Глава XV. На крыльях и без крыльев

Глава XV. На крыльях и без крыльев

Эта глава знакомит читателя с необычными летательными аппаратами, которым принадлежит будущее, — «пингвинами», колеоптерами, «летающими сковородками», орнитоптерами и многими другими.

Ученые и конструкторы продолжают поиски таких летательных аппаратов, которые совмещали бы в себе достоинства самолетов и вертолетов без их недостатков. Они должны обладать высокой скоростью полета и способностью совершать вертикальные взлет и посадку.

Разными путями ведутся и будут вестись в дальнейшем эти поиски.

Неудивительно, что это привело уже сейчас к большому разнообразию типов таких летательных аппаратов, и число их будет все время расти. Вероятно, в будущем каждому узкому, специальному назначению будет соответствовать свой особый тип летательного аппарата.

Чтобы разобраться в разнообразных конструкциях этих аппаратов, как созданных, так и тех, которые предстоит создать, обратимся к физическим основам полета.

Для того чтобы аппарат тяжелее воздуха совершал длительный полет в атмосфере, необходимо приложить две силы. Одна из них должна поддерживать его в воздухе, то есть противодействовать земному тяготению, — это так называемая подъемная сила; другая должна двигать вперед с нужной скоростью, преодолевая сопротивление воздуха, — это так называемая тяга.

Во всех случаях длительного, установившегося полета в атмосфере любая сила, действующая на летательный аппарат, должна представлять собой силу реакции отбрасываемого воздуха или газов. Действительно, так именно создает тягу воздушный винт — пропеллер. Так же, конечно, создает реактивную силу несущий винт вертолета, только в этом случае воздух отбрасывается уже не назад, а вниз, отчего сила, создаваемая несущим винтом, направлена вверх. Это — подъемная сила. И точно таким же образом создает подъемную силу крыло самолета. Оно тоже отбрасывает воздух, отклоняет набегающий встречный поток вниз. Ученые, экспериментирующие в аэродинамических трубах, с помощью различных ухищрений видели это не раз простым глазом.

Принципиально то же самое происходит и в реактивном двигателе. Он так же создает тягу, отбрасывая струю газов. Разница, и очень существенная, заключается в том, что двигатель развивает тягу сам, без помощи каких бы то ни было движителей вроде винта. Поэтому реактивные двигатели и называют двигателями прямой реакции.

Но если каждая из двух основных сил, действующих на летательный аппарат, создается принципиально одним и тем же физическим явлением, то в разных летательных аппаратах она образуется по-разному. В самолете, например, тяга создается винтом или реактивным двигателем, а подъемная сила — крылом. В вертолете же обе силы создаются одним и тем же несущим винтом.

Как же совместить достоинства самолета и вертолета?

Вот, например, еще до появления вертолетов был создан и начал применяться летательный аппарат, получивший название автожира. Теперь такие аппараты у нас обычно называют винтокрылами: тяга, необходимая для полета, у них создается пропеллером, как и обычно, но крыла нет, а если и есть, то очень небольшое, оно заменено самовращающимся (или, как говорят, авторотирующим) несущим винтом. Задача такого винта оказывается, естественно, более легкой, чем у вертолета, и винтокрыл может достичь большей скорости. Некоторые новые винтокрылы, например советский винтокрыл конструкции Н. И. Камова, впервые показанный на авиационном празднике в Тушине в 1961 году, обладают скоростями в полтора раза большими, чем у вертолетов. Наш винтокрыл развил на 100-километровом замкнутом маршруте рекордную скорость — 366 километров в час, намного большую, чем у аналогичного по назначению английского винтокрыла «Ротодайн». В том же, 1961 году он установил в одном полете сразу 6 мировых рекордов по грузоподъемности, подняв груз 16 485 килограммов на высоту 2 557 метров 17*.

17* Газета «Правда», 26 ноября 1961 г.

Самовращающийся несущий винт автожира заменяет крыло самолета.

Слева — автожир на поплавках; тягу создает небольшой пропеллер, приводимый во вращение маломощным поршневым двигателем. Справа — увлекательный спорт: «жирокоптер», буксируемый обычной моторной лодкой, взмывает в воздух под действием авторотирующего винта (по журналу «Флайт», февраль 1963 г.).

Винтокрылы — современные самолеты-вертолеты. Вверху — английский автожир «Ротодайн», внизу — винтокрыл Н. И. Камова (по журналу «Люфтфарттехник», январь 1962 г.).

Наряду с увеличенной по сравнению с вертолетами скоростью полета винтокрылы сохраняют преимущество вертикального взлета и посадки — на этих режимах двигатель приводит во вращение не тянущий, как в горизонтальном полете, а несущий винт. В авиации будущего винтокрылы найдут свое место, хотя их применение вряд ли будет очень широким.

Итак, неподвижное крыло не позволяет осуществлять вертикальную посадку и такой же взлет, а вращающееся крыло — достичь большой скорости.

Нельзя ли использовать крыло еще каким-нибудь способом, чтобы добиться желаемой цели?

Третье решение подсказывается самой природой. Ведь за сотни миллионов лет до того, как на земле появились люди, другие живые существа уже летали, используя крыло. Крыло птицы или насекомого — машущее. Нельзя ли использовать этот принцип машущего крыла и для полета человека.?

