Историко-исследовательская работа Ивахнова Романа,
г.Ленск, р-ка САХА (Якутия)
Прошлое, настоящее и будущее создания самолетов с кольцевым (овальным) крылом
ПЛАН:
Введение
Глава 1. Исторические сведения о создании самолетов с кольцевым крылом
Глава 2. Возобновление работы по созданию самолета с кольцевым крылом
Глава 3. Аэродинамические характеристики самолета с кольцевым (овальным) крылом
Заключение
Вывод
Литература
Введение:
«Все новое – это хорошо забытое старое», думаю, каждый не раз слышал это выражение. Убедиться в его правоте пришлось и мне. В очередной раз, рассматривая коллекцию моделей самолетов и размышляя об их конструкции, МНЕ пришла в голову идея о том, что можно изменить форму крыла, например, сделать ее овальной или в форме кольца. Воодушевившись новой идеей, я занялся поиском информации по данному вопросу. При первом же клике в информационной сети, я обнаружил, что Кольцепланы пытались строить со времен братьев Райт, и ни одна подобная конструкция не смогла удержаться в воздухе и нескольких минут. Но человеческий разум не сдается. В 2007 году, спустя 100 лет и более чем 20 попыток, подобный аппарат все-таки взлетел. И показал себя маневренным, легким и прочным летательным аппаратом. Так появилась тема для моего исследования: Прошлое, настоящее и будущее создания самолетов с кольцевым (овальным) крылом.
Цель:
Изучить историю создания самолетов с кольцевым (овальным) крылом и рассмотреть перспективы дальнейшего развития.
Задачи:
• Изучить литературу по объекту исследования;
• Изучить исторические данные создания самолетов с кольцевым крылом;
• Рассмотреть создание самолетов с кольцевым крылом в настоящее время;
• Определить аэродинамические характеристики самолетов с кольцевым крылом;
• Оценить перспективу создания самолетов с кольцевым крылом.
Гипотеза:
Думаю, что использование самолетов с кольцевым крылом приведет к улучшению аэродинамических и взлетно-посадочных характеристик.
Глава 1.
Исторические сведения о создании самолетов с кольцевым крылом
Изучив литературу по объекту исследования, я узнал, что в прошлом проекты подобных самолетов (все неудачные) создавали в разное время и в разных странах:
1. Овалоплан "Блерио III” сконструировал Луи Блерио в 1906-м году.
Первым в истории авиастроения самолет с замкнутым контуром крыла стал самолет «Блерио III», сконструированный в 1906-м и ни разу не поднявшийся в воздух. Блерио просто экспериментировал – наугад. Он соединил полукружьями окончания крыльев обычного биплана и такую же конструкцию установил в качестве хвостового оперения. Правда, получившийся в итоге гидроплан «Блерио III» никогда не отрывался от воды самостоятельно. Очевидцами описаны несколько подлетов – когда аппарат буксировали подобно воздушному змею, но не более того.
Сегодня ошибки Блерио очевидны: слишком тяжелое хвостовое оперение, высокие потери подъемной силы из-за неверно выбранного контура крыла. Но факт остается фактом – самолеты с замкнутым крылом начали свой путь в авиации.
2. Аэроплан Живодана, известного французского авиаконструктора (1909-й год)
Известен в свое время был аэроплан французского инженера Живодана, построенный им на фабрике Velmorel в 1909 году.
Об удивительной машине, открывающей новый век авиации, написали все кому не лень – в том числе Scientific American и еще ряд уважаемых изданий. В аэроплане Живодана роль крыльев играли две кольцеобразные фигуры, между которыми располагалось место пилота. Двигатель весил 80 кг и развивал 40л.с., вращая 2,4-метровый пропеллер. Как и следовало ожидать, странная конструкция, напоминающая трубу с выдранной центральной секцией, в воздух не поднялась.
А вот его современник мосье М. Живодан (M.Givaudan) соорудил летательный аппарат с кольцевым крылом, или, как ещё говорят, с крылом замкнутого типа (с двумя ячеистыми структурами кольцевидной формы). К центрам этих круглых штук были прикреплены концы фюзеляжа, впереди был тянущий винт диаметром 2,4 метра, который управлялся сорокасильным восьмидесятикилограммовым мотором с воздушным охлаждением через механический редуктор. Управлять машиной предполагалось, поворачивая носовуюкольцецесекцию. Мосье построил свой аппарат на заводе Vermorel Motor в Вильфранш, Франция, в 1909 году. Источники сообщают, что испытания были «довольно неудачными». Стоит отметить, что французский авиамоделист Эммануэль Филлон сконструировал в 1980-х действующую модель самолета Живодана.
