Введение
Bell XV 15 – американский экспериментальный самолёт с поворотным винтом. Это был второй успешный экспериментальный самолёт с поворотным винтом и первый, продемонстрировавший высокую скорость, достижимую благодаря данной концепции, по сравнению с обычными вертолётами.
The Bell XV 15 is an American tiltrotor VTOL aircraft. It was the second successful experimental tiltrotor aircraft and the first to demonstrate the concept's high speed performance relative to conventional helicopters.
Ранние самолеты с ротором VTOL
Идея создания самолетов вертикального взлета и посадки (VTOL) с использованием вертолетных роторов на концах крыльев возникла в 1930-х годах. Первый проект, напоминающий современные конвертопланы, был запатентован Джорджем Лебергером в мае 1930 года, но он не продолжил развитие этой концепции. Во время Второй мировой войны, начиная с 1942 года, разрабатывался немецкий прототип Focke Achgelis Fa 269, но он так и не совершил полет. Два прототипа, которые поднялись в воздух, были одноместная Transcendental Model 1 G и двухместная Transcendental Model 2, оба оснащенные поршневыми двигателями. Разработка Model 1 G началась в 1947 году, и она совершила первый полет в 1954 году. Model 1 G летала до аварии в Чесапикском заливе 20 июля 1955 года, в результате которой прототип был уничтожен, но пилот не получил серьезных травм. Transcendental 1 G стал первым конвертопланом, совершившим полет, и выполнил большую часть перехода от режима вертолета к режиму самолета в полете, приблизившись до десяти градусов от истинного горизонтального полета. Model 2 была разработана и совершила полет вскоре после этого, но не прошла серьезных испытаний, ограничившись зависанием. Военно-воздушные силы США прекратили финансирование в пользу Bell XV 3. Первый полет Bell XV 3 состоялся в 1955 году. Как и его предшественники, XV 3 имел двигатели в фюзеляже и валы, передающие мощность на поворотные роторные установки на концах крыльев. Другие концепции роторов, такие как роторы с замедленной скоростью, остановленные роторы, складывающиеся роторы и роторы переменного диаметра, изучались для последующих проектов, но инженеры Bell Кеннет Верник и Боб Лихтен сочли их нецелесообразными по сравнению с опытом, полученным в ходе проекта XV 3.
Технологический прогресс
Одной из основных проблем ранних конструкций самолетов с наклоняемым винтом было то, что приводы, передающие мощность от фюзеляжа к роторам на концах крыльев, а также редукторы и механизмы наклона на концах крыльев, испытывали значительные нагрузки и имели большой вес. Они передавали большие объемы мощности и крутящего момента на большие расстояния для авиационной силовой установки. Экспериментальный самолет XV 15 представил значительный концептуальный прорыв в конструкции: вместо двигателей во фюзеляже, XV 15 разместил двигатели в поворачивающихся гондолах на концах крыльев, непосредственно соединенных с роторами. Нормальный путь передачи мощности проходил напрямую от двигателя к редуктору и затем к ротору/пропеллеру, без использования длинных валов. Вдоль крыльев все же был предусмотрен вал привода для аварийного использования, чтобы передавать мощность на противоположный ротор в случае отказа двигателя, но этот вал обычно не испытывал нагрузок, что позволяло сделать его легче. Концепция наклоняемого двигателя внесла сложность в конструкцию двигателей и гондол, требуя возможности переключения между горизонтальным и вертикальным режимами работы. Эти проблемы были решены относительно рано в ходе программы XV 15. В конце 1960-х и начале 1970-х годов NASA и другие исследователи активно занимались теоретическими и аэродинамическими испытаниями различных роторных установок. В исследованиях и разработке конструкций участвовали две компании: Bell Helicopter и Boeing Vertol. Основное внимание уделялось поворотным гондолам, интеграции поворачивающихся роторов с крыльями и фюзеляжем самолета, а также изучению обтекания воздушным потоком при изменении угла наклона роторов. Исследовались поворотные роторы как с фиксированными, так и со складывающимися лопастями.
Проект XV-15
Программа XV-15 была запущена в 1971 году в Исследовательском центре NASA в Эймсе. После выполнения предварительных работ был объявлен конкурс на заключение двух контрактов на исследования и разработки прототипов стоимостью 500 тысяч долларов каждый. На конкурс откликнулись компании Sikorsky Aircraft, Grumman Aircraft, Boeing Vertol и Bell Helicopter. Контракты на НИОКР были присуждены Bell Helicopter и Boeing Vertol 20 октября 1972 года. Предложения по разработке от обеих компаний были представлены 22 января 1973 года.