Летательные аппараты с машущим крылом, так называемые орнитоптеры, или «птицелеты», существуют. Есть и страстные энтузиасты машущего крыла. Это не случайно, ибо оно обладает многими замечательными достоинствами. И прежде всего орнитоптер позволяет осуществлять вертикальные взлет и посадку, парить в воздухе, поднять при той же мощности двигателя гораздо больший груз, чем самолет. Вот почему в будущем орнитоптеры без всякого сомнения найдут широкое применение в качестве «воздушных автомобилей», «воздушных мотоциклов» и даже «воздушных велосипедов». Последние будут летать за счет мускульной силы человека или с помощью небольшого моторчика, вроде тех, которые устанавливаются иногда на обычных велосипедах. Это будут замечательные машины с тонким, упругим крылом из легкой и прочной пластмассы, отлично дополняющие вертолеты при полетах на короткие расстояния, — машины массового индивидуального авиатранспорта и авиационного спорта. Однако орнитоптеры обладают еще меньшей скоростью, чем вертолеты.

Но нельзя ли заставить обычные самолеты взлетать прямо вверх? Так ли необходим длинный разбег при взлете? Нельзя ли обойтись без него?

Орнитоптер — птицекрылый летательный аппарат.

Ответ очевиден. Разбег самолета при взлете необходим, чтобы подъемная сила крыла стала равной и затем большей, чем вес самолета, иначе самолет не оторвется от земли. Чем тяжелее самолет и меньше его крыло, тем больше необходимая взлетная скорость и, значит, разбег при взлете. Двигатели создают тягу, которая заставляет самолет все быстрее разбегаться по взлетной дорожке, а затем взмывать в воздух. Чем больше тяга, тем быстрее набирает самолет необходимую взлетную скорость и, значит, тем меньше разбег.

Может, сильно увеличив тягу, удастся совсем избавиться от разбега при взлете? Очевидно, нет, так как все равно понадобится какое- то время, чтобы набрать нужную скорость. Значит, разбег хоть и уменьшится, но все же сохранится.

И тем не менее именно такое увеличение тяги двигателей открывает возможность вертикального взлета. Только для этого двигатели должны тянуть самолет не вдоль земной поверхности, а перпендикулярно к ней, вверх, как несущий винт вертолета.

На самолетах вертикального взлета в настоящее время устанавливают двигатели двух типов — либо турбовинтовые, либо турбореактивные. В первом случае обычно мощный турбовинтовой двигатель приводит в движение два соосных воздушных винта, вращающихся в разные стороны. Понятно, почему необходимы именно два винта с разносторонним вращением — ведь иначе при взлете самолет стал бы вращаться в сторону, противоположную вращению винта. Не зря же на вертолетах с одним несущим винтом у хвоста устанавливается небольшой дополнительный винт, препятствующий этому вращению. В таком винте нет необходимости, когда на вертолете два несущих винта с противоположным вращением, как, например, на новом вертолете «КА-18» конструкции Н. И. Камова.

Странный, необычный вид имеет самолет вертикального взлета на земле. Его нос устремлен вверх, прямо в небо. Вот так же примерно выглядит самолет, устанавливаемый для взлета с помощью специальной пусковой установки — катапульты. Но такая установка «выстреливает» машину в небо, а при вертикальном взлете самолет поднимается с помощью собственного двигателя. Потом он совершает такую же посадку. Правда, он иногда садится на специальную стартовую установку, с помощью которой этот самолет и перевозят.

Опирается он обычно на три или четыре короткие «ноги» с опорными дисками, почти как межпланетный корабль где-нибудь на Луне. Он напоминает птицу с опущенными крыльями, — иногда такие самолеты называют поэтому «пингвинами». Летчик при взлете почти лежит на спинке своего кресла, которое обычно делается поворачивающимся. Но вот двигатель запущен, его мощность увеличена до максимальной, и самолет вертикально уходит в небо. После того как взлетевший самолет наберет высоту, он разворачивается и далее совершает свой полет уже в обычном, горизонтальном положении.

Так самолеты овладели искусством вертикального взлета и посадки, не потеряв при этом способности летать с огромной скоростью. И все же такие самолеты еще далеко не решают проблемы.

Конечно, они найдут применение и как истребители, и как дальние маршрутные такси. Меньше чем за час на них можно перелететь из Ленинграда в Москву, причем взлететь и сесть прямо в центре города!

Но воспользоваться таким такси сможет далеко не всякий — билет будет стоить очень дорого, гораздо дороже, чем, например, на обычный вертолет. И дело здесь вовсе не в том, что придется доплатить за скорость, как это часто бывает в наземном транспорте. Уж очень невыгоден самолет вертикального взлета, слишком много топлива расходует его мощный двигатель.

Тут мы коснулись важнейшей проблемы эксплуатации летательных аппаратов вертикального взлета и посадки. Мало построить аппарат, обладающий таким свойством, нужно, чтобы он был достаточно экономичным. Конечно, в военной авиации это требование отступает на второй план, но в гражданской оно обычно является решающим.

Понятно, что экономичность эксплуатации летательных аппаратов различного рода определяется рядом обстоятельств. Здесь и потребный расход топлива, и первоначальная стоимость изготовления, и расходы по эксплуатации и ремонту и т. д. Поэтому определить экономичность совсем не так просто, это требует тщательного анализа в каждом отдельном случае. Однако некоторые общие сведения можно получить, если вновь обратиться к самым основам физики полета.

Выше уже упоминалось, что силы, действующие на летательный аппарат в полете, создаются путем отбрасывания воздуха (или газов). Но какое из известных устройств для такого отбрасывания выгоднее — машущее или неподвижное крыло, пропеллер или несущий винт, реактивная струя турбореактивного или ракетного двигателя?

Самолеты вертикального взлета — «пингвины».

