Ringplane: samolot z zamkniętą pętlą skrzydeł

2024 Autor: Seth Attwood | [email protected]. Ostatnio zmodyfikowany: 2023-12-16 16:14

Samolot z zamkniętą pętlą skrzydeł nie może latać – udowodnił to czas. Samoloty pierścieniowe były próbowane od czasów braci Wright i żadna taka konstrukcja nie była w stanie utrzymać się w powietrzu przez kilka minut. Ale ludzki umysł się nie poddaje. W 2007 roku, po 100 latach i ponad 20 próbach, podobne urządzenie wystartowało. I udowodnił, że jest zwrotnym, lekkim i wytrzymałym samolotem.

Ta historia zaczęła się w 1988 roku, kiedy Związek zmierzał już ku upadkowi, ale nadzieja na stabilizację wciąż tliła się w sercach przywódców wielkiego państwa. Klub kreatywności technicznej w Mińskiej Fabryce Przekładni otrzymał kreatywne zadanie od lokalnej struktury rolniczej: zaprojektować zwrotny i lekki samolot, który wytrzyma silne boczne wiatry. Najpopularniejszym „rolnikiem” w tym czasie był AN-2: mógł zabrać na pokład dużo nawozów i opryskiwaczy. Ale wiatr był jego straszliwym wrogiem - na niekończących się polach Kuban AN-2 pod względem sterowności przypominał szalonego słonia. Technik lotniczy Arkady Aleksandrowicz Naruszewicz, pilot Anatolij Leonidowicz Guszczin i kilka innych osób zajęło się sprawą. Po długich badaniach Naruszewicz doszedł do nieoczekiwanego wniosku: konieczne jest zbudowanie samolotu z zamkniętym konturem skrzydła, ale nie okrągłym, ale owalnym. Zbudowano kilka modeli, które latały całkiem pomyślnie (zauważam, że podczas naszej rozmowy Naruszewicz wykonał papierowy model w 15 minut - i poleciał!). Entuzjaści zakupili materiały i zbudowali owalne skrzydło. A potem 1991 się rozbił. ZSRR pozostał w przeszłości, finansowanie skończyło się zaledwie w kilka dni, a pozostałe środki wycofano. Skrzydło odesłano do długoterminowego przechowywania, a projekt samolotu został zapomniany. Ale to było dalekie od końca.

Od Bleriot do Zhivodan

17 grudnia 1903 r. mężczyzna po raz pierwszy wzbił się w powietrze samolotem z silnikiem. Mężczyzna nazywał się Orville Wright, a samolot nazywał się Wright Flyer I.

Pomimo znaczącego sukcesu braci Wright, wielu wynalazców wymyśliło różne konfiguracje skrzydeł, zgodnie z ich koncepcjami, bardziej efektywne niż zwykłe samoloty Wright. Jednym z pionierów lotnictwa był francuski wynalazca Louis Bleriot, który w 1900 roku zbudował swoje pierwsze urządzenie Ornithopter. To prawda, że dopiero jedenasty model, zbudowany w 1909 roku, stał się pierwszym prawdziwie latającym samolotem Bleriota. Wcale nas to nie interesuje, ale samolot Bleriot III, zaprojektowany w 1906 roku i nigdy nie wystartował. Był to pierwszy samolot z zamkniętą pętlą skrzydeł w historii budowy samolotów.

Bleriot po prostu eksperymentował – na chybił trafił. Połączył końce skrzydeł konwencjonalnego dwupłatowca w półkola i zainstalował ten sam projekt, co ogon. To prawda, że powstały hydroplan „Bleriot III” nigdy sam nie wystartował z wody. Naoczni świadkowie opisali kilka lotów - kiedy urządzenie było holowane jak latawiec, ale nic więcej.

Dzisiaj błędy Blériota są oczywiste: zbyt ciężki ogon, duże straty siły nośnej spowodowane niewłaściwie dobranym konturem skrzydła. Ale fakt pozostaje faktem - samoloty z zamkniętymi skrzydłami rozpoczęły swoją podróż w lotnictwie.

