Летательные аппараты нетрадиционных схем

Глава 3 Самолеты схемы «бесхвостка»

Практически с того самого момента, как человек начал строить летательные аппараты, самолеты схемы «бесхвостка» стали одной из наиболее популярных схем. Одной из первых природных аналогий, на основании которых человек стал создавать летательные аппараты, является естественный бесхвостый планер - семя тропического растения дзанония[7], которое отличается естественной аэродинамической устойчивостью. Семена этого растения, сорвавшись с веток, планируют на значительную дальность до того, как падают на землю, где они пускают корни.

ДОСТОИНСТВА

На первый взгляд, самолет схемы «бесхвостка»[8] обладает многими преимуществами по сравнению с традиционными схемами, которые обусловлены значительным снижением массы конструкции, аэродинамического сопротивления и стоимости благодаря исключению хвостовой части фюзеляжа и аэродинамических поверхностей оперения. Кроме этого, вследствие меньшей инерционности повышается маневренность аппарата. В крупногабаритных конструкциях этой схемы грузы и пассажиры могут размещаться внутри крыла, располагающего значительными объемами. В большинстве построенных самолетов схемы «бесхвостка» силовая установка, экипаж и т. п. размещаются в укороченном по сравнению с обычными фюзеляже, который часто называют гондолой.

НЕДОСТАТКИ

Летательные аппараты схемы «бесхвостка» обладают двумя принципиальными недостатками, которые вполне способны свести на нет присущие этой схеме достоинства. Первым из этих недостатков является неустойчивость в движении тангажа — тенденция крыла к вращению относительно собственной поперечной оси, если положение точки приложения подъемной силы (центр аэродинамического давления) изменяется относительно положения центра масс. Устойчивость такого аппарата легко обеспечить для некоторого расчетного значения скорости, но при изменении скорости или положения центра давления обеспечение устойчивости представляется довольно сложным. Вторым недостатком схемы «бесхвостка» является малое плечо поверхностей управления по тангажу. Так как традиционные органы балансировки - рули высоты — располагаются очень близко к центру тяжести (для «бесхвосток» с прямым крылом), их эффективность значительно снижается по мере уменьшения величины плеча этих поверхностей управления. Это означает, что для создания требуемой по величине силы они должны отклоняться на больший угол. Поэтому для обеспечения балансировки самолета в горизонтальном полете требуется отклонить рули высоты, что приводит к появлению дополнительного аэродинамического сопротивления, известного под названием балансировочного.

Еще одной проблемой, с которой обычно сталкиваются проектировщики самолетов схемы «бесхвостка», является выбор места для размещения вертикального оперения и руля направления. Лишь очень немногим авиационным конструкторам удалось построить самолеты схемы «бесхвостка» без вертикального оперения; большинству все же пришлось использовать эти поверхности зачастую существенно большей площади из-за их пониженной эффективности вследствие уменьшения плеча вертикального оперения. Некоторые конструкторы удлиняли короткие фюзеляжи этих самолетов для того, чтобы установить в хвостовой части фюзеляжа одиночный руль направления, что позволяет несколько увеличить создаваемый момент; другие устанавливали руль направления на каждую из законцовок крыла или ближе к борту фюзеляжа в районе хвостовой части.

Естественную подсказку для решения проблемы устойчивости и управляемости летательных аппаратов схемы «бесхвостка» дает анализ геометрии семени дзанонии. Задние кромки «законцовок крыла» этого семени расположены достаточно далеко от его центральной части и создают по существу стреловидную конфигурацию. Кроме того, тенденция к возникновению кабрирующего момента исключается за счет отклонения вверх задних кромок концевых частей семени (на самолетах этому участку обычно соответствует область установки руля высоты), так что обтекающий семя поток создает направленную вниз силу, которая балансирует кабрирующий момент.

При разработке самолетов схемы «бесхвостка» нетрудно придать крылу прямую стреловидность и установить рули высоты на законцовках, где они, имея большее плечо относительно центра масс, будут обладать большей эффективностью. Так как на законцовках крыла обычно располагаются и элероны (для создания максимального момента относительно продольной оси самолета), целесообразно объединить функции элерона и руля высоты в единой поверхности управления, которая получила название «элевона». Расположенные на противоположных законцовках крыла поверхности управления при отклонении в одном направлении работают как рули высоты, а при отклонении в разные стороны - как элероны. При необходимости осуществляется комбинированное отклонение этих поверхностей управления.

Для обеспечения установившегося полета тенденция к возникновению кабрирующего момента самолета схемы «бесхвостка» парируется путем отклонения законцовок крыла с целью уменьшения угла атаки; по сути дела, в этом случае законцовки крыла используются как рули высоты, постоянно отклоненные вверх, вместо отклонения рулей высоты или элевонов.

Такой подход обладает, в свою очередь, существенным недостатком, который авиационные конструкторы первых лет авиации, вероятно, не до конца понимали. Уменьшение угла атаки концевых частей крыла приводит к значительному снижению подъемной силы на этих участках, тогда как их аэродинамическое сопротивление значительно увеличивается — а именно для исключения этих явлений и предполагалось исключить из конструкции традиционного оперения хвостовую часть фюзеляжа на самолетах схемы «бесхвостка».

За годы развития авиации было создано довольно мало самолетов схемы «бесхвостка» с прямым крылом. Наиболее совершенными из летательных аппаратов этого типа были легкие самолеты с весьма ограниченным диапазоном скоростей полета. Схема «бесхвостка» на протяжении развития авиации постоянно имела своих устойчивых приверженцев, но до появления современных бесхвостых планеров и сверхлегких летательных аппаратов периода 1970–1980 гг. единственной массовой «бесхвосткой» стал немецкий перехватчик с ракетным двигателем «Мессершмитт» Me-163, созданный в 1944–1945 гг.

