Аннотация

     В работе рассмотрены существующие конструкции летающих платформ  выполненных по винтовой, вентиляторной и сопловой схемам.  Для сопловой схемы рассмотрена силовая установка содержащая  ГТД с компрессором на основе поперечно поточных нагнетателей  и два усилителя тяги - пульсирующий детонационный  и щелевой эжекторный. Оценены возможности использования  такой платформы в городских условиях как носителя различных систем оружия, в том числе как броневой машины пехоты с усиленной защитой.  

ВОЗВРАЩЕНИЕ К КОНЦЕПЦИИ ЛЕТАЮЩЕГО ТАНКА

Подзирей Ю.С. кандидат физ.-мат. наук, ст.н.сотр.

             Институт ядерных исследований НАН Украины, отдел физики плазмы  

     Рассматривая вероятные перспективы развития ожидаемые в мировом танкостроении, большинство специалистов в этой области игнорируют наиболее слабые стороны таких транспортных средств, а именно, зависимость  их использования от рельефа местности, состояния опорной поверхности, а также уязвимость  движителя – гусеницы или колеса.  Подобных недостатков лишен ударный вертолет  корпус которого имеет определенный уровень бронезащиты, но он имеет свой набор недостатков, обусловленный   использованием несущего винта и значительными ограничениями на взлетный вес

         В настоящее время ведутся интенсивные работы по созданию летающих  платформ (ЛП) предназначенных для гражданского  и военного применения в условиях города. Предлагаемые проекты могут быть  условно разделены на две схемы – винтовые с несущим винтом  или ротором с высоким крутящим моментом,  расположенными в защитном кольце, и платформы выполненные по сопловой схеме с вертикально расположенным ГТД и эжекторным усилителем тяги. Каждая из них имеет свой преимущества и недостатки.  Схема с винтом в защитном кольце имеет наибольшее распространение. Она позволяет получить для существующих двигателей приемлемое сочетание веса топлива и длительности полета.

               Рис 1. Схема летающей платформы: Х-Hawk  Military (Израиль)

       Типичным представителем подобной схемы является бронетранспортер Х-Hawk  Military расчитанный на перевозку  10 человек http://www.urbanaero.com/category/x-hawk#. Особые преимущества возникают при использовании его в городских условиях. В отличии от наземного транспорта он не подвержен воздействию минного оружия и может доставить  солдат  в здание на любом уровне через окно, избегая потенциально опасных лестничных клеток. На этой же базе создан  спасательный беспилотный вариант с манипулятором, позволяющий эвакуировать раненых непосредственно с поля боя без риска дополнительной потери экипажа платформы. Однако из-за большой опорной площади винтов и недостаточной степени бронирования корпуса  подобная конструкция представляет собой удобную мишень для любого оружия калибром более 7,62 мм.  Расположение винтов внутри корпуса платформы весьма ограничивает полезный  объем ЛП.

                Рис.2  Проект британского БПЛА « Ходер»  грузоподъемностью до 1 тс

   Подобного недостатка лишен БПЛА  вертикального взлета и посадки фирмы Эйсир (проект 2009г.)  винты которого расположены над корпусом ЛП. Подъемно маршевые двигатели создают вертикальную  тягу с использованием эффекта Коанда. Вес 1,5 тс , время полета 8 часов, скорости не указаны. Очевидно, что для такой схемы имеют место эначительные потери на обдувку корпуса.

      Вариантом летающей платформы с нагруженным ротором,  занимаюшим  малую  площадь проекции и объем корпуса, является беспилотник  фирмы American Dynamics Battle Hog 100x, который представляет собой БПЛА с фиксированными несущими поверхностями, способный действовать как в режиме вертикального взлета и посадки, так и в режиме обычного самолетного взлета и посадки рис.3. Это делает возможным его применение как на суше, так и на море. Бронирование аппарата класса I и II. Как считает компания подобная конструкция  является революционной разработкой, способной существенно повлиять на характер боевых действий в современной городской и контрпартизанской войне.