Oprócz Bleriota z zamkniętym skrzydłem eksperymentowało kilku innych projektantów z początku wieku. Słynął swego czasu samolot francuskiego inżyniera Żywodana, zbudowany przez niego w fabryce Velmorela w 1909 roku. Wszyscy i wszyscy, w tym Scientific American i wiele szanowanych publikacji, pisali o niesamowitej maszynie, która otwiera nową erę lotnictwa. W samolocie Żiwodana rolę skrzydeł pełniły dwie figury w kształcie pierścieni, pomiędzy którymi znajdowało się siedzenie pilota. Silnik ważył 80 kg i rozwijał 40 KM, obracając 2,4-metrowe śmigło. Jak można się było spodziewać, dziwna konstrukcja przypominająca fajkę z wyrwaną częścią środkową nie uniosła się w powietrze. Warto zauważyć, że francuski projektant modeli samolotów Emmanuel Fillon zaprojektował działający model samolotu Zhivodan w latach 80-tych. A model pięknie latał. Oznacza to, że jego właściwości aerodynamiczne nie były takie złe. Nadmierna masa lub niska moc silnika mogły uniemożliwić wystartowanie oryginału.

Warto wspomnieć o jeszcze jednym niesamowitym projekcie – tzw. Gary-Plane autorstwa Amerykanina Williama Pierce'a Gary'ego. Samolot Gary'ego (1910) miał płaskie, pierścieniowe skrzydło o średnicy 8 m - ponad cztery ludzkie wzrosty! To prawda, że samolot Gary'ego wyróżniał się straszliwą niestabilnością: wszystkie próby lotu na nim kończyły się przewróceniem się do przodu.

Późne lata 90.: drugi wiatr

W 1998 roku Anatolij Guszczin, Anri Naskidyants i wielu innych pilotów przekonali Naruszewicza do dalszej pracy nad samolotem. Samolotem zainteresowała się pewna prywatna firma, znaleziono pieniądze, odrestaurowano na wpół zapomniane skrzydło, a zespół zaczął montować kadłub. Wszystko zostało zrobione od podstaw. Chyba że podwozie zostało zabrane ze śmigłowca Mi-1, a deska rozdzielcza z AN-2. Samochód został zaprojektowany z myślą o potencjalnym nabywcy: fotele dla jednego lub dwóch pilotów i trzech pasażerów w półokręgu. Zamiast pasażerów można było postawić pojemniki do przechowywania nawozów i opryskiwaczy…

Ważną cechą samolotu Naruszewicza było to, że owalne skrzydło nie było przymocowane bezpośrednio do kadłuba. Znajdował się wewnątrz skrzydła na stojakach i zawieszeniach. W ten sposób winda została stworzona na całej powierzchni skrzydła.

Do 2004 roku przeprowadzono pierwsze testy terenowe otrzymanej maszyny. Wykonała kilka lotów w warunkach spokojnych i przy bocznym wietrze. Wynalazcy odkryli, że urządzenie ma bardzo niezwykłe właściwości aerodynamiczne. Po pierwsze, samolot o owalnym skrzydle (nazwiemy to dalej SOC) w ogóle nie reagował na podmuchy bocznego wiatru do 13 m/s. Po drugie, do rozbiegu wystarczyło 150 m (dla AN-2 - 180 m, dla innych samolotów tej samej klasy czasem nawet więcej). Ale najważniejszą rzeczą okazał się praktyczny stosunek ładowności do całkowitej masy własnej samolotu - 0,45! Do tej pory nikt nie zbliżył się do takiego współczynnika. Samolot mógłby być bezpiecznie pokazany przyszłym inwestorom.

Dziwny „owaloplan” Louisa Bleriota wydaje się dziś absurdalny: zbyt wiele błędów popełnił francuski projektant podczas jego budowy. Ale Bleriot działał na chybił trafił: w 1906 nikt nie wiedział, która konfiguracja skrzydeł zwycięży.