Чтобы ответить на этот вопрос, целесообразно сравнить величину реактивной силы в килограммах, которая приходится на каждую лошадиную силу мощности силовой установки. Наиболее выгодным при таком сравнении окажется то устройство, в котором скорость отбрасывания воздуха меньше. В этом нет ничего удивительного, если вдуматься. Ведь мощность двигателя затрачивается на то, чтобы сообщить отбрасываемому воздуху какую-то кинетическую энергию, которая, как известно, пропорциональна квадрату скорости. Поэтому при увеличении скорости отбрасываемого воздуха, например, вдвое мощность двигателя должна возрасти вчетверо. Сила же реакции отбрасываемой струи пропорциональна скорости отбрасывания в первой степени: когда скорость возрастает вдвое, то и сила увеличивается вдвое. Таким образом, при увеличении скорости отбрасывания вдвое на каждый килограмм реактивной силы затрачивается и вдвое больше лошадиных сил. Значит, чем меньше скорость отбрасывания, тем выгоднее устройство для создания подъемной силы. Одну и ту же подъемную силу выгоднее Создавать, отбрасывая как можно большую массу воздуха с возможно меньшей скоростью.

Конечно, этот весьма упрощенный метод может служить только для грубого качественного сравнения. Но все же он дает ключ к оценке возможных областей выгодного применения летательных аппаратов различного типа. Оказывается, с наименьшей скоростью отбрасывает воздух машущее крыло, затем идут — в порядке возрастания этой скорости — неподвижное крыло, несущий винт, пропеллер, турбореактивный двигатель и ракетный двигатель. Поэтому при той же мощности двигателя орнитоптер сможет поднять больший груз, чем самолет, а самолет — больший груз, чем вертолет. Вертолет, в свою очередь, поднимет больший груз, чем самолет вертикального взлета с турбовинтовым двигателем, а еще менее выгоден самолет вертикального взлета с турбореактивным двигателем, не говоря уже о ракетном.

Вот почему самолеты вертикального взлета не выгодны для гражданской авиации. Эти экспрессы уж очень дороги в эксплуатации, так как потребляют чрезмерно много топлива при взлете. Но не только поэтому. Двигатели таких самолетов должны быть чрезмерно мощными — это тоже диктуется условиями вертикального взлета и посадки. Ведь когда самолет вертикального взлета переходит на обычный, горизонтальный полет, то подъемная сила создается уже крылом, что требует в несколько раз меньшей затраты мощности. Значит, для такого полета можно было бы использовать гораздо менее мощный двигатель, чем для взлета. К сожалению, заменить один двигатель другим в полете невозможно: хочешь не хочешь, самолет вынужден нести на себе более мощный, а значит, и более тяжелый и громоздкий, чем это необходимо, двигатель. Только когда самолет летит с очень большой скоростью, раза в два, а то и более превосходящей скорость звука, на полет расходуется вся мощность двигателя. Но длительный полет на такой скорости, в свою очередь, не выгоден из-за чрезмерно большого расхода топлива…

Следовательно, будущее турбовинтовых и турбореактивных пассажирских самолетов вертикального взлета ограничено только высокоскоростным, экспрессным сообщением. Но и это очень важно, конечно. Так что небо завтрашнего дня будут бороздить многие подобные самолеты. Вовсе не обязательно они должны походить на рассмотренные нами выше: не очень-то удобно для пассажиров, когда при взлете длинный фюзеляж расположен вертикально.

Вот почему уже создаются и испытываются пассажирские самолеты вертикального взлета и посадки других типов. Фюзеляж у них имеет обычное — горизонтальное — положение, а двигатели поворачиваются: при взлете и посадке они «смотрят» вверх, создавая подъемную силу, а в горизонтальном полете занимают обычное положение.

Конвертопланы — самолеты с поворачивающимися двигателями или винтами (по журналам «Нейшнл Эронотикс», январь 1963 г., «Интеравиа», декабрь 1960 г., и др.).

Вместо двигателей может поворачиваться целиком крыло (по журналу «Интеравиа», ноябрь 1962 г., и др.).

Уже созданы различные экспериментальные конструкции самолетов с поворачивающимися двигателями. Впрочем, самолетами их можно назвать, пожалуй, только условно, скорее это гибриды самолета и вертолета. При взлете машина напоминает вертолет, в обычном же полете — самолет. Их и называют иногда самолетами-вертолетами, или конвертопланами (конвертоплан — преобразованный летательный аппарат).

Обычно конвертопланы имеют небольшое крыло, на концах которого расположены два винта, вращающиеся в противоположные стороны. Иногда эти винты устанавливаются в специальных коротких отрезках труб большого диаметра или туннелях — это позволяет увеличить создаваемую винтами движущую силу. Винты приводятся во вращение турбовинтовыми двигателями, расположенными либо здесь же, на крыле, либо в фюзеляже, и тогда от них к винтам идут длинные передаточные валы.

Для взлета винты устанавливают так, чтобы они служили несущими, как у вертолета. Затем, уже в полете, летчик просто поворачивает их оси на 90° — винты становятся тянущими, вертолет преобразуется в самолет.

Есть конвертопланы, на крыльях которых установлены не турбовинтовые, а турбореактивные двигатели. Они так же поворачиваются после взлета, отчего конвертоплан превращается в обычный реактивный самолет.

Но, может быть, проще поворачивать не двигатели на крыле, а все крыло вместе с двигателями?

И эта возможность исследуется. Когда конвертоплан такого типа стоит на земле, его крыло повернуто так, что оно вместе с двигателями «смотрит» вверх. Только на значительной высоте крыло начинает медленно поворачиваться в горизонтальное положение. Двигатели при этом тянут самолет не только вверх, но и вперед. Наконец поворот закончен. Теперь самолет не отличишь от других, мчащихся в небе с большой скоростью..

