J. W. – мечтатель, неудачник, законодатель моды

Джулиан Волкович не первым додумался построить самолёт-биплан с соединёнными по концам крыльями. А додумавшись, не успел оставить заметного следа в истории авиации. И тем не менее каждый из многочисленных ныне рендеров самолётов с фантастическим соединённым крылом (joined wing) обязан своим появлением именно ему

Картонные крылья любви

Джулиан Волкович родился в Великобритании, но в 1958 г. эмигрировал в США. Он работал в «Конвере», «Воуте» и других аэрокосмических фирмах, где приобрёл богатый опыт аэродинамического проектирования. Идея пространственной несущей системы пришла ему в голову далеко не первым. Ещё в 20-х гг. носился с «карманным планёром» бывший главный конструктор «Фоккера» Рейнгольд Платц, а Джузепе Белянка строил вполне успешные самолёты-монопланы с профилированными подкосами крыльев, создающими дополнительную подъёмную силу. После войны советский авиаконструктор М. А. Кузаков предлагал испытать пространственное крыло на «кукурузнике» По-2.

В проектах и патентах недостатка не было, однако они оставались разовыми «подходами к весу». За исключением Белянки, дело не заходило дальше бумаги, в лучшем случае – единичных экспериментальных машин. Энтузиасты самостоятельно, не зная о предшественниках, выводили те или иные преимущества «соединённого крыла». Тема не получала широкого резонанса, а значит и последователей, и когда очередной инженер-одиночка по тем или иным причинам её бросал, она оказывалась забытой, ожидая, когда очередной «Кулибин» переоткроет её заново.

Свои изыскания Волкович начал с масштабных патентных исследований, особо пристальное внимание обратив на конструкцию Платца. В 1974 г. 42-летний инженер и сам подал заявку на «дельтаплан женатого мужчины». По мысли Волковича, кайф от полёта для означенного бедолаги должен был сочетаться с полным спокойствием жены за его безопасность.

Как и у Платца, «планёр для всех» имел два гибких крыла, разнесённых и по высоте, и «вперёд-назад». Передняя кромка каждого крыла представляла собой мощный лонжерон, задняя – трос; между ними натягивались листы брезента или парусины. Фюзеляж выполнен в виде открытой фермы с креслом и большим килем. Лонжерон переднего крыла крепился к носику фермы, заднего – к килю, по концам они соединялись между собой. Прямоугольная форма заднего крыла обусловлена концевыми нервюрами – обычными рейками, раскошенными на лонжероны. Все соединения шарнирные: конструкция получалась статически определимой и при этом жёсткой, ибо лонжероны при виде и спереди, и сверху образовывали с фермой замкнутые треугольники. Этим идея Волковича отличалась от планёра Платца – у того переднее крыло было принципиально нежёстким и замыкалось на руки лётчика. По курсу летательный аппарат управлялся обычным рулём направления, по крену и тангажу – изменением кривизны профиля крыльев путём натягивания их задних кромок специальными «поводьями».

Многоликий бриллиант

Волкович построил свой планёр и летал на нём. Несмотря на неэффективный метод управления, в целом концепция оказалась жизнеспособной. Более того, энтузиаст увидел для неё куда более широкую область применения, нежели «тряпколёты». В 1982 г. он создаёт в Калифорнии фирму АСА Industries и патентует новый, «серьёзный» внешний облик. Точнее, сразу множество обликов: поданная в 1980 г. заявка стремилась накрыть все возможные ипостаси концепции. Общей была ромбовидная система двух крыльев кессонной конструкции: заднее крыло обратной стреловидности крепилось к килю или верхней части фюзеляжа, располагаясь, таким образом, выше переднего – стреловидного низкоплана. При виде сверху частокол передних и задних кромок напоминал огранённый алмаз. Крылья тянулись друг к другу: переднее имело положительное «V», заднее – отрицательное. Впрочем, согласно хитрому патенту, угол поперечного «V» как передней, так и задней несущей поверхности может варьироваться (по модулю) от 0 до 30°. Несмотря на сложное взаиморасположение крыльев, изобретатель придумал, как их складывать, например, для корабельного базирования: все четыре консоли разрезались попарно соосными шарнирами. Размах крыльев либо равный, либо больше у переднего, каковое, таким образом, выступает за стыки.