Присущие бесхвостым конструкциям преимущества, связанные с уменьшением массы, стоимости и аэродинамического сопротивления, проявляются, главным образом, в области планерной техники и ультралегких летательных аппаратов, для которых характерен очень узкий диапазон скоростей полета, что существенно упрощает решение проблем балансировки и обеспечения необходимой управляемости. Более того, поскольку в аппаратах этого типа летчик размещается несколько ниже центра масс конструкции (а масса летчика для этих аппаратов нередко превышает массу всей конструкции), возникает значительный по величине стабилизирующий момент, способный создать запас устойчивости по тангажу, что, в свою очередь, позволяет использовать в конструкции прямое, а не стреловидное крыло.

Австрийский авиционный конструктор Иго Этрих был одним из нескольких экспериментаторов, которые в конце 1890-х гг. независимо друг от друга работали в области планеризма. Разгадав секрет устойчивости полетов семени дзанонии, он сумел значительно опередить в своих исследованиях других авиационных конструкторов. Он не стал создавать легкие планеры (полет которых осуществляется после разгона вниз по холму, а управление обеспечивается изменением положения летчика), а построил более тяжелый аппарат, оснащенный трехколесным шасси. Разбег планера происходит при его скатывании с наклонной деревянной рампы (рис. 3.1).

Рис. 3.1. Австрийский бесхвостый планер Этриха (1909 г.), установленный на своей наклонной взлетной рампе.

К 1904 г. Этрих построил и успешно провел летные испытания больших планеров, которые все больше и больше напоминали семя дзанонии. Эти планеры оснащались отнесенными назад и отклоненными вверх законцовками крыла, обеспечивающими повышение устойчивости движения бесхвостого планера по тангажу (рис. 3.2).

Рис. 3.2. Бесхвостый планер Этриха (1907 г.) с крылом, близким по форме к семени дзанонии.

Решив проблему устойчивости полета, Этрих столкнулся с трудностями обеспечения управляемости своих планеров. Для того чтобы преодолеть эту проблему, в 1908 г. он добавил к конструкции горизонтальное оперение большого удлинения и оснастил планер силовой установкой. В построенных Этрихом самолетах крыло имело форму семени дзанонии. Разработанный в 1911 г. аппарат в плане напоминал голубя (по-немецки голубь «таубе»). Эта конструкция стала весьма популярной, и несколько немецких фирм строили «Таубе» в различных модификациях с 1912 г. вплоть до начала первой мировой войны.

Англичанин Джон У. Данн построил бесхвостый хорошо зарекомендовавший себя планер в 1907 г. Этот планер в последующие 4 года был преобразован в самолет схемы «биплан», который на время стал своего рода стандартом для большинства самолетов схемы «бесхвостка». Некоторые из проверенных на этом самолете технических решений являются стандартными и для современных самолетов схемы «бесхвостка».

Проблемы обеспечения продольной устойчивости самолета «Данн» D.5 (с двигателем мощностью 50 л. с.) (36,75 кВт)) была решена путем использования крыла большой стреловидности и значительно уменьшенного угла атаки законцовок крыла (что соответствует подъему задних кромок законцовок крыла аналогично случаю семени дзанонии). Такое уменьшение положительного угла атаки (т. е. фактически угла установки крыла) в направлении к законцовкам называется отрицательной конической круткой крыла (крутка в обратном направлении называется положительной).

Дж. Данн также стал изобретателем элевона - органа управления, который объединяет в себе функции руля высоты и элерона. Изобретатель, однако, не преуспел в продаже своей уникальной конструкции. Первая мировая война существенно сократила рынок гражданской авиации. В то же время при первых испытаниях элевон не смог удовлетворить предъявляемым военными требованиям. После этого Данн продал лицензию на производство элевонов фирме «Берджесс» (США), и несколько самолетов этого типа под названием «Берджесс-Данн» было построено в период 1914–1916 гг.

На рис. 3.3 показана модель 1911 г. с закрытой гондолой для размещения экипажа и уникальным шасси - двумя колесными опорами, размещенными за центром тяжести, и амортизирующей лыжей в носовой части, а также стабилизирующими лыжными опорами под законцовками крыла.

Рис. 3.3. Модификация 1911 г. английского самолета D.5.

После окончания первой мировой войны в Германии, как упоминалось выше, началось массовое увлечение планеризмом. В это время создается значительное количество конструкций нетрадиционных схем.

Среди них была «бесхвостка», построенная в 1921 г. Александром Липпишем, молодым немецким инженером.

Этот планер представлял собой существенный шаг вперед по сравнению с распространенными в то время планерами. Характерными конструктивными особенностями планера являются относительно большой размах крыла с небольшой стреловидностью, значительно приподнятые вверх элевоны, «открытая» конструкция фюзеляжа для размещения летчика, использование велосипедной схемы шасси, а также своеобразной системы приводов для управления механизацией крыла (в виде двух стержней, выходящих вниз из поверхности крыла). Кили и рули направления были расположены под законцовками крыла, причем вертикальное оперение выполняло функции опор, предотвращающих касание земли законцовками на стоянке или при пробеге по земле (рис. 3.4).

Рис. 3.4. Немецкий авиаконструктор А. Липпиш рядом со своим бесхвостым планером (1921 г.). Отметим отклоненные вверх элевоны.

