5 марта 2017 г.

Б.И. Голдовский. Оригинальные самолеты Берта Рутана.

Берт (Альберт) Рутан является известным авиаконструктором не только у себя на родине (в США), но и во всем мире. Его самолеты не похожи ни на какие другие, и на счету его летательных аппаратов больше мировых рекордов, чем у кого-либо другого в аэрокосмической отрасли.

Справка [1]:

Профессия: авиаконструктор

Год рождения: 1943

Образование: Калифорнийский политехнический университет (аэронавтика, 1961−1965), Калифорнийский технологический (космические технологии, 1964), Колледж Университета Голден-гейт (маркетинг и управление персоналом, 1968−1969), а также почетные степени различных американских и европейских университетов.

Награды: более ста различных наград. Среди самых значимых — Президентская медаль за гражданские достижения 1986 года (вторая высшая гражданская награда США), Кубок Роберта Колье 1987 и 2004 годов (высшая награда американской Национальной ассоциации аэронавтики, кроме Рутана всего два человека награждены более одного раза, Гленн Кертис и Келли Джонсон).

Количество спроектированных летательных аппаратов: 375, были построены и поднялись в воздух 47 (6 из них совершили первый полет под управлением Рутана).

Чтобы лучше представлять, о ком идет  речь, можно напомнить, что Б.Рутан был разработчиком опытного самолета с изменяемой стреловидностью крыла (рис.1), не редко приводимого в материалах ТРИЗ как пример динамичности, а также разработчиком рекордного самолета Voyger, совершившего первый беспосадочный перелет вокруг Земли. Однако интерес представляют не столько рекорды, установленные на самолетах разработки Б.Рутана, сколько оригинальность их конструкции и, главное, подходы, определившие именно тот или иной облик летательного аппарата.

Первыми проектами Б.Рутана были легкие одно или двух местные самолеты, пригодные для самостоятельной постройки: Vari-EZ (1975г., рис. 2) и  Long-EZ (1979г., рис. 3). Главными критериями при разработке этих самолетов были простота конструкции, высокая экономичность и безопасность при управлении непрофессиональным пилотом. Простота конструкции обеспечивалась в первую очередь выбором материала: дерево и пенопласт. В принципе такой самолет можно было изготовить самому в гараже в течение года. К 1985 году было изготовлено более 400 самолетов  Vari-EZ. А на конец 2005 года в США было зарегистрировано порядка 700 экземпляров  Long-EZ.

Высокая экономичность и безопасность в управлении обеспечивались оригинальной аэродинамической схемой. Была принята силовая установка с толкающим воздушным винтом, который имеет более высокий КПД по сравнению с тянущим винтом. Кроме того, расположение движителя в хвостовой части повышает динамическую устойчивость самолета и позволяет иметь меньшую площадь стабилизирующих плоскостей хвостового оперения. Крыло имеет большое удлинение и концевые вертикальные законцовки, что обеспечивает высокое аэродинамическое качество самолета. Чтобы обеспечить требуемую центровку при расположенном сзади двигателе, крылу придана стреловидность. При этом из площади  вертикальных законцовок крыльев, которые оказались расположены в хвостовой части самолета, были выделены управляющие по курсу вертикальные рули. Для управления по высоте в носу были установлены горизонтальные рули, которые были несущими (то есть создавали подъемную силу в не переложенном состоянии).

Рисунок 1- NASA AMES AD-1 (1979г.)

Экспериментальный летательный аппарат, разработанный Рутаном для Исследовательского центра NASA им. Эймса для изучения схемы косого поворотного крыла ассиметрично изменяемой стреловидности. На протяжении трех лет в рамках экспериментальной программы  NASA совершил 79 полетов.

 

Бурт Рутан - гений авиастроения

Рисунок 2 – Одноместный самолет Vari-EZ (1975г.)

