Даже сегодня авиаконструкторы зачастую не могут успешно повторить прорывные разработки своих предшественников
В марте 2014 года Агентство по перспективным оборонным исследованиям Министерства обороны США (DARPA) включило в свою программу создания нового поколения летательных аппаратов (ЛА) вертикального взлета и посадки VTOL XPlane весьма интересный с технической точки зрения проект компании Boeing. Речь шла о преобразуемом летательном аппарате, который создавался в известном своими передовыми разработками подразделении Phantom Works и получил обозначение "Фантом Свифт" (Phantom Swift, можно перевести с английского как "Призрачный стриж").
Конструктивно это был конвертоплан с характерным сплюснутым фюзеляжем и Vобразным хвостовым оперением, который оснащался двумя размещенными в концевых частях крыла поворотными воздушными винтами в кольцевых каналах (насадках) и двумя дополнительными подъемными вентиляторами, расположенными в корпусе машины. Такая концепция получила в англоязычной литературе название "tilt duct", то есть конвертоплан с поворотными кольцевыми каналами (насадками).
В конкурсе DARPA, который стартовал в начале 2013 года, участвовали также со своими проектами компании Karem (конвертоплан, у которого установленные в средней части крыла воздушные винты поворачивались вместе с внешними секциями консолей крыла), Aurora Flight Sciences (весьма оригинальный и сложный в техническом отношении конвертоплан LightningStrike) и Sikorsky ("тейлситтер" Rotor Blown Wing, разработанный при участии специалистов подразделения Skunk Works компании Lockheed Martin). ОКОНЧАНИЕ/ начало НА СТР. 1
Причем последние две еще в декабре 2013 года получили контракты на проведение предварительного проектирования своих вариантов перспективного ЛА стоимостью 14 млн и 14, 4 млн долл. соответственно. Компания Karem также получила соответствующий контракт, но его стоимость узнать не удалось.
Специалисты же Phantom Works, получив от отдела тактических технологий DARPA контракт на 17 млн долл., за трое суток разработали проект своего ЛА, еще 10 дней потратили на поиск компонентов и затем за две недели построили масштабную – 17% от оригинала – модель боевой машины будущего. В августе 2014 года разработчик получил новый контракт на 9 млн долл., по условиям которого в течение 16 месяцев обязался построить демонстратор "Призрачного стрижа" взлетной массой 5,4 т (длина – 13 м, размах крыла – 15 м). Работу всех вентиляторов и винтов должен был обеспечивать один турбовальный двигатель General Electric CT78, причем максимальная скорость горизонтального полета машины должна была составить почти 644 км/ч.
Впрочем, в марте 2016 года представители агентства DARPA объявили о том, что победителем первого этапа стал проект компании Aurora Flight Sciences, которая тогда же получила контракт стоимостью 89,4 млн долл. на продолжение работ по своему летательному аппарату – конвертоплану с передним горизонтальным оперением и поворотным крылом.
Вышедшая в финал конкурса машина оснащалась одним турбовальным двигателем RollsRoyce AE1107C (его модификация установлена на конвертоплане V22 "Оспри", о котором "НВО" уже рассказывало ранее), который обеспечивал работу 24 воздушных винтов в кольцевых каналах, размещенных в крыле (18 штук, должны были поворачиваться вместе с крылом) и на переднем горизонтальном оперении (6 штук). Масштабная модель такого конвертоплана массой 147 кг (полноразмерный демонстратор XV24A должен был иметь массу 4,5–5,4 т) была облетана в марте 2016 года, однако в начале 2018 года руководство агентства DARPA закрыло рассматриваемую программу, так и не приступив к третьему этапу ее реализации. Совокупная стоимость работ по программе, которая должна была продлиться 52 месяца, оценивалась в 130 млн долл.
В свою очередь, разработчики конвертоплана "Фантом Свифт" некоторое время предпринимали попытки найти нового заказчика, но преуспеть в этом, судя по всему, так и не сумели. В связи с этим стоит напомнить, что впервые преобразуемый летательный аппарат такой конструктивной схемы – с расположенными в концевых частях крыла поворотными воздушными винтами в кольцевых каналах – был построен и успешно облетан еще более полувека назад. Им стал американский конвертоплан "Доак 16" (Doak 16, также VZ4DA), разработка которого осуществлялась специалистами компании Doak Aircraft Company из города Торранс (штат Калифорния).