На будущих пассажирских линиях, особенно местных, где зачастую нет больших аэродромов, будет курсировать много конвертопланов.

Можно не сомневаться, что они полюбятся пассажирам.

Но нельзя ли вообще не поворачивать ни самолет, ни его крыло, ни даже двигатели?

Оказывается, даже такая, на первый взгляд, невероятная возможность все же реальна. Ее открывают замечательные свойства несущего крыла. Правда, крыло в этом случае должно быть не простым, а специальным, высокомеханизированным.

Вернемся еще раз к физическим основам полета. Мы говорили уже о том, как влияет на подъемную силу наклонно движущейся пластины величина ее поверхности. Но, помимо поверхности, есть и другой фактор, сильно сказывающийся на величине подъемной силы, — это угол, который образует пластина к направлению движения, так называемый угол атаки. Нетрудно видеть, что с увеличением этого угла подъемная сила возрастает. Тот, кто запускал воздушный змей, хорошо это знает. Когда змей «задирается», становится круто к набегающему потоку, он рвется из рук. Внимательные наблюдатели могли заметить, как различаются положения самолета в полете и при посадке, — в последнем случае он сильно опускает хвост. Это делается именно для того, чтобы угол атаки крыла увеличился, возросла его подъемная сила, а посадочная скорость уменьшилась.

Однако увеличение угла атаки не всегда увеличивает подъемную силу. Стоит чуть-чуть превзойти этот угол, «передрать» самолет, как подъемная сила вдруг резко упадет. Предельный угол атаки называется критическим — он определяет кризис в обтекании крыла встречным потоком. Пока обтекание остается правильным и поток всюду прилегает к поверхности крыла, увеличение угла атаки приводит к тому, что поток сильнее отклоняется крылом вниз и подъемная сила растет. Но как только достигнут критический угол атаки, поток отрывается от крыла и подъемная сила резко падает. При посадке это грозит катастрофой.

Конструкторы самолетов и ученые издавна задумывались, нельзя ли увеличить подъемную силу крыла при одном и том же угле атаки? Нельзя ли искусственно задержать, отодвинуть срыв потока с крыла? Понятно, что это привело бы к уменьшению посадочной и взлетной скоростей, позволило бы уменьшить длину взлетно-посадочных полос, а также увеличить полезный груз на самолете и уменьшить потребную мощность двигателя.

Механизированное крыло.

Первым решением задачи и были «механизированные» крылья. Понятно, что крыло самолета можно считать движущейся в воздухе пластиной только условно. В действительности, конечно, оно представляет собой совсем не простую пластину, а имеет в поперечном сечении сложный профиль, так называемую авиационную дужку. От того, какой именно это профиль, очень сильно зависят аэродинамические характеристики крыла. В частности, хорошо известно, что более изогнутый профиль крыла создает и большую подъемную силу при том же угле атаки. Это и понятно — такое крыло сильнее отклоняет поток вниз. Но зато и сопротивление изогнутого крыла больше. Конечно, лучше всего было бы при взлете и посадке изгибать крыло побольше, а в горизонтальном полете с большой скоростью изогнутость уменьшать. Попытки создать такое «гибкое» крыло были, но успешными их назвать нельзя.

А что если попытаться сконструировать крыло так, чтобы оно состояло как бы из отдельных продольных частей- полос? Тогда можно было бы поворачивать эти части относительно друг друга, в результате чего общая кривизна профиля крыла изменялась бы. Так появились крылья, снабженные предкрылками и закрылками — перемещающимися частями, расположенными спереди и сзади крыла. В обычном полете эти части образуют одну поверхность с крылом, создавая сравнительно небольшую кривизну дужки, необходимую для горизонтального полета. Но вот самолет совершает посадку — предкрылки выходят из гнезд, закрылки поворачиваются, крыло становится как бы более изогнутым и — обычно — большим по площади. Такая «механизация» крыла позволила значительно улучшить взлетно-посадочные свойства самолетов. Понятно, что особенно большую роль играет механизированное крыло при создании самолетов короткого взлета и посадки, подобных «Пчелке».

Но, конечно, и «механизация» крыла не исключает срыва потока, она лишь увеличивает критический, срывной угол атаки. Аэродинамика открыла и другой высокоэффективный способ отодвинуть возникновение срыва потока. Как показали исследования, сначала отрывается от поверхности очень тонкий пограничный слой воздуха, и только за ним — весь поток. Оказывается, можно предотвратить возникновение срыва, если воздействовать на пограничный слой — отсасывать его с поверхности крыла через небольшие щели или, наоборот, выдувать через другие щели воздух под давлением.

Так можно управлять пограничным слоем на крыле. Вверху показан экспериментальный самолет «Х-21» (США) с отсасыванием пограничного слоя.

Самолеты вертикального взлета с «изгибающимся» крылом (по журналу «Микеникел инжиниринг», апрель 1962 г., и др.).

С помощью такого управления пограничным слоем можно вызвать нормальное обтекание на углах атаки, намного больших, чем критический угол обычного крыла. Правда, управление пограничным слоем не достается даром, оно требует затраты значительной мощности на сжатие или разрежение воздуха. Но, как видно, эта затрата многократно окупается, если уже не только ведутся интенсивные исследования, но и строятся экспериментальные самолеты с управлением пограничным слоем на крыле. Кстати сказать, появление вместо поршневых двигателей газотурбинных сделало перспективы управления пограничным слоем значительно более реальными. Ведь через эти двигатели протекает огромное количество воздуха, что и позволяет использовать часть его для управления пограничным слоем.

