В поисках резервов совершенствования авиатехники инженеры пересматривают существующие технические решения, проверяя, нет ли в них чего-нибудь лишнего, что можно выбросить, упростив конструкцию. В последнее время исследователи обратили внимание на такие привычные элементы самолета, как рули и элероны. Можно ли обойтись без них? Что можно выиграть без подвижных поверхностей управления?
Дальше всех в этом направлении продвинулись британцы. В рамках программы FLAVIIR (Flapless Air Vehicle Integrated Industrial Research) десять британских университетов при помощи и финансировании BAE Systems и Research Councils UK в течение шести лет (с 2004 до 2010 года) и с бюджетом 6,5 млн фунтов построили прототип беспилотного летательного аппарата Demon UAV, управление которым обеспечивалось без подвижных поверхностей — только струями воздуха. Это был демонстратор технологий весом 90 кг, показавший принципиальную возможность использования органов управления нового типа. Дальнейшие работы в данном направлении при участии фирмы BAE Systems и Манчестерского университета привели к созданию более зрелого прототипа БПЛА с низким уровнем радиолокационной заметности — Magma UAV, поднявшегося в воздух семь лет спустя.
Дело принципа
Для управления самолетами в настоящее время используются два принципа: аэродинамический и реактивный (третий, балансирный, применяется в дельтапланах, но на иных типах летательных аппаратов он широкого распространения не получил). В первом случае отклонение подвижных поверхностей управления на крыльях и оперении приводит к местному изменению подъемной силы, а плечо от центра масс до точки приложения этой силы создает поворачивающий момент. По сути, эта система использует энергию набегающего потока воздуха — так называемый скоростной напор (произведение половины квадрата скорости потока на плотность). Если энергия потока мала (малая скорость или малая плотность окружающей среды при большой высоте полета), самолет становится трудноуправляемым, а то и вообще перестает реагировать на шевеление рулями. Справедливости ради необходимо заметить, что, когда говорят о скорости и энергии потока, на самом деле имеют в виду скорость самолета и его же кинетическую энергию. Однако в аэродинамике для упрощения расчетов принято рассматривать самолет неподвижным относительно набегающего воздушного потока, скорость которого принимают равной скорости полета — это так называемый принцип обратимости.
Летающее крыло
В случаях малой скорости и/или большой высоты применяют реактивную, или струйную, систему управления (RCS — reaction control system). На концах крыльев и фюзеляжа устанавливают сопла, через которые под давлением вырываются струи сжатого воздуха, или размещают миниатюрные реактивные двигатели. Сжатый воздух используется на малых скоростях, когда плотность высокая, что позволяет брать атмосферный воздух, отбирая его, например, от компрессора двигателя. Это в основном самолеты вертикальных взлета и посадки, которым необходимо управление в режиме висения. Реактивные двигатели применяются на больших высотах, где плотность низкая и эффективности обычных аэродинамических рулей не хватает даже при околокосмических скоростях, то есть для орбитальных самолетов и суборбитальных ракетопланов. Отклоняемый вектор тяги боевых самолетов тоже пример воплощения реактивной системы управления, только используется тяга основного двигателя.
Реактивные закрылки
Реализованная в беспилотных Demon и Magma концепция, получившая название Circulation Control Wing (управление циркуляцией на крыле), находится как раз на стыке этих подходов. Да, используются струи воздуха, выдуваемые через щель на задней кромке крыла или киля. Но задача этих струй — не образовать реактивную тягу, а повлиять на обтекание впереди расположенной поверхности, создав на ней аэродинамические силы и моменты.
Сама идея применять выдув воздуха через плоские щели для изменения обтекания аэродинамического профиля далеко не нова. Принцип «все новое — это хорошо забытое старое» справедлив и в этом случае: так называемая концепция реактивного закрылка (jet flap) активно обсуждалась с начала 1950-х годов. Однако тогда цели были иные — увеличить подъемную силу на крыле для сокращения длины пробега/разбега и уменьшения скорости полета. Выдув был симметричен на левом и правом полукрыле, а со всякой асимметрией рекомендовалось бороться, чтобы самолет не перевернулся при заходе на посадку или наборе высоты. Сейчас все с точностью до наоборот: именно асимметрия стала целью. Необходимо получить разную подъемную силу, чтобы эта разность вызвала вращение самолета по крену.