ИНИЦИАТИВНОЕ ПРЕДЛОЖЕНИЕ
Выбор такой достаточно экзотичной схемы – с размещенными в кольцевых насадках на концах крыла поворотными воздушными винтами – принадлежит лично президенту компанииразработчика Эдмонду Р. Доаку. Дело в том, что последний, начав карьеру в авиастроении в 15летнем возрасте с должности работника склада у знаменитого Гленна Мартина, еще с 1935 года занимался проблематикой работы воздушных винтов в кольцевых каналах. После же активизации в США поисковых работ по перспективным преобразуемым летательным аппаратам у него появился реальный шанс на практике отработать свою концепцию, впервые в истории применив такие воздушные винты на летательном аппарате особой конструкции – конвертоплане.
В 1950 году Доак впервые направил свое предложение для рассмотрения военным, подчеркнув при этом, что его ЛА может эксплуатироваться с небольших взлетнопосадочных площадок, зависать или барражировать над заданной целью или районом, а также выполнять иные маневры подобно вертолету, но с меньшим уровнем шума и вибрации, и даже "летать хвостом вперед". Одновременно, указывал он, перспективный ЛА будет способен осуществлять скоростной горизонтальный полет как самолет, неся при этом на подкрыльевых узлах различные средства поражения и иные грузы.
Желая закрепить за собой право на такую конструктивную схему летательного аппарата, Эдмонд Доак подал 1 декабря 1954 года в Агентство по патентам США заявку № 472313 на "Конструкцию летательного аппарата вертикального взлета", в которой в целом описывалась конструкция конвертоплана с двумя или четырьмя поворотными воздушными винтами в кольцевых каналах, размещенных в концевых частях крыла либо по бокам фюзеляжа на поворотных устройствах. Повторно он подал заявку 12 декабря 1958 года (заявка № 780164), а 22 ноября 1960 года получил патент США № 2961189.
"Данное изобретение относится к летательному аппарату, оснащенному управляемыми средствами для обеспечения вертикального взлета и посадки на коротких взлетнопосадочных полосах и способному уверенно осуществлять висение, – указывается в преамбуле патента. – Работы военного и гражданского характера наглядно показали имеющуюся потребность в летательном аппарате, способном выполнять взлет с небольших площадок, совершать управляемый быстрый полет без необходимости нести чрезмерный запас топлива, зависать над конкретным объектом и, при появлении такой возможности, совершать посадку почти вертикально. Такие летательные аппараты могут использоваться для выполнения спасательных работ, ведения разведки, доставки грузов на изолированные посты, а также для решения многих других задач, для которых не подходят летательные аппараты существующих типов. Современные, высокоскоростные летательные аппараты – оснащенные воздушными винтами или реактивными двигателями – отличаются высокими скоростями полета, но не способны выполнять висение или взлетать и садиться в зонах ограниченного доступа или на площадки небольших размеров. С другой стороны, вертолеты не способны совершать горизонтальный полет с большой скоростью и потому не могут быстро достичь удаленного объекта с целью доставки требуемого груза или успешного спасения. Кроме того, ограничение эксплуатации вертолетов и автожиров обусловлено их различными конструктивными ограничениями".
Генералы проектом заинтересовались, особенно в свете того, что такой ЛА позволял им решить задачу повышения живучести армейской авиации. Дело в том, что, поскольку первые удары в рамках гипотетического "советского вторжения" должны были бы наноситься советской авиацией по аэродромам с целью недопущения массового подъема в воздух самолетов традиционной конструкции, летательный аппарат, способный взлетать с небольшой площадки ил и вовсе вертикально, представлял собой весьма высокий интерес для американских военных.
