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

Фото: YouTube-канал BigEyeTop10

Представьте самолёт, который надувают ручным насосом. На что он способен? Или истребитель, взлетающий хвостом вниз, как ракета. Безопасно ли? Или амфибию с 14 двигателями, которая так и не научилась вертикально взлетать. А в чём тогда её смысл? Все они действительно существовали.

История авиации знает немало примеров, когда инженерная мысль выходила далеко за рамки привычного. Но за каждой странной формой стояла конкретная техническая задача. О некоторых самых интересных примерах рассказал старший преподаватель кафедры 101 «Проектирование и сертификация авиационной техники» Московского авиационного института Юрий Швед.

Blohm & Voss BV 141: когда асимметрия становится нормой

Так, одним из самых необычных по виду самолётов была машина времён Второй мировой войны — немецкий разведчик Blohm & Voss BV 141. Фюзеляж с единственным двигателем смещён влево, кабина пилота вынесена вправо, хвостовое оперение тоже асимметричное.

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 учёл, что большой пропеллер, ввинчиваясь в воздух, создаёт большой противомомент, пытаясь накренить самолёт. 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 самолёт не уводит в сторону. Асимметрия стала не прихотью, а инженерным расчётом, — отмечает Юрий Швед.

Фото: Pinterest Сергей Акимов

Самолёт полетел так, как было задумано. Однако в серию он не пошёл. 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 самолёт 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, — обращает внимание на ещё один любопытный аспект Юрий Швед.

McDonnell XF-85 «Goblin»: стыкуемый истребитель в бомбоотсеке

Асимметрия — не единственный способ обойти ограничения. Иногда самолёт приходилось прятать внутри другого самолёта.

Американский истребитель McDonnell XF-85 «Goblin» имел длину менее 5,2 метра — ровно столько, чтобы поместиться в одной из четырёх секций бомбоотсека тяжёлого 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, самолёта-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 подъёмной силы. Вместо того чтобы притянуться к узлу, самолёт отбрасывало прочь.

К тому же двигатель XF-85 медленно набирал обороты — при резком движении рычага газа тяга возрастала не сразу, а с задержкой. Вдобавок самолёт не оснащался воздушным тормозом.

— На автомобиле легко разгоняться и тормозить, отталкиваясь от дороги. На самолёте 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 жёсткими габаритами, летают лучше. Кроме того, появление систем дозаправки в воздухе решило проблему сопровождения проще и дешевле, — поясняет специалист.

Goodyear GA-468 «Inflatoplane»: надувной самолёт

От истребителя, который стыкуется в воздухе, перейдём к идее, которая звучит ещё безумнее: самолёт, 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 самолёт Goodyear GA-468 «Inflatoplane». Технология Drop Stitch (две тканые оболочки, соединённые тысячами нитей) обеспечивала жёсткость. Важная деталь: давление в конструкции постоянно поддерживалось компрессором — даже при боевых повреждениях самолёт не сдувался мгновенно. Размах крыла — 6,7 м, длина — 5,97 м, взлётная масса — 340 кг. Максимальная скорость достигала 115 км/ч, дальность — 630 км, а взлётный разбег составлял всего 75 метров.

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

Однако безопасность такой конструкции вызывала большие вопросы. Примером тому катастрофа при испытаниях Inflatoplane: трос проводки управления соскочил со шкива и заклинил штурвал, самолёт вошёл 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 вертолёт, а для гражданского применения надувной самолёт был небезопасен, дорог и недолговечен,  — поясняет Юрий Швед.

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

Snecma C-450 Coléoptère: самолёт, взлетающий хвостом вниз

Надувной самолёт — странно, но следующий аппарат выглядит ещё необычнее. Французский экспериментальный аппарат C-450 «Coléoptère» (первый полёт 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 тяговооружённость. Он показывает, как соотносятся сила тяги двигателя и вес самолёта. Если двигатель тянет ровно с силой веса самолёта, тяговооружённость равна единице. В таком состоянии самолёт может висеть на месте, но не набирать высоту. А если тяга двигателя больше веса, тяговооружённость больше единицы. Такой самолёт способен взлетать вертикально на обычном двигателе — никаких дополнительных подъёмных моторов ему не нужно.

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

Фото: modelbox.free.fr

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

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

— Взлетающий вертикально самолёт не может себе позволить огромный диаметр винта, как у вертолёта. Энергия струи растёт 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 сметёт всё 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 лётчика эта задача трудновыполнима и провоцирует аварии. Более надёжной оказалась схема вертикального взлёта 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 взлёт возможен без экзотических схем, хотя и ценой высокой сложности, — подчёркивает эксперт МАИ.

Кольцевое крыло как самостоятельная несущая поверхность в итоге не прижилось.

ВВА-14: вертикально взлетающая амфибия Роберто Бартини

7 апреля 1989 года в Норвежском море 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. Самолёты 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 вертолёты в подобных ситуациях невозможно — у них ограниченная дальность, но что ещё печальнее — ограниченная скорость. Гидросамолёт, 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 самолёт, похожий на Ил-38, который мог бы садиться на воду по вертолётному типу.

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

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

Подъёмные двигатели РД-36-35 (тяга — 2350–2900 кгс каждый, собственная масса около 200–210 кг за счёт 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.

Проблем оказалось две, и обе стали слабыми звеньями.

Фото: YouTube-канал Legacy Pulse

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

Крайне малый ресурс двигателей (их специально облегчили, пожертвовав долговечностью) усугублялся работой в солёных брызгах. Солёная вода агрессивна: она вызывает коррозию, оседает солью на лопатках турбин и забивает каналы. В таких условиях ресурс падал ещё сильнее. В итоге систему вертикального взлёта 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 рулёжке передняя часть поплавков сминалась, и самолёт клевал носом.

Когда стало понятно, что задуманных целей не добиться выбранными средствами, попытались превратить самолёт в экраноплан. Навесили жёсткие поплавки, добавили перед центропланом двигатели для создания воздушной подушки. Но как экраноплан ВВА-14 уступал существовавшим аналогам. Кроме того, при полёте в режиме экраноплана — на высоте всего несколько метров над водой, в зоне воздушной подушки — падение тяги передних двигателей создавало момент, заставляющий самолёт 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 остаётся насущной и до сих пор не решённой — может быть, новой смене инженеров она окажется по зубам, — заключает Юрий Швед.

Странные самолёты — всё же не ошибка?

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

По словам Юрия Шведа, можно выделить несколько основных причин, по которым проекты не пошли в серию:

• технологические ограничения — двигатели нужной мощности отсутствовали, системы управления не справлялись (ВВА-14, Coléoptère);

• сложность пилотирования — ловить стыковочную балку в турбулентности или взлетать хвостом вниз могли только асы (XF-85, Coléoptère);

• безопасность — надувной самолёт оказался слишком уязвим (Inflatoplane);

• появление альтернатив — дозаправка в воздухе решила проблему сопровождения проще и дешевле, чем «карманный» истребитель;

• технологическая сложность против выгоды — BV 141 летал хорошо, но выигрыш в дальности и высотности не перевесил сложность производства.

— Есть такая поговорка: сначала нужно построить «летающее яйцо», чтобы понять, как сделать идеальный самолёт. Без таких экспериментов не появилось бы ничего по-настоящему совершенного, — подытоживает преподаватель МАИ Юрий Швед.