17.08.2017

Экспериментальный летательный аппарат NASA M2-F1 (США)

Традиционными, общепринятыми и распространенными средствами создания подъемной силы являются крылья и несущие винты различных конфигураций. Изменяя их основные параметры и конструкцию, инженеры могут получать желаемые характеристики и возможности. Кроме того, летательный аппарат может вообще не оснащаться крылом или несущим винтом, поскольку достаточная подъемная сила будет создаваться фюзеляжем особой формы. Несколько десятилетий назад подобная концепция прошла самую серьезную проверку. Первым инструментом, предназначенным для определения перспектив оригинальных идей, стал экспериментальный летательный аппарат NASA M2-F1.

Пятидесятые годы прошлого века остались в истории в качестве периода бурного развития ракетной техники различного назначения. Ведущими странами проводились различные исследования, целью которых было создание новых систем разных классов, прежде всего предназначенных для использования армиями. Кроме того, велись активные работы в космическом направлении. В самом ближайшем будущем на орбиту должны были отправиться новейшие космические аппараты. Для выполнения всех имеющихся планов и решения актуальных задач исследователям нередко приходилось использовать особые тестовые изделия, в том числе самолеты - летающие лаборатории.

К концу пятидесятых годов американские ученые определили оптимальную конструкцию спускаемого аппарата, способного без повреждений пройти через плотные слои атмосферы. Корпус аппарата должен был иметь коническую форму с затупленной головной частью. Вскоре это открытие нашло применение в области баллистических ракет. Также специалисты NACA во главе с Альфредом Дж. Эггерсом младшим установили, что приемлемые характеристики должен показывать и аппарат в виде полуконуса со срезанной верхней частью. Более того, на высоких скоростях подобный корпус должен был создавать достаточно большую подъемную силу, резко улучшавшую летные характеристики и позволявшую совершать определенные маневры.

Подобная концепция, подразумевающая создание подъемной силы только за счет корпуса/фюзеляжа, получила название Lifting body («подъемное тело» или «несущий корпус»). В русскоязычной литературе используется равноценный термин «несущий корпус» или «несущий фюзеляж».

В самом конце десятилетия Центр Эймса тщательно изучил недавно открытые принципы и представил предварительный проект пилотируемого космического аппарата, имеющего полуконическую форму. Проект с рабочим обозначением M2 предлагал создание пилотируемого спускаемого аппарата, имеющего корпус в виде полуконуса с двумя плоскостями вертикального оперения. По расчетам, сойдя с орбиты, такой аппарат мог самостоятельно пролететь в атмосфере около 5400 км, а также отойти от исходной траектории в бок на 1400-1450 км. Техника с подобными характеристиками могла представлять интерес в контексте космической программы.

В 1961 году руководство NASA и военно-воздушных сил США ознакомилось с предложенным проектом M2 и отвергло его. Предложенная разработка не была рекомендована к использованию в лунной программе или в качестве спасательного средства для возвращения с орбиты Земли. Оригинальное направление фактически потеряло все свои перспективы, и работы рисковали остановиться.

Тем не менее, энтузиасты из NASA и смежных организаций продолжили исследования. Вскоре инициативные ученые построили и испытали масштабную модель аппарата M2. Поначалу это изделие вело себя в воздухе не самым лучшим образом, но небольшие доработки позволили получить неплохие летные данные. Новые результаты были показаны руководителям центров Ames и Dryden. На этот раз ответственные лица заинтересовались оригинальным предложением. Центр Драйдена выделил необходимое финансирование и помог с решением организационных вопросов, а Центр Эймса взял на себя аэродинамические испытания в рамках нового проекта.

Положительные результаты, полученные в ходе предыдущих продувок масштабных моделей и летных испытаний макета, позволили вывести проект на новый уровень. Теперь проверять новую концепцию предлагалось при помощи полноразмерного пилотируемого демонстратора технологий. Эта разработка нескольких организаций из состава NASA получила достаточно простое обозначение – M2-F1. Такое название расшифровывалось как Manned-2, Flight-1 – «Пилотируемый аппарат № 2, летный образец № 1». Также за характерную форму летательный аппарат получил прозвище Flying Bathtub («Летающая ванна»).

