Сверхманевренность истребителей и её преимущества
К современным истребителям, в том числе к машинам последнего пятого поколения, предъявляется ряд особых требований. Одно из них затрагивает вопрос маневренности и управляемости: перспективный самолет должен отличаться сверхманевренностью. Рассмотрим этот вопрос подробнее и определим, что такое сверхманевренность, зачем она нужна современному истребителю и какими способами достигаются такие возможности.
История вопроса
Концепция сверхманевренности истребителя начала формироваться в семидесятых годах прошлого века. Существующие истребители того времени имели определенные ограничения по маневрированию, что могло мешать эффективному ведению воздушного боя. Маневр с выходом на критические углы атаки (20-25° в зависимости от типа самолета) приводил к резкому изменению характера обтекания, срыву потока и сваливанию в штопор. При этом рост скоростей полета и совершенствование вооружений приводили к необходимости дальнейшего повышения маневренности истребителей.
Современные российские самолеты с возможностями сверхманевренности. Фото ПАО "Сухой" / sukhoi.org
В нашей стране и за рубежом были проведены многочисленные исследования на тему повышения маневренности, и они дали интересный результат. Оказалось, что некоторые перспективные конструкции планеров позволяют доводить угол атаки едва ли не до 180° и угол скольжения до 90°. Впрочем, такой полет предъявлял особые требования к системам управления. В частности, при росте углов атаки падала эффективность аэродинамических рулей, а контроль за машиной резко усложнялся. Тем не менее, была определена и подтверждена принципиальная возможность пилотирования на закритических режимах.
В дальнейшем новые знания и опыт можно было использовать в реальных проектах, однако мнения о перспективах сверхманевренности разделились. Советские ученые и военные посчитали, что рост маневренности имеет смысл: с его помощью можно было резко повысить эффективность истребителя в ближнем бою с применением ракетного и пушечного вооружения. Американские специалисты считали более важным дальний ракетный бой, в котором сверхманевренность не давала никаких преимуществ. Эти мнения на некоторое время определили ход развития истребительной авиации.
Позже ситуация немного изменилась. При определении облика перспективных истребителей пятого поколения в США решили внедрить элементы сверхманевренности. Затем схожие наработки появились и у других стран. В итоге все перспективные самолеты последних лет, создаются с применением тех или иных решений, направленных на повышение маневренности и обеспечение управляемости на закритических режимах полета.
Преимущества концепции
Сверхманевренность полезна, прежде всего, в ближнем бою. Угловая скорость пролетающей рядом цели может быть высокой, что предъявляет особые требования к маневренности атакующего самолета. Он должен успевать доворачивать на цель для выполнения успешной атаки. Схожим образом дело обстоит и с защитой: более маневренный самолет сможет «перекрутить» противника и уйти из-под удара, в том числе с переходом в контратаку.
Маневр "Кобра" - вариант использования сверхманевренности. Рисунок Wikimedia Commons
В условиях дальнего ракетного боя сверхманевренность может использоваться для повышения эффективности противоракетного маневра. Кроме того, в различных условиях некоторые характерные фигуры пилотажа могут применяться для противодействия радиолокационным системам противника. В частности, фигуры «кобра» и «колокол», предусматривающий резкое падение скорости, позволяют помешать работе допплеровских РЛС.
Таким образом, тщательное изучение и грамотное применение возможностей самолета должно положительным образом сказываться на его боевых качествах. В ряде ситуаций истребитель со сверхманевренностью будет иметь преимущества перед машиной без таких возможностей, хотя реальный эффект от нее зависит от ряда факторов.
Вопросы аэродинамики
Еще на ранних стадиях исследований было установлено, что для получения сверхманевренности требуются особые конструкции планера и средств управления. По сути, самолет должен иметь возможность простого и быстрого выхода на закритические режимы полета и не проявлять тенденции к его исключению. Также могут появляться специфические требования к аэродинамическим средствам управления.
Су-30 маневрирует с образованием вихрей. Фото ПАО "Сухой" / sukhoi.org
Советская и российская промышленность создала несколько сверхманевренных истребителей, принадлежащих к семействам Су-27 и МиГ-29. Этим машины имеют несколько общих черт. Так, они построены по интегральной схеме, а планер сделан статически неустойчивым на дозвуковых скоростях. Благодаря этим решениям самолеты способны осуществлять энергичное маневрирование, а их аэродинамика не мешает выходу на закритические углы атаки, необходимые для получения сверхманевренности.
