Конвертоплан Bell X-22 (США) - «Военные действия»

В рамках проекта Doak VZ-4 американской авиационной промышленности удалось подтвердить возможность строительства и эксплуатации летательных аппаратов вертикального взлета с поворотными кольцевыми каналами несущих винтов. Такая архитектура авиационной техники давала определенные преимущества перед существующими образцами, что привело к появлению нового проекта. На основе существующих наработок вскоре был создан конвертоплан Bell X-22.

В основе новых проектов лежали достаточно простые идеи. Обеспечивать вертикальный взлет с возможностью перехода к горизонтальному полету предлагалось при помощи несущих винтов, способных качаться вокруг горизонтальной оси. С целью повышения основных характеристик было предложено поместить винты внутрь кольцевых каналов. Это позволяло повысить эффективность винта, а также сократить его размеры. Кроме того, правильная конструкция канала позволяла использовать его в качестве дополнительной несущей плоскости в горизонтальном полете. Подобная схема конвертоплана получила название Tiltduct.


Bell X-22 в полете. Фото Diseno-art.com
По опыту испытаний опытной машины VZ-4 потенциальные заказчики в лице различных структур вооруженных сил США инициировали создание более крупного образца с иными характеристиками. В перспективе такая техника могла бы даже поступить в эксплуатацию.

В ноябре 1962 года командование военно-морских сил Соединенных Штатов заключило контракт с компанией Bell Helicopter. В соответствии с соглашением стоимостью 27,5 млн долларов, в течение двух следующих лет авиастроительная компания должна была разработать новый конвертоплан-тилтдакт, а затем построить и вывести на испытания два опытных образца. С учетом возможного практического применения требовалось оснастить машину сразу четырьмя несущими винтами в кольцевых каналах. Это позволяло дать ей требуемые характеристики, а также сократить размеры до приемлемого уровня.

Новый проект конвертоплана получил официальное обозначение X-22, говорившее о его принадлежности к т.н. X-серии – условному семейству экспериментальных летательных аппаратов, предназначавшихся для отработки новых смелых идей. На фирме «Белл» проект получил рабочее обозначение D2127. По понятным причинам, широкую известность летательный аппарат получил именно под официальным названием.

Исходя из требований военно-морских сил, компания-разработчик должна была создать конвертоплан с поворотными каналами винтов, отличающийся максимально возможными характеристиками и минимальными размерами. Габариты и технические параметры машины должны были соответствовать требованиям к военно-транспортным вертолетам того времени. В случае удачного завершения проекта конвертоплан X-22 мог пройти доработку и поступить в полноценную эксплуатацию.


Схема конвертоплана. Рисунок Aviastar.org

С учетом подобных требований был сформирован общий облик перспективной машины. Предлагалось создать летательный аппарат схемы «утка» с фюзеляжем большого объема и крылом заднего расположения. На бортах фюзеляжа и крыле следовало размещать поворотные кольцевые каналы. Для улучшения аэродинамических и летных характеристик предлагалось разнести пары винтов: каналы заднего крыла должны были находиться дальше от фюзеляжа в сравнении с каналами переднего. Также были предложены оригинальный состав силовой установки и сравнительно сложная трансмиссия, обеспечивающая привод всех имеющихся винтов. При всем этом конвертоплан нуждался в новой системе управления с соответствующими возможностями.

Конвертоплан Bell X-22 получил цельнометаллический фюзеляж упрощенной формы, отличавшийся сравнительно большими внутренними объемами. Фюзеляж имел скругленный носовой обтекатель, выполненный в виде единой структуры с крупным лобовым остеклением. Позади кабины пилотов фюзеляж имел сечение, близкое к прямоугольному. В хвосте ширина и высота фюзеляжа уменьшалась, хвостовая балка была поднята вверх. Такие обводы фюзеляжа в будущем позволяли разработать полноценную транспортную машину.