В базовом облике задняя кромка переднего крыла подходит чётко к передней кромке заднего. Однако Волкович запатентовал варианты и с просветом между крыльями, и с их накладыванием друг на друга. Стык представляет собой вертикальную поверхность и работает, как винглет – снижает вихревое сопротивление. При нестреловидном заднем крыле плечо «стыковых шайб» достаточно, чтобы они служили вертикальным оперением и несли на себе рули направления. А если заднее крыло ещё и крепится к фюзеляжу, то центральный киль вообще не нужен. В качестве альтернативы «стыковым шайбам» изобретатель предложил обтекатели в форме веретена или капли, в которых можно разместить топливные баки, ниши уборки шасси, отсеки вооружения или ещё что-нибудь полезное. Стабилизатор в патентах Волковича отсутствует, а рулевые поверхности располагаются и на переднем, и на заднем крыле, соответственно, впереди и позади центра масс – при согласованном отклонении они могут управлять подъёмной силой напрямую, без изменения угла атаки самолёта.

Можно, но зачем?

Во многих публикациях не делается различий между соединённым крылом Волковича и другими типами пространственных крыльев, а зря. У кольцепланов, «бокс-вингов» и тому подобного форма при виде спереди либо прямоугольная, либо замысловато-криволинейная. Сулимые ими преимущества лежат в области аэродинамики: с них менее интенсивно сходят концевые вихри, снижая индуктивное сопротивление. Идея довольно спекулятивна: аэродинамическое сопротивление состоит не только из индуктивной компоненты, а сопротивление формы и трения вертикальные поверхности, как их хитро ни закручивай, всяко повысят – что выиграем там, наверняка проиграем тут.

Замысел Волковича проще. Его крылья и при виде спереди, и в плане образуют замкнутые треугольники, а как мы знаем из школьной геометрии, треугольник – жёсткая фигура. «Joined wing» само для себя подкос! Нагрузку от подъёмной силы оно воспринимает, как единая конструкция с огромной строительной высотой. Соединённое крыло получается очень лёгким, его можно делать гораздо уже и «размашистее» свободнонесущего, не боясь, что оно сломается или поймает какие-нибудь злые автоколебания. То есть у него намного выше удлинение (отношение квадрата размаха к площади крыла) – один из важнейших геометрических параметров, напрямую влияющих на аэродинамическое совершенство несущей поверхности. Основные преимущество конструкции Волковича — лёгкость и жёсткость, но получается, мы и в аэродинамике всё-таки выиграем!

Есть и другие плюсы: форма крыла, например, повышает боковую устойчивость. Очень заманчиво разместить внутри несущий поверхности фазированную антенную решётку (АФАР) радиолокатора (РЛС) с круговым покрытием по азимуту. Ну и как ни крути, а «замкнутость» концов всё-таки снижает индуктивное сопротивление. Существовали предположения (насколько я понимаю, не проверенные), что на сверхзвуке «joined wing» даёт относительно слабый звуковой удар.

Минусы соединённого крыла – продолжение его плюсов. Если от «тряпколётов» переходить к серьёзной технике, то оно реализуется с жёсткими (не шарнирными) стыками консолей между собой и с фюзеляжем. Такая система избыточно «зажата»: в сопромате её называют статически неопределимой. С одной стороны, даже разрыв одной связи (разрушение стыка или лонжерона) сам по себе не развалит конструкцию, хотя под внешними нагрузками она уже может сложиться. С другой, статически неопределимые системы содержат паразитные напряжения – например, если мы жёстко собираем стержни, которые из-за технологических погрешностей собираться не очень хотят. Их и считать сложнее: традиционные предварительные прикидки массы крыла, когда мы принимаем его консольной балкой, здесь не работают. Заднее крыло в концепции Волковича нагружается одновременно на изгиб и сжатие – это чревато потерей устойчивости (в «сопроматном» смысле).

Мы выигрываем в аэродинамическом совершенстве за счёт удлинения, но проигрываем из-за дополнительного сопротивления стыковых узлов крыльев и их интерференции между собой. Вдобавок аэродинамическое взаимовлияние может вызвать ранний и жёсткий срыв потока – а это серьёзный вопрос к безопасности. Вопросов к «алмазному» крылу, безусловно, не меньше, чем потенциальных преимуществ: ничто в технике не достаётся бесплатно.

Бриллиантовый кукурузник

Волковичу удалось заинтересовать Роберта Уайтхеда – директора отдела дозвуковых аппаратов Исследовательского управления Флота (ONR). К аэродинамическим экспериментам привлекли корпорацию «Рокуэлл Интернешнл», которая выполнила даже сверхзвуковые продувки моделей — до числа Маха М=1,2. По заказу флота АСА прорабатывала крылатую ракету и самолёт вертикального взлёта и посадки (СВВП) с соединённым крылом и двумя поворотными турбовентиляторными двигателями (ТРДД) по бокам фюзеляжа в районе центра масс. Рассматривалось «алмазное» крыло и применительно к XV-15 – прототипу десантного конвертоплана V-22 «Оспри».

