Всего на сайте:
248 тыс. 773 статей

Главная | Авиация, Авиастроение

Тщательная и очень сложная реконструкция разбившегося самолета вскрыла фатальные слабости Comet  Просмотрен 218

 

Если бы эта ошибка проявилась раньше, ее вполне можно было исправить. Если бы она проявилась рано, ее даже не сочли бы ошибкой: всего лишь очередная тупиковая ветка на длинном пути разработки и конструирования нового самолета. Но ни одно испытание, даже самое тщательное, не может предвидеть будущего. Самолеты De Havilland проходили самые жесткие испытания среди всех гражданских самолетов того времени — и ни малейшего намека на проблемы не возникло.

De Havilland не сдался без боя. Иллюминаторы были переделаны, и появился самолет Comet 2. А в 1958 г. фирма представила публике самолет Comet 4, великолепный реактивный пассажирский лайнер, который первым стал обслуживать британские трансатлантические линии. Но пока машины De Havilland прохлаждались на земле, американские компании Boeing и Douglas извлекали из несчастий британских коллег ценные уроки.

Независимо друг от друга эти две компании, яростно соперничавшие между собой, создали новое поколение авиалайнеров. DC-8 компании Douglas был быстрее и дешевле в обслуживании, чем Comet 4. Из-за безвременной кончины Comet Британия сильно отстала в авиаконструкторском деле. Оставался лишь один лучик надежды. Специалисты Королевского авиационного центра RAE (Royal Aircraft Establishment), работавшие над стратегическим бомбардировщиком Avro Vulcan и изучившие германский опыт создания высокоскоростных самолетов, теперь знали о конструировании сверхзвукового крыла больше, чем кто бы то ни было. Используя это знание, они могли еще обогнать Boeing и Douglas и создать первый в мире сверхзвуковой пассажирский самолет!

Звук распространяется в воздухе со скоростью около 330 м/с. Можно подумать, что полет на такой скорости — вещь сложная и труднодостижимая, но на самом деле разогнаться до скорости звука не так уж трудно: достаточно направить нос самолета в землю.

За время Второй мировой войны в мире появились по-настоящему юркие и маневренные военные самолеты. Одним из них был Mitsubishi Zero — поразительно маневренный истребитель, к тому же очень быстрый. Но в этом заключалась и проблема: на Zero стоило нырнуть вниз, уходя от опасности, и вывести машину из пике было чертовски трудно. Чем быстрее падал самолет, тем сильнее сгущался воздух перед ним. (Представьте капли дождя, падающие на ветровое стекло вашего автомобиля; стоит замедлиться, и дождь будто по волшебству ослабевает; стоит ускориться, и дворники перестают справляться с потоками воды.) Пользуясь земным тяготением, Zero мог бы без проблем разогнаться до скорости звука и даже превысить ее; но управляющие поверхности этого самолета были недостаточно прочными, чтобы выдержать давление уплотнившегося набегающего потока. Постепенно самолеты Zero начали обретать вполне определенную репутацию — даже не из-за частых падений, а из-за того, с какой силой они обрушивались на землю.

 

 

Mitsubishi Zero: великолепный самолет — до тех пор, пока он не пытается преодолеть звуковой барьер

 

Звук — это колебания воздуха. Воздух может переносить информацию со скоростью примерно 330 м/с, и не быстрее. Войдите в воздух на более высокой скорости, и он не успевает расступиться перед вами. Он взрывается.

Многие знакомые всем объекты способны в определенных обстоятельствах двигаться быстрее звука: это и передняя кромка флага, и кончик пастушеского бича (громкий щелчок бича слышен, когда его кончик преодолевает звуковой барьер), и край полотенца, которым вы пытаетесь кого-то хлестнуть, — а иногда и кончики лопастей винта. Если лопасти у винта достаточно длинные, а винт вращается достаточно быстро, кончики лопастей преодолевают скорость звука. Когда это происходит, воздух, который в обычных обстоятельствах загонялся бы назад и обеспечивал поступательное движение винта, начинает непрерывно взрываться и образует стоячую волну — ударную волну, собственно — и вследствие этого турбулентную зону непосредственно перед винтом. Это не так страшно, как кажется: вы все еще будете держаться в воздухе без особенных проблем. Но вот быстрее лететь уже не получится, а потребление топлива заметно вырастет.