Этот планер не стал рекордным, но в процессе его создания Липпиш получил необходимый опыт, который впоследствии позволил конструктору стать одним из наиболее авторитетных специалистов в мире но самолетам схемы «бесхвостка».

Липпиш продолжил свои работы над летательными аппаратами схемы «бесхвостка», создавая как планеры, так и самолеты. В 1930 г. на самолете «Дельта-1» конструктору удалось достичь уровня летно-технических характеристик в отношении устойчивости и управляемости, а также размещения экипажа, сопоставимого с соответствующими данными современных легких гражданских самолетов.

Примечательной конструктивной особенностью самолета «Дельта-1» являлось то, что, хотя передняя кромка его крыла была стреловидной, стреловидность задней кромки крыла практически отсутствовала, причем задняя кромка была прямолинейной по всему размаху крыла (рис. 3.5). Можно считать, что именно с этого момента началось применение треугольных крыльев, которые не получили успешного развития вплоть до окончания второй мировой войны.

Рис. 3.5. «Дельта-1» (1930 г.) А. Липпиша с крылом, имеющим стреловидную переднюю и прямую заднюю кромки.

Новое крыло напоминало треугольник с широким основанием, так что Липпиш назвал свой самолет «Дельта». «Дельта-1» не выпускалась серийно, но этот самолет стал родоначальником целого семейства других машин (рис. 3.6).

Рис. 3.6. Еще одна бесхвостка Липпиша с эллиптической передней кромкой и тонким ПГО, установленным достаточно близко к крылу для того, чтобы образовывалась профилированная щель.

Многочисленные спроектированные Липпишем в 1920 1930-е гг. самолеты очень трудно идентифицировать по архивным документам, так как, являясь конструктором-исследователем и не имея собственного производства, он был вынужден заказывать свои летательные аппараты различным авиастроительным фирмам, вследствие чего многие из них появлялись с обозначениями фирмы-изготовителя. Например, созданный Липпишем самолет «Дельта-IV» (уникальная двухдвигательная «бесхвостка») больше известен под названием «Веспе W-З» («Оса») фирмы «Физелер». Этот самолет в конструктивном отношении представляет значительный интерес. В дополнение к использованию двух двигателей фирмы «Бритиш Побджой» мощностью 75 л. с. (55 кВт) в необычной схеме - один двигатель с толкающим винтом, а другой с тянущим - «Оса» имела складывающиеся крылья (рис. 3.7). Кроме того, «Оса» стала одним из первых самолетов — если не первым - на котором было использовано фиксированное ПГО для изменения направления течения воздушного потока в районе корневой части крыла. Такое техническое решение стало очень популярным на боевых самолетах с треугольным крылом в 1980-е гг.

Рис. 3.7. Спроектированный Липпишем двухдвигательный самолет-бесхвостка «Веспе» со складывающимися крыльями. Отметим установку ПГО за передним двигателем для осуществления управления потоком.

Над созданием самолетов схемы «бесхвостка» в различные годы работали многие фирмы, поэтому довольно сложно охватить все самолеты этого типа. Но среди них выделяются конструкции одной из крупнейших английских авиастроительных фирм — «Уэстленд эркрафт компани». Эта фирма была основана во время первой мировой войны. В 1925 г. представители фирмы «Уэстленд» заинтересовались идеями авиационного конструктора Джеффри Хилла и построили несколько различных самолетов схемы «бесхвостка» по его проектам. Первым из них стал легкий одноместный самолет, оснащенный двигателем «Чераб» мощностью 32 л. с. (23,5 кВт) фирмы «Бристоль». Этот самолет получил название «Птеродактиль-1», так как угловатость формы его крыла и фюзеляжа несколько напоминала очертания доисторической летающей рептилии (рис. 3.8).

Рис. 3.8. Английский одноместный однодвигательный самолет-бесхвостка «Птеродактиль-1» фирмы «Уэстленд-Хилл».

Крыло этого самолета по современным понятиям имеет обычную стреловидную форму, но вместо элевонов на задней кромке крыла были установлены рули высоты, а функцию элеронов выполняли подвешенные на шарнирах законцовки крыла (концевые элероны). Элероны такого типа использовались на различных экспериментальных моделях самолетов после окончания первой мировой войны. Эта конструкция имеет ряд недостатков, в частности, большое аэродинамическое сопротивление и недостаточно полное ощущение летчиком естественного пилотирования. Указанные недостатки, по мнению большинства специалистов, перевешивают преимущества, обеспечиваемые большей эффективностью таких поверхностей управления.

Шасси самолета выполнено по велосипедной схеме (два колеса, расположенные тандемом под фюзеляжем, и стабилизирующие подкосы под крыльями в зоне корневых частей рулей высоты).

Проведенные Хиллом разработки нашли свое наиболее полное воплощение в мощном двухместном истребителе «Птеродактиль-V». Этот самолет стал уникальным среди самолетов схемы «бесхвостка» — он оснащен двигателем «Госхок» мощностью 660 л. с. (441 кВт) фирмы «Роллс-Ройс» с тянущим винтом, а по аэродинамической схеме представляет собой полутораплан (биплан, у которого площадь нижнего крыла вдвое меньше площади верхнего). Верхнее крыло имеет такую же форму в плане, как и крыло самолета «Птеродактиль-11». Более узкое нижнее крыло, на котором устанавливались небольшие стабилизирующие колесные опоры, было прямым (рис. 3.9).

Рис. 3.9. Английский двухместный истребитель «Птеродактиль-V» фирмы «Уэстленд-Хилл».