Принятая схема управления по высоте, именуемая «уткой», обеспечивала устранение так называемых «потерь подъемной силы на балансировку», характерных для хвостового расположения рулей высоты, что позволило несколько снизить нагрузку на крылья. Кроме того, такая схема обеспечивала надежное управление, снижая вероятность срыва самолета в штопор. Это особенно важно не только из-за возможного наличия непрофессионального пилота, но и из-за большого удлинения крыла: увеличение удлинения крыла приводит к уменьшению величины критического угла атаки, при котором начинается вихревой срыв потока и инициируется штопор. Поскольку максимальная скорость самолета составляла 300-350 км/ч, основные стойки трех опорного шасси были выполнены не убирающимися, что снижало вес самолета. Складывающейся была сделана только носовая стойка, чтобы летчику (и пассажиру) было легче влезть в кабину.

 

Бурт Рутан - гений авиастроения

Рисунок 3 – Двухместный самолет Long-EZ (1979г.)

Принятые технические решения позволили этим машинам установить несколько мировых рекордов. Самолет Vari-EZ с двигателем мощностью 62 л.с. (модифицированный автомобильный «Фольксваген») показал на замкнутом маршруте дальность полета 2621 км, что стало наивысшим мировым достижением для машин с взлетной массой до 500кг. Позднее в классе машин с взлетной массой до 1000кг Long-EZ с авиационным двигателем мощностью 115 л.с. и с дополнительным баком горючего, установленным на месте пассажира, пролетел 6440 км по прямой. А при штатном количестве горючего (200 литров бензина) он проходил расстояние свыше 2500 км. Для самолета длиной чуть более 5м это были выдающиеся достижения [2].

 Если проанализировать подход Б.Рутана к проектированию рассмотренных самолетов, то можно увидеть, что в нем целостно реализуются принципы идеальности «ничего лишнего» и «из лишнего – максимальную пользу». За базу принимаются основные оптимальные (специализированные) элементы, обеспечивающие достижение поставленной цели, которые дополняются остальными элементами системы, максимально согласованными с основными элементами, создавая в совокупности системный эффект. Уже отмечалось, что для обеспечения высокой экономичности принято крыло большого удлинения с концевыми вертикальными законцовками и толкающий воздушный винт. Однако для создания аэродинамического эффекта концевые законцовки крыла достаточно сделать небольшими – как это делается на современных пассажирских самолетах. Но конструктор увеличил их размер, чтобы использовать в качестве вертикальных стабилизирующих и управляющих плоскостей. А для этого законцовки должны быть перемещены в хвостовую область самолета, что было обеспечено приданием крыльям стреловидности. Носовое несущее оперение позволило при существенной стреловидности крыла обеспечить оптимальную центровку самолета. За счет этого же носового управляющего оперения (схема «утка») удалось также скомпенсировать нежелательный эффект, заключающийся в склонности крыла большого удлинения к срыву в штопор.

Подобный подход использован и при разработке самолета  Voyger, установившего рекорд дальности беспосадочного полета вокруг земного шара (рис. 4).

Бурт Рутан - гений авиастроения

Рисунок 4 – Рекордный винтовой самолет Voyger (1986г.)

В конструкции все было подчинено одной идее – взять как можно больше горючего и расходовать его как можно экономнее. Схема – очень длинное тонкое крыло (с вертикальными законцовками) в задней части короткого фюзеляжа, по бокам от последнего – балки-цистерны, соединённые между собой и с носом фюзеляжа тоже узким и длинным (10 м) передним горизонтальным оперением (несущим и управляющем); по вертикальному килю на концах каждой из балок. Voyger был сделан целиком из композиционных материалов, что позволило получить вес планера всего 426 кг – это при длине фюзеляжа 7,74 м, балок – 8,9 м и размахе крыла 33,77 м.

В носовой и хвостовой частях фюзеляжа были установлены два поршневых двигателя: впереди, с тянущим винтом, мощностью 130 л.с., и сзади, с толкающим – 110 л.с. Для экономии горючего носовой двигатель в крейсерском полёте, после набора рейсовой высоты, должен был отключаться (реально это было сделано на третьи сутки перелёта). А горючее размещалось везде: в крыле, фюзеляже, боковых балках, даже в оперении. Его вес составлял 3180 кг – более 72% всего стартового веса самолёта. Причём в полёте горючее надо было время от времени перекачивать из одного бака в другой по определённой схеме – при такой доле в полётном весе его распределение по «геометрии» самолёта играет решающую роль в формировании центровки машины.

