Дмитрий Мамонтов
[E-mail]

      Что обычно представляется вам, когда вы слышите словосочетание "неустойчивый самолет"? Падающий, неуправляемый самолет, радиопризыв о помощи, катапультирующийся летчик… Несколько десятков лет назад так бы оно и было. С самых истоков авиастроения конструкторы стремились строить все более и более устойчивые летательные аппараты, вначале - вслепую, интуитивно, затем, с развитием аэродинамики, с помощью самых совершенных научных расчетов. Никому из отцов-основателей конструкторских бюро или аэрокосмических фирм, скорее всего, и в голову не могла прийти мысль, что их фирмы в недалеком будущем будут проектировать и строить заведомо неустойчивые летательные аппараты.
      На заре авиастроения, в первых самолетах использовались системы непосредственного ручного управления (НРУ), что предполагало передачу усилия пилота с ручки управления на аэродинамические органы управления (и, согласно третьему закону Ньютона, обратно). Затем появились бустерные системы (в основном гидравлика), которые облегчали управление самолетом, но снижали надежность, и приходилось системы управления дублировать и даже встраивать резервные системы НРУ. В такой ситуации создать неустойчивый самолет было практически невозможно. Только в 70-х годах, с развитием электроники, появились первые неустойчивые самолеты, оснащенные электродистанционными системами управления (ЭДСУ) с контурами стабилизации. Причем мнение, что неустойчивый самолет может летать только с помощью компьютерной системы управления, ошибочно - ЭДСУ могут быть как цифровыми, так и аналоговыми.
      Давайте посмотрим, что же такое неустойчивый летательный аппарат (ЛА). Для начала введем несколько терминов. Итак, устойчивостью ЛА обычно называют его способность восстанавливать тот режим полета, от которого он отклонился под воздействием какого-либо возмущения. Обычно, говоря об устойчивости, подразумевают статическую устойчивость; это означает, что при качественной оценке устойчивости рассматривается статическое равновесие действующих на ЛА моментов и сил. Различают следующие виды статической устойчивости: продольная устойчивость по углу атаки, по перегрузке, моментная устойчивость по скорости, силовая устойчивость по скорости, путевая устойчивость и поперечная устойчивость. Для того чтобы характеризовать устойчивость количественно, вводят такую характеристику, как степень устойчивости, или запас устойчивости (продольной статической устойчивости по углу атаки, по перегрузке, по скорости, поперечной статической устойчивости).
      Наиболее интересной для нас будет рассмотрение степени продольной статической устойчивости по углу атаки. Она определяется как разность между усредненными положениями центра масс и аэродинамического фокуса (точки приложения приращения подъемной силы при изменении угла атаки), измеренная в долях САХ (средней аэродинамической хорды крыла). САХ - важная характеристика крыла, имеющая размерность длины; говоря нормальным языком, она имеет примерный смысл "аэродинамической ширины" крыла. Соответственно, если центр масс расположен перед аэродинамическим фокусом, ЛА устойчив, если позади - неустойчив. Таким образом, неустойчивость тоже можно измерять в долях (или в процентах) САХ.
      Чем же полезна неустойчивость ЛА? Да, это не оговорка, она действительно полезна. Во-первых, неустойчивый ЛА обладает меньшим аэродинамическим сопротивлением, что позволяет экономить топливо. А во-вторых, такие самолеты очень маневренны, так как обладают способностью быстрого выхода на сверхбольшие углы атаки, тем самым позволяя изменить свое пространственное положение за короткое время. Маневренность очень важна для определенных классов ЛА, в частности для истребителей.
      Одним из самых известных российских истребителей является истребитель-перехватчик Су-27 (первый полет опытного самолета Т-10-1 состоялся в мае 1977 года). Он с самого начала разрабатывался как первый отечественный статически неустойчивый истребитель. Запас статической устойчивости Су-27 может быть как положительным, так и отрицательным, в зависимости от центровки. ЭДСУ обеспечивает управление самолетом при неустойчивости до 5% САХ. Су-27 оснащен аналоговой ЭДСУ (в продольном канале), а в поперечном и путевом каналах используется традиционная механическая проводка. Кроме того, ЭДСУ выполняет еще одну роль - она служит для повышения устойчивости и управляемости во всех трех каналах. Для большей надежности ЭДСУ имеет многократное резервирование - в продольном канале четырехкратное, а в боковых - трехкратное.
