Текст книги "Я познаю мир. Авиация и воздухоплавание"

Автор книги: Станислав Зигуненко

сообщить о нарушении

Текущая страница: 17 (всего у книги 20 страниц)

Пришла пора изобретать аэродром

Едва ли не каждый день взлетают в небо самолеты новых марок. Аэропорты же будто застыли во времени: базовый проект несколько десятилетий остается неизменным – здание аэровокзала, башня административно-диспетчерских служб, взлетно-посадочная полоса с рулежными дорожками... Однако и здесь, похоже, последнее время наметились кое-какие перемены.

Из катапульты – хоть на луну

Как ускорить взлет самолета, сэкономить десятки, а то и сотни метров разбега по полосе? Над этим вопросом конструкторы стали задумываться еще в начале века, когда попытались устроить аэродром на палубе корабля. Да и на суше ускорители взлета тоже не помешали бы...

И инженеры обратили свои взоры к катапульте. Сама по себе катапульта – устройство весьма старинное: его использовали еще древние греки и римляне. Так они называли метательные машины, бросавшие на сотни метров тяжелые камни при осаде городов-крепостей.

Авиационные инженеры усовершенствовали эту машину, приспособили для своих нужд. И в настоящее время катапульт развелось изрядное количество. Только уж, конечно, сегодня никто не использует в них упругую силу тетивы, свитой из бычьих жил. По принципу использования энергии нынешние катапульты подразделяются на пороховые, гидравлические, пневматические, паровые, электромагнитные...

Схема паровой катапульты: 1 – палуба; 2 – тормозной цилиндр; 3 – паровой цилиндр; 4 – поршень с тормозным конусом; 5 – челнок; 6 – стартовый клапан; 7 – трубопровод; 8 – задержник; 9 – буксирный трос

Наибольшее распространение имеют паровые катапульты. Каждая из них состоит из двух цилиндров с поршнями, жестко соединенными с челноком, выступающим над палубой. Длина цилиндра достигает 70—90 м. После открытия стартового клапана в цилиндры поступает пар высокого давления. Он срывает кольцо задержника и начинает резко двигаться по каналу, увлекая за собой летательный аппарат с помощью буксировочного троса, прикрепленного к челноку. В конце пути челнок останавливается тормозным устройством, буксировочный трос отделяется от самолета, и тот взлетает, поскольку к концу разгона его скорость может достигать 250 км/ч и более.

Кроме самолетов таким же образом можно разгонять и иные летательные аппараты, например крылатые ракеты, беспилотные разведчики и т. д.

Стометровка для магнита

По-своему решают проблему отечественные изобретатели. Сотрудники ЦАГИ имени Н.Е. Жуковского, НТК имени А.М. Микояна и Института высоких температур РАН предлагают перевести работу аэропорта на иные рельсы. В буквальном смысле слова. Вспомним: сегодня железнодорожники всерьез говорят об использовании на вверенном им транспорте электромагнитной подвески. В ее основу положена идея левитации – «подвешивания» подвижного объекта над полотном дороги, когда и объект и дорога суть магниты, одноименными полюсами повернутые навстречу друг другу, в модернизированном варианте эту идею намереваются внедрить на аэродроме. Для разгона и посадки летательных аппаратов предлагается тележка на электромагнитной подушке. «Впрягут» в нее линейный электродвигатель, он же, только уже в режиме генератора, будет тормозить приземлившийся лайнер.

Обкатывают идею на нескольких моделях. Одна – лабораторная – позволила уточнить расчетные режимы левитации при разгоне и торможении, а также отработать систему, позволяющую без промаха опускаться точно на транспортную тележку. (В этом случае собственное шасси летательному аппарату не нужно, что заметно уменьшает взлетный вес и соответственно расход топлива.) Другая модель работает на полигоне. На специальной дорожке-стометровке отрабатываются отдельные узлы прототипа новой аэродромной системы.

Катимся по желобу

Проект Дж. Стари из штата Коннектикут на редкость прост, но весьма оригинален. Для разгона и торможения самолетов изобретатель предлагает использовать помимо тяги двигателей еще и силу тяжести.

Схема аэродрома по проекту Стари

Согласно его замыслу авиалайнеры должны стартовать с крыши 20-этажного здания аэровокзала и разгоняться по наклонной полосе: будто санки с горки. Разумеется, в таком случае летательный аппарат наберет скорость быстрее, чем при горизонтальном старте, и оторвется от взлетной дорожки, пробежав меньшее расстояние. Посадка же производится в обратном направлении– «в горку».

