Perspektive i mogućnosti vertikalnog poletanja borbenih aviona

Klasični avion, kao što znamo, stalno poboljšava svoje osobine u pogledu brzine i visine leta, kao i ekonomičnosti u horizontalnom letu. Klasični helikopter bez obzira na svoj razvoj i usavršavanje, ostaće i dalje vrlo ograničen u pogledu povećanja maksimalnih horizontalnih brzina i ekonomičnosti u doletu, dok je, s druge strane, za sada nezamenljiv u performansama leta na malim brzinama i dužem lebdenju.

Koliko god je klasični avion tokom godina poboljšavao svoje letne sposobnosti, ipak mu se dužina poletanja i sletanja uglavnom povećala a time i potrebna veličina aerodroma. Pošto se, s druge strane, uvidelo da se sa helikopterom u postizanju većih horizontalnih brzina i ekonomičnog doleta ne može daleko doći, to već duže vreme postoji težnja da se stvori vazduhoplov sličan klasičnom, ali sa mogućnošću vertikalnog ili vrlo kratkog poletanja i sletanja. Kod vojnih aviona tu potrebu je ubrzao i nagli razvoj nuklearnog oružja koje veoma otežava, ako ne i potpuno ograničava, upotrebu aerodroma sa velikom PSS sa veštačkim zastorom. Zbog toga je u poslednje vreme u nekim državama razvijen vrlo veliki broj projekata aviona za kratko i vertikalno poletanje i sletanje, počev od aviona za vezu, zatim transportnih i konačno borbenih aviona. Karakteristično je, ipak, da je neobično mali broj projekata, uglavnom aviona za vezu i transportnih aviona, usvojen za serijsku proizvodnju, dok svi ostali projekti ostaju u eksperimentalnoj fazi. To dokazuje da je avion za kratko a pogotovo za vertikalno poletanje, u sadašnjem momentu još uvek vrlo skup i nedovoljno usavršen za normalnu upotrebu u jedinicama.

S obzirom da prostor jednog članka ne dozvoljava osvrt na sve vrste konstrukcija i odgovarajuće sisteme za kratko i vertikalno poletanje, a pošto su kod nas već u priličnoj meri obrađivani sistemi za kratko i vertikalno poletanje transportnih i aviona za vezu, to ćemo se u ovom članku osvrnuti samo na mogućnosti i rešenja vertikalnog poletanja i sletanja borbenih aviona.

Pri ovom razmatranju, polazeći od projekta tzv. »uspravnog« aviona, tj. aviona sa trupom u vertikalnom položaju pri poletanju i sletanju, osvrnućemo se na neke sisteme pogonskih grupa za vertikalno poletanje i sletanje kao što su: sistem kanalisanih ventilatora za stvaranje uzgona, sistem odvojene uzgonske i potisne pogonske grupe, sistem jedinstvene uzgonsko-potisne pogonske grupe sa detaljnijim podacima o motoru Pegasus BS-100. kao uzgonsko-potisnom motoru sistema jedinstvene uzgonsko-potisne pogonske grupe, zatim na perspektivne projekte borbenih aviona za vertikalno poletanje i sletanje.

Slika 1. - Avion Lockheed »XFV-1« sa trupom u vertikalnom položaju

Prvi eksperimentalni avioni za vertikalno poletanje i sletanje bili su sa trupom u vertikalnom položaju. Počelo se sa gasnom turbinom i višekrakom elisom, dok su kasniji projekti imali mlazne motore. Izgleda prirodno da se započelo s tim sistemom. Naime, kod aviona velikih brzina odnos potrebnog potiska i težine približava se i inače jedinici. Jasno je da se sa malim daljim povećanjem tog odnosa u odgovarajuće stajne organe može načiniti avion sa trupom u vertikalnom položaju, kao što je prikazano na slici 2. U ovom slučaju izbegnuto je pomeranje ose motora za vreme leta što predstavlja komplikaciju kod drugih sistema. Prednost aviona sa trupom u vertikalnom položaju leži i u tome što je uvlačenje prašnjivog vazduha i krupnijih čestica u usisnik za vreme poletanja i sletanja minimalno. Sama konfiguracija takvog aviona normalno dovodi do vrlo male vitkosti krila, što ima za posledicu relativno malu težinu strukture, ali i nepovoljne aerodinamičke osobine u pogledu doleta, osobito na podzvučnim brzinama.

Glavni nedostatak ovog aviona je vrlo neprirodan položaj pilota za vreme sletanja što manevar aviona čini vrlo komplikovanim. Smanjenje vidljivosti i neprirodan položaj pilota pri sletanju morali bi se kompenzirati komplikovanim uređajima za automatsku stabilizaciju oko sve tri ose, kao i radarskim uređajem za određivanje udaljenosti od zemlje ili čak i uređajem za automatsko sletanje. Bezbednost takvog aviona mnogo bi zavisila od rada tih uređaja.