Аппарат предназначен для выполнения широкого круга задач – ведения разведки, мониторинга местности, целеуказания и штурмовки целей. Бортовая аппаратура обеспечивает полностью автоматическое управление как самим аппаратом, так и стандартным вооружением и полезной нагрузкой модульной архитектуры.      Основой конструкции является запатентованная American Dynamics подъемная система на основе ротора с высоким крутящим моментом (High Torque Aerial Lift, HTAL). Его применение, во-первых, позволило резко уменьшить габариты роторов, «спрятав» их внутрь фюзеляжа, что одновременно позволило снизить их уязвимость от огня противника. Во вторых, система HTAL позволила обеспечить Battle Hog 100x не только высокую грузоподъемность, но и гибкость в выборе режимов применения аппарата, возможность вертикального взлета и посадки, зависания и полета с предельно малыми скоростями, а также, по заверению разработчиков, уникальную маневренность аппарата без использования аэродинамических управляющих поверхностей (что также снижает уязвимость) или сложных систем управления вектором тяги, используемых в современных летательных аппаратах вертикального взлета и посадки.

Рис.3 Корпус и движители  бронированного беспилотника Battle Hog 100x: 1- сопло горизонтальной тяги; 2-вентилятор вертикальной тяги.

     Рассматривая  основные принципы заложенные  в эту  и подобные конструкции следует отметить прямолинейность и недостаточную остроту мысли  проявленные в решении  данной задачи. Чего только стоят крыльевые топливные баки?  По сути, Battle Hog 100x  является повторением концепции заложенной в 1939 году в штурмовике Ил-2, с подключением современной микроэлектроники и предназначен, в основном, для военных действий на территории стран  с минимальной системой ПВО, которые не имеют средств обнаружения и воздействия на каналы и центры управления подобными беспилотниками.                                                                                               

                     Сопловая схема.

       Обеспечение вертикального подъема по сопловой схеме (рис.4) при умеренном расходе топлива, оказалось возможным лишь в последнее время. Подобная схема обеспечивает наибольшую компактность, высокий уровень использования объема и, в военном варианте, существенное повышение уровня бронезащиты. Экспериментальные работы в этой области проводились в СССР и Франции. В соответствии с ними летающая платформа  представляла прямоугольный в плане корпус по углам которого были установлены четыре подъемных ТРД  RВ-162 с кольцевыми эжекторными усилителями тяги (ЭУТ)  тягой 15,6 кН каждый. Была показана недостаточная топливная и экономическая эффективность подобных ТС и они не получили дальнейшего развития.

        Низкая топливная эффективность  ЛП выполненной по сопловой схеме обусловлена  вертикальным положением ГТД,  что приводит к ограничению числа ступеней компрессора и турбины, соответственно недостаточной степени сжатия воздуха.   Другим существенным недостатком является попадание продуктов эрозии и выхлопных газов в воздухозаборник двигателя, что приводит к резкому падению тяги на взлете. Схема  предполагает  значительно меньшую опорную площадь чем винтовая, что требует ещё более мощного двигателя.

        Рис. 4 Летающая платформа выполненная по сопловой схеме (США)

        Тем не менее,  по мнению автора, сопловая схема более перспективна, поскольку её недостатки не являются органичными и, уже сейчас, могут быть преодолены за счет создания подъемной силовой установки (СУ) малого габарита по высоте, достаточно лёгкой, повышенной мощности и экономичности. Возможно также значительное снижение скорости выхлопных газов за счет более эффективной эжекции атмосферного воздуха и соответствующего усиления тяги.

         Обычно для небольших скоростей, типичных для летающих платформ (ЛП),  (100-150 км/час) тягу  усиливают подсоединением эжекторного усилителя тяги (ЭУТ). Кольцевой  одноступенчатый ЭУТ требует определенного соотношения диаметра к высоте ~ 1/7 , что значительно увеличивает габарит по высоте и лобовое сопротивление. Щелевой ЭУТ имеет  меньший габарит по высоте  и большее тягоусиление, но оно нивелируется потерями при раздаче активного газа.

