Введение

Самолет, осуществляющий вертикальный взлет и посадку, способен взлетать и приземляться вертикально, не используя взлетно-посадочную полосу. Эта классификация включает в себя различные типы воздушных судов, такие как вертолеты, а также самолеты с отклоняемым вектором тяги и другие гибридные аппараты с силовыми роторами, например, циклогиры/циклокоптеры и гиродины. Некоторые самолеты VTOL могут работать и в других режимах, таких как CTOL (обычный взлет и посадка), STOL (короткий взлет и посадка) или STOVL (короткий взлет и вертикальная посадка). Другие, например, некоторые вертолеты, могут функционировать исключительно в режиме VTOL из-за отсутствия шасси, пригодного для руления. VTOL является подмножеством V/STOL (вертикальный или короткий взлет и посадка). Некоторые летательные аппараты легче воздуха также подпадают под категорию VTOL, поскольку они могут зависать в воздухе, взлетать и приземляться с вертикальными траекториями захода на посадку и взлета. Разрабатываются электрические летательные аппараты вертикального взлета и посадки (eVTOL) в сочетании с более автономными технологиями управления полетом и концепцией «мобильность как услуга» (MaaS) для обеспечения перспективной воздушной мобильности (AAM), которая может включать в себя услуги воздушного такси по запросу, региональные авиаперевозки, доставку грузов и персональные летательные аппараты (PAV). Помимо повсеместно распространенных вертолетов, в настоящее время на военной службе находятся два типа самолетов VTOL: самолеты с поворотными винтами, такие как Bell Boeing V-22 Osprey, и самолеты с отклоняемым вектором тяги, такие как семейство Harrier и новый истребитель F-35B Lightning II Joint Strike Fighter (JSF). В гражданском секторе в настоящее время в основном используются вертолеты (некоторые другие типы коммерческих самолетов VTOL были предложены и находятся в разработке по состоянию на 2017 год). Как правило, самолеты VTOL, способные к STOVL, используют этот режим, когда это возможно, поскольку он обычно значительно увеличивает взлетный вес, дальность или полезную нагрузку по сравнению с чистым VTOL.