Как, собственно, тонкая плоская пелена воздуха, выдуваемая из узкой щели на самой задней кромке крыла, может существенно изменить подъемную силу? В классическом реактивном закрылке задняя кромка закруглена (можно рассматривать это как тонкий длинный цилиндр, прикрепленный к задней кромке), и воздух, выходя из щели, как бы прилипает к этому закруглению, уходя вниз согласно кривизне поверхности. Вспоминаем самолет Ан-72 и эффект Коанда — там закругленная поверхность закрылка за двигателями отклоняет их выхлоп вниз. В реактивном закрылке та же история, только в миниатюре. Но само по себе отклонение струи еще не объясняет происходящее полностью, дальнейшее перераспределение давления на крыле вызвано уже взаимодействием потока с тонкой пеленой воздуха. Струя увлекает за собой и отклоняет окружающий воздух вследствие его вязкости сопоставимо с отклонением вниз хвостовой секции крыла.
Так как органы управления обычно отклоняются в обе стороны, а не в одну, как закрылок, то для реализации управления по этому принципу необходимо иметь две щели — сверху и снизу цилиндра. Однако у этой идеи есть недостатки: необходимы две независимые камеры перед щелью, нужен клапан для перераспределения между ними воздуха, что увеличивает толщину профиля крыла в этом месте и вес конструкции и снижает надежность. В британском патенте эти сложности изящно обошли: щель одна, но широкая. Камера тоже одна. Зато цилиндр перемещается внутри широкой щели, служа самому себе клапаном, открывая узкое окно то сверху, то снизу, то две щели симметрично.
Управление вектором тяги
- За счет эффекта Коанда поток раскаленных газов прилипает к изогнутой вниз поверхности, обеспечивая балансировку аппарата.
- Когда скорость достигает определенной величины или возникает необходимость управления по тангажу, выдув воздуха из бокового канала вызывает отрыв потока.
- Полностью оторвавшийся от криволинейной поверхности поток реактивных газов заставляет нос аппарата задираться вверх.
Перемещение цилиндра, который изменяет ширину щели, позволило решить другую проблему — импульсный характер управления. В предыдущих решениях у системы было два состояния: воздух идет или через верхнюю щель, или через нижнюю. В то время как пилот может отклонять элерон в диапазоне рабочих углов. Да, можно было варьировать расход воздуха через щель, изменяя его подачу компрессором, но у пневматики есть инерционность, которая вызвала бы задержку в реакции самолета на команды. В ситуации с изменением сечения щели подача воздуха компрессором остается постоянной, а управляющий момент пропорционален позиции цилиндра между верхним и нижним краем окна.
Почему технологию назвали Circulation Control Wing? В теоретической аэродинамике есть понятие циркуляции скорости — интеграл скорости по замкнутому контуру. Теорема Жуковского, основа основ аэродинамики, связывает подъемную силу крыла с циркуляцией скорости потока. Ускоряя или замедляя поток, можно изменить подъемную силу, и наоборот — любое изменение подъемной силы связано с изменением циркуляции. Ускорять поток можно различными способами: механически (вращающийся цилиндр или сфера в потоке создают силу — эффект Магнуса хорошо известен футболистам: мяч имеет иную траекторию полета, если при этом вращается) или с помощью вдува в поток дополнительной струи воздуха или выхлопа двигателя. Второй подход, называемый суперциркуляцией, используется в конструкции самолетов Ан-72, Boeing YC-14 и Kawasaki QSTOL Asuka, крылья которых обдуваются сверху выхлопом двигателя. В нашем случае это выдув воздуха из щелей на задней кромке — тоже изменение циркуляции.
Плюсы и минусы
Отсутствие подвижных поверхностей аэродинамических органов управления, сервомеханизмов для их поворота и шарниров для их навески существенно снижает вес конструкции, уменьшает радиолокационную заметность и аэродинамическое сопротивление, повышает надежность. Но это на первый взгляд. С весом и надежностью не все так однозначно, и целесообразность применения такой системы на самолете необходимо оценивать для каждого конкретного случая.
