Вертикально взлетающий и приземляющийся ( VTOL ) самолет — это самолет, который может взлетать и приземляться вертикально, не полагаясь на взлетно-посадочную полосу . Эта классификация может включать в себя различные типы самолетов , включая вертолеты , а также самолеты с фиксированным крылом и вектором тяги и другие гибридные самолеты с приводными роторами , такие как цикложиры/циклокоптеры и гиродины . [1]
Некоторые самолеты VTOL могут работать и в других режимах, таких как CTOL (обычный взлет и посадка), STOL (короткий взлет и посадка) или STOVL (короткий взлет и вертикальная посадка). Другие, такие как некоторые вертолеты, могут работать только как VTOL из-за отсутствия у самолета шасси , которое может выдерживать руление . VTOL является подмножеством V/STOL (вертикальный или короткий взлет и посадка).
Некоторые летательные аппараты легче воздуха также можно отнести к самолетам вертикального взлета и посадки, поскольку они могут зависать, взлетать и приземляться с вертикальными профилями захода на посадку/вылета. [2]
Электрические самолеты с вертикальным взлетом и посадкой, или eVTOL , разрабатываются вместе с более автономными технологиями управления полетом и мобильностью как услугой (MaaS) для обеспечения расширенной воздушной мобильности (AAM), которая может включать услуги воздушного такси по запросу, региональную воздушную мобильность, доставку грузов и персональные воздушные транспортные средства (PAV). [3]
Помимо вездесущих вертолетов, в настоящее время на военной службе находятся два типа самолетов вертикального взлета и посадки: конвертопланы , такие как Bell Boeing V-22 Osprey , и самолеты с отклоняемым вектором тяги, такие как семейство Harrier и новый истребитель F-35B Lightning II Joint Strike Fighter (JSF). В гражданском секторе в настоящее время широко используются только вертолеты (некоторые другие типы коммерческих самолетов вертикального взлета и посадки были предложены и находятся в стадии разработки по состоянию на 2017 год [обновлять]). В целом, самолеты вертикального взлета и посадки, способные выполнять взлетно-посадочные операции, используют его везде, где это возможно, поскольку он обычно значительно увеличивает взлетный вес, дальность или полезную нагрузку по сравнению с чистым вертикальным взлетом и посадкой. [4]
Идея вертикального полета существует уже тысячи лет, и наброски VTOL (вертолета) появляются в альбоме Леонардо да Винчи . Пилотируемый VTOL-самолет в форме примитивного вертолета впервые поднялся в воздух в 1907 году, но его усовершенствование заняло время после Второй мировой войны. [5] [6]
В дополнение к разработке вертолетов , было испробовано много подходов для разработки практических самолетов с вертикальными взлетно-посадочными возможностями, включая экспериментальный самолет с горизонтальным ротором и фиксированным крылом Генри Берлинера 1922–1925 годов, патент Николы Теслы 1928 года и патент Джорджа Лебергера 1930 года на относительно непрактичные самолеты вертикального взлета и посадки с фиксированным крылом и наклонными двигателями. [7] [8] [9] В конце 1930-х годов британский авиаконструктор Лесли Эверетт Бейнс получил патент на Baynes Heliplane, еще один самолет с наклонными роторами. В 1941 году немецкий конструктор Генрих Фокке начал работу над Focke-Achgelis Fa 269 , который имел два ротора, наклонявшихся вниз для вертикального взлета, но бомбардировки военного времени остановили разработку. [9]
В мае 1951 года компании Lockheed и Convair получили контракты на разработку, постройку и испытание двух экспериментальных истребителей вертикального взлета и посадки. Lockheed выпустила XFV , а Convair — Convair XFY Pogo . Обе экспериментальные программы перешли в стадию полета и завершили испытательные полеты в 1954–1955 годах, когда контракты были аннулированы. [10] Аналогичным образом, Ryan X-13 Vertijet совершил серию испытательных полетов между 1955 и 1957 годами, но его постигла та же участь. [11]
Использование вертикальных вентиляторов, приводимых в движение двигателями, было исследовано в 1950-х годах. В США построили самолет, в котором выхлопные газы реактивной струи приводили вентиляторы в движение , в то время как британские проекты, которые не были реализованы, включали вентиляторы, приводимые в движение механическими приводами от реактивных двигателей. [ необходима цитата ]
NASA также летало на других аппаратах VTOL, таких как исследовательский аппарат Bell XV-15 (1977), как и советский флот и Люфтваффе . Сикорский испытал самолет, названный X-Wing , который взлетал как вертолет. Роторы становились неподвижными в середине полета и функционировали как крылья, обеспечивая подъемную силу в дополнение к статическим крыльям. Boeing X-50 — прототип Canard Rotor/Wing , использующий похожую концепцию. [12]
Другим британским проектом VTOL был гиродин , в котором ротор приводился в действие во время взлета и посадки, но затем вращался вхолостую во время полета, с отдельными двигателями, обеспечивающими прямую тягу. Начиная с Fairey Gyrodyne , этот тип самолета позже превратился в гораздо более крупный двухмоторный Fairey Rotodyne , который использовал реактивные двигатели для питания ротора на взлете и посадке, но который затем использовал два турбовинтовых двигателя Napier Eland , приводивших в движение обычные пропеллеры, установленные на прочных крыльях для обеспечения тяги, крылья служили для разгрузки ротора во время горизонтального полета. Rotodyne был разработан, чтобы объединить эффективность самолета с фиксированным крылом на крейсерском режиме с возможностями VTOL вертолета для обеспечения обслуживания авиалайнеров на короткие расстояния из городских центров в аэропорты.
