Вертикальный взлёт и посадка

Вертикальный взлёт и посадка (ВВП, англ. Vertical Take-Off and Landing, VTOL) — способ взлёта и посадки летательного аппарата, при котором он поднимается в воздух и опускается на землю практически без горизонтального перемещения, используя для создания подъёмной силы исключительно или преимущественно силовую установку (двигатели), а не несущие поверхности (крыло). Аппараты, обладающие такой способностью, называются самолётами (или летательными аппаратами) вертикального взлёта и посадки (СВВП). Данный класс летательных аппаратов занимает промежуточное положение между традиционными самолётами, требующими разбега и пробега, и вертолётами, для которых вертикальный взлёт и посадка являются штатным режимом.

История

Первые проекты и концепции

Идея создания летательного аппарата, способного взлетать и садиться вертикально, возникла практически одновременно с появлением авиации. Однако техническая реализация столкнулась с серьёзными трудностями, прежде всего — с проблемой создания достаточно мощного и лёгкого двигателя, способного обеспечить вертикальную тягу, превышающую вес аппарата.

Первые практические шаги были предприняты в 1930-х — 1940-х годах. В Германии разрабатывались проекты самолётов с поворотными винтами (конвертопланы) и с толкающими винтами, расположенными в кольцевых каналах. Наиболее известным предвоенным проектом был Focke-Wulf Fw 61 — первый в мире успешно летавший вертолёт, который, однако, не являлся самолётом в классическом понимании, так как не имел крыла для горизонтального полёта.

Эра реактивных СВВП

Настоящий прорыв произошёл в 1950-х — 1960-х годах с появлением турбореактивных и турбовентиляторных двигателей. Высокая тяговооружённость таких двигателей позволила создавать самолёты, способные взлетать и садиться вертикально.

• 1954 год: Первый полёт экспериментального самолёта Convair XFY-1 Pogo с толкающим винтом, который взлетал и садился вертикально, но требовал сложной системы управления.
• 1957 год: Первый полёт французского самолёта Dassault Balzac V, оснащённого подъёмными двигателями. Он стал первым в мире реактивным СВВП.
• 1960-е годы: Активные разработки велись в Великобритании (Hawker Siddeley Harrier), СССР (Як-38, Як-141), Франции (Mirage IIIV) и США (Bell X-14, Ryan XV-5 Vertifan). Наибольшего успеха добилась британская компания Hawker Siddeley, создавшая в 1967 году самолёт Harrier — первый серийный реактивный СВВП, принятый на вооружение.

Современный этап

В 1980-е — 1990-е годы интерес к СВВП несколько снизился из-за их высокой стоимости эксплуатации, сложности пилотирования и ограниченной грузоподъёмности. Однако в начале XXI века, с развитием технологий беспилотных летательных аппаратов (БПЛА) и электрических силовых установок, концепция ВВП получила второе дыхание. Появились многочисленные проекты гражданских электрических СВВП (eVTOL — electric Vertical Take-Off and Landing), предназначенных для городской авиационной мобильности (Urban Air Mobility, UAM).

Классификация

Самолёты вертикального взлёта и посадки классифицируются по способу создания вертикальной тяги и перехода к горизонтальному полёту.

По типу силовой установки

• С подъёмными двигателями: Аппарат оснащён отдельными двигателями, создающими вертикальную тягу, и отдельными маршевыми двигателями для горизонтального полёта. Пример: Dassault Balzac V, Як-38.
• С поворотными соплами (или поворотными двигателями): Один и тот же двигатель используется как для вертикального, так и для горизонтального полёта. Сопла или весь двигатель поворачиваются, изменяя направление вектора тяги. Пример: Hawker Siddeley Harrier, Lockheed Martin F-35B.
• С поворотным крылом (конвертопланы): Аппарат оснащён поворотными гондолами двигателей, закреплёнными на концах крыла. При взлёте и посадке гондолы направлены вверх, создавая вертикальную тягу; в горизонтальном полёте они поворачиваются вперёд, работая как обычные винты. Пример: Bell V-22 Osprey (США), AgustaWestland AW609.
• С толкающим винтом в кольцевом канале (фенестрон): Винт расположен в кольцевом канале, что повышает его эффективность и снижает шум. Применяется в основном на вертолётах, но может использоваться и на СВВП.
• Электрические (eVTOL): Используют электрические двигатели с воздушными винтами. Могут быть мультироторными (как квадрокоптеры), с поворотными винтами или с толкающими винтами.

По способу перехода к горизонтальному полёту

• С переходом через режим висения: Аппарат сначала зависает в воздухе, затем постепенно увеличивает горизонтальную скорость, переходя к полёту с использованием крыла.
• С непосредственным переходом: Аппарат после отрыва от земли сразу начинает горизонтальное движение, постепенно набирая скорость и подъёмную силу крыла.

