Оно отвечает за устойчивость, управляемость и балансировку самолета в полете. За 120-летнюю историю авиации каких только его конструкций не предлагалось в поисках оптимальной. Оказалось, для каждого типа самолета есть свой идеал. По его внешнему виду можно сразу узнать дозвуковой или сверхзвуковой это летательный аппарат, высокоманевренный или нет. И это все – хвостовое оперение самолета.
В классическом варианте хвостовое оперение состоит из горизонтального (стабилизатора и руля высоты) и вертикального (киля и руля направления) оперений. Однако есть иные схемы, сильно отличающихся от «канона».
«Скорее прыгун, чем аэроплан»
В зависимости от количества вертикальных стабилизаторов бывают летательные аппараты трехкилевые, двух-, одно-… Есть и абсолютно без киля, построенные с использованием аэродинамической схемы «летающее крыло». Есть самолеты, у которых киль хоть и имеется, но зовутся они «бесхвостки». Это машины, у которых нет горизонтального хвостового оперения. Управление и стабилизацию таких самолетов как по тангажу, так и по крену обеспечивает основное крыло и его механизация.
Впервые такую аэродинамическую схему предложил еще на заре авиации ирландский военный инженер Джон Данн (John Dunne). Вернувшись после Второй англо-бурской войны в Англию для лечения, Данн увлекся воздухоплаванием: на это его подвигли прочитанные еще в детстве романы Жюля Верна и советы нового друга, писателя-фантаста Герберта Уэллса. Джон начал изготавливать небольшие бумажные модели летательных аппаратов. Поначалу, как и многие другие первые энтузиасты-авиастроители, Данн отталкивался в своих поисках оптимальной конструкции от полета птиц. Однако созданная в 1902 году его первая модель так и не смогла нормально летать, постоянно теряя устойчивость и сваливаясь в штопор. Так Данн пришел к мысли, что летательный аппарат должен быть аэродинамически устойчивым. Используя свои инженерные познания, Джон выбрал в качестве наиболее оптимальной схемы для своего первого планёра-биплана вариант со стреловидным крылом, но без киля и хвостовых горизонтальных стабилизаторов. Управление осуществлялось с помощью особых поверхностей на крыле, называемых теперь элевонами: когда они одновременно отклонялись в одну сторону, то работали как рули высоты, когда в разные – управляли креном для поворотов.
Построить полноразмерный планёр, названный Джоном D.1 , удалось в 1907 году. Данн, работавший тогда на Военном воздухоплавательном заводе в Фарнборо, увлек своими идеями руководителя предприятия, капитана (в будущем – генерал-майора) Джона Каппера (John Capper). Тот выбил под проект финансирование в Военном министерстве. Решили, если планёр нормально будет летать, то на него потом поставят моторы, превратив в полноценный аэроплан. Испытать D.1 вызвался сам Каппер, хотя и не имел на тот момент никакого летного опыта. В июле 1907 года он попытался поднять D.1 в воздух, разогнавшись под уклон. Но уже через 8 секунд полета планёр из-за порыва ветра резко снизился, задел крылом землю и упал. Каппер не пострадал: аппарат не успел набрать большую высоту. Военное министерство посчитала испытания успешными.
Два следующих года Данн доводил конструкцию до ума. В Фарнборо построили новый аппарат D.4, на котором сразу стоял мотор. Но мощности двигателя явно не хватало для длительного полета. Максимум, чего удалось добиться во время испытаний в декабре 1908 года, так это пролететь 36 м после разбега длиной 360 м. Сам Данн писал: «D.4 – скорее прыгун, чем аэроплан».
Первая записка в полете
Военное министерство устало от бесплодных трудов и уволило Данна с завода, подарив ему в качестве выходного пособия его же самолет. Но Джон не успокоился. В 1909 году он заинтересовал своим следующим проектом D.5 первую британскую самолетостроительную компанию Short Brothers, основанную братьями Юстасом, Освальдом и Хорасом Шортами. Новый самолет Данна также представлял собой «бесхвостку» со стреловидным крылом. Изобретатель сам назвал его «самоустойчивое крыло» (inherent stability wing). Плоскости крыла имели отрицательную закрутку к их концам, из-за чего на больших углах атаки не происходил срыв воздушного потока, обтекающего крыло. Такое крыло обеспечивало большой запас устойчивости по крену. Для ее повышения на концах крыла D.5 были установлены вертикальные кили.
