Самолёт без механизации: программа FLAVIIR

Традиционными для современных самолетов и беспилотных летательных аппаратов самолетного типа являются аэродинамические рули. Подвижные поверхности на крыле или стабилизаторе позволяют изменять характеристики плоскости и за счет этого управлять полетом. Однако такие органы управления имеют ряд особенностей, которые с определенных точек зрения выглядят недостатками. Для избавления авиации от подобных неоднозначных черт в Великобритании на протяжении долгих лет ведется научно-исследовательская программа FLAVIIR.

Еще в 2004 году при поддержке британских государственных структур была запущена новая программа Flapless Air Vehicle Integrated Industrial Research («Интегрированное практическое исследование летательного аппарата без механизации крыла») или FLAVIIR. Ключевым участником программы стала компания BAE Systems, которой предстояло обеспечить проведение части основной практических работ. Также большой вклад в работы внес Университет Крэнфилда. Вместе с этими двумя организациями в программе участвуют девять других британских университетов и коммерческих предприятий.

В течение первых лет участники программы занимались исследованиями и разработкой демонстратора технологий. Первый опытный образец по теме FLAVIIR поднялся в воздух в 2010 году. Его испытания позволили собрать массу новой информации и продолжить научные работы. В конце 2017 года состоялся первый полет новой летающей лаборатории. Испытания этой машины продолжаются до сих пор, и в скором будущем должны дать желаемые результаты.

Теория управления

Как известно, существует три основных способа управления летательным аппаратом самолетного типа: аэродинамический, реактивный и балансирный. При этом наибольшее распространение получил аэродинамический, предусматривающий применение отклоняемых рулей на плоскостях. Изменяя свое положение, руль создает новые аэродинамические силы, воздействующие на планер в целом.

Аэродинамические рули не лишены недостатков. Так, их эффективность падает при снижении скорости потока или уменьшении плотности воздуха; механизация крыла и ее приводы занимают место и имеют определенную массу; также эти устройства способны негативно сказываться на характеристиках заметности. В связи с этими обстоятельствами на протяжении многих десятилетий ведется работа по улучшению аэродинамических рулей, а также осуществляется поиск альтернативных решений. Программа FLAVIIR предлагает именно второй способ избавления от характерных проблем.

Исследования прошлого десятилетия показали, что традиционные рули можно заменить более простой системой с меньшим количеством подвижных частей. Новая система управления летательным аппаратом, по задумке британских специалистов, должна использовать принцип CCW (Circulation Control Wing – «Крыло с управляемой циркуляцией»). Этот принцип предусматривает управление потоком воздуха вокруг плоскости, позволяющее изменять ее несущие характеристики в данный момент времени. В целом, новая концепция может считаться дальнейшим развитием давно известного «реактивного закрылка», но на этот раз речь идет не о средстве улучшения аэродинамических характеристик, а о полноценной системе управления.

Для использования принципа CCW требуется плоскость с загнутой задней кромкой. Вместо руля высоты или элерона на кромке такого крыла предлагается устанавливать пневматическую систему со средствами управления. Вдоль кромки следует проводить трубопровод для сжатого воздуха от компрессора, связанный с перфорированной пластиной нужных размеров. При помощи клапанов на трубопроводах следует управлять подводом воздуха к отверстиям в пластине.

Принцип работы CCW не слишком сложен и интересен. Проходя по загнутой задней кромке крыла, воздух должен «прилипать» к ней за счет эффекта Коанда. Из отверстий на изогнутой части кромки по команде систем управления должен выдаваться сжатый воздух. Последний влияет на ход набегающего потока и заставляет его отклоняться, изменяя аэродинамические силы на плоскости. При подаче воздуха на плоскость давление над нею падает, и давление под крылом толкает последнее вверх. За счет правильного применения таких устройств на двух полукрыльях или на разных поверхностях плоскости можно получить достаточно эффективную систему управления.

«Рули» на основе CCW имеют некоторые преимущества перед традиционными отклоняемыми поверхностями. Они упрощают конструкцию крыла за счет отсутствия необходимости в подвижных устройствах; сокращают необходимые объемы для приводов и т.п. аппаратуры; а также не изменяют конфигурацию крыла с точки зрения радиолокации. В то же время, имеются и некоторые недостатки. В первую очередь, предлагаемые системы нуждаются в дополнительных средствах автоматического контроля, берущих на себя часть функций пилота. Однако в целом результаты программы FLAVIIR могут представлять интерес во всех основных областях авиации.