Реквизиты, пропеллеры и продвинутые винтовые самолеты

Идея вертикального полета существует уже тысячи лет, а эскизы аппаратов с вертикальным взлетом и посадкой (VTOL) встречаются в записной книжке Леонардо да Винчи. Первые пилотируемые аппараты VTOL, в виде примитивных вертолетов, совершили полет в 1907 году, однако их совершенствование завершилось лишь после Второй мировой войны. Помимо разработки вертолетов, было предпринято множество попыток создания практичных самолетов с возможностью вертикального взлета и посадки, включая экспериментальный самолет Генри Берлинера с горизонтальным ротором и фиксированным крылом (1922–1925 гг.), патент Николы Теслы 1928 года и патент Джорджа Лебергера 1930 года на относительно непрактичные самолеты VTOL с наклоняющимися двигателями. В конце 1930-х годов британский авиаконструктор Лесли Эверетт Бэйнс получил патент на "Бэйнс Хелиплан" – еще один аппарат с наклоняемым ротором. В 1941 году немецкий конструктор Генрих Фокке начал работу над Focke Achgelis Fa 269, оснащенным двумя роторами, наклонявшимися вниз для вертикального взлета, но военные бомбардировки прервали разработку. Аналогично, Ryan X-13 Vertijet совершил серию испытательных полетов в период с 1955 по 1957 год, но постигла та же участь. В 1950-х годах изучалось использование вертикальных вентиляторов, приводимых в движение двигателями. В США был построен самолет, в котором выхлопные газы реактивных двигателей вращали вентиляторы, а британские проекты, не реализованные, предусматривали вентиляторы, приводимые в движение механическими передачами от реактивных двигателей. NASA испытывал другие аппараты VTOL, такие как исследовательский Bell XV-15 (1977), а также ВМС и ВВС СССР. Компания Sikorsky испытала самолет под названием X Wing, который взлетал как вертолет. Роторы должны были фиксироваться в полете и функционировать как крылья, создавая подъемную силу в дополнение к основной. Boeing X-50 – прототип с передним горизонтальным оперением и ротором/крылом, использующий аналогичную концепцию. Другим британским проектом VTOL был гироди́н, в котором ротор приводился в действие во время взлета и посадки, а затем свободно вращался в полете, а отдельные двигатели обеспечивали поступательную тягу. Начиная с Fairey Gyrodyne, этот тип самолетов впоследствии превратился в гораздо более крупный двухмоторный Fairey Rotodyne, который использовал реактивные сопла для привода ротора при взлете и посадке, а затем два турбовинтовых двигателя Napier Eland, приводящих обычные винты, установленные на больших крыльях, для обеспечения движения, при этом крылья разгружали ротор в горизонтальном полете. Rotodyne был разработан для сочетания эффективности самолета с фиксированным крылом в крейсерском режиме с возможностью вертикального взлета и посадки вертолета, чтобы обеспечить авиаперевозки на короткие расстояния из центров городов в аэропорты. CL-84 Dynavert – канадский V/STOL турбовинтовой моноплан с наклоняемыми крыльями, разработанный и производившийся компанией Canadair в период с 1964 по 1972 год. В 1968 году правительство Канады заказало три модернизированных CL-84 для военной оценки, получивших обозначение CL-84 1. С 1972 по 1974 год эта версия была продемонстрирована и оценена в США на борту авианосцев USS Guam и USS Guadalcanal, а также в других центрах. В этих испытаниях участвовали военные летчики из США, Великобритании и Канады. Во время испытаний два CL-84 потерпели крушение из-за механических неисправностей, но в результате этих аварий никто не погиб. Производственных контрактов заключено не было. Хотя такие аппараты, как Focke Achgelis Fa 269 середины 1940-х годов и Centro Técnico Aeroespacial "Convertiplano" 1950-х годов, достигли стадии испытаний или макетов, Bell Boeing V-22 Osprey считается первым в мире серийным конвертопланом. Он оснащен одним трехлопастным пропеллером, турбовинтовым двигателем и трансмиссионной гондолой, установленными на каждом законцовке крыла. Osprey – многоцелевой самолет с возможностью вертикального взлета и посадки (VTOL) и короткого взлета и посадки (STOL). Он предназначен для выполнения задач, как обычный вертолет, с большой дальностью и высокой скоростью крейсерского полета турбовинтового самолета. FAA классифицирует Osprey как модель самолета с реактивной подъёмной силой. В 1960-х годах предпринимались попытки разработать коммерческий пассажирский самолет с возможностью VTOL. Предложение Hawker Siddeley Inter City Vertical Lift предусматривало два ряда подъемных вентиляторов по обеим сторонам. Однако ни один из этих самолетов не был запущен в производство, поскольку они были признаны слишком тяжелыми и дорогими в эксплуатации.

Современные дроны

В XXI веке беспилотные летательные аппараты становятся все более распространенными. Многие из них обладают возможностью вертикального взлета и посадки, особенно квадрокоптеры.

Задние сиденья

В 1947 году ВМС США заказали Ryan X-13 Vertijet, самолет с хвостовой опорой, а в 1948 году выдвинули предложение о разработке самолета, способного к вертикальному взлету и посадке (VTOL) на платформах, размещенных на кормовых палубах обычных кораблей. За контракт боролись компании Convair и Lockheed, но в 1950 году требования были изменены: был запрошен исследовательский самолет, который в перспективе мог бы стать истребителем сопровождения конвоев, базирующимся на кораблях и способным к вертикальному взлету и посадке.