Для более удобного взлета и посадки полоса должна быть внизу широкой, кверху – суживающейся. И ко всему прочему – слегка вогнутой, дабы самолет «поневоле» придерживался ее середины. Крутизна подъема этого своеобразного «желоба» такова, что скорость садящегося лайнера гасится не полностью – в противном случае он может скатиться назад, не добравшись до верха.

А чтобы остановить машину в конце ее пути – на крыше, Дж. Стари предлагает использовать тормозную систему наподобие применяемой на современных авианосцах. С той существенной разницей, что выделяемая в ней энергия не пропадает втуне, но преобразуется в электрическую. Запасенная в аккумуляторах,

она затем используется для заруливания авиалайнеров на стоянку с помощью электротягачей. Так что пилот может выключать двигатели самолета, как только тот коснется полосы.

Если учесть, что «Боинг-747» расходует на рулежку после посадки около 200 л топлива, то уже только за счет его экономии аэродром по проекту Стари сулит немалые выгоды. В целом же эксплуатация крупного аэропорта подобного типа позволит снизить расход горючего примерно на 1,2 млн т в год.

«Выбирайтесь своей колеей...»

Примет ли подобные новшества потребитель? Летчикам не привыкать к перегрузкам, служащие аэродрома получат надбавку за работу в условиях «пересеченной местности». А пассажиры? Захотят ли они летать на самолетах, приземляющихся «в горку»? И как отразится такая посадка на их самочувствии? Опыт эксплуатации аэродромов с полосой на пологом склоне показывает: «отклонения от генеральной линии» – горизонтали – не мешают нормальному функционированию воздушного порта.

Что касается электромагнитной дорожки, то опробовать ее имеет смысл прежде всего на плавучих аэродромах. На авианосцах и авианесущих крейсерах есть все условия для ее размещения и грамотного использования. К тому же пилотов морской авиации особо не удивишь техническими новинками – будь то навигационные системы, обеспечивающие точную посадку на палубу, или «обыкновенные» катапульты и аэрофинишеры.

Как бы там ни было, идти по накатанному пути – то бишь катиться по стандартному аэродрому на привычных колесах – не лучший вариант. Когда чаще всего случаются аварии и катастрофы? При взлете и посадке. Ахиллесова пята богатыря-авиалайнера – шасси. Отказ от него не только существенная экономия взлетного веса, но и повышение безопасности полета: не может выйти из строя то, чего нет. Правда, есть более радикальный выход – не летать вовсе. Но это уже чистой воды фантастика...

Какие нужны «ноги»?

Раз уж разговор зашел о шасси, давайте подумаем: а какие «ноги» вообще нужны самолету? Первые авиаторы отвечали на этот вопрос весьма просто: летом они ставили на самолеты велосипедные колеса, зимой – «переобували» их, ставили на лыжи. Если же самолет вдруг хотели использовать на море, вместо лыж прикрепляли поплавки.

Нынешние авиалайнеры просто так не «переобуешь». Тележки тяжелых самолетов насчитывают порою несколько десятков колес. И поставить такую громадину на лыжи никак нельзя – она попросту не стронется с места. Вот и приходится расчищать для них в зимнее время многокилометровые полосы.

Схема шасси: а – с хвостовой опорой; б – с носовой опорой; в – с носовой и хвостовой опорой; г – велосипедное шасси со вспомогательными опорами под крыльями

Да и сами полосы теперь почти в обязательном порядке делают из высокопрочного бетона. На обычный грунт многие самолеты сесть просто не в состоянии – шасси увязнут в мягкой почве.

Схема крепления колес шасси: а – вилочное; б – полувилочное; в – с консольной осью; г – со спаренными колесами

А нельзя ли придумать такую опору для самолета, которая помогала бы ему производить посадку на любую поверхность? Оказывается, можно. Последнее время многие конструкторы склоняются к мысли, что самолеты будущего будут иметь шасси на воздушной подушке.

Шасси на воздушной подушке

При посадке вместо «ног» самолет будет распускать... «юбку»! Так называется ограждение из прорезиненной ткани, под которое компрессорами накачивается воздух. Окаймление «юбки» не позволяет ему растекаться куда попало, и воздух уходит вниз, создавая под самолетом область повышенного давления. Причем давление это может быть настолько высоким, что удержит на весу весь многотонный лайнер.

Шасси на воздушной подушке удобно тем, что позволяет произвести посадку практически на любую поверхность – травянистый луг, заснеженное поле, даже болото...

Широкому внедрению его уже в настоящее время мешает лишь отсутствие компактных конструкций, которыми бы можно оснащать летательные аппараты любых типов. Но экспериментальные самолеты и вертолеты с воздушными подушками уже летают.

