Путь к новым самолетам вертикального взлета тернист, но проходим
К концу XX века в мире сформировались три аэрокосмических центра, обладающих замкнутой цепью проектирования, производства и эксплуатации, – в США, объединенной Европе и СССР. Глобальные сдвиги, произошедшие в противостоянии Востока и Запада, привели к изменению доктрин США и СССР. Россия как правопреемница всей авиакосмической отрасли оказалась в очень сложной ситуации.
Стоимость единицы продукции, а тем более программы разработки самолета превышает возможности одного государства, что обуславливают необходимость создания на единой платформе и многофункциональных, и узкоспециализированных комплексов. Сложившаяся после Второй мировой научная школа уже в процессе холодной войны претерпевала трансформацию. Окончание холодной войны стало предпосылкой к кризису. Типаж вертолетов и самолетов сократился, и дать каждому КБ возможность развития самостоятельной базы для создания как линейки машин, так и отдельных самолетов не было ни политической, ни экономической возможности.
Вертикализация авиапрома
Параллельно на Западе капитал концентрировался вокруг наукоемкого производства. Современные достижения в области аддитивных технологий, порошковой металлургии, получения новых конструкционных материалов, микроэлектроники, прикладных информационных решений, радио- и оптоэлектроники требовали значительных инвестиций. Процесс интеграции начался с предприятий, а продолжился десятками стран. В результате, например, в США в авиастроении остались фактически две фирмы: "Боинг", поглотивший "Рокуэл", "Макдоннелл Дуглас" и ряд мелких, и "Локхид Мартин", который объединился с "Мартин-Мариэттой", "Дженерал Дайнемикс" и работает в партнерстве с "Нортроп", куда влились "Грумман" и другие. Это иллюстрирует, как в США шла вертикальная интеграция американских фирм в единые концерны, когда в основу положен конечный продукт. Например, на "Боинге" не только проектировали и выпускали магистральные самолеты, но и обеспечивали их послепродажное обслуживание, обучение технического и летного состава, ремонт.
“Успешными были страницы отечественной авиации, когда мы не копировали технику, идя по немецкому или американскому следу, а торили свой путь”
Эти структуры можно представить в виде вертикальных пирамид, формирующихся по принципу единого силового каркаса. Периферийное наполнение на каждом технологическом уровне обеспечивают как структуры, входящие в вертикаль, так малые и средние фирмы, ориентированные на узкие, но достаточно наукоемкие технологии. Характерным признаком явилась интеграция фирм, работающих в сфере космоса, радиоэлектроники, вооружения. Параллельно шел процесс сращивания военной и гражданской промышленности. Пирамиды, его характеризующие, в своих основаниях уже давно взаимно пересекались, а в начале XXI века произошло объединение и вершин, замкнутых в единые технологические цепочки. В Европе объединение построено в форме межгосударственных холдингов с горизонтальной интеграцией, в основу которой положен технологический процесс. Отсутствие единой вертикали обусловлено страновым и экономическим факторами. По сути множество более слабых национальных пирамид, дезинтегрированных по вертикали, объединены в мощные единые горизонтальные пласты.
В СССР единая централизованная система оказалась гипертрофированной. Выстроенные вертикали по проектированию еще хоть как-то пересекались с производством. Вертикаль эксплуатации была своя, производства – тоже. Не только авиация и космонавтика шли собственными путями, но и самолетостроение и вертолетостроение развивались независимо. В целом обладая почти полным спектром сегментов аэрокосмической промышленности, в настоящее время в России – разрозненные технологические цепочки, большинство из которых остановились в развитии на уровне середины прошлого века.
В истории отечественного авиастроения были яркие, признанные всем миром успехи. Например, создание дальней стратегической авиации в триаде Ту-95, Ту-22М3 и Ту-160, Илов для ВИА или семейства истребителей МиГ и Су. Успешными были страницы, когда мы не копировали авиатехнику, идя по немецкому или американскому следу, а торили свой путь (например МиГ-21 в западных учебниках описывается как схема "Микояна", а Бе-12 назван русским словом "Чайка"). Но на поиск надо тратить больше людских и материальных ресурсов. А в истории нашей страны такие исторические промежутки, когда мы могли себе это позволить, можно по пальцам перечесть.
