Самолёты с арочным крылом
Рассматривали как то с вами много интересных самолетов: вот например Самолет - бочка, а вот Самолет - наоборот и Летающий блин Vought V-173. Были еще Самолеты вертикального взлета с хвоста и Первый в мире бомбардировщик с обратной стреловидностью крыла
В Государственном музее авиации Украины есть странный экспонат. Это небольшой спортивный самолет, числящийся как «Изделие 181» АНТК имени О. Антонова. Бросается в глаза форма его крыльев - под пропеллерами они необычным образом выгнуты, образуя полуарки. Неужели подобная конфигурация могла положительно повлиять на аэродинамику? И вообще - что это такое?
Летала ли эта машина?
Как ни странно, у «антоновской» машины длинная история, корнями уходящая к самым истокам авиационной промышленности. Известно, что миром движет бизнес, в том числе и миром авиации. Человек может стать мировой знаменитостью и сделать огромное состояние всего на одном значимом патенте, на одном революционном изобретении. Так и пенсильванский инженер Уиллард Рей Кастер искренне верил в придуманную им аэродинамическую схему и практически положил жизнь на внедрение ее в реальность.
Кастер носил гордую фамилию - он был потомком знаменитого генерала Джорджа Кастера, героя гражданской войны в США, прославившегося безрассудством, бешеным темпераментом и храбростью. В какой-то мере Уиллард перенял родовые черты. В 1925 году он, молодой инженер, недавний выпускник, чинил сорванную ветром крышу сарая, и ее изогнутая форма навела его на интересную мысль - почему бы не придать подобную конфигурацию самолетному крылу? Если ветер слабым порывом сорвал крышу, он же сможет создать подъемную силу и для самолета! В 1928 году Кастер создал первую модель с крылом так называемой арочной конфигурации, а годом позже получил и соответствующий патент.
Модель подтвердила догадки Кастера. Крыло действительно создавало большую подъемную силу на малых скоростях. Теоретически полноценный самолет такого типа смог бы взлетать почти вертикально при очень коротком разбеге. Оставалось претворить патент в жизнь.
Второй экземпляр легендарного CCW-5 сохранился и экспонируется в Mid-Atlantic Air Museum (Рединг, Пенсильвания).
Уиллард Кастер и серия CCW
Поиски финансирования и технические вопросы несколько оттянули реализацию идеи Кастера. Лишь в 1939 году он зарегистрировал собственную компанию National Aircraft Corporation, а тремя годами позже из цеха выехал первый настоящий самолет CCW-1 (Custer Channel Wing). Это была одноместная, сугубо экспериментальная машина, предназначенная для демонстрации преимуществ схемы. В движение она приводилась двумя 75-сильными двигателями Lycoming O-145 с толкающими пропеллерами. 12 ноября 1942 года самолет совершил первый - вполне успешный - полет. Правда, с посадкой дела не задались - она была жесткой, шасси подломились, и самолет проехался «на брюхе». Далее последовали 300 часов летных испытаний, в ходе которых оказалось (Кастер сам этого не ожидал), что машина может лететь вообще без крыльев - только арки и пропеллеры внутри них!
В таком «урезанном» варианте CCW-1 заинтересовал военных. В качестве эксперта пригласили престарелого уже Орвила Райта, и тот порекомендовал машину для военной тестовой программы. И вот тут против Кастера сыграло стандартизированное, линейное военное мышление. Бескрылый CCW-1 создавал такую же подъемную силу, как обычные крылатые аналоги, а скорость имел меньшую. То, что он умел взлетать почти вертикально, никого не заинтересовало - для таких целей перспективнее были вертолеты. И Кастер получил отказ. Сегодня CCW-1 хранится в Национальном музее авиации и космонавтики в Вашингтоне. Так или иначе, Кастер доказал, что схема по меньшей мере может летать, и построил самолет CCW-2, тоже одноместный и экспериментальный. Конструктор взял готовый фюзеляж от самолета Taylorcraft BC-12, заменив единственный центрально расположенный двигатель двумя на крыльях своей схемы, опять же с толкающими пропеллерами. CCW-2 поднялся в воздух 3 июля 1948 года и суммарно налетал порядка ста часов. Практика показала, что и для взлета, и для посадки ему хватало полосы длиной 20 м, но в летных качествах он здорово проигрывал своим традиционным конкурентам, в частности популярному легкому самолету Piper J-3 Cub.
