Боинг YC-14: Прототип военно-транспортного самолета с укороченным взлетом и посадкой.

Введение

Боинг YC-14 – двухдвигательный самолет для выполнения короткого взлета и посадки (STOL), предназначенный для тактических военно-транспортных задач. Он был представлен компанией Boeing на конкурс ВВС США Advanced Medium STOL Transport (AMST), целью которого была замена самолета Lockheed C-130 Hercules как стандартного тактического транспортного самолета STOL в ВВС США. Несмотря на успешность как YC-14, так и конкурирующего McDonnell Douglas YC-15, ни один из самолетов не был запущен в серийное производство. Проект AMST был закрыт в 1979 году и заменен программой C-X.

Проектирование и разработка

В середине 1970-х годов ВВС США начали проведение исследовательской работы, тактическое расследование самолетов (TAI), совместно с компаниями Boeing, McDonnell Douglas и другими, для изучения возможных конструкций тактических транспортных самолетов. Это исследование послужило предшественником программы Advanced Medium STOL Transport. В рамках этой программы Boeing приступил к изучению различных конфигураций самолетов с высокой подъемной силой. Ранее Boeing предложил решение с подкрыльными обдувами закрылков для своего конкурента Lockheed C-5 Galaxy и успешно применил его при модификации своего проигравшего проекта в Boeing 747. Компания также провела исследования с оригинальным прототипом Boeing 707, Boeing 367-80, добавив обширные предкрылки и закрылки с обдувом. Для исследований TAI Boeing вновь рассмотрел эти механизмы, а также новые, такие как управление пограничным слоем. Однако ни одна из изученных конструкций не показалась Boeing особенно привлекательной. Инженеры Boeing знали, что NASA ранее провела серию исследований "самолетов с усиленной подъемной силой", включая как обдув закрылков, так и обдув верхней поверхности (USB) – необычный вариант. В системе USB двигатель располагается над верхней поверхностью крыла, обдувая закрылки. При опущенных закрылках эффект Коанды заставляет выхлопную струю "прилипать" к закрылкам и отклоняться вниз к земле. Они искали дополнительные исследования по этой концепции и обнаружили, что исследования обдува верхней поверхности проводились в 3,7-метровом (12 футов) аэродинамическом туннеле NASA Langley. Анализ предварительных результатов показал, что система была столь же эффективна, как и другие ранее изученные концепции. Boeing немедленно приступил к созданию моделей для аэродинамической трубы, чтобы проверить данные NASA с макетами, более точно соответствующими их собственным проектам. К концу 1971 года несколько моделей активно изучались. Еще одним проектом NASA, который заинтересовал инженеров, был сверхкритический профиль крыла, разработанный Ричардом Уиткомбом. Сверхкритическая конструкция обещала значительно снизить трансзвуковое сопротивление, в некоторых ситуациях – сравнимо со стреловидным крылом. Это позволяло самолету с таким крылом иметь низкое сопротивление на крейсерской скорости и при этом иметь форму крыла, более подходящую для полетов на меньшей скорости – стреловидные крылья обладают рядом нежелательных характеристик на низких скоростях. Кроме того, конструкция имеет больший радиус передней кромки, что делает ее особенно подходящей для применений с высокой подъемной силой на низких скоростях, например, для транспортного самолета. Boeing включил эту концепцию в свой проект, став первым серийным самолетом, это сделавшим. Запрос предложений (RFP) был опубликован в январе 1972 года, в котором требовалось обеспечить выполнение операций со слабоподготовленной площадки длиной 610 м с полезной нагрузкой 12 000 кг в обоих направлениях без дозаправки. Для сравнения, C-130 того времени требовал около 1200 м для такой нагрузки. На этом этапе конкурса пять компаний представили свои проекты, включая Boeing с моделью 953 в марте 1972 года. 10 ноября 1972 года был проведен отбор, в результате которого Boeing и McDonnell Douglas получили контракты на разработку двух прототипов каждый. Испытания в аэродинамической трубе продолжались в течение этого периода. В ноябре Джон К. Уимпресс вновь посетил Langley, чтобы получить обновленную информацию о собственной программе USB NASA. Джо Джонсон и Дадли Хаммонд представили результаты испытаний и показали Уимпрессу данные, подтверждающие высокую подъемную силу, заявленную Boeing в своем предложении. К декабрю 1975 года Boeing и NASA Langley заключили контракт на создание полномасштабной испытательной установки USB, которую Boeing построил на своем испытательном полигоне в Тулалипе, состоящей из крыла в масштабе 1/4 с одним двигателем JT15D и частичным фюзеляжем. Langley особенно интересовала эффективность D-образного сопла, направлявшего поток выхлопных газов на верхнюю поверхность крыла, а также уровень шума, который в то время был основным направлением исследований NASA в области гражданской аэродинамики. В ходе испытаний было выявлено и устранено две основные проблемы. Первая заключалась в циркуляции воздуха вокруг крыла при работе на низких скоростях вблизи земли, что серьезно влияло на распространение струи через сопло. Это приводило к отрыву потока вблизи закрылка и снижению эффективности системы USB. В ответ Boeing добавил ряд вихрегенераторов на верхней поверхности крыла, которые убирались при поднятии закрылка выше 30°. Кроме того, первоначально хвостовое оперение было расположено далеко сзади для максимальной эффективности управления. Однако такое расположение оказалось мешающим обтеканию крыльев во время работы системы USB, и было установлено новое хвостовое оперение с более вертикальным профилем, чтобы выдвинуть руль высоты вперед.