Так как использование двигателя с тянущим винтом позволяло стрелку, находящемуся в задней кабине, обстреливать значительную часть воздушного пространства, эта кабина с 1916 г. оснащалась стандартной пушечной турельной установкой. Все же этот двухместный истребитель не получил значительной поддержки и был построен только один такой самолет. В ВВС Великобритании основной функцией этого самолета стало участие в воздушных парадах.

Вдохновленные работами Липпиша немецкие авиационные конструкторы братья Хортен Реймар и Вальтер — построили несколько оригинальных планеров, которые заслуживают определения «летающее крыло». Стремление улучшить летно-технические характеристики путем аэродинамического совершенствования конструкции привело к тому, что братья Хортен решили отказаться от использования традиционного короткого фюзеляжа или гондолы. Они сделали кабину, в которой летчик располагался лежа, и разместили эту кабину в монопланном крыле большого сужения. Для обеспечения обзора вперед из пилотской кабины передняя кромка крыла была сделана из прозрачного материала (рис. 3.10).

Рис. 3.10. Немецкий бесхвостый планер «Хортен-III» (1938 г.)

У планера нет сопротивления трения и интерференции вертикального оперения и рулей направления. Для того чтобы выполнить разворот, необходимо значительное по величине дифференциальное отклонение элеронов, причем поднимающийся вверх элерон должен перемещаться значительно быстрее, чем противоположный элерон — вниз. Такое техническое решение в сочетании с использованием интерцепторов на верхней поверхности крыла создавало большее аэродинамическое сопротивление на поверхностях, расположенных «внутри» предполагаемого разворота, как бы оттягивая эту часть крыла назад. Аэродинамическое сопротивление было дополнительно снижено на планере «Хортен-VI», построенном в 1944 г. На этом планере было использовано крыло повышенного удлинения (32,4), что крайне важно для планеров с высокими характеристиками.

Всего за период с 1934 по 1944 гг. было построено 5 различных планеров «Хортен» («Хортен-V», созданный в 1941 г., являлся модификацией планера «Хортен-III» с двумя двигателями). Эти планеры и мотопланеры продемонстрировали высокое аэродинамическое качество, которое для планеров может быть выражено в виде отношения пройденной дистанции к потере высоты при планировании. В частности, на планере «Хортен-III» этот параметр составлял 28, что вполне сопоставимо с уровнем, соответствующим современным планерам. «Хортен-III» 1908 г. показан на рис. 3.10. Оба построенных планера «Хортен-III» разбились примерно в одно и то же время, попав в грозу на проводившемся в Германии чемпионате по планерному спорту и не выдержав чрезвычайно сильной турбулентности атмосферы. Оба летчика выбросились с парашютом; один из них был найден мертвым, а второй, попав в восходящие воздушные потоки грозового фронта, спускался почти два часа (это, кстати, не первый случай, когда парашютисты попадали в мощные восходящие потоки и находились в воздухе столь продолжительное время).

Ограниченность возможных движений летчика, низкий уровень комфорта, малая маневренность и проблема аэроупругости планера «Хортен-VI» были связаны с использованием чрезвычайно длинных (24 м) тонких крыльев. Эти проблемы не позволили по-настоящему новаторским конструкциям братьев Хортен выйти из разряда чисто экспериментальных летательных аппаратов. После второй мировой войны, когда Германии было запрещено иметь свою собственную авиационную промышленность, братья Хортен переехали в Аргентину и продолжили свою работу по созданию планеров и самолетов.

Американский авиационный конструктор Джон К. Нортроп всегда был сторонником аэродинамически «чистых» конструкций самолетов (даже до того, как он разработал на фирме «Локхид» знаменитый самолет «Вега» в 1927 г.). Нортроп создал последовательно три авиастроительные фирмы. В 1940 г. он завершил аэродинамическую чистку, исключив в своих конструкциях фюзеляж, хвостовое оперение и оставив лишь крыло. Как и Хортены, опередившие его на несколько лет, Нортроп от казался от традиционных килей вертикального оперения, установленных на законцовках крыла, создав таким образом серию «летающих крыльев» (рис. 3.11).

Рис. 3.11 Американская летающая модель N1М фирмы «Нортроп» (1940 г.) с отогнутыми вниз законцовками крыла.

После демонстрации созданного им на собственные средства небольшого самолета летающей модели N1M руководство Вооруженных Сил США выдало заказ на разработку серийного бесхвостого самолета.

Самолет Нортропа N1M был оснащен двумя двигателями «Франклин» мощностью 65 л. с. (47,77 кВт) и представлял собой самолет, а не планер, как летательные аппараты братьев Хортен. Поэтому сопротивление каплевидного фонаря, закрывающего кабину летчика, считалось вполне приемлемым. Обзор из кабины летчика был существенно затруднен общей компоновкой носовой части летчик располагался довольно далеко от передней кромки, но такой недостаток экспериментальной летающей модели, предназначенной для исследования аэродинамики, считался несущественным. В качестве конструкционных материалов самолета использовались древесина и металлические детали; в процессе испытаний самолета они неоднократно подвергались изменениям.

Важной конструктивной особенностью самолета N1М было использование отогнутых вниз законцовок крыла. Органами управления по тангажу и крену служили элевоны, но вместо рулей направления на N1M применялись расщепляющиеся тормозные щитки на задней кромке крыла. Эти органы управления размещались на внешних частях крыла и открывались вверх и вниз на той или другой консолях для увеличения аэродинамического сопротивления и затягивания самолета в разворот. По результатам летных испытаний конструктор отказался от использования отогнутых вниз законцовок, возвратившись к крылу с плоской срединной поверхностью.

