Кольцеплан: самолет с замкнутым контуром крыла

Самолет с замкнутым контуром крыла летать не может – доказано временем. Кольцепланы пытались строить со времен братьев Райт, и ни одна подобная конструкция не смогла удержаться в воздухе и нескольких минут. Но человеческий разум не сдается. В 2007 году, спустя 100 лет и более чем 20 попыток, подобный аппарат все-таки взлетел. И показал себя маневренным, легким и прочным.

Эта история началась в 1988 году, когда дело шло уже к распаду Союза, но надежда на стабильность еще тлела в сердцах руководителей огромного государства. В клуб технического творчества при Минском заводе шестерен поступило творческое задание от местной сельскохозяйственной структуры: сконструировать маневренный и легкий самолет, способный противостоять сильным боковым ветрам. Самым популярным «сельхозником» был в то время АН-2: он мог взять на борт много удобрений и распылительное оборудование. Но ветер был его страшным врагом — в бескрайних кубанских полях АН-2 по управляемости напоминал бешеного слона.

АН-2

За дело взялись авиационный техник Аркадий Александрович Нарушевич, летчик Анатолий Леонидович Гущин и еще несколько человек. После длительных исследований Нарушевич пришел к неожиданному выводу: нужно строить самолет с замкнутым контуром крыла, но не с кольцевым, а овальным. Было построено несколько макетов, которые летали вполне удачно (отмечу, что во время нашего общения Нарушевич за 15 минут сделал бумажный макет — и тот полетел!). Энтузиасты закупили материалы и сконструировали овальное крыло. И тут грохнул 1991 год. СССР остался в прошлом, финансирование буквально в несколько дней закончилось, а оставшиеся средства были отозваны. Крыло отправили на долгохранение, и о проекте самолета забыли. Но это был далеко не конец.

От Блерио до Живодана

17 декабря 1903 года человек впервые поднялся в воздух на самолете с двигателем. Человека звали Орвилл Райт, а самолет назывался Wright Flyer I.

Несмотря на заметный успех братьев Райт, многочисленные изобретатели придумывали различные конфигурации крыльев, по их понятиям более эффективные, нежели обыденные райтовские плоскости. Одним из пионеров авиации стал французский изобретатель Луи Блерио, построивший свой первый аппарат «Орнитоптер» еще в 1900 году. Правда, первым по-настоящему летающим аэропланом Блерио стала лишь 11-я по счету модель, построенная в 1909 году. Нас же интересует вовсе не она, а самолет «Блерио III», сконструированный в 1906-м и ни разу не поднявшийся в воздух. Это был первый в истории авиастроения самолет с замкнутым контуром крыла.

Блерио просто экспериментировал — наугад. Он соединил полукружьями окончания крыльев обычного биплана и такую же конструкцию установил в качестве хвостового оперения. Правда, получившийся в итоге гидроплан «Блерио III» никогда не отрывался от воды самостоятельно. Очевидцами описаны несколько подлетов — когда аппарат буксировали подобно воздушному змею, но не более того.

Сегодня ошибки Блерио очевидны: слишком тяжелое хвостовое оперение, высокие потери подъемной силы из-за неверно выбранного контура крыла. Но факт остается фактом — самолеты с замкнутым крылом начали свой путь в авиации.

Кроме Блерио, еще несколько конструкторов начала века экспериментировали с замкнутым крылом. Известен в свое время был аэроплан французского инженера Живодана, построенный им на фабрике Velmorel в 1909 году. Об удивительной машине, открывающей новый век авиации, написали все кому не лень — в том числе Scientific American и еще ряд уважаемых изданий. В аэроплане Живодана роль крыльев играли две кольцеобразные фигуры, между которыми располагалось место пилота. Двигатель весил 80 кг и развивал 40л.с., вращая 2,4-метровый пропеллер. Как и следовало ожидать, странная конструкция, напоминающая трубу с выдранной центральной секцией, в воздух не поднялась. Стоит отметить, что французский авиамоделист Эммануэль Филлон сконструировал в 1980-х действующую модель самолета Живодана. И модель прекрасно летала. То есть аэродинамические ее свойства были не так и плохи. Возможно, оригиналу помешали подняться в воздух чрезмерная масса или малая мощность двигателя.

