Дж. У. — фантазёр, аутсайдер и трендсеттер

Джулиан Волкович не был первым, кому пришла в голову мысль о бипланной схеме с крыльями, сомкнутыми на концах. Но даже осознав её потенциал, он не успел заметно повлиять на историю авиации. Тем не менее каждый из бесчисленных нынешних рендеров фантастических самолётов с соединённым крылом (joined wing) появился на свет благодаря именно ему

Картонные крылья любви

Джулиан Волкович появился на свет в Великобритании, а в 1958 году переехал в США. Он трудился в «Конвере», «Воуте» и ряде других аэрокосмических компаний, где накопил солидный багаж знаний в области аэродинамического проектирования. Мысль о пространственной несущей системе посетила его далеко не первым. Ещё в 1920-х годах «карманным планёром» увлёкся Рейнгольд Платц, бывший главный конструктор «Фоккера», а Джузеппе Белянка строил весьма удачные монопланы с профилированными подкосами, дававшими дополнительную подъёмную силу. После войны советский авиаконструктор М. А. Кузаков предлагал опробовать пространственное крыло на «кукурузнике» По-2.

Недостатка в проектах и патентах не наблюдалось, но все они оставались единичными «заходами на цель». Если не считать Белянки, дальше бумаги дело не шло, а в лучшем случае ограничивалось одиночными опытными машинами. Энтузиасты, ничего не зная о предшественниках, самостоятельно обнаруживали те или иные достоинства «соединённого крыла». Тема не находила широкого отклика, а значит, не обзаводилась и последователями: стоило очередному инженеру-одиночке по какой-либо причине охладеть к ней, как она вновь уходила в забвение — до тех пор, пока какой-нибудь новый «Кулибин» не открывал её заново.

Свои изыскания Волкович начал с масштабного изучения патентов, уделив особое внимание конструкции Платца. В 1974 году 42-летний инженер подал собственную заявку — на «дельтаплан женатого мужчины». По замыслу Волковича, удовольствие от полёта для такого бедолаги должно было сочетаться с полной уверенностью супруги в его безопасности.

Подобно аппарату Платца, «планёр для всех» имел два гибких крыла, смещённых друг относительно друга и по высоте, и по длине фюзеляжа. Передней кромкой каждого крыла служил мощный лонжерон, задней — трос, а между ними натягивались полотнища брезента или парусины. Фюзеляж представлял собой открытую ферму с креслом и крупным килем. Лонжерон переднего крыла крепился к носовой части фермы, заднего — к килю, а на концах лонжероны соединялись друг с другом. Прямоугольные очертания заднего крыла определялись концевыми нервюрами — обычными рейками, установленными под углом к лонжеронам. Все соединения были шарнирными: конструкция получалась статически определимой и при этом жёсткой, поскольку лонжероны и в виде спереди, и в виде сверху образовывали с фермой замкнутые треугольники. Именно этим замысел Волковича отличался от планёра Платца, у которого переднее крыло было принципиально нежёстким и замыкалось на руки пилота. По курсу аппарат направлялся обычным рулём направления, а по крену и тангажу — изменением кривизны профиля крыльев: специальные «поводья» натягивали их задние кромки.

Многогранный бриллиант

Волкович построил свой планёр и сам на нём летал. Несмотря на несовершенный способ управления, концепция в целом показала себя жизнеспособной. Более того, энтузиаст разглядел для неё куда более обширную сферу применения, чем «тряпколёты». В 1982 году он основал в Калифорнии компанию АСА Industries и запатентовал новый, «серьёзный» облик. Вернее, сразу множество обликов: заявка, поданная в 1980 году, стремилась охватить все мыслимые воплощения концепции. Общим для них был ромбовидный контур из двух крыльев кессонной конструкции: заднее крыло обратной стреловидности крепилось к килю или верхней части фюзеляжа, а значит, располагалось выше переднего — стреловидного низкоплана. В плане частокол передних и задних кромок напоминал огранённый алмаз. Крылья тянулись навстречу друг другу: переднее имело положительное поперечное «V», заднее — отрицательное. Впрочем, по условиям хитроумного патента угол поперечного «V» как передней, так и задней несущей поверхности мог меняться (по модулю) от 0 до 30°. Невзирая на сложное взаимное расположение крыльев, изобретатель придумал, как их складывать — например, для корабельного базирования: все четыре консоли разделялись попарно соосными шарнирами. Размах крыльев либо одинаков, либо больше у переднего, которое в таком случае выступает за стыки.