Опытный «Демон»

Первые исследования в рамках программы FLAVIIR осуществлялись с применением цифрового моделирования, аэродинамических труб и т.д. К концу прошлого десятилетия были получены требуемые результаты, и участники программы приступили к разработке летающей лаборатории. Опытному летательному аппарату предстояло показать свои возможности на практике, а также помочь исследователям со сбором информации, необходимой для дальнейшего развития программы.

В 2010 году компания BAE Systems построила и вывела на испытания опытный беспилотный летательный аппарат под названием Demon. Его позиционировали как «первый в мире самолет без рулей на крыле». Машина имела характерный внешний вид и особую конструкцию плоскостей. В то же время, экстерьер «Демона» не выдавал главные особенности проекта.

Летающую лабораторию построили по схеме «бесхвостка» с интегральной конструкцией планера. «Демон» получил фюзеляж большого удлинения веретенообразной формы с плоским днищем. Бортовые части фюзеляжа служили наплывами крыла. Сверху на фюзеляже поместили ковш воздухозаборника и стреловидный киль с рулем направления традиционного вида. БПЛА оснастили трапециевидным в плане стреловидным крылом. Для самостоятельного взлета и посадки БПЛА BAE Demon получил трехточечное шасси с носовой опорой. Конструкторы предусмотрели установку всех необходимых средств дистанционного управления и сбора информации.

Беспилотник оснастили компактным турбореактивным двигателем. Часть его энергии отводилась на отдельный компрессор, отвечавший за работу новых систем. Почти по всему размаху задней кромки находились новые средства управления, основанные на идее CCW. По командам бортовой аппаратуры, пневматическая система управления должна была подавать воздух под давлением на соответствующие участки задней кромки и менять характеристики крыла. Новые средства обеспечивали управление по тангажу и крену. За рыскание отвечал отклоняемый руль на киле.

17 сентября 2010 года опытный образец впервые подняли в воздух, и затем активно испытывали в разных условиях и на разных режимах. В ходе длительной программы летно-конструкторских испытаний был собран большой объем данных. Утверждалось, что в ходе тестовых полетов удалось подтвердить принципиальную работоспособность новых систем управления. По своим характеристикам последние незначительно уступили аэродинамическим рулям. Кроме того, удалось подтвердить теоретические возможности, связанные со стелс-технологиями. Малозаметный летательный аппарат, не имея подвижных поверхностей, действительно не склонен к демаскировке при маневрировании.

Участники программы FLAVIIR провели полномасштабный анализ данных, собранных во время испытаний опытного БПЛА Demon и затем продолжили развитие имеющихся идей. Несколько следующих лет ушли на дополнительные исследования и проверки. Вскоре появился второй проект летающей лаборатории, предназначенной для отработки новых решений. Авиастроители не стали повторять конструкцию предыдущего опытного образца и представили летательный аппарат иной схемы.

Проект Magma

В 2016 году компания BAE Systems начала испытания опытного беспилотного летательного аппарата под названием Magma. В отличие от предыдущего «Демона», планы компании-изготовителя предусматривали строительство двух образцов. Первый БПЛА представлял собой машину с традиционной механизацией, предназначенную для предварительных испытаний и отработки конструкции. После нее на испытания собирались вывести второй экземпляр, оснащенный системами управления набегающим потоком.

БПЛА BAE Magma представляет собой машину схемы «летающее крыло» без четко выраженного фюзеляжа, но с парой килей в хвостовой части. Собственно крыло выполнено стреловидным и оснащено треугольными законцовками. В фюзеляже установили турбореактивный двигатель. Отдельный компрессор для подвода воздуха к средствам управления на этот раз не предусматривался. Сжатый воздух предлагалось получать от компрессора основного двигателя и по трубам отправлять к задней кромке крыла. Также машина получила необходимые электронные устройства и трехточечное шасси.

Как и предыдущий БПЛА Demon, новый образец имеет заднюю кромку крыла с необычными устройствами CCW. Средства управления циркуляцией отвечают за управление в каналах тангажа и крена. Кроме того, на новой «Магме» аналогичные устройства присутствуют на килях, что позволило отказаться от традиционных рулей направления.