Компоновка фюзеляжа была достаточно простой и соответствовала целям проекта. В носовой части располагалась кабина пилотов, имевшая полный набор необходимых приборов и органов управления. Рядом с ней располагался приборный отсек. Вблизи центра тяжести машины помещались топливные баки общей емкостью 1760 л. Большая часть объемов фюзеляжа при этом оставалась пустой и могла использоваться для перевозки грузов. Позади кабины, в хвостовой балке и в некоторых других частях фюзеляжа размещались агрегаты трансмиссии.


Прототип на аэродроме. Фото Airwar.ru

В хвостовой части фюзеляжа предусматривалась установка высокорасположенного крыла малого удлинения. Несущая плоскость отличалась небольшим размахом и увеличенной длиной хорды. В передней ее части, вблизи фюзеляжа, предусматривались два крупных выреза для установки обтекателей двигателей. Законцовки крыла оснащались узлами для установки поворотных кольцевых каналов. Крыло необычной конструкции не имело собственной механизации. Непосредственно над крылом помещался трапециевидный киль. Руль направления не использовался в связи с применением иных принципов управления.

Конвертоплан получил оригинальные несущие винты в кольцевых каналах. Для вертикального подъема и горизонтального полета предлагалось использовать набор из четырех одинаковых винтов компании Hamilton Standard. Винт имел диаметр 2,13 м и оснащался тремя лопастями композитной конструкции. Лопасть получала стальной лонжерон и стекловолоконную обшивку с усилением носка никелевой полосой. Такая лопасть была на четверть легче цельнометаллической, но отличалась втрое большей усталостной прочностью. Лопасти монтировались на втулке, обеспечивавшей изменение их шага.

Втулка и вал воздушного винта закреплялись на центральной гондоле, которая, в свою очередь, при помощи нескольких стоек соединялась с кольцевым каналом. Последний имел стенки особого профиля, создававшего подъемную силу при горизонтальном полете. Непосредственно за кабиной на бортах фюзеляжа устанавливались два канала с винтами. Вторая пара таких устройств помещалась на законцовках крыла. Для улучшения летных данных хвостовые каналы оснащались дополнительными горизонтальными стабилизаторами, помещенными на их внешней поверхности.

При помощи гидравлических приводов каналы винтов могли качаться в вертикальной плоскости. Каждый канал имел свой гидравлический цилиндр, однако проектом предусматривалась механическая связь двух соседних устройств. Как следствие, даже при поломках одного из приводов пара кольцевых каналов сохраняла возможность синхронного перемещения.


Вид спереди-сверху. Фото Airwar.ru

Было предложено использовать аэродинамические рули необычной конструкции. На задней части кольцевого канала помещался элевон большой площади. По командам от органов управления кабины такой руль мог подниматься или опускаться, соответствующим образом меняя направление потока от воздушного винта. Синхронное или дифференцированное отклонение четырех элевонов, по задумке авторов проекта, позволяло управлять машиной на всех режимах полета.

Размещение двигателей в непосредственной близости от винтов посчитали нецелесообразным. Из-за этого конвертоплан-тилтдакт D2127 / X-22 получил необычную силовую установку. На центроплане крыла, в непосредственной близости от фюзеляжа, попарно устанавливались четыре турбовальных двигателя General Electric YT58-GE-8B/D мощностью 1267 л.с. каждый. Моторы располагались с наклоном назад, из-за чего их воздухозаборники находились выше крыла, а сопла – ниже. Интересной особенностью силовой установки было одновременное использование систем подачи топлива двух типов. Двигатели моделей YT58-GE-8B и YT58-GE-8D были максимально унифицированы, но отличались средствами подачи горючего. Конвертоплан получил системы подачи топлива двух типов, которые предлагалось использовать попеременно, в зависимости от режима полета.