CL -84 Dynavert был канадским турбинным монопланом вертикального взлета и посадки с наклонным крылом, разработанным и произведенным Canadair в период с 1964 по 1972 год. Канадское правительство заказало три обновленных CL-84 для военной оценки в 1968 году, обозначенных как CL-84-1. С 1972 по 1974 год эта версия демонстрировалась и оценивалась в Соединенных Штатах на борту авианосцев USS Guam и USS Guadalcanal , а также в различных других центрах. [13] В этих испытаниях участвовали военные летчики из Соединенных Штатов, Великобритании и Канады. Во время испытаний два CL-84 потерпели крушение из-за механических неисправностей, но в результате этих аварий никто не погиб. Никаких производственных контрактов не последовало. [14]
Хотя конвертопланы, такие как Focke-Achgelis Fa 269 середины 1940-х годов и Centro Técnico Aeroespacial "Convertiplano" 1950-х годов, достигли стадий испытаний или макетов, Bell-Boeing V-22 Osprey считается первым в мире серийным конвертопланом . Он имеет один трехлопастной пропеллер , турбовинтовой двигатель и трансмиссионную гондолу, установленную на каждом конце крыла. Osprey — многоцелевой самолет как с вертикальным взлетом и посадкой (VTOL), так и с возможностью короткого взлета и посадки ( STOL ). Он предназначен для выполнения миссий, как обычный вертолет , с дальними и высокоскоростными крейсерскими характеристиками турбовинтового самолета . FAA классифицирует Osprey как модель самолета с подъемной силой . [15]
В 1960-х годах были предприняты попытки разработать коммерческий пассажирский самолет с возможностью вертикального взлета и посадки. Предложение Hawker Siddeley Inter-City Vertical-Lift имело два ряда подъемных вентиляторов с каждой стороны. Однако ни один из этих самолетов не попал в производство после того, как их отвергли как слишком тяжелые и дорогие в эксплуатации. [16] [ ненадежный источник? ] [17]
В 2018 году компания Opener Aero продемонстрировала электрический самолет вертикального взлета и посадки Blackfly , который, по словам производителя, является первым в мире сверхлегким полностью электрическим самолетом с вертикальным взлетом и посадкой. [18]
В 21 веке беспилотные летательные аппараты становятся все более распространенными. Многие из них имеют возможность вертикального взлета и посадки, особенно квадрокоптеры . [19]
В 1947 году Ryan X-13 Vertijet , конструкция tailsitter , была заказана ВМС США, которые затем в 1948 году выпустили предложение о самолете, способном к вертикальному взлету и посадке (VTOL) на бортах платформ, установленных на кормовых палубах обычных кораблей. И Convair , и Lockheed боролись за контракт, но в 1950 году требования были пересмотрены, и был предложен исследовательский самолет, способный в конечном итоге превратиться в корабельный истребитель сопровождения конвоев VTOL.
В конце 1958 года французский SNECMA Coléoptère , кольцевой самолет с хвостовым крылом , совершил свой первый полет. Однако единственный прототип был уничтожен во время девятого полета в 1959 году, а финансирование второго прототипа так и не было найдено.