      Дальнейшим развитием идеи неустойчивого самолета стал многоцелевой истребитель Су-35 (первый полет - май 1985 года). Он построен уже по другой аэродинамической схеме и представляет собой неустойчивый интегральный триплан с передним горизонтальным оперением (ПГО). Самолет оборудован уже цифровой ЭДСУ с четырехкратным резервированием в продольном канале и трехкратным - в боковых. В Су-35 резервирование жизненно важно, поскольку степень его собственной продольной неустойчивости составляет 20% САХ! При проектировании самолета к надежности системы управления предъявлялось два требования: вероятность отказа, приводящая к потере управления истребителем, должна быть менее 10-7, и, кроме того, система должна обеспечивать возможность управления самолетом при любых двух последовательных отказах в ее электрической части. Достигается это, кроме резервирования, "размазыванием" каналов системы управления по всему объему самолета.
      Су-35, наряду с более новым Су-37, является самым неустойчивым серийным истребителем в мире. Летные качества Су-35, как и его предшественника Су-27, заслужили высокую оценку зарубежных специалистов. Именно на Су-27 была впервые выполнена новая фигура пилотажа - "кобра Пугачева" (динамическое торможение с выходом на угол атаки 120 градусов), названная так по имени первого исполнителя, летчика-испытателя Виктора Пугачева. На основе Су-27 было разработано множество модификаций, предназначенных для выполнения различных задач, - от корабельного истребителя Су-33 (Су-27К) до истребителя-бомбардировщика Су-34 (Су-27ИБ).
      Последняя разработка ОКБ им. Сухого - многоцелевой сверхманевренный истребитель Су-37 (первый полет состоялся 12 апреля 1996 года - символично, не правда ли?). Этот самолет построен по той же схеме, что и Су-35, но, кроме всего прочего, оборудован двигателями с управляемым вектором тяги. Это значительно повышает его маневренность, особенно на больших углах атаки и малых скоростях. На опытном Су-37 вектор тяги с помощью гидравлики отклоняется в пределах 15 градусов в вертикальной плоскости, однако на серийных моделях в целях повышения живучести планируется управлять отклонением вектора тяги c помощью топливных приводов. Скорость отклонения составляет примерно 30 градусов в секунду. Причем конструкторы заявляют, что этот самолет практически не имеет ограничений по углу атаки, то есть этот угол может достигать 180 градусов (при этом самолет летит хвостом вперед!!!).
      Благодаря этому, Су-37 может выполнять такие фигуры высшего пилотажа, которые просто недоступны другим истребителям. Су-37, как и Су-35, оснащен цифровой ЭДСУ с четырехкратным резервированием в продольном канале и трехкратным - в боковых каналах. Интересно, что Су-37 - один из немногих в мире самолетов, оснащенный ЭДСУ, в контур которой включено управление силовой установкой. Самолет был представлен широкой публике не так давно - на авиасалонах "Фарнборо'96", "Ле-Бурже'97", а россияне могли посмотреть на истребитель и оценить его маневренность на Международном авиационно-космическом салоне ("МАКС'97") в Жуковском, проходившем с 19 по 24 августа этого года (подробный репортаж с "МАКС'97" можно прочитать на www.potrebitel.ru/airshow или www.ocean5.ru/airshow).
      МиГи по своей конструкции более "консервативны" - фронтовой истребитель МиГ-29 и истребитель-перехватчик МиГ-31 являются статически устойчивыми. МиГ-29 оснащен обычной системой управления с механической проводкой. Он достаточно маневрен, его систему управления отличает не только высокая надежность, но и высокая скорость выхода на заданный угол атаки. А вот на МиГ-29М уже установлена аналоговая ЭДСУ с четырехканальным резервированием в продольном контуре и двухканальным - в боковых. Кроме того, в боковых контурах используется и третий канал - механическая проводка, которая может отклонять элероны и рули направления до половины полного хода.