Первый полет самолета NIM был выполнен 3 нюня 1940 г.; впоследствии было проведено еще более 200 полетов. Установка двигателей «Франклин» мощностью 120 л.с. (88,2 кВт) позволила увеличить максимальную скорость до 322 км/ч. Размах крыла самолета 11,6 м; площадь крыла 27,9 м² (при удлинении 4,81); взлетная масса 1769 кг.

После того, как Нортроп получил от Вооруженных Сил США контракт на разработку четырехдвигательного бесхвостого бомбардировщика, были построены 4 пилотируемые летающие модели N9M (рис. 3.12), близкие по схеме к N1M.

Рис. 3.12. Самолет N9M фирмы «Нортроп», использовавшийся как масштабная летающая модель при разработке бомбардировщика ХВ-35.

Размах крыла был увеличен до 18,3 м. Эти аппараты использовались в качестве масштабных моделей разрабатываемого бомбардировщика ХВ-35. Первые три из этих образцов оснащались двигателями «Менаско» мощностью 275 л. с. (202 кВт), а четвертый — двигателем «Франклин» мощностью 300 л. с. (220 кВт). Все самолеты с самого начала имели крылья с плоской срединной поверхностью. Один из них совершил первый полет 27 декабря 1942 г., но разбился после 50 полетов. Оставшиеся три машины использовались в интенсивной программе летных испытаний, продолжавшейся три года. Один из этих самолетов в настоящее время находится в Национальном музее авиации и космонавтики США, а еще один восстановлен. Взлетная масса самолета N9M 3220 кг; площадь крыла 45,57 м² (при удлинении 7,34); максимальная скорость (экземпляр № 4) 413,8 км/ч.

Уникальным своего рода побочным продуктом серии N1-N9 стал разработанный для ВВС США истребитель схемы «бесхвостка» ХР-56. Как и ХР-55 фирмы «Кертисс», этот самолет проектировался в качестве одного из нескольких новых экспериментальных истребителей, на котором предполагалось использовать двигатели Х-1800 фирмы «Пратт-Уитни». Как ХР-55 и ряд других самолетов, ХР-56 пришлось перепроектировать под радиальный двигатель R-2800-29 мощностью 2000 л. с. (1470 кВт) фирмы «Пратт-Уитни». Этот двигатель обладал худшими характеристиками, чем Х-1800, поэтому все оснащенные им самолеты проигрывали в характеристиках по сравнению с расчетными значениями.

Было построено два истребителя ХР-56. В аэродинамическом отношении они были подобны исходному варианту NIM, имели отклоненные вниз законцовки крыла и относительно толстый, напоминающий гондолу фюзеляж. Двухкилевое вертикальное оперение самолета расположено перед соосными толкающими винтами (один из килей вертикального оперения располагался на верхней поверхности фюзеляжа, а другой на нижней). Соосная схема установки винтов была выбрана для уменьшения диаметра винта и минимизации высоты шасси (рис. 3.13).

Рис. 3.13. Истребитель ХР-56 фирмы «Нортроп» с соосными толкающими винтами и отогнутыми вниз законцовками крыла.

Самолет был оснащен уникальной системой обеспечения путевой управляемости. В систему входили расщепляющиеся элевоны и механизация на задней кромке (такие же, как на самолетах N1-N9), но этими органами летчик не управлял непосредственно. Воздух, обтекающий самолет, непрерывно проходил через канал в каждой из законцовок крыла. Когда летчик хотел выполнить разворот, он приводил в действие отсечной клапан на той стороне, в которую он хотел развернуться, канал перекрывался, и воздух накачивался в сильфоны, обеспечивающие раскрытие расщепляющихся щитков.

Кроме своей оригинальной аэродинамики ХР-56 явился новаторским самолетом и в других отношениях. Это был первый цельносварной истребитель, изготовленный преимущественно из магниевых сплавов. Вооружение самолета было весьма внушительно: 4 пулемега калибра 12,7 мм и 2 пушки калибра 20 мм.

Второй экземпляр ХР-56 хранится в Национальном музее авиации и космонавтики США.

В сентябре 1914 г. Д. Нортроп предложил ВВС США проект тяжелого бомбардировщика схемы «бесхвостка» и через некоторое время подписал контракт на постройку десяти таких самолетов двух опытных ХВ-35 и восьми YB-35, предназначенных для проведения войсковых испытаний. В июле 1942 г. было принято решение о постройке четырех летающих моделей N9M, на которых предполагалось отработать законы управления. Вскоре выяснилось, что разработка бомбардировщика ХВ-35 потребует значительного времени, и вряд ли он сможет принять участие в войне. Так и произошло первый полет ХВ-35 был осуществлен 25 июня 1946 г.

Этот самолет являлся (а возможно, и является) самым большим из построенных самолетов схемы «бесхвостка». Размах крыла ХВ-35 52,46 м, площадь крыла 372 м², взлетная масса 94 800 кг. Четыре мощных радиальных двигателя воздушного охлаждения R-4360-17 мощностью 3000 л. с. (2205 кВт) каждый (фирма «Пратт-Уитни») утоплены в крыле и посредством приводных валов соединены с расположенными за задней кромкой крыла соосными винтами (рис. 3.14, 3.15).

Рис. 3.14. Вид снизу бомбардировщика ХВ-35. Хорошо видны воздухозаборники в передней кромке крыла, форма крыла в плане и щели на законцовках крыла.

Рис. 3.15. Бомбардировщик ХВ-35, обтекатели удлинительных валов воздушных винтов, которого обладают достаточной для обеспечения путевой устойчивости самолета боковой площадью. Впоследствии на ХВ-35 были установлены одиночные винты.

