Выстрел ввоздух: самолетометы

В конце ХХ века самолеты потеснили стали и корабельную артиллерию универсальным инструментом ВМС. Современная паровая катапульта разгоняет 35-тонный самолет до 250 км/ч за 2,5 с на участке в 100 м. Посредством четырех катапульт, радиоэлектронного оборудования и прекрасно обученных экспертов авианосец днем может запускать два и принимать один самолет каждые 37 секунд. Но в случае если катапульты прекратят трудиться, данный стотысячетонный корабль делается полным армейским импотентом.

Первые шаги

С необходимостью разогнать самолет, дабы он имел возможность взлететь, столкнулись уже создатели первых аппаратов тяжелее воздуха. В первой половине 90-ых годов XIX века, за 10 лет до полета братьев Райт, Александр Белл (изобретатель телефона) и Сэмюэль Лэнгли (в то время ученый секретарь Смитсоновского университета в Вашингтоне) замечали на берегу реки Потомак запуск модели самолета с паровым двигателем. Лэнгли дал приказ, самолет «Аэропорт номер 4» разогнался и плюхнулся в реку.

Затем Лэнгли так сформулировал задачу, которая и сейчас стоит перед авиационными инженерами: «Самолету, как и птице, нужна определенная скорость чтобы он начал применять собственный летательный механизм. Проблемы с комплектом начальной скорости были большими, а в простых полевых условиях по большому счету превзошли все ожидания».

Устройство, которое придумал Лэнгли, возможно назвать прадедушкой всех авиационных катапульт: самолет был зафиксирован на тележке, которая катилась по двум древесным рельсам длиной около 25 м. Разгонялась тележка посредством троса, прикрепленного к спиральной пружине, снятой с трамвая, и пропущенного через совокупность полиспастов. В то время, когда тележка доезжала до края взлетной полосы, замок раскрывался, и тележка двигалась дальше по инерции.

В 1903 году «Великий Аэропорт», 300-килограммовая «птица со бензиновым двигателем и стальным хребтом», ожидала собственного запуска с катапульты, установленной на маленькой барже, принадлежавшей Сэмюэлю Лэнгли. Канат перерубили, пружины потянули самолет. Пилот-доброволец Мэтью Манли, ассистент Лэнгли, позднее вспоминал: «Машина скоро, как молния, собрала скорость 35 км/ч.

В то время, когда самолет достиг финиша разгонного участка, я почувствовал неожиданный удар, за которым наступило неописуемое чувство свободного полета. Но я опоздал насладиться данной эйфорией, осознав, что машина летит вниз под острым углом Удар крыльями о воду был таким замечательным, что я не сходу пришел в себя. К счастью, я не утонул».

Замок катапульты, что удерживал самолет и должен был высвободить его в момент окончания разгона, не сработал. «Аэропорт» не смог собрать высоту и, подобно грузу на веревке, полетел в реку.

Первый успех

Уже через два месяца Лэнгли предпринял попытку . Увы, в этом случае «Великий Аэропорт» кроме того не добрался до конца разгонной площадки. Виноваты в этом были конструктивные недочёты самого самолета.

Время не дало Лэнгли третьего шанса — у него кончились деньги (на катапульту он израсходовал $50 000!), и всего через девять дней по окончании данной аварии самолет братьев Райт совершил первый успешный полет, разогнавшись по немудреному древесному брусу (ценой в $4), применяя сильный ветер и двигатель. Братья Райт скоро осознали, что без ветра их самолет взлететь неимеетвозможности. Исходя из этого им было нужно создать первую трудящуюся авиационную катапульту.

Источником энергии был 500-кг груз, поднятый на высоту 5 м. Трос толщиной с палец шел от груза к полиспасту у основания опорной треноги, а позже на протяжении направляющего бруса к самолету. При падении груза полиспаст увеличивал длину пробега втрое до нужных 15 метров. Это изобретение было очередным доказательством, что все очень способное легко.

Катапульта действовала так удачно, что братья Райт были уверенны: все будущие летательные аппараты тяжелее воздуха будут взлетать посредством катапульты. Но со временем авиационные двигатели становились все идеальнее и замечательнее, и европейские пилоты освоили бескатапультный взлет на пневматических шинах. Скоро и братья Райт перешли на надувные колеса.