Впрочем, особый планер с характерными возможностями потребовал создать специальные средства управления. Так, все самолеты семейства Су-27 оснащаются электродистанционной системой управления, осуществляющей передачу команд летчика на исполнительные механизмы. ЭДСУ принимает сигналы с органов управления, а также обрабатывает данные с массы датчиков и с учетом всей поступающей информации формирует команды для рулевых приводов. Именно ЭДСУ на основных режимах работы обеспечивает стабильное поведение неустойчивого самолета, радикально упрощая работу летчика.
Энергичное маневрирование. Можно рассмотреть сложную совместную работу рулей. Фото ПАО "Сухой" / sukhoi.org
При превышении нормальных углов атаки резко снижается эффективность управляющих плоскостей самолета. Это связано с образованием вихрей и попаданием рулей в аэродинамическую тень от крыла. Такая проблема имеет несколько основных решений. Первое заключается в применении рулевых поверхностей большой площади и особых алгоритмов управления, позволяющих сохранить достаточную эффективность на всех режимах. Второе предлагает применение схем «утка» или «продольный триплан». Переднее горизонтальное оперение подвержено сокращению эффективности за счет падения скорости и образования вихрей, но по определению не может быть затенено крылом. Его можно использовать самостоятельно или в сочетании с «традиционными» стабилизаторами.
Подход с цельноповоротными стабилизаторами и специальной системой управления нашел широкое применение в отечественном самолетостроении и используется в ряде зарубежных проектов. ПГО так же используется в разных проектах нескольких стран. В этом контексте можно вспомнить американский экспериментальный самолет Rockwell-MBB X-31, в котором переднее оперение использовалось в сочетании с другой перспективной методикой обеспечения сверхманевренности – управлением вектором тяги. Ряд российских серийных истребителей имеет и ПГО, и УВТ, что положительно сказывается на маневренности.
Двигатели и сопла
Еще один способ компенсации падения эффективности аэродинамических рулей заключается в использовании систем управления вектором тяги двигателя. При этом происходит не просто восстановление управляемости на прежнем уровне, но и получение новых возможностей. В прошлом в разных странах осуществлялись различные эксперименты с управлением вектором тяги, а сейчас активно идет внедрение таких концепций на практике. Также УВТ может применяться для улучшения взлетно-посадочных характеристик самолета.
Двигатели истребителя Су-35С с УВТ. Фото Wikimedia Commons
В настоящее время используется несколько основных принципов УВТ. В нашей стране получили распространения турбореактивные двигатели с т.н. осесимметричным отклонением вектора. За счет подвижных створок сопла осуществляется отклонение вектора тяги в необходимом направлении. Отечественные двигатели с УВТ могут перемещать вектор в двух плоскостях. Существуют как двигатели со встроенными системами УВТ, так и модульные сопла, совместимые с существующими моторами РД-33 и АЛ-31Ф.
В зарубежной практике изучались и использовались иные варианты УВТ. Так, экспериментальный самолет X-31 получил турбореактивный двигатель General Electric F404-GE-400, за соплом которого поместили три управляемые створки. Их отклонение изменяло направление истечения реактивных газов и перемещало вектор тяги. На истребителях Lockheed Martin F-22 Raptor в серию пошла другая система УВТ. Его двигатели Pratt & Whitney F119-PW-100 оснащены плоскими соплами, образованными корпусом с двумя подвижными створками. Такая конструкция сопла позволяет отклонять вектор тяги только в вертикальной плоскости.
Экспериментальный самолет Rockwell-MBB X-31. Фото USMC
Двигатели с УВТ, в зависимости от их конструкции, обеспечивают управление по всем каналам. Отклонение тяги в вертикальной плоскости дополняет рули высоты, в горизонтальной – рули направления. При наличии двух двигателей, за счет дифференциальной работы сопел, можно осуществлять контроль по крену. Такие системы используют перенаправление тяги, а не аэродинамические силы, благодаря чему имеют преимущества перед рулями. В первую очередь, это повышение угловой скорости при маневрировании, что положительно сказывается на энергичности последнего.
