Экранопланы: крыло у самой воды, критерий Иродова и то, чего машина пока не умеет

То, что знали лётчики до всякой теории

Ещё в 1920-е годы пилоты замечали: у самой земли самолёт словно не хочет садиться. Машина, у которой уже не должно хватать подъёмной силы, продолжает лететь, будто её что-то держит.

Явление назвали экранным эффектом: у поверхности крыло несёт лучше и сопротивляется меньше. Сначала это считали помехой при посадке. Потом кто-то задал очевидный вопрос — а нельзя ли лететь так всё время?

Два механизма, а не один

В популярных изложениях экранный эффект объясняют воздушной подушкой: воздух, мол, «запирается» между крылом и водой. Это верно, но описывает только половину явления, а иногда и меньшую.

Механизмов два, они разной природы и работают на разных высотах.

Первый — уменьшение индуктивного сопротивления. Крыло создаёт подъёмную силу, отклоняя поток вниз; на концах крыла воздух перетекает снизу вверх, и сходят вихри. Именно на них уходит часть энергии — то самое индуктивное сопротивление. Близкая поверхность мешает вихрям развернуться и уменьшает скос потока. Определяющая величина здесь — отношение высоты к размаху, и эффект начинает сказываться уже с высот порядка размаха крыла.

Второй — динамическая воздушная подушка. Когда крыло опускается совсем низко, набегающий поток не успевает свободно уйти из-под него, и давление под крылом растёт. Здесь определяющая величина — отношение высоты к хорде, и работает это только на очень малых высотах.

Отсюда практический вывод: разные аппараты пользуются разными механизмами. Пеликану над волной достаточно первого. Экраноплану, идущему в паре метров над водой на огромной скорости, работают оба.

Две отечественные школы

Экранопланы делали в разных странах, но всерьёз, до больших летающих машин, довели дело именно у нас — двумя независимыми путями. Их важно не путать.

Судостроительная линия: Ростислав Алексеев

Ростислав Евгеньевич Алексеев пришёл к экраноплану от корабля. Его ЦКБ в Горьком сделало серийными суда на подводных крыльях — «Ракету», «Метеор», «Комету», «Восход». Следующий шаг напрашивался: если крыло уже подняло корпус из воды, почему бы не поднять его в воздух совсем.

КМ — «Корабль-макет» — спущен на воду 22 июня 1966 года, первый полёт 18 октября того же года. Ведущий конструктор — В. П. Ефимов.

Числа стоит привести полностью, потому что они говорят сами за себя:

• длина 92 метра, размах крыла 37,6 метра, высота 21,8 метра;
• максимальная взлётная масса 544 тонны;
• десять турбореактивных двигателей: восемь маршевых на крыле и два стартовых в носовой части;
• максимальная скорость 550 км/ч, крейсерская 430 км/ч.

На момент постройки это был крупнейший летательный аппарат в мире — больше любого существовавшего самолёта.

За КМ последовали ракетный «Лунь» (1987, длина 73,8 м) и десантно-транспортный «Орлёнок», дошедший до строевой эксплуатации.

Западное прозвище «каспийский монстр» к этим машинам приклеилось прочно, но собственное имя аппарата — КМ, «Корабль-макет», и правильнее называть его так.

Авиационная линия: Роберт Бартини

Роберт Людвигович Бартини (1897–1974) шёл с другой стороны — от самолёта.

Итальянский аристократ, ставший коммунистом и уехавший из фашистской Италии в Советский Союз, он сделался здесь авиаконструктором, о котором современники говорили как о человеке, видящем на десятилетия вперёд. Работал он и над сверхдальними машинами, и над сверхзвуковыми схемами, и над теорией — публиковал, помимо прочего, работу о шестимерной модели мира, где три измерения отводились времени.

Его ВВА-14 — вертикально взлетающая амфибия — поднялась в воздух 4 сентября 1972 года. Замысел был предельно смелый: машина должна была взлетать и садиться на воду, причём и по-самолётному, и вертикально.

Двигатели для вертикального взлёта в срок не получились. Аппарат переделали в модификацию 14М1П — и он превратился в экранолёт.