    Невозможность полностью реализовать преимущества щелевого ЭУТ,  имющего коэффициент тягоусиления  Ку~ 2,  обусловлена конструкцией  стандартного ГТД, геометрия выхлопа которого определяется осевым компрессором и кольцевой камерой сгорания. Для реализации преимушеств щелевого ЭУТ  его следует интегрировать с ГТД  создающем на выхлопе плоскую струю.  Схема такого линейного ГТД представлена и принцип его работы приведен в работе (Одно из возможных направлений применения пульсирующего детонационного двигателя [Электронный ресурс] / Ю.С. Подзирей // Двигатель. – 2010. – №3 (69). – Режим доступа: http://engine.aviaport.ru/issues/69/page22.html. ) Растянутая поперек потока струя выхлопа, направленная в щелевой ЭУТ позволит распределить тягу равномерно вдоль борта платформы. При этом возникает возможность снижения эрозии грунта и соответственно увеличения допустимых мест базирования платформы. Проблема с экономичностью решается за счет подсоединения к линейному ГТД ещё одного усилителя– пульсирующего детонационного двигателя (ПуДД ), который, в отличии от известной трубы Шмидта, имеет резонансный бесклапанный впуск, степень сжатия  топливной смеси100-150 ед, предварительную обработку топлива и частоту пульсаций порядка 3- 10 кГц. Его КПД ~ 0,,7 www.findpatent.ru/patent/243/2433293.html.

     Конструкция  самого ГТД более технологична и он более надежен чем  ГТД с осевым, центробежным или диагональным компрессором. В связи с поворотом  воздушного потка после каждой ступени в нем отсутствуют тормозные спрямляющие поток  лопатки

        Анализ  типичных отказов ГТД в процессе эксплуатации показывает, что большинство повреждений лопаток носит усталостный характер обусловленный их консольным креплением. В предлагаемом   ГТД лопатки крепятся за оба конца.  Усиление их несущей способности при большой длине двигателя, возможно за счет колец, периодически расположенных в плоскости ортогональной продольной оси рабочего колеса.

    Для обеспечения поступательного движения ЛП  предлагается использовать маршевый двигатель схема которого приведена в работе. Подзирей Ю.С.   Мобильный технологический комплекс для дистанционной обработки радиоактивных отходов.// Авиационно-космическая техника и технология. №4   2011. В отличии от подъемного двигателя, обеспечивает выхлоп из сопла, ортогонально входящему через воздухозаборник потоку атмосферного воздуха. archive.nbuv.gov.ua/portal/natural/AKTT/2011_4/Podzirey.pdf  (Подзирей Ю.С.   Мобильный технологический комплекс для дистанционной обработки радиоактивных отходов.// Авиационно-космическая техника и технология. №4   2011).Особенностью подъемной части СУ является мощный сверхзвуковой выхлоп  ПуДД имеющий высокую температуру (до 3000 С) и последующее резкое охлаждение. Предварительная оценка  показывает, что при суммарной длине двигателей 4 х 8 м и максимальной температуре топливного цикла в турбинной части СУ не более 15000 С взлетный вес платформы может быть порядка 100 тс. Основная постоянная часть вертикальной тяги ~ 80%  создается  пульсирующими усилителями тяги, индикаторный КПД которого порядка 0,7, что обеспечивает особую экономичность СУ.  Остальная  тяга создается менее экономичной (КПД ~0,3) турбинной частью,  задача которой обеспечить наддув  ПуДД и создать некоторый регулируемый избыток тяги, необходимый для управления платформой по высоте, крену и тангажу.

        На рис. 5 представлена интеграция СУ с прямоугольным в плане корпусом ЛП, который может быть выполнен, в зависимости от  степени зашиты и размещенного внутри корпуса оборудования как противопожарный траиспорт, бронетранспортер с противоснарядной защитой, летающий танк, носитель системы залпового огня или системы ПВО, командный штабной пункт, санитарный транспорт, заправщик топливом и т.п.  Расположение сопел газодинамического управления 10 в горизонтальной плоскости  по углам платформы, позволяет  обеспечить большие управляющие моменты. Сжатый воздух для них может отбираться после второй ступени компрессора бокового  подъемного ГТД. Там же отбирается сжатый воздух для сопел заднего хода  ( на рис.5 не показаны ).   Возникающая при этом некоторая потеря тяги  (~ 10%) для двух  из четырех  подъемных двигателей  является неизбежной платой за обеспечение  высокой маневренности платформы.

