ч 950

Взлетная скорость, м/с 120

Максимальный потолок, м 18 700

Радиус действия (ном./макс.), км 1390/1800

«Тридан» фирмы SNCASO – одноместный истребитель-перехватчик- Франция, 1953 г.

 Сделать закладку на этом месте книги


Рис. 2.13. Истребитель-перехватчик «Тридан» I. 


История создания. В начале 50-х годов французская промышленность приступила к созданию серии легких истребителей различных аэродинамических схем с прямыми, стреловидными и треугольными крыльями, с реактивными двигателями различных типов (газотурбинными, ракетными и т.п.), в том числе с комбинированными двигательными установками. Первым из этой серии был опробован самолет «Тридан», а впоследствии и самолеты «Жерфо», «Гриффон» фирмы «Нор», «Мираж» фирмы «Дассо», «Дюрандаль» фирмы «Сюд-Уэст» и 022 фирмы «Ледюк». Свои первые работы над самолетом-перехватчиком с большой скороподъемностью фирма SNCASO (Национальное авиационное промышленное объединение «Сюд- Уэст») начала в 1948 г. Результатом разработок явился самолет S.0.9000 «Тридан» (названный впоследствии «Тридан» I) с комбинированной (турборакетной) двигательной установкой, на котором 2 марта 1953 г. совершен пробный полет. В декабре 1955 г. самолет достиг скорости, соответствующей M = 1,7.

На основе результатов летных испытаний двух опытных образцов в 1954 г. были заказаны два других экземпляра усовершенствованной конструкции S.0.9050 «Тридан» II. Испытание первого из них (с турбореактивным двигателем) прошло 17 июля 1955 г., а 21 декабря начались полеты самолета и с ракетным двигателем. В 1955 г. фирма получила заказ на изготовление 6 самолетов для эксплуатационных испытаний (облет первого из них состоялся 3.05.1957 г.). Во время полетов была достигнута расчетная скорость (в горизонтальном полете равная ~ 2000 км/ч), а также установлено несколько мировых рекордов по скороподъемности и высоте. В процессе летных испытаний произошли две катастрофы (в 1956 г.-во время посадки, а в 1957 г.-во время взлета), которые, по всей вероятности, повлияли на то, что в серийное производс


убрать рекламу







тво был принят самолет «Мираж», хотя предполагалось, что «Тридан» II станет основным типом истребителя-перехватчика в системе воздушной обороны стран Западной Европы.

Описание самолета. «Тридан» I представляет собой построенный по классической схеме средне- план с прямым крылом малого удлинения, оснащенным элеронами (размах 0,8 м, хорда 0,6 м) и закрылками. Профиль крыла имеет постоянную хорду 2,4 м и относительную толщину 4%. Элероны включены в систему управления параллельно с дифференциальным стабилизатором. При испытаниях было отмечено, что поперечная управляемость самолета лучше расчетной. Поэтому уже во время их проведения было уменьшено передаточное отношение с целью уменьшения отклонения элеронов на 1/3, а затем на 2/3. В конце концов элероны были сделаны неподвижными. Поэтому крыло самолета «Тридан» II оснащено только закрылками, расположенными по всему размаху, так что поперечное и продольное управление обеспечивается работой дифференциального горизонтального оперения, имеющего отрицательный угол поперечного V 12°. Другой характерной особенностью самолета «Тридан» является наличие поворотного киля, причем все три плоскости хвостового оперения с точки зрения конструкции и размеров совершенно идентичны (все они имеют оси поворота, расположенные на 1/3 хорды от носка) и взаимозаменяемы. Привод органов управления выполнен по необратимой схеме.

