Новые горизонты авиации
НОВЫЕ ГОРИЗОНТЫ АВИАЦИИ
авиация топливо пилотажный истребитель
Эра нефтяной энергетики на планете близка к завершению, что в перспективе вынудит авиацию перейти с авиационного керосина на другие виды топлив. При этом после катастроф в Чернобыле и Фокусиме и по техническим и технологическим причинам весьма проблематично применение в авиации ядерных силовых установок. Остается применение в качестве топлива водорода, метана или природного газа, что очень экологично и перспективно в виду глобального потепления, но при этом возникают проблемы с размещением и хранением их на борту. Ведь в современных самолетах топливо размещают в крыльях, но использование жидкого водорода и сжиженных газов заставляет искать иные решения: во-первых, баки должны иметь примерно вчетверо большие объемы, чем баки с керосином; во-вторых, баки надо надежно теплоизолировать, особенно водородные; в-третьих, в баках надо поддерживать избыточное по отношению к атмосферному давление, особенно для водорода, иначе значительная часть топлива просто выкипит при подъеме на высоту. Весовые и объемные ограничения допускают наличие водорода на борту только в жидкой форме, причем в состоянии постоянного кипения при температуре -253 градуса по Цельсию. При этом весьма опасно нарушение герметичности: жидкий водород при испарении мгновенно займет весь внутренний объем самолета и при концентрации от 4% до 75% объема воздуха создаст опасность взрыва.
Тем не менее в ХХ веке прогнозы применения водорода в авиации были весьма заманчивы. В конце 70-х годов ХХ века в американском журнале «Авиэйшен уик» была опубликована статья, в которой были изложены следующие расчетные оценки: самолет на жидком водороде будет на 26% легче и на 30% дешевле, а его двигатели будут гораздо более долговечнее и надежнее, чем работающие на керосине.
В конце 50-х годов ХХ века произвел несколько полетов американский дозвуковой бомбардировщик «Канберра» с одним их двигателей, работающим на жидком водороде. При этом самолет взлетал на керосине и уже в полете на некоторое время переключался на водород.
апреля 1988 года в СССР впервые взлетел Ту-155, самолет, внешне не отличающийся от Ту-154, но оснащенным в правой гондоле одним двигателем НК-88 КБ Н. Д. Кузнецова, работающим на водороде. В его фюзеляже размещался топливный комплекс с баком объемом в 20 кубических метров в хвостовом отсеке. Этот отсек отделялся прегородками, между которыми создавалось избыточное давление. Жидкий водород перед подачей в камеры сгорания(далее - КС) газифицировался и подогревался. Топливный и двигательный отсеки оснащались искробезопасным оборудованием. Все другие системы прокладывались в герметичных гаргротах и при этом продувались набегающим воздушным потоком. Всё было сделано очень надежно, продуманно, но технологически сложно. При всём этом Ту-155 мог использовать в качестве топлива и сжиженный природный газ. Испытания были успешны, однако Ту-155 не эксплуатировался, и, очевидно, не только горбачевская разруха этому виной. Нельзя возить пассажиров в самолете, более половины которого занято баком.
Сейчас есть примеры успешных испытаний летательных аппаратов с водородными топливными элементами, однако у них низки весогабаритные характеристики.
Есть гипотетическая перспектива использования в качестве топлива для самолетов металлического водорода, но она пока целиком в области научно-технической фантастики. Приходится констатировать, что разработки использования в качестве топлива водорода, метана и природного газа пока находятся в тупике. А ведь неплохо было бы выйти из тупика и активизировать эти разработки, так как эра нефтяной энергетики близка к завершению.
К. Э. Циолковский предлагал для повышения переносимости стартовых перегрузок ракет помещать космонавтов в жидкость - то же самое относится и к пилотам маневренных самолетов. По этому вопросу обычно ссылаются на его фантастическую повесть «Вне Земли», опубликованную в 1918 году, но на самом деле он еще в 1891 году опубликовал эссе с изложением этой идеи в IV томе трудов Отделения Физической Науки Императорского Общества любителей естествознания.
Используя идею Циолковского, в США в 1958 году производились на центрифуге испытания гидрокомбинезона с сухим весом в 326 килограммов. Испытатель, биофизик Грей, подвергался перегрузке в 30 g в течение 30 секунд, при этом было зафиксировано, что он ни в коей мере не терял ни сознания, ни работоспособности. Биофизические расчеты показывают, что при соблюдении всех рекомендаций современной авиационной и космической медицины и при помещении человека в жидкость с плотностью, равной средней плотности конкретного человека и действии перегрузки в направлении грудь-спина(то есть в положении лежа на спине) должна без последствий длительно переноситься перегрузка в 400 g и кратковременно, в течение долей секунды, в 1000 g. Это дает возможность в будущем стартовать пилотируемым космическим кораблям с поверхности безатмосферных планет, например, с Луны, по Жюлю Верну, то есть путем выстрела, что энергетически очень выгодно по сравнению с ракетным стартом.