Именно из-за различных технических проблем, с которыми сталкивались самолеты (как винтовые, так и реактивные), не приспособленные к сверхзвуковому движению, возникло представление о «звуковом барьере». Этот барьер вполне реален, но его преодоление — дело техники, а не физики; на данный момент все связанные с ним проблемы решены. Современные сверхзвуковые самолеты достигают скорости, многократно превышающей скорость звука, вообще без резких переходов.

Полет со сверхзвуковой скоростью действительно отличается от дозвукового полета в некоторых довольно любопытных отношениях. Так, на сверхзвуковой скорости самолет нагревается: температура некоторых деталей экспериментального космического самолета Х-15 ВВС США достигала 650 °C. Причина в том, что воздух не успевает расступаться перед носом самолета; вместо этого он скапливается и образует своеобразную подушку. Полет сквозь этот уплотненный воздух — все равно что полет сквозь густое желе. Нил Армстронг убедился в этом на собственной шкуре 20 апреля 1962 г. в полете над авиабазой Эдвардс в Калифорнии. На своем Х-15 Армстронг поднялся на высоту 63 км (максимальная высота, на которой ему довелось побывать до Gemini 8, и почти две трети высоты, на которую поднялся SpaceShipOne Берта Рутана). Однако во время спуска пилот задрал нос самолета чуть-чуть выше, чем следовало, и… срикошетил от атмосферы! Оказавшись на тридцать километров выше, чем нужно, и имея в этот момент скорость втрое выше скорости звука, Армстронг должен был перелететь посадочную полосу авиабазы на шестьдесят восемь километров.

 

 

Модель X-15 создает конус ударной волны во время испытаний в сверхзвуковой аэродинамической трубе

 

«Морской монстр»

 

Если внимательно оглядеть любое водное пространство заметных размеров, рано или поздно вы заметите птицу, несущуюся над самой водой. Эта птица будет лететь очень быстро, потому что она использует одну авиационную возможность, которую мы, люди, только начинаем исследовать.

Кончики крыльев и птицы, и самолета порождают в воздухе заметную турбулентность. Однако если лететь очень низко над поверхностью земли, воздух, вымещаемый крыльями, не может свободно закручиваться и распределяться: мешает земля. Вместо турбулентности под крылом возникнет подушка уплотненного воздуха, по которой птица или самолет способна скользить. Результат — невероятно быстрый и эффективный с точки зрения энергии полет, если, конечно, вы не против лететь всего в паре метров над землей.

Во время холодной войны на спутниковых снимках Каспийского моря был обнаружен вызывающий тревогу объект: он был огромен, быстр и не имел, казалось, никакого смысла. С виду он был похож на старинный самолет: гигантский фюзеляж и куцые обрубленные крылья. Было понятно, что это не судно и не самолет, — но что это? Западное разведывательное сообщество окрестило загадочный объект «Каспийским монстром».

Это чудовище — экраноплан — изобрел советский инженер-новатор Ростислав Алексеев. И, в противоположность тому, что десятилетиями говорила западная пропаганда, эта история может служить примером огромного технического успеха советских военных. Экранопланы не один год летали над Каспийским морем на глазах у ошеломленной НАТО, перевозя военные грузы с одного берега моря на другой гораздо быстрее и дешевле, чем это под силу любому другому самолету.

Морским чудовищем, заинтриговавшим все западное разведсообщество, был КМ — величайшее достижение советского экранопланного проекта. Самолет длиной почти 100 м и массой в груженом состоянии 531 т мог летать в нескольких метрах над поверхностью воды со скоростью около 400 км/ч.

