Кольцеплан - курьёз, или дверь в новое будущее авиации?

На модерации Отложенный Кольцеплан - курьёз, или дверь в новое будущее авиации? Самые главные нюансы забытого проекта, который возрожден!

• Авиация и космонавтика

Как только человек начал мечтать о небе, так сразу стали появляться разные идеи о том, каким может быть крыло.

Конечно, первые представления людей сводились к тому, что крыло летательного аппарата должно быть подобно крылу птицы. И отчасти через подражание птицам (а затем и летучим мышам и крылатым насекомым) развивалась авиация.

Даже великий Леонардо да Винчи оставил в своем наследии чертежи махолета.

Немного предыстории

Считается, что самый древний задокументированный полет человека
на летательном аппарате был совершен еще в 559 году нашей эры Юань Хуантоу, сыном бывшего императора в государстве Северная Вэй (ныне территория Китая). Полет состоялся на большом воздушном змее. Хуантоу был запущен с одной из башен столицы, пролетел над городскими стенами и даже приземлился живым. Кстати, возможно тот змей тоже был коробчатым или кольцевым, как и тип крыла самолетов, о котором мы сегодня поговорим.

Следующие столетия люди в разных частях света разрабатывали планеры, некоторые из которых умели пролетать небольшие расстояние (до сотни метров или более). Но настоящей мечтой было создать машину, которая летает сама - САМОЛЕТ. В 1882 году такая машина была создана в России Можайским.

Это событие не было документально оформлено, и сейчас спорят о его успехе. Есть мнение, что аппарат смог подняться в воздух и пролететь некоторое расстояние, другие считают, что "самолет Можайского" так и не взлетел. На практике, думаю, отрыв мог состояться, так что в любом случае это была важная веха в истории авиации. По испытаниям, проведенным позже в ЦАГИ, был сделан вывод, что этот самолет был крайне неусточив, и, скорее всего, не мог летать в силу низкой мощности силовой установки. Однако при определенных условиях, как порыв встречного ветра, либо экранный эффект, он мог взлететь, пролететь небольшое расстояние и приземлиться.

В 1903 году начали летать первые самолеты братьев Райт. Несмотря на то, что в течение 20 лет, прошедших со времен самолета Можайского, другие энтузиасты успешно испытали довольно много самолетов, пионерами авиации считаются именно братья Райт.

А все дело в том, что они построили аэродинамическую трубу, стали изучать разные профили крыльев, и, собственно, положили начало современной аэродинамике как науке. Плюс ко всему они улучлиши управляемость своих машин.

С развитием авиации, с набором практических знаний и умений, инженерная мысль "отрывается" от чисто "птичьих" представлений о полете. Появляются идеи арочных крыльев, а также кольцевых. Так, в 1936 году было предложено создать "кольцеплан" студентом-инженером Сухановым (МАИ).

Проект был представлен в дипломной работе. Этим предложением заинтересовались, и идея истребителя-кольцеплана обсуждалась на научно-техническом совете ЦАГИ. Но предвоенная обстановка помешала его осуществить. В начале 1942 года сам Суханов создал действующую модель своего аппарата, которая подтвердила все положительные характеристики. Однако все-таки из-за войны проект так и не был достаточно исследован и не дошел до прототипов, не говоря уже о массовом производстве.

В ту же войну у немцев идею кольцевого крыла развивал конструктор Эрнст Хейнкель. Его истребитель "Lerche" (или "Жаворонок") имел 9-гранное крыло.

"Жаворонок" Хейнкеля

Но средств на эту машину в итоге не хватило, и проект канул в лету, как и многие другие, довольно интересные (а порой и сумасшедшие) идеи немецких конструкторов.

В 1959 году с новой конструкцией кольцеплана на сцену выходят французы. И они довели-таки работу до реального прототипа в металле. Возможно, вы слышали о SNECMA C-450 Coleoptere? Эта машина вертикального взлета, которая после набора высоты должна была переходить в горизонтальный полет.

Однако С-450 могла летать, к сожалению, тоже только вертикально. При переходе в горизонтальный полет теряла устойчивость и падала. Что чуть не стоило жизни пилоту. Так что этот проект был закрыт.