Применение четырех сгруппированных двигателей и такого же количества разнесенных винтов привело к разработке оригинальной трансмиссии. В состав трансмиссии было включено десять редукторов, имевших разные задачи и располагавшихся в различных частях машины. Главный редуктор принимал 19500 оборотов в минуту и понижал их до 2600, выдававшихся на основные валы. При помощи нескольких дополнительных редукторов осуществлялась выдача крутящего момента на редукторы винтов. Конструкция трансмиссии обеспечивала вращение всех четырех винтов даже при одном работающем двигателе.


Приборная панель в кабине пилотов. Фото Wikimedia Commons

Летательный аппарат получил трехточечное убираемое шасси. Под кабиной находилась носовая стойка с двумя колесами малого диаметра. В полете она могла убираться в нижу фюзеляжа. На бортах предусматривалась установка основных стоек с колесами большего диаметра. Они убирались в фюзеляж поворотом навстречу друг другу.

Экипаж конвертоплана состоял из двух человек и располагался в носовой кабине бок о бок. На рабочих местах пилотов размещался полный набор органов управления, основывавшихся на традиционных системах вертолетного типа. Управлять машиной предлагалось при помощи основной ручки, рычага наклона кольцевых каналов, педалей и четырех рукояток управления двигателями. Перемещения органов управления воспринимались автоматикой и преобразовывались в требуемые команды на исполнительные механизмы, соответствующие текущему режиму полета. Так, во время вертикального взлета подъем осуществлялся за счет изменения шага всех четырех винтов. Для контроля по крену, тангажу и рысканью при этом использовалось дифференцированное изменение тяги.

Управление на переходных режимах и в горизонтальном полете должно было осуществляться, в первую очередь, при помощи отклонения элевонов. За счет размещения непосредственно за винтами удалось повысить эффективность работы плоскостей. Из-за этого отклонение элевонов приводило к требуемому результату во всем диапазоне скоростей полета. Управление по рысканью выполнялось путем изменения тяги винтов разных бортов. В зависимости от скорости полета и других факторов управление также могло осуществляться с использованием изменения положения кольцевых каналов. В нормальном положении при горизонтальном полете оси передних винтов поднимались на 3° относительно горизонтали, оси задних – опускались на 2°.


Вертикальный взлет. Фото Airwar.ru

Автоматика управления, использовавшаяся на конвертоплане, имела функцию т.н. переменной устойчивости. Путем настройки различных параметров этой системы можно было изменять поведение машины в полете. Предполагалось, что наличие такой функции позволит не только испытать опытный X-22, но и провести некоторые исследования перспективных или гипотетических летательных аппаратов. Авторы проекта разработали большое число программ, имитировавших поведение существующих самолетов и вертолетов серийных типов. Переменная устойчивость могла включаться только для левого пилотского места. Второй пилот всегда должен был использовать штатные алгоритмы управления, что было необходимо для обеспечения безопасности в сложных ситуациях.

Конвертоплан-тилтдакт должен был иметь длину 12 м при размахе крыла (по боковым плоскостям задней пары каналов) 11,96 м. Ширина машины по передним каналам не превышал 7 м. Высота на стоянке – 6,3 м. Масса пустой машины X-22 составляла 4750 кг, максимальный взлетный вес – 8 т. По расчетам, конвертоплан должен был развивать скорость более 400 км/ч и подниматься на высоту 8,5 км. Дальность полета – не менее 710 км.

Разработка проекта Bell D2127 / X-22 завершилась в конце 1964 года, почти в соответствии с изначально установленным графиком. Вскоре после этого стартовало строительство первого опытного образца. Его вывели из сборочного цеха в конце мая следующего года. Проверки планировалось начать с наземных испытаний с применением специального стенда и привязных тросов. Первый этап подобных проверок занял чуть менее года, за это время было выполнено несколько полетов общей продолжительностью порядка 50 часов.


