Prstencový letoun: letoun s uzavřenou křídlovou smyčkou

2024 Autor: Seth Attwood | [email protected]. Naposledy změněno: 2023-12-16 16:00

Letadlo s uzavřenou křídlovou smyčkou nemůže létat - to prokázal čas. Prstencové letouny se zkoušely už od dob bratří Wrightů a žádná taková struktura nedokázala zůstat ve vzduchu několik minut. Ale lidská mysl se nevzdává. V roce 2007, po 100 letech a více než 20 pokusech, vzlétlo podobné zařízení. A osvědčil se jako ovladatelné, lehké a odolné letadlo.

Tento příběh začal v roce 1988, kdy už věci směřovaly ke kolapsu Unie, ale v srdcích vůdců obrovského státu stále doutnala naděje na stabilitu. Klub technické kreativity v závodě Minsk Gear Plant dostal od místní zemědělské struktury kreativní úkol: navrhnout ovladatelné a lehké letadlo, které odolá silnému bočnímu větru. Nejoblíbenějším „farmářem“v té době byl AN-2: mohl vzít na palubu spoustu hnojiv a postřikovacích zařízení. Vítr byl ale jeho strašlivý nepřítel – v nekonečných polích Kuban připomínal AN-2 z hlediska ovladatelnosti šíleného slona. Případu se ujali letecký technik Arkadij Alexandrovič Naruševič, pilot Anatolij Leonidovič Gušchin a několik dalších lidí. Po zdlouhavém bádání dospěl Naruševič k nečekanému závěru: je nutné postavit letoun s uzavřeným obrysem křídla, nikoli však s kruhovým, ale oválným. Bylo postaveno několik modelů, které létaly docela úspěšně (podotýkám, že během našeho rozhovoru Narushevich vyrobil papírový model za 15 minut - a letěl!). Nadšenci nakoupili materiál a postavili oválné křídlo. A pak rok 1991 havaroval. SSSR zůstal v minulosti, financování skončilo během několika dní a zbývající prostředky byly staženy. Křídlo bylo odesláno k dlouhodobému uskladnění a projekt letadla byl zapomenut. To ale zdaleka nebyl konec.

Od Bleriotu po Živodan

17. prosince 1903 se muž poprvé vznesl do vzduchu v letadle s motorem. Ten muž se jmenoval Orville Wright a letadlo se jmenovalo Wright Flyer I.

Navzdory pozoruhodnému úspěchu bratří Wrightů přišli četní vynálezci s různými konfiguracemi křídel podle svých koncepcí, které jsou účinnější než běžná letadla Wright. Jedním z průkopníků letectví byl francouzský vynálezce Louis Bleriot, který své první zařízení Ornitopter postavil již v roce 1900. Pravda, teprve 11. model, postavený v roce 1909, se stal prvním skutečně létajícím letounem Bleriot. Nás to vůbec nezajímá, ale letoun Bleriot III, navržený v roce 1906 a nikdy nevzlétl. Šlo o první letoun s uzavřenou křídlovou smyčkou v historii konstrukce letadel.

Bleriot jen experimentoval – náhodně. Konce křídel konvenčního dvouplošníku spojil do půlkruhů a nainstaloval stejný design jako ocas. Je pravda, že výsledný hydroplán "Bleriot III" nikdy sám z vody nevzlétl. Očití svědci popsali několik letů - když bylo zařízení taženo jako drak, ale nic víc.

Dnes jsou Blériotovy chyby zřejmé: příliš těžký ocas, vysoké ztráty vztlaku kvůli nesprávně zvolenému obrysu křídla. Faktem však zůstává - letadla s uzavřeným křídlem začala svou cestu v letectví.

Kromě Bleriota experimentovalo s uzavřeným křídlem několik dalších konstruktérů z počátku století. Letoun francouzského inženýra Živodana, který postavil v roce 1909 v továrně Velmorel, byl svého času slavný. Všichni a všichni, včetně Scientific American a řady respektovaných publikací, psali o úžasném stroji, který otevírá nový věk letectví. V Živodanově letounu plnily roli křídel dvě prstencové figury, mezi kterými se nacházelo sedadlo pilota. Motor vážil 80 kg a vyvinul 40 hp rotací 2,4metrové vrtule. Jak se dalo čekat, podivná struktura připomínající trubku s vytrženou středovou částí se nevznesla do vzduchu. Za zmínku stojí, že francouzský konstruktér leteckých modelů Emmanuel Fillon navrhl v 80. letech minulého století funkční model Živodanova letadla. A model létal krásně. To znamená, že jeho aerodynamické vlastnosti nebyly tak špatné. Nadměrná hmotnost nebo nízký výkon motoru mohly zabránit originálu ve vzletu.