Другим более влиятельным ранним функциональным вкладом в VTOL стала установка для измерения тяги («летающая кровать») компании Rolls-Royce 1953 года. Это привело к появлению первых двигателей VTOL, которые использовались в первом британском самолете VTOL Short SC.1 (1957), Short Brothers и Harland, Belfast, в котором использовались четыре вертикальных подъемных двигателя и один горизонтальный для прямой тяги.
Short SC.1 был первым британским самолетом вертикального взлета и посадки с фиксированным крылом. SC.1 был разработан для изучения проблем полета вертикального взлета и посадки и перехода от полета вперед. SC.1 был разработан для удовлетворения запроса Министерства снабжения (MoS) на тендер (ER.143T) на исследовательский самолет с вертикальным взлетом, выпущенный в сентябре 1953 года. Проект был принят министерством, и был размещен контракт на два самолета (XG900 и XG905) для соответствия спецификации ER.143D от 15 октября 1954 года. SC.1 также был оснащен первой системой управления "fly-by-wire" для самолета вертикального взлета и посадки. Это позволяло использовать три режима управления аэродинамическими поверхностями или органами управления соплами.
Republic Aviation AP-100 был прототипом ядерного ударного истребителя с вертикальным взлетом и посадкой, оснащенного шестью турбореактивными двигателями General Electric J85, разработанным Александром Картвели , который имел три вентилятора в канале в центре фюзеляжа и хвоста в качестве возможного претендента на программу TFX . [20] [21] [22] Другой проект был A400 AVS, в котором использовались крылья с изменяемой геометрией, но он был признан слишком сложным, однако это привело к разработке AFVG , который, в свою очередь, помог разработать Panavia Tornado .
Як -38 — советский военно-морской самолёт вертикального взлёта и посадки, предназначенный для использования на борту лёгких авианосцев, грузовых судов и крупных кораблей. Он был разработан на основе экспериментального самолёта Як-36 в 1970-х годах. До распада Советского Союза был разработан сверхзвуковой самолёт вертикального взлёта и посадки как преемник Як-38, Як-141 , который так и не был запущен в производство. [23]
В 1960-х и начале 1970-х годов Германия планировала три различных самолета вертикального взлета и посадки. Один из них использовал Lockheed F-104 Starfighter в качестве основы для исследований самолета вертикального взлета и посадки . Хотя были построены две модели (X1 и X2), проект был отменен из-за высоких затрат и политических проблем, а также изменившихся потребностей в немецких ВВС и НАТО. EWR VJ 101 C выполнил свободные взлеты и посадки вертикального взлета и посадки, а также испытательные полеты за пределами 1 Маха в середине и конце 60-х годов. Один из испытательных самолетов хранится в Немецком музее в Мюнхене, Германия, другой — за пределами аэропорта Фридрихсхафен. Другими были легкий истребитель и разведывательный самолет VFW-Fokker VAK 191B и транспортный самолет Dornier Do 31 E-3 (войсковой). [24]
LLRV был имитатором космического корабля для лунного посадочного модуля «Аполлон». [25] Он был разработан для имитации летных характеристик лунного модуля (LEM), которому для посадки на Луну приходилось использовать реактивный двигатель.
Идея использования одного и того же двигателя для вертикального и горизонтального полета путем изменения пути тяги была задумана Мишелем Вибо . [26] Это привело к созданию двигателя Bristol Siddeley Pegasus , который использовал четыре вращающихся сопла для направления тяги в диапазоне углов. [27] Он был разработан бок о бок с планером самолета Hawker P.1127 , который впоследствии стал Kestrel, а затем поступил в производство как Hawker Siddeley Harrier , хотя сверхзвуковой Hawker Siddeley P.1154 был отменен в 1965 году. Французы, конкурируя с P.1154, разработали версию Dassault Mirage III, способную достигать 1 Маха . Dassault Mirage IIIV достиг перехода от вертикального к горизонтальному полету в марте 1966 года, достигнув 1,3 Маха в горизонтальном полете вскоре после этого.