Но нельзя ли применить крыло с такой «комплексной механизацией» для создания самолетов вертикального взлета и посадки?

Ведь если бы удалось заставить поток воздуха, обтекающий крыло при взлете и посадке, отклониться прямо вниз, то есть повернуть этот поток на 90°, с горизонтального на вертикальный, то задача была бы решена! Тогда крыло создавало бы даже на стоянке самолета (при работающих двигателях) достаточную подъемную силу, чтобы уравновесить вес самолета. В этом случае не было бы необходимости поворачивать установленные на самолете двигатели или даже все крыло целиком, достаточно было бы просто изогнуть крыло так, чтобы его задняя часть оказалась направленной вертикально вниз. Конечно, при этом нужно еще заставить поток, отбрасываемый винтом, не отрываться от изогнутого в виде буквы «Г» крыла, а плавно обтекать его. Обе эти задачи и решает крыло некоторых из построенных в последнее время самолетов вертикального взлета и посадки. Можно думать, что такие самолеты найдут широкое применение в будущем, так как они представляют собой, пожалуй, наиболее простое решение проблемы вертикального взлета и посадки.

А как быть, если самолет реактивный? Ведь на нем нет винта, создающего поток, который может обтекать крыло еще при стоянке самолета.

Выходит, придется все же поворачивать либо двигатели, либо крыло вместе с двигателями?

Такой вывод был бы поспешным. Ведь если на реактивном самолете нет струи от винта, то есть струя выхлопных газов. Значит, нужно осуществить поворот этой струи, не поворачивая самого двигателя. Для этого, очевидно, достаточно устроить изгибающуюся или поворачивающуюся выхлопную трубу. Помните, как путем реверсирования реактивной струи турбореактивного двигателя удается быстро затормаживать самолет при посадке? Тот же принцип может быть использован и для создания подъемной силы с помощью реактивной струи: для этого ее нужно направить вниз, к земле. Такие самолеты вертикального взлета и посадки уже летают, испытываются в воздухе.

.Самолеты вертикального взлета е отклоняющейся реактивной струей и «реактивными закрылками» (по журналу «Флайт», апрель 1963 г., и др.).

Но, пожалуй, еще выгоднее поступить иначе — выпускать газы наружу не через обычное реактивное сопло, а через щель, идущую вдоль задней кромки крыла. Тогда при взлете поток газов, мчащихся с большой скоростью к земле, создаст нужную подъемную силу. А когда самолет взлетит, то специально сконструированные закрылки повернутся так, чтобы газы вытекали назад, как это требуется для скоростного горизонтального полета. «Реактивные закрылки» становятся все более популярными в авиации. Их значительное преимущество заключается в том, что пелена реактивных газов позади крыла улучшает его обтекание при полете с небольшими скоростями, она как бы подсасывает воздух и таким образом значительно увеличивает критический угол атаки.

Правда, система «реактивных закрылков» имеет и недостатки, связанные главным образом с тем, что горячие газы текут внутри крыла. Приходится принимать специальные меры защиты конструкции от действия высокой температуры. Предлагается иногда также в задней, отклоняющейся части крыла устанавливать целую батарею небольших турбореактивных двигателей.

Кстати сказать, установка ряда турбореактивных двигателей сравнительно небольшой тяги вместо малого числа очень мощных обладает, очевидно, и другими преимуществами. Как и в природе, в технике чрезмерно большие размеры невыгодны, когда речь идет о полете. Этот вывод основывается на очень простом законе: когда размеры увеличиваются вдвое, вес возрастает в 2³, то есть в 8 раз. Так как все поверхности при этом увеличиваются только в 2², то есть в 4 раза, то на единицу несущей поверхности придется вдвое больший вес. В природе, возможно, именно этим объясняется отсутствие комаров величиной со слона. В нашем же случае это показывает практичность двигателей малой тяги, обладающих меньшим весом на единицу тяги. Правда, существует предел, ниже которого уменьшение размеров уже невыгодно.

Самолеты вертикального взлета с раздельными двигателями для взлета и горизонтального полета (по журналу «Люфтфарттехник», июнь 1962 г., и др.).

Но если установить много маломощных двигателей, то, может быть, стоит предусмотреть, чтобы одни создавали тягу в горизонтальном полете, а другие — подъемную силу и работали только при взлете? Так и сделано в ряде построенных, а также спроектированных в Англии, США, Франции и других странах экспериментальных самолетах вертикального взлета. В числе их имеется, например, английский проект пассажирского экспресса будущего, в котором тяга и подъемная сила создаются раздельно значительным числом турбореактивных двигателей.

Мы уже знаем, как невыгодно создавать подъемную силу, отбрасывая вниз газы с большой скоростью. Вот почему возникает мысль о том, нельзя ли использовать турбореактивный двигатель только для горизонтального скоростного полета, а для взлета и посадки заменить его каким-нибудь другим устройством. Так появились проекты самолетов вертикального взлета с силовой установкой «двойного назначения». При необходимости совершить вертикальный взлет или посадку газы не выпускаются из турбореактивного двигателя назад, а направляются на турбинные лопатки, которые могут быть, например, укреплены на ободе несущего винта или вентилятора большого диаметра, установленного в фюзеляже или крыле в горизонтальной плоскости. Таким образом, становится возможным взлет при гораздо меньшей мощности двигателя и меньшем расходе топлива, чем при отклонении вниз реактивной струи газов. Можно думать, что подобные самолеты окажутся выгодными и найдут применение в будущем.

Реактивные самолеты вертикального взлета с силовой установкой «двойного назначения» (по журналу «Попюлер сайенс», ноябрь 1962 г., и др.).