Premda će se taj sistem u budućnosti razvijati za svemirske letelice, on u sadašnjoj fazi svog razvoja nije pogodan za normalnu upotrebu u jedinicama. No, može se reći da za sada nema izgleda da takva vrsta aviona uđe u serijsku proizvodnju a ni ubuduće, pošto su obustavljeni radovi i na postojećim eksperimentalnim tipovima.

Slika 2. - Šema aviona sa trupom u vertikalnom položaju sa mlaznim motorima

SISTEMI POGONSKIH GRUPA ZA VERTIKALNO POLETANJE I SLETANJE

Kanalisani ventilatori za stvaranje uzgona

Za stvaranje uzgona pri poletanju i sletanju mogu poslužiti i kanalisani ventilatori čije su ose vertikalno postavljene u trupu aviona. Na spoljnjem prstenu ventilatora smeštene su lopatice turbine. Izduvni gasovi mlaznog motora mogu se skrenuti tako da prolaze kroz tu turbinu i na taj način okreću ventilatore. Pošto ventilatori rade sa velikom masom vazduha i relativno malom promenom brzine a pored toga su i kanalisani, to je propulzivni koeficijent korisnosti takvog sistema vrlo velik. Na taj način se dobijaju veliki potisci koji u ovom slučaju služe kao uzgonska sila. Relativno male brzine gasova na izlazu iz ventilatora su povoljne jer imaju za posledicu malu eroziju terena neposredno ispod aviona a time i manje uslove za stvaranje prašine i upadanje parčića kamena u usisnik. Na slici 3 dat je šematski prikaz jednog takvog sistema. Loša strana ovog sistema leži u potrebi velikih dimenzija trupa za smeštaj nosećih ventilatora. Sem toga, rad uzgonskih ventilatora u prelaznoj fazi, tj. pri promeni pravca kretanja izduvnih gasova od turbine uzgonskih ventilatora u izduvnik i obratno može izazvati prilične promene momenta oko uzdužne ose a time i snažne poremećaje uravnoteženja aviona.

Slika 3. - Sistem pogonske grupe sa dva mlazna motora i dva uzgonska ventilatora

Skica (slika 3) predstavlja sistem sa dva normalna mlazna motora i dva uzgonska ventilatora smeštena simetrično oko težišta aviona. Preklopnik u sistemu iza mlaznog motora omogućava odvođenje izduvnih gasova ili na turbinu ventilatora ili u izduvnik. Pri poletanju i sletanju preklopnik je u položaju koji odvodi izduvne gasove na turbinu ventilatora, dok u normalnom letu izduvni gasovi prolaze kroz mlaznik. Za sada još nema razvijenih uzgonskih ventilatora pogodnih za jedan borbeni avion te se ne može očekivati da će se ubrzo pojaviti borbeni avion sa sistemom vertikalnog poletanja. Verovatno će se takav sistem pre pojaviti na transportnim avionima gde pitanje prostora za njihov smeštaj nije toliko kritično.

Odvojena uzgonska i potisna pogonska grupa

Pogonska grupa ovakvog aviona sastoji se od nekoliko uzgonskih motora vrlo male težine i jednog normalnog mlaznog motora za horizontalni let. Težina ukupne pogonske grupe nije mala, ali je prihvatljiva. Na slici 4 dat je šematski prikaz aviona sa 8 uzgonskih motora koji služe za poletanje i sletanje i jednim mlaznim motorom sa uređajim za naknadno sagorevanje za normalne režime leta. U ovakvom slučaju važno je da mlazni motor za horizontalni let bude vrlo ekonomičan za režim krstarenja da bi se sa smanjenjem ukupne količine goriva bar donekle kompenzirala relativno velika težina aviona.

Slika 4. - Uzgonsko-potisni sistem aviona »Mirage 3 V« sa 8 uzgonskih i 1 normalnim mlaznim motorom

Osam uzgonskih motora daje celom sistemu izvesno povećanje sigurnosti jer se u slučaju otkaza jednog do dva uzgonska motora ostali mogu kratkotrajno preopteretiti i na taj način može se izbeći katastrofa.

Sem navedenih dobrih strana, posmatrani sistem ima i niz nedostataka. Pri poletanju i sletanju uzgonski motori stvaraju jaku eroziju tla, diže se mnogo prašine te postoji mogućnost da i veći komadići razbijenog tla budu ponovo usisani, što može dovesti do otkaza motora a i do ograničenja upotrebe aviona u zavisnosti od zemljišta. Problem predstavlja i paljenje osam uzgonskih motora pri završetku leta pred spuštanje. Ukoliko paljenje ne bi bilo izvršeno strogo simultano, dolazi do snažnih poremećaja u uzdužnom uravnoteženju. Slična stvar se javlja nakon izvršenog poletanja pri prelazu u horizontalni let kada se gase uzgonski motori zbog čega ovakav avion obavezno ima uređaj za automatsku stabilizaciju a njegova bezbednost u velikoj meri zavisi od funkcionisanja tih uređaja.