Однако по непонятной причине идея Циолковского не используется ни в одном истребителе или штурмовике мира. Идут на всякие ухищрения, такие как противоперегрузочные костюмы, кресла пилотов с большими углами наклона спинки, кресла с переменными в зависимости от перегрузки углами наклона спинки. А ведь проблема решается очень просто - не надо даже строить сложные по конструкции и тяжелые гидрокомбинезоны. Достаточно кабину истребителя, после того, как пилот занял кабину, залить водой. Средняя плотность тела человека составляет 1070 килограммов на кубометр, такую же плотность Циолковский предлагал достигать добавлением в воду соли. Заметим, что глаза прекрасно переносят соленую воду, это знают все, кто нырял с открытыми глазами в море. Дело в том, что при перегрузке в 30 g, если глаза будут в воздушной среде(то есть в маске или в комбинезоне с открытым верхом), невозможно будет держать открытыми веки. Те, кто пилотировал самолеты при перегрузке всего лишь в 6-7 g , знают, что веки уже становятся тяжелыми и прикрываются. К тому же при нахождении головы в воздухе в случае гидрокомбинезона с открытым верхом при максимальной перегрузке возникнет огромная нагрузка на шейные позвонки пилота, что может привести к их травме с тяжелыми последствиями для пилота и самолета. Если же пилот будет весь в жидкости, то всё его тело будет в невесомости, и наверняка будут доступны и существенно большие, чем 30 g, перегрузки - вопрос только в конструкции самолета.
Несложно также решить проблему с дыханием пилота. Для этого надо будет применить акваланг с дыхательным мешком. Во-первых, пилоту выдыхать в кабину нельзя - воздушные пузырьки затруднят обзор. Во-вторых, обычный акваланг может запаздывать с реагированием на изменением гидростатического давления в кабине при изменениях перегрузки, что может привести к баротравмам легких пилота. Применение же дыхательного мешка, расположенного на уровне легких пилота, даст синхронное равновесие давлений в мешке и в легких пилота. Это означает, что акты вдоха и выдоха будут зависеть только от действия дыхательных мышц пилота.
Таким образом, нет никаких препятствий, чтобы и на старых принципах строить истребители и штурмовики в расчете на перегрузку в 14-15 g и более. Правда, у них будет тяжелый планер, что снизит боевую нагрузку и запас топлива, зато более высокая маневренность в воздушном бою. А в связи с тем, что кабина будет высокопрочной, чтобы выдерживать высокие гидростатические давления воды, обусловленные большими перегрузками, гарантируется поддержание давления в кабине в одну атмосферу на любых высотах, что избавляет от необходимости пользоваться чистым кислородом для дыхания пилота в полете - эта необходимость сохраняется лишь для аварийного покидания самолета.
Требуемая высокая прочность позволяет применить бронированную кабину, то есть таким образом кабина будет одновременно выполнять две функции - противодействие высокому гидростатическому давлению и защита пилота от поражения, что очень важно и для истребителя, и для штурмовика. То, что гидростатическое давление при перегрузке максимально в нижней части кабины, и именно там нужна максимальная прочность, совпадает с необходимостью бронирования в первую очередь именно нижней части кабины.
В связи с тем, что посадка требует повышенного внимания пилота и наиболее высокой координации его действий, а также минимальной скорости самолета(что связано с минимизацией его веса), воду перед посадкой можно сливать или в атмосферу, или использовать на распыление на входах в компрессоры двигателей, что, повышая их экономичность, экономит топливо.
Концепция современного истребителя в плане пилотажных боевых качеств включает следующие требования:
. Высокая маневренность(обусловленная в первую очередь максимальной располагаемой перегрузкой);
. Снижение статической устойчивости самолетов и управление ими с помощью соответствующего компьютерного обеспечения(что обеспечивает более быстрый темп нарастания перегрузки и сброса её при пилотировании, то есть самолет быстрее реагирует на управляющие воздействия пилота);
. Маленькая удельная нагрузка на крыло;
. Высокий Cy max;
. Адаптивное крыло с компьютерным управлением и оптимизацией в соответствии с режимом полета.
В настоящее время существует много суперволокон выдающимися показателями прочности: кевлар и его аналоги до 2,6-4,1 ГПа, кварцевое волокно до 20 ГПа, алмазное волокно несколько выше кварцевого. Уже получены углеродные нанотрубки с поражающей воображение прочностью - так, в эксперименте ученых Университета Южной Каролины США была продемонстрирована прочность углеродных нанотрубок в 98,9 ГПа. Теоретическая же прочность углеродных нанотрубок равна 120 ГПа. Уже получают нити из этого материала будущего порядка нескольких метров.