Экипаж самолета состоял из 15 человек. Оборонительное вооружение бомбардировщика включало 20 пулеметов калибра 12,7 мм, установленных в семи дистанционно управляемых турелях на верхней и нижней поверхностях крыла. Масса бомбовой нагрузки при выполнении задания на дальности 12 100 км достигала 4500 кг, а максимальная скорость составляла 630 км/ч.

Лишь три из 15 заложенных бомбардировщиков были переданы ВВС США в варианте В-35 с поршневыми двигателями. В мае 1946 г. выданный ВВС заказ предусматривал поставку двух ХВ-35, восьми YB-35 и двух YB-49 с реактивными двигателями. После появления в конце войны реактивных двигателей Военно-воздушные Силы США предложили Д. Нортропу доработать два YB-35 под установку восьми двигателей J35А-15 тягой 1800 кг (фирма «Эллисон»). Этому бомбардировщику было присвоено обозначение YB-49 (рис. 3.16).

Рис. 3.16. Бомбардировщик YB-49 фирмы «Нортроп» с реактивными двигателями.

Первый вылет YB-49 состоялся 21 октября 1947 г. Установка реактивных двигателей существенно улучшила летно-технические и эксплуатационные характеристики самолета. Кроме того, удалось на 5 400 кг снизить взлетную массу бомбардировщика. Максимальная скорость увеличилась на 165 км/ч и достигла 698 км/ч. Для повышения путевой устойчивости были установлены четыре маленьких киля (на ХВ-35 и N9M путевая устойчивость была достаточной вследствие аэродинамического сопротивления воздушных винтов и коков-обтекателей приводных валов).

История создания Д. Нортропом бесхвостых бомбардировщиков носила весьма драматический характер как с технической, так и с политической точек зрения. Ряд трудностей возник при разработке соосных винтов для ХВ-35, а задержка в поставках этих винтов привела к задержке первых полетов. В течение некоторого времени пришлось летать с неподходящими для этого самолета одиночными винтами. Еще до окончания войны ВВС США приняли решение заказать фирме «Мартин» партию из 200 бомбардировщиков В-35, но вскоре программа была полностью закрыта.

Даже еще до того, как два из трех летавших YB-49 потерпели катастрофу, ВВС решили модифицировать девять недостроенных В-35 и В-49. Но эта работа еще не была завершена, а ВВС уже приняли новое решение полностью закрыть программу и пустить на слом незавершенные В-35 и В-49.

Однако на этом история бомбардировщиков типа «летающее крыло» не закончилась. Через 41 год после полета В-49, 22 ноября 1988 г., на аэродроме г. Палмдейла был официально продемонстрирован новейший стратегический бомбардировщик США В-2 (рис. 3.17).

Рис. 3.17. Новый американский стратегический бомбардировщик В-2 фирмы «Нортроп».

Создание самолета велось в строжайшем секрете и о ходе разработки, внешнем виде и летно-технических характеристиках ничего не сообщалось. Даже при демонстрации машины на заводском аэродроме корреспондентам и специалистам не разрешалось подходить к бомбардировщику ближе чем на 60 м, да и то лишь со стороны носовой части.

Как В-35 и В-49, этот самолет выполнен по схеме «летающее крыло» без горизонтального и вертикального оперения. Кабина экипажа размещена в обтекаемой формы надстройке, не выходящей за переднюю кромку крыла, что позволяет говорить о полном отсутствии фюзеляжа, в строгом смысле этого слова. Четыре двухконтурных турбореактивных двигателя размещены в задней части крыла по бокам от кабины экипажа, а два воздухозаборника (один воздухозаборник на два двигателя) расположены по бокам кабины на верхней поверхности крыла. Конструкция имеет плавные обводы и линии сопряжения отдельных элементов конструкции.

Однако не эта странная форма, в целом аналогичная YB-49, является отличительной особенностью самолета. «Изюминкой», которую заложили специалисты фирмы «Нортроп» в свое детище, явилась технология «Стеле», делающая самолет, по мнению специалистов, практически невидимым для радиолокационных, инфракрасных и оптических средств обнаружения. Эта технология включает следующие мероприятия:

— изготовление планера с плавными обводами без резких изломов и линии сопряжения для исключения появления эффекта уголкового отражателя;

— применение радиопоглощающих материалов и экранов, обеспечивающих изменение направления отраженной электромагнитной волны;

— изготовление конструкций с максимальным использованием композиционных материалов;

— снижение излучающей способности двигателей и использование специальных лакокрасочных покрытий.

В интервью, данном корреспондентам представителем Пентагона генералом Уэлчем, отмечалось, что бомбардировщик способен выполнять боевую задачу при полетах как на большой, так и малой высоте, причем в последнем случае - в режиме следования рельефу местности. Связь самолета и определение его точных координат должны осуществляться через ИСЗ с применением узконанравленных антенн.

По оценкам Конгресса США, реализация программы бомбардировщика В-2 может составить 70 млрд. долл., а стоимость одного самолета - 530 млн. долл. Первый вылет самолета совершен в 1989 г.

Единственным по настоящему «бесхвостым» самолетом, кроме Me-163, достигшим стадий серийного производства и принятия на вооружение, стал американский истребитель F7U фирмы «Воут»[9]. Заказ на постройку этих самолетов был выдан в 1946 г. Авиация ВМС США закупила 197 самолетов этого типа и, начиная с 1950 г., эксплуатировала их на авианесущих кораблях флота (см. гл. 13). Самолет оснащался трехопорным шасси, обеспечивающим очень большой стояночный угол, что позволяло выполнять взлет и посадку при больших углах атаки для получения максимальных значений подъемной силы (рис. 3.18).