Konačno i cena takve pogonske grupe je vrlo velika. Uzgonski motori su po kilogramu potiska nešto jeftiniji od normalnih mlaznih motora, ali pošto je za vertikalno poletanje potreban veliki potisak uzgonskih motora, to se konačno dobija i visoka cena pogonske grupe.

Slika 5. - Avion »VTOL-104«

Za avion težine od oko 13 tona u poletanju, ukupna cena pogonske grupe iznosi oko 500.000 dolara. Ako se tome doda i cena neophodnih uređaja za stabilizaciju, dobija se kao minimum 550 hiljada dolara. Potrebno je imati u vidu da je to cena pogonske grupe i neophodnih uređaja za stabilizaciju samo na malim brzinama. Odatle lako možemo zaključiti da je ukupna cena takvog aviona vanredno visoka. Razlog za ovako visoku cenu pogonske grupe leži i u tome što se uzgonski motori proizvode samo u malim serijama. Kod velike serijske proizvodnje njihova cena bila bi nešto niža.

I pored navedenih nedostataka, ovakav sistem je za sada perspektivan.

Jedinstvena uzgonsko-potisna pogonska grupa

U poslednje vreme razvijen je jedinstveni motor za stvaranje uzgona i potrebnog potiska posle prelaza u horizontalni let. To je kombinacija mlaznog motora i kanalisanog ventilatora koji je spregnut na istoj osovini a nalazi se ispred kompresora. Iza kanalisanog ventilatora prolazi jak sporedni protok vazduha kroz dva pokretna mlaznika u atmosferu, dok ostatak vazduha ide u kompresor. Izduvni gasovi turbine prolaze, takođe, kroz dva pokretna mlaznika. Motor je smešten u težištu aviona, a četiri pokretna mlaznika mogu se orijentisati tako da vektor potiska promeni svoj smer za 90°. Na taj način motor ostvaruje uzgon pri poletanju i sletanju i potrebni potisak za ostale režime leta. Potisak se stvara u četiri pokretna mlaznika a njegova rezultanta prolazi kroz težište aviona za svaki položaj mlaznika. Na taj način poremećaji u uzdužnom uravnoteženju kod prelaznih režima leta su svedeni na minimum a time otpadaju skupi i komplikovani uređaji za veštačku stabilizaciju na malim brzinama.

Na slici 6 dat je šematski prikaz aviona za vertikalno poletanje sa takvom pogonskom grupom. Rad pilota je znatno jednostavniji nego u slučaju kombinovane pogonske grupe. Naime, potrebno je voditi računa samo o radu jednog motora a usmeravanje mlaznika vrši se preko jednostavne dopunske komande. Uređaj za stabilizaciju je jednostavan, a u krajnjem slučaju može se leteti i bez njega, osobito kod ventilatora sa suprotnim smerom rotacije i kompresora čime su žiroskopski momenti svedeni na minimum. Prednost sistema je u tome što se za vreme rada motora na zemlji pri paljenju, probi motora i voženju, mlaznici mogu usmeriti unazad a samo u momentu poletanja nadole. Time se izbegava erozija tla kao i suvišno stvaranje prašine koje umanjuje vidljivost a može dovesti i do oštećenja kompresora. Pored toga, relativno velike lopatice ventilatora nisu jako osetljive na upadanje čestica prašine.

Slika 6. - Sistem sa jedinstvenom uzgonsko-potisnom pogonskom grupom na avionu Hawker »P. 1154«

Glavni nedostatak ovakve pogonske grupe je, u poređenju sa standardnim mlaznim motorom, veća specifična potrošnja goriva na režimu krstarenja. U sadašnjoj fazi razvoja taj motor nije pogodan za nadzvučne brzine. Njegovo prilagođavanje nadzvučnim brzinama nije vezano samo za razvoj motora nego i za razvoj odgovarajućeg usisnika. Ukoliko su, s obzirom na namenu aviona, poželjne velike brzine krstarenja, to će motor raditi na većim obrtajima što mu nešto smanjuje specifičnu potrošnju. U tom slučaju on se po rentabilnosti približuje normalnom mlaznom motoru.