Колеоптеры. (по журналу «Эронотикс», 1958 г., и др.).

Существуют самые различные самолеты вертикального взлета и посадки, но, как видно, только крыло позволяет совместить в одном летательном аппарате эти свойства с высокой скоростью полета. Правилен ли такой вывод?

Вот взгляните еще на один летательный аппарат. Он стоит, опираясь на ноги, как уже известный нам самолет вертикального взлета. Но крыла на этот раз нет. Просто какая-то бочка на стойках. И вдруг эта бочка вздрагивает, снизу из нее вырываются раскаленные газы, она отрывается от земли и уносится в небо. На высоте в несколько десятков метров бочка круто поворачивается на бок и, продолжая с высотой набирать скорость, скрывается за горизонтом.

Что это за бочка? Как она может летать без крыла?

Ответы оказываются несколько неожиданными. Здесь тоже есть крыло, только это уже нё наклонная, а свернутая в кольцо, в трубу, пластина. Она и создает необходимую для горизонтального полета подъемную силу. Конечно, этот своеобразный самолет, который часто называют колеоптером «в честь» одного жесткокрылого жука, не похож на обычные самолеты. Во многом он уступает им. Но зато он обладает драгоценной способностью взлетать и садиться вертикально. Вдобавок и маневренность колеоптера выше, чем у обычных самолетов.

Если бы мы заглянули внутрь бочки, то увидели бы круглый фюзеляж с прозрачным носком, образующим фонарь кабины. На некотором расстоянии от фюзеляжа, концентрически относительно него, расположено кольцевое крыло, связанное с фюзеляжем несколькими радиальными стойками-поперечинами. Фюзеляж оказывается как бы вставленным внутрь кольцевого крыла. Через кольцевую щель между фюзеляжем и крылом с большой скоростью протекает встречный воздух.

«Турболет» в воздухе.

Пассажирские колеоптеры могут успешно соревноваться с другими самолетами вертикального взлета и посадки в качестве экспрессных авиатакси. На колеоптерах можно устанавливать турбовинтовой двигатель, приводящий во вращение два соосных винта внутри кольцевого крыла. Может найти применение для наиболее скоростных пассажирских перелетов и колеоптер, в задней части фюзеляжа которого установлен турбореактивный двигатель. Такие колеоптеры могут доставить пассажиров из Ленинграда в Москву меньше чем за полчаса, причем с посадкой и высадкой в самом центре города, например на крышах гостиницы «Ленинградская» в Ленинграде и гостиницы «Москва» в Москве.

Еще большей скоростью обладают реактивные колеоптеры, на которых, помимо турбореактивного двигателя, установленного в задней части фюзеляжа, имеется и прямоточный воздушно-реактивный двигатель. Газовоздушный тракт этого двигателя образуется кольцевым воздушным пространством между фюзеляжем и крылом. Так как прямоточный двигатель при стоянке тяги не создает, то колеоптер взлетает с помощью турбореактивного. Только на значительной высоте, когда достигнута большая скорость, включается прямоточный двигатель. Через топливные форсунки, установленные по окружности у середины крыла, впрыскивается бензин. Бензовоздушная смесь поджигается электрической искрой — и вот уже в кольцевом канале бушует огненный ураган. Тяга сразу возрастает, и колеоптер резко увеличивает скорость. Истребители такого типа могут развивать скорость до трех-четырех тысяч километров в час.

Наиболее ответственными и трудными для любого аппарата вертикального взлета и посадки являются именно эти моменты — взлет и посадка.

Ничтожно малая скорость движения делает его крайне неустойчивым, а обычные аэродинамические рули оказываются в этих условиях неэффективными. Любой порыв ветра может стать роковым для вертикально движущегося самолета. Если не будут найдены новые способы обеспечения устойчивости и управляемости самолета при вертикальном взлете, то создание таких самолетов станет бессмысленным.

Французский «турболет» — «Летающий Атар».

К сожалению, опыт авиации мало чем может помочь тут, полезнее оказывается опыт запуска ракет. Ведь когда взлетает ракета, ее аэродинамические рули тоже оказываются неэффективными, и управлять приходится с помощью иных средств. Иногда поэтому ракеты вообще не имеют аэродинамических рулей и даже стабилизаторов. На активном участке полета ракет используют поворот двигателя на небольшой угол или в струю вытекающих газов помещают специальные рули из жароупорного материала, обычно графита. После остановки двигателя ракета управляется с помощью струй газов или пара, вытекающих в боковых направлениях из корпуса ракеты.

Те же способы должны быть, очевидно, использованы и для управления вертикально взлетающим самолетом. Конечно, поворот оси двигателя в этом случае вряд ли возможен, но отклонение реактивной струи может оказаться весьма эффективным средством. Точно так же могут быть использованы специальные боковые сопла, через которые будут вытекать струи газов, заставляющие самолет поворачиваться в нужном направлении.

Но одно дело теоретические предположения, другое — проверка их на практике и выбор наилучшей схемы управления. Вот почему сейчас в ряде стран построены и строятся экспериментальные летательные аппараты вертикального взлета специально для отработки самого процесса взлета и посадки и проверки различных методов управления.