Как распорядиться потенциалом
Одна из ярких, но, к сожалению, недопонятых страниц отечественного авиастроения – создание самолетов вертикального взлета и посадки (СВВП). Робкие попытки (на примере Як-36, Як-38 и Як-141) натыкались на технологическое отставание. Идея вертикального взлета будоражила умы авиаторов с первых дней рождения авиации, но цена была велика, а отдача минимальна.
Есть задачи, которые, кроме СВВП, никакая техника больше решить не может. Например, объектовая ПВО. Для охраны сухогрузов при транспортировке обогащенной урановой руды из ЮАР в США используется АУГ. А можно в контейнере на сухогрузе базировать пару СВВП – их будет вполне достаточно для перехвата стратегического бомбардировщика над акваторией до пуска ракеты "воздух-поверхность".
Успехи вертолето- и самолетостроения похоронили несколько концепций других конструкций, например дирижаблей, гидроавиации, автожиров. После бурного рассвета эти направления увядали, оставались одиночные, скорее экзотические экземпляры.
Идея вертикального взлета и посадки заставляет нас все чаще обращаться к тем наработкам отечественного и зарубежного авиапрома, которые дают научно-экспериментальную базу и опытно-технологический задел для создания ЛА, обладающих качественно лучшими взлетно-посадочными характеристиками.
Диалектика развития схем связана с увеличением удельной мощности силовых установок, следовательно, газодинамической мощности струи из двигателя. Так, тяговоруженность современных истребителей и без вертикального взлета давно превысила единицу. Это означает, что надо разумно распорядиться высоким тяговым потенциалом и на взлетно-посадочных режимах.
Используя матрично-топологический подход, можно предположить, что по мере совершенствования энергетических силовых установок ЛА и далее будут происходить попытки реализации концепции вертикального взлета и посадки. Почему? Все просто: в авиационном комплексе самое уязвимое место – авиабаза и ее основной элемент – ВПП. Это критично для ВВС. А проблему в виде аэропорта в центре города, когда жилые кварталы соседствуют с авиационной инфраструктурой, а над головами у изумленной публики идут на посадку огромные магистральные лайнеры, знают не понаслышке жители Парижа и Лондона, Берлина и Нью-Дели, да и у нас все подмосковные аэропорты ("Шереметьево", "Домодедово", "Внуково", "Жуковский") в ближнем пригороде, среди плотной дачной застройки.
Практика эксплуатации военных самолетов показывает широкое многообразие условий базирования. Для примера рассмотрим условия базирования тактической авиации.
Если говорить о палубной авиации, то имеются следующие подклассы авианесущих кораблей: многоцелевые атомные авианосцы, авианосцы, противолодочные авианосцы, легкие авианосцы, ракетные крейсера-вертолетоносцы и вертолетоносцы. Однако не вдаваясь в подробности тактического назначения авианосцев, можно выделить три характерные группы авианесущих кораблей. Характеристическим признаком в этой ситуации служит тип самолета, а точнее – требования по длине ВПП, предъявляемые к данному типу самолетов.
Длина ВПП и оснащенность палубы устройствами, необходимыми для ее сокращения, практически однозначно характеризуют размерность авианесущего судна. В качестве примера рассмотрим деление авианесущих кораблей в зависимости от располагаемой длины ВПП.
Легкие авианосцы типа "Москва" и "Ленинград" (СССР) "Жанна д'Арк" (Франция), "Андреа Дориа" (Италия) и др., часто называемые в литературе крейсерами-вертолетоносцами, предназначены для базирования вертолетов и СВВП и выполняют функции ПЛО, а также поддержки высадки десанта и выброса его передового отряда. Они не имеют сплошной, по всей длине корабля, полетной палубы, а оборудованы специально подготовленными площадками или установками, размеры которых соизмеримы с габаритами самого летательного аппарата. В большей части их водооизмещение – менее 13 тысяч тонн.