Но катапульты не только не провалились сквозь землю, а расцвели буйным цветом в том месте, где самолетам не хватало места для разгона. Главной сферой их деятельности стала палубная авиация.

Флотские опыты

В 1912 году Орвилл Райт написал письмо руководству только что созданной американской морской авиации. Новоиспеченные морские летчики не хорошо воображали, что следует сделать с взятыми самолетами. В качестве временной меры Райт предлагал выстроить на боевых судах настил, что будет делать роль взлетно-посадочной полосы.

Но все осознавали, что данный «потолок» в боевых условиях станет помехой пушкам. Лучшим решением был бы особый громадный корабль с полноразмерной взлетной полосой (что тогда именовали «плавучий аэропорт»), но было разумеется, что количество таких судов будет ограничено. Для маленьких судов Райт внес предложение «совокупность запуска с применением катапульты».

Моряки создали катапульту, основанную на пневматическом устройстве запуска торпед. Чего-чего, а уж сжатого воздуха на громадных военных судах было достаточно. В том же 1912 году была предпринята первая попытка катапультного взлета с военного корабля «Санти».

К сожалению, армейские не хорошо изучили опыт Лэнгли.

Летающая лодка Curtiss A-1 размешалась на тележке так, что носовая часть оставалась свободной. При разгоне шнобель встал, самолет быстро поднялся на дыбы и упал в воду. Затем случая шнобель самолета стали фиксировать, а подачу воздуха регулировать особым клапаном.

Всего через четыре месяца армейские осуществили первый катапультный старт со стационарной баржи, а в ноябре 1915 года самолет взлетел посредством катапульты уже с двигающегося корабля.

В 1916 году 30-метровые катапульты были установлены на трех американских крейсерах («Северная Каролина», «Хантингтон» и «Сиэтл»). Катапульты занимали 20% площади верхней палубы и перекрывали половину пушек. В 1917, в то время, когда Америка вступила в Первую мировую, их убрали.

Тогда преимущество палубной авиации и катапульт все еще не было разумеется.

От пневматики к гидравлике

В начале 1920-х стало ясно, что без защиты с воздуха боевые суда становятся весьма уязвимыми. Корабельные катапульты попали в громадную политику. ВМС США взяли усовершенствованную катапульту, которую давали слово скоро поставить на все боевые суда.

Экспериментальная катапульта длиной 24 м, установленная на корабле «Мэриленд», имела возможность разгонять самолет массой 1,6 т до 75 км/ч. Уже через пара лет самолет массой 3,4 т стали разгонять до 100 км/ч на расстоянии в 17 м. К середине 1920-х ВМС США систематично применяли катапульты на судах различного типа. Пусковую установку располагали на поворотном столе, что не мешал пушкам и разрешал запускать самолеты против ветра.

Сперва пневматические, а позднее пороховые газогенераторные стартовые установки обслуживали самолеты массой до 3,5 т. Этого было достаточно для незначительного вооружения и ограниченной дальности самолетов-разведчиков. Концепция катапультных стартов истребителей ушла в тень, главным приоритетом стало создание громадных авианосцев, снабжающих взлет самолетов без катапульты.

На первом (экспериментальном) авианосце «Лэнгли», вступившем в строй в первой половине 20-ых годов XX века, были установлены пневмокатапульты, но в 1928-м, по окончании трех лет бездействия, их демонтировали. В 1925 году на воду спустили два уже серийных авианосца — «Лексингтон» и «Саратога». За счет того, что скорость их достигала 30 узлов, самолетам для взлета хватало всего 120 м. Оставшаяся часть 270-метровой палубы употреблялась для предполётной подготовки и парковки самолетов.

Оба авианосца были оборудованы катапультами с маховиками. Электродвигатели раскручивали шеститонный маховик, что посредством конического фрикционного механизма передавал запасенную энергию на разгонную тележку. Установка имела возможность разогнать 4,5-тонный самолет до 90 км/ч, но ее главной проблемой оставалось заклинивание скоро вращающегося колеса.

Катапульты на «Лексингтоне» и «Саратоге» редко употреблялись, и скоро их также демонтировали.

Запуск с громадного плавучего аэропорта для самолетов того времени не воображал особенных неприятностей, а вопрос, что будет, в то время, когда самолеты станут тяжелее и стремительнее, мало кого тревожил.