Harrier обычно летает в режиме STOVL , что позволяет ему нести большую нагрузку топлива или оружия на заданное расстояние. [4] В режиме V/STOL самолет вертикального взлета и посадки движется горизонтально вдоль взлетно-посадочной полосы, прежде чем взлетать, используя вертикальную тягу. Это обеспечивает аэродинамическую подъемную силу, а также подъемную силу тяги и позволяет взлетать с более тяжелыми грузами и является более эффективным. При посадке самолет становится намного легче из-за потери веса топлива, и возможна контролируемая вертикальная посадка. Важным аспектом операций Harrier STOL на борту военно-морских авианосцев является «трамплин» с поднятой передней палубой, который дает судну дополнительный вертикальный импульс при взлете. [28]
На обложке журнала Popular Science за март 1981 года были размещены три иллюстрации к статье на первой странице «V/STOL с наклонным двигателем — скорость как у самолета, приземление как у вертолета»; [29] в выпуске за апрель 2006 года появилась следующая статья, в которой упоминались «проблемы с расходом топлива и устойчивостью, которые преследовали более ранние самолеты/вертолеты». [30]
Выведенные из состава британского Королевского флота в 2006 году, [31] индийский флот продолжал эксплуатировать Sea Harrier до 2016 года, [32] в основном со своего авианосца INS Viraat . Последняя версия Harrier, BAE Harrier II , была выведена из эксплуатации в декабре 2010 года после эксплуатации британскими Королевскими ВВС и Королевским флотом. Корпус морской пехоты США , а также итальянские и испанские флоты продолжают использовать AV-8B Harrier II , американо-британский вариант. Заменой Harrier II/AV-8B в воздушных вооружениях США и Великобритании является вариант STOVL Lockheed Martin F-35 Lightning II , F-35B. [33]
SpaceX разработала несколько прототипов Falcon 9 для проверки различных инженерных аспектов своей программы разработки многоразовой системы запуска на малых высотах и малых скоростях . [34] Первый прототип, Grasshopper, совершил восемь успешных испытательных [35] полетов в 2012–2013 годах. Он совершил свой восьмой и последний испытательный полет 7 октября 2013 года, поднявшись на высоту 744 метра (2441 фут), прежде чем совершить восьмую успешную посадку с вертикальным взлетом и посадкой. [36] [37] Это было последнее запланированное испытание для установки Grasshopper; следующими будут испытания на малых высотах опытного транспортного средства Falcon 9 Reusable (F9R) в Техасе, за которыми последуют испытания на большой высоте в Нью-Мексико.
23 ноября 2015 года ракета-носитель New Shepard компании Blue Origin совершила первую успешную вертикальную посадку после беспилотного суборбитального испытательного полета, который достиг космоса. [38] 21 декабря 2015 года первая ступень ракеты SpaceX Falcon 9 совершила успешную посадку после вывода 11 коммерческих спутников на низкую околоземную орбиту на Falcon 9 Flight 20. [ 39] Эти демонстрации открыли путь к существенному сокращению расходов на космические полеты. [40]
Форма VTOL вертолета позволяет ему взлетать и приземляться вертикально, зависать и лететь вперед, назад и вбок. Эти атрибуты позволяют использовать вертолеты в перегруженных или изолированных районах, где самолеты с фиксированным крылом обычно не могут взлетать или приземляться. Способность эффективно зависать в течение длительных периодов времени обусловлена относительно длинными и, следовательно, эффективными лопастями ротора вертолета и позволяет вертолету выполнять задачи, которые самолеты с фиксированным крылом и другие формы самолетов с вертикальным взлетом и посадкой не могли выполнять по крайней мере так же хорошо до 2011 года .
С другой стороны, длинные лопасти несущего винта ограничивают максимальную скорость примерно 250 милями в час (400 км/ч) по крайней мере для обычных вертолетов, поскольку срыв потока на отступающих лопастях вызывает боковую неустойчивость.
Автожиры также известны как гиропланы или гирокоптеры. Ротор не имеет привода и свободно вращается в воздушном потоке по мере движения аппарата вперед, поэтому аппарату нужна обычная силовая установка для обеспечения тяги. Автожир по своей сути не способен к VTOL: для VTO ротор должен раскручиваться до нужной скорости вспомогательным приводом, а вертикальная посадка требует точного управления импульсом ротора и шагом.
Гиродины также известны как составные вертолеты или составные автожиры. Гиродины имеют приводной ротор вертолета с отдельной системой прямой тяги автожира. Помимо взлета и посадки ротор может быть без привода и авторотировать. Конструкции также могут включать укороченные крылья для дополнительной подъемной силы.