Kod pomenutog uzgonsko-potisnog motora normalno postoji mogućnost da se u struju sporednog protoka vazduha iza ventilatora ubacuje gorivo i vrši naknadno sagorevanje čime se dobija znatno povećanje kratkotrajnog potiska, što se koristi pri poletanju i sletanju. U tom slučaju specifična težina motora za traženi maksimalni potisak može biti osetno manja nego kod kombinovane pogonske grupe što ima za posledicu i osetno manju težinu cele pogonske grupe. Prema tome, izlazi da je takva pogonska grupa uvek lakša od kombinovane pogonske grupe. Pošto je specifična potrošnja goriva uzgonsko-potisnog motora za režim krstarenja veća od specifične potrošnje normalnog mlaznog motora, to će u prvom slučaju biti i potrebna veća količina goriva za isti dolet. Kod velikih doleta težina goriva poništava prednosti dobijene od male težine uzgonsko-potisnog motora, tako da kombinovana pogonska grupa postaje rentabilnija bar sa gledišta maksimalne težine pri poletanju. Upoređenje sličnih projekata sa mešovitom i jedinstvenom uzgonsko-potisnom pogonskom grupom pokazuje da mešovita pogonska grupa postaje težinski rentabilnija za dolete preko 900 km. Odatle izlazi da je kod aviona predviđenih za lovačko-bombarderska dejstva pogodniji jedinstveni uzgonsko-potisni motor. Pošto su takvi motori malo poznati, osvrnućemo se na opis jednog motora te vrste.

Uzgonsko-potisni motor Pegasus BS-100

Firma Bristol Siddeley, finansirana od snaga NATO, razvila je motor Pegasus BS-100, za borbeni avion za vertikalno poletanje. Na slici 7 dat je šematski prikaz motora. Ventilator i kompresor sa visokim stepenom kompresije imaju suprotni smer rotacije. Na taj način je žiroskopski efekat gotovo potpuno eliminisan.

Slika 7. - Šematski prikaz uzgonsko-potisnog motora Pegasus BS-100

Vazduh iza ventilatora ide delom u kompresor a delom preko sporednog protoka u dva prednja pokretna mlaznika. Zbog niskog stepena kompresije koji se postiže ventilatorom, taj vazduh ima i relativno nisku temperaturu. Ako se u sporedni protok vazduha ubacuje gorivo dobija se povećanje potiska za oko 30% pri poletanju a trostruki potisak na brzini od 2 maha. Kroz dva zadnja pokretna mlaznika izlaze izduvni gasovi iz turbine.

Mehanizam za usmeravanje mlaznika je jednostavan. Sva četiri mlaznika su mehanički povezana a njihovo okretanje je ostvareno preko dvostrukih motora na komprimovan vazduh. U kabini pilota postoji ručica za obrtanje mlaznika. To je u stvari jedina komanda koja se razlikuje od konvencionalnih komandi aviona. Preko servomehanizma tom komandom pilot dejstvuje na motore za okretanje mlaznika. Potpuna promena usmeravanja mlaznika za 90° moguća je za manje od jedne sekunde, a da pri tom motori za okretanje mlaznika utroše snagu od oko 2 KS.

Sa povećanjem brzine leta ventilator postaje sve manje efikasan. Kod nadzvučnih brzina on u stvari predstavlja samo smetnju u celom sistemu tako da je pri brzini od 2 maha gotovo beskoristan. Ali, s druge strane, ako se u sporedni protok ubacuje gorivo, dobija se vrlo jak potisak jer taj deo motora tada deluje kao nabojno-mlazni motor. Naime, pri sagorevanju goriva u sporednom protoku mogući su prirasti temperature od oko 1.000 K a da je pri tome konačna temperatura sagorelih gasova gotovo ista kao i kod izduvnih gasova mlaznog motora. Normalni uređaj za naknadno sagorevanje gasova iza turbine u stvari dogoreva već ionako vrele gasove i manje je efikasan u smislu povećanja potiska od stvaranja potiska u sporednom protoku. Konačno, uzgonsko-potisni motor u celosti može da obezbedi veliki potisak i kod nadzvučnih brzina. Dok još nije bilo ostvareno sagorevanje u sporednom protoku iza ventilatora, izgledalo je da će uzgonsko-potisni motor biti vrlo neracionalan za nadzvučne brzine. Međutim, ta poteškoća je danas već prevaziđena.

Jedan od nedostataka uzgonsko-potisnog motora je vrlo veliki jedinični protok koji ceo prolazi kroz usisnike. U stvari taj protok je oko tri puta veći od protoka potisno-mlaznog motora koji kod odvojene pogonske grupe služi samo za horizontalni let. Veliki protok vazduha zahteva velike usisnike, što povlači sa sobom i povećanje otpora aviona. Ako se posveti velika pažnja projektovanju usisnika, taj se nedostatak uzgonsko-potisnog motora može svesti na minimum.