Рис. 3.18. Американский F7U «Катлес» фирмы «Воут» единственный, кроме Ме.163, бесхвостый истребитель, состоявший на вооружении ВВС.

F7U находился на вооружении недолго; это был первый истребитель, реактивные двигатели которого с самых ранних этапов проектирования предполагалось оснастить форсажными камерами.

Немецкий истребитель-перехватчик Me-163, поступивший на вооружение ВВС Германии в мае 1944 года, был одним из самых необычных, но в то же время наиболее перспективных истребителей мира. В последующие четыре десятилетия развития авиации не было создано ни одного серийного самолета, который можно было бы непосредственно сопоставить с этим истребителем.

Опытный самолет имел обозначение DFS-194. Этот самолет, разработанный германским научно-исследовательским институтом планерной техники DFS, первый свой полет совершил в августе 1940 г. Так как институт являлся, главным образом, исследовательским учреждением, серийное производство самолета было развернуто фирмой «Мессершмитт» - ведущим разработчиком и производителем германских истребителей. Самолету было присвоено фирменное обозначение Me-163. Можно сказать, что участникам антигитлеровской коалиции повезло в том, что технические сложности, возникшие в процессе разработки самолета (связанные, главным образом, с созданием ракетного двигателя на жидком топливе), а также политические сложности того времени затруднили поступление «Кометы» на вооружение фашистских ВВС.

По своей схеме Me-163 являлся довольно консервативной «бесхвосткой» со стреловидным крылом, которая была спроектирована набравшим к этому времени значительный опыт Александром Липпишем. На крыле (деревянной конструкции) устанавливались односекционные элевоны, а на хвостовой части короткого цельнометаллического (из алюминиевых сплавов) фюзеляжа - вертикальное оперение с рулем направления (рис. 3.19).

Рис. 3.19. Уникальный немецкий истребитель с ЖРД Me.163 «Комета» периода второй мировой войны, установленный на взлетной платформе. Для выполнения посадки использовалась лыжа

Проблему убирающегося шасси проектировщики решили, вообще отказавшись от него. Самолет взлетал с отделяемой двухколесной тележки, а посадка осуществлялась на одиночную лыжу, аналогичную посадочным устройствам планеров. На самолете отсутствовали поддерживающие крыльевые опоры лыжного или колесного типа, поэтому практически каждая посадка завершалась разворотом самолета, а зачастую, и переворотом.

Все располагаемые объемы фюзеляжа были отданы под баки, в которых размещалось топливо ЖРД. Компонентами топлива истребителя Me-163 служили смесь метилового спирта, гидразина и воды (горючее) и перекись водорода (окислитель). Произошло несколько аварий Ме-163 по причине вступления в контакт компонентов ракетного топлива вне камеры сгорания двигателя («Вальтер» HW 509 С-1, тяга 20 кН). Иногда двигатель взрывался даже просто от грубой посадки.

Несмотря на значительный запас топлива (2000 кг), экономичность двигателя была очень низкой, так что он мог работать лишь 12 мин; это означает, что перехватчик должен был базироваться непосредственно под воздушными коридорами, по которым следовали бомбардировщики неприятеля. К тому времени, когда Me-163 достигал высоты 9760 м, у него оставалось топлива всего лишь на 6,5 мин полета. В некоторых случаях полностью заправленные топливом «Кометы» буксировались на высоту позади тяжелых немецких самолетов, после чего в воздухе запускался двигатель, и истребитель-перехватчик начинал атаку бомбардировщика.

Испытания первого опытного самолета Me-163-1 в планирующем полете начались весной 1941 г. Первый полет с работающей силовой установкой был выполнен в июле 1941 г. В первом же полете 2 октября 1941 г. на самолете модификации Me-163-4 была получена долгожданная скорость 1000 км/ч. Этот самолет стал также первым в истории авиации аппаратом, встретившимся с проблемами сжимаемости воздушного потока на больших скоростях в горизонтальном полете. Поэтому при разработке машины пришлось решать ряд новых аэродинамических проблем. Выбранная для «Кометы» схема-«бесхвостка» со стреловидным крылом облегчила их решение.

С этого времени использование стреловидных крыльев стало одним из традиционных решений проблем скоростного полета.

Вооружение самолета состояло из двух пушек калибра 20 мм. установленных в крыле. Me-163 был одним из самых маленьких истребителей второй мировой войны. Размах крыла самолета составлял 9,81 м, площадь крыла самолета 20,37 м², взлетная масса 5299,8 кг, нагрузка на единицу площади крыла 260,9 кг/м². Максимальная скорость серийного Ме-163С составляла 858 км/ч, самолет был способен набрать высоту 12100 м за 3 мин 20 с; скороподъемность у земли составляла 60 м/с.

В серийном производстве было выпущено 364 самолета. Впоследствии был создан целый ряд самолетов с ЖРД, однако ни один из них так никогда и не стал серийным боевым самолетом ВВС.

Как отмечалось ранее, создатели планерной техники экспериментировали с конструкциями схемы «бесхвостка» с начала 1920-х гг., стремясь повысить летно-технические характеристики путем снижения массы конструкции и аэродинамического сопротивления. И хотя многие разработки были в той или иной степени успешными, ни один из разработанных самолетов не достиг стадии серийного производства. Успехи братьев Хортен в создании бесхвостых планеров вдохновили авиационных конструкторов провести в начале 1950-х гг. детальные исследования этой схемы, после чего появилось несколько новых интересных летательных аппаратов.

