Летательные аппараты нетрадиционных схем

Глава 13 Поднимаясь в воздух

Уже при первых попытках человека осуществить полет основной проблемой был подъем аппарата в воздух. Авиаторы хорошо понимали, что созданные ими аппараты не могут сами по себе оторваться от земли и полететь, как это делают, скажем, птицы. За исключением вертолетов и дельтапланов, взлетающих в интенсивных воздушных потоках, все остальные летательные аппараты должны в процессе разбега достичь полетной скорости. Задача набора необходимой для полета скорости может решаться различными способами. В последующих разделах главы описаны основные применявшиеся в авиации схемы взлета или старта.

Разбег летчика

Первым человеком, который стал осуществлять полеты на аппарате с неподвижным крылом, был немецкий авиатор Отто Лилиенталь. В период с 1891 по 1896 г. на семи построенных им планерах он выполнил более 2000 полетов. Планеры его конструкции были достаточно легкими для того, чтобы летчик мог разбежаться по склону холма, неся на себе планер. Однако взлет был невозможен, если ветер в это время был направлен поперек склона. Для устранения этой трудности Лилиенталь впервые построил специальную площадку для взлета - искусственный земляной холм высотой 15 м. С вершины этого холма он всегда был способен разбегаться против ветра (рис. 13.1).

Рис. 13.1. Отто Лилиенталь и один из его балансирных планеров на вершине искусственного земляного холма, позволяющего всегда разбегаться против ветра.

Разбег летчика вниз по склону с последующим входом в интенсивный воздушный поток является и в настоящее время стандартной процедурой взлета дельтапланеристов.

После того, как эволюция подвесных планеров привела к созданию ультралегких летательных аппаратов, оснащенных силовой установкой, Федеральное авиационное управление США стало допускать полеты на самолетах, взлет которых осуществляется с помощью разбега летчика, без летной лицензии. Для того чтобы летательный аппарат попал в указанную категорию, необходимо было выполнить всего лишь один демонстрационный взлет. После квалификационных испытаний практически все УЛЛ выполняли взлет с использованием шасси. Указанное привило было отменено в 1982 г. после того, как полеты без летной лицензии были разрешены на летательных аппаратах массой до 115 кг.

Взлет с ручной буксировкой

Братья Райт значительно усовершенствовали летательные аппараты по сравнению с планерами Лилиенталя, в первую очередь, значительно увеличив размах крыла. Они понимали, что только за счет перемещения массы летчика очень трудно обеспечить управление по крену и тангажу, поэтому они разработали механическую систему управления. Это, несомненно, является важнейшим вкладом братьев Райт в развитие авиации.

Кроме того, братья Райт вполне осознали важность скорости для осуществления взлета, но, к сожалению, не располагали техническими возможностями набора скорости. Поэтому полеты они выполняли с открытых площадок в ветреную погоду. При этом их планеры, медленно двигаясь относительно земли, в то же время имели необходимую для полета скорость относительно воздуха. Братья Райт запросили Метеорологическое бюро США о наиболее подходящем в этом смысле районе страны, в результате чего для проведения полетов были выбраны окрестности г. Китти-Хоук (шт. Северная Каролина). Хотя их планеры имели малую массу, одному человеку все же было довольно трудно управиться с работой по обеспечению взлета, поэтому братья Райт часто прибегали к помощи других энтузиастов авиации. Процедура была крайне простой — помощники подхватывали планер за расчалки и тащили его против ветра (рис. 13.2).

Рис. 13.2. Уилбер Райт на планере 1902 г., который запускают два помощника, поднимающие планер за расчалки и идущие против ветра.

Взлет с использованием тросов, закрепленных на концах крыла

Для достаточно крупных планеров возможен и более совершенный способ взлета, чем описанный в предыдущем разделе. Это взлет с использованием тросов, зацепленных за крюки на законцовках крыла. С помощью таких тросов помощники разгоняют планер (рис. 13.3).

Рис. 13.3. Запуск немецкого планера (1921 г.) с помощью тросов.

Аналогично описанному выше, для выполнения такого взлета необходим достаточно сильный встречный ветер. Этот метод широко применялся в ФРГ после второй мировой войны, когда страну охватила новая волна интереса к планеризму. Существенным недостатком взлета с тросами является то, что при неравенстве усилий тянущих за тросы планер резко разворачивается, и летчик оказывается пе в состоянии парировать разворот. Нередко из-за этого происходили аварии.

