Необычная конструкция: преимущества и недостатки самолетов с поворотным крылом

Основной идеей Фогта была возможность значительно снизить лобовое сопротивление при полетах на высоких скоростях. Самолет взлетал с обычным симметричным крылом (поскольку крыло малой стреловидности имеет высокий коэффициент подъемной силы), а в полете оно поворачивалось в плоскости, параллельной оси фюзеляжа, тем самым уменьшая сопротивление. Собственно, это было одно из решений по реализации изменяемой стреловидности крыла — одновременно немцы отрабатывали и классическую симметричную стреловидность на самолете Messerschmitt Р.1101.

Blohm & Voss and P.202 казался слишком безумным, для того чтобы пойти в серию. Его крыло размахом 11,98 м могло поворачиваться на центральном шарнире на угол до 35° — при максимальном угле размах изменялся до 10,06 м. Основными недостатками были громоздкий и тяжелый (по расчетам) механизм поворота, занимавший слишком много места внутри фюзеляжа, и невозможность использовать крыло для навески дополнительного оборудования. Проект остался только на бумаге.

В то же самое время над похожим проектом работали и специалисты фирмы Messerschmitt. Их машина Me P.1109 получила прозвище «крыло-ножницы». У машины было два крыла, причем внешне независимых: одно располагалось над фюзеляжем, второе — под ним. При повороте верхнего крыла по часовой стрелке нижнее аналогичным образом поворачивалось против — такая конструкция позволяла качественно компенсировать перекос самолета при асимметричном изменении стреловидности. Крылья могли поворачиваться на угол до 60°, а при их положении, перпендикулярном оси фюзеляжа, самолет выглядел как обычный биплан.

Трудности у Messerschmitt были такие же, как у Blohm & Voss: сложный механизм и вдобавок — проблемы с конструкцией шасси. В итоге в серию не пошел даже построенный в железе самолет с симметрично изменяемой стреловидностью — Messerschmitt Р.1101, что уж говорить об асимметричных конструкциях, оставшихся лишь проектами.

Преимущества у асимметрично изменяемой стреловидности те же, что и у симметричной. Когда самолет взлетает, требуется высокая подъемная сила, когда же летит на высокой скорости (особенно выше скорости звука), подъемная сила уже не столь актуальна, а вот высокое лобовое сопротивление начинает мешать. Авиаинженерам приходится искать компромисс. Изменяя же стреловидность, самолет приспосабливается к режиму полета. Расчеты показывают, что расположение крыла под углом 60° к фюзеляжу значительно снизит аэродинамическое сопротивление, увеличивая максимальную крейсерскую скорость и снижая расход топлива.

Но в таком случае возникает второй вопрос: зачем нужно асимметричное изменение стреловидности, если симметричное гораздо удобнее для пилота и не требует компенсации? Дело в том, что главный недостаток симметричной стреловидности — это техническая сложность механизма изменения, его солидные масса и стоимость. При асимметричном изменении устройство значительно проще — по сути, ось с жестким креплением крыла и поворачивающий ее механизм. Такая схема в среднем на 14% легче и минимизирует волновое сопротивление при полете на скоростях, превышающих скорость звука (то есть преимущества проявляются и в летных показателях). Последнее вызывается ударной волной, возникающей, когда часть обтекающего самолет потока воздуха приобретает сверхзвуковую скорость. Наконец, это самый «бюджетный» вариант изменяемой стреловидности.

Поэтому с развитием технологий человечество не могло не вернуться к интересному концепту. В начале 1970-х по заказу NASA был изготовлен беспилотный аппарат OWRA RPW (Oblique Wing Research Aircraft) — для исследований полетных свойств подобной схемы. Консультантом при разработке был сам Фогт, после войны эмигрировавший в США, на тот момент уже весьма пожилой человек, а главным конструктором и идеологом возрождения идеи — инженер NASA Ричард Томас Джонс. Джонс «болел» за эту идею еще с 1945 года, когда был сотрудником NACA (предшественницы NASA, National Advisory Committee for Aeronautics), и к моменту строительства образца абсолютно все теоретические выкладки были отработаны и тщательно проверены. Крыло OWRA RPW могло поворачиваться на угол до 45°, у беспилотника имелся рудиментарный фюзеляж и хвост — по сути, это был летающий макет, центральным и единственно интересным элементом которого было крыло. Основную часть исследований проводили в аэродинамическом тоннеле, часть — в реальном полете. Крыло показало себя неплохо, и в NASA приняли решение о строительстве полноценного самолета.

Конечно, у асимметричного изменения стреловидности есть и недостатки — в частности, асимметрия лобового сопротивления, паразитные поворачивающие моменты, ведущие к избыточному крену и рысканию. Но все это уже в 1970-х годах можно было победить частичной автоматизацией органов управления.

Самолет AD-1 (Ames Dryden-1) стал совместным детищем целого ряда организаций. Построила его в железе компания Ames Industrial Co., общий дизайн создали на «Боинге», технологические исследования проводила компания Берта Рутана Scaled Composites, а летные испытания велись в исследовательском центре Драйдена в Ланкастере, Калифорния. Крыло AD-1 могло поворачиваться на центральной оси на 60°, причем только против часовой стрелки (это значительно упрощало конструкцию без потери преимуществ). Привод крыла осуществлялся от компактного электродвигателя, расположенного внутри фюзеляжа непосредственно перед двигателями (в качестве последних использовались классические французские ТРД Microturbo TRS18). Размах трапециевидного крыла в перпендикулярной позиции составлял 9,85 м, а в повернутой — всего 4,93, что позволяло достигнуть максимальной скорости в 322 км/ч.

