Летательный исход

Подвод

Тварь, дрожащая с частотою 40 герц, была рождена летать и проложила путь новым подходам в самолетостроении.

Статья Михаила Ваннаха пробилась в печать не сразу. Его постоянный редактор Андрей Шипилов прочел очередной факс из Тулы и отозвался в том смысле, что у автора совсем поехала крыша. Через некоторое время тот же материал попал на глаза мне, и я решил, что это ценная популяризация широко известных на Западе, но пока не освоенных у нас идей. Мы поспорили. Мне пришлось признать, что Ваннах чуть не утопил в воде ребенка, и пообещать приложить к его сочинению надлежащие технические иллюстрации.

Не будучи осведомлен в военно-технических вопросах, родных для отца Михаила, я решил заняться разработкой наиболее знакомого мне сюжета и рассказать о неустойчивых летательных аппаратах - таких, которые никогда не смогли бы держаться в воздухе, если бы их не вела быстродействующая компьютерная система. Между тем, Шипилов затребовал дополнительные материалы от самого Ваннаха, и тот прислал ему аналогичный пример. Ну, не нашлось на нас с Ваннахом ни рака, ни щуки, чтобы уравновесить наш порыв в облака, - что ж теперь поделать. Так что заранее прошу извинить как за перекос в эту сторону, так и за технические ошибки, если таковые приключатся. Впрочем, придирок по терминологии, как обычно, не принимаю и даже не рассматриваю.

Мои собственные познания в авиации почерпнуты почти исключительно из детского опыта строительства бесчисленных и самых разнообразных моделек. Тем не менее, неустойчивые самолеты - мой любимый пример для досужих споров. Знаете, небось, эти болезненные для профессионального самолюбия заявления скептиков, что компьютеры не вносят в дела человеческие ничего принципиально нового, да и вообще не ясно, чего от них больше: вреда или пользы. В таких случаях самолеты для меня - экзистенциальный аргумент, что называется, raison d'etre. Есть немало высказываний авиационных авторитетов, общий смысл которых в том, что внедрение компьютерной системы управления полетом - величайшее техническое новшество чуть ли не за всю историю самолетного дела.

Неустойчивые самолеты отличаются сверхвысокой маневренностью, они экономичнее обычных при крейсерском полете и способны удерживаться в таких положениях, когда любая нормальная машина сорвалась бы в неуправляемое падение. Этот принцип, который можно было бы назвать управляемой неустойчивостью, широко применяется во многих областях современной техники, но в авиации он особенно впечатляет. Традиционный самолет, даже неисправный, обычно все-таки может планировать и успешно приземлиться, если найдет куда, а неустойчивый без компьютера просто не летает.

Попав в Музей авиации и космонавтики Смитсоновского института в Вашингтоне, я и понюхал, и облизал бы, если бы смог достать, оба выставленных там экспоната: уменьшенную модель X-29 фирмы Grumman с крылом обратной стреловидности (впечатление такое, будто она летает задом наперед) и его предшественника HiMAT (Highly Maneuverable Aircraft Technology - технология летательных аппаратов высокой маневренности), с которым NASA экспериментировало еще в 1980 году. Но гораздо больше я узнал, пройдясь недавно по WWW и посетив сайт Драйденовского центра изучения полета NASA (www.dfrc.nasa.gov), где испытывались эти и многие другие удивительные летательные аппараты.

Центр, которому недавно исполнилось полвека, носит имя своего создателя - доктора Хью Драйдена. Идея компьютерного управления полетом была выношена там в конце 60-х годов. Как сообщается, бывший пилот-испытатель Центра Нил Армстронг, служивший после своей прогулки по Луне в аппарате NASA, лично "выбил" финансирование, и в 1972 году начались эксперименты с серийным самолетом ВМС F-8C, который оснастили цифровой системой fly-by-wire (что-то вроде "летай по струночке"). Вся гидравлика была снята и заменена на провода (wires) и электроприводы. Команды им отдавал компьютер Apollo - тоже серийное покупное изделие. На вход программ поступала информация от инерциального датчика положения.

Кроме основного компьютера Apollo, на борту был еще один запасной, но, как пишут летописцы Центра, он ни разу не понадобился. В конце концов их заменили специально разработанной бортовой вычислительной системой с тройным резервированием, а самолет успешно совершил 210 экспериментальных полетов в течение 13 лет.

Цифровая система управления развязала руки конструкторам. Если раньше на них лежала вся тяжесть ответственности за то, чтобы самолет мог летать, то теперь компьютер, при наличии достаточно мощного двигателя, мог заставить держаться на курсе и маневрировать, ведя воздушный бой, хоть письменный стол. Но прежде чем инженеры решились подвергнуть летчика-испытателя такому риску, они создали технологию дистанционного управления полетом.

В 1971 году специалисты центра приступили к реализации системы, состоящей из беспилотной модели (в 3/8 натуральной величины) самолета F-15 и наземного компьютера, программируемого на языке FORTRAN. Пилоту предоставлялся наземный кокпит с привычным набором органов контроля и управления. До 1986 года с помощью этой техники были выполнены все решающие эксперименты с неустойчивыми летательными аппаратами. Надо заметить, что для того чтобы сделать возможными беспилотные дистанционно-управляемые полеты, потребовалось еще и множество других изобретений, касающихся технологий и методов измерения параметров положения и движения самолета - в частности, с использованием лазеров.