Вот, например, аппарат, похожий на повисший в воздухе мостовой кран. Четыре длинные решетчатые фермы, расположенные в виде креста, четыре вертикальные ноги с небольшими колесами, застекленная кабина для «крановщика». В центре этого «футуристического» сооружения — довольно длинная вертикальная труба большого диаметра. В ней-весь секрет загадочного парения «крана». Это — турбореактивный двигатель. Весь же странный аппарат — советский «турболет», созданный коллективом конструкторов во главе с А. Н. Рафаэлянцем. Чтобы управлять турболетом, в струе газов, вытекающих из двигателя, установлены рули. Для управления служат и рули, установленные на концах всех ферм. Эти рули представляют собой небольшие сопла, через которые с высокой скоростью может вытекать сжатый воздух, отводимый из компрессора двигателя. Сила реакции вытекающей струи заставляет турболет поворачиваться в нужном направлении.

Конечно, не сразу удалось выпустить в свободный полет этого невиданного «зверя». Сначала его посадили на цепь и позволяли ему лишь немного подпрыгивать. Только после того как необычную систему управления изучил и освоил «летчик», аппарат был освобожден от пут и отправился в самостоятельный полет.

Аналогичный французский экспериментальный летательный аппарат, названный «Летающим Атаром», представляет собой длинную трубу, на верху которой поместилась кабина «летчика». Внутри трубы — турбореактивный двигатель «Атар», баки с топливом и необходимое вспомогательное оборудование. Этот летающий двигатель служил прообразом аппарата типа колеоптера, который создан на его основе.

Все опыты и поиски, которые должны привести к созданию пассажирских самолетов, сочетающих огромную скорость со способностью совершать вертикальные взлет и посадку, дадут и еще один замечательный результат.

В начале этой главы рассказывалось об автомобиле-вертолете. Как ни хороша эта машина, несущие винты большого диаметра не служат ее украшением, когда она движется по улицам города. Так ли уж они необходимы?-¦

… Вы мчитесь в автомашине по широкой ленте загородного шоссе. Машина — новой марки, ее показывает вам товарищ, работающий в научно-исследовательском институте автомобильной промышленности. С виду она мало чем отличается от обычных автомашин. Но вот совершенно неожиданно для вас машина взмывает в воздух. Да, ошибки нет, вот уже уплывает в сторону шоссе, автомобиль проносится над верхушками деревьев у обочины, перемахивает через высокие здания поселка. Спустя минут десять — пятнадцать автомашина так же плавно снижается и бесшумно садится на асфальтированную просеку в лесу. И снова вы мчитесь по дороге…

Устройство машины довольно просто. Спереди, под капотом, у нее установлен обычный автомобильный двигатель воздушного охлаждения. Когда машина едет по земле, двигатель вращает ее колеса. Но вот нажата кнопка управления с надписью «взлет». Сейчас же срабатывает электропневматическая муфта сцепления, и связь двигателя с колесами прерывается. Зато вал двигателя соединяется особой передачей с двумя соосными винтами, расположенными горизонтально один над другим под кабиной автомобиля. В некоторых моделях эти винты расположены рядом друг с другом. В общем это напоминает вертолеты с двумя несущими винтами, которые тоже могут устанавливаться то на одной оси, то рядом. Да и по конструкций винты автомобиля очень похожи на несущие винты вертолета, но только они значительно меньше и вращаются быстрее. Роль их та же, что и несущих винтов вертолета, — поднимать машину в воздух. Конечно, делают они это не так эффективно, как большие винты, но в данном случае гораздо важнее малые размеры, чем грузоподъемность.

Этот своеобразный автомобиль, по существу, не летает, он передвигается на воздушной подушке, не отрываясь от земли более чем на десятки сантиметров. Советский автолет «Вихрь» (газета «Правда», 18 февраля 1963 г.).

Винты засасывают воздух через капот машины, по пути воздух охлаждает двигатель, а затем меняет свое направление и отбрасывается вниз. Реактивная сила поднимает легкую машину, изготовленную из прочной пластмассы.

Не вздумайте, однако, спутать этот автомобиль-реактолет с другими автомобилями, в которых тоже имеются винты-вентиляторы, отбрасывающие воздух под машину, но уже не способные поднять ее высоко в воздух. Такие автомобили-автолеты иногда называют поэтому обидным термином «низколеты» или даже «ползолеты» — они действительно как бы ползут над земной или водной поверхностью, отрываясь от нее на небольшое расстояние, не более долей метра.

Принцип создания подъемной силы у этих автомобилей и судов совсем иной — их вентиляторы, нагнетая воздух под машину, создают там своеобразную воздушную подушку, на которую и опирается машина. Вот почему все подобные автомобили и суда правильнее называть именно аппаратами на воздушной подушке. Таким аппаратам, предложенным впервые Циолковским, принадлежит большое будущее на суше и на воде, но все же это не авиация. Рожденный ползать — летать не может…

Английский автолет «Кушенкрафт» (по журналу «Интеравиа», июль 1960 г.).

В нашем летающем автомобиле-реактолете вентиляторы отбрасывают настолько сильную струю воздуха, что ее реакция уже становится равной и даже большей веса машины. Именно поэтому она взмывает в воздух как вертолет. Да и весь дальнейший полет совершается почти так же, как и на вертолете, который управляется винтами. Наклон оси винтов в какую-либо сторону приводит к тому, что воздух отбрасывается уже не только вниз, но и в сторону. Это заставляет автомобиль-реактолет лететь в нужном направлении — даже назад или в сторону.

При движении машины с большой скоростью по земле винты свободно вращаются, или, как говорят в авиации, авторотируют. Это увеличивает устойчивость машины, она идет плавно, без толчков — винты действуют как своеобразные маховики-жироскопы. Машине не страшны глубокие овраги, разлившиеся реки, разрушенные мосты и другие непреодолимые для обычных автомобилей преграды.

