ЧТО ДЕНЬ ГРЯДУЩИЙ…

Всем хорош вертолет.   Летит, куда хочет – вверх, вниз, вперед-назад, медленно, быстро. А мог бы еще быстрее – если бы  несущий винт не мешал.  От него одни заботы. 

Все, что вращается или колеблется – источник вибраций. Несущий винт порождает не только привычные оборотные вибрации, как скажем, стиральная машина. Ему хочется порадовать своих  создателей спектром частот – изысканными лопастными вибрациями,  флаттерными и срывными автоколебаниями.  Флаттер присущ  и  самолетному крылу, но вот такая, по выражению первого президента России Б.Н. Ельцина, «загогулина», как автоколебания типа земной резонанс, способные возникать на земле и в воздухе —  на такое, кроме несущего винта, не способно никакое другое техническое устройство.

В полете  у несущего винта возникают специфичные проблемы. Скорость лопасти, двигающейся  по направлению полета, складывается со скоростью полета: не успеешь разогнаться – вот она скорость звука, число маха, скачки уплотнения и прочая дребедень, от которой кроме вибраций, никакого удовольствия.  Противоположная лопасть ведет себя не лучше: ее обтекает поток воздуха со скоростью, равной разности собственной скорости и скорости полета.   По мере приближения к оси вращения собственная скорость обтекания уменьшается, и  воздушный поток начинает дуть не в носик, а в хвостик лопасти: расширяется  зона обратного обтекания, срыв потока, опять же вибрации,  не аэродинамика – сплошные вихри враждебные. Вертолет, который хочет лететь как самолет, стремится снизить роль несущего винта, даже вообще от него избавиться, хотя бы на больших скоростях.  Более или менее хитрых способов, как это сделать, придумано достаточно: винт тормозят, лопасти складывают по направлению полета, превращают в крыло или даже втягивают в фюзеляж. Для компенсирования снижения тяговых свойств несущего винта при больших скоростях полета   на вертолет устанавливают самолетное крыло,  движители в виде тянущего или толкающего воздушных винтов, реактивные двигатели. 

В  середине 70-х годов XX века инженеры американской фирмы Сикорского  предложили оснастить соосный несущий винт мощными крыльевыми лопастями, прикрепленными к втулкам жестко, без использования горизонтальных шарниров.  Идея известна как концепция наступающей лопасти – «Advanced Blade Concept ABC», согласно которой около 90% подъемной силы несущего винта создается  «наступающими» лопастями, у которых скорость вращения складывается со скоростью полета вертолета. Тогда устраняются присущие классическим винтам с шарнирной подвеской лопастей ограничения скорости полета по срыву потока на «отступающих» лопастях,  увеличивается аэродинамическое качество несущей системы. Большой несбалансированный опрокидывающий момент, возникающий на бесшарнирном несущем винте, парируется винтами противоположного вращения. Жесткое крепление лопасти позволяет увеличить мощность управления, упрощает конструкцию втулки несущего винта, расширяет допустимый диапазон центровок. Соосно расположенные винты  устраняют затраты мощности на компенсацию реактивного момента, позволяют подавить часть вертикальных вибраций за счет фиксированного взаимного расположения винтов.

Теоретические исследования схемы АВС начаты фирмой Сикорского в 1964 году, в 1968 году  проведены экспериментальные исследования на динамически подобной модели с диаметром несущего винта 1,22 м, еще через три года натурный несущий винт диаметром 12,2 м  испытан в аэродинамической трубе. После того, как фирма,  истратив на испытания из своих средств несколько миллионов долларов, получила обнадеживающие результаты, армия США начала финансировать постройку натурного аппарата. В начале 1973 года  завершена постройка первого экземпляра машины S-69 (военное обозначение XH-59A). S-69 — геликоптер с полетной массой 4082 кг. Диаметр трехлопастных несущих винтов — 10,97 м,  расстояние между плоскостями несущих винтов 0,762 м. Поскольку верхний несущий винт  выполнялся с конструктивным углом конусности около 5 градусов, расстояние между концами лопастей верхнего и нижнего винтов в стояночном положении составило 1,3 м. Лопасти  жесткие и широкие: их статический прогиб на конце не превышал 12 мм, хорда лопасти изменялась от 560 мм в начале до 280 мм в конце. Относительная толщина лопасти в комле, равная 0,28, постепенно уменьшалась к концу до  значения 0,06. Повышенная жесткость лопасти  достигнута значительным утяжелением конструкции: масса одной лопасти с лонжероном из композиционного материала составила 100 кг. Особенность системы управления несущими винтами — каждый из двух автоматов перекоса управляется независимо. В окончательном варианте автомат перекоса нижнего винта  установлен над редуктором, а автомат перекоса верхнего винта под редуктором. Такое расположение автоматов перекоса позволило установить внутри полого вала тяги к лопастям верхнего винта. Кроме того, в цепи управления между ручками общего шага и продольно-поперечного управления введены аналоговые вычислители и раздвижные тяги, которые в зависимости от скорости полета изменяют принцип управления циклическим шагом лопастей с целью достижения наивысшего аэродинамического качества винтов и уменьшения сближения лопастей. Для измерений расстояния между концами лопастей  использован принцип электрического конденсатора с воздушной прослойкой, в котором роль обкладок выполняли лопасти. Электрические сигналы обрабатываются в электронном блоке и передаются на экран, расположенный в кабине пилота. Первый полет геликоптера S-69 состоялся  после смерти И.И. Сикорского – 26 июня 1973 года. Испытания геликоптера продолжались пять лет. В 1977 году геликоптер в горизонтальном полете развил скорость 296 км/ч, а при пикировании 355 км/ч,  достиг высоты полета  4270 м. При высоких скоростях подъемная сила несущего винта, выполненного по концепции АВС, оказалась в 3-4 раза выше, чем у обычного винта, но горизонтальная составляющая силы росла менее заметно. Поэтому для дальнейшего наращивания скорости полета  понадобился второй экземпляр геликоптера, на который по бокам фюзеляжа  поставили два дополнительных ТРД "Пратт-Уитни" с тягой по 1360 кг. Модифицированный образец  подняли в воздух 21 июля 1975 года, а в 1981 году на нем достигнута скорость горизонтального полета 465 км/ч и высота 7800 м. По сообщению фирмы, в пологом планировании скорость приближалась к 519 км/ч.  В начале ХХI  века интерес к схеме «АВС» возвращается – фирма Сикорский начала исследования геликоптера  Х2 с соосными четырехлопастными несущими винтами жесткого крепления и толкающим пропеллером. 