      Не следует, однако, думать, что первенство в проектировании неустойчивых серийных самолетов принадлежит российским авиастроителям. Первый зарубежный самолет с пониженным запасом статической устойчивости - известный многоцелевой истребитель General Dynamics F-16 Fighting Falcon - появился раньше отечественных (первый полет опытного YF-16 состоялся в феврале 1974 года). Причем с самого начала этот истребитель оснащался аналоговой ЭДСУ с четырехкратным резервированием и без резервной механической проводки (!). С декабря 1988 года F-16 оборудуется уже цифровой ЭДСУ.
      Палубный истребитель-бомбардировщик McDonnell-Douglas F/A-18 Hornet (первый полет - апрель 1980 года) также оснащен цифровой ЭДСУ с четырехкратным резервированием. Для повышения надежности имеется прямая электрическая проводка ко всем поверхностям управления и, кроме того, еще и механическая проводка к стабилизатору. Запас статической устойчивости F/A-18 близок к нулевому, на некоторых режимах самолет неустойчив.
      Самый последний американский истребитель - многоцелевой Lockheed/Boeing/General Dynamics F-22, созданный в рамках программы ATF (Advanced Tactical Fighter). Он построен с применением технологии Stealth (малоотражающие формы, радиопоглощающие материалы, малоизлучающее радиоэлектронное оборудование). Кстати, в этом случае технология Stealth применяется в основном не для того, чтобы самолет нельзя было обнаружить наземными радарами, а для затруднения наведения управляемых ракет в воздушном бою - это повышает живучесть самолета. F-22 имеет двигатели с отклоняемым на 20 градусов в вертикальной плоскости вектором тяги, а также плоскими соплами (в целях снижения радиолокационной и тепловой заметности), управляемыми при помощи гидравлики. Кроме того, в F-22 используется самая современная ЭДСУ - цифровая, с волоконно-оптическими линиями связи (100 Мбайт/с).
      Французские многоцелевые истребители Dassault-Breguet Mirage 2000 (первый полет - март 1978 года) и Rafale D/M (май 1991-го) также обладают малым запасом статической устойчивости. Оба оборудованы ЭДСУ: Mirage 2000 - аналоговой (четырехкратное резервирование плюс аварийный канал с питанием от аккумулятора), Rafale - цифровой (трехкратное резервирование плюс сдвоенная аналоговая подсистема).
      Нельзя также не отметить шведский статически неустойчивый самолет SAAB-Scania JAS39 Gripen (первый полет - декабрь 1988 года), управляемый цифровой ЭДСУ (трехканальное резервирование плюс резервная строенная аналоговая система).
      Перспективный совместный европейский многоцелевой истребитель Eurofighter EFA 2000 также планируется сделать статически неустойчивым. Он будет управляться цифровой ЭДСУ с четырехкратным резервированием.
      Как видно, серийных неустойчивых самолетов не так уж и мало. Пользу из неустойчивых конфигураций извлекают пока только военные, повышая в основном маневренность самолетов. Однако вполне возможно, что в ближайшем будущем гражданские авиаконструкторы обратят внимание на неустойчивые схемы, ведь они дают значительную экономию топлива. Правда, остается одна загвоздка - надежность; у пассажирских самолетов она должна быть очень высока, а в надежность ЭДСУ, даже при многократном резервировании, гражданские авиаконструкторы, видимо, пока не верят. Тем не менее когда-нибудь и мы полетим на неустойчивых пассажирских авиалайнерах.
      P. S. Когда эта статья уже была написана, стало известно о том, что в ОКБ им. Сухого разработан и даже уже совершил первый пробный полет прототип самолета следующего поколения (пятого, в то время как все вышеперечисленные модели, кроме Су-37 и F-22, принадлежат к четвертому) - С-37 "Беркут". Он имеет довольно необычную аэродинамическую схему с крылом обратной стреловидности и отклоняемым вектором тяги. По непроверенным данным, самолет построен с использованием элементов технологии Stealth.
      МиГ тоже разрабатывает новую модель МиГ 1.42. Этот истребитель, опять-таки по непроверенным данным, построен по схеме "утка" и тоже с использованием элементов Stealth-технологии. К сожалению, более подробные сведения об этих истребителям пока найти не удалось. Желающие могут посетить Web-страницы, посвященные этим новым истребителям: www.bme.med.ualberta.ca/~fwang/ и www2.netcom.com/~venik/index.htm.

С автором можно связаться по адресу dm@potrebitel.ru