Впрочем, только 10 апреля 1956 года Министерство армии (Сухопутных войск) США в лице инженерноисследовательского командования Транспортной службы подписало с компанией Доака контракт на разработку и постройку одного экспериментального конвертоплана предложенной конструкции. В перспективе же армейское командование предполагало использовать этот ЛА в первую очередь для решения задач разведки и связи, а также эвакуации раненых с поля боя и при необходимости доставки вооружения и припасов на передовую или за линию фронта. Определенный интерес эта разработка вызвала и у представителей НАСА.
В активную фазу работы по машине, получившей внутрифирменное обозначение "Доак 16" (также применялось обозначение Doak X16) и заводской № 569642, вступили в 1957 году, а 25 февраля 1958 года конвертоплан совершил свой первый полет.
ОСОБЕННОСТИ КОНСТРУКЦИИ
Конструктивно это был небольшой среднеплан с расположенной в носовой части фюзеляжа пилотской кабиной с тандемной посадкой двух человек (пилот и наблюдатель), традиционным хвостовым оперением и неубирающимся трехопорным шасси с носовой опорой с самоориентирующимся колесом.
Фюзеляж конвертоплана – ферменного типа, из сварных труб, причем первоначально, как и требовало техническое задание СВ США, он не имел обшивки. Однако первые же испытания продемонстрировали негативное влияние такой конструкции на летные характеристики машины, поэтому было принято решение применить на фюзеляже обшивку: обшивка от носа до пилотской кабины – композитная (формованный стеклопластик), а от кабины в хвост – алюминиевая из тонких листов.
Крыло – свободнонесущее, прямое, цельнометаллическое, с элеронами и закрылками. Хвостовое оперение – типовой схемы, с прямым килем и горизонтальным стабилизатором трапециевидной в плане формы, с рулями направления и высоты. В процессе испытаний на конвертоплан установили еще и небольшой подфюзеляжный киль, используемый в том числе в роли предохранительной хвостовой опоры.
Размах крыла у нового ЛА по кольцевым каналам составлял 7,77 м, площадь крыла – 8,92 кв. м (по другим данным – 8,73 кв. м), максимальная длина машины – 9,75 м, а ее высота – 3,05 м.
Силовая установка нового ЛА первоначально включала один турбовальный газотурбинный двигатель Lycoming YT53 мощностью 840 л.с. компании Lycoming Engines (входила в концерн AVCO), который располагался внутри фюзеляжа конвертоплана в районе корневой части его крыла и имел передний вывод вала. При этом редуктор обеспечивал понижение частоты вращения вала с номинальных 6700 оборотов в минуту до требуемых в данном случае для передачи на вал трансмиссии 4800 оборотов в минуту. Впоследствии, как указывается в ряде источников, включая вышедший в 1990 году фундаментальный труд Стивена Хардинга "U.S. Army Aircraft Since 1947", на "Доак 16" установили более мощный двигатель Lycoming T53L1 мощностью 1000 л.с.
Воздухозаборник двигателя располагался за кабиной сверху фюзеляжа, а сопло снабдили удлинительной трубой, на конце которой были установлены газовые рули, обеспечивавшие путевое и продольное управление ЛА на режимах вертикального, повертолетному, взлета и посадки, а также на висении. Эти рули имели крестообразную форму и конструктивно состояли из трех шарнирно закрепленных частей, а управление ими осуществлялось с помощью педалей путевого управления и отклонением вперед-назад ручки управления. Один из вариантов таких рулей, в котором две плоскости вставлялись друг в друга (на "Доак 16" горизонтальный руль с отклоняемым сегментом располагался за вертикальным рулем), был запатентован Артуром Р. Бекингтоном (главный автор изобретения) и Эдмондом Р. Доаком (соавтор). Патент США № US3086731A на "Систему управления летательным аппаратом" с приоритетом от 4 октября 1960 года был выдан им 23 апреля 1963 года.
Главной же отличительной особенностью "Доака 16" было наличие поворотных воздушных винтов в кольцевых каналах, размещенных в концевых частях крыла. Для выполнения конвертопланом горизонтального полета – посамолетному – эти винты при помощи электропривода поворачивались вперед на угол до 92 градусов от вертикали, а при полете в режиме повертолетному они могли отклоняться назад на угол 2 градуса от вертикали. Пилот управлял поворотом винтов при помощи специального переключателя на ручке управления. Перевод ЛА из режима повертолетному в горизонтальный полет с достижением скорости 322 км/ч занимал не более 20 секунд.