В сентябре 1931 года ВМС США стали разрабатывать пусковое устройство нового поколения, всецело расположенное под палубой, дабы не мешать посадке и взлёту. Сперва устройство трудилось на сжатом воздухе, позже были опробованы пороховые патроны-газогенераторы, а в первой половине 30-ых годов XX века решили применять гидравлику. Через пять лет затем первые старты самолетов с новеньких судов «Йорктаун» и «Энтерпрайз» доказали успех данной концепции.

В первый раз в истории палубной авиации самолеты имели возможность выруливать на начальную позицию и стартовать на собственных собственных колесах.

К сожалению, эти успехи мало кого интересовали, по причине того, что моряки мусолиливетхую идея о создании еще более скоростных и еще более больших авианосцев, каковые обойдутся без катапульт.

Назад к несколько

На протяжении Второй мировой практически на всех истребителях наземного базирования, действующих на Тихом океане, были установлены узлы для катапультного старта. Развитие катапульт было одним из самых серьёзных событий армейского времени в проведении военно-морских операций.

Сразу же по окончании окончания войны, в то время, когда показались первые реактивные самолеты, не отличавшиеся хорошими взлетно-посадочными чертями, гидрокатапульты стали необходимыми элементами кроме того на самых громадных авианосцах. Тележки, полиспасты и тросы Лэнгли находились и в данной конструкции. Масса самолетов возрастала, возрастали и требования к катапультам, возрастала их мощность, сложность и размеры.

Они уже имели возможность разгонять 6-тонные самолеты до 200 км/ч, а 28-тонные — до 115 км/ч.

Оборудование трудилось на предельных нагрузках, что непременно неизбежно должно было привести к проблемам. В первой половине 50-ых годов XX века на борту корабля «Бенингтон» случился взрыв гидрокатапульты, из-за которого погибли 103 человека и были ранены еще 201. Гидрокатапульты достигли собственного предела, но самолеты уже переросли его: 37-тонный Douglas A-3 Skywarrior, в первый раз запущенный катапультой «Бенингтона» за год до трагедии, превосходил возможности любой гидрокатапульты, существующей в природе.

В первой половине 50-ых годов двадцатого века британец Колин Митчелл создал новую конструкцию пускового устройства, которое применяло ветхий хороший пар. Первые американские суда, на которых были установлены паровые катапульты, — это авианосцы класса «Авраам Линкольн» (по четыре на каждом, неспециализированной массой 2000 т, столько весил эсминец времен Второй мировой войны). Паровые катапульты используются и по сей день — как раз такие стоят на самых современных авианосцах.

Электрическое будущее

Автор Шерман Болдуин в книге о военно-морских летчиках, участвовавших в операции «Буря в пустыне», так обрисовывал ночной старт: «Голову мою прижало к подголовнику кресла. Устройства стали нерезкими, глаза ушли в глазные впадины, самолет жестоко трясло, пока он наконец не вырвался в смоляную черноту ночи».

В начале старта пилот испытывает перегрузку в 6 g, а после этого она резко снижается до 3−4 g. Потому, что палубный самолет обязан выдерживать громадные нагрузки на старте, он обязан иметь дополнительный запас прочности, что увеличивает массу конструкции и ухудшает летные характеристики. Человеческий организм чувствителен к ускорениям, исходя из этого пилотов приходится отбирать и готовить по особой программе. Плавное, без скачков, ускорение положительно отражается не только на здоровье летчика, но и на длительности судьбы самолета.

Дабы решить данный вопрос, ВМС США разрабатывают электромагнитную авиационную пусковую установку, в которой самолет вместо паровых поршней будет разгоняться линейным индукционным двигателем (ЛИД). Данный принцип используют на монорельсовых дорогах, а также в некоторых скоростных магнитно-левитирующих поездах, развивающих скорость до 400 км/ч. Главная трудность содержится в том, как взять достаточное количество энергии.

Новому американскому авианосцу, что обязан сойти со стапеля в 2014—2015 годах, потребуется 100 млн. джоулей лишь для одного пуска. Данной энергии достаточно, к примеру, чтобы метнуть автомобильна расстояние в 15 км. Новый «чисто электрический» авианосец CVN-21, мощность которого в три раза больше, чем у любого авианосца класса «Нимиц», просто не может производить такое количество энергии.