С 1972 по 1975 год ВВА-14 выполнила 107 полётов с налётом свыше 103 часов. Сейчас она стоит в Монино.

Форма её ни на что не похожа, и это иногда преподносят как курьёз. Но необычность здесь не прихоть: аппарат должен был одновременно садиться на воду, нести подъёмные двигатели и работать у экрана — и каждое из этих требований диктовало свою часть компоновки.

Это были параллельные русла, а не преемственность. Алексеев шёл от корабля, Бартини от самолёта, и оба пришли к крылу у поверхности.

Проверка одной известной фразы

Здесь уместно проверить утверждение, которое любят повторять: хорошо летает только красивый самолёт.

Первое — об авторстве. Достоверно эта мысль принадлежит французскому конструктору Марселю Дассо: «Чтобы самолёт хорошо летал, он должен быть красив». Русская версия — «некрасивый самолёт не полетит» — приписывается то Туполеву, то Яковлеву, то Антонову, и первоисточника у неё нет. Когда фраза свободно кочует между тремя именами, это признак фольклора.

Второе — о существе. Утверждение не выдерживает проверки, и опровержение стоит в этой же статье. ВВА-14 выглядит так, что никакому канону не соответствует, — и летала, выполнив свыше ста полётов. КМ при своих девяноста двух метрах и десяти двигателях изяществом не отличался — и держался над Каспием на скорости 500 км/ч. С другой стороны, Ту-144 красив безупречно — и коммерчески не состоялся.

Кое-что верное в этой мысли всё же есть, но лежит оно не в аэродинамике, а в восприятии. Человеку нравятся плавные обводы и отсутствие произвольных изломов, а такие формы часто оказываются и теми, на которых поток не срывается. Совпадение это частичное, и там, где оно расходится, побеждает физика, а не вкус. Подробнее о том, почему нам нравятся определённые формы, — в статье Фрактальная эстетика.

Почему это трудно: критерий Иродова

Теперь о главном инженерном затруднении, из-за которого экранопланов так мало.

У обычного самолёта устойчивость по тангажу обеспечивается известным условием: центр тяжести должен лежать впереди аэродинамического фокуса. Высота полёта в это условие не входит — самолёту всё равно, летит он на километре или на десяти.

У экраноплана всё иначе. Подъёмная сила зависит и от угла атаки, и от высоты над водой. Появляется второй фокус — по высоте. И тогда возникает опасность, которой у самолёта нет: аппарат чуть приподнялся, подъёмная сила изменилась, момент развернул его на кабрирование, он поднялся ещё выше — и вышел из экрана либо опрокинулся.

Условие, при котором этого не происходит, сформулировал Р. Д. Иродов в ЦАГИ в 1970 году, в работе «Критерии продольной устойчивости экраноплана» (Учёные записки ЦАГИ, т. 1, № 4). Требование выглядит так: аэродинамический фокус по высоте должен лежать впереди аэродинамического фокуса по углу атаки.

Из этого условия и растёт вся необычность облика экранопланов: развитое хвостовое оперение, вынесенное высоко вверх, из зоны влияния экрана; особая форма крыла; строго выдержанная центровка. Это не украшение и не причуда — это выполнение критерия Иродова в металле.

Стоит оценить, что здесь произошло: у нового класса аппаратов появилось собственное условие устойчивости, которого не было в авиации, и вывели его теоретически.

А в природе это есть?

Есть, работает и — что важно — измерено в числах.

Коротко: у бурого пеликана экранный эффект снимает 49% индуктивного сопротивления, у чёрного водореза — 50–90%, водяная ночница тратит в экране на 29% меньше аэродинамической мощности, а летучие рыбы планируют с качеством до 7:1 — как ястреб или буревестник — идя в полуметре над водой.

Летучая рыба — экраноплан, у которого не было конструктора.

→ Подробный разбор с источниками — в отдельной статье Полёт у самой воды в разделе «Сотворено природой».

И то, чего экраноплан не умеет

Самое интересное обнаружилось недавно.