Конвертоплан VZ-4DA создавался под требования американских военных, но они быстро потеряли к нему интерес, сделав ставку на вертолеты. Фото с сайта www.army.mil
Внешний диаметр кольцевой насадки, выполненной из алюминиевого сплава и имевшей стеклопластиковую переднюю кромку, составлял 5 футов (152,40 см), а внутренний – 4 фута (121,92 см). У каждого винта имелся редуктор, который посредством проходящего в крыле главного вала трансмиссии, имевшего трубчатую алюминиевую конструкцию и диаметр 102 мм, и меньшего по размерам вспомогательного стального вала диаметром 3,2 см был связан с главным редуктором, приводимым от двигателя конвертоплана (всего в итоге на ЛА имелись один алюминиевый главный вал и два стальных вспомогательных). Причем Доак разработал эластичные муфты, обеспечившие поглощение несоосности вращающихся валов и недопущение изгиба крыла.
Воздушные винты – восьмилопастные, фиксированного шага, диаметром 1,2 м, выполнялись из стеклопластика. Лопасти винта – трапециевидной в плане формы, с большой круткой, отстояли от передней кромки кольцевой насадки на 2 фута (60,96 см). В целях обеспечения надлежащей мощности работы воздушного винта и управления по крену в кольцевом канале были установлены первоначально 9, а затем 14 стеклопластиковых "лопаток" с изменяемым углом установки. В свою очередь, позади каждого из винтов находился спрямляющий аппарат, роль которого играли 9 жестких ребер из нержавейки, к которым крепился заостренный хвостовой обтекатель винта.
Органы управления у пилота – ручка управления и педали путевого управления. В обоих режимах полета контроль за работой системы управления полета обеспечивала электромеханическая система блокировки. Автоматы демпфирования и гидроусилители отсутствовали. Эдмонд Доак, кстати, был принципиально против применения на своем ЛА какихлибо систем автоматической стабилизации, считая, что его конвертоплан и так будет отличаться прекрасной управляемостью, а тщательно выбранное место установки поворотных воздушных винтов в кольцевых каналах обеспечит устойчивое положение фюзеляжа машины при переходе из одного режима полета в другой.
В режиме повертолетному продольное и путевое управление обеспечивалось при помощи крестообразных газовых рулей, установленных в хвосте машины и позволявших отклонять выхлопную струю двигателя, а поперечное управление осуществлялось за счет дифференциального отклонения с помощью механической проводки поворотных лопаток, установленных в кольцевом канале. По мере того как пилот переводил воздушные винты из вертикального положения в горизонтальное, механическая система управления постепенно отключала управление указанными лопатками, которые в конечном счете устанавливались вдоль воздушного потока в кольцевом канале.
В режиме посамолетному управление обеспечивалось преимущественно при помощи аэродинамических рулей управления (руля направления, руля высоты и элеронов), но одновременно сохранялась и возможность задействования газовых рулей.
Согласно требованиям заказчика, силовая установка должна была обеспечить машине максимальную скорость горизонтального полета не менее 370 км/ч и скороподъемность на уровне моря 30 м/с, тогда как продолжительность полета планировалась около 1 часа, а максимальная дальность полета – 370 км. Практический потолок на висении должен был составить 1830 м.
Примечательно, что, желая максимально возможно снизить стоимость проектирования и постройки конвертоплана, Доак широкоиспользовал наработки других авиастроителей и подходящие конструктивные элементы с имевшихся ЛА. Так, шасси было заимствовано с самолета "Цессна182", сиденья экипажа – с истребителя P51 "Мустанг", приводы поворота воздушных винтов – от электромоторов привода закрылков учебнотренировочного самолета Т33 "Шутинг Стар", а руль направления в компании взяли с более раннего самолета своей разработки.