Первый полет D.5 под управлением самого Джона Данна состоялся 11 марта 1910 года. Пару месяцев спустя D.5 уже пролетал свыше 3 км. Уникальный полет состоялся в декабре того же года. Вот как о нем в своем акте писала экспертная комиссия, в состав которой входил даже знаменитый Орвилл Райт: «Во втором полете, продолжительностью 2 минуты 29 секунд, мистер Данн делал заметки на листе бумаги. Бумага была не жесткая и требовалось использовать обе руки, чтобы делать заметки карандашом. Это подтверждает, что обе руки были сняты с рычагов управления на время, необходимое для записи во время полета. При снижении, после выключения двигателя мистер Данн поднял обе руки в воздух и продолжал держать руки в том же положении во время посадки». Та записка Данна стала первым в истории документальным свидетельством о характеристиках самолета, записанным в полете самим пилотом. А D.5 стал первым сертифицированным самолетом-«бесхвосткой», продемонстрировавшим устойчивый полет.
Плюсы и минусы «бесхвосток»
Чем же привлекательна «бесхвостка»? У самолета классической схемы есть и крыло, и горизонтальный стабилизатор. Обе эти поверхности, естественно, имеют лобовое сопротивление. У «бесхвостки» нет стабилизатора, а потому и лобовое сопротивление ниже. Это достоинство послужило, например, важным аргументом при выборе аэродинамической схемы первых в мире сверхзвуковых пассажирских лайнеров – советского Ту-144 и англо-французского Concorde. Оба они – типичные представители «бесхвосток».
Но схема «бесхвостка» не давала одни только плюсы. Были и свои проблемы. Например, из-за отсутствия на хвосте стабилизаторов нет компенсирующего момента по тангажу, то есть самолет может «клевать носом». Одним из вариантов предотвращения этого служит установка особо спрофилированного крыла, как это делал Данн. У такого крыла либо передние кромки должны быть отклонены назад, либо в его задней части должна быть обратная выпуклость.
Со временем появилось и еще одно решение проблемы устойчивости «бесхвосток» – компьютерное управление, постоянно поддерживающее нужные углы отклонения механизации крыла. И этим сейчас активно пользуются. Ведь обратная сторона низкой устойчивости – высокая маневренность, а это – важная характеристика для современных истребителей. К тому же есть у «бесхвосток» и еще один плюс: у них из-за отсутствия стабилизаторов меньше заметность для радаров.
Сверхзвуковой полет
Раз уж была затронута тема сверхзвуковых полетов, нужно сказать и о хвостах летательных аппаратов для таких скоростей. Еще при приближении к заветному «одному М» летчики отмечали: по мере увеличения скорости эффективность работы хвостового оперения все меньше и меньше. «Не хватает рулей», – жаловались пилоты. Это происходило из-за разного распределения давления до и за ударной волной, возникающей при переходе на сверхзвук.
Выходом стало увеличение площади управляющих поверхностей на сверхзвуковых машинах. Достаточно взглянуть на кили тех же Ту-144 и Concorde: они просто огромные по сравнению с дозвуковыми лайнерами. На боевых самолетах для достижения требуемой управляемости вообще пришлось отказаться от классической схемы горизонтальных стабилизаторов с рулями высоты и перейти к цельноповоротному горизонтальному оперению, или ЦПГО. Одним из первых отечественных самолетов с ЦПГО стал истребитель-перехватчик МиГ-19.
На большинстве истребителей 4-го и 5-го поколений хвостовое оперение включает два цельноповоротных стабилизатора и два цельноповоротных киля. Где не получалось поставить два обычных киля, там использовали подфюзеляжные кили и гребни, как, например, на нашем МиГ-23, на американских F-8 и F-16.
Хвосты, как буквы
Часто варианты схем хвостового оперения обозначают буквами, на которые они похожи. У каждого из них тоже есть свои плюсы и свои минусы.
Так, например, двухкилевое хвостовое оперение в англоязычной литературе часто называют не только двойной хвост (twin tail), но и H-образное. Действительно, сзади такой хвост напоминает сильно растянутую по горизонтали букву H. H-хвост еще очень похож на двухбалочный самолет, который также именует двухлонжеронный или как еще говорят «двойной хвост»: у такого самолета хвостовое оперение установлено на двух отдельных хвостовых балках (лонжеронах), идущих параллельно фюзеляжу. Самые, пожалуй, известные двухлонжеронные самолеты – немецкий разведывательный Focke-Wulf Fw 189 времен Второй мировой войны, прозванный в советских войсках «Рамой», и российский высотный самолет М-55 «Геофизика».
А вот у H-хвоста два киля устанавливаются на концах горизонтального хвостового оперения – стабилизаторов, закрепленных на единой и неделимой хвостовой части фюзеляжа. H-образное хвостовое оперение было, например, у советского пикирующего бомбардировщика Пе-2 и фронтового высокоскоростного бомбардировщика Ту-2 времен Великой Отечественной войны, у американских бомбардировщиков Второй мировой войны B-24 и B-25, у американского же штурмовика A-10.