Pionowe pierścienie startowe

Wśród niemieckich projektów II wojny światowej wiele było absolutnie niesamowitych pod względem odwagi i oryginalności. Tak więc myśliwiec-przechwytujący „Lark” (Lerche) pionowego startu i lądowania zaprojektowany przez Ernsta Heinkela (1944) miał zamknięte, dziewięciostronne skrzydło i dwa niezależne silniki Daimler-Benz 605D, z których każdy obracał własnym śmigłem. Oba śmigła znajdowały się wewnątrz skrzydła. Jak na tamte czasy samolot był nietypowy, ponieważ oznaczał pionowy start i lądowanie.

Trudno powiedzieć, co zrobiłby Heinkel, gdyby Lark ucieleśniał metal. W 1945 roku Heinkel opracował również LercheII, na pierwszy nie było wystarczająco dużo czasu, a projekt zniknął w zapomnieniu. Jednak każdy ma okazję latać Skylark - w grze komputerowej IL-2 Sturmovik: Forgotten Battles. 1946”.

Ale Francuzi w 1959 roku znaleźli okazję, by wcielić swoje arcydzieło z pierścieniami w metalu. Niesamowity odrzutowiec SNECMA C-450 Coleoptere nawet wystartował. To prawda, wylądował dość mocno, prawie grzebiąc pod sobą pilota. W rzeczywistości SNECMA opracowała bezzałogowy statek powietrzny z pierścieniem skrzydeł nawet wcześniej, w 1954 roku. Nadano mu liryczną nazwę Atar Volant C-400 P-1 (Latająca Gwiazda) i wykonał ponad 200 udanych lotów testowych. Podobnie jak niemiecki Lark, był to samolot pionowego startu i lądowania. Kolejnym krokiem było stworzenie pojazdu załogowego, który stał się C-450. Ośmiometrowy myśliwiec został pomyślnie wystrzelony, ale podczas przejścia z lotu pionowego do lotu poziomego wykazał całkowitą niezdolność do utrzymania wysokości i opadł jak kamień. Pilot wyleciał, a kosztowny projekt został natychmiast zamknięty.

SNECMA C-450 (1959) Potrafił latać tylko w pionie. Kiedy pilot próbował przejść do lotu poziomego, eksperymentalna konstrukcja spadła jak kamień. Projekt samolotu z zamkniętym skrzydłem został natychmiast zamknięty.

SNECMA C-450 (1959)

Mógł latać tylko w pionie. Kiedy pilot próbował przejść do lotu poziomego, eksperymentalna konstrukcja spadła jak kamień. Projekt samolotu z zamkniętym skrzydłem został natychmiast zamknięty.

Ostatnią próbą stworzenia samolotu pierścieniowego pionowego startu był amerykański projekt Convair Model 49 (1967). Convair jest teraz dobrze znany ze swojego projektu łodzi podwodnej i wielu innych szalonych projektów. Model49 był hybrydą samolotu i helikoptera. Jego skrzydło w kształcie pierścienia skrywało arsenał, z którego mógł być dumny cały pułk artylerii. Karabiny maszynowe, granatniki, armaty i wyrzutnie rakiet - „49.” może w pojedynkę stoczyć bitwę z pełnoprawną armią. Jeśli to zostało zrobione. Szalony projekt został mądrze odrzucony przez rząd USA.

Zamknięte skrzydło nowe życie

W 2006 roku eksperci ponownie zainteresowali się tematem owalnego skrzydła. W jednym z mińskich przedsiębiorstw zorganizowano eksperymentalne prace projektowe (B+R) mające na celu odrestaurowanie samolotu z owalnym skrzydłem, przetestowanie go i zbadanie jego właściwości aerodynamicznych. Głównym projektantem ROC był Aleksander Michajłowicz Anokhin, były pilot wojskowy z solidnym 35-letnim doświadczeniem. Naruszewicz i Guszczin zostali członkami biura projektowego. W 2008 roku w prace zaangażowany był doktor nauk fizycznych i matematycznych, profesor Leonid Iwanowicz Greczikhin. Pracował nad właściwościami aerodynamicznymi rakiet ze słynnym Korolowem, a teraz konsultuje i wykłada w różnych instytutach WNP. W efekcie powstał zespół, który do dziś pracuje nad tym tematem.