В новом проекте участвовали два важнейших центра из состава НАСА, а также группа ученых-энтузиастов. Однако, несмотря на это, специалистам приходилось всеми доступными средствами сокращать расходы. Дело в том, что руководители Dryden Reserarch Center смогли выделить на новый проект лишь 30 тыс. долларов (около 240 тысяч в современных ценах). Как следствие, новый опытный летательный аппарат должен был отличаться простотой конструкции и дешевизной. В целом, подобная задача была успешно решена, и авторы проекта M2-F1 справились с имевшимися трудностями.

Для максимального сокращения стоимости было предложено строить демонстратор технологий смешанной конструкции. Кроме того, следовало обойтись без собственной силовой установки. Тем не менее, в связи с возможными рисками, в кабину можно было установить катапультное кресло. Часть требуемых комплектующих должна была заимствоваться у серийной техники, доступной специалистам NASA. На основе подобных принципов следовало разработать новый летательный аппарат, соответствующий одному из ранее предложенных вариантов аэродинамической компоновки.

Осенью 1962 года началась сборка будущего опытного M2-F1. Подобные работы осуществлялись в рамках сотрудничества NASA и фирмы Briegleb Glider Company, занимавшейся строительством планеров. Окончательная сборка готовой машины осуществлялась в одном из ангаров Центра Драйдена. В частности, именно там опытный образец получил все агрегаты, заимствованные у другой техники.

Опытный планер имел смешанную конструкцию на основе металлических и деревянных деталей. Металлический силовой набор представлял собой платформу с креплениями для установки агрегатов кабины и шасси. Поверх такого изделия устанавливался деревянный каркас, обшитый изогнутыми листами фанерной обшивки. Плоскости небольшой площади тоже имели смешанную конструкцию. Несущий фюзеляж получил остекление на бортах и выраженный фонарь.

В соответствии с концепцией несущего фюзеляжа и результатами предыдущих исследований была определена форма будущего демонстратора технологий. Новый фюзеляж получил характерную форму. Вся его верхняя поверхность была ровной, хотя и имела места для установки некоторых выступающих элементов. По краям ровная поверхность загибалась вниз и плавно сопрягалась с изогнутым днищем. Носовой обтекатель был выполнен в виде устройства скругленной формы, близкой к полусферической.

Сразу за обтекателем находился полуконический участок днища, занимавший около двух третей общей длины планера. По направлению к хвосту поперечное сечение, образованное скругленным днищем и ровной верхней поверхностью, плавно увеличивалось. Позади кабины, на уровне передних элементов хвостового оперения, днище изгибалось и поднималось вверх. Хвостовой торец фюзеляжа выполнили в виде вертикальной детали, плавно сопряженной с бортами и днищем.

На прямой поверхности фюзеляжа предусматривалась установка некоторых выступающих агрегатов. Непосредственно над обтекателем предлагалось монтировать Г-образную штангу приемника воздушного давления. Для получения требуемых возможностей ее пришлось сделать достаточно длинной. Центральная часть фюзеляжа вмещала одноместную кабину пилота. Над ней находился фонарь с гаргротом. Выступавшая над фюзеляжем защита кабины имела форму эллипсоида и благодаря этому оказывала минимальное воздействие на поток воздуха.

На уровне задней части гаргрота находились корневые участки хвостового оперения. Flying Bathtub получила пару килей трапециевидной формы, отличавшихся большой стреловидностью передней кромки и малым удлинением. Задняя часть килей была выполнена отклоняемой и выполняла функции руля направления. В верхней части килей предлагалось крепить небольшие стреловидные стабилизаторы. Первый вариант проекта подразумевал установку третьего киля, расположенного между двумя другими. Между боковыми килями на хвосте фюзеляжа помещалась пара элевонов большой площади. Эти плоскости были заимствованы у серийного самолета Cessna 150.