Взлет с использованием стартовой резиновой ленты

Логическим развитием предыдущего метода является использование одиночного троса, закрепленного в носовой части планера, за который тянут сразу несколько человек. Однако чаще две группы равной силы тянули за два конца закрепленной в такой точке толстой резиновой ленты (рис. 13.4), которая получила название амортизационной (аналогичные резиновые ленты применялись в первых авиационных амортизаторах).

Рис. 13.4. Взлет планера с использованием стартовой резиновой ленты.

Такая система была вполне приемлемой в тех случаях, когда в наличии имелось достаточное количество бесплатной рабочей силы (как это обычно бывает в летном клубе или военном летно-тренировочном центре). Закрепленное в середине стартовой резиновой ленты кольцо цеплялось за открытый крюк в носовой части планера. Расцепка не происходила, пока лента была натянута. По команде «пошли» обе группы помощников начинали движение от планера под углом 45° к направлению взлета, тогда как третья группа удерживала планер на месте (иногда планер удерживался с помощью закрепленного в хвостовой части троса). По команде «побежали» тянущие ускоряли движение, натягивая стартовую резиновую ленту. По команде «пуск» третья группа освобождала планер (если он крепился тросом, то по этой команде трос перерубался). По сути дела, планер взлетал в воздух, как из катапульты. После того как натяжение ленты исчезало, она свободно соскальзывала с крюка.

Этот метод широко использовался во всем мире (за исключением, пожалуй, США) до второй мировой воины и даже после нее. В настоящее время он вытеснен буксировкой за автомобилями или самолетами, а также взлетом с использованием лебедки.

Катапульты

Даже после того, как летательные аппараты стали оснащаться достаточно подходящими для них силовыми установками и могли легко достигать необходимой для полета скорости, многим из них для взлета все же требовался разгон. Естественным механическим средством обеспечения взлета представляется специально приспособленная катапульта. С. Лэнгли успешно использовал катапульту для запуска своих летательных аппаратов 1896 и 1902 гг., но не сумел сделать этого с самолетом «Аэродром» в октябре и декабре 1903 г. (рис. 13.5).

Рис. 13.5. Неудачный взлет самолета «Аэродром» С. Лэнгли с использованием катапульты 7 октября 1903 г.

Во время первого полета братьев Райт на самолете с силовой установкой механические средства обеспечения взлета не использовались — самолет разбегался по деревянному монорельсу, проложенному на песчаной площадке. Ветер во время взлета был достаточно сильным. Когда братья Райт вернулись из г. Китти-Хоук в менее ветреный Дейтон, они стали использовать с монорельсом дополнительное средство разгона в виде троса, связанного с тяжелым грузом, поднятым на специальной вышке. Посредством троса и системы роликовых направляющих обеспечивалась передача движения от падающего груза к самолету. Братья Райт применяли этот метод вплоть до 1909 г., когда они начали устанавливать на свои самолеты шасси (рис. 13.6).

Рис 13.6. Использование братьями Райт дополнительного средства разгона самолета в виде троса, связанного с тяжелым грузом, поднятым на специальной вышке позади монорельса.

Корабельные катапульты

С 1911 г., когда ВМС США заинтересовались авиационной техникой, они приступили к поискам способов запуска самолетов с кораблей. Эксперименты с катапультами начались в 1912 г., но положительные результаты были получены только после первой мировой войны, когда были разработаны пороховые катапульты для линкоров и крейсеров. Эти устройства могли разворачиваться для обеспечения запуска двухместных самолетов воздушного наблюдения против ветра. На кораблях с катапультами применялись обычные гидросамолеты, которые после выполнения задания приводнялись, поднимались на борт и снова запускались в воздух (рис. 13.7, 13.8).

Рис. 13 7. Запуск самолета ВМС США SOC-3 «Сигнал» фирмы «Кертисс» с помощью катапульты во время второй мировой войны

Рис. 13 8. Немецкая четырехдвигательная летающая лодка Do-26 фирмы «Дорнье» запускается с палубы корабля в Южной Атлантике для срочной доставки почтового груза.