И модель прекрасно летала.
То есть аэродинамические ее свойства были не так и плохи. Возможно, оригиналу помешали подняться в воздух чрезмерная масса или малая мощность двигателя.
3. Gary-Plane, построенный Уильямом Пирсом Гэри в 1910-м году.
В 1910 году с кольцевым крылом экспериментировали в США – конструктор Уильям Пирс Гэри построил так называемый Gary-Plane. Самолет Гэри (1910 год) имел ровное кольцеобразное крыло диаметром 8 м – больше четырех человеческих ростов! Правда, аэроплан Гэри отличался ужасной неустойчивостью: все попытки полететь на нем заканчивались опрокидыванием вперед.
4. Кольцеплан студента МАИ Суханова, разработанный в 1936-м году, как дипломная работа и построенный только в 1942-м.
Попытки создать кольцеплан были и в СССР. В 1936 году студент МАИ Суханов представил к защите в качестве дипломной работы проект самолета с кольцевым крылом диаметром 3 м, с расчетной максимальной скоростью 600 км/ч, которая обеспечивалась двигателем «Испано-Сюиза» мощностью 800 л.с. На основе своего диплома М. Суханов разработал проект истребителя-перехватчика короткого взлета и посадки указанной аэродинамической схемы В 1940 г. проект докладывался командованию ВВС и был рассмотрен на научно-техническом совете ЦАГИ под председательством академика Б. Н. Юрьева. Работам по изготовлению продувочных моделей и исследованиям в аэродинамической трубе помешали начало войны и эвакуация института. Модели самолета короткого взлета и посадки, получившего название «Кольцеплан», были изготовлены под руководством М. В. Суханова в Новосибирске, в 1942 г. Важное достоинство «Кольцеплана» — способность кольца-крыла развивать подъемную силу до весьма высоких (до 43°) значений углов атаки, что при большой энерговооруженности истребителя обеспечивало возможность короткого, близкого к вертикальному, взлета. При этом самолет-кольцеплан обладал антиштопорными свойствами, высокой и своеобразной маневренностью. Организованная при поддержке Н. Н. Поликарпова инициативная конструкторская группа разработала проект самолета-истребителя с кольцевым крылом. Одновременно в Новосибирске была построена летающая модель кольцеплана с двумя соосными винтами. При испытаниях модели присутствовал профессор В. П. Ветчинкин. Результаты испытаний признаны успешными. В начале 1943 г. Н. Н. Поликарпов командировал Суханова с проектом кольцеплана в Москву. После рассмотрения проекта в ЦАГИ принято решение о проведении аэродинамических исследований моделей самолета-кольцеплана в аэродинамической лаборатории МАИ. В течение 1943 г. научно-исследовательская работа с аэродинамическими моделями была успешно завершена. С приоритетом от 1942 г. М. В. Суханову выдано авторское свидетельство на изобретение самолета короткого взлета и посадки с кольцевым крылом.
 Технические данные «Кольцеплана»: взлетная масса 2500 кг, мощность двигателя М-82А 1600 л.с, диаметр кольцевого крыла 3 м, несущая площадь крыла 10,5 кв.м. Хорда пилонов крыла 1,1 м, диаметр соосных винтов 3 м. Максимальная расчетная скорость 740 км/ч. Скорость на высоте 3000 м — 640 км/ч. Хвостовое оперение — нормальной схемы, элероны установлены на пилонах, связывающих фюзеляж с кольцевым крылом. Шасси — трехстоечное, стояночный угол 30°. Основные стойки шасси убирались в крыло. Следующим шагом в развитии стал И-185 К Поликарпова. При сравнительных летных испытаниях с обычным И-185, кольцеплан продемонстрировал явные преимущества в скорости и горизонтальной и вертикальной маневренности. Опытный образец показал хорошие результаты, но в серию не пошел и был успешно забыт.
5. Истребитель HeinkelLerche ("Жаворонок”) Эрнста Хейнкеля (1944-й-1945-й гг.), оснащенный 2-мя независимыми авиационными моторами Daimler-Benz 605D.
Среди немецких проектов времен Второй мировой многие были совершенно удивительны по своей смелости и нестандартности. Так, истребитель-перехватчик вертикального взлета и посадки «Жаворонок» (Lerche) конструкции Эрнста Хейнкеля (1944) имел замкнутое девятигранное крыло и два независимых мотора Daimler-Benz 605D, каждый из которых вращал свой пропеллер. Оба пропеллера располагались внутри крыла. Для того времени самолет был необычен тем, что подразумевал вертикальный взлет и посадку. Сложно сказать, что бы вышло у Хейнкеля, если бы «Жаворонок» был воплощен в металле. В 1945 году Хейнкель разрабатывал еще и LercheII, времени на первый не хватало, и проект сгинул в безвестности. Впрочем, у всех желающих есть возможность полетать на «Жаворонке» – в компьютерной игре «Ил-2 Штурмовик: забытые сражения. 1946».