В базовой компоновке задняя кромка переднего крыла точно смыкается с передней кромкой заднего. Однако Волкович запатентовал и варианты с зазором между крыльями, и с их взаимным перекрытием. Стык представляет собой вертикальную поверхность и работает как винглет, уменьшая вихревое сопротивление. Если заднее крыло нестреловидное, то плеча «стыковых шайб» хватает, чтобы они выполняли роль вертикального оперения и несли рули направления. А когда заднее крыло к тому же крепится к фюзеляжу, центральный киль и вовсе не требуется. Взамен «стыковых шайб» изобретатель предлагал веретенообразные или каплевидные обтекатели, в которых можно разместить топливные баки, ниши для уборки шасси, отсеки вооружения или что-нибудь ещё полезное. Стабилизатора в патентах Волковича нет, а рулевые поверхности расположены и на переднем, и на заднем крыле — соответственно впереди и позади центра масс; при согласованном отклонении они способны управлять подъёмной силой напрямую, без изменения угла атаки самолёта.

Можно, но зачем?

Во многих публикациях соединённое крыло Волковича не отличают от других типов пространственных крыльев, и совершенно напрасно. У кольцепланов, «бокс-вингов» и прочих подобных схем форма в виде спереди либо прямоугольная, либо причудливо-криволинейная. Обещаемые ими выгоды лежат в области аэродинамики: с таких крыльев концевые вихри срываются менее интенсивно, и индуктивное сопротивление снижается. Идея довольно умозрительна: аэродинамическое сопротивление складывается не только из индуктивной составляющей, а сопротивление формы и трения вертикальные поверхности, как их ни закручивай, всё равно повысят — что выиграем в одном, наверняка потеряем в другом.

Замысел Волковича проще. Его крылья образуют замкнутые треугольники и в виде спереди, и в плане, а из школьной геометрии известно, что треугольник — фигура жёсткая. «Joined wing» — это подкос сам для себя! Нагрузку от подъёмной силы оно воспринимает как единая конструкция с огромной строительной высотой. Соединённое крыло получается очень лёгким, а делать его можно намного уже и «размашистее» свободнонесущего, не опасаясь ни поломки, ни возникновения каких-нибудь злых автоколебаний. Иначе говоря, удлинение у него гораздо выше (это отношение квадрата размаха к площади крыла) — а ведь это один из важнейших геометрических параметров, напрямую определяющих аэродинамическое совершенство несущей поверхности. Главные достоинства конструкции Волковича — лёгкость и жёсткость, но выходит, что и в аэродинамике мы всё же выигрываем!

Есть и другие плюсы: например, форма крыла повышает боковую устойчивость. Весьма заманчиво разместить внутри несущей поверхности активную фазированную антенную решётку (АФАР) радиолокатора (РЛС) с круговым обзором по азимуту. Ну и как ни крути, «замкнутость» концов всё-таки снижает индуктивное сопротивление. Высказывались и предположения (насколько я понимаю, непроверенные), что на сверхзвуке «joined wing» даёт относительно слабый звуковой удар.

Недостатки соединённого крыла — продолжение его достоинств. Стоит перейти от «тряпколётов» к серьёзной технике, как оно требует жёстких (не шарнирных) стыков консолей между собой и с фюзеляжем. Такая система оказывается избыточно «зажатой»: в сопротивлении материалов её называют статически неопределимой. С одной стороны, даже разрыв одной связи (разрушение стыка или лонжерона) сам по себе не обрушит конструкцию, хотя под внешней нагрузкой она уже может сложиться. С другой стороны, в статически неопределимых системах возникают паразитные напряжения — например, когда мы жёстко собираем стержни, которые из-за технологических погрешностей собираться не слишком хотят. Рассчитывать их тоже сложнее: привычные предварительные прикидки массы крыла, когда его принимают за консольную балку, здесь не работают. Заднее крыло в концепции Волковича одновременно испытывает изгиб и сжатие, что чревато потерей устойчивости (в «сопроматном» смысле).