Za zmínku stojí další úžasný design – tzv. Gary-Plane od Američana Williama Pierce Garyho. Garyho letadlo (1910) mělo ploché, prstencové křídlo o průměru 8 m – více než čtyři lidské výšky! Pravda, Garyho letoun se vyznačoval strašlivou nestabilitou: všechny pokusy letět na něm končily převrácením dopředu.

Konec 90. let: druhý dech

V roce 1998 Anatoly Gushchin, Anri Naskidyants a řada dalších pilotů přesvědčili Narusheviče, aby pokračoval v práci na letadle. O letadlo se začala zajímat jistá soukromá firma, peníze se našly, polozapomenuté křídlo se zrestaurovalo a tým začal montovat trup. Všechno se dělalo od začátku. Ledaže by byl podvozek odebrán z vrtulníku Mi-1 a palubní deska byla převzata z AN-2. Vůz byl navržen pro potenciálního spotřebitele: sedadla pro jednoho nebo dva piloty a tři cestující v půlkruhu. Místo cestujících bylo možné umístit kontejnery na skladování hnojiv a postřikové techniky …

Důležitou vlastností Narushevičova letounu bylo, že oválné křídlo nebylo připevněno přímo k trupu. Byl umístěn uvnitř křídla na nosičích a závěsech. Vztlak tak vznikl po celé ploše křídla.

Do roku 2004 byly provedeny první provozní testy přijatého stroje. Uskutečnila několik letů za bezvětří a bočního větru. Vynálezci zjistili, že zařízení má velmi neobvyklé aerodynamické vlastnosti. Jednak letoun s oválným křídlem (budeme mu dále říkat SOC) vůbec nereagoval na poryvy bočního větru do 13 m/s. Za druhé, pro rozjezd stačilo 150 m (u AN-2 - 180 m, u jiných letadel stejné třídy někdy i více). Tím hlavním se ale ukázal praktický poměr užitečného zatížení a celkové pohotovostní hmotnosti letadla – 0,45! K takovému koeficientu se zatím nikdo nepřiblížil. Letadlo by mohlo být bezpečně ukázáno budoucím investorům.

Podivný „ovaloplán“od Louise Bleriota dnes působí absurdně: při jeho stavbě se francouzský konstruktér dopustil příliš mnoha chyb. Bleriot však jednal náhodně: v roce 1906 nikdo nevěděl, která konfigurace křídla vyhraje.

Vertikální vzletové kroužky

Mezi německými projekty druhé světové války byly mnohé naprosto úžasné svou odvahou a originalitou. Stíhací stíhač „Lark“(Lerche) s vertikálním vzletem a přistáním navržený Ernstem Heinkelem (1944) měl tedy uzavřené devítistranné křídlo a dva nezávislé motory Daimler-Benz 605D, z nichž každý otáčel vlastní vrtulí. Obě vrtule byly umístěny uvnitř křídla. Letadlo bylo na tu dobu neobvyklé v tom, že znamenalo kolmý start a přistání.

Těžko říct, co by Heinkel udělal, kdyby byl Lark ztělesněn v kovu. V roce 1945 vyvinul Heinkel také LercheII, na první nebylo dost času a projekt zmizel v neznámu. Každý má však možnost létat se Skylarkem - v počítačové hře IL-2 Sturmovik: Forgotten Battles. 1946.

Ale Francouzi v roce 1959 našli příležitost ztělesnit své mistrovské dílo s prstencovými křídly v kovu. Úžasný proudový letoun SNECMA C-450 Coleoptere dokonce vzlétl. Pravda, přistál docela tvrdě, málem pilota pohřbil pod sebou. Ve skutečnosti SNECMA vyvinula bezpilotní prostředek s prstencovým křídlem ještě dříve, v roce 1954. Dostalo lyrické jméno Atar Volant C-400 P-1 (Flying Star) a uskutečnilo více než 200 úspěšných zkušebních letů. Stejně jako německý Lark se jednalo o letoun s vertikálním vzletem a přistáním. Dalším krokem bylo vytvoření pilotovaného vozidla, které se stalo C-450. Osmimetrová stíhačka byla úspěšně vypuštěna, ale při přechodu z vertikálního letu na horizontální prokázala naprostou neschopnost udržet výšku a vrhla se jako kámen. Pilot se katapultoval a drahý projekt byl okamžitě uzavřen.