Полет "по-вертолетному" на малой высоте. Фото Airwar.ru

17 марта 1966 года опытный конвертоплан впервые поднялся в воздух «по-вертолетному». За 10 минут летчики-испытатели выполнили четыре взлета и посадки. Во время одного из таких подлетов был осуществлен разворот на 180°. В течение нескольких следующих месяцев испытатели вновь поднимали машину в воздух на разных режимах. Проверялись характеристики вертикального полета, а также отрабатывался сокращенный разбег с разными углами наклона кольцевых каналов.

К началу августа первый опытный X-22 успел совершить 14 свободных полетов общей продолжительностью около 3,2 часа. 8 августа летчики-испытатели вновь подняли машину в воздух и приступили к выполнению полетного задания. Целью полета был переход от вертикального полета к горизонтальному с последующей вертикальной посадкой. При подъеме каналов в вертикальное положение произошел последовательный отказ двух гидравлических приводов элевонов, из-за чего машина потеряла устойчивость и начала снижаться с превышением допустимой вертикальной скорости. Упав на землю, конвертоплан разломился пополам. Пилоты не пострадали.

Изучение разбитой машины позволило установить причины происшествия. Подача гидравлической жидкости в приводы элевонов осуществлялась через шарнирный фитинг, расположенный на стыке кольцевого канала и планера. Из-за повышенной вибрации два таких соединения разрушились, что привело к потере жидкости. Для исключения подобных ситуаций в будущем было решено заменить шарнирные связи с жесткими элементами на мягкие трубопроводы. Кроме того, алюминиевые трубки заменили стальными, а также усилили их крепления на силовом наборе.


В горизонтальном полете. Фото Vertipedia.vtol.org

Также в ходе доработки проекта были учтены некоторые результаты предыдущих испытаний. Во время одной из наземных проверок при переводе каналов в горизонтальное положение не сработали средства синхронизации. Передние винты повернулись на требуемый угол, тогда как задние остались в прежнем положении. Проблема была решена путем улучшения системы синхронизации: алюминиевый продольный вал заменили стальным. При прохождении лопасти у стенки канала образовывалась зона повышенного давления, за которой следовала зона пониженного. Такая нагрузка приводила к растрескиванию стеклопластиковой конструкции, из-за чего пришлось увеличить толщину внутренней стенки кольцевого канала. Кроме того, внутри каналов следовало установить генераторы вихрей. Без них движущийся воздух производил чрезмерный жужжащий шум.

Подобные доработки проекта были использованы при строительстве второго опытного летательного аппарата. Его вывели на испытания в начале 1967 года; первый полет состоялся 26 января. Второй прототип быстро прошел те же испытания, что и первый, после чего появилась возможность начала полномасштабной программы проверок. В течение нескольких следующих лет опытный конвертоплан регулярно поднимался в воздух, работая на разных режимах и выполняя разнообразные полетные задания.

Последние полеты в рамках этих испытаний состоялись в начале 1971 года. За это время опытный D2127 / X-22 успел выполнить 228 полетов общей продолжительностью 125 часов. Экипажи испытателей 400 раз взлетали и садились вертикально, свыше 200 раз машина поднималась в воздух и садилась с укороченным пробегом. 250 раз осуществлялся переход от вертикального полета к горизонтальному и наоборот.


Машина на переходном режиме. Фото Airwar.ru

Согласно отчетам испытателей, опытный образец хорошо показал себя на всех режимах. Машина отличалась хорошей управляемостью, которая не ухудшалась даже на малых скоростях и высотах. Управление на вертикальном взлете и висении было проще, чем у существующих вертолетов. Горизонтальный полет не вызывал никаких нареканий. Хорошие отзывы получила автоматика управления, преобразовывавшая движения органов управления в команды для исполнительных механизмов. В целом, возможность полноценного практического применения техники класса Tiltduct была подтверждена многочисленными тестовыми полетами.

После завершения летных испытаний, проводившихся под надзором военного ведомства, стартовала новая программа, в рамках которой планировалось уделить большее внимание поведению техники на сложных режимах. Для проведения таких испытаний прототип X-22 передали лаборатории Cornell Aeronautical Laboratory (г. Буффало).

