STOL(short takeoff and landing) Вертоплан – идеальный ПЛА

         Персональные Летательные Аппараты. Системный обзор и анализ концепций (фрагмент доклада).

STOL(short takeoff and landing) Вертоплан – идеальный ПЛА.

Шумейко В.В. (ОУ «Лаборатория исследования физических аспектов полёта»,                                  г. Жуковский)

      Несмотря на активное развитие беспилотных летательных аппаратов (БПЛА), повсеместно используемых для мониторинга различных объектов земной поверхности, а также в военных и иных целях, необходимость в оперативных средствах доставки человека в любую точку Земли и нижних слоёв тропосферы будет оставаться актуальной всегда.

      В качестве средств такой оперативной доставки рассматриваются персональные летательные аппараты особо малого класса (ПЛА).

      Мечты о свободном полёте человека восходят ко временам Дедала и Икара. Хотя существуют непрямые доказательства попыток создания персональных ЛА ещё в древнем Египте, Китае, у Инков и Майя.

      Не обошла стороной проблему создания ПЛА и эпоха расцвета авиации в конце прошлого – начале нынешнего века. Многочисленные попытки дать человеку возможность свободного индивидуального полёта предпринимаются и в наши дни. К сожалению, существенного прорыва так и не произошло.

      Попытаемся же использовать методы системного анализа, чтобы понять причину этого удивительного факта.

      Можно ли считать персональным ЛА - любое воздушное судно, перевозящее одного человека? Безусловно - НЕТ! 

           Этимологизация слова PERSONA - в классической латыни маска, личина. Современные исследователи возводят это слово к этрусскому - fersu (маска), по-видимому, восходящему к греческому (лицо, передняя часть, маска). «Персона» является фундаментальным  понятием римской юриспруденции (наряду с «вещью» и «действием») обозначая человека как индивидуума, в то время как «homo» обозначает его как экземпляр вида. 

      Таким образом, понятие «ПЛА», по нашему мнению подразумевает максимальную индивидуальную свободу перемещения в воздушном пространстве, свободу перемещения как личности, а не транспортировку экземпляра вида.

      На наш взгляд под понятие ПЛА не подпадают не только боевые истребители и вертолеты типа «Черная акула», но и различного рода одноместные летающие  автомобили и ездящие самолеты, автожиры и вертолеты,  попытки создания которых регулярно предпринимались как у нас в стране, так и за рубежом. Все эти ЛА объединяет наличие  шасси, а, следовательно, и использование аэродромов или подбираемых пилотом ВПП, что автоматически уменьшает или ограничивает свободу двух, едва ли не самых значимых фаз полета - взлета и посадки.

      Выявляя цели и устанавливая границы  задачи - определяем квинтэссенцию понятия ПЛА - это летательный аппарат, допускающий, прежде всего, возможность взлета и посадки, а если быть более точным начала и завершения полета из любой точки  пространства с минимальными требованиями, ограничивающими выбор такой точки и минимальными ограничениями, накладываемыми на пилота.

      Определив, таким образом, цели, мы автоматически задаём и границы задачи.

      С точки зрения авиационных правил различных стран, включая Россию, мы сразу получаем жёсткие ограничения по взлётному весу, или массе пустого ЛА, который владелец может легально эксплуатировать, даже не имея пилотского свидетельства. Эти ограничения предопределяют не только высочайшую культуру проектирования и производства, но и минимизацию, а в идеале и полное отсутствие любых элементов конструкции, без которых комфортная эксплуатация устройства с заявленными характеристиками возможна.

     Таким образом, решающим фактором является выбор концепции, обеспечивающий максимально возможную безопасность во всех фазах полёта, при обеспечении желаемых характеристик аппарата.

      Под выбором концепции, обеспечивающим максимально возможную безопасность, мы понимаем такую концепцию ЛА, которая предусматривает возможность спасения пилота при наступлении вероятных отказов в любой фазе полёта, учитывая степень вероятности, находящуюся в обратной зависимости к сложности элемента конструкции, узла или агрегата, обеспечивающего спасение.

