Летающий "Фрегат": грузовой дрон для российской армии08.04.2019 16:20

Летать — это легко. Упрощая, полет можно свести к действию всего четырех ключевых векторов, сбалансированных в общем центре масс. Это сила тяжести и противостоящая ей подъемная сила плюс направленная вперед тяга, которой препятствует сопротивление воздуха. К этим четырем векторам приложены и все усилия конструкторов, двигателистов и аэродинамиков, которые стремятся минимизировать массу и сопротивление летательных аппаратов, увеличить тягу и подъемную силу, чтобы добиться стабильного и экономичного полета. Например, уменьшение веса на процент позволяет на 0,75% снизить потребление топлива.

Но не менее важен и способ создания подъемной силы. В самолетах она возникает за счет движения вперед, заставляющего воздух быстро обтекать неподвижное крыло. Двигатели генерируют лишь тягу, а подъем обеспечивается аэродинамическим профилем, благодаря которому над крылом возникает область пониженного давления — и сила, направленная вверх. Недаром некоторые легкие планеры могут подолгу оставаться в полете, выключив двигатель и вообще не используя топливо. А вот вертолету подъемную силу создают потоки воздуха вокруг лопастей вращающегося без остановки ротора, и они же обеспечивают тягу вперед. Поэтому вертолет — это всегда компромисс.

Самолеты — хорошо

В пересчете на доставку одного человека на расстояние 100 км классические легкомоторные самолеты Tecnam P92 расходуют 4,6 л топлива, более современные Tecnam P2002 — еще на литр меньше. Близкие цифры демонстрируют и большие пассажирские авиалайнеры. Для сравнения: популярные коммерческие вертолеты Sikorsky S-76 Spirit потребуют на это уже 11,9 л горючего. С точки зрения эффективности и экономичности полета самолеты — хорошо, а вот вертолеты — не очень.

Даже их максимальная скорость ограничена величиной, при которой кончики лопастей начинают двигаться быстрее звука, и она вряд ли когда-нибудь превысит 350−400 км/ч. Добавьте к этому высокий расход топлива, и вы поймете, что самолетной дальности полета вертолетам не добиться никогда. Выполняя операции где-нибудь в Арктике или в Сибири, вертолетчики вынуждены предварительно готовить запасы топлива в определенных точках вдоль своего маршрута: практическая дальность их полета без дозаправки редко превышает 500 км. Однако почти все это искупает одна деталь — инфраструктура.

Самолеты требуют сложных инженерных сооружений и длинных взлетно-посадочных полос, которые необходимо поддерживать в рабочем состоянии. Вертолеты летают где захотят, могут зависать неподвижно, перемещаться боком, а главное, они способны подняться в воздух с неподготовленной площадки — с любой лужайки, полярной льдины или крыши небоскреба. Недаром авиаконструкторы, двигателисты и аэродинамики с таким упорством преследуют идею создания летательных аппаратов с фиксированным крылом и возможностью вертикального взлета и посадки (СВВП).

СВВП NASA GL-10 Greased Lightning использует поворотные крылья и гибридную силовую установку: пара ведущих дизельных двигателей питает независимые электроприводы у каждого из 10 винтов.

Есть варианты

Первые практические попытки разработки таких самолетов начались еще в конце 1940-х, и надежды с ними тогда связывались огромные, тем более что и направления работы в целом были понятны уже тогда. Для перехода из вертикального полета в горизонтальный и обратно требуется контролируемо менять направление вектора тяги. Для этого мы можем менять положение всего фюзеляжа — как в аэродинамической схеме «тейлситтер», по которой был создан, например, экспериментальный СВВП Lockheed XFV-1, приземлявшийся на хвост, для устойчивости оснащенный дополнительным перпендикулярным оперением. Другие варианты подразумевают использование поворотных крыльев либо только двигателей, как у конвертопланов Bell V-22 Osprey, единственных таких аппаратов, пошедших в серийное производство. Наконец, отклоняться могут одни винты (такой вариант был реализован на экспериментальном Bell X-22, поднявшемся в воздух в 1966 году), а на аппаратах с реактивным двигателем — направление вылетающей из сопла струи (как у незавершенного проекта СВВП Як-141). Вершиной развития этих технологий можно назвать систему Rolls-Royce LiftSystem, которая разработана для палубной версии боевых F-35 Lightning II.

Однако эпоха громких проектов гражданских СВВП закончилась еще в 1970-х, и в результате такие аппараты достались лишь военным. Оказалось, что сложность конструкции оборачивается снижением надежности, а «компромиссная» двигательная система — высоким расходом топлива. Кроме того, переход от вертикального полета и зависания в горизонтальный крайне требователен к навыкам пилота, которому приходится контролировать вектор тяги, скоординированно управляя и двигателем, и элементами механизации. Ситуация стала меняться лишь в последние годы, благодаря тем же технологиям, которые стали драйверами «беспилотной революции».