В фюзеляже веретенообразной формы с конической передней частью находятся кабина пилота, топливные баки, ракетный двигатель. В самолете «Тридан» I была применена негерметичная кабина (пилот для полета надевал специальный комбинезон), представляющая собой одно целое с конической передней частью фюзеляжа, которая в аварийных ситуациях могла отделяться от самолета и стабилизироваться специальным парашютом. Такое стабилизированное падение должно было продолжаться до определенной высоты, на которой открывался основной парашют. Удар в момент приземления должен был амортизироваться вонзающимся в землю остроконечным носом фюзеляжа. В отличие от этой системы на самолете «Тридан» II применены герметичная кабина и катапультируемое сидение. Расположенные в средней части фюзеляжа баки горючего и окислителя закреплены таким образом, что в случае аварийной ситуации во избежание взрыва они также катапультируются. Трехстоечное шасси с одинарными колесами полностью убирается вперед, в фюзеляж. Шасси обеспечивает использование самолетом неподготовленных аэродромов с травяным покрытием. Фюзеляж самолета имеет полумонококовую конструкцию, а консоли крыла и оперение выполнены по двухлонжеронной схеме. В самолете широко используются клееные конструкции (особенно при изготовлении многослойной обшивки).




Рис. 2.14. Носовая часть фюзеляжа истребителя «Тридан» II. 




Рис. 1.15. Проекции истребителя «Тридан» II S.0.9050. 


Двигательная установка. Силовая установка комбинированного типа состоит из двух турбореактивных двигателей, размещенных в гондолах на концах крыла, и ракетного двигателя, установленного в хвостовой части фюзеляжа. Ракетный двигатель может работать с различным числом включенных камер и является основным в двигательной установке, тогда как выполняющие вспомогательную функцию турбореактивные двигатели облегчают старт и подъем, обеспечивают полет на малых скоростях, посадку и т.п. Применение форсажных камер в турбореактивных двигателях резко изменило ситуацию. В результате ЖРД стал выполнять функции вспомогательного двигателя, обеспечивающего необходимую тягу во время подъема и максимальную скорость в горизонтальном полете. На опытных образцах самолета «Тридан» I устанавливались турбореактивные двигатели без форсажных камер фирмы «Тюрбомека» «Марбор» II тягой 3,92 кН (400 кГ) и трехкамерный ракетный двигатель SEPR 251 с максимальной тягой 3912,26 кН (3750 кГ) и временем работы до 4,5 мин. В самолетах «Тридан» II были применены турбореактивные двигатели с форсажными камерами-сначала «Вайпер» (MD.30) фирмы «Армстронг сиддли» тягой 7,35 кН (750 кГ), а затем (начиная с четвертого летного образца) «Габизо» фирмы «Тюрбомека» тягой 10,79 кН (1100 кГ) без форсирования и 14,71 кН (1500 кГ) с форсированием, а также двухкамерный ракетный двигатель SEPR 631 с максимальной тягой 29,42 кН (3000 кГ). Таким образом, «Тридан» II стал первым самолетом, у которого значение тяги в момент старта превышало взлетный вес.



Летно-технические данные «Тридан» I «Тридан» II

Размах крыла, м 8,15 6,86

Длина, м 14,0 12,95

Высота, м 3,13 3,13

Площадь несущей поверхности, м2  9,2 14,5

Масса пустого самолета, кг – 2625

Нормальная взлетная масса, кг 5000 5150

Масса самолета при посадке, кг 3000 -

Масса топлива во внутренних баках, кг 2265 –

Номинальная удельная нагрузка на крыло, кг/м2  543 355

Удельная нагрузка на крыло при посадке, кг/м2  – 207

Номинальное отношение массы самолета к тяге при форсировании, кг/даН 1,12 0,88

Максимальное число Маха 1,7 2,0

Максимальная скорость полета, км/ч – 2000

Посадочная скорость, км/ч – 180

Вертикальная скорость, м/с – 100

Время подъема на высоту 15 000 м, мин – 2,5

Потолок (практ./ /макс.), м …/18000 18 000/(22000- 25000)

Длина разбега, м – 500

Длина пробега, м – 500

Х-2 фирмы «Белл» – одноместный экспериментальный самолет с ракетным двигателем-США, 1953 г.

 Сделать закладку на этом месте книги


Рис. 2.16. Экспериментальный самолет Х-2. 