Корабельные катапульты находили применение практически на всех основных флотах мира вплоть до конца второй мировой войны, когда задачи воздушного наблюдения стали выполнять вертолеты. Следует отметить, что на авианосцах катапульты используются и в настоящее время. В этом случае катапульта располагается под палубой, а сквозь щель на поверхность палубы выходит лишь башмак, который соединяется с буксировочным поводком самолета. На авианосцах, как правило, устанавливаются паровые катапульты (рис. 13.9).

Рис. 13.9. Самолет ВМС США F-7U «Катлес» фирмы «Воут» запускается с помощью катапульты с палубы авианосца. Катапульта располагается под палубой, а через щель на поверхность палубы выходит лишь башмак, который соединяется с буксировочным поводком самолета.

Взлет с использованием реактивных ускорителей

Идея использования небольших ракетных двигателей для создания дополнительной тяги в процессе взлета была впервые реализована в Германии в середине 1920-х гг. Но только в 1940 г. калифорнийская Лаборатория реактивного движения разработала систему твердотопливных ускорителей, которые можно было установить на самолет для выполнения взлета и сбросить после выгорания топлива. Система получила название JATO и широко применялась в годы второй мировой войны для обеспечения взлета перегруженных самолетов.

После войны бомбардировщик В-47 фирмы «Боинг» стал первым самолетом, в котором система JATO являлась штатным элементом оборудования. 36 ракетных ускорителей тягой по 4,5 кН (три ряда по шесть штук на каждом борту) было встроено в фюзеляж за задней кромкой крыла (рис. 13.10). На более поздних моделях В-47 столько же ускорителей устанавливалось в подвесных контейнерах, которые сбрасывались после выгорания топлива.

Рис. 13.10. Бомбардировщик В-47 фирмы «Боинг» один из наиболее впечатляющих примеров использования ракетных ускорителей (36 мощных ракетных ускорителей встроены в фюзеляж). На более поздних моделях В-47 ускорители устанавливались в подвесных контейнерах, которые сбрасывались после выгорания топлива.

Для реактивных самолетов потребность в ракетных ускорителях в значительной степени снизилась после разработки двигателей с форсажной камерой, однако на самолетах с поршневыми двигателями использование ускорителей продолжалось долгие годы (рис. 13.11). Даже некоторые пассажирские авиалайнеры используют их при взлете с высокогорных аэродромов. Для первых ракетных ускорителей характерным было образование при работе большого количества белого дыма, но впоследствии они были сделаны бездымными.

Рис. 13.11. Патрульный бомбардировщик РВ27-3 «Коронадо» фирмы «Конвэр» времен второй мировой войны с твердотопливными ускорителями.

Взлет без разбега

Комбинация ракетного двигателя и катапульты позволила создать в Германии к концу второй мировой войны истребители, которые взлетали без разбега. Были проведены эксперименты по вертикальному взлету пилотируемых самолетов с рельсовых направляющих. После войны эта концепция использовалась в США и была усовершенствована применительно к серийным реактивным истребителям типа F-84 фирмы «Рипаблик» и F-100 фирмы «Норт Америкен» (рис. 13.12). Эти самолеты взлетали под углом существенно меньше 90°. Мощные ракетные ускорители, установленные на самолете, выталкивали его из тележки, на которой он был установлен под нужным углом. Ускорители сбрасывались, как только самолет переходил на режим автономного полета.

Рис. 13.12. Взлет без разбега реактивного истребителя F-100 фирмы «Норт Америкен» с помощью мощного сбрасываемого твердотопливного ракетного ускорителя.

Буксировка планеров автомобильной лебедкой

Со временем планеры становились крупнее и тяжелее, что потребовало использовать для взлета горизонтальные площадки. Один из способов запуска таких летательных аппаратов, широко используемый до настоящего времени (главным образом, в Европе), — буксировка планеров автомобильной лебедкой. На вращающийся с большой скоростью барабан, обычно смонтированный на старом автомобильном шасси, наматывается стальной трос длиной 600 или более метров, с помощью которого планер поднимается в воздух. Такая система может обеспечить подъем планера на высоту до 300 м. После отделения от планера устройство подцепки опускается на парашюте, а оператор лебедки сматывает трос. Для повторного запуска трос подтягивается на стартовую площадку другим автомобилем.