Синтезом всех этих авангардных идей явилась совместная исследовательская программа NASA и ВВС США, в ходе которой испытывались два беспилотных дистанционно-управляемых самолета HiMAT. C 1979 по 1983 годы они совершили 26 полетов: их сбрасывали с бомбардировщика B-52 с высоты 15 тысяч метров и приземляли на высохшее озеро неподалеку от Центра.

Самолеты HiMAT примерно вдвое превосходили обычные истребители тех лет по характеристикам маневренности. При длине около семи и размахе крыльев около пяти метров (что в два раза меньше чем у пилотируемых аналогов) они развивали скорость до 1,4М (то есть, скоростей звука). На 30 процентов они были изготовлены из композитных материалов, что само по себе было крупным достижением. Помимо этого, в них было заложено много принципиально новых конструктивных элементов.

Система дистанционного управления включала телевизионную камеру, передававшую изображение от места, где должен был бы сидеть пилот, на наземный кокпит, и новую бортовую систему fly-by-wire. Один из этих самолетов остался в Драйденовском центре, а второй как раз и выставлен в музее Смитсоновского института, где многие из вас - я уверен - увидят его, когда случится побывать в Вашингтоне.

Следующий в этом ряду достижений - X-29, модель которого в 1/2 натуральной величины можно видеть в том же музее. Он был разработан и изготовлен Grumman Aircraft Corporation по заказу знаменитого агентства передовых исследовательских проектов Пентагона DAPRA и одного из исследовательских центров ВВС. Литеру X, которую носит этот самолет, военные присваивают экспериментальным образцам. Первый полет состоялся в Драйденовском центре в конце 1984 года, а всего их было 302.

Как и HiMAT, Х-29 впервые воплотил множество инженерных находок. На снимках хорошо видна самая впечатляющая его особенность: крылья с обратной стреловидностью (направленные вперед). В материалах Web-сайта Драйденовского центра отмечается, что идея конструкции носилась в воздухе давно и ее даже пытались реализовать в Германии во время второй мировой войны. Но потребовались принципиально новые материалы и технологии управления, чтобы преимущества такой компоновки были наконец реализованы.

X-29 сам по себе не может летать устойчиво. Система управления 40 раз в секунду корректирует положение аэродинамических рулей, расположенных как на передней, так и на задней кромке крыльев. Если все три цифровых контура отказывают, то в дело вступает двукратно резервированная аналоговая система, возможностей которой достаточно, чтобы продолжать полет.

X-29 имеют размеры боевого истребителя и пилотируются человеком. В 1990 году один из них демонстрировался и летал на авиационных выставках, открытых для публики. Впоследствии он совершил круговой полет по всей территории США. Несмотря на эти успехи, мне не известно о существовании серийных машин с такой геометрией и вообще о каких-либо других самолетах, которые намеренно спроектированы неустойчивыми.

По-видимому, опасность все же слишком велика. Электронная система управления в целом надежнее, чем любой гидравлический или механический привод, при отказе которого обычный самолет станет неуправляемым. Однако стало известно, например, что после 162 успешных полетов в ходе имитационных исследований X-29 была обнаружена потенциально опасная ошибка в программах, которая, при определенном стечении обстоятельств, могла погубить самолет и пилота.

Испытания X-29 позволили развить новые методы управляемого полета при больших углах атаки. Грубо говоря, углом атаки называется угол между осью самолета и направлением его движения. Большой угол атаки - это когда машина движется вперед, так сказать, задрав нос. Чем больше угол атаки, тем выше вертикальная маневренность. Обычный самолет тех времен не выдерживал полета при угле атаки более 15њ: срывался, терял управляемость и мог плохо кончить. На втором экземпляре X-29 конструкторы опробовали кое-какие дополнительные примочки, позволяющие создать вихревой поток вокруг носа самолета и улучшить его летные свойства при больших углах атаки. Эта машина прекрасно летала под углом 45њ и сохраняла устойчивость до 66њ.

Следующий сверхманевренный самолет X-31, хотя и носил литеру X, скромно назывался демонстрационным. Он был построен компанией Rockwell International, а при испытаниях в Драйденовском центре показал управляемый полет при угле атаки 70њ. В этой машине, вполне традиционной на вид, использовалась технология перенаправления реактивной тяги в сочетании с новейшими достижениями в части автоматического управления полетом.

На счету X-31 более ста испытательных полетов, рекордные маневры и успешное участие в показательных воздушных боях. В отличие от X-29, он мог обходиться без системы управления полетом, и это, по-видимому, спасло его от гибели. Есть сведения, что в четырех из девяти первых полетов компьютер начинал выдавать управляющие воздействия с обратным знаком. Причина, как выяснилось, была в том, что одна из главных программ, разработанная чуть ли не за двадцать пять лет до того и переносившаяся с одной модели на другую, содержала ошибку (деление на ноль), которая в предыдущих системах не приводила к заметным последствиям.

Наследие HiMAT и X-29 вновь вспоминают в связи с начавшимися более года назад испытаниями в Драйденовском центре беспилотного экспериментального самолета X-36, (на это раз без хвоста). Не являясь самолетом с вертикальным взлетом, X-36 может летать очень медленно и стоя на хвосте "в позе кобры", как советский Су-27, а благодаря отсутствию хвостового оперения значительно ослабляется отраженный радиосигнал, который могут обнаруживать радары.

Между прочим, на создание X-36 корпорацией McDonnell Douglas затрачено всего-навсего 17 миллионовдолларов, что связывают с достижениями в области компьютеризации проектирования и производства. Но об этом аспекте применения компьютеров в авиации, равно как и о зазеркальном отечественном опыте создания неустойчивых самолетов, если он был, пусть лучше расскажет кто-нибудь компетентнее меня.