      Иными словами, успешным такой ПЛА станет лишь тогда, когда проблема безопасности полета будет задаваться не только и не столько технологически и конструктивно, а главным образом концептуально, как основной инструмент снижения факторов риска.

      Следующим шагом является сбор сведений и определение альтернативных средств достижения целей.

      К сожалению, в большинстве попыток создания ПЛА, либо вообще не рассматривается возможность спасения, в случае вероятного отказа (реактивные ранцы, аппараты типа «1 MAN Skycar» - «ступа»  и т.д.), либо в качестве страховки при отказах предусматривается применение парашютной системы (БПС типа отечественных «Шанс», «Муха», «МВЕН»  и подобных им зарубежных аналогов). С этой  точки зрения существенным недостатком существующих спассистем  является невозможность их применения при сочетании особо малых скоростей и высот полета. В большинстве случаев  использование ПСС на высотах менее 60 м бесперспективно. Парашют просто не успевает раскрыться, выбрать длину строп и затормозить падение.

      Особыми конструктивными ухищрениями можно снизить безопасную высоту применения ПСС до 30 м, но падение пилота и с гораздо меньших высот, безусловно, приведет к катастрофическим последствиям.

      Вместе с тем, полёт в упомянутом диапазоне высот является едва ли не наиболее привлекательными для задач ПЛА, не говоря уже о том,  что их придется проходить, по крайней мере, дважды за полет - при взлете и посадке.

     Если отнестись достаточно серьезно к этому обстоятельству, то шансы на успех массового применения  на настоящий момент существуют только у двух подгрупп ультрамалых ЛА, к которым мы и относим персональные.

     Первая группа - устройства  имеющее жесткое, полужесткое или мягкое крыло, достаточно большой площади,  допускающее взлёт и  посадку с настолько малыми скоростями, чтобы не использовать специальные ВПП  (стартующие с ног мотодельтапланы и разного рода парафойлы).  Второй тип - ЛА с несущим винтом (далее - НВ), допускающим возможность его авторотации  (микровертолеты), а также ЛА с винтом, находящимся постоянно в этом режиме, т.е. автожиры.

     Режим авторотации (самовращения) несущего винта, так же и как режим планирования у «крылатых» объектов, практически гарантирует управляемую посадку, а не падение, в случае остановки  двигателя ПЛА, при соответствующих величинах удельных нагрузок на крыло или на ометаемую НВ площадь.

     Но вот в чем проблема. Как следствие малых удельных нагрузок - размеры крыла, позволяющее стартовать без шасси  и совершать посадку на ноги, так велики, что вступают в противоречие с понятием персональности, в смысле свободы личности,  использования подобных устройств.

     Потребные размеры ВПП и малые скорости полёта, делающие такие ЛА в значительной степени зависящими от силы и порывов ветра, также ограничивают применение «крылатых» в качестве ПЛА.

      Характерные размеры ранцевых вертолётов и более высокие потенциально достижимые скорости полёта, выгодно отличают их с этой точки зрения от ПЛА с фиксированным крылом. Однако, относительно большой вес конструкции, связанный с более мощной СУ, более сложной системой управления, а главное - ничтожное время, отводимое на переход к авторотации из-за малых моментов инерции НВ, и собственно плохая авторотация при вертолётных нагрузках на ометаемую площадь (а особенно у вертолётов с реактивным приводом) - уравнивает их шансы в соревновании с «крылатыми» за право стать настоящими ПЛА. Кроме того, у вертолёта есть так называемая зона невозможности перехода на режим самовращения НВ, в координатах «высота-скорость». И эта зона находится, к сожалению, как раз в самых привлекательных для «персональщиков» эксплуатационных режимах малых высот и скоростей.

      Далее, завершая определение альтернативных средств достижения цели, одновременно переходим к синтезу - построению модели идеального, технически достижимого на сегодняшний момент ПЛА.