Hangar в переводе с французского «укрытие». Так называют сооружения для технического ремонта и обслуживания самолетов. Начали строить первые ангары еще в 20-е годы, когда летательные аппараты были сравнительно небольшими. Нынешние ангары представляют собой огромные сооружения, весьма смахивающие на крытые стадионы. Только, конечно, в ангаре не играют в футбол, а приводят в порядок потрепанные непогодой и временем самолеты, вертолеты и другие летательные аппараты. В частности, почти в обязательном порядке ангары или эллинги нужны для парковки дирижаблей. Оставлять их под открытым небом опасно: вдруг налетит шквал – и поминай как звали воздушного гиганта.

Эллинг: 1 – окна; 2 – вентиляторы; 3 – площадь, предназначенная для мастерских; 4 – хранилище для газа; 5 – насосная; 6 – здание для управления воротами; 7 – причалочные рельсовые пути; 8 – ворота; 9 – тоннель

По своей конструкции ангары бывают самыми разнообразными – туннельными и тупиковыми, капитальными и сборно-разборными, даже надувными и подземными. В последнем случае их чаще называют капонирами и используют в основном для того, чтобы прятать от непогоды и ударов вражеской авиации самолеты военно-воздушных сил.

Впрочем, в последние годы о создании подземных аэропортов поговаривают и гражданские инженеры, что поделаешь, во многих странах уже не осталось места для строительства новых аэропортов, а старые становятся тесными. Вот и приходится думать о том, чтобы сделать для них второй этаж – подземный. На первом, то есть на поверхности земли, остается лишь взлетно-посадочная полоса, а все остальное – ангары, залы ожидания, технические службы – прячется под землю.

Первое такое сооружение намечено построить в начале следующего столетия в ФРГ. Заинтересованы в строительстве подобных подземелий для летающих в небе также Япония, Сингапур и некоторые другие страны и города, где мало места для устройства обычных аэродромов.

К новым горизонтам

Гонки «вокруг шарика»

Полетим вокруг света?

Идея сверхдальних беспосадочных перелетов родилась в 30-е годы. Как мы уже говорили, экипажи М.М, Громова и других советских пилотов летали из Москвы на Дальний Восток, через Северный полюс в Америку... А наш знаменитый летчик В.П. Чкалов мечтал даже «махнуть вокруг шарика». И оказывается, это были не просто мечты. Пилоты М.М. Громов и Г.Ф. Байдуков, конструкторы

А.Н. Туполев, А.Д. Чаромский, А.С. Москалев и другие стали участниками одного из самых смелых для того времени проектов. Не многим теперь известно, что в 1936—1941 годах при их деятельном участии был подготовлен сверхдальний полет самолета АНТ-25 по 56-й параллели (широта Москвы) протяженностью 22 500 км. Но осуществить планы помешала война.

На АНТ-25 должны были установить 2000-сильный дизель АН-1, разработанный в Центральном институте авиационного моторостроения и ставший затем базовым для модификации АЧ-ЗО, АЧ-ЗОБФ и АЧ-31. По экономичности он не имел равных: удельный расход топлива был вдвое ниже, чем у тогдашних, да и у нынешних бензиновых карбюраторных двигателей – 0,140—0,145 кг/л. с. час против 0,24—0,28 кг/л. с. час. А поскольку дизельное топливо дешевле бензина, выигрыш был еще большим.

Правда, советские дизели довоенной поры были недостаточно надежны. Но потом их усовершенствовали, и, установленные на бомбардировщиках Петлякова, Бартини—Ермолаева, Туполева, они хорошо зарекомендовали себя в Великую Отечественную. После победы дизели появились и на пассажирских самолетах Ил-12.

Рекордный самолет «Вояджер»

В тот период самолетостроители сосредоточились на разработке реактивной техники. С военной точки зрения это было оправданно. Но зачем гражданской авиации сверхзвуковые скорости? Если истребители-перехватчики выжимают 6 тыс. км/ч, то для «Аэрофлота» и 3 тыс. км/ч более чем достаточно. Сверхзвуковыми самолетами ныне летает менее 1 % авиапассажиров, да и в следующем столетии, по прогнозам, эта цифра вряд ли возрастет до 3—4 %. Для гражданской авиации оптимальны скорости 600—850 км/ч. И здесь наиболее выгодны турбовинтовые, турбовентиляторные и... дизельные двигатели.