                   Перспективный винтокрылый аппарат – поворотные винты, слишком маленькие для вертолета, чересчур большие для самолета: гибрид плохого геликоптера с неважным самолетом.  Однако, если не злоупотреблять режимом висения, то на такой машине перевозки на расстояния порядка 1000 километров со скоростью 500-700 км/ч могут стать привлекательными для пассажира по удобству и приемлемыми по его кошельку.

Разработкой и внедрением в эксплуатацию аппаратов с поворотными винтами длительное время занимается  компания Белл-Боинг. Армия США использует несколько десятков V-22 Osprey, способных развивать скорость до 440 км/ч.

Составить конкуренцию  Белл-Боингу пытается объединение Белл-Агуста, начавшее испытания  «поворотника» ВА-609 с взлетным весом 7630 кг.  Мотогондолы с винтами крепятся к крылу с помощью шаровых винтовых пар и поворачиваются вверх и назад до угла 950  гидравлическими приводами.  На вертолетном режиме винты вращаются со скоростью 570 об/мин, на самолетном замедляют вращение до 480 об/мин. На высоте 7600 м аппарат способен лететь со скоростью 510 км/ч.

В  начале 70-х годов прошлого века возможные схемы скоростных винтокрылых аппаратов исследовало ОКБ М.Л. Миля.   В 1972 году здесь был разработан проект  транспортно-пассажирского конвертоплана Ми-30:  два двигателя ТВ3-117 приводили в действие два несуще-тянущих винта, диаметром 11 м каждый.  «Винтоплан», как  назвали аппарат в ОКБ, с взлетной массой 10,6 тонн должен был развивать скорость до 500-600 км/ч, проектная дальность полета составляла 800 км.  Другие модификации конвертоплана имели взлетную массу 11, 20 и 30 тонн; они использовали более мощную силовую установку с форсированными двигателями ТВ3-117Ф,  Д-136 и Д-27. Осуществлению  проектов помешала начавшаяся в СССР «перестройка».

На рубеже второго десятилетия 21-го века о своих скоростных амбициях заявили российские  фирмы.  ОКБ М.Л. Миля взяло за прототип геликоптер фирмы Пясецкого Х-49А Speed Hawk с самолетным крылом и пятилопастным толкающим винтом, установленным в управляемом кольце.  ОКБ  Н.И. Камова представила макеты вертолетов Ка-92 и Ка-90.

Ка-92 ориентирован на длинные — до 1400 км — маршруты полета. В этой модели соосные жесткие винты сочетаются с "толкающим" пропеллером. Пропеллер обеспечивает взлет и посадку.  Жесткие винты способны разогнать вертолет до скорости горизонтального полета порядка 400 км/ч.

В проекте Ка-90 вертолет поднимается с земли с помощью жестких и укороченных винтов. Набирает скорость порядка  400 км/ч, потом включается реактивный двигатель, способный разогнать машину до 700-800 км/ч. При этом несущие винты автоматически складываются в футляр, устроенный в верхней части фюзеляжа. При посадке винты снова раскладываются, реактивный движок выключается.

Компании Боинг представила свой концепт скоростного аппарата – на режиме горизонтального полета лопасти убираются в дисковое крыло, которое становится дополнительным источником подъемной силы.

Уже длительное время самолеты и вертолеты оснащаются убираемыми в полете шасси, крылом с изменяемой геометрией, поворотными несущими винтами, поворотные сопла двигателей обеспечивают отклоняемый вектор тяги.  Облик будущего летательного аппарата станет еще более гибким.  С увеличением скорости полета из фюзеляжа вертолета начнет выдвигаться крыло, диаметр и обороты несущего винта станут соответственно уменьшаться. Устройства, создающие подъемную и пропульсивную силы, получат возможность постоянно  работать в режимах наибольшей эффективности.

Обзаведется ли рукотворная птица  душой, как о том мечтал Леонардо да Винчи, науке неизвестно.  Можно лишь надеяться на то, что уходящая вглубь веков цепочка романтиков, людей, видящих смысл своей жизни в техническом творчестве, не прервется, по крайней мере, до тех пор, пока звучит слово «Человек». 

Добавить комментарий

WordPress SEO