6. Беспилотный кольцеплан Atar Volant C-400 P-1
с лирическим именем «Летающая звезда» от той же фирмы SNECMA, впервые взлетевший в 1954-м году и, в общей сложности, налетавший в процессе испытаний не менее 200 полетов.
7. Французский реактивный истребитель-кольцеплан SNECMA C-450 Coléoptére (1959-й год).
В 1959 году французские конструкторы нашли возможность воплотить свой кольцекрылый шедевр в металле. Удивительный реактивный самолет SNECMA C-450 Coléoptére даже взлетел. Правда, приземлился он довольно жестко, едва не похоронив под собой пилота. Собственно, компания SNECMA разработала беспилотный летательный аппарат с кольцеобразным крылом еще раньше, в 1954 году. Он получил лирическое название AtarVolant C-400 P-1 («Летающая звезда») и совершил более 200 успешных испытательных полетов. Как и немецкий «Жаворонок», это был самолет вертикального взлета и посадки. Следующим шагом стало создание пилотируемого аппарата, которым и стал C-450. Восьмиметровый истребитель был успешно запущен, но при переходе от вертикального полета к горизонтальному продемонстрировал полную неспособность держать высоту и камнем ухнул вниз.
8. Лайнер RingWing фирмы Lockheed, в 1980-м году.
9. Военный кольцеплан ConvairModel 49 американской фирмы Convair, разработанный в 1967-м году.
Гибрид вертолета и самолета с сумасшедшим набором вооружения (ракетометы, пушки, гранатометы и пулеметы). Конгресс отклонил идею, как слишком дорогую. Последней попыткой создать кольцеплан вертикального взлета был американский проект ConvairModel 49 (1967).
В августе 1964 года армия США объявила конкурс на лучшую передовую систему воздушной огневой поддержки– AAFSS (AdvancedAerialFireSupportSystem) Компания Convair в 1967 году представила на конкурс AAFSS действительно уникальный аппарат - кольцепланConvairModel 49.
По замыслу авторов проекта, Model 49 представлял собой кольцеплан с крылом диаметром почти 7 метров, и четыре пилона с шасси: в трёх из них находились двигатели, в четвёртой - оружие, боеприпасы и оборудование. В полный рост вместе с кабиной для двух пилотов на самом верху конструкция достигала 9 с лишним метров.
Необходимую уверенность для всех этих полётов машине должны были придать три газотурбинных двигателя Lycoming LTC4B-11 мощностью по 2200 лошадиных сил каждый и два трёхлопастных ротора, вращающихся в противоположных направлениях. Всё это хозяйство размещалось внутри "горшка", а четыре внешних топливных бака могли нести до 1200 галлонов топлива.
По условиям конкурса ConvairModel 49 должна была быть системой огневой поддержки, поэтому, во-первых, двигатели, топливные баки, капсулу команды и всё авиационное оборудование укрепили двойной бронёй, способной защитить от пуль калибра 12,7 мм. Для проведения техобслуживания укреплённая фронтальная панель откидывалась и укладывалась на земле. "Летающую крепость" оснастили разнообразным оружием. Во фронтальной части Model 49 имелись три огневые точки: центральное орудие XM-140 было способно произвести тысячу выстрелов 30-миллиметровыми боеприпасами, а в два боковых гнезда могли монтироваться пулеметы калибра 7,62 (БК 12 000 патронов) или 40-миллиметровые автоматические гранатометы (БК 500 гранат). Все огневые точки вращали стволами, а центральная могла быть оборудована ракетной установкой или второй 30-миллиметровой пушкой. Имеющаяся артиллерия, по идее, должна была работать и на земле, и в воздухе. В добавок ко всему, на двух боковых "башенках" были установлены 106-миллиметровые безоткатные пушки для уничтожения защищенных целей.Интересной была и тактика применения 49-го: аппарат взлетал и садился вертикально, максимальная скорость в полете "по самолетному” планировалась около 560 км/час. Атака наземных целей, могла проводиться в двух режимах, по самолетному, по вертолетному (полет в вертикальном положении). Планировалось, что аппарат может зависать. В последних случаях кабина с экипажем меняла своё положение на 90 градусов. Не смотря на серьезную рекламную шумиху вокруг проекта, армия отказалась финансировать столь экстравагантный проект.