Опытный планер должен был получить трехточечное шасси с передней опорой, тоже взятое у самолета «Сессна». Передняя стойка с колесом малого диаметра монтировалась под носом фюзеляжа и располагалась под углом, вынося колесо вперед. Основные стойки находились на уровне наиболее широкого участка фюзеляжа. Все три стойки жестко закреплялись на металлическом силовом наборе. Механизмы уборки не использовались.

Управление летательным аппаратом возлагалось на единственного летчика, находящегося в кабине. На рабочем месте пилота имелась приборная доска с несколькими стрелочными устройствами, ручка управления и пара педалей традиционной конструкции. Крупный прозрачный фонарь кабины обеспечивал хороший обзор верхней полусферы, однако характерная форма фюзеляжа не позволяла следить за объектами впереди и внизу, что могло привести к проблемам на взлете и посадке. Для улучшения обзора носовой обтекатель фюзеляжа выполнили прозрачным. На левом борту, рядом с кабиной, предусмотрели крупное прямоугольное окно с остеклением.

Общая длина экспериментального летательного аппарата NASA M2-F1 составляла 6,1 м, максимальная ширина (по стабилизатору) – 6,32 м. Высота – 2,9 м. Несущая поверхность фюзеляжа имела площадь 12,9 кв. м. Собственный вес планера составлял всего 1000 фунтов – 454 кг. В нормальной полетной конфигурации аппарат весил 536 кг; максимальная взлетная масса – 567 кг.

В начале 1963 года экспериментальная машина была достроена и передана на испытания. Проверки опытного образца начались с продувок в аэродинамической трубе. В феврале того же года специалисты Центра Эймса тщательным образом изучили представленный планер и дали добро на проведение его полноценных испытаний. Машину можно было выводить на аэродром и поднимать в воздух. Местом летных испытаний была назначена авиабаза Эдвардс.

Однако на этом этапе возникли определенные трудности. У НАСА не оказалось подходящего буксировщика, способного разогнать планер до требуемой скорости. К счастью, один из участников проекта смог договориться о приобретении автомобиля Pontiac Bonneville с форсированным двигателем. В течение нескольких следующих недель опытный M2-F1 неоднократно выходил на аэродром и, будучи привязанным к автомобилю, выполнял пробежки по взлетной полосе.

В ходе этих испытаний специалистам так и не удалось получить все желаемые результаты. Пробежки со скоростями не более 190-195 км/ч не позволяли в полной мере определить реальные возможности летательного аппарата. Тем не менее, подъемная сила несущего корпуса на таких скоростях уже была достаточно велика, хотя хвостовые рули все еще не могли показать требуемую эффективность. Заметной проблемой стал спутанный след от автомобиля-буксировщика. Впрочем, от основных проблем вскоре избавились путем переработки систем управления и рулей. Кроме того, после наземных испытаний демонстратор технологий лишился центрального киля.

С определенного времени буксируемый планер M2-F1 стали поднимать в воздух, но наличие буксировочного троса ограничивало возможную высоту подлета. 5 апреля 1963 года летчик-испытатель Милтон Томпсон впервые поднял машину в воздух, но она плохо показала себя. Наблюдались различные колебания, грозившие переворотом и крушением. Тем не менее, принципиальная возможность взлета была подтверждена на практике. Вскоре аппарат был еще раз доработан, что позволило улучшить его поведение на взлете и посадке.

Испытания с использованием автомобиля-буксировщика продолжались несколько месяцев. За это время было выполнено более 400 пробежек. Все эти испытания дали желаемые результаты, но для дальнейших исследований M2-F1 следовало поднимать в воздух. После недолгих споров руководство Центра Драйдена согласилось на проведение полноценных летных испытаний. Проверять опытный планер предлагалось при помощи самолета-буксировщика C-47. Он должен был поднимать опытную машину на высоту нескольких километров, после чего летчику-испытателю следовало выполнять отцепку и совершать планирующий полет.