СОК — это первый в истории летательный аппарат с замкнутым контуром крыла, который поднялся в воздух

Стоит упомянуть и еще одну удивительную конструкцию — так называемый Gary-Plane американца Уильяма Пирса Гэри. Самолет Гэри (1910 год) имел ровное кольцеобразное крыло диаметром 8 м — больше четырех человеческих ростов! Правда, аэроплан Гэри отличался ужасной неустойчивостью: все попытки полететь на нем заканчивались опрокидыванием вперед.

Конец 1990-х: второе дыхание

В 1998 году Анатолий Гущин, Анри Наскидянц и еще ряд летчиков уговорили Нарушевича продолжить работу над самолетом. Самолетом заинтересовалась некая частная фирма, деньги нашлись, полузабытое крыло было восстановлено, и команда приступила к сборке фюзеляжа. Все делали с нуля. Разве что стойки шасси взяли от вертолета Ми-1, а приборную панель — от АН-2. Конструировали машину под потенциального потребителя: места для одного или двух пилотов и трех пассажиров полукругом. Вместо пассажиров можно было разместить емкости для хранения удобрений и распылительного оборудования…

Важной особенностью самолета Нарушевича было то, что овальное крыло не крепилось непосредственно к фюзеляжу. Он располагался внутри крыла на стойках и подвесах. Таким образом, подъемная сила создавалась по всей поверхности крыла.

К 2004 году были проведены первые полевые испытания полученной машины. Она совершила несколько подлетов при штиле и боковом ветре. Изобретатели обнаружили, что аппарат обладает весьма необычными аэродинамическими свойствами. Во-первых, самолет с овальным крылом (будем называть его дальше СОК) совершенно не реагировал на порывы бокового ветра вплоть до 13 м/с. Во-вторых, для разбега ему хватало 150 м (у АН-2 — 180 м, у остальных самолетов того же класса порой еще больше). Но главным оказалось практическое соотношение полезной нагрузки и общей снаряженной массы самолета — 0,45! К такому коэффициенту никто пока и близко не подходил. Самолет смело можно было показывать будущим инвесторам.

Сегодня странный «овалоплан» Луи Блерио кажется абсурдом: слишком много ошибок допустил французский конструктор при его постройке. Но Блерио действовал наугад: в 1906 году никто еще не знал, какая конфигурация крыла окажется выигрышной.

Кольца вертикального взлета

Среди немецких проектов времен Второй мировой многие были совершенно удивительны по своей смелости и нестандартности. Так, истребитель-перехватчик вертикального взлета и посадки «Жаворонок» (Lerche) конструкции Эрнста Хейнкеля (1944) имел замкнутое девятигранное крыло и два независимых мотора Daimler-Benz 605D, каждый из которых вращал свой пропеллер. Оба пропеллера располагались внутри крыла. Для того времени самолет был необычен тем, что подразумевал вертикальный взлет и посадку.

Сложно сказать, что бы вышло у Хейнкеля, если бы «Жаворонок» был воплощен в металле. В 1945 году Хейнкель разрабатывал еще и LercheII, времени на первый не хватало, и проект сгинул в безвестности. Впрочем, у всех желающих есть возможность полетать на «Жаворонке» — в компьютерной игре «Ил-2 Штурмовик: забытые сражения. 1946».

А вот французы в 1959 году нашли возможность воплотить свой кольцекрылый шедевр в металле. Удивительный реактивный самолет SNECMA C-450 Coleoptere даже взлетел. Правда, приземлился он довольно жестко, едва не похоронив под собой пилота. Собственно, компания SNECMA разработала беспилотный летательный аппарат с кольцеобразным крылом еще раньше, в 1954 году. Он получил лирическое название Atar Volant C-400 P-1 («Летающая звезда») и совершил более 200 успешных испытательных полетов. Как и немецкий «Жаворонок», это был самолет вертикального взлета и посадки. Следующим шагом стало создание пилотируемого аппарата, которым и стал C-450. Восьмиметровый истребитель был успешно запущен, но при переходе от вертикального полета к горизонтальному продемонстрировал полную неспособность держать высоту и камнем ухнул вниз. Пилот катапультировался, а дорогостоящий проект был тотчас же закрыт.