Обычная конструкция

Еще одним более влиятельным ранним вкладом в область самолетов с вертикальным взлетом и посадкой (VTOL) стала установка Rolls Royce для измерения тяги ("летающая кровать") 1953 года. Это привело к созданию первых двигателей VTOL, которые использовались в первых британских самолетах VTOL, Short SC.1 (1957), разработанных компаниями Short Brothers и Harland в Белфасте. Они оснащались четырьмя двигателями вертикального взлета и одним горизонтальным для создания тяги вперед. Short SC.1 стал первым британским самолетом с фиксированным крылом, способным к вертикальному взлету и посадке. SC.1 был разработан для изучения проблем, связанных с полетом VTOL, и переходом между вертикальным и горизонтальным режимами полета. Самолет был создан в ответ на запрос Министерства снабжения (MoS) на проведение тендера (ER.143T) на исследовательский самолет вертикального взлета, опубликованный в сентябре 1953 года. Проект был одобрен министерством, и был заключен контракт на изготовление двух самолетов (XG900 и XG905) в соответствии со спецификацией ER.143D от 15 октября 1954 года. SC.1 также был оснащен первой системой управления "fly by wire" для самолета VTOL, позволявшей использовать три режима управления аэродинамическими поверхностями или соплами. Republic Aviation AP 100 представлял собой прототип VTOL, оснащенный шестью турбореактивными двигателями General Electric J85 и способный нести ядерное оружие. Он был разработан Александром Картвели и рассматривался как возможный претендент на участие в программе TFX, благодаря трем воздухозаборникам с вентиляторами, расположенным в центральной части фюзеляжа и хвостовой части. Другим проектом был A400 AVS с крылом изменяемой геометрии, который признали слишком сложным, однако он послужил основой для разработки AFVG, который, в свою очередь, способствовал созданию Panavia Tornado. Яковлев Як-38 был советским военно-морским самолетом VTOL, предназначенным для базирования на легких авианосцах, грузовых судах и крупных кораблях. Он был разработан на базе экспериментального самолета Яковлев Як-36 в 1970-х годах. До распада Советского Союза был разработан сверхзвуковой самолет VTOL Як-141, как преемник Як-38, но он так и не был запущен в серийное производство. В 1960-х и начале 1970-х годов Германия планировала разработку трех различных самолетов VTOL. Один из них был создан на базе Lockheed F 104 Starfighter для проведения исследований в области V/STOL. Хотя было построено две модели (X1 и X2), проект был отменен из-за высокой стоимости, политических проблем, а также изменившихся потребностей ВВС Германии и НАТО. EWR VJ 101C успешно выполнял свободные взлеты и посадки VTOL, а также тестовые полеты на скоростях, превышающих 1 Мах, в середине и конце 1960-х годов. Один из испытательных самолетов экспонируется в Немецком музее в Мюнхене, Германия, а другой – рядом с аэропортом Фридрихсхафена. Другими проектами были легкий истребитель и самолет-разведчик VFW Fokker VAK 191B и транспортный самолет Dornier Do 31E 3. LLRV (Lunar Landing Research Vehicle) был симулятором космического корабля для лунного посадочного модуля "Аполлон". Он был разработан для имитации характеристик полета лунного модуля (LEM), которому для посадки на Луну требовался реактивный двигатель. Идея использования одного и того же двигателя для вертикального и горизонтального полета путем изменения направления тяги принадлежала Мишелю Вибо. Это привело к созданию двигателя Bristol Siddeley Pegasus, который использовал четыре поворачивающихся сопла для управления тягой под разными углами. Разработка двигателя велась параллельно с созданием планера Hawker P.1127, который впоследствии стал Kestrel, а затем поступил в серийное производство под названием Hawker Siddeley Harrier. Однако сверхзвуковой Hawker Siddeley P.1154 был отменен в 1965 году. Французы, конкурируя с P.1154, разработали версию Dassault Mirage III, способную достигать скорости 1 Мах. Dassault Mirage IIIV совершил переход от вертикального к горизонтальному полету в марте 1966 года и вскоре после этого достиг скорости 1,3 Маха в горизонтальном полете.

