Самолет «Вояджер»

Самолет «Вояджер»

Этот летательный аппарат был сконструирован для длительного путешествия. Поэтому ему и дали имя «Вояджер» – «путешественник».

Рекордный полет американских пилотов на «Вояджере» не может не вызывать восхищения. Самолетом управляли летчик-испытатель Дик Рутан и 34-летняя летчица спортивной авиации Джина Йигер. Девять суток и четыре минуты они находились в воздухе, приземлившись на авиабазе Эдвардс в США 23 декабря 1986 года, откуда и начинали свой перелет.

За девять суток «Вояджер» покрыл расстояние в 40 тысяч километров. Специалисты утверждали, что он мог пролететь еще 500 километров.

Человек во все времена стремился покорить новые рубежи. Первый в мире рекорд дальности полета был установлен в начале XX века бразильцем Альберто Сантос-Дюмоном, который пролетел на летательном аппарате собственной конструкции… 220 метров. Своеобразным предшественником «Вояджера» можно считать АНТ-25, разработанный советским авиаконструктором Андреем Николаевичем Туполевым. На нем были установлены фантастические по тем временам чкаловские рекорды, которые дали мощный импульс развитию советской науки. Советским пилотам, которые в 1937 году совершили беспосадочный перелет из СССР через Северный полюс в Америку, рукоплескал весь мир.

Путешествие «Вояджера» привлекло внимание и Пентагона. Его представитель вспомнил, что предыдущий мировой рекорд полета по прямой был установлен в 1962 году на бомбардировщике ВВС США B-52. Тогда американская «летающая крепость» взлетела в Токио и приземлилась на базе ВВС США в Испании, пролетев более двадцати тысяч километров.

Наиболее яркими представителями экспериментальных самолетов из композиционных материалов стали два самолета конструктора Берта Рутана: административный самолет фирмы «Боинг» Бичкрафт «Старшип-1» и рекордный дальний самолет Рутан «Вояджер». Первый из этих самолетов выпуска 1983 года был спроектирован с помощью ЭВМ, при этом в качестве основного материала конструкции был использован углепластик с повышенными техническими показателями.

По схеме самолет Бичкрафт «Старшип-1» был двухдвигательным самолетом-«уткой», причем разнесенное вертикальное оперение располагалось на концах крыла, одновременно выполняя функции концевых шайб.

В 1981 году Рутан начал работать над самолетом «Вояджер», который предназначался для кругосветного беспосадочного перелета. Скромная гостиная дома Берта Рутана в городке Мохаве, штат Калифорния, превратилась в штаб по подготовке полета и служила этой цели целых пять лет. Вместе с ним работали его брат Дик и Джина Йигер, в прошлом чертежница-конструктор. А в ангаре № 77 на местном аэродроме все это время не было отбоя от добровольцев. Многие местные жители изъявили желание помочь в строительстве летательного аппарата.

Предметом особой гордости братьев было то, что они претворили в жизнь свою затею на собственные средства, не получив от правительства ни цента. Но было бы ошибкой подозревать их в полном бескорыстии. Создав фирму «Вояджер эйркрафт инкорпорейтед», Рутаны наметили программу возвращения своих денег и даже получения прибылей за счет показательных полетов и рекламы. Так, например, компания «Мобил ойл корпорейшн» предоставила для двигателей «Вояджера» новое синтетическое масло, взамен приобретя право использовать изображение самолета на рекламных проспектах своей продукции.

Первый испытательный полет, выполненный в июне 1984 года Диком, продолжался 30 минут. Максимальное же расчетное время полета самолета без посадки было 14 суток, протяженность – 45060 километров. Но абсолютный рекорд дальности – полет без посадки и без дозаправки – состоялся через два года.

Дальность полета зависит, прежде всего, от отношения веса топлива к взлетному весу самолета. Масса пустого самолета «Вояджер» была всего 840 килограммов при массе горючего в 4052 килограмма. Взлетная масса составляла 5137 килограммов. 72 процента взлетного веса «Вояджера» составляло топливо! Для сравнения, у современных дальних пассажирских самолетов относительный вес топлива доходит примерно до 40 процентов, у АНТ-25, чуда 1930-х годов, он составлял 52 процента. Недаром в американской печати его окрестили «летающим бензобаком».

Повышение запаса топлива представляет особенно трудную проблему именно для небольших самолетов. Ведь у них не хватает внутреннего объема для размещения такого большого запаса горючего. На «Вояджере» объемы для топлива удалось увеличить за счет применения двухбалочной компоновочной схемы. Кроме традиционных емкостей, прежде всего в крыле, а также в фюзеляже и горизонтальном оперении, были использованы дополнительные емкости этих двух балок.