Но ее возможно накопить: электрогенераторы будут поставлять энергию в особые накопители для каждой из катапульт. По команде электричество поступит к ЛИД, в ходе разгона сегменты обмотки сзади самолета будут отключаться, а впереди самолета — подключаться. Это окажет помощь сэкономить энергию, а основное — правильнее руководить разгоном.

В конце разгона тележку будет останавливать не гидротормоз, как в паровой совокупности, а электрические силы.

Электромагнитная установка имеет производительность на 29% больше, чем паровая, и она в состоянии разогнать 45-тонный самолет до скорости 250 км/ч. Предполагается, что более мягкий режим запуска разрешит расширить ресурс самолета на 30%. Новинка разрешит сделать больше вылетов при меньшем количестве технического персонала.

Все это звучит привлекательно, но еще неизвестно, как эта совокупность будет трудиться в настоящих условиях в море.

Смогут ли экраны надежно обезопасисть людей, трудящихся рядом с катапультой? Как электронное оборудование самолётов и корабля будет реагировать на такие замечательные электрические установки? ЛИД изучены значительно меньше, чем паровые машины, исходя из этого на военно-морской базе в городе Лейкхерс, штат Нью-Джерси (всемирный столице катапультного дела) на данный момент строится полноразмерная наземная электромагнитная катапульта.

Но не обращая внимания на обширный опыт в строительных работах авианосцев, США не являются «монополистом» в области катапульт. О европейском, японском и советском опыте строительства катапульт просматривайте в следующих номерах издания.

Как устроена современная паровая катапульта

Основной орган катапульты, ее сердце, — это два параллельных цилиндра 1, любой диаметром 53 см и длиной 100 м. Поршни цилиндров соединены между собой и прикреплены к колесной платформе (тележке-челноку 2), которая перемещается по направляющим, расположенным ниже поверхности верхней палубы 3. Узел крепления 4, что тянет самолет за переднюю стойку шасси, прикреплен к тележке. Пар, накопленный в баллонах-аккумуляторная батареях 5, по команде подается в цилиндры, тележка и поршни начинают перемещение.

Прямой привод снабжает выигрыш в простоте и силе конструкции — никаких тросов либо блоков. Количество пара в цилиндрах, а следовательно, и ускорение определяются в зависимости от типа самолета, его взлетного веса, направления и скорости ветра, а также от температуры воздуха.

Как трудится паровая катапульта?

В то время в то время, когда один самолет запущен и набирает высоту, возвратный механизм перемещает поршни (и челнок) в исходное положение. Сейчас на начальную позицию буксируют очередной самолет. Производящий офицер направляет самолет в том направлении, где он поднимается на замок челнока катапульты.

Пилот снимает самолет с тормозов и переводит двигатель в режим большой тяги. Сейчас самолет удерживается на палубе лишь самим пусковым устройством — , пока в совокупности не будет создано давление, нужное для успешного запуска. На этом этапе пилот не должен снижать тягу двигателя, даже в том случае, если катапульта неимеетвозможности его запустить: в случае если катапульта сработает при неполной мощности двигателя, самолет упадет в воду перед авианосцем.

В случае если не известно почему пусковое устройство неимеетвозможности сработать, пилот снижает обороты только тогда, в то время, когда производящий офицер выходит на полосу перед самолетом, подтверждая, что давление из совокупности стравлено. При штатном запуске пар большого давления через выпускные клапаны подается в рабочие цилиндры, двигая челнок и поршни. В то время, когда самолет достигает края взлетной полосы, замок отстегивается, самолет покидает корабль, поршень и челнок останавливаются гидротормозом, а возвратный механизм перемещает совокупность в исходное положение.

Люди-боеприпасы

Управление перспективных исследовательских оборонных программ США (DARPA) создало пневмокатапульту для забрасывания спасателей на крыши низких строений. Аппарат выстреливает человека, сидящего на особом кресле. Кресло движется по направляющим вверх, на определенной высоте останавливается, а человек двигаетсядальше и (значительно чаще безопасно) приземляется на крышу.

Совокупностью руководит компьютер, что задает параметры запуска. Считается, что установка высотой 4 м сможет добросить человека до крыши пятиэтажного дома всего за 2 секунды. Но если вы не спешите, то возможно воспользоваться лестницей.

Статья размещена в издании «Популярная механика» (№48, октябрь 2006).