SNECMA C-450 (1959) Uměl létat pouze vertikálně. Když se pilot pokusil přepnout na horizontální let, experimentální konstrukce spadla jako kámen. Projekt letadla s uzavřeným křídlem byl okamžitě uzavřen.

SNECMA C-450 (1959)

Mohl létat pouze vertikálně. Když se pilot pokusil přepnout na horizontální let, experimentální konstrukce spadla jako kámen. Projekt letadla s uzavřeným křídlem byl okamžitě uzavřen.

Posledním pokusem o vytvoření vertikálního vzletového prstencového letadla byl americký projekt Convair Model 49 (1967). Convair je nyní dobře známý pro svůj design ponorky a řadu dalších šílených návrhů. Model 49 byl hybridem letadla a vrtulníku. Jeho prstencové křídlo skrývalo arzenál, na který by se mohl pyšnit celý dělostřelecký pluk. Kulomety, granátomety, děla a raketomety – „49.“mohl bez pomoci bojovat s plnohodnotnou armádou. Pokud byl vyroben. Šílený projekt byl moudře odmítnut americkou vládou.

Uzavřené křídlo nový život

V roce 2006 se odborníci znovu začali zajímat o téma oválného křídla. V jednom z minských podniků byly organizovány experimentální konstrukční práce (R&D) s cílem obnovit letoun s oválným křídlem, otestovat jej a studovat jeho aerodynamické vlastnosti. Hlavním konstruktérem ROC byl Alexander Michajlovič Anokhin, bývalý vojenský pilot se solidními 35letými zkušenostmi. Narushevich a Gushchin se stali členy konstrukční kanceláře. V roce 2008 se na práci podílel doktor fyzikálních a matematických věd profesor Leonid Ivanovič Grechikhin. Pracoval na aerodynamických vlastnostech raket se slavným Koroljovem a nyní konzultuje a přednáší na různých ústavech SNS. Vznikl tak tým, který se tomuto tématu věnuje i nyní.

Problém byl v tom, že letadlo od roku 2004 nevzlétlo na oblohu a stalo se prakticky nepoužitelným. Ale práce byla v plném proudu. Letoun byl upraven, připraven k letům a odstraněn z hangáru. Testy začaly. Konfigurace vozidla zůstala stejná, ale jemné doladění bylo vážné - až do změny profilu křídla. Značná práce (která nyní pokračuje) šla do Grechikhina: bylo postaveno letadlo s oválným křídlem, ale nikdo to předtím podrobně nepočítal!

Technické vlastnosti

Co je SOC dnes? Tohle je určitě letadlo. Ale svými kvalitami ve vzduchu se od běžných strojů s plochými nebo zaoblenými křídly výrazně liší. Obyčejné ploché křídlo se vyznačuje indukčním odporem: vzduch z vysokotlaké zóny pod křídlem má tendenci proudit do podtlakové zóny na horní ploše přes konce křídel. V tomto případě se za letadlem tvoří koncové víry, na jejichž vznik se také spotřebovává energie, což je hodnota indukčního odporu.

Pro oválné křídlo není problém indukčního odporu relevantní, protože nemá žádné hroty. Kromě toho je přiváděný proud vzduchu, procházející uzavřenou smyčkou, nasměrován dolů, což vytváří další zvedací sílu. Čím větší je úhel náběhu křídla, tím silnější je tento efekt. A úhel náběhu takového provedení může být nebývale velký.

K zastavení proudění dochází, když proud vzduchu s rostoucím úhlem náběhu přestane plynule obtékat horní plochu křídla a odtrhne se od ní s tvorbou vírů. V tomto případě vztlak na křídle okamžitě zmizí a aparát ztratí kontrolu. Oválné křídlo umožňuje úhel náběhu křídla až 50°, přičemž jeho nejbližší konkurenti dosahují maximálně 20-22°. Vzduch uvnitř uzavřeného křídla znesnadňuje zastavení proudění z horní plochy spodní části křídla. A když proudění opustí uzavřenou smyčku, vlivem výhozu (proces míšení dvou médií, kdy jedno médium strhává druhé) „nasává“vzduch procházející po horní ploše horní části křídla. Tyto údaje nebyly získány empiricky - oválné křídlo bylo "rozlito" ve vodním kanálu.