V/STOL

Harrier обычно используется в режиме STOVL, что позволяет ему перевозить большую загрузку топлива или вооружения на заданное расстояние. На обложке журнала Popular Science за март 1981 года было опубликовано три иллюстрации к основной статье "Наклоняемый двигатель V/STOL – скорость самолета, посадка как у вертолета". В апрельском выпуске 2006 года была опубликована статья, в которой упоминались "проблемы с расходом топлива и устойчивостью, преследовавшие ранние самолеты/вертолеты". Выведенный из состава британского Королевского военно-морского флота в 2006 году, Индийский военно-морской флот продолжал эксплуатировать Sea Harrier до 2016 года, в основном с авианосца INS Viraat. Последняя версия Harrier, BAE Harrier II, была снята с вооружения в декабре 2010 года после эксплуатации британскими Королевскими ВВС и Королевским флотом. Корпус морской пехоты США, а также итальянский и испанский военно-морские флоты продолжают использовать AV-8B Harrier II, американо-британский вариант. Заменой Harrier II/AV-8B в военно-воздушных силах США и Великобритании стал вариант STOVL Lockheed Martin F-35 Lightning II – F-35B.

Ракеты

SpaceX разработала несколько прототипов Falcon 9 для подтверждения различных низковысотных, низкоскоростных инженерных аспектов своей программы разработки многоразовой ракетно-космической системы. Первый прототип, Grasshopper, совершил восемь успешных испытательных полетов в 2012–2013 годах. Он совершил свой восьмой и последний испытательный полет 7 октября 2013 года, поднявшись на высоту, прежде чем совершить восьмую успешную посадку с вертикальным взлетом и посадкой (VTVL). Это был последний запланированный тест для комплекса Grasshopper; следующим этапом станут низковысотные испытания разрабатываемого аппарата Falcon 9 Reusable (F9R) в Техасе, за которыми последуют высотные испытания в Нью-Мексико. 23 ноября 2015 года ракета-носитель New Shepard компании Blue Origin совершила первую успешную вертикальную посадку после беспилотного суборбитального испытательного полета, достигшего космоса. 21 декабря 2015 года первая ступень SpaceX Falcon 9 совершила успешную посадку после вывода 11 коммерческих спутников на низкую околоземную орбиту в ходе полета Falcon 9 Flight 20. Эти демонстрации открыли путь к значительному снижению стоимости космических полетов.

Вертолет

Форма вертикального взлета и посадки (VTOL) вертолета позволяет ему взлетать и приземляться вертикально, зависать в воздухе и летать вперед, назад и вбок. Эти характеристики позволяют использовать вертолеты в стесненных или труднодоступных районах, где самолеты с фиксированным крылом обычно не могут взлетать или приземляться. Способность эффективно зависать в течение длительного времени обусловлена относительно длинными и, следовательно, эффективными лопастями несущего винта, что позволяет вертолету выполнять задачи, которые самолеты с фиксированным крылом и другие летательные аппараты вертикального взлета и посадки не могли выполнять столь же эффективно, по крайней мере, до 2011 года. С другой стороны, длинные лопасти несущего винта ограничивают максимальную скорость, по крайней мере, обычных вертолетов, примерно до 400 км/ч (250 миль в час), поскольку срыв потока на отступающей лопасти вызывает боковую неустойчивость.

Автогиро

Автожиры также известны как гиропланы или гирокоптеры. Ротор не имеет собственной тяги и свободно вращается в воздушном потоке при движении аппарата вперед, поэтому для создания тяги автожиру необходима обычная силовая установка. Автожир не обладает способностью к вертикальному взлету и посадке (VTOL) по своей природе: для вертикального взлета ротор должен быть раскручен до рабочей скорости вспомогательным приводом, а для вертикальной посадки требуется точное управление моментом импульса и углом установки лопастей ротора.

Гиродин

Гиродины также известны как составные вертолеты или составные гиропланы. Гиродины сочетают в себе несущий винт вертолета с отдельной системой тяги, как у автожира. Помимо взлета и посадки, несущий винт может быть не приводимым в движение двигателем и переходить в режим авторотации. В конструкцию также могут быть включены короткие крылья для увеличения подъемной силы.

Циклогиро

Циклогиро или циклокоптер имеет вращающееся крыло, ось и несущие поверхности которого остаются ориентированными перпендикулярно воздушному потоку, подобно обычному крылу.

Подъемник с двигателем

Существует множество конструкций для достижения подъемной силы, и некоторые из них могут использовать более одной. Существует также множество экспериментальных конструкций, обладающих уникальными особенностями для достижения подъемной силы с помощью двигателей.