Вариантом описанной выше системы является буксировка автомобилем. Буксировщик тянет планер с помощью трехсотметрового троса, как при запуске воздушного змея (рис. 13.13).

Рис. 13.13. Планер «Боулус Бэби Альбатрос» на коротком тросе. В буксировочном автомобиле укладывается до 600 м троса для обеспечения полетов на небольших высотах вдоль длинных ВПП.

Как и в предыдущем случае, для спуска на землю устройства подцепки планера применяется парашют. Иногда для тренировочных прямолинейных полетов на буксире вдоль длинных ВПП на малых высотах используются короткие тросы. Короткие тросы находят применение также при запуске планера для полетов на малую дистанцию в пределах аэродрома.

Буксировка планеров самолетами

После того как буксировка лебедками и автомобилями стала стандартной практикой планеризма, последовало логическое развитие этих способов — использование в целях буксировки самолетов. Главным преимуществом самолетной буксировки является увеличение дальности и высоты полета. Самолет способен поднять планер на большую высоту, чем автомобиль или лебедка, и даже доставить его с равнинного аэродрома на высокогорную площадку. Этот метод довольно прост, и первая воздушная буксировка была осуществлена в Германии уже в 1927 г. Вскоре возникли проекты воздушных поездов, по которым один из планеров отцепляется у пункта назначения, а остальные следуют дальше за самолетом-буксировщиком. Однако до реализации этих проектов дело не дошло, и даже буксировка нескольких последовательно сцепленных планеров не нашла применения в авиации. Тем не менее буксировка нескольких планеров одним самолетом не только оказалась успешной, но и стала общепринятой, особенно в ходе массового применения десантных планеров во время второй мировой войны. Но при этом каждый планер соединялся с буксировщиком посредством отдельного троса. Дело в том, что при неспокойном воздухе возникают проблемы с провисанием и рывками буксировочного троса; при последовательной буксировке эти проблемы умножаются на число планеров в связке.

Хотя воздушная буксировка планеров в настоящее время является самым распространенным способом буксировки (рис. 13.14), более старые (и более дешевые) методы все еще находят применение.

Рис. 13.14. Самолет «Цессна 170В» буксирует одновременно два планера «Боулус Бэби Альбатрос».

По различного рода соображениям часто перед стартом необходимо доставить (обычно с помощью более тяжелого самолета) тот или иной самолет на высоту. Эта практика возникла на заре воздухоплавания и до сих пор продолжает использоваться.

Старт с аэростатов

Первым примером этого рода можно считать запуски планеров с тандемным крылом, выполненные Д. Монтгомери в 1905 г. Для проведения своих экспериментов он использовал популярный ярмарочный аттракцион, в котором акробат поднимался на воздушном шаре, демонстрировал свои трюки на гранении, а затем спускался на землю с парашютом (рис. 13.15).

Рис. 13.15. Планер с тандемным крылом проф. Дж. Монтгомери (1905 г.) под воздушным шаром в ходе демонстрации популярного аттракциона.

Затем Монтгомери нанял акробата Д. Мэлони, который вместо спуска на парашюте должен был пилотировать планер после отделения от аэростата на достаточной высоте. В одном из выступлений планер запутался в подвеске, получил повреждение, после чего оторвался от аэростата и упал на землю. Мэлони в этой катастрофе погиб.

Сброс с самолета

Еще в годы второй мировой войны вследствие недостаточности исследований в аэродинамических трубах стали практиковаться испытания в свободном полете крупномасштабных моделей, сбрасываемых с бомбардировщиков. По предварительной установке органы управления вводили модель в крутое пикирование, а бортовой радиопередатчик транслировал экспериментальные данные до момента удара модели о землю.

После окончания второй мировой войны в США в рамках программы исследований сверхзвукового полета экспериментальный ракетный самолет Х-1 фирмы «Белл» сбрасывался со специально оборудованного бомбардировщика В-29 и после этого совершал либо планирующий полет (рис. 13.16), либо полет с запуском двигателя. Точно так же испытывались и многие последующие экспериментальные сверхзвуковые самолеты.

Рис. 13.16. Экспериментальный самолет с ракетным двигателем Х-1 фирмы «Белл» под фюзеляжем бомбардировщика В-29 (1947 г.).

