NASA AD-1: самолёт с поворотным крылом

Даже самые необычные самолеты еще на заре авиастроения строились по принципам симметрии. Любой самолет имел условный фюзеляж, к которому перпендикулярно крепились условные крылья. Однако постепенно, с развитием аэродинамики, конструкторы начали размышлять над созданием летательного аппарата с асимметричным крылом. Первым до этого дошли представители сумрачного немецкого гения: в 1944 году подобный проект предложил Рихард Фогт, главный конструктор компании Blohm & Voss. Однако его проект не был воплощен в металле, по-настоящему первым самолетом с поворотным крылом стал американский NASA AD-1.

NASA AD-1 (Ames Dryden-1) – экспериментальный самолет, созданный для изучения концепции поворотного крыла асимметрично изменяемой стреловидности. Стал первым в мире самолетом с «косым крылом». Необычный самолет был построен в США в 1979 году и совершил свой первый полет 21 декабря того же года. Испытания самолета с поворотным крылом продолжались вплоть до августа 1982 года, за это время AD-1 успели освоить 17 пилотов. После закрытия программы самолет был отправлен в музей города Сан-Карлоса, где он по-прежнему доступен для всех посетителей и является одним из самых главных выставочных экспонатов.

Немецкие эксперименты

В Германии в годы Второй мировой войны достаточно серьезно работали над созданием самолетов с асимметричным крылом. Конструктор Рихард Фогт славился своим нетипичным подходом к созданию авиационной техники, он понимал, что новая схеме не помешает самолету быть устойчивым в воздухе. В 1944 году им был создан проект самолета Blohm & Voss and P.202. Главная идея немецкого конструктор заключалась в возможности существенного снижения лобового сопротивления при полетах с большой скоростью. Взлет самолет осуществлял с обычным симметричным крылом, так как крыло небольшой стреловидности обладало высоким коэффициентом подъемной силы, но уже во время полета крыло поворачивалось в плоскости параллельной оси фюзеляжа, снижая уровень сопротивления. Одновременно с этим в Германии велись работы и с классической симметричной стреловидностью крыла на истребителе Messerschmitt Р.1101.

Но даже Германии последних военных лет проект самолета Blohm & Voss and P.202 показался безумным, он так и не был воплощен в металле, навсегда оставшись лишь в виде чертежей. Спроектированный Фогтом самолет должен был получить крыло размахом 11,98 метра, которое поворачивалось на центральном шарнире на угол до 35 градусов – при максимально отклонении размах крыла изменялся до 10,06 метра. Главным недостатком проекта считался тяжелый и громоздкий (согласно расчетам) механизм поворота крыла, который занимал очень много места внутри фюзеляжа самолета, также к серьезным недостаткам относилась невозможность использования крыла для подвески дополнительного вооружения и оборудования.

Удивительно, но Фогт не был единственным немецким конструктором, кто размышлял о поворотном крыле. Похожий проект готовили и инженеры компании Messerschmitt. Представленный ими проект Me P.1109 даже получил прозвище «крыло-ножницы». У созданного ими проекта было сразу два крыла. При этом они были независимы друг от друга. Одно крыло находилось над фюзеляжем самолета, другое – под ним. При повороте верхнего крыла по часовой стрелке нижнее крыло аналогичным образом поворачивалось, но уже против часовой стрелки. Подобная конструкция позволяла качественно компенсировать перекос самолета при асимметричном изменении стреловидности. При этом крылья могли поворачиваться на угол до 60 градусов, в то время, как при их расположении перпендикулярно фюзеляжу самолета, он ничем не отличался от классического биплана. При этом компания Messerschmitt столкнулась с теми же проблемами, что и Blohm & Voss: очень сложный механизм поворота. Несмотря на то, что ни один из немецких самолетов ассиметричной конструкции не пошел дальше бумажных проектов, стоит признать, что немцы серьезно опередили время в своих разработках. Реализовать их замысел американцы смогли лишь в конце 1970-х годов.

NASA AD-1 – летающая асимметрия

Идеи немецких конструкторов реализовали в металле их американские коллеги. Они подошли к вопросу со всей возможной основательностью. Независимо от немцев в 1945 году американский инженер Роберт Томас Джонсон выдвинул свою идею о своеобразном «крыле-ножницах», по его задумке такое крыло должно было поворачиваться на специальном шарнире. Однако в те годы реализовать свою задумку он не смог, не позволяли технические возможности. Ситуация изменилась в 1970-е годы, когда технологии сделали создание асимметричного самолета возможным. При этом консультантом проекта был приглашен и тот самый Рихард Фогт, эмигрировавший после завершения Второй мировой войны в США.

К тому моменту конструкторы уже знали, что самолеты с крылом изменяемой стреловидности обладают рядом недостатков. К основным недостаткам подобной конструкции относили: смещение аэродинамического фокуса при изменении стреловидности, что вело к росту балансировочного сопротивления; увеличение массы конструкции из-за наличия силовой балки и закрепляемых на ней поворотных шарниров консолей, а также уплотнителей убранного положения крыла самолета. Оба перечисленных недостатка в итоге были причиной снижения дальности полета или уменьшения массы полезной нагрузки.

В то же время работники NASA были уверены в том, что перечисленных недостатков будет лишен самолет с крылом асимметрично изменяемой стреловидности (КАИС). При такой схеме крыло крепилось бы к фюзеляжу самолета при помощи одного поворотного шарнира, а изменение стреловидности консолей при повороте крыла выполнялось бы одновременно, но имело противоположный характер. Проведенный специалистами NASA сравнительный анализ самолетов с крылом изменяемой стреловидности стандартной схемы и КАИС демонстрировал, что вторая схема показывает снижение лобового сопротивления на 11-20 процентов, масса конструкции уменьшается на 14 процентов, а волновое сопротивление при совершении полета на сверхзвуковых скоростях должно снижаться на 26 процентов.