Стоит, пожалуй, упомянуть, что еще в начале 20-го века, а именно в 1909 году также французским инженером Живоданом была собрана одна из самых необычных конструкций самолета с кольцевым крылом. Два кольцевых крыла располагались в носовой и хвостовой части самолета, а в средней находился пилот.

Хотя многие уважаемые издания пророчили успех (даже "Scientific American" того времени), аппарат так и не взлетел. Но в 1980 году авиамоделист Эммануэль Филлон построил действующую модель самолета Живодана, и та показала отличные качества в полете. Поэтому, вероятно, что прототип не поднялся в небо просто потому, что не хватало мощности двигателя.

Кольцеплан Нарушевича

А в 1988 году сельскохозяйственная авиация в Советском Союзе искала варианты самолета, который мог бы дублировать, или даже заменить известный Ан-2. Дело в том, что в некоторых районах во время ветренной погоды Ан-2 имел "минусы", ибо был черезмерно чувствителен к боковым порывам ветра. Возник вопрос, а может ли какая-то конструкция самолета устойчиво противостоять таким порывам?

За дело в Минске взялись инженер Аркадий Нарушевич и летчик Анатолий Гущин, а также другие энтузиасты. После долгого исследования аэродинамики разных аппаратов, тестирования своих идей, Нарушевич пришел к необычному выводу. Необходимо строить самолет с кольцевым крылом. Но с овальной, а вовсе не круговой формой.

Были построены небольшие модели, которые летали вполне удачно. Затем команда закупила материалы и построило первое овальное крыло. Но вслед за этим наступил развал СССР, и даже те средства, которые поначалу выделили, были отозваны. Так команда осталась без финансирования. Но это все-таки был далеко не конец.

Кольцеплан Нарушевича

В 1998 году Гущин и Наскидянц, а также другие летчики уговорили Нарушевича продолжить работу над самолетом. Плюс появилась частная фирма, которая заинтересовалась проектом и выделила финансирование. Команда восстановила крыло, собрала фюзеляж. От вертолета Ми-1 пришлось взять стойки шасси, а от Ан-2 - приборную панель. В остальном все было сделано в полном смысле "с нуля". Фюзеляж рассчитывали на двух пилотов и трех пассажиров, либо на двух пилотов и сельскохозяйственный груз.

К 2004 году работа была завершена, и начались испытания.

Самолет сразу же показал любопытные (в смысле, хорошие) характеристики. Он практически был "прозрачным", если можно так выразиться, до бокового ветра. То есть не чувствовал порывы, если те не превышали 13 м/с (а это почти 47 км/час). Взлетать мог со 150-метровой полосы (Ан-2 требовалось 180 метров). Но все эти преимущества меркли еще перед одним - соотношением полезной нагрузки и общей массы снаряженного самолета. Она оказалась равной 0,45. У Ан-2 этот коэффициент не больше 0,3. То есть почти половина массы кольцеплана - это полезный груз.

Полет кольцеплана

Команда была воодушевлена, ведь теперь идею можно смело рекомендовать инвесторам! Но появились трудности, в частности, связанные с сертификацией по беларусским законам.

В 2006 году пришли новые инвесторы, было реорганизовано КБ. Главным конструктором стал уже Александр Михайлович Анохин, а Нарушевич и другие члены прошлой команды продолжили работу в этом конструкторском бюро. Сдаваться никто не собирался.

Чем же все-таки так интересен КОЛЬЦЕПЛАН?

Давайте соберем все воедино.

• Первое, как мы говорили, это более низкая взлетная скорость, и более короткая взлетная полоса.
• Второе - это высокое отношение массы груза к полной массе снаряженного самолета
• Третье - это повышенная прочность кольцевого крыла в сравнении с обычным, а также его меньший вес.
• Четвертое (связано напрямую с первым) - это большая подъемная сила при том же размахе.
• Пятое (связано с 4-м) это другая аэродинамическая модель создания подъемной силы, которая открывает новые горизонты.

Что касается повышенной прочности, то этот момент "замкнутых" крыльев был давно известен и исследован.

Чем большую массу самолет поднимает в воздух, тем более длинным (и удлиненным) должно быть обычное плоское крыло. Но крыло "висит" под собственным весом на стоянке, на нем часто крепятся двигатели. Этот вес частично разгружается в полете, но появляется нагрузка в обратную сторону, поскольку крыло, на которое действует подъемная сила, "держит" самолет. Вследствие этого крыло должно иметь высокую степень и прочности и жесткости, а это решается в определенной степени увеличением конструкционной массы. Плюс существует необходимость противостоять колебаниям (вспомним "флаттер").