Попутно надо сказать, что в 1960 году советский инженер Ю. Н. Арцутанов из Ленинграда рассчитал на базе опять-таки идеи Циолковского проект космического лифта - сооружения, в котором спутник на геостационарной орбите, то есть на высоте в 36 000 км, связан тросом с экваториальной областью Земли. Выход в космос с помощью этого сооружения на порядок дешевле, чем ракетами, при этом исчезает проблема образования космического мусора. По мотивам этого проекта Артур Кларк написал роман «Фонтаны рая». Расчетная прочность материала троса - 65-120 ГПа. Так как углеродные нанотрубки обеспечивают требуемую прочность, НАСА США уже финансируют разработку проекта лифта, включая разработку подъемника - этим занимается Институт научных исследований США. Предварительная стоимость проекта - $ 7-12 млрд. Япония также заявляла о планах сооружения космического лифта к 2050 году.
Однако при положительных перегрузках верхние полки лонжеронов работают на сжатие, а все вышеперечисленные показатели прочности - на растяжение, и неясно, как заставить нитевидные материалы успешно противодействовать сжимающим усилиям.
Однако это вполне возможно и это несложно. Если сделать верхнюю полку лонжерона в виде сплошной стальной или титановой трубы, проходящей от концов полукрыльев сквозь фюзеляж самолета с глухой заделкой торцов, и обмотать эту трубу суперволокном с предварительным натяжением и фиксацией этого волокна полиэфирной, эпоксидной или аналогичными смолами, то мы получим высокопрочный резервуар для газа. Закачаем его водородом под высоким, порядка сотен или даже тысяч атмосфер давлением. Давление на торцы трубы будет растягивать трубу, то есть она заранее готова к восприятию сжимающей нагрузки при выполнении самолетом энергичных маневров с положительной перегрузкой. Как и в случае с бронированной кабиной, мы получаем двухфункциональное устройство - трубчатая верхняя полка лонжерона и работает на увеличение прочности давлением газа, и хранит водород или метан. При этом отпадает необходимость в газификации водорода перед подачей его в камеры сгорания.
Однако здесь добавляется еще два положительных фактора. Во-первых, газ под очень высоким давлением - источник механической энергии давления, которую можно весьма эффективно использовать. Так как расширение газа обычно производится в турбодетандерах, возникает возможность изготовления оригинального турбореактивного двигателя с вращением турбины не продуктами сгорания топлива, а расширяющимся водородом. Во-вторых, газ при расширении сильно охлаждается, и его перед подачей в камеры сгорания надо направить на охлаждение двойных стенок камер сгорания и выходного сопла двигателя. Такие двигатели обещают быть высокоэкономичными с высокой удельной мощностью и долговечностью.
Нижняя полка лонжерона может иметь несколько конструктивных исполнений. Во-первых, это обычные полки, выклееные из суперволокна. Во-вторых, каждой верхней трубе соответствует внизу трос из суперволокна, который натягивается пневмоцилиндрами, работающими от давления газа в верхней трубе, и таким образом этот трос активно противодействует растягивающим усилиям; а уплотнения пневмоцилиндров, которые в принципе невозможно сделать идеально герметичными, выполнят роль понижающих редукторов. В-третьих, это просто трос из суперволокна с применением компенсирующих устройств, устраняющих вытяжку троса в процессе эксплуатации. В-четвертых, натяжка тросов может производиться пропорционально перегрузке опорой внутрифюзеляжных грузов(двигатели, отсек с боевой нагрузкой, бак с топливом до его израсходования) на соответствующую рычажную систему.
Из труб и нижних полок формируется кессон, внутренняя полость которого заполняется авиационным керосином, как обычно. При расходовании газа из верхних труб прочность крыла будет уменьшаться. Для борьбы с этим применимы два способа - подогрев газа в трубе для восстановления его давления или закачка в трубы воздуха при поочередном освобождении труб; возможно одновременное применение этих способов.
Таким образом, на истребителе должно быть как минимум два двигателя: один на авиакеросине, второй на водороде или метане. Целесообразна такая тактика их использования в полете: так как расход газа уменьшает прочность крыла, водородно-метановый двигатель в полете работает на малом газу, а переводится на полную мощность только в бою.
Возможно и желательно применение дополнительных камер сгорания с соплами: форсажных для повышения разгонных характеристик истребителя, с векторами тяги, параллельными векторам тяги маршевых двигателей, и маневренных, размещенных вблизи центра тяжести, с векторами тяги, перпендикулярными продольной оси истребителя и направленными вниз. Камеры сгорания могут быть водородно-воздушными, с подачей воздуха от компрессоров маршевых двигателей, и водородно-кислородными, если одну трубу в кессоне крыла заполнить кислородом - разумеется, стенки камер сгорания и сопел также должны быть двойными для охлаждения расширившимся газом. Водородно-кислородные камеры сгорания позволят получать особенно большие приросты тяги и дополнительной подъемной силы, что особенно важно при взлетах с ограниченных по длине ВПП и с палуб авианосцев.