Первые летающие автомобили уже проектируются, а некоторые и строятся. Наиболее простые модели уже даже летают. Правда, их с большим правом можно было бы назвать летающими мотоциклами. Они рассчитаны на одного человека, да и кабины не имеют, так что водитель обдувается всеми ветрами, как и положено настоящему мотоциклисту. У таких аппаратов обычно очень небольшие размеры. Они представляют собой, по существу, винты с двигателями мотоциклетного типа. Над моторчиком на решетке стоит «летчик». Недаром эти сооружения называют иногда «летающими сковородками»!

Летающие автомобили (по журналам «Америкен авиэйшн» и «Интеравиа», 1957–1962 гг.).

Но можно создать по тому же принципу и «летающие грузовики», способные поднять огромный груз. По одному из проектов на «грузовике» должны быть установлены четыре пары винтов, расположенные по сторонам центрального грузового отсека. Правда, ездить по улицам на подобной махине, вероятно, не очень просто, зато какие удобства представит такой летающий кран!

Тысячи и тысячи летающих автомобилей разных типов поднимутся в небо завтрашнего дня. Они будут мчаться в разных направлениях, парить на одном месте, садиться на землю для того, чтобы стать обычным автомобилем, и даже плыть по рекам и озерам, превратившись в универсальную амфибию, для которой и суша, и вода, и воздух — родная стихия.

Но все эти летательные аппараты будут, конечно, обладать малой скоростью. По-прежнему там, где потребуется скорость, близкая к звуковой, придется, очевидно, использовать самолеты.

Так ли это?

«Летающие сковородки» и «летающие мотоциклы» (по журналам «Америкен авиэйшн» и «Интеравиа», 1957–1962 гг.).

«Летающие грузовики» (по журналу «Интеравиа», 1961 г.).

Нет, не так. Мы уже не говорим о баллистических пассажирских ракетах, описанных выше. Но даже в тех случаях, когда понадобится длительный скоростной полет в атмосфере на небольших высотах, то есть когда необходимо создание подъемной силы, отличающей аэродинамический полет от баллистического, с успехом могут применяться летательные аппараты без крыла.

… Москва. В центре города сооружен… аэропорт. Для него не пришлось сносить многочисленные здания, освобождая огромную площадь, которую пересекали бы во всех направлениях бетонные ленты взлетно-посадочных полос. Это — аэропорт новой, «безаэродромной» авиации. И, хотя в аэропорту одновременно могут совершать посадку и взлетать несколько многоместных пассажирских лайнеров, он имеет совсем небольшие размеры. Им стала хорошо известная «стрелка» Москвы-реки, то место, где сейчас находится старейшая гребная станция. Для устройства аэропорта не пришлось сносить даже эту станцию. Над рекой и близлежащими участками суши на железобетонных сваях-опорах поднята «территория» аэропорта.

Заканчивается посадка пассажиров в экспресс Москва — Гавана. Огромное тело экспресса напоминает чудовищную рыбу, выброшенную на берег и бессильно распластавшуюся там. Сколько ни рассматривай этот лайнер, признака крыльев не обнаружишь. Нет и привычного хвостового оперения. Но нет и несущих винтов, по которым мы могли бы узнать вертолет. Что же это за летательный аппарат?

Посадка пассажиров закончена. Члены экипажа занимают свои места. Минутная стрелка, движущаяся по огромному циферблату часов, проецируемому на небосвод, совпала с красной чертой. Бесшумно, почти незаметно корабль оторвался от своего ложа и стал вертикально подниматься. Только невидимый вихрь погнал по бетонному полю аэропорта клочки бумаги. Но вот и он стих — корабль уже высоко. Продолжая подъем, так же плавно он начал лететь вперед. Все дальше и дальше. И вот он скрывается за горизонтом…

Бескрылый летательный аппарат (по проекту австрийского конструктора Липпиша).

Судя по всему, корабль подняла сила, создаваемая реактивными двигателями. Мы уже знаем, как это делается. Но что поддерживает его в горизонтальном полете, если нет ни крыла, ни несущих винтов? Все та же сила турбореактивных двигателей. Правда, и сам корпус корабля создает довольно значительную подъемную силу при тех скоростях, с которыми совершается этот полет. Недостающая же подъемная сила создается реактивными струями. Они чуть-чуть отклоняются от своего движения назад. Но даже незначительного отклонения струй вниз достаточно, чтобы образовать нужную подъемную силу. При взлете же и посадке газы вытекают только вниз.

В аэропортах завтрашнего дня, вероятно, можно будет увидеть и другие летательные аппараты, основанные на том же принципе. Так, например, предлагаются для этой цели настоящие летающие… блюдца! Это будут диски с кабиной в центре и с кольцевой пеленой газов, вытекающих снизу по окружности диска. На этом диске устанавливается турбореактивный двигатель или несколько таких двигателей, газы из которых при взлете вытекают прямо вниз, а в полете — назад; поворот газовых струй происходит с помощью направляющих лопаток. Форма аппарата представляет ряд преимуществ в аэродинамическом отношении.

В небе будущего можно будет увидеть и такие «летающие блюдца».

Кстати сказать, впервые в истории авиации самолет с крылом такой формы был построен у нас в стране конструктором-изобретателем А. Г. Уфимцевым еще в 1909–1910 годах. Он назвал его сферопланом. Спустя 40 лет у нас же был построен экспериментальный планер, а недавно — второй, усовершенствованный его вариант с подобным круглым крылом. Конструктор, кандидат технических наук М. В. Суханов, назвал свой планер «дископланом» 18*. Диаметр крыла этого одноместного легкого планера равен 5 метрам, полетный вес — 240 килограммам. Планер показал очень хорошие летные качества.