ВОЕННЫЕ ТЕРЯЮТ ИНТЕРЕС
Конвертоплан "Доак 16" был построен в единственном экземпляре (заводской № 569642), причем если расчетная масса машины в пустом виде составляла 900 кг, а максимальная взлетная масса при вертикальном взлете – 1170 кг, то в итоге эти показатели выросли до 1043 и 1451 кг соответственно. И в значительной мере это произошло изза решения добавить обшивку фюзеляжа.
Наземные испытания ЛА проходили в феврале 1958 года на территории муниципального аэропорта Торранс, расположенного недалеко от ЛосАнджелеса, а 25 февраля 1958 года здесь же конвертоплан впервые был поднят в воздух – выполнил взлет и висение. После завершения испытаний в июне того же года "Доак 16" подвергся тщательному изучению, а в октябре он был передан на военновоздушную базу ВВС США Эдвардс (штат Калифорния), где были проведены еще два этапа летных испытаний объемом 15 и 35 летных часов соответственно.
Всего во время первого этапа испытаний машина наработала 32 часа на стенде, а также 18 часов висения на привязи, свободного висения и рулежек, тогда как на базе Эдвардс машина, которую пилотировал инженер компанииразработчика Джеймс Райхерт, наработала 50 часов испытаний, в рамках которых на высотах 915–1830 м неоднократно выполнялся переход из одного режима в другой (первый переход из режима повертолетному в режим посамолетному и обратно выполнен 5 мая 1959 года).
В ходе полетов на военновоздушной базе Эдвардс конвертоплан продемонстрировал способность находиться в воздухе до одного часа, развивать максимальную скорость полета 370 км/ч и крейсерскую скорость 282 км/ч, а также совершать полет на дальность до 403 км на высотах до 3658 м. Таким образом, основные требования военного заказчика разработчиком новой машины были достигнуты.
В сентябре 1959 года СВ США приняли конвертоплан, присвоив ему обозначение "Doak VZ4DA", а затем передали его в Исследовательский центр НАСА имени Лэнгли для проведения новых испытаний, в том числе в аэродинамической трубе центра. В ходе этого этапа испытаний ЛА выполнял обычные, укороченные и вертикальные взлеты и посадки, продемонстрировав способность развивать скорость до 370 км/ч. Максимальная скороподъемность составила 20 м/с, а дальность полета – 370 км. Была также продемонстрирована возможность взлета ЛА с разбегом с увеличенной взлетной массой.
В октябре 1959 года и этот этап программы испытаний был завершен, после чего конвертоплан передали для оценочных испытаний специалистам СВ США, которые должны были получить точные данные по его летнотехническим характеристикам и управляемости на режиме повертолетному (в том числе на висении), на переходном режиме из висения в горизонтальный полет, а также в горизонтальном полете и, что было самым сложным, в переходном режиме из горизонтального полета на висение (посадку повертолетному). Причем испытания в переходных режимах осложнялись тем, что перевод ЛА из висения в горизонтальный полет ограничивался всего 11 секундами – за это время требовалось перевести поворотные кольцевые насадки из вертикального положения в горизонтальное.
При помощи двух фотокамер, установленных в пилотской кабине конвертоплана и снимавших приборную доску с частотой два кадра в секунду, тщательно фиксировались данные приборов, показывающие воздушную скорость, барометрическую высоту, угол атаки, угол поворота воздушных винтов, эффективную мощность двигателя и скорость вращения вала, а также угол установки горизонтального оперения и давление масла в редукторе двигателя. Для замера угловых скоростей и положений ручки управления использовали осциллограф, а установленный на конце носовой штанги датчик воздушных сигналов позволял фиксировать углы атаки и скольжения.
В ходе испытаний, проведенных в 1960–1963 годы, специалисты Исследовательского центра НАСА имени Лэнгли и Сухопутных войск США выявили не только достоинства конвертоплана данной схемы, но и целый ряд недостатков, в том числе и весьма серьезных. Одним из наиболее существенных среди них стала склонность машины "задирать" нос во время перехода между полетными режимами. Хуже ожиданий разработчиков и заказчиков оказались и взлетнопосадочные характеристики конвертоплана. Серьезным недостатком военные посчитали большую скорость отбрасываемого винтами потока, что затрудняло использование ЛА в поисковоспасательных и других операциях, требующих длительного полета на режиме висения (в таком режиме вниз от винтов бил сильный поток воздуха, что мешало проводить спасательные операции и т.п.).