«На гражданке» с Волковичем сотрудничал сам Бёрт Рутан. Правда, за десятилетие до кругосветки на «Вояджере» он был ещё не особо известен, и даже руководил не знаменитой Scaled Composites, а калифорнийской фирмой с оригинальнейшим названием Rutan Aircraft factory (RAF), которая под крыло Волковича спроектировала сельскохозяйственный самолёт «Модель 58».

«Кукурузник» со взлётной массой 5580 кг получил несущую систему из переднего крыла максимально возможного по ширине взлётно-посадочной полосы размаха, которое на середине консолей соединялось с задним крылом. Крылья сопрягались без перекрытия, стыковые узлы прятались под продолговатыми обтекателями; концы переднего крыла увенчали винглеты. Короткий фюзеляж заканчивался массивным килем – от его верхушки тянулись консоли заднего крыла, а в основании сидел лётчик. Впереди размещался бак для химикатов: при такой компоновке он не «конфликтовал» с конструкцией центропланов, центровка в ходе авиахимработ практически не ползла, при жёсткой посадке и капотировании бак не наваливался на пилота, а наоборот, играл роль краш-бокса. Носовую часть фюзеляжа оккупировал турбовинтовой двигатель (ТВД) «Пратт-Уитни» РТ6А-34 мощностью 783 л. с.: в сельхозавиации, вообще говоря, более распространены поршневые моторы с их лучшей приемистостью. Шасси трёхколёсное, неубирающееся. Рутан и Волкович в первую очередь пеклись о безопасности лётчика при вполне возможных грубых посадках на неподготовленные площадки и даже столкновениях с препятствиями. Жёсткая конструкция планёра и размещение пилота почти в корме способствовали тому, чтобы эдакие неприятности не стали последними в его жизни.

По расчётам «Модель 58» могла взять до трёх тонн химикатов. Для сравнения, агросамолёт Thrush-510P с аналогичным мотором и классическим крылом имеет полезную нагрузку около полутора тонн. Столько же у тысячесильного Ан-2 – рабочей лошадки советского сельхоза, но у него и движок поршневой, и сам он универсальный, а значит не оптимизирован под данную задачу, да и вообще из другой эпохи. И всё-таки вряд ли «бриллиантовому кукурузнику» светило оттяпать львиную долю рынка: самые ходовые агросамолёты фирмы «Пайпер» заметно легче да с поршневым мотором, а значит, намного дешевле.

Возможностей Рутана и Волковича не хватало для полного определения аэродинамических характеристик. В 1979 г. они обратились за помощью к заместителю начальника отдела динамической устойчивости Центра Ленгли NASA Джозефу Джонсону. Поисковые исследования насовцы выполнили в 12-футовой дозвуковой трубе. Из-за малых чисел Рейнольдса аэродинамическим подобием в них и не пахло, посему участников вовсе не удивил ранний отрыв потока. Зато подтвердились сами места, где начнёт развиваться срыв – стыки крыльев. Неприятным открытием стала потеря эффективности киля: из-за маленького размаха он затенялся фюзеляжем, а довершал бедствие отрыв потока на стыке с задним крылом.

«Модель 58» можно было довести до ума, но Рутан к ней охладел и построил сельскохозяйственный самолёт «Predator 480» по своей любимой схеме продольного трёхплана. Тому удача тоже не сопутствовала: налетав 175 часов, опытный экземпляр стеклопластикового «Хищника» в 1985 г. потерпел аварию, на чём его жизненный путь и завершился.

Американское поле экспериментов

Зато другое творение Рутана летало вполне успешно. Крыло AD-1 было монопланным и свободнонесущим, но тоже необычным: нестреловидное на взлёте и посадке, на высоких скоростях оно целиком поворачивалось вокруг вертикального шарнира, так что левая консоль получала прямую стреловидность, а правая – обратную. К августу 1982 г. созданный по заказу NASA экспериментальный самолёт полностью выполнил свою научную программу. Волкович предложил переделать его в JWRA (joined wing, а может и Julian Wolkovitch research aircraft) – платформу для исследований соединённого крыла в натурных условиях. Всего-то и надо заменить одну странную несущую систему другой. На сей раз инициативу подхватил Центр Эймса, чьи специалисты выполнили продувки моделей в масштабе 1:6. Стефан Смит из Центра Эймса, Илон Кру и Джон Галлман из Станфордского университета написали программу совместного расчёта аэродинамики и прочности необычного крыла, которая позволяла выполнять его параметрическую оптимизацию.