Старт с самолета

В ряде случаев традиционные самолеты, вполне способные выполнять обычный взлет, устанавливались на более тяжелые носители и стартовали уже в воздухе, используя тягу собственного двигателя.

Первый такой эксперимент был проведен в 1916 г. Авианосцев в то время еще не было, а англичане хотели использовать самолеты-истребители для борьбы с немецкими дирижаблями графа Цеппелина, патрулирующими в Северном море далеко за пределами радиуса действия английских наземных самолетов того времени. С целью решения этой задачи на летающей лодке «Феликстоу» устанавливался одноместный истребитель «Скаут» фирмы «Бристоль». Летные испытания этой системы прошли успешно, но в боевых действиях она не применялась (рис. 13.17).

Рис. 13.17. Английская летающая лодка «Феликстоу» с установленным на ней одноместным истребителем «Скаут» фирмы «Бристоль» (1916 г.). Англичане предполагали использовать эти самолеты для борьбы с немецкими дирижаблями графа Цеппелина, патрулирующими в Северном море, далеко за пределами радиуса действия английских самолетов того времени.

Описанная выше схема применения в 1938 г. была возрождена и, более того, использовалась в коммерческих целях. Трансатлантического авиационного сообщения еще не было, но немцы осуществляли катапультный запуск самолетов с океанских лайнеров для экономии примерно суток при доставке срочной почты. Англичане превзошли это достижение, осуществляя воздушный старт скоростного гидроплана S-20 фирмы «Шорт» с летающей лодки S-23 «Эмпайр» (рис. 13.18).

Рис. 13.18. Взлет небольшого скоростного гидроплана S-20 фирмы «Шорт» с верхней части фюзеляжа летающей лодки S-23 «Эмпайр» (1938 г.).

Самолет S-20, получивший название «Меркурий», мог вместить топливо, необходимое для полета с грузом почты от Лондона до Нью-Йорка, но взлететь с такой нагрузкой он не мог. Эксплуатация этой системы на трансатлантической трассе началась 21 июля 1938 г.

Летные испытания и перебазирование

В-1977 г. в ходе летных испытаний ВКС «Шаттл» совершал планирующие полеты после старта с верхней части фюзеляжа специально модифицированного самолета В-747. Так как «Шаттл» не мог стартовать, используя тягу двигателей, носитель входил в пологое пикирование и разгонялся до требуемой скорости, после чего происходило от деление ВКС от носителя (рис. 13.19).

Рис. 13.19. Летные испытания ВКС «Шаттл» с использованием модифицированного В-747 в качестве самолета-носителя.

При запуске в космос «Шаттл» стартует вертикально с использованием двух твердотопливных ускорителей тягой по 13,15 МН. Маневрирование в полете обеспечивается с помощью ЖРД (рис. 13.20).

Рис. 13.20. Вертикальный старт ВКС «Шаттл» с использованием двух твердотопливных ускорителей. На фотоснимке между «Шаттлом» и твердотопливными ускорителями виден бак для ракетного топлива, содержащий 101,8 т жидкого водорода и 606,6 т жидкого кислорода.

После завершения космического полета и приземления на авиабазах в западной части США «Шаттл» возвращается на полигон мыса Канаверал (восточное побережье) «на спине» самолета В-747.

Старт с каната

В 1911 г. французские конструкторы, исследуя возможности безаэродромного старта самолета «Блерио XI», разработали схему старта с каната. Самолет подвешивался под растянутый горизонтально канат и разгонялся за счет тяги винта. После достижения полетной скорости происходила отцепка самолета от подвески (рис. 13.21). Низкая нагрузка на крыло и малая взлетная дистанция, характерные для самолетов того времени, позволяли использовать сравнительно короткий трос, так что проблем с его провисанием не возникало.

Рис. 13.21. Безаэродромный старт французского самолета «Блерио XI» (1911 г.) с натянутого в воздухе каната.

Хотя испытания такой системы были успешными, до практического применения дело не дошло. Эта идея обрела второе рождение во время второй мировой войны. В системе Броуди канат натягивали вдоль борта корабля на расстоянии, обеспечивающем достаточный зазор между бортом и крылом самолета типа «Каб» фирмы «Пайпер». Самолет был оборудован крюком для захвата каната при взлете и посадке. Взлетная дистанция укорачивалась при ходе корабля против ветра.