В контексте сверхманевренности необходимо учитывать не только управление вектором тяги, но и основные параметры двигателя. Выход на закритические режимы при выполнении некоторых фигур пилотажа может приводить к резкой потере скорости. Чтобы не оказаться в невыгодном положении, самолет должен иметь возможность быстро набрать скорость после выхода из фигуры. Для этого ему требуется силовая установка достаточной мощности. Исследования и практика показывают, что для решения такой задачи нужна тяговооруженность не менее 1. Рост этого параметра оказывает положительное влияние на все основные летно-технические характеристики, хотя получение таких результатов связано с известными трудностями на стадии разработки двигателя.
Сверхманевренность на практике
Уровень развития технологий, в первую очередь в сфере систем управления, позволил начать освоение сверхманевренности лишь несколько десятилетий назад. К настоящему времени авиационная наука прошла большой путь и создала множество необходимых технологий и изделий, позволяющих значительно повысить маневренность истребителей. Все эти наработки находят применение в современных и перспективных проектах разных стран.
Двигатель Pratt & Whitney F119-PW-100 с щелевым соплом УВТ. Фото Wikimedia Commons
Сейчас на вооружении состоят российские самолеты семейств Су-27 и МиГ-29, а также американские F/A-18E/F и F-22. Кроме того, существовало несколько экспериментальных образцов, а ряд машин еще не дошел до эксплуатации в войсках. В конструкции всех этих самолетов используются те или иные решения, направленные на получение сверхманевренности. Способы достижения таких результатов в разных странах и фирмах отличаются, но цель одна – обеспечить повышение маневренности для получения преимуществ в воздушном бою.
Стоит отметить, что, помимо повышенных летно-технических и боевых характеристик, сверхманевренность дает еще одно характерное преимущество. Показательные полеты с использованием особых фигур высшего пилотажа, доступного только сверхманевренным самолетам, выглядят весьма эффектно. Вполне возможно, что даже такая демонстрация возможностей техники – задолго до вступления в реальный бой – способна стать хорошим сдерживающим фактором, влияющим на решения потенциального противника.
По материалам:
http://airwar.ru/
http://paralay.com/
https://nasa.gov/
http://uacrussia.ru/
https://sukhoi.org/
Желнин Ю. Полет «хвостом вперед» и сверхманевренность // Наука и жизнь, 2008 №11.
История вопроса
Концепция сверхманевренности истребителя начала формироваться в семидесятых годах прошлого века. Существующие истребители того времени имели определенные ограничения по маневрированию, что могло мешать эффективному ведению воздушного боя. Маневр с выходом на критические углы атаки (20-25° в зависимости от типа самолета) приводил к резкому изменению характера обтекания, срыву потока и сваливанию в штопор. При этом рост скоростей полета и совершенствование вооружений приводили к необходимости дальнейшего повышения маневренности истребителей.
Современные российские самолеты с возможностями сверхманевренности. Фото ПАО "Сухой" / sukhoi.org
В нашей стране и за рубежом были проведены многочисленные исследования на тему повышения маневренности, и они дали интересный результат. Оказалось, что некоторые перспективные конструкции планеров позволяют доводить угол атаки едва ли не до 180° и угол скольжения до 90°. Впрочем, такой полет предъявлял особые требования к системам управления. В частности, при росте углов атаки падала эффективность аэродинамических рулей, а контроль за машиной резко усложнялся. Тем не менее, была определена и подтверждена принципиальная возможность пилотирования на закритических режимах.
В дальнейшем новые знания и опыт можно было использовать в реальных проектах, однако мнения о перспективах сверхманевренности разделились. Советские ученые и военные посчитали, что рост маневренности имеет смысл: с его помощью можно было резко повысить эффективность истребителя в ближнем бою с применением ракетного и пушечного вооружения. Американские специалисты считали более важным дальний ракетный бой, в котором сверхманевренность не давала никаких преимуществ. Эти мнения на некоторое время определили ход развития истребительной авиации.
Позже ситуация немного изменилась. При определении облика перспективных истребителей пятого поколения в США решили внедрить элементы сверхманевренности. Затем схожие наработки появились и у других стран. В итоге все перспективные самолеты последних лет, создаются с применением тех или иных решений, направленных на повышение маневренности и обеспечение управляемости на закритических режимах полета.