Конвертиплане

Конвертиплан взлетает с использованием подъёмной силы несущего винта, как вертолёт, а затем переходит к подъёмной силе крыла в полёте по прямой. Примером является Bell Boeing V-22 Osprey.

Тильтротор

Наклоноротор или пропеллер-наклонник наклоняет свои винты или роторы вертикально для вертикального взлета и посадки (VTOL), а затем наклоняет их вперед для горизонтального полета по принципу самолета с неподвижным крылом. Основное крыло при этом остается зафиксированным.

Вентилятор с наклоном

Подобна концепции винтокрыла, но с использованием канальных вентиляторов. Пример – Bell X-22.

Крылья

Наклоняемое крыло имеет винты или роторы, закрепленные на обычном крыле, и наклоняет всю конструкцию для перехода от вертикального к горизонтальному полету.

Задница

Самолет, взлетающий и садящийся на хвосте, располагается вертикально на хвостовой части, а затем наклоняет весь фюзеляж вперед для горизонтального полета.

Векторная тяга

Векторирование тяги — это технология, применяемая к реактивным и ракетным двигателям, при которой изменяется направление реактивной струи. В самолетах вертикального взлета и посадки (VTOL) направление струи может изменяться от вертикальной тяги к горизонтальной.

Тильджет

Подобно концепции наклоняемого ротора, но с турбореактивными или турбовентиляторными двигателями вместо двигателей с воздушными винтами.

Подъемные струи

Подъемный реактивный двигатель — вспомогательный реактивный двигатель, используемый для обеспечения подъема при взлете и посадке вертикального типа (VTOL), но может быть выключен для нормального полета с использованием крыла. Як-38 — единственный серийный самолет, оснащенный подъемными реактивными двигателями.

Вентиляторы лифта

Подъёмный вентилятор — это компоновка самолёта, в которой подъёмные вентиляторы расположены в больших отверстиях в крыле или фюзеляже, имеющих в остальном традиционную конструкцию. Она используется для выполнения операций ВЗВЛ (вертикальный взлёт и посадка). Самолёт взлетает, используя вентиляторы для создания подъёмной силы, а затем переходит к подъёмной силе, создаваемой крылом, в полёте по прямой. Было построено несколько экспериментальных образцов, но только F-35 Lightning II был запущен в серийное производство.

Подъем через эффект Коанды

Самолеты, в которых вертикальный взлет и посадка (VTOL) достигается за счет использования эффекта Коанда, способны перенаправлять воздушный поток аналогично управлению вектором тяги, но вместо направления потока через воздуховод, поток просто направляется вдоль существующей поверхности, обычно корпуса аппарата, что позволяет снизить расход материала и вес. Avro Canada VZ 9 Avrocar, или просто VZ 9, был канадским самолетом с вертикальным взлетом и посадкой, разработанным компанией Avro Aircraft Ltd., который использует это явление, направляя воздух в центральную область, а затем вниз по верхней поверхности, имеющей параболическую форму и напоминающей вогнутую летающую тарелку. Благодаря эффекту Коанда, воздушный поток притягивается к ближайшей поверхности и продолжает двигаться вдоль нее, несмотря на изменение направления этой поверхности относительно потока. Аппарат спроектирован таким образом, чтобы направлять воздушный поток вниз для создания подъемной силы. Jetoptera представила предлагаемую линейку самолетов, основанных на так называемой флюидной тяге, использующей эффект Коанда. Компания заявляет об эффективности Освальда 1,45 для своей конструкции крыла типа "бокс". Среди других заявлений – повышение эффективности, снижение веса на 30%, упрощение конструкции, снижение шума до 25 дБА (и атонального), уменьшение размаха крыльев и масштабируемость. Jetoptera утверждает, что их подход обеспечивает увеличение тяги более чем в 2 раза и экономию топлива до 50% по сравнению с турбовентиляторным двигателем в статических или зависающих условиях. Выхлопная струя может использоваться в архитектурах с обдувом верхней поверхности для повышения коэффициента подъемной силы до значений, превышающих 8,0.