Французский самолет SNECMA C-450 (1959) умел летать только вертикально. При попытке пилота перейти к горизонтальному полету опытная конструкция камнем рухнула вниз. Проект самолета с замкнутым контуром крыла был тотчас закрыт.

SNECMA C-450 (1959) Умел летать только вертикально. При попытке пилота перейти к горизонтальному полету опытная конструкция камнем рухнула вниз. Проект самолета с замкнутым контуром крыла был тотчас закрыт

Последней попыткой создать кольцеплан вертикального взлета был американский проект Convair Model 49 (1967). Фирма Convair сегодня хорошо известна проектом самолета-подлодки и рядом других безумных конструкций. Model49 был гибридом самолета и вертолета. Его кольцевидное крыло скрывало под собой арсенал, которым мог бы гордиться целый артиллерийский полк. Пулеметы, гранатометы, пушки и ракетометы — «49-й» мог в одиночку дать бой полноценной армии. Если бы был изготовлен. Сумасшедший проект был благоразумно отклонен правительством США.

Новая жизнь замкнутого крыла

В 2006 году темой овального крыла опять заинтересовались специалисты. На одном из минских предприятий была организована опытно-конструкторская работа (ОКР) по восстановлению самолета с овальным крылом, его испытаниям и изучению аэродинамических особенностей. Главным конструктором ОКР стал Александр Михайлович Анохин, бывший военный летчик с солидным 35-летним стажем. Нарушевич и Гущин вошли в состав конструкторского бюро. В 2008-м к работе был привлечен доктор физико-математических наук, профессор Леонид Иванович Гречихин. Он работал над аэродинамическими свойствами ракет еще со знаменитым Королевым, а ныне консультирует и читает лекции в различных институтах СНГ. В итоге сложился коллектив, который и сейчас продолжает работу над этой тематикой.

Проблема была в том, что самолет с 2004 года в небо не поднимался и пришел практически в негодное состояние. Но работа закипела не на шутку. Самолет был доработан, подготовлен к полетам и выведен из ангара. Начались испытания. Конфигурация машины осталась прежней, но доводка была серьезной — вплоть до изменения профиля крыла. Значительная работа досталась Гречихину: самолет с овальным крылом был построен, но никто его подробно ранее не рассчитывал!

Технические особенности

Что такое СОК сегодня? Это, безусловно, самолет. Но по своим качествам в воздухе он заметно отличается от обычных машин с плоскими или закругленными крыльями. Для обычного плоского крыла характерно индуктивное сопротивление: воздух из зоны повышенного давления под крылом стремится перетекать в зону разрежения на верхней поверхности через законцовки крыла. При этом за самолетом образуются концевые вихри, на формирование которых также расходуется энергия, которая и составляет величину индуктивного сопротивления.

Для овального крыла проблема индуктивного сопротивления не актуальна, поскольку у него отсутствуют законцовки. Кроме того, набегающий поток воздуха, проходя сквозь замкнутый контур, направляется вниз, создавая дополнительную подъемную силу. Этот эффект проявляется тем сильнее, чем больше угол атаки крыла. А угол атаки у подобной конструкции может быть беспрецедентно большим.

Срыв потока происходит, когда воздушная струя при увеличении угла атаки перестает плавно обтекать верхнюю поверхность крыла и отрывается от нее с образованием вихрей. При этом подъемная сила на крыле тут же пропадает и аппарат теряет контроль. Овальное крыло допускает угол атаки крыла до 50°, в то время как его ближайшие конкуренты достигают максимум 20−22°. Воздух, находящийся внутри замкнутого крыла, затрудняет срыв потока с верхней поверхности нижней части крыла. А при выходе потока из замкнутого контура он за счет эжекции (процесса смешения двух сред, когда одна среда увлекает за собой другую) «подсасывает» воздух, проходящий по верхней поверхности верхней части крыла. Эти данные получены не эмпирическим путем — овальное крыло «проливали» в гидроканале.