Средние авианосцы – "Адмирал Флота Н. Г. Кузнецов" (Россия), "Баку" и "Киев" (СССР), "Инвинсибл" (Вликобритания), "Принц Астурийский" (Испания), "Вираат" (Индия) предназначены для решения специфических ударных задач обеспечения ПВО, ПЛО соединений кораблей и конвоев. На них базируются легкие штурмовики и истребители взлетной массой до 20 тонн. Эти авианосцы не имеют специального оборудования палубы и поэтому самолеты, которые базируются на них, называют СВ/УВП – самолеты вертикального-ультракороткого взлета и посадки. Иногда палубы оборудованы трамплинами и аэрофинишерами. Водоизмещение этих кораблей в среднем колеблется в пределах от 13 000 до 35 000 тонн.
Тяжелые авианосцы – "Дж. Кенеди"(США), "Нимитц", "Энтерпрайз", "Китти Хоук" и другие – это, как правило, многоцелевые авианесущие корабли с атомной силовой установкой. Для них характерно базирование тяжелых штурмовиков взлетной массой до 40 тонн ("Дуглас А-3D"). Известен случай, когда в 1963 заправщик "Локхид" КС-130F "Геркулес" с взлетной массой 54 430 килограммов без помощи катапульты взлетел с палубы авианосца "Форрестол" (США). Обеспечение базирования самолетов, выполняющих ударные операции, требует соответствующего авиатехнического оборудования: длинной и широкой (более двух стартовых позиций) полетной палубы (более 300 м), вместительного ангара, катапультных установок, вместительных лифтов-самолетоподъемников. В целом это признаки кораблей с водоизмещением не менее 70 тысяч тонн. На них базируются самолеты короткого взлета и посадки (СКВП).
Дальнейшее наращивание размерности авианосцев с целью увеличения длины и несущей способности полетной палубы затруднено из технологических соображений, поэтому при других условиях необходимо сухопутное базирование (СОВП-самолеты обычного взлета и посадки). Сухопутное базирование не исключает использование коротких ВПП, однако ограничения при этом во многом схожи с "палубными".
С уменьшением размеров мест базирования эффективность авиационных средств возрастает. Это важно как для военной, так и гражданской техники.
Синтез новых схем самолета – результат разрешения диалектических противоречий. Поиск здесь – это прежде всего глубокий анализ преимуществ и недостатков известных альтернативных вариантов и синтез на их базе прорывного технического решения, являющегося результатом выполнения поставленной задачи на новом уровне (витке диалектической спирали).
Диалектика взлета
На начальном этапе синтеза проводится формирование характеристических матриц альтернативных схемных решений для удовлетворения каждого требования. Характеристическая матрица каждого решения состоит из двух типов столбцов. Элементы первого типа – семантические выражения, характеризующие положительные и отрицательные качества решения, а второго – нормированные оценки этих качеств (например в диапазоне от –1 до +1). Записи в строках парного характера. Нормированные оценки могут быть сверткой экспертных заключений либо обработкой данных статистики по известным образцам авиатехники.
На втором этапе из альтернативных схем выбираются диалектически противоположные пары схемных решений, для которых столбцы характеристических матриц носят зеркальный характер (имеют минимальное и максимальное значения). В той части, где это условие выполняется, возможно формирование обобщенной характеристической матрицы, соответствующей еще не существующему техрешению. Далее в каждой строке (характеристике) в соответствие ставится частное техническое решение, их совокупность в итоге определяет схемное.
Данное условие необходимое, но недостаточное для синтеза нового технического вывода. Используя характеристические матрицы, можно определить направление развития.
Окончание следует.
Михаил Куприков, доктор технических наук, профессор, завкафедрой МАИ