      Итак - это ЛА с НВ (для сведения к минимуму влияния атмосферной турбулентности и достижения приемлемых скоростей полёта);

               - ЛА с НВ постоянно готовым к режиму спасения пилота (т.е. находящимся в режиме авторотации с постоянной возможностью подкрутки);

               - ЛА имеющие возможность эксплуатации с любых площадок (т.е. практически без разбега и пробега).

      Синтезируя эти требования, получаем стартующий с ног в вертолётном режиме, до высоты влияния экрана, автожир с возможностью постоянной подкрутки, отказ которой не приводит к срыву режима самовращения.

Выше – трёхмерная схема аппарата перед взлётом и реальный кадр испытаний его винтокольцевого движителя  (ВКД) в полёте.

   Прогнозируемые характеристики Вертоплана  (серийный вариант без кабины).

   Вес конструкции                   - до 50 кг.

   Скорость максимальная       - 190 км/час.

   Скорость крейсерская           - 130 км/час.

   Дальность полёта                  - 250 км.

   Отличительные особенности Вертоплана:

1. Короткий старт и посадка «в точку»;
2. Высокая маневренность;
3. Высокая скорость полёта;
4. Некритичность к ветру;
5. Некритичность к грубым посадкам.
6. Отличное планирование, управляемость и безопасная посадка в случае отказов на любых высотах.

Примечания:

- Реакцию момента электропривода несущего винта компенсирует управляемый руль направления, стоящий в потоке от кольца ВКД (здесь пока не показан, дабы не усложнять трёхмерную модель).

- Пилот использует парапланерную подвеску-кресло (не показана полностью, по тем же причинам).

   Цель Проекта:

- Создать быстрый, практически не зависящий от ветра, мобильный-складной, внеаэродромный, некритичный к отказам систем - ПЕРСОНАЛЬНЫЙ, МАССОВЫЙ, не обременённый (по существующему закону) избытком правоустанавливающих документов летательный аппарат.

Общая идея полёта, с возможностью в любой момент и почти в любом месте совершить безмоторную посадку (без необходимости выполнения специальных действий, обеспечивающий переход к режиму планирования) выглядит так: (проверено):

https://www.youtube.com/watch?v=1JrT8bKQB0A

Вся разница в том, что этот ЛА (вертоплан), должен взлетать и садиться на обычный дачный двор, и летать не 40 км/час в штиль (как мотопараплан), и не 90 (как мотодельта), а нормальных 200 км/час при ветре до 15 м/сек!

Поднимать конструкцию с земли (но  не взлетать) пилот будет так (до вывешивания конструкции в вертолётном режиме) :

https://www.youtube.com/watch?v=2W3gamijezc

https://www.youtube.com/watch?v=oLCVocqsfkw&NR=1

Затем короткий толчок, полный газ на маршевый винт, "открыть ротор" и крутой набор.

Сам момент отрыва от земли будет похож на этот:

https://www.youtube.com/watch?v=YF1EcHALxY0

https://www.youtube.com/watch?v=BdeULD_gi_8

Летать и управляться он будет так, только без разбега:

https://www.youtube.com/watch?v=aW7ZK0pgqYQ

или так, опять же без разбега, с вертолётного режима висения конструкции (но не пилота):

https://www.youtube.com/watch?v=kv13efJHeNA

Кабина (если полезем в большие скорости) будет похожа на эту:

https://www.youtube.com/watch?v=hjKZOH5aihg

или эту:

https://www.youtube.com/watch?v=Ua2zKOkue9E

Кроме того аппарат всяко легче 115 кг, а значит, по закону, можно обойтись минимумом "бумажных" проблем.

Электродвигатель "прямого привода" несущего винта обеспечит висение конструкции перед стартом и сохранит обороты НВ при режимах с уменьшением перегрузки. Тяга винтокольцевого движителя с таким мотором превышает взлётный вес аппарата (с пилотом до 100кг).

----------------------------------------------------------------------------