In mid 1970, the USAF began a paper study, the Tactical Aircraft Investigation (TAI), with Boeing, McDonnell Douglas, and other companies to look at possible tactical transport aircraft designs. This study was a precursor to what became the Advanced Medium STOL Transport program. As a part of this program, Boeing began to look at various high lift aircraft configurations. Boeing had earlier proposed an underwing externally blown flap solution for their competitor for the Lockheed C 5 Galaxy, and had put this to good use when it modified its losing entry into the Boeing 747. The company had also done studies with the original Boeing 707 prototype, the Boeing 367 80, adding extensive leading and trailing edge devices using blown flaps. For the TAI studies, Boeing again looked at those mechanisms, as well as new mechanisms like boundary layer control. However, none of these studied designs were particularly appealing to Boeing. The Boeing engineers were aware that NASA had carried out a series of "powered lift" studies some time earlier, including both externally blown flaps, as well an upper surface blowing (USB), an unusual variation. In the USB system, the engine is arranged over the top surface of the wing, blowing over the flaps. When the flaps are lowered, the Coandă effect makes the jet exhaust "stick" to the flaps and bend down toward the ground. They searched for additional research on the concept and found that half span upper surface blowing research had been conducted in the NASA Langley 12 foot (3.7 m) tunnel. An examination of the preliminary results suggested that the system was as effective as any of the other concepts previously studied. Boeing immediately started to build wind tunnel models to verify the NASA data with layouts more closely matching their own designs. By the end of 1971, several models were being actively studied. Another NASA project the engineers were interested in was the supercritical airfoil, designed by Richard Whitcomb. The supercritical design promised to lower transonic drag greatly, as much as a swept wing in some situations. This allowed an aircraft with such a wing to have low drag in cruise while also having a wing planform more suitable for lower speed flight—swept wings have several undesirable characteristics at low speed. Additionally, the design has a larger leading edge radius that makes it particularly suitable for low speed high lift applications like a transport. Boeing incorporated the concept into their design, the first non experimental aircraft to do so. The request for proposal (RFP) was issued in January 1972, asking for operations into a 2,000 foot (610 m) semi prepared field at with a 27,000 lb (12,000 kg) payload in both directions with no refueling. For comparison, the C 130 of that era required about 4,000 ft (1,200 m) for this load. Five companies submitted designs at this stage of the competition, Boeing with their Model 953 in March 1972. On 10 November 1972 the downselect was carried out, and Boeing and McDonnell Douglas won development contracts for two prototypes each. Wind tunnel tests continued through this period. In November, John K. Wimpress again visited Langley looking for an update on NASA's own USB program. Joe Johnson and Dudley Hammond both reported on testing and showed Wimpress data that verified the high lift performance that Boeing had quoted in its proposal. By December 1975, Boeing and NASA Langley had arranged a contract for a full scale USB testbed, which Boeing built at their Tulalip test facility consisting of a 1/4 scale wing with one JT 15D engine and a partial fuselage. Langley was particularly interested in the effectiveness of the D shaped nozzle that directed the jet flow over the upper surface of the wing, as well as the resulting sound levels, at that time a major focus of NASA's civilian aerodynamics research. Two major problems were found and corrected during testing. The first was a problem with air circulating around the wing when operating at low speeds close to the ground, which had a serious effect on the spreading of the jet flow through the nozzle. This led to flow separation near the flap, and a decrease in the effectiveness of the USB system. In response, Boeing added a series of vortex generators on the upper surface of the wing, which retracted when the flap was raised above 30°. Additionally, the tail surfaces were initially placed well aft in order to maximize control effectiveness. This positioning turned out to interfere with the airflow over the wings during USB operations, and a new tail with a more vertical profile was introduced to move the elevator forward.

Эксплуатационная история

Первый Boeing YC 14 (серийный номер 72-1873) совершил полет 9 августа 1976 года. Было построено два самолета, второй – с/н 72-1874. Конкурент YC 15 начал полеты почти за год до этого. Сопоставительные летные испытания на авиабазе Эдвардс начались в начале ноября 1976 года. В ходе летных испытаний YC 14 летал на скоростях от минимальной до Mach 0,78 на высоте 38 000 футов (11 582 м). Однако было установлено, что аэродинамическое сопротивление YC 14 оказалось на 11% выше, чем первоначально предполагалось. Модификации, разработанные в ходе испытаний в аэродинамической трубе, включали установку вихрегенераторов в верхней задней части гондолы двигателей, удаление обтекателя привода двери сопла, изменения в задней части шасси и добавление килей в задней части фюзеляжа. Эти изменения снизили увеличение сопротивления до 7%. YC 14 также продемонстрировал возможность перевозки основного боевого танка M60 Patton, что не было продемонстрировано на YC 15. Затем, в ноябре 1979 года, была сформирована рабочая группа C-X для разработки необходимого стратегического самолета с тактическими возможностями. Программа C-X выбрала предложение по увеличению и модернизации YC 15, который впоследствии был разработан в C-17 Globemaster III. Обдув верхней поверхности остается довольно редкой концепцией и встречается лишь на нескольких других самолетах, таких как Антонов Ан-72.