Преимущества концепции
Сверхманевренность полезна, прежде всего, в ближнем бою. Угловая скорость пролетающей рядом цели может быть высокой, что предъявляет особые требования к маневренности атакующего самолета. Он должен успевать доворачивать на цель для выполнения успешной атаки. Схожим образом дело обстоит и с защитой: более маневренный самолет сможет «перекрутить» противника и уйти из-под удара, в том числе с переходом в контратаку.
Маневр "Кобра" - вариант использования сверхманевренности. Рисунок Wikimedia Commons
В условиях дальнего ракетного боя сверхманевренность может использоваться для повышения эффективности противоракетного маневра. Кроме того, в различных условиях некоторые характерные фигуры пилотажа могут применяться для противодействия радиолокационным системам противника. В частности, фигуры «кобра» и «колокол», предусматривающий резкое падение скорости, позволяют помешать работе допплеровских РЛС.
Таким образом, тщательное изучение и грамотное применение возможностей самолета должно положительным образом сказываться на его боевых качествах. В ряде ситуаций истребитель со сверхманевренностью будет иметь преимущества перед машиной без таких возможностей, хотя реальный эффект от нее зависит от ряда факторов.
Вопросы аэродинамики
Еще на ранних стадиях исследований было установлено, что для получения сверхманевренности требуются особые конструкции планера и средств управления. По сути, самолет должен иметь возможность простого и быстрого выхода на закритические режимы полета и не проявлять тенденции к его исключению. Также могут появляться специфические требования к аэродинамическим средствам управления.
Су-30 маневрирует с образованием вихрей. Фото ПАО "Сухой" / sukhoi.org
Советская и российская промышленность создала несколько сверхманевренных истребителей, принадлежащих к семействам Су-27 и МиГ-29. Этим машины имеют несколько общих черт. Так, они построены по интегральной схеме, а планер сделан статически неустойчивым на дозвуковых скоростях. Благодаря этим решениям самолеты способны осуществлять энергичное маневрирование, а их аэродинамика не мешает выходу на закритические углы атаки, необходимые для получения сверхманевренности.
Впрочем, особый планер с характерными возможностями потребовал создать специальные средства управления. Так, все самолеты семейства Су-27 оснащаются электродистанционной системой управления, осуществляющей передачу команд летчика на исполнительные механизмы. ЭДСУ принимает сигналы с органов управления, а также обрабатывает данные с массы датчиков и с учетом всей поступающей информации формирует команды для рулевых приводов. Именно ЭДСУ на основных режимах работы обеспечивает стабильное поведение неустойчивого самолета, радикально упрощая работу летчика.
Энергичное маневрирование. Можно рассмотреть сложную совместную работу рулей. Фото ПАО "Сухой" / sukhoi.org
При превышении нормальных углов атаки резко снижается эффективность управляющих плоскостей самолета. Это связано с образованием вихрей и попаданием рулей в аэродинамическую тень от крыла. Такая проблема имеет несколько основных решений. Первое заключается в применении рулевых поверхностей большой площади и особых алгоритмов управления, позволяющих сохранить достаточную эффективность на всех режимах. Второе предлагает применение схем «утка» или «продольный триплан». Переднее горизонтальное оперение подвержено сокращению эффективности за счет падения скорости и образования вихрей, но по определению не может быть затенено крылом. Его можно использовать самостоятельно или в сочетании с «традиционными» стабилизаторами.
Подход с цельноповоротными стабилизаторами и специальной системой управления нашел широкое применение в отечественном самолетостроении и используется в ряде зарубежных проектов. ПГО так же используется в разных проектах нескольких стран. В этом контексте можно вспомнить американский экспериментальный самолет Rockwell-MBB X-31, в котором переднее оперение использовалось в сочетании с другой перспективной методикой обеспечения сверхманевренности – управлением вектором тяги. Ряд российских серийных истребителей имеет и ПГО, и УВТ, что положительно сказывается на маневренности.
Двигатели и сопла
Еще один способ компенсации падения эффективности аэродинамических рулей заключается в использовании систем управления вектором тяги двигателя. При этом происходит не просто восстановление управляемости на прежнем уровне, но и получение новых возможностей. В прошлом в разных странах осуществлялись различные эксперименты с управлением вектором тяги, а сейчас активно идет внедрение таких концепций на практике. Также УВТ может применяться для улучшения взлетно-посадочных характеристик самолета.
