Беспилотные летательные аппараты вертикального взлета и посадки

Почти так же давно, как люди стали мечтать о приспособлениях для полета, они представляли себе летательные аппараты, способные к вертикальному взлету и посадке. Леонардо да Винчи оставил один из самых известных ранних эскизов аппарата с вертикальной тягой — так называемого «воздушного винта». Это была концепция, а не вертолет в современном смысле: сведений о работоспособном летном образце нет.

Практические винтокрылые аппараты появились значительно позже. В начале XX века инженеры начали добиваться коротких управляемых подъемов, а затем постепенно решили задачи устойчивости, управления и надежности, без которых полноценный вертолет невозможен.

Sea Harrier, созданный на основе семейства Harrier, использует двигатель Pegasus с четырьмя поворотными соплами. Он способен зависать и выполнять вертикальный взлет при подходящей массе, однако с боевой нагрузкой обычно применялся более экономичный короткий разбег.

В 1907 году во Франции прошли одни из важнейших ранних опытов с вертолетами. Жак и Луи Бреге совместно с Шарлем Рише испытывали Gyroplane No. 1, который ненадолго отрывался от земли при страховке людьми и тросами. Поль Корню независимо от них в том же году совершил один из первых коротких свободных пилотируемых подъемов на вертолете собственной конструкции.

В последующие десятилетия авиационная техника стала быстро развиваться, и разные конструкции стали появляться по всему миру. В межвоенные десятилетия появлялись новые винтокрылые схемы, но надежные серийные вертолеты сформировались лишь к началу 1940-х. Прототип Sikorsky XR-4 впервые поднялся в воздух в 1942 году, а созданное на его основе семейство R-4 стало первым вертолетом, выпускавшимся серийно в заметном количестве и принятым на вооружение американскими военными.

Во время Второй мировой войны R-4 применяли в том числе для спасательных и транспортных задач; затем появились более совершенные R-5 и R-6. К концу войны практическая ценность вертолетов уже была очевидна. В отличие от «воздушного винта» Леонардо да Винчи, эти современные вертолеты были оборудованы несущим винтом с лопастями, чтобы быстро создавать тягу воздуха и обеспечить необходимую подъемную силу, и хвостовым винтом с лопастями, чтобы предотвратить вращение корпуса вертолета.

Беспилотный летательный аппарат NASA

Экспериментальный беспилотный аппарат NASA Greased Lightning GL-10 был создан как исследовательский демонстратор перехода от вертикального взлета к самолетному полету. Испытывавшийся прототип имел размах крыла около 3,05 м и десять электрических двигателей.

GL-10 во время первого испытательного полета в 2014 году с  тросом безопасности

В режиме висения все десять винтов создавали подъемную силу. Для перехода к горизонтальному полету крыло и хвостовые секции с двигателями постепенно наклонялись вперед, после чего подъемную силу в основном начинало создавать крыло.

Летавший трехметровый прототип GL-10 был аккумуляторным. NASA также рассматривало более крупную, примерно шестиметровую гибридную дизель-электрическую версию, но ее нельзя смешивать с характеристиками испытанной модели.

GL-10 остался исследовательским проектом NASA середины 2010-х годов. Его испытания показали возможность управляемого перехода между висением и горизонтальным полетом, но аппарат не стал серийным транспортным беспилотником.

Беспилотные летательные аппараты вертикального взлета и посадки в зоне конфликта

Одним из исследовательских проектов DARPA был ARES — компактный беспилотный модуль вертикального взлета и посадки с двумя наклоняемыми канальными вентиляторами. Для него рассматривались сменные модули для доставки грузов, эвакуации раненых и разведки; расчетная полезная нагрузка достигала 3000 фунтов (около 1,36 т). Программа завершена и в серийную эксплуатацию не перешла.

По проектным требованиям ARES должен был использовать посадочную площадку примерно вдвое меньшей площади, чем сопоставимый вертолет, и работать в том числе с корабельных площадок.

После наступления «холодной войны» многие стали полагать, что будущее за беспилотными летательными аппаратами вертикального взлета и посадки. Считалось, что в мире, потенциально разрушенном ядерными взрывами, уничтожившими взлетно-посадочные полосы, такие устройства могли бы взлетать и приземляться с любой поверхности. В то время причудливые устройства вертикального взлета и посадки, такие как экспериментальный истребитель Lockheed XFV Salmon и даже похожий на НЛО аппарат Avrocar, были протестированы американскими военными, но большинство из них потерпело неудачу, и разработки были прекращены. Одним из наиболее успешных семейств самолетов вертикального и короткого взлета эпохи холодной войны стал британский Harrier. Первая серийная модификация Harrier GR.1 поступила на службу Королевских ВВС в 1969 году, а Sea Harrier позднее стал его палубным развитием.

Семейство Harrier получило двигатель Rolls-Royce Pegasus с четырьмя поворотными соплами, которые позволяют направлять тягу вниз для висения и вертикальных режимов либо назад для обычного полета. Sea Harrier не был первым экспериментальным реактивным VTOL-самолетом, но стал одной из самых известных серийных машин этого класса.

Испытывавшийся прототип Greased Lightning GL-10 использовал аккумуляторное питание десяти электродвигателей

Возможность короткого и вертикального взлета позволяла Sea Harrier действовать с палуб кораблей без длинной взлетно-посадочной полосы. На практике короткий разбег обычно позволял поднять больше топлива и полезной нагрузки, чем чисто вертикальный старт.

Еще один важный пример — конвертоплан V-22 Osprey, разработка которого началась в 1980-х годах, а первый полет состоялся в 1989 году. Этот транспортный самолет, разработанный компаниями Bell и Boeing, оборудован двумя роторными меняющими угол двигателями и способен зависать и приземляться как вертолет и переходить к полету как турбовинтовой самолет.

MV-22 поступил в начальную эксплуатационную готовность Корпуса морской пехоты США в 2007 году. Стандартная компоновка предусматривает до 24 военнослужащих в боевом снаряжении. Для размещения на кораблях крыло и винты складываются: ширина машины уменьшается примерно с 25,8 до 5,6 м.

Конвертоплан V-22 Osprey

Сегодня аппараты вертикального взлета используют разные схемы: мультикоптеры, конвертопланы, поворотные крылья и сочетание отдельных подъемных и маршевых винтов. Такие беспилотники применяют для съемки, картографирования, инспекции, исследований, перевозки небольших грузов и специализированных задач.

Современные системы могут сочетать дистанционное управление с автоматической стабилизацией, планированием маршрута и отдельными автономными функциями. Ограничениями остаются запас энергии, шум, надежность, безопасность полетов и требования авиационного регулирования.

Таким образом, вертикальный взлет давно перестал быть только экспериментальной идеей. Однако каждый конкретный аппарат представляет компромисс между грузоподъемностью, дальностью, скоростью, энергозатратами и сложностью управления.