Перелёт, начавшийся на рассвете 14 декабря 1986 года, длился 216 часов 3 минуты 44 секунды (то есть практически 9 суток), за это время было пройдено 40 212,139 км пути.  Управляла самолетом пара пилотов: Дик Рутан (старший брат конструктора) и Джина Йигер [2].

В конструкции этого самолета для достижения максимальной экономичности использованы те же технические решения, что и в проектах  Vari-EZ и  Long-EZ: крыло большого удлинения с законцовками, толкающий воздушный винт на основном протяжении пути, носовое несущее и управляющее горизонтальное оперение. Но общая схема с коротким центральным фюзеляжем и двумя разнесенными по бокам балками-цистернами позволила оптимизировать (уменьшить) изгибающие моменты, действующие на длинное и тонкое крыло, что, в свою очередь, обеспечило его прочность при изготовлении из композиционных материалов. По сути дела единый фюзеляж разделили на три (дробление и мультипликация элементов) и разнесли в пространстве для оптимизации нагрузки на крыло.

По близкой схеме был создан и другой рекордный самолет Global Flyer (рис. 5), на котором в марте 2005 года пилот Стивен Фоссет совершил первый одиночный кругосветный перелет, преодолев 36 912км за 2 дня 19 часов 1 минуту и 46 секунд, одновременно поставив рекорд максимальной средней скорости (550,78 км/ч). Позднее на этом самолете были установлены ещё несколько мировых рекордов.

Рисунок 5 – Рекордный реактивный самолет Global Flyer (2005г.)

Этот однодвигательный самолет с размахом крыла 35м и сухой массой 1678кг нес более 8т топлива. Самолет - целиком композитный, и его конструкция ещё более эффективна, чем у Voyger: вес горючего составлял 82% от общего веса машины при взлёте. Лётчик размещался в небольшом «урезанном» фюзеляже, размер кабины позволял ему лежать; сверху на задней части был установлен турбовентиляторный двигатель с тягой 1020 кг. Самолёт тоже построен по двухбалочной схеме, но, в отличие от Voyger с его передним горизонтальным оперением, использована почти обычная для такой схемы конфигурация – каждая балка-цистерна на хвосте несёт небольшие киль и стабилизаторы с рулями, так что выглядит это как два самолёта, «нанизанные» на одно крыло по сторонам от пилотской гондолы. Во время перелета Global Flyer показал на 75% лучшую топливную эффективность, чем любой из существующих реактивных самолётов [1], [2].

Мультипликация элементов применена Б.Рутаном и в конструкции экспериментального самолета Proteus (рис. 6 и 7), который совершил свой первый полет в 1998 году. Самолет был заказан компанией «Энджел Текнолоджиз Корп.». Он предназначался для работы в составе системы сотовой телефонной связи «с элементами воздушного базирования». Proteus должен был находиться в воздухе в течение до 18 часов на очень большой высоте (до 19 км) – чтобы оттуда охватывать ретрансляцией возможно большую площадь. Кроме того, самолет предназначался для изучения окружающей среды в рамках проекта NASA Environmental Research Aircraft and Sensor Technology (ERAST) и ещё нескольких военных, научных и исследовательских проектов. В 2000 году Proteus установил три официальных рекорда высоты.

Рисунок 6 – Экспериментальный высотный самолет Proteus (1998г.). На стоянке

 

Бурт Рутан - гений авиастроения

Рисунок 7 – Экспериментальный высотный самолет Proteus (1998г.). В полете с подвешенным исследовательским модулем

Для обеспечения большой высоты и длительности полета (при отсутствии требования большой скорости), в конструкции были применены крылья большого удлинения. У Proteus таких крыльев два: прямое переднее и заднее, побольше размахом и изогнутое во фронтальной проекции – от фюзеляжа оно полого опускается вниз (к месту расположения хвостовых стоек шасси), затем поднимается вверх, и завершается это законцовками, снова отогнутыми вниз. Такая конструкция самолёта называется биплан-тандем, а форма хвостового крыла – «обратная чайка». Две балки, отходящие в хвост от заднего крыла, несут вертикальное оперение из верхнего и нижнего килей; горизонтальное оперение на этот раз вообще отсутствует (хвостовое крыло обеспечивает стабилизацию, а носовое крыло - управление по высоте). Экономичные турбовентиляторные двигатели установлены на пилонах сверху хвостовой части фюзеляжа. Proteus мог пилотироваться летчиком из кабины, а также дистанционно с земли или совершать полет автономно (в автоматическом режиме) [1], [2].