Экономя вес на конструкции, приводах и шарнирах, мы получаем его рост в виде веса трубопроводов, клапанов и сопел, дополнительного компрессора и его привода, потери энергии на этот привод (что выливается в лишние килограммы топлива на борту).
Да, для обеспечения работы системы управления на рассмотренных аппаратах применен отдельный компрессор с независимой силовой установкой. Первый аргумент — основной двигатель может отказать, а управление нужно обеспечить и при безмоторном полете. Второй — отбор воздуха от компрессора реактивного двигателя нестабилен и зависит от режима его работы. Было обнаружено, что на малых оборотах (характерных для захода на посадку) продуктивности реактивного двигателя недостаточно, чтобы получить воздух для эффективного управления.
Надежность тоже палка о двух концах: механических элементов, которые отказывают или заклинивают, нет, зато могут заклинить управляющие клапаны или засориться трубопроводы. Например, в свое время от закрылков с обдувом струей воздуха из щели на самолетах МиГ-21 и F-104 отказались из-за того, что трубопроводы и клапаны засорялись и создавали проблемы при техническом обслуживании.
С двумя другими преимуществами — аэродинамическим сопротивлением и радиолокационной заметностью — все проще. Отклонение подвижной поверхности управления неизбежно тянет за собой рост аэродинамического сопротивления. Примером служит балансировочное сопротивление — сопротивление руля высоты, постоянно отклоненного на некий угол, для балансировки в горизонтальном полете. Перемещение рулей и элеронов для маневрирования приводит к росту сопротивления и, следовательно, расхода топлива. Струя же, вызывая перераспределение давления на контуре профиля, хотя и изменяет несколько сопротивление, но в куда меньших пределах. В конечном итоге это выливается в экономию топлива. Геометрию самолета с технологией «стелс» тщательно рассчитывают, чтобы обеспечить минимальную отражающую поверхность с заданного ракурса наблюдения, а отклонение руля или элерона для маневра может существенно демаскировать самолет и дать засветку на радаре противника.
Прокачанная технология
Для управления в продольном канале как в Demon, так и в Magma использован отклоняемый вектор тяги двигателя. Однако здесь нет никаких механических створок или механизма поворота сопла. Если выдув воздуха из щели может изменить подъемную силу, так почему бы с его помощью не изменить направление выхлопа реактивного двигателя? Тем более если на аппарате уже смонтированы компрессор, вспомогательная силовая установка для его привода, система трубопроводов — все связанные с ними издержки мы уже «оплатили», обеспечивая управление в поперечном и путевом канале. В БПЛА Magma выхлоп двигателя проходит над искривленной, отогнутой вниз хвостовой частью аппарата (тот же эффект Коанда, что и на Ан-72). Кривизна этой поверхности подобрана таким образом, чтобы струя с нее сошла под углом, который обеспечит балансировку самолета в горизонтальном полете. Для изменения вектора тяги (только в вертикальной плоскости) используется выдув воздуха из щели, находящейся за соплом перпендикулярно выхлопу. Это вызывает отрыв потока, отделение выхлопной струи от криволинейной поверхности за соплом, к которой она как бы прилипает в нормальном режиме.
Идея управлять обтеканием с помощью выдува воздуха более полувека занимает умы авиационных инженеров, периодически воплощаясь в прототипах. Например, в 1970-х годах в вертолете Sikorsky S-72 X-Wing только на каждой лопасти винта предусматривалась своя пара щелей. Однако до практического воплощения идеи было еще далеко. В отрасли широко используется так называемая шкала уровня технологической зрелости TRL (Technology Readiness Level). Уровень TRL 0 соответствует идее «на уголке салфетки», началу научных изысканий, а TRL 9 — окончанию летных испытаний и готовности к запуску в серийное производство. Целью программы FLAVIIR, в рамках которой разрабатывался Demon UAV, было прокачать технологии до уровня TRL 4 или 5. Для Magma UAV, построенного семь лет спустя, этот уровень ожидаемо еще выше. Технология управления летательным аппаратом без движущихся рулей и элеронов с помощью выдува струй воздуха — это реальность, с которой нужно считаться. Изменит ли она лицо авиапромышленности завтра или останется нишевой, для специального применения, покажет будущее.