«Чтобы оценить эффективность сочетания авиадизеля с новейшими достижениями самолетостроения, в Московском авиационном институте спроектировали на уровне технического предложения экспериментальный самолет для дальних беспосадочных полетов без дозаправки, – рассказывал старший научный сотрудник МАИ Е. И. Голубков. – С авиадизелем Д-11, управляемым двумя посменно работающими пилотами, самолет способен менее чем за 12 суток облететь земной шар по экватору. Ни один из применяемых ныне авиационных двигателей такой возможности не дает...»

Экспериментальный самолет МАЛ 405

Однако нас опередили. В 1986 году американский пилот Дик Рутан в компании с Джиной Йигер совершил первый кругосветный полет без посадки и дозаправки в воздухе на самолете «Вояджер», сконструированном его братом Бартом.

Впрочем, история на том вовсе не закончилась. Недавно в Москве состоялась научная сессия, посвященная 90-летию полета братьев Райт. Одна из секций обсуждала вопросы кругосветных полетов.

Известные специалисты В.А. Белоконь и B.C. Егер из Авиационно-космического центра МГУ выступили с идеей проведения воздушных беспосадочных гонок вокруг земного шара, вспомнив, что некогда весьма популярные авиагонки немало способствовали совершенствованию самолетов. Благо проекты уже имеются.

Проект В.А. Белоконя

 Кроме упомянутой: разработки МАИ в нашей стране проведены предварительные изыскания еще по двум конструкциям – В. А. Белоконя и Экспериментально-опытного механического завода имсени В. М. Мясищева. (ЭМЗ).

Проект самолета КЗ им. В.М. Мясищева

«Несколько лет назад нам предложили создать машину получше рутановской, – рассказал инженер-конструктор ЭМЗ имени Мясищева Е. Г. Комелев– – Дик и Джина ведь летели на пределе возможностей, в конструкции «Вояджера» практически не было предусмотрено запасов. Наш же самолет должен сделать такие полеты не подвигом, а повседневностью».

Действительно, в кабине «Вояджера» не было кислородных приборов, хотя, обходя грозу над Африкой, само.лет вынужден был подниматься выше Эвереста, а когда приземлился, в его баках оставалось всего 20 кг топлива. По проекту ЭМЗ самолет должен быть двухбалочной схемы (она уже опробована при создании высотных разведчиков М-17 и М-55) и иметь следующие характеристики: размах крыла – 31,88 м; Длина фюзеляжа– 9,5 м; масса – 5300 кг, причем около 4 тыс. кг из них приходится на топливо.

Будет ли он лучше рутановского? Ответить непросто. Наши конструкторы не имеют достаточного опыта применения новейших материалов. С ними работают, как с обычными изотропными, имеющими равную прочность в любом направлении. А ведь это далеко не так. Не потому ли в проекте ЭМЗ крыло самолета хоть и короче, чем у Рутана, а вес его больше? Правда, кабина у нашего лайнера попросторнее, предполагается установить кислородное оборудование. Сможет ли такой самолет одолеть без посадки намеченный маршрут Москва – Одесса – Босфор – Гибралтар – Панама – Индонезия – Красное море – Иран – Каспийское море – Москва общей протяженностью 40 500 км за 7 суток, покажет время.

Полет в лучах солнца

Не успокоились, впрочем, и зарубежные конструкторы. Некоторые из них решили отказаться от двигателя внутреннего сгорания, отдав предпочтение электрическим моторам. Тем более что, согласно современным проработкам, теперь можно обойтись и без тяжелых аккумуляторных батарей. Электричество будут вырабатывать пленочные фотоэлементы, которыми обклеивают верхнюю поверхность крыла вместо обшивки. Один из таких проектов ныне всерьез рассматривается американцами. Как пишет журнал «Popular Science», на базе Эдвардс, штат Калифорния, проходит испытания 8-моторный экспериментальный самолет, могущий в принципе облететь земной шар за 20 суток.

Экспериментальный самолет, использующий энергию Солнца

Конструкция выполнена из современных композитных материалов, и самолет весит всего около 100 кг, несмотря на то что имеет размах крыла больше, чем у «Боинга-737» (порядка 70 м). Пилоты могут размещаться каждый в своей отдельной кабине-пилоне, расположенной под крылом. Впрочем, их помощь в управлении машиной нужна лишь во время испытательных полетов. «Кругосветку» она способна совершить и в автоматическом режиме, управляемая дистанционно, с помощью самолетов сопровождения или спутников связи и навигации.