AD-1 формально считался прообразом пассажирской машины, эта роль перешла и к JWRA. Предполагалось, что новаторская схема уменьшит эксплуатационные расходы авиалайнера вместимостью 100…150 пассажиров на 10…15%. Несущую систему планировали исследовать сразу в трёх вариантах: «ромб» с соединёнными по концам консолями одинакового размаха 7,4 м (вариант JW-3) могли дополнять внешние секции переднего крыла, увеличивающие размах до 9,8 (JW-2) и 12,2 м (JW-1). Концепцию успешно проверили на радиоуправляемой модели – Илону Кру и его коллегам из Станфордского университета опыт её постройки потом ещё пригодится.

NASA рассчитывало перевоплотить AD-1 в JWRA за полмиллиона долларов и провести первую серию из десяти испытательных полётов в 1987 г. К сожалению, деньги кончились раньше, да и интерес к новаторской схеме ослаб. Если балансировать авиалайнер с соединённым крылом традиционным способом, то есть рулями на задней несущей поверхности, то потери подъёмной силы и аэродинамического качества окажутся столь же большими, как у самолётов схемы «бесхвостка», и эксплуатационные расходы не упадут, а вырастут. Можно задействовать рули на переднем крыле, отклоняя их не вверх, а вниз: тогда хотя бы подъёмная сила утекать на балансировку не будет. Но это только на первый взгляд: воздействие скоса потока от передних рулей на заднее крыло и эффекты синхронного управления требовали дополнительных исследований, на которые не осталось средств. И искать их стало некому: Джулиан Волкович умер в 1991 году.

Жизнь после

И всё же главный энтузиаст соединённого крыла успел увлечь им столько народу и положить начало стольким исследованиям, что они уже не могли просто так взять и остановиться. Идея зажила своей жизнью. Ещё в 80-х специалисты Центра Ленгли Майкл Дурэм и Родни Рикетс оценивали пригодность соединённого крыла для сверхвысотного беспилотного летательного аппарата (БЛА). Сравнение полумоделей консольных и соединённых крыльев с удлинением от 21,6 до 42 в аэродинамической трубе TDT при числах Маха М=0,4 и 0,6 обнадёживало: критическая скорость флаттера у последних на 27% больше! Но потом специалистов подстерёг сюрприз: на полной модели чудо-крыло попадало в режим сложных пространственных колебаний — оно будто гребло баттерфляем.

Продолжили уже под эгидой ВВС в рамках темы «Sensorcraft»: аэродинамику, статическую прочность и аэроупругость исследовали применительно к разведывательному БЛА, способному барражировать с полезной нагрузкой 2700…4200 кг до 40 часов на удалении от базы в 3700 км и высотах 18…21 км. «Локхид-Мартин», «Нортроп-Грумман» и «Боинг» получили четырёхлетние контракты на разработку такого аппарата (видимо, в объёме эскизного проекта), соответственно, по «нормальной» схеме, компоновкам «летающее крыло» и «joined wing».

У «Боинга» получился синтез «соединённого» и «летающего крыла». Форма основной несущей поверхности – классика скоростных «летающих крыльев» XXI века: очень узкие стреловидные консоли крепятся к развитому ромбовидному центроплану, в котором полуутоплена гондола целевой аппаратуры и два ТРДД. От заднего угла центроплана наверх тянулся узкий скошенный киль, а от его вершины обратно к основному крылу нисходили ещё более узкие задние консоли с сопряжениями на 70% консолей основного крыла. Все углы прямой и обратной стреловидности передних и задних кромок приведены к одной величине около 38°, как того требуют стелс-технологии.

Специалисты «Боинга» надеялись согнать массу конструкции по сравнению с «нормальной» схемой на 30% и на 5% снизить индуктивное сопротивление, однако оппоненты не разделяли их оптимизма, ссылаясь на противоречивые результаты, полученные в Центре Эймса. Ключевой же считалась возможность «спрятать» в пространственном крыле из композитов разнесённые решётки РЛС с синтезированной апертурой. Но на пути от красивого проекта к боевой машине стоял тесный клубок нелинейных явлений аэродинамики и динамики конструкции. По всей видимости, в итоге военные предпочли менее проблемное монопланное «летающее крыло». По крайней мере, публикации в печати относят сверхсекретный высотный беспилотный разведчик RQ-180 именно к такому облику.