Экспериментальный конвертоплан AgustaWestland Project Zero с винтами, скрытыми в крыльях, полностью электрический и может заряжать свои аккумуляторы на земле, за счет свободного вращения вентиляторов ветром.

Революция дронов

«Еще с 1940-х годов идея вертикального взлета остается «святым Граалем» авиационной науки и техники, — рассказал нам начальник центра перспективных исследований группы «Кронштадт» Владимир Воронов. — Сейчас эта старая тема снова всплыла — и это происходит повсеместно, по всему миру, — благодаря новым возможностям автоматизации управления. Вычислительные мощности на борту позволяют передать компьютеру все операции, в том числе при взлете и посадке и при переходе между разными режимами полета».

Группа «Кронштадт» — один из лидеров российской индустрии беспилотных авиационных систем. Начав разработки с аппарата легкого класса взлетной массой 50 кг, компания расширила свои компетенции и в область тяжелых беспилотных аппаратов. Это направление в «Кронштадте» возглавляет заслуженный конструктор РФ, доктор технических наук Николай Долженков. Под его руководством создан разведывательный дрон «Орион-Э», проходящий сейчас летные испытания.

Ему же принадлежит идея создания СВВП «Фрегат» для воздушной разведки и целеуказания для кораблей военно-морского флота. Такой аппарат способен базироваться не только на авианосце, но и на любом судне, на котором можно разместить стандартную вертолетную площадку. Однако не менее перспективным беспилотник выглядит и для гражданской авиации, особенно в России с ее огромными расстояниями и неразвитой сетью аэродромов. До сих пор многие районы страны остаются слишком удаленными для доставки вертолетами, но и слишком мало освоенными для строительства самолетных аэродромов. Поэтому нам так нужен новый СВВП.

Летная модель

«Фрегат» использует пару поворотных вентиляторов, на которые передается усилие от двигателя, а для повышения устойчивости при взлете, посадке и зависании — дополнительный поворотный импеллер, скрытый в хвостовой части фюзеляжа. Как мы помним, силы, действующие на летательный аппарат, должны иметь общую точку приложения в центре его масс. Некоторые конструкторы СВВП решают эту проблему, размещая винты непосредственно внутри крыла, как это сделано на экспериментальном AgustaWestland Project Zero. Однако создатели «Фрегата» нашли другую подходящую аэродинамическую схему, с тандемным крылом, которое обеспечивает необходимую для самолетного полета площадь крыла и правильную «развесовку» аппарата.

В отличие от конвертопланов, «Фрегат» сможет взлетать и «по-самолетному», дополнительно экономя топливо. Впрочем, пока что это лишь ожидания разработчиков, и многое в проекте остается незавершенным. «Вот, например, кольца, в которые заключены винты, — объясняет Владимир Воронов. — При вертикальном полете они создают дополнительную подъемную силу, зато при горизонтальном, наоборот, увеличивают сопротивление. Компромисс еще предстоит найти». В самом деле, пока разработчиками выполнен лишь цикл предпроектных исследований, построена и успешно испытана на разных режимах летная модель. «Вообще это задача дорогая и длинная, — признается Владимир Воронов. — В частности, в испытанной модели использовался электродвигатель. Однако мощности любого существующего на сегодня электродвигателя реальному тяжелому самолету будет недостаточно. Поэтому прежде всего требуется провести работы по оценке и выбору силовой установки с учетом конкретного двигателя, размеров вентиляторов и так далее. Это позволит получить обоснованные характеристики аппарата, оценить возможности коммерческого использования, построить экспериментальные версии, а затем и перейти в серию».

Схема «Фрегата» подойдет для создания аппаратов наблюдения и разведки, а также грузовых и грузопассажирских модификаций разного размера.

Новая почта

Снизить издержки позволит активное применение компонентов и технологий, уже апробированных на армейских беспилотниках «Орион-Э», включая наземные системы управления и уникальную для России линию производства тонкостенных длинномерных композитных деталей, позволяющих уменьшить массу аппарата. Разработчики считают, что, если «Фрегат» получит нужную поддержку, работа над ним потребует от 6 до 8 лет. Надежда на это есть: не так давно проект был представлен Министерству промышленности и торговли. Но создатели дрона смотрят еще дальше. Сами такие перспективные беспилотники могут стать элементом намного более масштабной системы роботизированной доставки грузов.

Беспилотная авиационная транспортная сеть сможет использовать аппараты совершенно разных классов, от обычных грузовых самолетов до небольших мультикоптеров, для доставки если не «до двери», то до любого отдаленного и труднодоступного пункта, которых в России до сих пор предостаточно. Первоначально она может частично полагаться на обычные пилотируемые самолеты, но постепенно все большую часть работы начнут брать на себя автоматизированные системы управления и грузовые дроны, большие, малые и средние. Включая новенькие летающие «Фрегаты».

©  Популярная Механика