С учетом вышеизложенного, можно набросать эскиз первого, опытного истребителя с перспективой его доработки по результатам испытаний и приема не вооружение. Однако надо заметить, что работу надо начинать с доработки обычных истребителей, которая будет заключаться в усилении крыла и горизонтального оперения, упрочнении кабины и применении заполненной водой кабины; рассчитывать их надо на перегрузку в 14-15 g, что возможно сделать быстро и получить существенное превосходство над истребителями вероятных противников. Одновременно надо начинать разработку тяжелых самолетов(то есть военных многоцелевых амфибий, бомбардировщиков, дозаправщиков, ракетоносцев, разведчиков- целеуказателей и военно-транспортных) с крылом, упрочненным давлением газа, рассчитанных на обычную перегрузку в 8-9 g, разумеется, без заполнения кабин водой, с обычными ППК у экипажа. Такие самолеты смогут успешно противостоять истребителям вероятных противников при условии монопольного их производства Россией.
Итак, этот суперистребитель надо рассчитывать на перегрузку в 30 g, чтобы реализовать существенный прорыв в развитии российской авиации и обеспечить радикальное преимущество российских истребителей. Итак, это будет самолет с фюзеляжем, похожим на фюзеляжи МиГ-29 или Су-27, то есть с двумя воздухозаборниками и двумя маршевыми двигателями - один на авиакеросине, второй - на водороде. Желательна схема с несущим фюзеляжем - для того, чтобы при больших перегрузках на носовой части фюзеляжа не возникало больших инерциальных нагрузок. Между соплами маршевых двигателей сзади размещены одно или два сопла форсажных камер сгорания. Под фюзеляжем вблизи центра тяжести вниз смотрят одно или два сопла маневренных камер сгорания, хотя на опытном варианте от них можно и отказаться. На этом сходство с МиГ-29 и Су-27 заканчивается. Крыло должно быть прямым, трапециевидным, малого или среднего удлинения с большим наплывом. Это необходимо для того, чтобы трубы кессона были прямыми и сквозными, то есть для обеспечения необходимой прочности при экономии веса. Крыло сверхзвукового самолета вовсе не обязано быть стреловидным или треугольным, это доказывает пример американского сверхзвукового истребителя F-104 Старфайтер». Все проблемы с волновыми явлениями на транс- и сверхзвуке решаются подбором специального профиля крыла. А оперение может быть и стреловидным.
Площадь крыла для суперистребителя на 30 g для обеспечения необходимой располагаемой перегрузки должна быть в 3,5- 4 раза больше, чем площадь крыла обычных истребителей при том же взлетном весе, откуда вытекает увеличение всех линейных размеров крыла в два раза, в том числе и высоты кессона, что весьма положительно скажется на весовых характеристиках крыла.
У опытного и первого серийного истребителей для снижения их стоимости и учитывая их высокие боевые качества за счет увеличения маневренности имеет смысл положиться на искусство боевых пилотов, временно отказавшись от пунктов 2 и 6 изложенных выше элементов концепции современного истребителя. Однако эскизную разработку истребителей с применением этих пунктов надо начинать одновременно с разработкой опытного истребителя, а детальную - сразу по получении результатов испытаний опытного истребителя, - ведь монополия никогда не бывает вечной, поэтому надо закладывать максимальный отрыв от вероятных противников. Несомненно, что прогресс суперистребителей будет достигаться за счет увеличения перегрузки, применения стреловидных и треугольных крыльев, а также за счет временно отставленных пунктов 2 и 6.
Констатируем, что остальные пункты концепции легко решаются:
.Пункт 1. обеспечивается за счет большой максимальной перегрузки;
.Пункт 3. за счет большой площади крыла, несущего фюзеляжа и наплывов;
.Пункт 4 на опытном и первом серийном истребителях решается автоматически за счет того, что несущие свойства прямых крыльев выше, чем у треугольных и стреловидных;
.Пункт 5. полностью обеспечивается за счет маршевых двигателей и форсажных водородно-кислородных или водородно-воздушных камер сгорания.
Большой интерес представляет размещение суперистребителя сверху на тяжелых транспортных или, что лучше всего, на самолетах-амфибиях. Это позволяет оперативно рассредоточивать суперистребители, выводя их из-под ударов противника, а также существенно увеличивать их радиус действия, применяя метод дежурства в воздухе в угрожаемый период или в ходе боевых действий.