В небе завтрашнего дня

Странный, необычный вид имеет самолет вертикального взлета на земле. Его нос устремлен вверх, прямо в небо. Вот так же примерно выглядит самолет, устанавливаемый для взлета с помощью специальной пусковой установки — катапульты. Но такая установка «выстреливает» машину в небо, а при вертикальном взлете самолет поднимается с помощью собственного двигателя. Потом он совершает такую же посадку. Правда, он иногда садится на специальную стартовую установку, с помощью которой этот самолет и перевозят.

Опирается он обычно на три или четыре короткие «ноги» с опорными дисками, почти как межпланетный корабль где-нибудь на Луне. Он напоминает птицу с опущенными крыльями, — иногда такие самолеты называют поэтому «пингвинами». Летчик при взлете почти лежит на спинке своего кресла, которое обычно делается поворачивающимся. Но вот двигатель запущен, его мощность увеличена до максимальной, и самолет вертикально уходит в небо. После того как взлетевший самолет наберет высоту, он разворачивается и далее совершает свой полет уже в обычном, горизонтальном положении.

Так самолеты овладели искусством вертикального взлета и посадки, не потеряв при этом способности летать с огромной скоростью. И все же такие самолеты еще далеко не решают проблемы.

Конечно, они найдут применение и как истребители, и как дальние маршрутные такси. Меньше чем за час на них можно перелететь из Ленинграда в Москву, причем взлететь и сесть прямо в центре города!

Но воспользоваться таким такси сможет далеко не всякий — билет будет стоить очень дорого, гораздо дороже, чем, например, на обычный вертолет. И дело здесь вовсе не в том, что придется доплатить за скорость, как это часто бывает в наземном транспорте. Уж очень невыгоден самолет вертикального взлета, слишком много топлива расходует его мощный двигатель.

Тут мы коснулись важнейшей проблемы эксплуатации летательных аппаратов вертикального взлета и посадки. Мало построить аппарат, обладающий таким свойством, нужно, чтобы он был достаточно экономичным. Конечно, в военной авиации это требование отступает на второй план, но в гражданской оно обычно является решающим.

Понятно, что экономичность эксплуатации летательных аппаратов различного рода определяется рядом обстоятельств. Здесь и потребный расход топлива, и первоначальная стоимость изготовления, и расходы по эксплуатации и ремонту и т. д. Поэтому определить экономичность совсем не так просто, это требует тщательного анализа в каждом отдельном случае. Однако некоторые общие сведения можно получить, если вновь обратиться к самым основам физики полета.

Выше уже упоминалось, что силы, действующие на летательный аппарат в полете, создаются путем отбрасывания воздуха (или газов). Но какое из известных устройств для такого отбрасывания выгоднее — машущее или неподвижное крыло, пропеллер или несущий винт, реактивная струя турбореактивного или ракетного двигателя?

Самолеты вертикального взлета — «пингвины».

Чтобы ответить на этот вопрос, целесообразно сравнить величину реактивной силы в килограммах, которая приходится на каждую лошадиную силу мощности силовой установки. Наиболее выгодным при таком сравнении окажется то устройство, в котором скорость отбрасывания воздуха меньше. В этом нет ничего удивительного, если вдуматься. Ведь мощность двигателя затрачивается на то, чтобы сообщить отбрасываемому воздуху какую-то кинетическую энергию, которая, как известно, пропорциональна квадрату скорости. Поэтому при увеличении скорости отбрасываемого воздуха, например, вдвое мощность двигателя должна возрасти вчетверо. Сила же реакции отбрасываемой струи пропорциональна скорости отбрасывания в первой степени: когда скорость возрастает вдвое, то и сила увеличивается вдвое. Таким образом, при увеличении скорости отбрасывания вдвое на каждый килограмм реактивной силы затрачивается и вдвое больше лошадиных сил. Значит, чем меньше скорость отбрасывания, тем выгоднее устройство для создания подъемной силы. Одну и ту же подъемную силу выгоднее Создавать, отбрасывая как можно большую массу воздуха с возможно меньшей скоростью.