Než se běloruský letoun s uzavřenou křídlovou smyčkou inkarnoval do kovu a vzlétl do vzduchu, prošel třemi „reinkarnacemi“- jeho stavba začala již v roce 1988.

Schopnost létat při extrémně vysokých úhlech náběhu spolu s efektem vychylování proudění umožňuje letadlu létat extrémně nízkou rychlostí bez použití klapek. SOK postrádá křídelní mechanizaci, která mu nebrání ve spolehlivém vzletu a přistání. Bezprecedentní odolnost proti pádu umožňuje letadlu létat stabilně a spolehlivě v nejširším rozsahu rychlostí.

Mnohé vlastnosti SOC jsou překvapivé. Zvládá akceleraci, let a přistání na nerovné travnaté dráze dlouhé pouhých 400 m, s vypnutým motorem, dobře plánuje a celkově se ve vzduchu chová velmi stabilně. Oválné křídlo činí letoun ovladatelnějším a úspornějším. Uzavřená smyčka navíc dodává křídlu extra pevnost. Letadlům s klasickými křídly podle Grechikhina brzy dojde dech. Je to velmi jednoduché: čím větší letadlo, tím těžší a mohutnější křídlo, tím obtížnější je udržet jeho tuhost. Letadlo nese v podstatě množství „neužitečného“nákladu – váhu vlastních nosníků. A oválné křídlo je na stejný výtah dvakrát lehčí.

Tradiční problémy

Hlavním problémem je, že běloruské zákony o letectví vůbec nepočítají s vytvářením letadel na území země a jejich letovým provozem. Nedávno Midivisana vytvořila specializovanou konstrukční kancelář pro vývoj bezpilotních vzdušných prostředků pod vedením Anokhina. Mezi zaměstnanci jsou jak Narushevich, tak Gushchin. Zavedený tým nadšenců neztrácí naději, že alespoň v bezpilotním letounu bude moci realizovat svůj vynález - uzavřené oválné křídlo.

Ringplan Suchanov

Pokusy o vytvoření prstencového letadla byly také provedeny v SSSR. V roce 1936 předložil student moskevského leteckého institutu Suchanov projekt letounu s prstencovým křídlem pro obranu jako diplomovou práci. Průměr křídla byl 3 m a konstrukční rychlost 600 km/h měl zajistit motor Hispano-Suiza o výkonu 800 koní. V roce 1940 se diplom stal plnohodnotným projektem krátkého vzletového a přistávacího stíhacího stíhače a byl zvažován ve vědeckotechnické radě TsAGI. Jenže přišla válka, nebyl čas a peníze na stavbu letadla a ještě víc na jeho testování. V roce 1942 v Novosibirsku postavil Sukhanov funkční model prstencového letadla. Modelové zkoušky prokázaly, že letoun vydrží úhly náběhu až 43°, má vysoký poměr výkonu k hmotnosti, vlastnosti proti roztočení a vynikající manévrovatelnost. Suchanov obdržel autorský certifikát, provedl všechny výpočty, ale ringplan kvůli válce a devastaci země nikdy nespatřil světlo světa.

Křídlo vykazuje své vlastnosti pouze při určitém poměru os elipsy k sobě, délce tětivy křídla k vedlejší ose elipsy a dalších nuancích profilu křídla. Konstruktéři požádali o patent a získali prioritní certifikáty pro tento tvar křídla v Bělorusku a Rusku. Nyní se zdá, že už nikdo nebude moci jejich úspěch zopakovat, protože všechny dostupné „chodby“výhodných parametrů křídla jsou již vytyčeny.

Na období od začátku vývoje do stavby prvního sériového modelu lehkého motorového letadla je potřeba asi 12 milionů dolarů, říká Alexander Anokhin. „S takovým křídlem dokážeme vyrobit i závěsný kluzák. Umíš si představit? Závěsný kluzák, neboj se bočního větru! Hlavním problémem není ani financování: jakmile se SOK dostane například do MAKS, investoři se najdou. Problém je v běloruské legislativě, podle níž se letadlo vytvořené na území země extrémně obtížně registruje a v tomto případě je to prostě nemožné, protože nepatří do známých tříd letadel. Již nyní však existuje dohoda s letištěm Voroněž, které se plánuje použít pro další testování vozidla.

Co bude dál? Uvidíme. Faktem zůstává. Poprvé v historii konstrukce letadel vzlétl letoun s uzavřeným křídlem. Možná jsme na pokraji nových objevů. Nebo je to možná jen zvláštní letadlo, izolovaný incident. Čas ukáže.