С августа 1971 года по февраль 1972-го опытный X-22 использовался для оценки возможности захода на укороченную посадку с большими углами глиссады – до 10°. С лета 1972 года по зиму следующего 1973-го проводились схожие работы, но с иными параметрами колебаний по крену и рысканью. Осенью того же года стартовали работы, в рамках которых определялись новые требования к авионике и оборудованию кабины. В течение полутора лет специалисты работали над созданием систем, позволяющих осуществлять взлет и посадку на всех режимах в любое время суток.


Полет вблизи р. Ниагара, 9 сентября 1969 г. Фото Getty Images

С февраля 1977-го по март 1978 года проводились схожие испытания, однако теперь проверялись конкретные нововведения. В частности, опытная машина получила новые радиолокаторы, позволявшие определять собственное местоположение с повышенной точностью. Впервые в ходе испытаний в систему переменной устойчивости были введены данные определенного самолета, а не некие общие параметры. Задачей системы в ходе нескольких полетов была имитация поведения палубного самолета AV-8B.

До мая 1980 года специалисты занимались отработкой взлета и посадки на палубу движущегося корабля. Для этого пришлось создать новые программы для системы переменной устойчивости. Успешное решение подобных задач позволило осуществить несколько испытательных полетов с имитацией сложных корабельных условий. Проверки вновь осуществлялись в интересах конкретного перспективного проекта.

Еще до окончания специальных испытаний летательного аппарата Bell X-22 военно-морские силы США решили отказаться от дальнейшего развития конвертопланов различных схем. Из-за этого после завершения проверок уникальная машина осталась без дела. В начале восьмидесятых годов второй построенный прототип несколько раз использовали в показательных мероприятиях, но потом поставили на прикол. Было решено передать опытный образец Музею военно-морской авиации (г. Пенсакола), однако руководство этой организации отказалось от такого подарка. Музей не посчитал нужным принимать образец техники, никогда не состоявшей на вооружении авиации ВМС. Из-за этого в течение нескольких следующих лет X-22 был вынужден оставаться в одном из ангаров аэропорта Буффало.
Сохранившийся Bell X-22 в качестве музейного экспоната. Фото Airport-data.com
В 1995 году конвертоплан вывели из ангара и оставили под открытым небом, поскольку он уже не был нужен, но при этом занимал место под крышей. К счастью, машина была спасена от неблагоприятных факторов. Местное Историческое общество нашло деньги на пластиковый тент, под защитой которого X-22 оставался в течение нескольких следующих лет. Новое место для уникального образца удалось найти только в 1998 году. В Нью-Йорке был открыт Ниагарский аэрокосмический музей, руководство которого проявило инициативу и забрало никому не нужный опытный образец. С тех пор конвертоплан-тилтдакт находится в одном из павильонов музея и имеет вполне приличное состояние.

Целью проекта Bell X-22 было создание нового конвертоплана с поворотными кольцевыми каналами, отличающегося от предшественников большими размерами и в дальнейшем способного найти свое место в структуре военной или гражданской авиации. Имеющийся опыт и новые наработки позволили решить поставленные задачи и представить на испытания два опытных образца. Тем не менее, основной потенциальный заказчик в лице Пентагона со временем разочаровался в подобной технике, предпочтя ей «традиционные» вертолеты. Уникальный проект потерял перспективы практического толка, однако помог провести ряд важнейших испытаний. В частности, именно X-22 помог провести ранние исследования по тематике самолетов вертикального взлета. Изменение взглядов военного ведомства стало фатальным для оригинального проекта и всего направления в целом. Bell X-22 оказался последней машиной своего класса, построенной в США. Американская промышленность более не разрабатывала новые конвертопланы с поворотными кольцевыми каналами.
По материалам сайтов:
http://aviastar.org/
http://airwar.ru/
https://vertipedia.vtol.org/
http://aviadejavu.ru/
http://diseno-art.com/
http://airport-data.com/