Можно отметить, что сделав ставку на оптимальный специализированный элемент, обеспечивающий главную характеристику – экономичность полета, в виде крыла большого удлинения, конструктор не мог не столкнуться с ограничениями на параметры такого крыла: тонкое и узкое крыло невозможно было сделать очень большого размаха (при сохранении прочности), чтобы обеспечить требуемую площадь и, соответственно, подъемную силу. Это противоречие разрешалось за счет системного эффекта путем увеличения числа аналогичных элементов (мультипликация, выход из подсистемы в систему): несколько крыльев, применение несущих управляющих плоскостей (дополнительных мини-крыльев), а также использование нескольких корпусов (фюзеляж плюс специальные балки-цистерны) для снижения нагрузок на крыло.

Ещё одним свидетельством оригинального конструкторского почерка Б.Рутана является довольно «свободное» обращение с симметрией летательных аппаратов.  Примером такого обращения может служить уже упоминавшийся экспериментальный самолет с крылом переменной стреловидности (рис. 1). Однако наиболее  наглядной в этом плане является другая конструкция Б.Рутана – пассажирский самолет Boomerang, построенный в 1996 году (рис. 8) [1].

Бурт Рутан - гений авиастроения

Рисунок 8 – Пассажирский двухмоторный самолет Boomerang (1996г.)

Машина выполнена полностью асимметричной, фюзеляж, вмещающий летчика и пять пассажиров, с одним из двигателей расположен правее середины крыла, слева от него мотогондола второго двигателя (меньшей мощности), продлённая в хвост до оперения. Два киля, один на фюзеляже, второй на удлинённой мотогондоле; её хвостовая оконечность соединена с фюзеляжем горизонтальным оперением, тоже несимметричным. Крылья имеют небольшую обратную стреловидность. С нагрузкой в 450 кг самолёт развивал 530 км/ч (при суммарной мощности двух моторов всего 410 л.с.) и мог пролететь 3780 км [2].

Задача при создании Boomerang стояла следующая: сделать максимально безопасным полет при отказе одного из двигателей двухмоторной машины. При традиционной компоновке двухмоторного винтового самолета (центральный фюзеляж плюс две винтомоторные установки на крыльях по бокам) расстояние между осями винтов и осью фюзеляжа получается достаточно большим. Причем, чем меньше самолет, тем относительно большим оказывается это расстояние. При отказе одной из винтомоторных установок уменьшается скорость полета, что вызывает увеличение угла атаки для сохранения подъемной силы. Кроме того, появляется путевой момент, пытающийся развернуть самолет в сторону неработающего двигателя, величина которого определяется тягой движителя и расстоянием между осями фюзеляжа и винтомоторной установки. Для компенсации этого момента на определенный угол перекладывается вертикальный руль направления. Это обеспечивает прямолинейность движения, но вектор скорости отклоняется от оси фюзеляжа на некоторый угол по курсу, опять таки в сторону неработающего двигателя. То есть самолет должен лететь в условиях косого пространственного обтекания, при этом пилот вынужден учитывать скос вектора скорости по курсу и не делать «резких движений», чтобы машина не свалилась в штопор.

За счет отступления от традиционной симметрии (одна винтомоторная установка на фюзеляже, другая на мотогондоле, причем плоскости винтов разнесены по длине самолета) Б.Рутану удалось существенно уменьшить плечо действия тяги одного из работающих движителей относительно от оси равнодействующей силы, проходящей слева от оси фюзеляжа и параллельно ей. Соответственно при выходе из строя одной из винтомоторных групп путевой отклоняющий момент уменьшался в несколько раз, что в такой же степени уменьшало угол скоса вектора скорости по курсу. А наличие небольшой обратной стреловидности крыльев снижала вероятность сваливания самолета в штопор даже при малой скорости. При этом остановка одного из двигателей почти не требовала от пилота дополнительных действий, техника управления оставалась практически такой же.

Другим не менее ярким примером использования несимметричной компоновки является единственный проект боевого самолета ARES, построенного Б.Рутаном в 1990 году (рис. 9).