21 декабря AD-1 впервые поднялся в воздух, и в течение следующих 18 месяцев при каждом новом полете крыло поворачивали на 1 градус, фиксируя все показатели самолета. В середине 1981 года самолет «достиг» максимального угла в 60 градусов. Полеты продолжались до августа 1982-го, всего AD-1 поднимался в воздух 79 раз.

Основной идеей Джонса было использование асимметричного изменения стреловидности в самолетах для межконтинентальных рейсов — скорость и экономия топлива лучше всего окупали себя именно на сверхбольших расстояниях. Самолет AD-1 действительно получил положительные оценки и экспертов, и пилотов, но, как ни странно, никакого продолжения история не получила. Проблема состояла в том, что вся программа была в первую очередь исследовательской. Получив все необходимые данные, NASA отправило самолет в ангар; 18 лет назад он перебрался на вечное хранение в авиационный музей Хиллера в Сан-Карлосе. NASA, будучи исследовательской организацией, авиастроением не занималось, а никто из крупных авиапроизводителей не заинтересовался концепцией Джонса. Межконтинентальные лайнеры по умолчанию значительно крупнее и сложнее «игрушки» AD-1, и компании не решились вкладывать огромные деньги в исследования и разработку перспективной, но очень уж подозрительной конструкции. Классика победила инновации.

Впоследствии NASA вернулось к теме «косого крыла», построив в 1994 году небольшой беспилотник с размахом крыла 6,1 м и возможностью менять угол стреловидности от 35 до 50 градусов. Он строился в рамках создания 500-местного трансконтинентального авиалайнера. Но в итоге работы над проектом были свернуты по все тем же финансовым причинам.

Тем не менее «косое крыло» получило третью жизнь, и на этот раз благодаря вмешательству хорошо известного агентства DARPA, которое в 2006 году предложило компании Northrop Grumman десятимиллионный контракт на разработку беспилотного аппарата с асимметричным изменением стреловидности.

Но корпорация Northrop вошла в историю авиации в первую очередь благодаря своим разработкам самолетов типа «летающее крыло»: основатель компании Джон Нортроп был энтузиастом такой схемы, с самого начала задав направление исследований на много лет вперед (он основал компанию в конце 1930-х, а умер в 1981 году). В итоге специалисты Northrop решили неожиданным образом скрестить технологии летающего крыла и асимметричной стреловидности. Итогом стал беспилотник Northrop Grumman Switchblade (не путать с другой их же концептуальной разработкой — истребителем Northrop Switchblade).

Конструкция беспилотника достаточно проста. К 61-метровому крылу прикрепляется навесной модуль с двумя реактивными двигателями, камерами, электроникой управления и навеской, необходимой для миссии (например, ракетами или бомбами). У модуля нет ничего лишнего — фюзеляжа, оперения, хвоста, он напоминает гондолу воздушного шара, разве что с силовыми агрегатами. Угол поворота крыла относительно модуля — все те же идеальные 60 градусов, рассчитанные еще в 1940-х годах: при таком угле нивелируются возникающие при движении со сверхзвуковой скоростью ударные волны. С повернутым крылом беспилотник способен пролететь 2500 миль со скоростью 2,0 M.

Концепт летательного аппарата был готов к 2007 году, а к 2010-м годам компания обещала провести первые испытания макета с размахом крыла 12,2 м — как в аэродинамической трубе, так и в реальном полете. Специалисты Northrop Grumman планировали, что первый полет полноразмерного беспилотника произойдет примерно в 2020 году.

Но уже в 2008 году агентство DARPA охладело к проекту. Предварительные расчеты не давали запланированных результатов, и DARPA отозвало контракт, закрыв программу на стадии компьютерной модели. Таким образом, идее асимметричной стреловидности снова не повезло.

На самом деле единственный фактор, который «убил» интересную концепцию, — это экономика. Наличие работающих и проверенных схем делает невыгодной разработку сложной и непроверенной системы. Областей применения у нее две — трансконтинентальные перелеты тяжелых лайнеров (главная идея Джонса) и военные беспилотники, способные двигаться со скоростью, превышающей скорость звука (первостепенная задача компании Northrop Grumman). В первом случае в плюсах — экономия топлива и повышение скорости при прочих равных показателях с обычными авиалайнерами. Во втором наибольшее значение имеет минимизация волнового сопротивления в момент, когда самолет достигает критического числа Маха.

Появится ли серийный летательный аппарат с подобной конфигурацией, зависит исключительно от воли авиастроителей. Если кто-то из них решится вложить деньги в исследования и постройку, а потом докажет на практике, что концепция не только функциональна (это уже доказано), но к тому же и самоокупаема, тогда асимметричное изменение стреловидности имеет шансы на успех. Если же в рамках мирового финансового кризиса таких смельчаков не найдется, «косое крыло» останется еще одной частью богатой на диковинки истории авиации.