Иэн Стокс и Эндрю Лукас в 2021 году разобрали, что именно делает бурый пеликан, идущий над океаном без единого взмаха. Оказалось, что дело не только в экранном эффекте.

Бегущая океанская волна поднимает перед собой воздух. Над её наветренным склоном образуется восходящий поток — слабый, но постоянный и движущийся вместе с волной. Пеликан идёт по этому склону, снимая с него энергию, как планерист снимает её с термика.

Числа таковы: экранный эффект даёт снижение стоимости пути на 15–25% по сравнению с обычным горизонтальным полётом вне экрана. А парение на склоне волны — при высоте полёта около двух метров, волне высотой два метра и периоде пятнадцать секунд — снимает ещё 60–70% сверх этого. При чуть большей волне или чуть меньшей высоте полёта стоимость перемещения может обнуляться практически полностью.

Птица летит бесплатно, потому что энергию ей даёт волновое поле.

Вот здесь и проходит граница. Экраноплан сидит в подушке собственного крыла — он пользуется поверхностью как опорой, но ничего у неё не берёт. Он расходует топливо на всю дистанцию. Пеликан использует ту же близость к воде плюс энергию самого волнения.

Для этого требуется непрерывно подстраивать высоту и крен под конкретную набегающую волну — с задержкой в доли секунды и без единого прибора. Машина такого пока не делает.

Остриё науки

Почему экранопланы не стали транспортом. Причин несколько, и ни одна не связана с тем, что идея плоха.

Устойчивость требует выполнения критерия Иродова, а он сильно ограничивает компоновку. Волнение ставит предел: аппарат, идущий в двух метрах над водой, зависит от состояния моря принципиально, а не как обычное судно. Наконец, экраноплан не является ни судном, ни самолётом, и под какие правила его подводить — вопрос, до конца не решённый до сих пор.

Можно ли построить машину, снимающую энергию с волны. Открытый инженерный вопрос. Задача сводится к управлению: нужно измерять набегающее волновое поле и подстраивать под него траекторию быстрее, чем оно меняется. Датчики и вычислители для этого сегодня есть. Насколько выигрыш перекроет усложнение — неизвестно, потому что никто этого не строил.

Как это делает птица. Тоже открытый вопрос, и он того же рода, что и в статье про стрижа: мы знаем, что делает животное, и не знаем, как оно определяет, что делать. Какие рецепторы дают пеликану сведения о набегающей волне и как замыкается контур управления — не установлено.

Что можно сделать самому

Почувствовать экранный эффект руками. Понадобится лист плотной бумаги или тонкого картона, слегка изогнутый как крыло, и ровный стол.

Проведите «крыло» над столом на разной высоте с одинаковой скоростью — сначала в нескольких сантиметрах, потом у самой поверхности. У самой поверхности сопротивление руке ощутимо меняется. Эффект слабый, поэтому нужен ровный стол, одинаковая скорость и несколько повторов подряд.

Бросить планёр вдоль пола. Простой бумажный планёр, запущенный горизонтально в двадцати сантиметрах над ровным полом, пролетает заметно дальше, чем тот же планёр, запущенный на той же скорости на высоте полутора метров. Запустите по десять раз в каждом варианте и сравните средние. Разброс будет большой — это и есть настоящее измерение, а не демонстрация.

Посмотреть на птиц у воды. Наблюдение доступно на любом крупном водоёме. Чайки, крачки, бакланы и утки идут над водой заметно ниже, чем над сушей, и часто перестают махать. Отметьте, на какой примерно высоте птица переходит на планирование.

В дельте Волги и на Каспии живёт кудрявый пеликан — наш вид, занесённый в Красную книгу России. Строй пеликанов, идущий над водой в считаных десятках сантиметров, — то самое, что снимал на плёнку Хейнсворт.

🗺 Карта открытий

Читать дальше

→ Крыло в потоке: теорема Жуковского, подводное крыло и флот Алексеева → Стриж, ласточка, крачка: крыло, меняющее форму на ходу → Кавитация: что ставит предел скорости подводному крылу → Аэродинамика Бернулли: подъёмная сила своими руками → Черношейная поганка: лапа, работающая как крыло