• AV-36 «Фовель»

Этот французский одноместный планер появился в 1955 г. Впоследствии комплекты деталей аппарата этой конструкции выпускались в разных странах мира и широко использовались любителями-авиаторами. В отличие от планеров Хортенов, в AV-36 летчик сидел прямо в короткой гондоле. Необычным по сравнению с традиционными летательными аппаратами схемы «бесхвостка» было использование прямого крыла с сужением (рис. 3.20).

Рис. 3.20. Французский бесхвостый планер AV-36 «Фовель» с нестреловидным крылом. Управление по крену и тангажу обеспечивается элевонами, а между рулями направления располагается триммер.

Хотя этот летательный аппарат представлял собой вполне удовлетворительный спортивный планер, его относительно невысокие летные характеристики привели к тому, что он скоро исчез из планерного спорта. Следует отмстить, что проектировщик продолжал работать над этим аппаратом и построил несколько образцов, оснащенных силовой установкой.

• Крылья Митчелла

Когда в конце 1960-х гг. начался новый подъем планеризма, оказалось, что большинство проектировщиков использовали традиционные жесткие конструкции самолетного типа (в виде как монопланов, так и бипланов). Поэтому некоторые из них старались решить проблему старым способом за счет снижения массы конструкции и аэродинамического сопротивления в рамках схемы «бесхвостка». Были предприняты попытки внедрить и новые технические решения. В эти годы появилось значительное количество конструкций, в которых летчик был как бы подвешен под крылом, что создавало высокий уровень «маятниковой» устойчивости, так как масса летчика для таких летательных аппаратов превышает массу конструкции примерно в 2 раза. Это техническое решение позволяет отказаться от необходимости использовать стреловидное крыло для обеспечения продольной устойчивости. Вот почему конструкции схемы «бесхвостка» стали весьма популярными на ранних этапах развития планерного движения в 1960-е гг.

Выдающимся примером летательных аппаратов этого типа является разработанное одним из старейших конструкторов планерной техники американцем Доном Митчеллом так называемое «крыло Митчелла». Первая модель представляла собой жесткое монопланное крыло, управлявшееся с помощью перемещения массы летчика относительно центра аэродинамического давления.

Митчелл одним из первых стал строить на базе своих планеров ультралегкие летательные аппараты, оснащенные силовой установкой. К конструкции его «крыла» были добавлены «фюзеляж» с тремя колесами, удобное сиденье летчика, органы ручного управления и двухтактный двигатель с толкающим винтом (рис. 3.21). Так как этот летательный аппарат мог взлетать при положении летчика стоя, полеты можно было выполнять людям, не имеющим прав пилота (как и на балансирных планерах, в соответствии с инструкциями Федерального авиационного управления США).

Рис. 3.21. Ультралегкий летательный аппарат В-10 «Митчелл Уинг», переделанный из балансирного планера «Митчелл»

В 1979 г. Митчелл спроектировал ультралегкий летательный аппарат U-2 с силовой установкой (рис. 3.22).

Рис. 3.22. «Митчелл U-2» с двигателем на хвостовой балке. С самого начала проектировался как ультралегкий аппарат, а не балансирный планер с возможностью модификации.

Этот летательный аппарат отличался существенно более высокими летными характеристиками, но так как он не соответствовал условиям взлета со стоящим летчиком, для выполнения полета на нем было необходимо иметь соответствующие права. В 1982 г. Федеральное авиационное управление США объявило о введении новых правил относительно легкомоторной авиации, которой было присвоено название «ультралегкие летательные аппараты». К этому классу были отнесены летательные аппараты с массой конструкции менее 117,9 кг, несущие не более 20 л топлива и не способные выполнять полет со скоростью выше 100 км/ч. U-2, спроектированный задолго до введения новых правил, не квалифицируется как УЛА.

• Модифицированные крылья Рогалло

Исходная треугольная форма крыльев Рогалло (дельтапланов) недолго удержалась неизменной в планерном движении. Довольно скоро создатели новых дельтапланов уменьшили угол стреловидности передней кромки до такого уровня, когда их конструкция при виде сверху стала напоминать традиционные бесхвостые планеры с крылом очень малой стреловидности и заметным сужением. Для усиления конструкции были добавлены продольные силовые элементы, напоминающие нервюры, и крыло стало работать в своем нормальном режиме, а не как воздушный змей. Это позволило существенно улучшить летные характеристики.

Новые конструкции, в которых использованы принципы крыла Рогалло, а также конструкции без аэродинамической профилировки, представляющие собой обтянутые однослойной тканью каркасы, получили широкое распространение в 1970-е гг. Показанный на рис. 3.23 «Феникс» представляет собой характерную модификацию дельтаплана типа крыла Рогалло в планер схемы «бесхвостка». В этом планере летчик размещается в подвесной системе значительно ниже крыла, что обеспечивает маятниковую устойчивость всей системе. Управляемость аппарата обеспечивается изменением положения летчика.

Рис. 3.23. Балансирный планер «Феникс», характерный пример модификации дельтаплана с целью увеличения удлинения крыла и придания ему профилировки за счет установки нервюр.

Впоследствии выяснилось, что совсем несложно адаптировать многие из планеров схемы «бесхвостка» в ультралегкие летательные аппараты путем добавления конструкции для размещения летчика в сидячем положении, двигателя, колес шасси и органов ручного управления. Некоторые авиаторы использовали и переднее горизонтальное оперение в целях повышения маневренности этих аппаратов.