На схеме изображено движение воздуха по профилю крыла, каким его видел Кастер (современные исследования показали, что в отсутствие компьютерного моделирования он не учитывал ряд сил, действующих на крыло). 1 - крыло, 2 - двигатель, 3 - суппорт двигателя, 4 - пропеллер, 5 - канал.
Интересно, что с точки зрения математической аэродинамики Кастер был совершенно прав. Подъемная сила тем выше, чем выше скорость потока по верхней кромке крыла относительно нижней. Полукруглые каналы-арки действительно пропускали поток сверху с более высокой скоростью, чем снизу; этому способствовал расположенный в арке толкающий пропеллер - в теории все было идеально. Более того, подобная форма позволяла не только проще взлетать и садиться, но лучше контролировать самолет в воздухе, особенно на низких скоростях. Казалось, что Кастер придумал идеальную схему для воздушной акробатики или для самолетов-тихоходов, работающих, например, в сельском хозяйстве.
Только вот практика разошлась с теорией. Самолет показал обыденные результаты, а в производстве профилей крыла был очень сложен. Военные, наблюдая за сомнительным полетом CCW-1, отметили и еще один минус: в случае отказа одного двигателя самолет невозможно было удержать на втором. А для боевой машины это существенно.
Но Кастер не сдался, и в 1953 году появился третий самолет - модель CCW-5 - полноценный пятиместный аппарат с фюзеляжем от машины Baumann Brigadier (индексы «3» и «4» получили машины, оставшиеся на бумаге). Самолет приводился в движение двумя шестицилиндровыми двигателями Continental O-470 мощностью по 225 л.с. каждый. 13 июля 1953 года самолет впервые поднялся в воздух - и проявил себя очень хорошо. Испытания показали, что более массивная и тяжелая машина выигрывает за счет конфигурации значительно больше, чем маленькие одноместные «колибри». Максимальная скорость самолета была невелика - 354 км/ч (конкуренты в классе развивали до 500 км/ч), но зато он мог контролируемо лететь на очень низких скоростях - до 20 км/ч! Для взлета с 670-килограммовой нагрузкой CCW-5 хватало 28 м полосы.
К 1956 году Кастер планировал начать серийное производство, но вот заказов что-то не поступало. В результате второй экземпляр CCW-5 появился лишь в 1964 году - и это был единственный «серийный» самолет. От первого машина отличалась 260-сильной модификацией двигателей. Модель дошла до наших дней и хранится в авиационном музее Рединга (Пенсильвания). К тому времени Кастер был уже немолод. Он разочаровался в идее - просто устал за нее бороться. У него было несколько десятков авиационных патентов, приносивших ему неплохой доход, и он ушел на покой. Но его оригинальная идея забыта не была.
Центральная арка
Пока Уиллард Кастер трудился над своими самолетами в Америке, конструктор компании Rhein Flugzeugbau GmbH немец Ханно Фишер, вдохновившись его идеями, построил в 1960 году оригинальнейшую машину под названием Rhein-Flugzeugbau RF-1. Фишеру пришло в голову сделать не два канала-арки, а один - посередине. Машина с цельнометаллическим фюзеляжем оснащалась двумя двигателями Lycoming O-540-A1A суммарной мощностью 250 л.с., приводившими единственный толкающий пропеллер. Самолет совершил всего один полет 15 августа 1960 года, но от его производства (и даже от создания второго прототипа) отказались - чересчур сложной по сравнению с обычными самолетами получилась конфигурация, ее плюсы просто не окупали себя.
