Инженерный артхаус: почему появляются странные самолеты и есть ли в них смысл?

В 1937 году Министерство авиации Германии объявило конкурс на разведчик с максимальным обзором из кабины. Радикальное решение — пожертвовать внешней симметрией ради функциональности — предложил инженер Рихард Фогт.

«Фогт учел, что большой пропеллер, ввинчиваясь в воздух, создает большой противомомент, пытаясь накренить самолет. Если сместить гондолу с вращающимся по часовой стрелке пропеллером влево, а кабину вправо, то момент от винта и обдув крыла начинают работать в компенсацию — то есть разнонаправленные силы гасят друг друга, и самолет не уводит в сторону. Асимметрия стала не прихотью, а инженерным расчетом, — объясняет Юрий Швед.

Самолет полетел так, как было задумано. Однако в серию он не пошел. Конкурент — симметричный Focke-Wulf Fw 189 — использовал два двигателя суммарной мощностью около 930 л.с., тогда как BV 141 (в модификации a-04) довольствовался одним двигателем BMW-132N мощностью 865 л.с. В условиях того времени ставку сделали на отработанную двухмоторную схему. BV 141 показал большую дальность (1133 км против 665 км) и потолок (9000 м против 7300 м), но в той тактической нише эти преимущества оказались не решающими.

«Эволюция научила нас считать внешнюю симметрию признаком совершенства. BV 141 перекошен именно внешне — поэтому кому-то могло показаться, что он не должен хорошо летать. Но с аэродинамической точки зрения самолет был вполне симметричен, что и позволяло ему подниматься в воздух. Однако у этой схемы есть скрытые минусы: при модернизациях легко потерять компенсацию моментов, да и внешне асимметричную конструкцию технологически сложнее соблюсти», — говорит эксперт.

Американский истребитель McDonnell XF-85 «Goblin» имел длину менее 5,2 м — ровно столько, чтобы поместиться в одной из четырех секций бомбоотсека тяжелого бомбардировщика Convair B-36. В конце 1940-х у США не было истребителей сопровождения, способных лететь с бомбардировщиками на всю дистанцию сверхдальних маршрутов. Идея стыкуемого истребителя-защитника — или, как говорят инженеры, самолета-наездника — казалась логичной.

XF-85 летал неплохо — если не брать во внимание сложности с затенением оперения потоком от крыла и фюзеляжа на больших углах атаки и рыскания, где возникали проблемы с управлением, проблема оказалась в другом. Стыковочная балка была короткой, поэтому истребитель подлетал к бомбардировщику слишком близко. Между крылом истребителя и днищем бомбардировщика возникала воздушная подушка, но она давила не снизу, а сверху — прижимала истребитель вниз, лишая его подъемной силы. Вместо того чтобы притянуться к узлу, самолет отбрасывало прочь.

На автомобиле легко разгоняться и тормозить, отталкиваясь от дороги. На самолете так легко не получится: воздух — податливая среда, быстро сбавить-прибавить, опираясь на него, гораздо сложнее. Доводку системы прекратили, когда стало ясно, что истребители предполагаемого противника, такие как МиГ-15 и Ла-15, не ограниченные жесткими габаритами, летают лучше. Кроме того, появление систем дозаправки в воздухе решило проблему сопровождения проще и дешевле.

От истребителя, который стыкуется в воздухе, перейдем к идее, которая звучит еще безумнее: самолет, который перевозится в компактном контейнере и надувается, как матрас, прямо перед вылетом. И, тем не менее, он существовал.

Компания Goodyear, известная своими шинами, создала по заказу армии США надувной самолет Goodyear GA-468 «Inflatoplane». Технология Drop Stitch (две тканые оболочки, соединенные тысячами нитей) обеспечивала жесткость. Важная деталь: давление в конструкции постоянно поддерживалось компрессором — даже при боевых повреждениях самолет не сдувался мгновенно. Размах крыла — 6,7 м, длина — 5,97 м, взлетная масса — 340 кг. Максимальная скорость достигала 115 км/ч, дальность — 630 км, а взлетный разбег составлял всего 75 метров.