Цикложир или циклокоптер имеет вращающееся крыло, ось и поверхности которого расположены поперек воздушного потока, как и у обычного крыла.
Существует ряд конструкций для достижения подъемной силы, и некоторые конструкции могут использовать более одной. Существует много экспериментальных конструкций, которые имеют уникальные конструктивные особенности для достижения подъемной силы.
Конвертоплан взлетает под действием подъемной силы ротора, как вертолет, а затем переходит в режим подъемной силы фиксированного крыла в прямом полете. Примерами этого являются Bell Boeing V-22 Osprey
Конвертоплан или пропеллер наклоняет свои пропеллеры или роторы вертикально для вертикального взлета и посадки, а затем наклоняет их вперед для горизонтального полета на крыле, в то время как основное крыло остается неподвижным.
Похож на концепцию конвертоплана, но с канальными вентиляторами . Как это можно увидеть в Bell X-22 .
У наклонно-поворотного летательного аппарата пропеллеры или роторы закреплены на обычном крыле и наклоняют всю конструкцию для перехода из вертикального в горизонтальный полет.
Пассажир садится вертикально на хвост самолета во время взлета и посадки, а затем наклоняет весь самолет вперед для горизонтального полета.
Векторизация тяги — это метод, используемый в реактивных и ракетных двигателях, где направление выхлопа двигателя изменяется. В VTOL выхлоп может изменяться между вертикальной и горизонтальной тягой.
Похож на концепцию конвертоплана, но с турбореактивными или турбовентиляторными двигателями вместо двигателей с пропеллерами.
Подъемный реактивный двигатель — вспомогательный реактивный двигатель, используемый для обеспечения подъемной силы при вертикальном взлете и посадке, но может быть отключен для обычного полета с опорой на крыло. Як-38 — единственный серийный самолет, использующий подъемные реактивные двигатели.
Подъемный вентилятор — это конфигурация самолета, в которой подъемные вентиляторы расположены в больших отверстиях в обычном неподвижном крыле или фюзеляже. Используется для операций V/STOL.
Самолет взлетает, используя вентиляторы для создания подъемной силы, затем переходит в режим подъемной силы с фиксированным крылом в прямом полете. Было совершено несколько экспериментальных полетов, но только F-35 Lightning II поступил в производство.
Самолеты, в которых вертикальный взлет и посадка достигается за счет использования эффекта Коанда , способны перенаправлять воздух подобно управлению вектором тяги , но вместо того, чтобы направлять воздушный поток через воздуховод, воздушный поток просто направляется вдоль существующей поверхности, которой обычно является корпус самолета, что позволяет использовать меньше материала и веса.
Avro Canada VZ-9 Avrocar , или просто VZ-9, был канадским VTOL-самолетом, разработанным Avro Aircraft Ltd. , который использует это явление, вдувая воздух в центральную область, затем направляя его вниз по верхней поверхности, которая является параболической и напоминает изогнутую летающую тарелку . Благодаря эффекту Коанды воздушный поток притягивается к ближайшей поверхности и продолжает двигаться вдоль этой поверхности, несмотря на изменение направления поверхности от воздушного потока. Аппарат спроектирован так, чтобы направлять воздушный поток вниз для обеспечения подъемной силы.
Jetoptera анонсировала предлагаемую линейку самолетов, основанную на так называемом жидкостном движении, которое использует эффект Коанда. Компания заявляет, что число эффективности Освальда составляет 1,45 для ее конструкции коробчатого крыла. Другие заявления включают повышенную эффективность, меньший вес на 30%, сниженную сложность, на 25 дБА более низкий (и атональный) шум, более короткие крылья и масштабируемость. [41] [42] Jetoptera заявляет, что ее подход дает коэффициенты увеличения тяги, превышающие 2,0, и 50% экономии топлива по сравнению с турбовентиляторным двигателем в статических или висящих условиях. Его истечение может быть использовано для архитектур Upper Surface Blown для повышения коэффициента подъемной силы до значений, превышающих 8,0.
SpaceX построила бетонный стартовый комплекс площадью в пол-акра в Макгрегоре, и ракета Grasshopper уже стоит на площадке, оснащенная четырьмя серебристыми посадочными опорами, похожими на насекомые.
: Grasshopper взлетает на самую высокую высоту на сегодняшний день — 744 м (2441 фут) в небе Техаса.