История создания. После проведения первой серии испытаний самолетов Х-1 фирма «Белл» совместно с Национальным координационным комитетом по авиации NACA и ВВС США приступила в 1949 г. к проектированию самолета для исследования аэродинамических и термодинамических явлений при полетах с ? 3. При этом предполагалось, что по мере совершенствования самолета он сможет достигать высоты в диапазоне 30-60 км, когда во второй половине полета тяга двигателя будет больше веса самолета. Первый опытный образец Х-2 был построен в 1952 г., и после выполнения нескольких планирующих полетов в 1953 г. (носителем являлся самолет «Боинг» В-50) был осуществлен его облет с работающим двигателем. Однако 12 мая 1953 г. во время заправки топливных баков опытного самолета в воздухе, когда Х-2 находился еще в бомбоотсеке В-50, произошел взрыв (погибли два члена экипажа самолета-носителя, подготавливавшие Х-2 к самостоятельному полету), самолет вспыхнул и сгорел в воздухе. Эта катастрофа прервала исследования до конца 1955 г.

Второй экземпляр самолета был построен лишь в 1955 г., и его облет с работающим двигателем состоялся в ноябре. Позже, 25.07.1956 г., была достигнута рекордная скорость в горизонтальном полете 3360 км/ч, а в начале сентября 1956 г.-высота 38 430 м. Второй опытный образец постигла участь первого: 27.09.1956 г. произошла катастрофа, причины которой так и не удалось установить. Описание самолета. Х-2 представляет собой моноплан классической схемы с низкорасположенным стреловидным ( ~ 40°) крылом, имеющим острую переднюю кромку. Крыло оснащено носовыми щитками, расположенными приблизительно на 2/5 длины передней кромки, а также обычными элеронами, снабженными триммерами. Стабилизатор – стреловидный, управляемый, а киль-прямой, с рулем направления. Фюзеляж (длиной около 12 м) в центральной части имеет форму, близкую к цилиндрической, а передняя и хвостовая части-конусообразную. На верхней и нижней поверхностях фюзеляжа находятся два больших продольных обтекателя, которые закрывают коммуникации и оборудование системы управления, а также выпускаемую во время приземления лыжу (в первом опытном образце). Крыло и оперение выполнены из нержавеющей стали, а фюзеляж- из легированной молибдено-никелевой стали. Поскольку Х-2 стартует в воздухе с оборудованного соответствующим образом бомбардировщика «Боинг» В-50, шасси Х-2 предназначено лишь для посадки и рассчитано на небольшие нагрузки. У первого экземпляра самолета шасси состояло из одноколесной передней стойки и лыжи, выполняющей роль колеса главного шасси. Во втором опытном экземпляре использовались уже две лыжи, которые при необходимости убирались в крыло.

Предназначение самолета для полетов на больших скоростях и высотах потребовало разработки безотказного и безопасного способа катапультирования пилота в случае аварии. В своем выборе конструкторы остановились на варианте отделения всей кабины от самолета. Кабина имела теплоизоляционное покрытие и стационарное переднее остекление, состоящее из двух стекол. Стекла не только сохраняли свои свойства до температуры 540°С, но и поглощали инфракрасные лучи.




Рис. 2.17. Проекции экспериментального самолета Х-2. 


В целях уменьшения солнечного нагрева конструкции и увеличения интенсивности тепло- отвода в окружающую среду самолет покрашен в белый цвет.

Двигательная установка. В самолете использован восьмикамерный ракетный двигатель XLR-25CW фирмы «Кёртисс-Райт» с максимальной тягой – 71,10 кН (7250 кГ). Двигатель был оснащен насосами для подачи топлива (этиловый спирт и жидкий кислород), а также оборудованием для запуска, выключения и регулирования тяги двигателя во время полета. Емкость топливных баков обеспечивала работу двигателя в течение 2,3-6,0 мин.



Летно-технические данные

Размах крыла, м 9,76

Длина, м 13,40

Высота, м 4,13

Площадь несущей поверхности, м2  24,30

Масса пустого самолета, кг 7300-8200

Взлетная масса, кг 13000

Удельная нагрузка на крыло, кг/м2  535

Отношение массы самолета к тяге, кг/даН 1,84

Максимальное число Маха 3

Максимальная скорость, км/ч 3360

Потолок, м 38430

«Супер-Сейбр» F-100 фирмы «Норт Америкен» – одноместный истребитель-бомбардировщик-США, 1953 г.