В чем смысл такого «раздвоения» киля? Два вертикальных стабилизатора у H-хвоста по размерам получаются меньше, чем один обычный киль. Это, например, может уменьшить высоту ангара для размещения самолета. У двухмоторных винтовых машин с H-хвостом рули направления оказываются в воздушном потоке от винтов, обеспечивая лучшее управление на низких скоростях. Раздвоенное хвостовое оперение также может увеличить зону обстрела для стрелка, находящегося в хвостовой части фюзеляжа. Наконец, два хвоста лучше одного при аварии: если один киль поврежден, то можно худо-бедно управлять вторым.
Однако у двухкилевого оперения есть и недостатки. Так, при перетекании потока воздуха с нижней поверхности крыла на верхнюю на концах крыла всегда образуются вихри. У двухкилевых самолетов эти вихри на килях получаются в сумме больше, чем у однокилевых, что снижает их аэродинамические характеристики. Кроме того, при отклонении руля направления, стоящего не по оси самолета, а на конце стабилизатора, возникает приличный момент по крену из-за большого плеча.
Также из-за расположения килей на концах стабилизаторов само горизонтальное оперение приходится делать более мощным, а это – дополнительный вес. Усложняется и кинематика управления, конструкция узлов крепления к фюзеляжу. Приходится решать: что больше даст H-хвост – плюсов или минусов.
V – не только victory или vendetta
А вот V-кили плотно прописались на современных малозаметных истребителях 5-го поколения. Видимо, такая схема сохранится и для следующей генерации боевых машин.
У V-образного хвостового оперения традиционные, «классические» вертикальные кили и горизонтальные стабилизаторы заменяются двумя поверхностями, расположенными под углом, как стороны буквы V. Они крепятся шарнирно в хвостовой части самолета и сочетают в себе одновременно функции руля направления и руля высоты.
Впервые эту схему предложил польский летчик и инженер Ежи Рудлицкий (Jerzy Rudlicki). Он запатентовал такую конструкцию в 1930 году. Для испытания своего изобретения в следующем году V-образный хвост был установлен на французском военном учебно-тренировочном самолете Hanriot HD.28, собираемым в Польше по лицензии. Затем такую же хвостовую часть Ежи предложил использовать на легком разведчике-корректировщике R-XIX, представлявшим собой модернизированный вариант разведчика R-XIII с обычным хвостом. В 1932 году первый прототип R-XIII был перестроен в опытный R-XIX. Однако проведенные в том же году испытания самолета не выявили никаких существенных преимуществ V-образного хвоста по сравнению с «классикой», а потому дальнейшие работы над R-XIX были прекращены, в серию он не пошел.
Но V-схема со временем доказала свое право на существование. В 1947-1982 годах было собрано 10661 американских шестиместных одномоторных самолетов общей авиации Model 35 Bonanza фирмы Beechcraft. У всех их был именно V-хвост. В 1952-62 годах во Франции и в 1958-67 годах по лицензии в Финляндии было собрано 868 французских двухместных реактивных учебно-тренировочных самолета CM.170 Magister компании Fouga, использовавших такое же хвостовое оперение. С 2008 года в США производится реактивный однодвигательный семиместный бизнес-джет Vision SF50 фирмы Cirrus с той же схемой оперения. Ставят V-хвост и на беспилотниках, например, на американском стратегическом разведывательном RQ-4 Global Hawk компании Northrop Grumman.
Кстати, оказалось V-хвост можно использовать и в перевернутом виде, плоскостями вниз. Первый такой самолет хотели построить немцы: это был проект миниатюрного истребителя P213 Miniaturjäger фирмы Blohm und Voss с импульсным реактивным двигателем Argus Ar 014. Однако расчетные характеристики самолета оказались низкими, и в декабре 1944 года проект был отменен. Позже «перевернутую V» стали применяться в конструкции беспилотников, например, американского разведчика GNAT-750 и многоцелевого MQ-1 Predator компании General Atomics.
Есть и симметричный вариант, совмещающий как V над фюзеляжем, так и ˄ под. Из него получается X-хвост. Таким оперением обладал экспериментальный турбовинтовой самолет-истребитель вертикального взлета и посадки XFV-1 Salmon, созданный в начале 1950-х годов фирмой Lockheed. На X-хвост он как раз должен был вертикально садиться и с него же взлетать. Однако заказчик «Лосося» – ВМС США – не был доволен характеристиками самолета и программу закрыли.
«Стелс»-хвост
V-хвост стал неотъемлемой частью самолетов-«невидимок» последнего поколения. Первым из них был американский малозаметный тактический штурмовик F-117 компании Lockheed. Следом пошли машины с «модернизированным V», где помимо двух наклонных килей имелось еще и ЦПГО: американские F-22 и F-35, российский Су-57, китайский J-31, турецкий опытный Kaan и японский опытный X-2. На китайском J-20 вместе с двумя V-килями стоит переднее горизонтальное оперение. А на российском Су-75 Checkmate – классический V-хвост с наклонными плоскостями и без ЦПГО.