Забавная диковинка холодной войны? Да, конечно: после распада Советского Союза работа над экранопланом прекратилась на много лет. Но хорошие идеи живут долго, и уже сегодня на чертежах американских и российских компаний рождаются проекты новых, еще более величественных экранопланов.

Boeing разрабатывает Pelican — турбовинтовой военно-транспортный самолет с размахом крыльев 150 м. Предполагается, что он сможет перевозить 1300 т. груза на расстояние 10 000 морских миль — на высоте шести метров над водой. Одновременно в России авиаконструкторское бюро Бериева планирует построить самый крупный самолет в мире. Проект Бе-2500 «Нептун» — это концепция сверхтяжелого грузового самолета-амфибии. Максимальный взлетный вес этого монстра будет 2750 т. Он будет функционировать и как обычный высотный реактивный самолет, и как экраноплан: обслуживая трансконтинентальные маршруты, взлетая из акватории обычного морского порта и не требуя специальной инфраструктуры.

Полетит ли он когда-нибудь? Если да, не забудьте пригнуться!

 

Из-за уплотнения воздуха впереди самолеты на сверхзвуковой скорости сталкиваются примерно с такими же проблемами, с которыми имеют дело морские суда. Волны уплотненного воздуха — так называемые ударные волны — прижимаются к сверхзвуковому летательному аппарату, точно так же как волны от носа корабля прижимаются к его корпусу. (Кстати говоря, волны перед носом корабля — это тоже ударные волны. Волны в воде распространяются так медленно, что судно без особенного труда порождает перед собой ударную волну.) Еще в 1933 г. эксперименты в аэродинамической трубе показали немецким исследователям, что если воздух впереди самолета на сверхзвуковой скорости уплотняется, то ударная волна расходится сзади в виде конуса. Крылья самолета должны оставаться внутри конуса: в противном случае ударная волна создаст такое давление на рулевые поверхности, что работать ими будет невозможно.

Это проблема для конструкторов. Если сделать крылья самолета слишком длинными, они перестанут работать на сверхзвуковых скоростях, и самолет разобьется. Если сделать их слишком короткими, самолет вообще не сможет оторваться от земли! Конструирование крыла, которое будет функционировать и на дозвуковых, и на сверхзвуковых скоростях, непростая задача; но работы над этой проблемой начались задолго до постройки первых сверхзвуковых самолетов.

Дитрих Кюхеман, уроженец Гёттингена, начал заниматься теорией сверхзвукового полета в результате целой цепочки неприятных обстоятельств. Вообще, он собирался изучать в университете физику под руководством знаменитого математика Макса Борна — друга семьи и одного из основателей квантовой механики. Когда же еврея Борна под давлением нацистского режима изгнали из университета, Кюхеману ничего не оставалось, кроме как искать для себя новое занятие и новую тему.

В Гёттингене находился крупнейший в Германии институт аэродинамики. Там Кюхеман, к собственному немалому удивлению, нашел для себя дело всей жизни: аэродинамику. Во время войны Кюхеман разрабатывал воздухозаборники для первых германских реактивных истребителей. Это была важная задача, но Кюхеман находил время и для развития собственных идей о форме ударной волны, о бескрылых самолетах и теории сверхзвукового полета. После поражения Германии Кюхеман попал в сеть операции «Хирург» (Surgeon) — британской программы, по которой спецназовцы без долгих разговоров вытаскивали немецких ученых и инженеров из-под носа наступающих русских, «нравилось им это или нет».

Кюхеман, надо сказать, не возражал.

Именно в Англии по-настоящему расцвел его талант, да и особых поводов тосковать по дому у него было. В Королевском авиационном центре (Royal Aircraft Establishment — RAE) в Фарнборо он оказался среди таких людей, как Карл Дёч и Адольф Буземан, — таких же, как Кюхеман, первопроходцев в области сверхзвукового полета. К концу 1940-х гг. список сотрудников аэродинамического отдела RAE больше всего походил на справочник «Кто есть кто в аэродинамике в Германии»!