Существовала и двухместная версия GA-466 с размахом крыла 8,5 м, но ее дальность была меньше — 440 км. Испытания проводились долго, с 1956-го по 1973-й год, было облетано 12 экземпляров различных модификаций.

Однако безопасность такой конструкции вызывала большие вопросы. Пример тому — катастрофа при испытаниях Inflatoplane: трос проводки управления соскочил со шкива и заклинил штурвал, самолет вошел на запредельный угол атаки, крыло согнулось и попало в винт, а отброшенный металлический элемент законцовки ударил по кабине. В итоге воздушное судно потеряло управление, и пилот погиб.

«Надувной машине так и не нашли толкового применения. В боевых условиях в качестве средства поиска и спасения пилотов хорошо зарекомендовал себя вертолет, а для гражданского применения надувной самолет был небезопасен, дорог и недолговечен», — поясняет Юрий Швед.

Сама технология Drop Stitch оказалась слишком дорогой и вернулась уже в 2000-х годах — в виде дешевых сап-бордов и надувных лодок из ПВХ с термосваркой.

Надувной самолет — странно, но следующий аппарат выглядит еще необычнее. Французский экспериментальный аппарат C-450 «Coléoptère» (первый полет в 1958 году) напоминал персонажа научной фантастики: круглый фюзеляж с кольцевым крылом, который взлетал и садился, стоя на хвосте, как ракета.

Зачем нужна была такая странная схема? Инженеры рассуждали так. В авиации есть показатель — тяговооруженность. Он показывает, как соотносятся сила тяги двигателя и вес самолета. Если двигатель тянет ровно с силой веса самолета, тяговооруженность равна единице. В таком состоянии самолет может висеть на месте, но не набирать высоту. А если тяга двигателя больше веса, тяговооруженность больше единицы. Такой самолет способен взлетать вертикально на обычном двигателе — никаких дополнительных подъемных моторов ему не нужно.

У Coléoptère было еще и кольцевое крыло — оно охватывало фюзеляж, как труба. Инженеры надеялись, что это крыло поможет сразу в трех вещах. Во-первых, оно будет создавать дополнительную тягу, когда самолет летит медленно. Во-вторых, уменьшит сопротивление воздуха на концах крыла. В-третьих, не даст самолету свалиться в штопор, даже если он сильно задран носом вверх.

Но на практике проявили себя серьезные недостатки. Струя от двигателя на взлете сметала все под собой, разрушая площадку и поднимая клубы пыли. Пилот при вертикальном старте лежал на спине с ограниченным обзором. Управление требовало переучивания: когда самолет стоит на хвосте, привычные движения штурвала работают иначе. Например, если потянуть штурвал «на себя», самолет поворачивает не вверх, а вбок.

В девятом полете, 25 июля 1959 года, при переходе от вертикального к горизонтальному режиму пилот потерял ориентацию в пространстве и на высоте 150 метров катапультировался. Машина разбилась.

«Взлетающий вертикально самолет не может себе позволить огромный диаметр винта, как у вертолета. Энергия струи растет в квадрате по отношению к росту силы тяги — это значит, если увеличить тягу вдвое, разрушительная сила струи вырастет в четыре раза, и в итоге она просто сметет все под собой. Пилот при таком старте должен иметь два разных навыка управления, когда в вертикальном положении тангаж с рысканьем становятся креном, а крен — рысканьем. Для летчика эта задача трудновыполнима и провоцирует аварии. Более надежной оказалась схема вертикального взлета с отклоняемым вектором тяги. Яркие примеры удачной реализации — британский Hawker Siddeley Harrier с поворотными соплами и американский конвертоплан Bell Boeing V-22 Osprey с поворотными двигателями. Они доказали, что вертикальный взлет возможен без экзотических схем, хотя и ценой высокой сложности, — подчеркивает эксперт МАИ.