Двигатели истребителя Су-35С с УВТ. Фото Wikimedia Commons
В настоящее время используется несколько основных принципов УВТ. В нашей стране получили распространения турбореактивные двигатели с т.н. осесимметричным отклонением вектора. За счет подвижных створок сопла осуществляется отклонение вектора тяги в необходимом направлении. Отечественные двигатели с УВТ могут перемещать вектор в двух плоскостях. Существуют как двигатели со встроенными системами УВТ, так и модульные сопла, совместимые с существующими моторами РД-33 и АЛ-31Ф.
В зарубежной практике изучались и использовались иные варианты УВТ. Так, экспериментальный самолет X-31 получил турбореактивный двигатель General Electric F404-GE-400, за соплом которого поместили три управляемые створки. Их отклонение изменяло направление истечения реактивных газов и перемещало вектор тяги. На истребителях Lockheed Martin F-22 Raptor в серию пошла другая система УВТ. Его двигатели Pratt & Whitney F119-PW-100 оснащены плоскими соплами, образованными корпусом с двумя подвижными створками. Такая конструкция сопла позволяет отклонять вектор тяги только в вертикальной плоскости.
Экспериментальный самолет Rockwell-MBB X-31. Фото USMC
Двигатели с УВТ, в зависимости от их конструкции, обеспечивают управление по всем каналам. Отклонение тяги в вертикальной плоскости дополняет рули высоты, в горизонтальной – рули направления. При наличии двух двигателей, за счет дифференциальной работы сопел, можно осуществлять контроль по крену. Такие системы используют перенаправление тяги, а не аэродинамические силы, благодаря чему имеют преимущества перед рулями. В первую очередь, это повышение угловой скорости при маневрировании, что положительно сказывается на энергичности последнего.
В контексте сверхманевренности необходимо учитывать не только управление вектором тяги, но и основные параметры двигателя. Выход на закритические режимы при выполнении некоторых фигур пилотажа может приводить к резкой потере скорости. Чтобы не оказаться в невыгодном положении, самолет должен иметь возможность быстро набрать скорость после выхода из фигуры. Для этого ему требуется силовая установка достаточной мощности. Исследования и практика показывают, что для решения такой задачи нужна тяговооруженность не менее 1. Рост этого параметра оказывает положительное влияние на все основные летно-технические характеристики, хотя получение таких результатов связано с известными трудностями на стадии разработки двигателя.
Сверхманевренность на практике
Уровень развития технологий, в первую очередь в сфере систем управления, позволил начать освоение сверхманевренности лишь несколько десятилетий назад. К настоящему времени авиационная наука прошла большой путь и создала множество необходимых технологий и изделий, позволяющих значительно повысить маневренность истребителей. Все эти наработки находят применение в современных и перспективных проектах разных стран.
Двигатель Pratt & Whitney F119-PW-100 с щелевым соплом УВТ. Фото Wikimedia Commons
Сейчас на вооружении состоят российские самолеты семейств Су-27 и МиГ-29, а также американские F/A-18E/F и F-22. Кроме того, существовало несколько экспериментальных образцов, а ряд машин еще не дошел до эксплуатации в войсках. В конструкции всех этих самолетов используются те или иные решения, направленные на получение сверхманевренности. Способы достижения таких результатов в разных странах и фирмах отличаются, но цель одна – обеспечить повышение маневренности для получения преимуществ в воздушном бою.
Стоит отметить, что, помимо повышенных летно-технических и боевых характеристик, сверхманевренность дает еще одно характерное преимущество. Показательные полеты с использованием особых фигур высшего пилотажа, доступного только сверхманевренным самолетам, выглядят весьма эффектно. Вполне возможно, что даже такая демонстрация возможностей техники – задолго до вступления в реальный бой – способна стать хорошим сдерживающим фактором, влияющим на решения потенциального противника.
По материалам:
http://airwar.ru/
http://paralay.com/
https://nasa.gov/
http://uacrussia.ru/
https://sukhoi.org/
Желнин Ю. Полет «хвостом вперед» и сверхманевренность // Наука и жизнь, 2008 №11.
Информация