Конечно, этот весьма упрощенный метод может служить только для грубого качественного сравнения. Но все же он дает ключ к оценке возможных областей выгодного применения летательных аппаратов различного типа. Оказывается, с наименьшей скоростью отбрасывает воздух машущее крыло, затем идут — в порядке возрастания этой скорости — неподвижное крыло, несущий винт, пропеллер, турбореактивный двигатель и ракетный двигатель. Поэтому при той же мощности двигателя орнитоптер сможет поднять больший груз, чем самолет, а самолет — больший груз, чем вертолет. Вертолет, в свою очередь, поднимет больший груз, чем самолет вертикального взлета с турбовинтовым двигателем, а еще менее выгоден самолет вертикального взлета с турбореактивным двигателем, не говоря уже о ракетном.

Вот почему самолеты вертикального взлета не выгодны для гражданской авиации. Эти экспрессы уж очень дороги в эксплуатации, так как потребляют чрезмерно много топлива при взлете. Но не только поэтому. Двигатели таких самолетов должны быть чрезмерно мощными — это тоже диктуется условиями вертикального взлета и посадки. Ведь когда самолет вертикального взлета переходит на обычный, горизонтальный полет, то подъемная сила создается уже крылом, что требует в несколько раз меньшей затраты мощности. Значит, для такого полета можно было бы использовать гораздо менее мощный двигатель, чем для взлета. К сожалению, заменить один двигатель другим в полете невозможно: хочешь не хочешь, самолет вынужден нести на себе более мощный, а значит, и более тяжелый и громоздкий, чем это необходимо, двигатель. Только когда самолет летит с очень большой скоростью, раза в два, а то и более превосходящей скорость звука, на полет расходуется вся мощность двигателя. Но длительный полет на такой скорости, в свою очередь, не выгоден из-за чрезмерно большого расхода топлива…

Следовательно, будущее турбовинтовых и турбореактивных пассажирских самолетов вертикального взлета ограничено только высокоскоростным, экспрессным сообщением. Но и это очень важно, конечно. Так что небо завтрашнего дня будут бороздить многие подобные самолеты. Вовсе не обязательно они должны походить на рассмотренные нами выше: не очень-то удобно для пассажиров, когда при взлете длинный фюзеляж расположен вертикально.

Вот почему уже создаются и испытываются пассажирские самолеты вертикального взлета и посадки других типов. Фюзеляж у них имеет обычное — горизонтальное — положение, а двигатели поворачиваются: при взлете и посадке они «смотрят» вверх, создавая подъемную силу, а в горизонтальном полете занимают обычное положение.

Конвертопланы — самолеты с поворачивающимися двигателями или винтами (по журналам «Нейшнл Эронотикс», январь 1963 г., «Интеравиа», декабрь 1960 г., и др.).

Вместо двигателей может поворачиваться целиком крыло (по журналу «Интеравиа», ноябрь 1962 г., и др.).

Уже созданы различные экспериментальные конструкции самолетов с поворачивающимися двигателями. Впрочем, самолетами их можно назвать, пожалуй, только условно, скорее это гибриды самолета и вертолета. При взлете машина напоминает вертолет, в обычном же полете — самолет. Их и называют иногда самолетами-вертолетами, или конвертопланами (конвертоплан — преобразованный летательный аппарат).

Обычно конвертопланы имеют небольшое крыло, на концах которого расположены два винта, вращающиеся в противоположные стороны. Иногда эти винты устанавливаются в специальных коротких отрезках труб большого диаметра или туннелях — это позволяет увеличить создаваемую винтами движущую силу. Винты приводятся во вращение турбовинтовыми двигателями, расположенными либо здесь же, на крыле, либо в фюзеляже, и тогда от них к винтам идут длинные передаточные валы.

Для взлета винты устанавливают так, чтобы они служили несущими, как у вертолета. Затем, уже в полете, летчик просто поворачивает их оси на 90° — винты становятся тянущими, вертолет преобразуется в самолет.

Есть конвертопланы, на крыльях которых установлены не турбовинтовые, а турбореактивные двигатели. Они так же поворачиваются после взлета, отчего конвертоплан превращается в обычный реактивный самолет.

Но, может быть, проще поворачивать не двигатели на крыле, а все крыло вместе с двигателями?