Главной задачей RAE были исследования и разработка новых типов воздушных судов для британского правительства. Но какие именно самолеты потребуются в послевоенном будущем? Британские авиастроители ответили на этот вызов тремя поистине ужасающими военными самолетами: Handley Page Victor, Vickers Valiant и Avro Vulcan. Эти самолеты, известные вместе как «V-бомбардировщики», были основной сдерживающей силой Британии во время холодной войны, пока в 1969 г. не появились подводные лодки, вооруженные ракетами Polaris.

Еще не были завершены работы над V-бомбардировщиками, когда стало ясно, что когда-нибудь их задачи возьмут на себя беспилотные ракеты. Министр обороны Дункан Сэндис зашел даже так далеко, что еще при своей жизни предсказал полное исчезновение пилотируемых военных самолетов.

Инженеры British Aircraft Corporation (BAC) с ним не согласились и создали TSR-2 — ударный самолет, оборудованный хитроумным следящим радаром, инфракрасными камерами, боковым радаром и сложнейшим автопилотом — приборами, не установленными к тому моменту ни на одном военном самолете. Закрытие проекта TSR-2 лишило Британию самого передового военного самолета того времени.

Тем временем RAE переключился на серию ракетных проектов, которые все без исключения — Black Arrow, Black Knight, Jaguar, Skylark — завершились неудачно[8]. RAE даже разрабатывал — с некоторым успехом — спутники, но без поддержки правительства не смог довести начатые проекты до коммерческих запусков. Для Кюхемана и его коллег, занятых прежде в проектах V-бомбардировщиков, это было время перегруппировки сил и обдумывания перспектив.

Теперь, когда не давили сроки, команда Кюхемана возобновила работу над теорией высокоскоростного полета и построила серию макетов для исследования проблем конструкции крыла. Они успели стать специалистами по треугольным стреловидным крыльям, называемым также дельтовидными. (С земли самолеты Avro Vulcan казались почти правильными треугольниками.) Площадь поверхности дельтовидного крыла была достаточной, чтобы удерживать самолет в воздухе на нормальных скоростях; на сверхзвуковых скоростях их стреловидная форма позволяла самолету целиком оставаться внутри конуса ударной волны. Главными проблемами для подобных самолетов были взлет и приземление. Углы взлета и посадки у самолета с крыльями такой формы были невероятно крутыми…

В то же время ветераны проекта TSR-2 увидели способ сохранить хотя бы часть своих тяжело давшихся результатов и применить военные разработки при создании жизнеспособного гражданского самолета. Возникли условия для замечательной встречи умов — и создания замечательного нового самолета. В 1961 г. Питер Торникрофт, тогдашний министр авиации, произнес перед Кабинетом министров речь. Он буквально светился от возбуждения. Он предлагал правительству разработать сверхзвуковой пассажирский самолет. С ним, считал Торникрофт, «Британия получит возможность… завоевать лидерство, которое мы упустили в случае с Comet».

Усилия по созданию британского сверхзвукового пассажирского самолета возглавил Арчибальд Рассел из British Aircraft — известный перфекционист. Результатом стал проект самолета, который должен был нести на борту около ста пассажиров и пересекать Атлантику со скоростью, примерно вдвое превышающей скорость звука, или «два Маха» (в этом термине увековечено имя немецкого физика Эрнста Маха, заложившего основы теории ударных волн). Bristol 223 мог похвастаться четырьмя двигателями Olympus, созданными на основе движков самолета Vulcan, необычным дельтовидным крылом — детищем Дитриха Кюхемана, и опускаемым носом. Последний был необходим из-за крутых взлетов и посадок — пилоту полезно видеть взлетно-посадочную полосу!

 

 

Предыдущая статья:Франк Уиттл со своим турбореактивным двигателем, на котором он почти ничего не заработал Следующая статья:Двигателями и формой крыла Concorde в значительной степени был обязан ядерному бомбардировщику Avro Vulcan
page speed (0.0823 sec, direct)