Способность летать на экстремально больших углах атаки вкупе с эффектом отклонения потока позволяют аппарату летать на предельно малых скоростях без использования закрылков. У СОК отсутствует механизация крыла, что не мешает ему надежно взлетать и садиться. Беспрецедентная устойчивость к срыву потока позволяет самолету устойчиво и надежно летать в самом широком скоростном диапазоне.

Многие качества СОК удивляют. Он успевает разогнаться, подлететь и приземлиться на неровной травянистой дорожке длиной всего 400 м, при выключенном моторе хорошо планирует и вообще ведет себя в воздухе очень стабильно. Овальное крыло делает самолет более маневренным и экономичным. Кроме того, замкнутый контур придает крылу дополнительную прочность. По мнению Гречихина, самолеты с классическими крыльями скоро исчерпают себя. Все очень просто: чем больше самолет, тем тяжелее и мощнее его крыло, тем труднее поддерживать его жесткость. По сути, самолет несет массу «бесполезной» нагрузки — вес собственных лонжеронов. А овальное крыло в два раза легче при той же подъемной силе.

Традиционные проблемы

Главная проблема состоит в том, что белорусские законы об авиации вообще не предусматривают создание на территории страны летательных аппаратов и выполнение ими полетов. Недавно в компании «Мидивисана» создано специализированное конструкторское бюро по разработке беспилотных летательных аппаратов под руководством Анохина. В числе сотрудников состоят и Нарушевич, и Гущин. Сложившийся коллектив энтузиастов не теряет надежды, что хотя бы в беспилотном самолете им удастся реализовать свое изобретение — овальное крыло замкнутого типа.

Попытки создать кольцеплан были и в СССР. В 1936 году студент МАИ Суханов представил к защите в качестве дипломной работы проект самолёта с кольцевым крылом. Диаметр крыла составлял 3 метра, а расчётная скорость 600 км/ч должна была обеспечиваться 800-сильным двигателем «Испано-Сюиза». К 1940 году диплом стал полноценным проектом истребителя-перехватчика короткого взлёта и посадки и был рассмотрен на научно-техническом совете ЦАГИ. Но пришла война: на постройку самолёта не было времени и средств, тем более на его испытания. В 1942 году в Новосибирске Суханов построил действующую модель «Кольцеплана». Испытания модели показали, что самолёт выдерживает углы атаки до 43°, имеет высокую энерговооружённость, антиштопорные свойства и великолепную маневренность. Суханов получил авторское свидетельство, провёл все расчёты – но «Кольцеплан» по причине войны и разрухи в стране так и не увидел свет.

Свои свойства крыло проявляет только при определенном отношении осей эллипса друг к другу, длины хорды крыла к малой оси эллипса и прочих нюансах профиля крыла. Конструкторы подали заявки на патент и получили справки приоритета на данную форму крыла в Белоруссии и России. Теперь, похоже, никто не сможет повторить их успех, потому что все доступные «коридоры» выгодных параметров крыла уже застолбили.

На период от начала разработки до постройки первой серийной модели легкомоторного самолета нужно примерно $12 млн, говорит Александр Анохин. «Мы даже дельтаплан можем сделать с подобным крылом. Представляете? Дельтаплан, не боящийся бокового ветра!» Основная проблема — это даже не финансирование: стоит СОК добраться, например, до МАКСа, как инвесторы найдутся. Проблема в белорусском законодательстве, по которому созданное на территории страны летательное средство крайне трудно зарегистрировать, а в данном случае просто невозможно, поскольку оно не относится к известным классам ЛА. Впрочем, уже существует договор с воронежским аэродромом, который планируется использовать для дальнейших испытаний машины.

Что дальше? Посмотрим. Факт остается фактом. Впервые в истории авиастроения самолет с замкнутым контуром крыла поднялся в воздух. Может, мы на пороге новых открытий. А может, это просто курьезный летательный аппарат, единичный случай. Время покажет.

Тим Скоренко
Источник: tehnowar.ru

. .