Устройство и характеристики

Принцип действия

Основой ВВП является создание вертикальной тяги, превышающей вес аппарата. В реактивных СВВП это достигается за счёт высокой тяговооружённости (отношение тяги двигателя к весу самолёта), которая должна быть больше 1. В электрических и винтовых СВВП вертикальная тяга создаётся вращением воздушных винтов.

Особенности конструкции

• Система управления: Для обеспечения устойчивости и управляемости в режиме висения и малых скоростей СВВП требуют сложных систем автоматического управления (часто с использованием реактивных рулей, сопел управления или дифференциальной тяги двигателей). Пилотирование СВВП значительно сложнее, чем обычного самолёта.
• Крыло: Для горизонтального полёта СВВП необходимо крыло, создающее подъёмную силу. Однако на этапе взлёта и посадки оно не работает и является дополнительным сопротивлением.
• Шасси: Обычно усиленное, так как посадка происходит вертикально с нулевой горизонтальной скоростью.
• Двигатели: Высоконагруженные, с большим расходом топлива на режиме висения. Для реактивных СВВП характерны двигатели с большим расходом воздуха и высокой степенью двухконтурности.

Преимущества и недостатки

Преимущества:

• Независимость от взлётно-посадочных полос (ВПП): возможность базирования на ограниченных площадках, палубах кораблей, вертодромах.
• Возможность быстрого развёртывания в условиях отсутствия аэродромов.
• Для военных — возможность ведения боевых действий с передовых баз и малых кораблей.

Недостатки:

• Высокая стоимость разработки, производства и эксплуатации.
• Большой расход топлива на режиме висения (до 30-40% от общего расхода на полёт).
• Сложность пилотирования и необходимость в автоматизированных системах управления.
• Ограниченная грузоподъёмность и дальность полёта по сравнению с самолётами аналогичного класса.
• Высокий уровень шума и теплового излучения (для реактивных СВВП).

Применение

Военное применение

Наиболее распространённая область применения СВВП. Основные задачи:

• Авиация ВМФ: Базирование на авианесущих кораблях (авианосцах, универсальных десантных кораблях, авианесущих крейсерах). Примеры: Hawker Siddeley Harrier (Великобритания, США, Испания, Индия), Як-38 (СССР), Lockheed Martin F-35B (США, Великобритания, Италия, Япония).
• Тактическая авиация: Обеспечение непосредственной авиационной поддержки наземных войск с передовых взлётно-посадочных площадок, в том числе в условиях разрушенной инфраструктуры.
• Разведка и наблюдение: Возможность вести разведку с малых высот и в сложных условиях.

Гражданское применение

Гражданское применение СВВП пока ограничено, но активно развивается в рамках концепции eVTOL:

• Городская авиационная мобильность (UAM): Создание воздушного такси для перевозки пассажиров в мегаполисах. Проекты: Volocopter, Joby Aviation, Lilium, EHang.
• Скорая медицинская помощь: Доставка врачей и оборудования в труднодоступные районы, эвакуация пострадавших.
• Патрулирование и мониторинг: Наблюдение за трубопроводами, линиями электропередач, лесными массивами.
• Грузовые перевозки: Доставка небольших грузов в условиях плотной городской застройки.

Примеры известных СВВП

Критика и перспективы

Несмотря на очевидные преимущества, СВВП подвергаются критике за высокую стоимость, сложность и ограниченные характеристики. Реактивные СВВП (Harrier, Як-38) имели высокий уровень аварийности из-за сложности пилотирования и ненадёжности систем управления. Кроме того, их грузоподъёмность и дальность полёта значительно уступали самолётам аналогичного класса с обычным взлётом.

Перспективы развития ВВП связывают с электрическими силовыми установками (eVTOL). Снижение стоимости аккумуляторов, повышение их энергоёмкости, развитие электродвигателей и автоматических систем управления делают eVTOL-аппараты потенциально более экономичными, безопасными и экологичными, чем их реактивные предшественники. Ожидается, что в ближайшие 10-15 лет рынок eVTOL-аппаратов для городской авиационной мобильности значительно вырастет, что приведёт к появлению нового класса воздушных судов и изменению транспортной инфраструктуры крупных городов.

Источники

• Авиация: Энциклопедия / Гл. ред. Г. П. Свищёв. — М.: Большая Российская энциклопедия, 1994.
• Самолёты вертикального взлёта и посадки / Под ред. В. А. Касьянова. — М.: Машиностроение, 1988.
• Jane's All the World's Aircraft (ежегодное справочное издание).
• Lockheed Martin F-35B Lightning II Technical Manual.
• Bell V-22 Osprey: A History of Development and Operations (книга).