Конкурирующие проекты
Boeing Vertol предложил свою модель 222 (не следует путать с более поздним обычным вертолетом Bell 222), в которой двигатели располагались в неподвижных гондолах на концах крыльев, а небольшая вращающаяся гондола с ротором – немного ближе к фюзеляжу на крыле. Эта конструкция упростила конструкцию двигателя, поддерживая его в горизонтальном положении постоянно и избегая использования очень длинных приводных валов к поворотным роторам. В конструкции Bell, Bell Model 301, вся концевая часть крыла поворачивалась между горизонтальным и вертикальным положениями, при этом двигатель и роторная установка были жестко закреплены внутри гондолы. Это упростило трансмиссию, но предъявляло более сложные требования к конструкции двигателя и, вероятно, было немного тяжелее, чем предложение Boeing. После рассмотрения обоих предложений NASA выбрало Bell 301 для дальнейшей разработки и 31 июля 1973 года выдал контракт на проведение дополнительных научно-исследовательских работ. На разработку самолета потребовалось четыре года интенсивной инженерной проработки и испытаний. Первый из двух Bell XV 15, с бортовым номером N702NA, совершил первый полет 3 мая 1977 года. После минимальных летных испытаний на испытательном полигоне Bell самолет был перевезен в Исследовательский центр Эймса в Саннивейле, штат Калифорния, где его установили в большую аэродинамическую трубу Эймса и провели обширные испытания в различных имитируемых условиях полета. В рамках программы Министерства обороны США по созданию экспериментального самолета с вертикальным взлетом и посадкой (JVX) компании Bell Helicopter и Boeing Vertol объединили усилия для подачи заявки на увеличенную версию XV 15 в 1983 году. В том же году команда Bell Boeing получила контракт на предварительное проектирование, что привело к созданию Bell Boeing V-22 Osprey.
Летные испытания
После аэродинамических испытаний в аэродинамической трубе и летных испытаний, проведенных Bell, самолет был передан в NASA Dryden, расположенный на авиабазе Эдвардс в пустыне Мохаве, Калифорния. Летные испытания XV 15 продолжались, расширяя границы его летных характеристик. Он успешно работал как в режиме вертолета, так и в обычном режиме полета самолета, плавно переходя между ними. После того, как самолет был признан достаточно испытанным, он был возвращен в Исследовательский центр Эймса для дальнейших тестов. XV 15 были признаны прошедшими достаточные испытания, и один самолет был представлен на Парижском авиасалоне 1981 года для демонстрационных полетов. Газета The New York Times высоко оценила его выступление: «И если когда-либо существовал обаятельный самолет, то это Bell XV 15. Эта машина, ставшая хитом шоу, выполнила серию маневров, включая поклон перед публикой». В течение следующего года сенатору Барри Голдуотеру, министру военно-морского флота Джону Леману и другим официальным лицам были предложены ознакомительные полеты в качестве второго пилота для продвижения технологии поворотного двигателя для военных разработок. XV 15 в течение нескольких лет 1980-х годов были стандартной демонстрацией на ежегодном летнем авиашоу на военно-морской авиастанции Moffett Field, расположенной по соседству. Оба XV 15 активно использовались на протяжении 1980-х годов для тестирования аэродинамики и применения поворотного двигателя для гражданских и военных типов самолетов, которые могли быть разработаны в будущем. Международная федерация авиации классифицирует XV 15 как Rotodyne, и в этой связи он является рекордсменом скорости, а также времени набора высоты 3 км и 6 км.
Дальнейшее тестирование
Первый прототип самолета XV 15, N702NA, был возвращен компании Bell для дальнейшей разработки и демонстрационных полетов. 20 августа 1992 года самолет потерпел крушение во время полета, выполняемого приглашенным летчиком-испытателем. Он выполнял взлет для финального зависания, когда болт соскочил с тяги в системе общего управления одним из пилонов, что привело к установке этого ротора на максимальный шаг. Самолет потерял управление, перевернулся и упал вниз. Несмотря на значительные повреждения, конструкция самолета в целом осталась нетронутой, и пилот с вторым пилотом получили лишь незначительные травмы при крушении. Кокпит самолета был восстановлен и переоборудован для использования в качестве авиационного тренажера. Второй прототип XV 15, N703NA, использовался для испытаний в рамках военной программы V 22 Osprey и гражданского транспортного самолета Bell/Agusta BA609 (который по состоянию на 2023 год все еще разрабатывается под названием AgustaWestland AW609). Он продолжал использоваться преимущественно в испытательных программах NASA до сентября 2003 года. Наименьшая дистанция взлета была достигнута при угле наклона гондолы в 75 градусов. После завершения испытаний N703NA был передан в дар Национальному музею авиации и космонавтики Смитсоновского института в Вашингтоне, округ Колумбия. Самолет XV 15 был перелетел из Форт-Уорта, штат Техас, в музей, после чего был окончательно выведен из эксплуатации и установлен на экспозицию. В настоящее время он экспонируется в Центре Стивена Ф. Удвар-Хази при международном аэропорту Вашингтона-Даллеса.