Рисунок 9 – Боевой высокоманевренный штурмовик ARES (1990г.)

Данный проект был разработан Б.Рутаном в инициативном порядке с целью создания небольшого и сравнительного дешевого штурмовика для борьбы с вертолетами и наземной техникой. Проблемным вопросом стало размещение на самолете, имеющем взлетный вес всего 2,8т, достаточно мощной пушки GAU-12U калибра 25 мм с боекомплектом 220 снарядов. В принципе подобное вооружение типично для штурмовиков. Например, на Су-25 установлена авиационная пушка калибром 30мм с боекомплектом 250 снарядов. Однако взлетный вес СУ-25 более чем в 5 раз превышает вес ARES. Чтобы решить проблему с компенсацией веса оружия и отдачи от стрельбы Б.Рутан пошел на отступление от традиционной симметрии. Пушка была размещена справа, а двигатель смещен влево. Турбореактивный двухконтурный двигатель Пратт-Уитни JT15-D-5 с тягой 1340 кгс и электронной системой регулирования подачи топлива  был установлен под углом относительно оси фюзеляжа, а выходное устройство искривлено для «выравнивания» линии тяги. Поскольку воздухозаборник был расположен в верхней части по левому борту фюзеляжа, на большом удалении от дульного среза пушки, это препятствовало попаданию в двигатель пороховых газов. В результате такой компоновки ось фюзеляжа была смещена на 0,76м вправо относительно плоскости симметрии крыла.

Для снижения веса самолета его конструкция более чем на 50 процентов по массе выполнена из стеклопластика. Поверхности управления и части конструкции, расположенные вблизи пушки, изготовлены из стеклопластика и кевлара. Кабина самолета — одноместная, имеющая наддув для защиты от оружия массового поражения, с хорошим обзором вперед — вниз и по сторонам, с катапультным креслом. Бронирование кабины — из кевлара. Также для снижения веса применена безбустерная система управления самолетом (то есть без промежуточных усилителей). Гидравлика используется только для выпуска и уборки шасси и воздушных тормозов.

В результате были получены достаточно высокие эксплуатационные параметры, обеспечивающие выполнение поставленной боевой задачи: максимальная скорость - 650 км/ч, крейсерская - 555 км/ч, Угловая скорость установившегося разворота (в боевой конфигурации) 36 град/с. Для сравнения: максимальная скорость установившегося разворота одного из наиболее маневренных истребителей ВВС США F-16С (в боевой конфигурации) составляет 10,6 град/с, а штурмовика Су-25 – 13 град/с. Подобную скорость разворота имели только более тихоходные истребители-бипланы 30-х годов прошлого века [3].

Анализ проектов Boomerang и ARES показывает следующий подход Б.Рутана к формированию оптимальной компоновки (с игнорированием традиционной симметрии). Из системы выделяются основные элементы, в наибольшей степени влияющие на достижение поставленной цели и, соответственно, наиболее связанные с главной проблемой проекта. Эти элементы располагаются в пространстве относительно друг друга таким образом, чтобы цель была достигнута, а проблема – решена. И уже потом на эти элементы «навешивается» остальная «архитектура» таким образом, чтобы за счет системного эффекта скомпенсировать неизбежно возникающие побочные нежелательные эффекты выбранной компоновки.

Сам Б.Рутан отмечал, что его самолеты узкоспециализированные, то есть очень хороши только для решения совершенно конкретной задачи [1].  Поэтому оригинальность архитектуры его проектов – не самоцель творческой натуры, а неизбежное следствие последовательного применения принципов идеальности и системности для достижения оптимального результата.

Источники

1. Берт Рутан: интервью с создателем Voyager и SpaceShipOne // Популярная механика. 2015, № 11 - http://www.popmech.ru/technologies/232168-bert-rutan-intervyu-s-sozdatelem-voyager-i-spaceshipone/

2. Мейлицев В. Берт Рутан – гений авиастроения. (2005) - http://topwar.ru/22818-burt-rutan-geniy-aviastroeniya.html

3. Ильин В. Самолеты Берта Рутана: ARES. - http://www.infuture.ru/article/142

Нижний Новгород

Июнь 2016г.