Глава 2.
Возобновление работы по созданию самолета с кольцевым крылом.
Создание этого удивительного аппарата - дело рук авиатехника Аркадия Александровича Нарушевича. В 1988 году в клуб технического творчества при Минском заводе шестерен поступило творческое задание от местной сельскохозяйственной структуры: сконструировать маневренный и легкий самолет, способный противостоять сильным боковым ветрам.
Самым популярным «сельхозником» был в то время АН-2: он мог взять на борт много удобрений и распылительное оборудование. Но сильный степной ветер был врагом "кукурузника", управляемость самолета резко ухудшалась и возникали опасные ситуации, и даже катастрофы. За дело взялись авиационный техник Аркадий Александрович Нарушевич, летчик Анатолий Леонидович Гущин и еще несколько человек. После длительных исследований Нарушевич пришел к неожиданному выводу: нужно строить самолет с замкнутым контуром крыла, но не с кольцевым, а овальным. Было построено несколько макетов, которые летали вполне удачно. Энтузиасты закупили материалы и сконструировали овальное крыло. Перестройка 1991 года внесла свои коррективы: СССР остался в прошлом, финансирование буквально в несколько дней закончилось, а оставшиеся средства были отозваны.
В 1998 году Анатолий Гущин, Анри Наскидянц и еще ряд летчиков уговорили Нарушевича продолжить работу над самолетом. Самолетом заинтересовалась некая частная фирма, деньги нашлись, полузабытое крыло было восстановлено, и команда приступила к сборке фюзеляжа. Все делали с нуля. Стойки шасси взяли от вертолета Ми-1, а приборную панель – от АН-2. Конструировали машину под потенциального потребителя: места для одного или двух пилотов и трех пассажиров полукругом. Вместо пассажиров можно было разместить емкости для хранения удобрений и распылительного оборудования… Важной особенностью самолета Нарушевича было то, что овальное крыло не крепилось непосредственно к фюзеляжу. Он располагался внутри крыла на стойках и подвесах. Таким образом, подъемная сила создавалась по всей поверхности крыла. К 2004 году были проведены первые полевые испытания полученной машины. Она совершила несколько подлетов при штиле и боковом ветре. Изобретатели обнаружили, что аппарат обладает весьма необычными аэродинамическими свойствами: • самолет с овальным крылом (СОК) совершенно не реагировал на порывы бокового ветра вплоть до 13 м/с; • для разбега ему хватало 150 м (у АН-2 – 180 м, у остальных самолетов того же класса порой еще больше); • главным оказалось практическое соотношение полезной нагрузки и общей снаряженной массы самолета – 0,45. На сегодняшний день - это первый и единственный в мире летающий аппарат с замкнутым контуром крыла.
Глава 3.
Аэродинамические характеристики самолета с кольцевым (овальным) крылом.
По своим качествам в воздухе самолет с кольцевым (овальным) крылом заметно отличается от обычных машин с плоскими или закругленными крыльями. Для обычного плоского крыла характерно индуктивное сопротивление: воздух из зоны повышенного давления под крылом стремится перетекать в зону разрежения на верхней поверхности через законцовки крыла. При этом за самолетом образуются концевые вихри, на формирование которых также расходуется энергия, которая и составляет величину индуктивного сопротивления. Для овального крыла проблема индуктивного сопротивления не актуальна, поскольку у него отсутствуют законцовки. Кроме того, набегающий поток воздуха, проходя сквозь замкнутый контур, направляется вниз, создавая дополнительную подъемную силу. Этот эффект проявляется тем сильнее, чем больше угол атаки крыла. А угол атаки у подобной конструкции может быть беспрецедентно большим. Срыв потока происходит, когда воздушная струя при увеличении угла атаки перестает плавно обтекать верхнюю поверхность крыла и отрывается от нее с образованием вихрей. При этом подъемная сила на крыле тут же пропадает и аппарат теряет контроль. Овальное крыло допускает угол атаки крыла до 50°, в то время как его ближайшие конкуренты достигают максимум 20–22°. Воздух, находящийся внутри замкнутого крыла, затрудняет срыв потока с верхней поверхности нижней части крыла. А при выходе потока из замкнутого контура он за счет процесса смешения двух сред, когда одна среда увлекает за собой другую, «подсасывает» воздух, проходящий по верхней поверхности верхней части крыла. Эти данные получены не эмпирическим путем – овальное крыло «проливали» в гидроканале.