У кольцевого овального крыла эта проблема решается тем, что оно как бы "замкнуто" само на себя, нет "концов", которые могут колебаться. Наверное, трудно это объяснить в двух словах. Но обычное крыло и овальное это как балка и ферменная конструкция одной и той же массы. Вторая окажется прочнее первой.

Еще один момент выгоды кольцеплана связан с тем, что обычное крыло имеет "индуктивность". При перетекании воздуха на концах крыльев снизу вверх создаются вихри. На их образование расходуется энергия самолета, так что возникают потери энергии, снижается кпд. У кольцеплана воздуху негде перетекать в этом смысле, так как просто нет "концов крыльев".

Еще одна особенность именно этого кольцеплана в том, что фюзеляж находится между верхей и нижней плоскостью крыла, крепясь на стойках и подвесах. Таким образом работает "по полной" все крыло, нет места, где оно соединяется с фюзеляжем, где поток воздуха его не обдувает.

Далее. Верхняя и нижняя "плоскости", хотя и закруглены, работают как обычное крыло. Но есть большая разница. Поток внутри кольца даже при малых углах атаки получается значимую вертикальную составляющую импульса, то есть воздух "улетает" назад, но и вниз, а это создает дополнительный импульс подъемной силы. Так что подъемная сила кольцеплана большая, чем у биплана такого же размаха.

Срыв потока на верхней поверхности верхнего крыла также возможен, но общий кольцевой поток воздуха как бы увлекает за собой воздух с верхней плоскости, и этим повышает устойчивость самолета. Кольцевые крылья дают возможность увеличивать угол атаки аж до 50 градусов!

Способность летать на таких огромных углах атаки, плюс эффект отклонения потока дают возможность летать на предельно малых скоростях без использования закрылков и предкрылков. А, значит, самолет может уверенно взлетать и садиться на короткие полосы.

После экспериментов с овальным крылом, Гречихин, доктор физико-математических наук, работающий в группе по кольцеплану, считает, что скоро обычные плоские крылья могут уйти в прошлое. Тем более, что овальное крыло в 2 раза легче при той же подъемной силе.

А есть ли минусы?

Да, минусы, конечно, тоже есть.

1. Относительная сложность изготовления овального крыла.
2. Лучшие свойства овальное крыло проявляет в очень узком диапазоне соотношений размеров (большая и малая полуось, фокусы эллипса) и других параметрах геометрии.
3. Бюрократические сложности с внедрением и сертификацией

В принципе, первая сложность - кажущаяся, или, можно сказать, временная. В поточном производстве, если конвейер работает, то стоимость одного изделия, каким бы "хитрым" оно ни было, резко снижается.

Футуристический пассажирский кольцеплан

По поводу второго группа инженеров нашла определенные оптимальные характеристики и запатентовала их. Конечно, работы будут продолжены, кто знает, "сколько нам открытий чудных" приготовят грядущие исследования!

Бюрократические проблемы связаны с правилами сертификации летательных аппаратов в Беларуси и вообще не подразумевают кольцевых крыльев. Но рано или поздно и эти трудности будут преодолены.

Алексей Анохин считает, что от начала проработки проекта до серийного изготовления нужен бюджет в 12 миллионов долларов. В голове конструктора другие подобные проекты, и даже дельтапланы. Ведь было бы здорово создать дельтаплан, не боящийся бокового ветра! Основной проблемой Анохин считает беларусские правила, поскольку такой самолет вообще не вписывается в законы и нормы, а менять их из-за одной машины никто пока не хочет. Впрочем, команда разработчиков ищет связи в России и достигнуты предварительные договоренности с воронежским аэродромом, который готов принять новый аппарат для дальнейших испытаний.

А если такой кольцеплан привезти на МАКС, то проблемы и с инвесторами, и с мощностями производства, думаю, легко можно будет решить.

Еще одна идея кольцеплана будущего

Что дальше ждет этот проект кольцеплана? Посмотрим. Несмотря на то, что идея еще "не прижилась", выглядит она и красиво и многообещающе. Возможно через полвека этих машин в небе будет все больше и больше!