Интересно, что причиной такого технического решения было вовсе не желание Фишера улучшить конструкцию. Идея Кастера с двумя двигателями на арочных крыльях была несомненно проще и удобнее. Проблема состояла в том, что Кастер сумел защитить свою идею таким количеством патентов, что другие авиастроители физически не могли их обойти. Центральная конфигурация арки (можно сказать, фюзеляж арочного типа) была единственно возможным обходным путем, но он не оправдал себя.
ЛА «Изделие 181» КБ Антонова - «советский кастер» - разработан в 1980-х годах для исследования аэродинамических свойств арочного крыла, но из-за развала Союза и экономического коллапса так и не поднялся в воздух. Ныне хранится в Государственном музее авиации Украины.
Противоборство с Osprey
Как ни странно, в 1980-х Уиллард Кастер все-таки получил шанс реализовать свою идею и продвинуться дальше прототипа. В 1981 году, после провала операции «Орлиный коготь» в Иране министерство обороны США объявило конкурс на летательный аппарат, способный подниматься вертикально, подобно вертолету, и при этом перевозить солдат и грузы на высокой, «самолетной» скорости. Для Кастера это был вызов. Началась разработка машины, которую должна была построить компания Product Development Group, - она и предложила Кастеру вернуться к его схеме.
К 1985 году была разработана машина CCW P-20 Raider. Теоретические сравнения с обычными самолетами, вертолетами и разрабатываемым по той же программе конвертопланом однозначно демонстрировали выигрыш арочной схемы по всем позициям - и по грузоподъемности на единицу мощности, и по полезной массе груза, и по другим характеристикам. Но и здесь вмешалась судьба - в декабре 86-летний Кастер скончался. На базе его разработок было спроектировано второе поколение, модель P-50 Devastator. На ней было применено новое решение - крылья не просто изгибались в форме перевернутой арки, но и имели дополнительные перемычки, а сама арка смещалась к передней кромке крыла. Это придавало крылу дополнительную жесткость.
Но, конечно, без Кастера проект не мог быть завершен - именно он был движущей силой всей истории. Обе машины остались только на бумаге, а конкурс выиграла совместная работа компаний Bell Helicopter и Boeing Helicopters - знаменитый ныне конвертоплан Bell Boeing V-22 Osprey, несмотря на то что его характеристики на бумаге сильно отставали от CCW.
18 апреля 1952 года. Стендовые испытания самолета Custer CCW-2 в исследовательском центре NASA Langley Research Center. Результаты испытаний были признаны удовлетворительными, и Кастер получил деньги на создание полноценного самолета CCW-5.
Немного СССР
Со смертью Кастера идея, казалось бы, канула в Лету, как многие хорошие идеи за отсутствием энтузиаста. Но были еще советские конструкторы. Они, во‑первых, не слишком беспокоились по поводу нарушения чужих патентных прав, а во-вторых, умели грамотно использовать и развивать хорошие идеи - как собственные, так и заимствованные. В итоге в конце 1980-х годов в киевском КБ Антонова разработали собственный самолет с арочным крылом - точь-в-точь повторяющий по конфигурации классические CCW-1, CCW-2 и CCW-5.
Единственной целью, которую преследовали создатели «Изделия 181» (официального наименования Ан-181 машина так и не получила), было практическое изучение арочной схемы. Легкий самолет получил V-образное хвостовое оперение, не убирающееся в корпус шасси и чешский шестицилиндровый двигатель LOM М-337А, расположенный по центру и приводящий во вращение оба толкающих пропеллера. В теории машина должна была взлетать максимум после 50 м пробега и устойчиво двигаться в воздухе на скорости всего 40 км/ч.
[источники]источники
Статья «Помахивая арками на крыльях» опубликована в журнале «Популярная механика» (№4, Апрель 2014).
https://www.popmech.ru/technologies/15656-pomakhivaya-arkami-na-krylyakh/