Перед запуском таких испытаний опытный образец был доработан. Для безопасности пилота в кабине установили катапультное кресло марки Weber. В хвостовой части фюзеляжа поместили крепления для твердотопливного двигателя тягой 114 кгс. Последний предназначался для дополнительного разгона машины при потере скорости на планировании.

Первый полет с использованием самолета-буксировщика состоялся 16 августа 1963 года. В кабине M2-F1 находился пилот М. Томпсон. C-47 вывел опытную машину на заданную высоту и разогнал ее до требуемой скорости, после чего произошла отцепка, а испытатель приступил к выполнению полетного задания. На безопасной высоте М. Томпсон проверил управляемость и маневренность машины, после чего снизился и пошел на посадку. Первый свободный полет прошел без особых проблем и длился всего 2 минуты.

Любопытно, что высшее руководство NASA узнало о проекте M2-F1 только после завершения наземных проверок и выполнения нескольких планирующих полетов. Более того, сообщения поступили не в отчетах от структур агентства. В 1963 году в НАСА поступил запрос одного из конгрессменов, интересовавшегося необычным проектом. О самом проекте он узнал из профильной прессы. Только после этого запроса руководители аэрокосмического управления узнали, что их подчиненные в инициативном порядке реализуют экспериментальный проект.

Подобные нарушения дисциплины едва ли не привели к организационным выводам в отношении руководства Dryden Research Center, но, ознакомившись с результатами и сметой работ, центральный аппарат NASA сменил гнев на милость. С минимальными затратами энтузиастам удалось провести массу важнейших исследований, и подобные достижения нельзя было не отметить. Вскоре появились требования о некоторой доработке проекта, и все следующие работы осуществлялись уже под контролем высшего руководства.

В дальнейшем планирующие полеты при помощи буксировщика продолжились. Проверялось поведение машины на различных высотах, скоростях, на маневрировании и т. д. В целом, опытный образец показывал себя неплохо. На высоких скоростях машина хорошо слушалась рулей, а подъемная сила несущего корпуса была достаточной для получения желаемых характеристик. В то же время, не обошлось без некоторых проблем. Так, имея большую площадь боковой проекции, «Летающая ванна» оказывалась чувствительной к боковым порывам ветра. Также в некоторых случаях выход на небольшие углы атаки приводил к самопроизвольным колебаниям по крену или рысканью.

Летные испытания опытного M2-F1 продолжались в течение трех лет. Последний 77-й вылет состоялся 16 августа 1966 года – в годовщину первого подъема в воздух. За все время пробежек и полетов в испытаниях приняло участие десять летчиков. Несколько испытателей смогли поучаствовать лишь в одной проверке, тогда как другим удалось поставить своеобразные рекорды. К примеру, Милт Томпсон в общей сложности выполнил 45 полетов, а Брюс Петерсон летал 17 раз.

После завершения испытаний единственный прототип M2-F1 был отправлен на хранение. В будущем его не утилизировали и сохранили. Сейчас он является экспонатом музея авиабазы Эдвардс.

За время испытаний единственный построенный планер-демонстратор технологий совершил около 400 скоростных пробежек, в том числе с подлетами на небольшой высоте, а также 77 полноценных свободных полетов. В ходе этих работ был собран большой объем разнообразной информации об особенностях конструкции, летных данных и т. д. Успешное проведение всех необходимых испытаний позволило определить пути дальнейшего развития оригинальной концепции Lifting body. Новые работы в этом направлении привели к появлению ряда других проектов экспериментальной техники. Проверки несущего корпуса/фюзеляжа продолжались в течение нескольких следующих лет.

Проект экспериментального летательного аппарата NASA M2-F1 создавался в инициативном порядке и даже без ведома высшего руководства аэрокосмического агентства. Несмотря на это, специалистам удалось проработать новую схему летательного аппарата, а затем довести ее до практических испытаний. Не все в этом проекте шло гладко, но в итоге были получены лишь положительные результаты. Существующий проект теперь можно было закрывать и начинать работу над более совершенными летательными аппаратами с несущим фюзеляжем.

Источники:

1. globalwarnews.ru