При этом у самолета с асимметричным крылом были и свои недостатки. В первую очередь при большом угле стреловидности консоль с прямой стреловидностью обладает большим эффективным углом атаки, чем консоль с обратной стреловидностью, что ведет к асимметрии лобового сопротивления и, как следствие, к появлению паразитных разворачивающих моментов по тангажу, крену и рысканию. Второй проблемой было то, что для КАИС характерен вдвое больший рост толщины пограничного слоя вдоль размаха крыла и любой несимметричный срыв потока провоцирует интенсивные возмущения. Но, несмотря на это, считалось, что негативные эффекты могут быть устранены за счет внедрения системы электродистанционного управления, которая в автоматическом режиме воздействовала бы на органы аэродинамического управления самолета в зависимости от различных параметров: угла атаки, скорости полета, угла стреловидности крыла. В любом случае для проверки всех расчетов нужно было строить летающую модель.

Концепция КАИС была успешно отработана на беспилотном макете, после чего необходимо было переходить к созданию полноценного самолета. Экспериментальный проект получил обозначение NASA AD-1 или Ames Dryden-1. Самолет был назван так по названиям исследовательских центров, которые работали над проектом – NASA Ames и NASA Dryden. При этом за общий дизайн самолета отвечали специалисты компании «Боинг». Согласно расчетам инженеров НАСА и имеющемуся техническому заданию американская компания Rutan Aircraft Factory собрала требуемый самолет. При этом одним из требований проекта было уложиться в бюджет 250 тысяч долларов. Для этого экспериментальный летательный аппарат делали максимально простым в технологическом плане и дешевым, на самолет были установлены достаточно слабые двигатели. Новый летательный аппарат был готов в феврале 1979 года, после чего его доставили в Калифорнию на аэродром NASA Dryden.

Крыло экспериментального самолета AD-1 могло поворачиваться вдоль центральной оси на 60 градусов, но только против часовой стрелки (такое решение существенно упрощало конструкцию без потери преимуществ). Поворот крыла со скоростью 3 градуса в секунду обеспечивал компактный электродвигатель, который был установлен внутри фюзеляжа самолета непосредственно перед основными двигателями. В качестве последних были использованы два классических ТРД Microturbo TRS18 французского производства с тягой 100 кгс каждый. Размах трапециевидного крыла при расположении его перпендикулярно фюзеляжу составлял 9,85 метра, а при максимальном повороте – всего 4,93 метра. При этом максимальная скорость полета не превышала 400 км/ч.

Самолет впервые поднялся в небо 21 декабря 1979 года. В первом полете им управлял летчик-испытатель NASA Томас МакМёрфи. Взлет самолета проводился с перпендикулярно зафиксированным крылом, угол поворота крыла изменялся уже в полете после достижения требуемой скорости и высоты. В течение следующих 18 месяцев при каждом новом испытательном полете крыло самолета AD-1 поворачивали на 1 градус, фиксируя при этом все показатели полета. В итоге в середине 1980 года экспериментальный самолет достиг своего максимального угла поворота крыла – 60 градусов. Испытательные полеты продолжались вплоть до августа 1982 года, всего самолет поднимался в небо 79 раз. Так вышло, что и в последний полет 7 августа 1982 года самолет поднимал Томас МакМёрфи, при этом за все время испытаний на нем совершили полеты 17 разных летчиков.
Источники информации:
https://www.popmech.ru/weapon/15340-s-krylom-napereves
http://www.airwar.ru/enc/xplane/ad1.html
https://zen.yandex.ru/media/main_aerodrome/nasa-ad1—kto-skazal-chto-krylo-doljno-byt-simmetrichnym-5b22885500b3dd7573269bb6
Материалы из открытых источников

Программа испытаний предполагала, что полученные результаты помогут использовать асимметричное изменение стреловидности крыла при выполнении дальних межконтинентальных рейсов – скорость и экономия топлива наилучшим образом должны были окупать себя на очень больших расстояниях. Экспериментальный самолет NASA AD-1 получил положительные оценки от пилотов и специалистов, однако дальнейшего развития проект не получил. Проблема заключалась в том, что программа изначально рассматривалась как исследовательская. Получив все необходимые данные, в NASA просто отправили уникальный самолет в ангар, откуда он позднее переправился в авиационный музей. NASA всегда была исследовательской организацией, которая не занималась вопросами авиастроения, при этом никто из крупнейших авиационных производителей концепцией поворачиваемого крыла не заинтересовался. Любой межконтинентальный пассажирский лайнер по умолчанию был сложнее и крупнее «игрушечного» самолета AD-1, поэтому компании не рисковали. Они не хотели вкладывать денежные средства в исследования и разработку пусть и перспективной, но все же подозрительной конструкции. Время для инноваций в этой области, по их мнению, еще не пришло.

Летно-технические характеристики NASA AD-1:
Габаритные размеры: длина – 11,8 м, высота – 2,06 м, размах крыла – 9,85 м, площадь крыла – 8,6 м2.
Масса пустого – 658 кг.
Максимальная взлетная масса – 973 кг.
Силовая установка – 2 ТРД Microturbo TRS18-046 тягой 2х100 кгс.
Крейсерская скорость – 274 км/ч.
Максимальная скорость – до 400 км/ч.
Экипаж – 1 человек.

Если заметили ошибку в тексте, нажмите комбинацию Shift + Enter или по ссылке Отправить, что бы нас проинформировать.