        
Рис.5  Бронированное транспортное средство в варианте  БМП-Т:  1 – подъемный двигатель;   2 – конфузор щелевого эжекторного усилителя тяги (ЭУТ); 3 – отсек полезной нагрузки ; 4 –  оружейная башня кругового вращения; 5 – корпус; 6 – шасси; 7 – камера смешения ЭУТ; 8 – отсек динамической защиты; 9  – датчик системы позиционирования; 10 – сопла управления по курсу; 11 – заслонки управления по высоте; 12 – воздухозаборник подъемного двигателя; 13 – воздухозаборник маршевого двигателя:14 – сопло маршевого двигателя; 15 – маршевый двигатель; 16- люк десанта;17 – топливные баки; 18- боезапас

      Конструкция ЛП имеет два режима передвижения - режим свободного полета, когда тяга двигателей превышает вес, и  экономичный режим экранного полета, когда под днищем ТС создается избыточное давление за счет отражения выхлопа от экрана. На рис. 6 а  показано распределение газовых струй при таком режиме.  Следует особо подчеркнуть, что подобный режим есть режим  фонтанного эффекта, который впервые был обнаружен для самолетов вертикального взлета и посадки. Режим свободного полета (рис. 6 б) необходим для преодоления различных препятствий и движения на сильно пересеченной  местности. Он особенно эффективен в условиях городской застройки, когда исчезает понятие «улица», и в условиях пустынной местности, когда платформа занимает высотный эшелон исключающий образование демаскирующего пылевого облака.

         Габаритные размеры платформы должны допускать её перевозку по железной дороге. На удаленные театры военных действий она может доставляться транспортными  самолетами и десантироваться без парашютных систем за счет торможения в вертикальной и горизонтальной плоскостях собственными двигателями, начиная с высоты ~ 500м и на  значительном расстоянии от намеченной цели. Это существенно уменьшает эффективность возможного воздействия средств ПВО.

Рис.6  Летающий бронетранспортер (поперечное сечение) в режиме экранного  а) и свободного полета б). 1 – корпус; 2- распределение выхлопа силовой установки; 3- экранная поверхность.

       Предварительная  грубая оценка  туги СУ по площади воздухозаборников  показывает, что при суммарной длине двигателей 4 х 8 м и максимальной температуре топливного цикла в турбинной части не более 15000 С взлетный вес платформы может быть порядка 100 тс. Основная постоянная часть вертикальной тяги ~ 80%  создается  пульсирующими усилителями тяги, индикаторный КПД которого порядка 0,7, что обеспечивает особую экономичность СУ.  Остальная  тяга создается менее экономичной (КПД ~0,3) турбинной частью,  задача которой обеспечить наддув  ПуДД и создать некоторый регулируемый избыток тяги, необходимый для управления платформой по высоте, крену и тангажу.

               Вооружение, защищенность и особенности использования платформы.

         В условиях динамичного совершенствования противотанковых средств зарубежных стран  наметилась  существенная уязвимость состоящих на вооружении  Т-72Б, Т-80У, Т-90 и БМП различных модификаций.  Имевший место осетино - грузинский конфликт показал, что в войсках практически отсутствует высокозащищенное средство транспортировки пехоты на марше и на поле боя.  Передислокация войск является той частью боевых действий при которых они наиболее уязвимы для воздействия  диверсионных групп,  а также ядерного оружия или боеприпасов объемного действия.. Неудачный опыт применения бронетранспортеров в локальных конфликтах обусловлен несколькими факторами.  Самый важный -  они конструировались для защиты от атак из передней полусферы и, с учетом таких задач, строилось их бронирование. Обстрел из засады или закладка мины в таком случае позволяют противнику ударить по наименее защищенным частям бронемашины.

      В течение последних лет предпринимались многочисленные попытки избавиться от этих проблем и обеспечить всеракурсную защиту БМП от различных средств поражения, в том числе и противотанковых. В результате сформировалась новая концепция бронемашины под названием MRAP (Mine Resistant Ambush Protected – «Защищенный от мин и атак из засады»), подразумевающая использование сравнительно мощной защиты бортов и ряд мер, предотвращающих серьезные последствия подрыва на мине.  Концепция тяжелого и хорошо защищенного бронетранспортера еще несколько десятилетий назад была воплощена в металле и опробована на практике. Получившаяся машина с боевой массой в 52 тонны сохранила уровень защиты базового танка, но при этом могла перевозить до десяти солдат с оружием. Опыт боевого применения подтвердил правильность выбранного пути. Однако  зависимость  подобного бронетранспортера от минного оружия и состояния опорной поверхности очевидна.

Рис. 7 Многоосное автомобильное шасси для транспортировки и запуска оперативно-тактических ракет Искандер-М.

Рис.8 Унифицированное  внедорожное транспортное средство на основе летающей платформы.