С целью улучшения управляемости по тангажу внедрили новую систему Fluidic Thrust Vectoring («Управление вектором тяги за счет перетекания потока»). Хвостовая часть рудиментарного фюзеляжа, вмещающая сопло двигателя, по своей форме похожа на кромку крыла и имеет систему подвода сжатого воздуха. За счет этого беспилотник может изменять направление истечения реактивных газов и тем самым управлять вектором тяги в пределах небольшого сектора.

Первый полет летающей лаборатории Magma, построенной с применением принципиально новых средств, состоялся 13 декабря 2017 года. Компания-изготовитель беспилотника с энтузиазмом писала об этом событии и отмечала его важность как для программы FLAVIIR, так и для развития авиации в целом. Участники исследовательской программы намеревались провести полноценные летно-конструкторские испытания и собрать все необходимые данные.

Проект будущего

По известным данным, исследовательская программа Flapless Air Vehicle Integrated Industrial Research все еще не завершена. Продолжаются испытательные полеты летающей лаборатории Magma, причем к работам привлекаются оба беспилотника, отличающиеся комплектацией. Изделие Demon, насколько известно, отправлено на хранение, поскольку не отвечает современным требованиям программы к опытной технике.

Разработчики новой техники уже получили примечательные результаты и неоднократно хвастались ими. Кроме того, высказывались различные оценки относительно будущего предлагаемой концепции. Система управления CCW показала свою работоспособность в ходе испытаний опытной техники, а также оправдала возлагавшиеся на нее надежды. Вполне возможно, что по завершении текущих испытаний компания BAE Systems или смежные организации начнут поиск путей для внедрения новых решений в проекты перспективной авиационной техники того или иного назначения.

Список преимуществ перспективных систем управления хорошо известен. Отказ от привычной механизации в пользу средств управления набегающим потоком обеспечивает значительное упрощение конструкции крыла, облегчает его, а также позволяет сохранять конфигурацию плоскости во время полета, не изменяя его радиолокационные характеристики.

Фактически единственное затруднение в контексте FLAVIIR / CCW связано с отсутствием реальных наработок по подобной тематике и с необходимостью проведения ряда исследований. Таким образом, успешное завершение текущей исследовательской программы снимет массу вопросов и позволит приступить к внедрению новых решений на практике. Предлагаемые идеи могут найти применение в самых разных сферах – в первую очередь, там, где они смогут дать наибольший эффект.

Одним из главных преимуществ концепции CCW от британских специалистов является резкое упрощение конструкции систем управления. Вместо набора приводов и механизмов можно устанавливать набор клапанов и трубопроводов, причем они не накладывают особые ограничения на компоновку планера. Сплошное крыло без механизации может быть легче и прочнее традиционного. Все это может оказаться полезным при создании малогабаритных легких летательных аппаратов, в том числе беспилотных.

Конструкторов беспилотной и пилотируемой авиации может заинтересовать потенциал CCW в контексте радиолокационной заметности. Даже при тщательном расчете конструкции и форм планера у самолета традиционной архитектуры остаются некоторые элементы, способные увеличить ЭПР. Принимаются разного рода меры, но «дестабилизирующий фактор» в виде подвижной механизации пока победить не удалось. Возможно, авиаконструкторы ведущих стран заинтересуются результатами программы FLAVIIR и используют их в новых проектах.

В обозримом будущем британские специалисты должны будут завершить работы по многообещающей научно-исследовательской программе, после чего стоит ждать старт внедрения новых наработок. Пока программа FLAVIIR и ее цели выглядят интересными и многообещающими. Однако все же не стоит переоценивать любопытный проект и ожидать от него слишком многого. Несмотря на регулярное появление новых идей и решений, авиастроение в целом остается достаточно консервативным. Разработчики авиационной техники не склонны браться за новые предложения, если те вызывают подозрения или не могут в полной мере оправдать себя.

Программа Flapless Air Vehicle Integrated Industrial Research представляет большой интерес с точки зрения науки и техники. Кроме того, она успела показать свой потенциал при помощи пары опытных образцов. Однако результаты исследований пока не готовы к внедрению на практике. Сколько времени займут последующие работы, и сможет ли новая концепция выйти за пределы исследовательских лабораторий, неизвестно.

/Кирилл Рябов, topwar.ru/