Способность летать на экстремально больших углах атаки с эффектом отклонения потока позволяют аппарату летать на предельно малых скоростях без использования закрылков. У самолетов с кольцевым (овальным) крылом отсутствует механизация крыла, что не мешает ему надежно взлетать и садиться. Беспрецедентная устойчивость к срыву потока позволяет самолету устойчиво и надежно летать в самом широком скоростном диапазоне.
Многие качества таких самолетов удивляют. Он успевает разогнаться, подлететь и приземлиться на неровной травянистой дорожке длиной всего 400 м, при выключенном моторе хорошо планирует и вообще ведет себя в воздухе очень стабильно. Овальное крыло делает самолет более маневренным и экономичным. Кроме того, замкнутый контур придает крылу дополнительную прочность. Самолет с классическими крыльями несет массу «бесполезной» нагрузки – вес собственных лонжеронов. А овальное крыло в два раза легче при той же подъемной силе. Почему же не выпускается столь уникальный летательный аппарат с волшебными свойствами? Причин может быть масса. Одной из них, я думаю, является отсутствие финансирования. Сегодня создана новая опытная модель и получены патенты на такое крыло в России и Белоруссии. Но, чтобы построить полноценный образец, необходимо не менее 12 миллионов долларов, а таких денег у заинтересованных предприятий не нашлось. Теперь конструкторы стали работать в КБ компании Мидивисана, которая планирует воплотить это инженерное решение в беспилотниках. Руководит новым проектом профессор Анохин. Он надеется, что полеты кольцеплана привлекут к идее внимание значительно более крупных компаний и самолет, доработанный до дальнемагистрального лайнера и с большей грузоподъемностью, сможет выпускаться серийно. Еще одна причина в том, что процесс разработки нового планера, это не только работа с аэродинамикой. Это и работа по решению конструктивных проблем отдельных узлов от которых может зависеть и вес самолета, и размещение других узлов требующих доступа при обслуживании. Факторов много! Возможно, что на традиционных схемах планеров какие-то задачи решались более легким путем и оставляли возможность для дальнейшей модификации – кстати, это закладывается конструктивно в современных самолетах и такой принцип пошел как раз с того времени, когда проводились первые эксперименты. Самолеты Поликарпова и столько лет прошедших с того времени говорят сами за себя – в то время к экспериментам с планером относились совсем по другому и я уверен, что схему «кольцо» просчитали достаточно основательно, чтоб понять минусы и отказаться от такой схемы.
Заключение.
Способная летать машина - повод ли это для массового производства? Есть ли перспективы в создании и эксплуатации самолетов с кольцевым (овальным) крылом?
С одной стороны, думаю, нет, так как от проверенных и обкатанных схем планеров отходить смысла нет, тем более, что эти схемы тоже есть куда развивать. Но разница в том, что развитие давнего опыта – это почти всегда улучшение характеристик, а развитие экспериментальной конструкции – это все равно эксперимент. Не будет ни заказов, ни возможности для такой машины в чем-то показать себя лучше, чем уже существующие. Отсюда и явный тупик в создании, и вообще в развитии. Такая машина может существовать только как экспериментальная, хотя интерес вызывает большой. С другой стороны, хочется отметить, что все новшества начинаются с идеи.
Метод проб и ошибок всегда присутствует. Настойчивые заставляют работать свой ум и руки. Процесс творения нового - сложнейший и тончайший. И если нашлись люди, способные заняться проектированием, честь им и хвала. А результат уже есть. Значит, можно надеяться на его развитие!
Вывод:
Впервые в истории авиастроения самолет с замкнутым контуром крыла поднялся в воздух. Может, мы на пороге новых открытий. А может, это просто курьезный летательный аппарат, единичный случай. Время покажет.
Литература:
1. Журнал «Юный техник».
2. Статья «Окольцованый самолет», Апрель 2010, Автор: Тим Скоренко
3. С. Т. Кашафутдинов, В. И. Лушин. Атлас аэродинамических характеристик крыловых профи-лей
4. В.М.Филиппов. Техника полетов. -М:, "Вестник Воздушного флота", 1925.
5. Х.А.Гильзин. В небе завтрашнего дня. -М:, "Профтехиздат", 1960
6. А.М.Ермаков. Простейшие авиамодели. Книга для учащихся 5-8 классов ср. школы. 2е издание, перераб. -М., "Просвещение", 1989
7. В.С.Пышнов. Из истории летательных аппаратов. Сборник статей №1. -М., "Машиностроение", 1968
8. Д.А.Соболев. Рождение самолета. Первые проекты и конструкции. -М., "Машиностроение",1968
9. П. Бауэрс. Летательные аппараты нетрадиционных схем. -М., "Мир", 1991. 10. Журнал «Популярная механика»
| 