Problem polegał na tym, że samolot nie wzbijał się w niebo od 2004 roku i stał się praktycznie bezużyteczny. Ale praca szła pełną parą. Samolot został zmodyfikowany, przygotowany do lotów i usunięty z hangaru. Rozpoczęły się testy. Konfiguracja pojazdu pozostała taka sama, ale dopracowanie było poważne - aż do zmiany profilu skrzydła. Znacząca praca (która trwa do teraz) trafiła do Grechikhin: zbudowano samolot z owalnym skrzydłem, ale nikt wcześniej go szczegółowo nie obliczył!

Właściwości techniczne

Czym jest dzisiaj SOC? To zdecydowanie samolot. Ale pod względem właściwości w powietrzu znacznie różni się od zwykłych maszyn o płaskich lub zaokrąglonych skrzydłach. Zwykłe skrzydło płaskie charakteryzuje się oporem indukcyjnym: powietrze ze strefy wysokiego ciśnienia pod skrzydłem ma tendencję do wpływania do strefy podciśnienia na górnej powierzchni przez końcówki skrzydeł. W tym przypadku za samolotem powstają końcowe wiry, których powstanie również pochłania energię, będącą wartością oporu indukcyjnego.

W przypadku skrzydła owalnego problem rezystancji indukcyjnej nie ma znaczenia, ponieważ nie ma ono końcówek. Ponadto napływający strumień powietrza, przechodzący przez zamkniętą pętlę, jest skierowany w dół, tworząc dodatkową siłę podnoszenia. Im większy kąt natarcia skrzydła, tym silniejszy efekt. A kąt natarcia takiej konstrukcji może być niespotykanie duży.

Zatrzymanie przepływu występuje, gdy strumień powietrza wraz ze wzrostem kąta natarcia przestaje płynnie opływać górną powierzchnię skrzydła i odrywa się od niej tworząc wiry. W takim przypadku winda na skrzydle natychmiast znika, a aparat traci kontrolę. Owalne skrzydło pozwala na kąt natarcia skrzydła do 50 °, podczas gdy jego najbliżsi konkurenci osiągają maksymalnie 20-22 °. Powietrze wewnątrz zamkniętego skrzydła utrudnia zatrzymywanie przepływu z górnej powierzchni dolnej części skrzydła. A gdy strumień opuszcza pętlę zamkniętą, w wyniku wyrzutu (proces mieszania dwóch mediów, gdy jedno medium porywa drugie), „zasysa” powietrze przechodzące wzdłuż górnej powierzchni górnej części skrzydła. Danych tych nie uzyskano empirycznie – owalne skrzydło „rozlało się” w kanale wodnym.

Białoruski samolot z zamkniętą pętlą skrzydeł, zanim wcielił się w metal i wzbił w powietrze, przeszedł trzy „reinkarnacje” – jego budowę rozpoczęto w 1988 roku.

Zdolność do latania pod ekstremalnie dużymi kątami natarcia, w połączeniu z efektem ugięcia strumienia, pozwala samolotowi latać z ekstremalnie małymi prędkościami bez użycia klap. SOK nie posiada mechanizacji skrzydeł, co nie przeszkadza mu w niezawodnym starcie i lądowaniu. Niespotykana odporność na przeciągnięcie pozwala samolotowi latać stabilnie i niezawodnie w najszerszym zakresie prędkości.

Wiele cech SOC jest zaskakujących. Udaje mu się rozpędzić, podlecieć i wylądować na nierównym trawiastym torze o długości zaledwie 400 m, z wyłączonym silnikiem, dobrze planuje i ogólnie zachowuje się w powietrzu bardzo stabilnie. Owalne skrzydło sprawia, że samolot jest bardziej zwrotny i oszczędny. Dodatkowo zamknięta pętla daje skrzydłu dodatkową wytrzymałość. Według Grechikhina, samoloty z klasycznymi skrzydłami wkrótce wyczerpią się. To bardzo proste: im większy samolot, im cięższe i mocniejsze skrzydło, tym trudniej utrzymać jego sztywność. Zasadniczo samolot przenosi masę „bezużytecznego” ładunku – masę własnych drzewc. A owalne skrzydło jest dwa razy lżejsze dla tej samej windy.