В Норвежском море 7 апреля 1989 года затонула атомная подлодка «Комсомолец» К-278. В ледяной воде — температура местами едва достигала отметки в +2°C — оказались около 60 человек (почти весь экипаж, за исключением тех, кто погиб во время пожара внутри лодки, и пятерых, оставшихся в спасательной камере). На воду были сброшены два спасательных плота (ПСН-20). Один из них удалось развернуть, второй, по разным данным, унесло ветром или он не раскрылся должным образом. Самолеты Ил-38 обнаружили терпящих бедствие и сбрасывали спасательные контейнеры, однако из-за сильного ветра и волнения моряки не всегда могли до них добраться. Подошедшая через полтора часа после катастрофы случайно оказавшаяся поблизости плавбаза «Алексей Хлобыстов» подняла из воды 30 человек, трое из которых умерли от переохлаждения уже после спасения.

Отрядить для спасения вертолеты в подобных ситуациях невозможно — у них ограниченная дальность, но что еще печальнее — ограниченная скорость. Гидросамолет, в свою очередь, может сесть только при ограниченном волнении и на чистую, свободную от обломков и льдин поверхность. Идеальным вариантом для спасения людей был бы самолет, похожий на Ил-38, который мог бы садиться на воду по вертолетному типу.

Создать такой в конце 1970-х попытался конструктор, итальянский барон, коммунист, эмигрировавший в СССР Роберт Бартини. Однако после его кончины проект был закрыт, а единственный экземпляр отправили в музей в Монино.

Речь о самолете-амфибии ВВА-14. Аббревиатура расшифровывается как «Вертикально-взлетающая амфибия», а число 14 означает общее количество двигателей: 12 подъемных и 2 маршевых.

Подъемные двигатели РД-36-35 (тяга — 2350–2900 кгс каждый, собственная масса около 200–210 кг за счет снижения ресурса) размещались в широкой средней части крыла — центроплане. Два маршевых двигателя находились сзади над центропланом. Аппарат предполагалось использовать для поиска и уничтожения подводных лодок.

Одну вызвала система управления в режиме неподвижного зависания в воздухе — когда самолет висит на месте, как вертолет. Обычные органы управления на малой скорости бесполезны, поэтому для вертикального взлета нужны струйные рули — маленькие сопла, которые выпускают горячий газ от двигателя. Проводку этого газа по самолету сделали, но с ней возникали сложности — она постоянно перегревалась.

Крайне малый ресурс двигателей (их специально облегчили, пожертвовав долговечностью) усугублялся работой в соленых брызгах. Соленая вода агрессивна: она вызывает коррозию, оседает солью на лопатках турбин и забивает каналы. В таких условиях ресурс падал еще сильнее. В итоге систему вертикального взлета так и не испытали.

Вторая — надувные поплавки катамаранного типа (каждый длиной около 14 метров, из 12 независимых отсеков). При уборке они сдувались неравномерно, образовывали складки и укладывались неровно. Если в какой-либо отсек попадала вода, он вообще не убирался. На воде поплавки деформировались под действием волн, особенно боковых, вызывая раскачку. При рулежке передняя часть поплавков сминалась, и самолет клевал носом.

Когда стало понятно, что задуманных целей не добиться выбранными средствами, попытались превратить самолет в экраноплан. Навесили жесткие поплавки, добавили перед центропланом двигатели для создания воздушной подушки. Но как экраноплан ВВА-14 уступал существовавшим аналогам.

Кроме того, при полете в режиме экраноплана — на высоте всего несколько метров над водой, в зоне воздушной подушки — падение тяги передних двигателей создавало момент, заставляющий самолет опускать нос. На такой малой высоте это означало неминуемый удар о воду.

«Создать вертикально взлетающую амфибию, способную садиться на воду в шторм и спасать людей, оказалось невероятно сложно. Эта задача в итоге обладала сразу двумя звеньями сложности и новизны, и оба звена оказались слабыми. Этот "первый блин" вышел комом. А задача остается насущной и до сих пор не решенной — может быть, новой смене инженеров она окажется по зубам, — заключает Юрий Швед.

Все эти машины объединяет одно: смелость инженерной мысли. Они появились, потому что конструкторы пытались решить сложнейшие задачи нестандартными методами. И хотя эти «странные» самолеты не стали серийными, без таких экспериментов невозможен был бы прогресс.

Есть несколько основных причин, по которым проекты не пошли в серию:

Есть такая поговорка: сначала нужно построить «летающее яйцо», чтобы понять, как сделать идеальный самолет. Без таких экспериментов не появилось бы ничего по-настоящему совершенного.