1- створки корпуса ,2- конфузор эжекторного усилителя тяги, 5- подъемное устройство, 6 –пульт управления платформы,  7- пульт контроля ракет, 8 –узлы крепления ракет,. 9 – контейнер ракеты , 10 – маршевый двигатель ,11- шасси в выпущенном состоянии,  12- шасси в режиме полета,  13 – подъемный двигатель , 14 камера смешения эжекторного усилителя тяги, 15- топливный бак.

      Помимо варианта бронетранспортера с противоснарядным всеракурсным бронированием  платформа может быть выполнена в облегченном варианте для транспортировки модулей -позиция 4 рис. 8. Модуль могжет быть выполнен как  сменный контейнер для различных грузов или пассажирский для перевозки раненых с оборудованием для оказания первичной неотложной помоши. Рассмотренная выше конструкция ЛП не привязана к дорожной сети и рельефу местности. Использование платформы, как составной части ракетного комплекса рис. 8б, позволяет выбирать стартовые позиции вне зависимости от дорожной сети и проходимости местности, что значительно расширяет его возможности по сравнению с комплексом на автомобильном шасси рис.7.  Форма ЛП  обеспечивает минимальную величину отраженного радиочастотного сигнала наземных РЛ станций, а допустимая толщина  листов корпуса  ЛП позволяет осуществить всеракурсную защиту ракеты от специального снайперского стрелкового вооружения, которое может использоваться диверсионными группами на  дистанции до 2,5км. ЛП может занимать исходную позицию в индивидуальном порядке, без привлечения инженерных войск. Как безопорное транспортное средство  платформа  не подвержена действию минного оружия, а большой взлетный вес позволит обеспечить  ей  динамическую  и пассивную защиту с любого направления, в том числе с кормы. Защита платформы сверху должна осуществляться исключительно активными средствами подавления угрозы.  Не менее важными средствами защиты является высокая скорость,  проходимость без ограничений, маневренность и возможность выхода на цель с  неожиданного для противника направления

     Высокая тяга  СУ, обусловлена значительной площадью  воздухозаборников, выхлопных сопел и  главное - значительной температурой топливного цикла СУ (до 30000 С). Это, и отсутствие ходовой части, позволяет в полной мере снабдить  платформу  в варианте бронетранспортера  средствами защиты от современных тандемных и кинетических противотанковых средств. В качестве оружия может быть использовано  обычное артиллерийское, стрелковое или ракетное вооружение с достаточным боезапасом. Для поражения закрытых и не наблюдаемых экипажем целей  возможно оснастить ЛП системами вооружений, способными поражать цели наблюдаемые десантом, который ведет активные боевые действия вне машины.

         Установка на платформу ракет класса земля-воздух  позволит использовать её как эффективное средство для поражения целей летящих на малой и предельно малой высоте.

Летающий танк или бронетранспортер с противоснарядной защитой  в рассмотренном выше виде имеет худшую по сравнению с вертолетом огневой поддержки скороподъемность, меньший статический потолок  и горизонтальную скорость, но он предназначен для работы на предельно малых высотах  в  условиях плотной городской настройки, горной или болотистой местности. Его использование  также выгодно вследствие большей простоты эксплуатации,  технологичности ремонта и дешевизны производства СУ. ЛП не имеет  характерных для вертолета вибраций, что создает благоприятные условия для работы оборудования и экипажа. 

Заключение 

        В  приведенном выше  материале, направленном на совершенствование  и ликвидацию отставания отечественной войсковой  бронетехники, нет ничего принципиально нового с научной точки зрения. С технической точки зрения необходимые наработки (как по двигателю так и по корпусу) могут быть выполнены на существующем оборудовании, достаточно хорошо разработанном для выпуска обычной бронетехники и обычных ГТД с осевыми компрессорами. Безусловным преимуществом предлагаемого ТС перед вертолетом огневой поддержки является отсутствие таких сложных и уязвимых деталей как несущий винт с автоматом перекоса, рулевой винт, массивный редуктор, а также обеспечение большей грузоподъемности или бронезащиты, возможность полета в ограниченном пространстве на предельно малой высоте и  более безопасный взлет и посадка на качающуюся палубу при выполнении морского десанта. Выпуск платформы в гражданском  противопожарном варианте позволит снизить стоимость квадратного метра жилья и стоимость его обслуживания, что может дать дополнительные финансовые ресурсы для выпуска платформы в различных вариантах, в том числе летающего танка или бронетранспортера с противоснарядной защитой способного оказывать огневую поддержку пехоте.