Наряду с летными испытаниями был проведен также и объемный цикл испытаний воздушных винтов в кольцевых каналах в аэродинамической трубе, в которых использовались полноразмерная модель крыла и модель с полукрылом. В частности, в Исследовательском центре НАСА имени Эймса были проведены четыре испытания с использованием полноразмерной модели кольцевых каналов, установленных на полукрыле и являвшихся точной копией устройств, примененных на VZ4DA.
Впрочем, большой объем проведенных испытаний, принеся разработчику и заказчику множество уникальной информации по ЛА новой конструктивной схемы, в конечном счете привел специалистов Сухопутных войск США к выводу о нецелесообразности дальнейшего их участия в этой программе. Дело в том, что к тому времени американские генералы уже отдали предпочтение другому ЛА, способному решать задачи, которые первоначально возлагались командованием Сухопутных войск на перспективные летательные аппараты вертикального взлета и посадки. Таковым, что неудивительно, стал вертолет, быстро доказавший свою способность эффективно решать задачи по ведению разведки и наблюдения, эвакуации раненых и доставки грузов и пр.
В итоге в 1963 году командование Сухопутных войск официально объявило о выходе из этой программы, а сам конвертоплан VZ4DA был передан специалистам НАСА для проведения дополнительных испытаний.
А еще через некоторое время компанию, разработавшую и построившую эту уникальную, но оказавшуюся невостребованной машину, саму постигла полоса неудач, теперь уже финансовых. В результате ей пришлось продать права и всю техническую документацию на VZ4DA более крупной и финансово устойчивой компании Douglas Aircraft (для работы над машиной в последнюю из Doak Aircraft Company еще и перешли четыре инженера). Выбор был, как представляется, неслучаен, поскольку в 1930е годы Эдмонд Доак сам работал в этой компании, покинув ее в 1940 году с должности вицепрезидента, после чего он и основал свою собственную компанию.
Впрочем, ни это, ни сокращение персонала на 90% Doak Aircraft Company не спасло, и в начале 1961 года она прекратила свое существование. Причем в том же году новый владелец VZ4DA направил командованию Сухопутных войск США свое предложение по доработке машины (включая установку более мощного двигателя и внесение ряда изменений в конструкцию летательного аппарата) и проведению дальнейших его испытаний. Однако, как пишут Стив Маркман и Билл Холдер в книге "Straight Up: A History of vertical Flight", ответа не последовало.
Конвертоплан VZ4DA эксплуатировался в Исследовательском центре НАСА имени Лэнгли до августа 1972 года, а затем был передан в Музей Транспортной службы СВ США в ФортЭстисе, что недалеко от города НьюпортНьюс в штате Вирджиния. Ряд экспонатов, связанных с программой создания, постройки и испытаний VZ4DA можно увидеть в экспозиции авиационного музея Western Museum of Flight, расположенного в городе Торранс. Что же касается самого Эдмонда Доака, то он прожил богатую на события жизнь и скончался в Торрансе 20 октября 1986 года в возрасте 88 лет.
В прошлом веке было предпринято еще как минимум две попытки создания конвертопланов такой схемы, которые оснащались двумя (N.500 "Кадет" французской комании Nord Aviation) и четырьмя (Х22 американской компании Bell) расположенными в концевых частях крыла поворотными воздушными винтами в кольцевых каналах. Еще одну попытку предприняли уже в новом тысячелетии специалисты компании American Dynamics Flight Systems, предложившие Пентагону проект конвертоплана AD150 с двумя расположенными в концевых частях крыла поворотными воздушными винтами в кольцевых каналах. Однако ни один из этих проектов до стадии серийного выпуска так и не дошел. Впрочем, рассказ об этих уникальных машинах – это уже тема отдельного материала.
Владимир Щербаков
Заместитель ответственного редактора НВО