Другой важнейшей задачей было снижение веса пустого самолета. Уменьшению веса конструкции способствовало применение новейших композиционных материалов с высочайшими характеристиками. Так, основной использованный углепластик в пять-десять раз прочнее стали и намного легче обычных алюминиевых сплавов. Примененная двухбалочная компоновка также способствовала уменьшению веса конструкции, так как эти балки, как говорят, «разгружали» крыло (снижали изгибающий момент по крылу от аэродинамических сил за счет нагружения крыла моментом в противоположную сторону, вниз, от сил веса балок с содержимым). Уменьшился вес силовой установки, оборудования, снаряжения. Все это способствовало и уменьшению потребной тяги или мощности двигателей, а значит, их веса и расхода топлива.

Другим способом увеличения дальности полета является улучшение аэродинамики самолета. Это позволяет выбрать менее мощный и вместе с тем более легкий двигатель с меньшим расходом топлива. Поскольку «Вояджер» тихоходный самолет, то значительную долю аэродинамического сопротивления составляет так называемое индуктивное сопротивление, обусловленное вихреобразованием на концах крыла и снижающееся при увеличении размаха крыла. Для борьбы с ним на самолете было установлено чрезвычайно длинное крыло с удлинением 33,8 (отношение размаха к средней хорде – ширине), в то время как у современных пассажирских самолетов удлинение крыла, как правило, не превышает 10.

Гондола с кабиной экипажа и двумя поршневыми двигателями располагались на крыле. Передний двигатель воздушного охлаждения мощностью 130 лошадиных сил с тянущим винтом работал на взлете, а задний, жидкостного охлаждения, мощностью 110 лошадиных сил использовался для маршевого полета. Двигатели были изготовлены фирмой «Теледайн континенталь» по заказу Пентагона для беспилотных разведывательных самолетов.

«…Самой большой находкой конструктора Б. Рутана, – пишет В.А. Киселев в журнале «Техника и наука», – является разработка и применение на «Вояджере» концепции двух двигателей. Уже отмечалось, что для экономии топлива нужно применять двигатель минимальной мощности. Но в процессе полета на дальность вес самолета снижается за счет выработки топлива. У «Вояджера» это снижение тоже рекордно – в 5 раз! Следовательно, в эти 5 раз желательно уменьшить и мощность силовой установки. Снижать мощность за счет такого значительного дросселирования и уменьшения числа оборотов двигателя невыгодно; удельный расход топлива растет; желательно совершать полет при оборотах, близких к расчетным. В такой ситуации очень выгодным явилось решение использовать два работающих двигателя в начальный период полета и только один – в остальной период, когда выработка горючего снизила вес самолета».

В результате расход горючего у «Вояджера» составил в среднем всего 91 грамм на километр. Это примерно столько же, сколько расходуют обычные легковые машины типа «Жигулей». А ведь самолет в несколько раз тяжелее и к тому же не ехал, а летел со средней скоростью 185 километров в час. Два двигателя, это не только экономия горючего, но и повышение безопасности. Они также в экстренном случае позволяют увеличить мощность при необходимости преодоления грозового фронта или горных вершин. По всей видимости, именно концепция двух двигателей явилась тем последним звеном, которое в итоге позволило достичь успеха.

«Расположить два двигателя на крыле нельзя, – продолжает Киселев, – ведь значительную часть полета работает только один и он будет создавать несимметричную тягу. Значит, оба винта надо располагать по оси симметрии самолета. Применить два соосных винта, каждый из которых вращается своим двигателем, плохо: потребуется длинный и тяжелый вал от заднего двигателя к винту; один остановленный винт снизит эффективность другого. Тогда, может, разнести винты и двигатели по концам фюзеляжа? Такое решение не пройдет, потому что при посадке и взлете задний винт или заденет землю, или, чтобы этого не произошло, потребуются длинные и тяжелые стойки шасси, что явно невыгодно. Тогда давайте сдвинем задний винт вперед, укоротив фюзеляж, но не сдвигая вперед горизонтального оперения (ГО), не укорачивая его плеча. Достичь этого можно, закрепив ГО на двух дополнительных балках фюзеляжа. Полученная компоновка уже удовлетворяет рассмотренной концепции двух двигателей. Но обратим внимание на оптимальную форму крыла "Вояджера". Оно очень длинное и узкое (с малой хордой). На такой малой хорде трудно обеспечить жесткость крепления фюзеляжа и двух балок; относительные деформации ГО и крыла будут значительны, что ухудшит устойчивость и управляемость самолета. Кроме того, в потоке от винтов находится ГО, что, хотя и может улучшить управляемость, но зато снизит тягу винта. Последнее обстоятельство для сверхдальнего самолета имеет более существенное отрицательное значение. В этой ситуации Б. Рутан находит оригинальное решение: поменять местами крыло и ГО, то есть от обычной аэродинамической схемы с хвостовым оперением перейти к схеме "утка", у которой ГО находится впереди крыла. Теперь переднее ГО связывает между собой балки и сам фюзеляж, то есть является дополнительной опорой для балок фюзеляжа. Такая схема обеспечивает большую жесткость и меньшую угловую деформацию ГО относительно крыла. Теперь ничто не тормозит потока от винта основного заднего двигателя. Следовательно, решение, найденное Б. Рутаном, является самым выгодным, оптимальным».