Параллельно «Боинг» колупался с пилотируемым аппаратом. Исследования по теме ЕХ фирма вела с 1990 г. по заказу флота на комплекс радиолокационного дозора авианосной ударной группы, способный заменить устаревающий Е-2С «Хокай». Палубный самолёт должен быть куда компактнее стратегического разведчика, а для «летающего крыла» это приговор: ЕХ получил объёмистый фюзеляж. Летать высоко и далеко, как «Сенсоркрафту», ему не нужно, так что крылья ужались до более традиционных пропорций и соединялись почти концами. Не потеряли актуальность два достоинства «joined wing»: лёгкая конструкция и, ради чего весь сыр-бор и затевался, интегрированная в крыло РЛС с АФАР уникальной разрешающей способности и почти без мёртвых зон. ТРДД размещались по бокам фюзеляжа, делая машину очень похожей на проработки СВВП 80-х – как знать, возможно и такую опцию конструктора держали в уме. Их мечты уже в 1992 г. прибил секвестр военного бюджета – для американской оборонки 90-е тоже вышли «лихими»… зато для мирных граждан «тучными».

У NASA был свой бюджет, а учёные Агентства получали зарплаты отнюдь не за споры под чаёк о том, какую страну развалили. Модель ЕХ дули в 16-футовой трансзвуковой трубе, находили отрывные зоны, оценивали параметры потока на входе в двигатели, давали «Боингу» рекомендации по улучшению устойчивости и управляемости, благо фирма тоже не сушила вёсла. Стивен Крист из Центра Ленгли написал программу OVERFLOW, заточенную на расчёт отрывных течений. Благодаря ей удалось облагородить самое проблемное с точки зрения аэродинамической интерференции место – стык заднего крыла и киля. Другая группа исследователей обсчитывала спектры обтекания: в данном случае не математики работали на самолёт, а самолёт на математиков. Их симуляции сравнивали с продувками в трубе (там обтекание показывали масляные дорожки), используя для развития методов вычислительной гидродинамики (CFD). Осенью 1998 г. на державку аэродинамических весов насадили модель ЕХ с улучшенной геометрией.

На излёте века показалось, что ЕХ всё-таки прорвётся в небо: нечто очень похожее стало одним из девяти проектов обширной и амбициозной программы NASA RevCon. В её рамках Агентство изучало новаторские концепции летательных аппаратов с прицелом на среднесрочную перспективу. Исследования предполагались не только теоретическими, но и лётными – за них отвечал Центр Драйдена. В отличие от других концепций, которые планировали обкатать на беспилотниках, под соединённое крыло из полимерных композитов с интегрированной АФАР и дюжиной управляющих поверхностей собирались переделать пилотируемую машину – палубный противолодочный самолёт S-3 «Викинг». Работали весьма резво: за полтора года сформировали облик, сделали модель, продули её в аэродинамических трубах, изготовили и испытали в безэховой камере элементы АФАР. Особенно широкий масштаб приняли CFD-расчёты: ещё бы, ведь команду аэродинамиков возглавлял Стивен Крист, начинавший есть эту собаку ещё в проекте ЕХ. Военные уже выбрали конкретный «Викинг» на заклание, а вот денег на программу зажали. NASA же пришлось перенаправить свою часть финансирования на гиперзвуковой аппарат Х-43А после того, как первый его запуск кончился неудачей. 30 сентября 2001 г. программа RevCon была закрыта.

Эпилог без финала

24 июля 2019 г. ракетный крейсер «Энтитем» класса «Тикондерога» плюхал по своим американским делам через Тайваньский пролив. А из заоблачных высей за ним наблюдал беспилотник WZ-7 «Сянлун» Народно-освободительной армии Китая. «Не забиваешь ты – забивают тебе»: так язвят футбольные комментаторы, когда одна из команд явно владеет преимуществом, атакует, ходит вокруг да около штрафной, но вместо того, чтобы логично взять ворота соперника, получает гол в свои. Именно в такой ситуации оказались с соединённым крылом Соединённые Штаты.

Про китайский «joined wing» известно немного. По всей видимости, он действительно выпущен небольшой серией и активно применяется, причём явно не в интересах США, где огромный объём научных исследований вылился лишь в популяризацию «бриллиантов» — не только в Китае, по всему миру, в том числе и в нашей стране.

Джулиан Волкович успел построить по своей концепции лишь маленький планёр и сверхлёгкий самолёт, но его заслугу в работах по соединённому крылу невозможно переоценить. До него такой схемы, по большому счёту, не было, а были разрозненные и маргинальные исследования. Волкович обосновал «joined wing», показал его преимущества, возможные области применения и в итоге заразил им весь мир, сделал перспективной концепцией – да, пока не самой популярной, но больше не рискующей кануть в забвение.