Tradycyjne problemy

Główny problem polega na tym, że białoruskie przepisy dotyczące lotnictwa w ogóle nie przewidują tworzenia samolotów na terytorium kraju i ich wykonywania lotów. Niedawno Midivisana stworzyła pod kierownictwem Anokhina wyspecjalizowane biuro projektowe zajmujące się rozwojem bezzałogowych statków powietrznych. Wśród pracowników są zarówno Naruszewicz, jak i Guszczin. Zgrany zespół entuzjastów nie traci nadziei, że przynajmniej w bezzałogowym samolocie uda im się zrealizować swój wynalazek – zamknięte owalne skrzydło.

Ringplan Suchanow

Próby stworzenia samolotu pierścieniowego były również podejmowane w ZSRR. W 1936 roku student Moskiewskiego Instytutu Lotniczego Suchanow przedstawił jako pracę dyplomową projekt samolotu z pierścieniowym skrzydłem do obrony. Średnica skrzydła wynosiła 3 m, a prędkość konstrukcyjną 600 km/h miał zapewniać 800-konny silnik Hispano-Suiza. Do 1940 roku dyplom stał się pełnoprawnym projektem myśliwca przechwytującego krótkiego startu i lądowania i został rozpatrzony przez radę naukowo-techniczną TsAGI. Ale nadeszła wojna, nie było czasu i pieniędzy na budowę samolotu, a tym bardziej na jego testy. W 1942 roku w Nowosybirsku Suchanow zbudował działający model samolotu pierścieniowego. Testy modelowe wykazały, że samolot wytrzymuje kąty natarcia do 43°, ma wysoki stosunek mocy do masy, właściwości antypoślizgowe i doskonałą manewrowość. Suchanow otrzymał certyfikat autora, wykonał wszystkie obliczenia, ale plan pierścieniowy, z powodu wojny i zniszczeń w kraju, nigdy nie ujrzał światła dziennego.

Skrzydło pokazuje swoje właściwości tylko przy pewnym stosunku osi elipsy do siebie, długości cięciwy skrzydła do małej osi elipsy i innych niuansach profilu skrzydła. Projektanci złożyli wniosek o patent i otrzymali certyfikaty pierwszeństwa dla tego kształtu skrzydła na Białorusi iw Rosji. Teraz wydaje się, że ich sukcesu już nikt nie będzie w stanie powtórzyć, bo wszystkie dostępne „korytarze” o korzystnych parametrach skrzydła zostały już wytyczone.

Na okres od rozpoczęcia prac rozwojowych do budowy pierwszego produkcyjnego modelu samolotu z lekkim silnikiem potrzeba około 12 milionów dolarów – mówi Aleksander Anokhin. „Możemy nawet zrobić lotnię z takim skrzydłem. Czy możesz sobie wyobrazić? Lotnia, nie bój się bocznego wiatru!” Głównym problemem nie jest nawet finansowanie: jak tylko SOK trafi np. do MAKSu, inwestorzy zostaną znalezieni. Problem tkwi w ustawodawstwie białoruskim, zgodnie z którym samolot stworzony na terytorium kraju jest niezwykle trudny do zarejestrowania, aw tym przypadku jest po prostu niemożliwy, ponieważ nie należy do znanych klas samolotów. Jednak istnieje już umowa z lotniskiem Woroneż, które ma zostać wykorzystane do dalszych testów pojazdu.

Co dalej? Zobaczmy. Fakt pozostaje. Po raz pierwszy w historii budowy samolotów wystartował samolot z zamkniętym skrzydłem. Może jesteśmy u progu nowych odkryć. A może to tylko ciekawy samolot, odosobniony incydent. Czas pokaże.