Когда из ангара № 77 на аэродроме в Мохаве впервые выкатили летательный аппарат, собравшиеся специалисты и журналисты были поражены его странным сходством с гигантской ископаемой птицей – птеродактилем.

14 декабря 1986 года «Вояджер», разбежавшись по взлетной дорожке до скорости 70 миль в час (в дальнейшем скорость полета «Вояджера» колебалась от 90 до 150 миль в час), некоторое время не мог взлететь. Крыло, полностью загруженное горючим, несмотря на повышение его изгибной жесткости, дало очень большой прогиб. В конце разбега самолета, когда начались сильные упругие изгибные колебания крыла, произошло несколько ударов колеблющихся концов консолей о поверхность взлетной полосы. Концевые щитки крыла оторвались: левый – на земле, а правый – в воздухе. Однако из-за этих «мелочей» полет решено было не прерывать.

В. Бирюков подробно рассказал о полете «Вояджера» в журнале «Природа и человек»: «…Первые двое суток полета Дик провел за штурвалом «Вояджера» практически бессменно. Он лишь на короткие промежутки времени передавал управление Джине или включал автопилот. Если перелет над Тихим океаном не представил особых трудностей, то дальше, над Малайзией, над Индийским океаном, а главное над территорией Африки путешественники столкнулись с зонами сильных атмосферных волнений…

…Экипаж был вынужден и резко менять курс (порой до 90 градусов), и спешно уходить вниз или вверх, спасаясь от коварных турбулентных потоков.

На третий день пути в районе Филиппинского архипелага наступил редкий момент, когда, по настоянию врача экспедиции, оставшегося на аэродроме в Мохаве, был включен автопилот. Дик и Джина получили возможность отдохнуть. Кабина самолета столь мала – 70x210x140 сантиметров, что Дик дремал, откинув голову на пилотское кресло, а Джина размещалась лежа, правее от него, окруженная многочисленными приборами и необходимыми в полете предметами. Чего только не было в кабине: переключатели емкостей с горючим (их было на борту всего 16), аварийная ручная помпа для горючего, автоматическая и принудительная заправка двигателей маслом, рация, навигационные приборы, две канистры с питьевой водой (40 литров), контейнеры с провиантом. И еще одна трудность, которая сопровождала путешественников все девять дней полета, – оглушающий шум двигателей. Наземные диспетчеры полета в Мохаве поддерживали радиосвязь с «Вояджером» через спутники или пользовались услугами ретрансляторов авиалайнеров, оказывавшихся в непосредственной близости от путешественников. Они сообщали, что Дик и Джина далеко не сразу реагировали на радиозапросы. Нередко проходило не менее пяти минут, пока пилоты собирались с мыслями.

Когда «Вояджер» летел над центральной частью Атлантического океана, направляясь к побережью Латинской Америки, на приборной доске кабины внезапно загорелась красная лампочка. Задний двигатель сильно нагрелся, упало давление масла. А вскоре мотор, чихнув несколько раз, заглох. Наземные диспетчеры передали на борт: "Внимание! Готовьтесь к аварийной посадке", – и стали прикидывать, на каком из бразильских аэродромов можно ее совершить, Джина и Дик, которым попутный ветер над западной частью Атлантики позволил немного передохнуть, были подавлены неприятным известием. Но через несколько минут экипаж радостно сообщил на землю, что полет будет продолжен. Утомленные борьбой со стихией, летчики забыли вовремя долить масло в двигатель. Ошибка была исправлена, двигатель удалось запустить.

На заключительном этапе маршрута, когда «Вояджер» после того, как он почти сутки буквально крался между циклонами вдоль западного побережья США и Мексики и приближался к базе ВВС Эдвардс, внезапно прекратилась подача горючего. Причем в тот же самый злополучный задний двигатель. Джина по самый пояс влезла в правое крыло, отключила автоматическую помпу и приступила к подаче горючего при помощи ручной. Но на этом злоключения не кончились – отказал стартер. Дик включил автопилот и полез в левое крыло, где находились предохранители электросистемы. Только тогда стартер заработал, а затем, немного покапризничав, заработал и мотор. Потом включилась автоматическая помпа горючего, и Джина смогла вернуться в кабину на свое место».

В конце концов, Дик и Джина выдержали это тяжелое девятисуточное испытание непрерывным шумом, жесткой болтанкой и неудобствами малой кабины самолета и с честью закончили этот исторический перелет на авиабазе Эдвардс.