Помимо совмещения функций рулей направления и высоты в чем еще смысл килей, расположенных под углом? В идеале V-образное хвостовое оперение легче, чем «классическое», состоящее из одного киля и двух стабилизаторов. И в теории оно дает меньшее в сумме лобовое аэродинамическое сопротивление, чем «классика». Однако на практике это не совсем так: испытания V-хвостов показали, что для сохранения эффективности управления наклонные кили должны быть больше, чем можно было ожидать. Получается, их общая площадь примерно соответствует «классической» схеме с тремя поверхностями.
Но есть неоспоримые преимущества. Два разнесенных киля по сравнению с одним центральным позволяют на больших углах атаки снизить их аэродинамическое затенение фюзеляжем и тем самым поднять эффективность. Есть определенные конструктивные выгоды. Например, если используется только один двигатель, и он стоит не внутри фюзеляжа, а снаружи сверху, тогда одиночный «классический» киль оказался бы в выхлопной струе. V-образное хвостовое оперение решает эту проблему. Это и стало главной причиной выбора V-хвоста на легких бизнес-джетах Vision SF50 и Eclipse 400, а также на некоторых больших реактивных беспилотниках. Но, что наиболее важно для новейших военных самолетов, V-хвост уменьшает количество прямых углов на корпусе, повышая радиолокационную незаметность.
Есть у V-оперения и недостатки. Например, для такой схемы требуется более длинная часть фюзеляжа, чтобы предотвратить рыскание самолета. Эта проблема, названная «извивание змеи» (snaking), выявилась при взлете и посадке французских CM.170, у которых был относительно короткий фюзеляж.
Т-образный
Есть еще один «буквенный» вариант хвостового оперения – Т-образный. У него стабилизатор стоит на верхушке киля. Раньше оно часто встречалось на пассажирских самолетах – на советских Ил-62, Ту-134 и Ту-154, на американских MD-90 и Boeing 717, на британском BAe 146.
Сейчас его можно чаще всего видеть на военно-транспортных машинах: на российском Ил-76МД-90А, европейском A400M, на американских C-17 и C-5, на бразильском C-390. Почему? Все транспортные самолеты – высокопланы, то есть крыло у них стоит над фюзеляжем, а двигатели закреплены под крылом. Потому Т-схема позволяет защитить хвостовое оперение от реактивных выхлопов. Та же логика была и у конструкторов первых реактивных пассажирских самолетов, на которых двигатели стояли не под крылом, как обычно сейчас, а в хвосте. Кроме того, для околозвукового полета Т-образный хвост может повысить эффективность управления, поскольку руль высоты не находится в зоне турбулентности за фюзеляжем. Такой хвост дает больший просвет в задней части самолета, что очень приветствуется для грузовых лайнеров. Это оперение также снижает вероятность того, что оно будет задето при десантировании или сбросе с воздуха грузов с военно-транспортных самолетов, ведь хвост находится намного выше кормового грузового люка.
Главное, не выходить с T-хвостом на большие углы атаки. Вот тогда стабилизаторы и киль оказываются в аэродинамической тени от основного крыла, и их эффективность резко падает. Но вряд ли транспортные самолеты будут заниматься таким высшем пилотажем. Потому T-образный хвост для них в самый раз.
Как видно, вариантов хвостового оперения множество. Главное, оценив все плюсы и минусы, выбрать оптимальную конструкцию, наиболее подходящую для того, или иного типа самолета.
Электрический VoltAir из будущего
В июне 2011 года дочерняя компания Airbus фирма VoltAir представила проект одноименного полностью электрического пассажирского самолета. В проекте была масса новаций. Основной силовой установкой были электродвигатели из высокотемпературных сверхпроводящих материалов. Они приводили в движение толкающий винт, представляющий собой два соосных, вращающихся в противоположных направлениях пропеллера на хвосте. Форма фюзеляжа, изготовленного из композитных материалов, напоминала пулю. Конструкторы VoltAir считали, что вихревые потоки, создаваемые корпусом самолета, фактически будут поглощаться толкающими вентиляторами, что улучшит аэродинамику. Вокруг вентилятора должна была стоять цилиндрическая мотогондола. С ней было интегрировано V-образное хвостовое оперение. Это было, пожалуй, первое такое объединение корпуса мотора с рулями.
До создания летающего VoltAir, правда, дело не дошло. В 2014 году взлетел прототип E-Fan, на котором отрабатывались технологии электрических двигателей. Но его хвостовое оперение было сделано по вполне обычной T-схеме. В апреле 2017 года работы по проекту VoltAir были остановлены. Но сама идея размещения на мотогондоле хвостового оперения осталась и ждет своей апробации в будущих проектах.
Текст: Константин Лантратов