Таким образом, американские инженеры продолжают линию, начатую ими еще в 1980 году, когда в небо впервые поднялся солнечный аэроплан «Gossamer Penguin». Год спустя 15-метровый «Solar Challenger» перелетел через Ла-Манш. А ныне неугомонный американский конструктор Поль Мак-Криди, создавший уже несколько подобных аппаратов, похоже, решил оставить под крылом сразу весь Мировой океан.

Поскольку из-за малой скорости (порядка 145 км/ч) самолет не поспеет за движущимся Солнцем, в ночное время питание электромотора будет поддерживаться за счет топливных элементов, работающих на гидразине и кислороде. Поэтому, говоря строго, такой летательный аппарат имеет ограниченный ресурс полета – не более 2—3 тыс. часов. Но и этого, согласитесь, за глаза хватит для выполнения многих задач. Тем более, что в принципе ресурс может быть существенно повышен благодаря передаче энергии на борт самолета, допустим, по СВЧ-лучу.

Самолет движут микроволны

Несколько лет тому назад многие издания сообщили о том, что на полигоне исследовательского центра министерства связи Канады 6 октября 1987 года состоялся первый полет опытного варианта беспилотного самолета «SHARP» (Stationary High-Altitude Relay Platform), представляющего собой стационарную высотную платформу-ретранслятор с двигателем на сверхвысокочастотной (СВЧ) энергии.

Схема полета самолета, использующего СВЧ-энергию

Для тех, кто не читал упомянутых публикаций, коротко доложу суть дела. Самолет бы выполнен в масштабе 1/8 натуральной величины, имел крыло с размахом 4 м. На взлете и посадке питание электродвигателя с воздушным винтом осуществлялось за счет энергии бортовых никель-кадмиевых батарей. После взлета и подъема на высоту 90 м батареи отключались, и в дальнейшем полет осуществлялся за счет передачи на борт аппарата СВЧ-энергии с помощью наземного передатчика с параболической антенной. На борту самолета находилась специальная приемная антенна, которая обеспечивала преобразование принимаемого СВЧ-излучения сначала в постоянный, а затем и в переменный ток, необходимый для питания электродвигателя.

Далее сообщалось, что в перспективе предлагается создать усовершенствованный вариант самолета больших габаритов и испытать его уже на высотах 2,5—3 км. Однако такой самолет до сих пор не появился. Почему?

Оказалось, что затраты на его создание оказались существенно выше, чем предполагалось вначале. Ведь в окончательном варианте, по мнению разработчиков, самолет должен иметь размах крыла 36,6 м, длину фюзеляжа 23,8 м, диаметр диска с антеннами-выпрямителями 9,1 м и массу полезной нагрузки около 90 кг.

Чтобы обеспечить эффективный прием передаваемой энергии, на борту самолета предполагается установить около 10 тыс. антенн-выпрямителей. Они будут располагаться под консолями крыла и фюзеляжа, а также непосредственно на диске. Управление аппаратом обеспечит бортовой компьютер.

Схема передачи СВЧ-энергии из космоса

Чтобы передаваемой на борт самолета СВЧ-энергии хватило для поддержания полета, необходимо, чтобы ширина сфокусированного луча не превышала 30 м, давала мощность на ходе бортового электродвигателя не менее 30 кВт, а стало быть, плотность энергии на нижней части самолета должна составлять порядка 500 Вт/кв. м при полете на высоте до 21 км.

С этой целью выбрана частота передаваемого излучения 2,45 ГГц; при этом меньше потери энергетического пучка в воздушной среде. А чтобы передаваемый луч достиг приемной антенны, не распыляясь в пространстве более чем на 30 м в окружности, диаметр передающей антенны должен быть не менее 70 м.

Чтобы выбрать оптимальный вариант, разработчики предполагали рассмотреть несколько конструкций передающего оборудования – как в виде одной большой антенны, так и антенной системы. Одно из предложений предусматривает также использование системы из 260 параболических антенн с диаметром отражателя 4,6 м с механическими и электронными средствами управления пучком энергии.

В общем, трудностей оказалось предостаточно. Тем не менее разработчики полагают, что коммерческий самолет такого типа будет создан в начале следующего столетия.

Согласно расчетам, он должен выполнять барражирующие полеты по кругу диаметром 4,5 км на высоте 21 км при скорости 220 км/ч, охватывая площадь диаметром около 600 км. Продолжительность такого полета составит от 6 месяцев до 2 лет, а сам аппарат предполагается использовать как летающую антенну для ретрансляции программ регионального радиовещания, ведения прямых телепередач и обеспечения телефонной связи с подвижными транспортными средствами, наблюдения за океанской акваторией и для дальнего радиолокационного обнаружения низколетящих целей, ведения круглосуточного наблюдения за границами и т.д.