Альтернативные схемы несущей системы вертолета
Ми-17В-5 - обладатель классической несущей системы. Фото "Рособоронэкспорт"
На протяжении всей истории вертолетов регулярно предлагались различные конструкции несущей системы, но только одна из них стала классической и в дальнейшем получила значительное развитие. Другие решения, предусматривавшие разные варианты привода винта, конструкции лопастей, функции и т.д., не смогли составить ей конкуренцию. Зачастую такой итог смелого проекта был обусловлен объективными недостатками и проблемами.
Техническая классика
Классическая схема вертолета предусматривает несколько достаточно простых решений. В фюзеляже машины помещается силовая установка с редуктором, выдающим крутящий момент на несущий и рулевой винты. Основной винт большого диаметра строится на основе автомата перекоса, обеспечивающего изменение подъемной силы и/или маневрирование, а также имеет несколько лопастей большого удлинения.
Такая конструкция является относительно простой, она хорошо отработана и поддается несложной перестройке и масштабированию под имеющиеся требования. Кроме того, она лишена некоторых недостатков, таких как необходимость герметизации стыков в трубопроводах или риск перехлеста лопастей.
Боевой Ка-52. Соосная схема с определенными оговорками может считаться развитием классической. Фото Минобороны РФ
Впрочем, имеются и недостатки. Вертолет классической схемы имеет ограничения по скорости горизонтального полета, связанные со спецификой обтекания лопастей несущего винта. На некоторых режимах могут возникать иные негативные явления, такие как вихревое кольцо. При наличии одного несущего винта, приходится конструировать длинную и прочную хвостовую балку для размещения рулевого винта.
Развитие классической схемы привело к появлению многовинтовых вертолетов с продольным, поперечным или иным размещением нескольких несущих систем. Получила распространение соосная схема, в которой два винта традиционного облика собираются на единой втулке. Также классическая несущая система и ряд ее агрегатов стали основой для нескольких альтернативных конструкций.
Реактивный винт
Одновинтовой вертолет сталкивается с проблемой реактивного момента, и для борьбы с ним предлагались разные решения. Еще в тридцатых годах в нескольких странах почти одновременно появилась идея несущего винта с реактивным приводом. Такой винт не связан с двигателем внутри фюзеляжа и, соответственно, не заставляет его вращаться в обратную сторону.
Экспериментальный вертолет В-7 в Монинском музее. На задней лопасти виден турбореактивный двигатель АИ-7. Фото Wikimedia Commons
Реактивный несущий винт отличается наличием собственных двигателей на законцовках лопастей. Винт может приводиться в движение при помощи компактного турбовинтового или прямоточного воздушно-реактивного двигателя. Также известны конструкции с подводом сжатых газов от газотурбинного двигателя в фюзеляже к соплам или к камере сгорания в лопасти.
Идея реактивного несущего винта получила достаточно большое внимание в пятидесятых и шестидесятых годах; в разных странах разработали целый ряд экспериментальных проектов. Предлагались как легкие машины по типу Dornier Do 32 или В-7 М.Л. Миля, так и тяжелый транспортный вертолет Hughes XH-17. Однако ни один из таких образцов не продвинулся дальше мелкосерийного производства.
Опытный вертолет Hughes XH-17. Основные двигатели отвечали за подачу воздуха в камеры сгорания в законцовке лопасти (на переднем плане). Фото LIFE / oldmachinepress.com
Главной проблемой реактивного винта является сложность втулки. Через нее в подвижную лопасть необходимо подавать сжатый газ и/или горючее, для чего требуются средства передачи и герметизации. На самой лопасти необходимо разместить двигатель того или иного рода, что предъявляет новые требования к ее конструкции. Создание надежной конструкции с такими возможностями оказалось слишком сложным, и ожидаемые преимущества не могли оправдать эти усилия.
Перекрещенные лопасти
В тридцатых годах была предложена схема т.н. синхрокоптера. Эта концепция предлагает использование двух двухлопастных несущих винтов, втулки которых размещены на минимальном расстоянии с развалом осей наружу. Винты должны вращаться навстречу друг другу, а особая конструкция редуктора исключает перехлест лопастей.
Синхрокоптер Fl 265 конструкции А. Флеттнера. Фото Airwar.ru
Несущая система синхрокоптера способна создавать требуемую подъемную силу и обеспечивать полет на тех же режимах, что и классическая схема. Она имеет преимущество в виде возможности повышения общей тяги и грузоподъемности, а разведение векторов тяги повышает устойчивость на висении и других режимах. При этом реактивные моменты двух винтов компенсируют друг друга и исключают необходимость рулевой системы.
Впрочем, синхрокоптеры не получили большого распространения. В тридцатых годах такую технику выпускала немецкая фирма Flettner, а с 1945 г. этой тематикой занимались и в других странах. Наибольшую известность получили вертолеты американской компании Kaman Aerosystems. До определенного времени синхрокоптеры пользовались определенным спросом, но затем направление увяло – сейчас в серии состоит только один образец. За все время было построено не более 400-500 серийных машин этого класса.
Главный недостаток синхрокоптера заключается в сложности редуктора, выдающего момент на два близко расположенных винта. Привод одного несущего винта с теми же характеристиками оказывается значительно проще. Кроме того, пара двухлопастных винтов имеет ограниченный потенциал тяги. Так, современный «тяжелый» синхрокоптер Kaman K-Max поднимает не более 2700 кг и проигрывает в этом отношении множеству вертолетов классической схемы.
Вращение и остановка
Известна идея объединения вращающегося винта и фиксированного крыла. В таком случае вращение несущего винта используется для взлета и разгона. На определенной скорости винт должен останавливаться, а его лопасти – превращаться в неподвижное крыло. Это позволяет развивать большую скорость полета, но требует разработки и внедрения новых решений.
В качестве примера можно рассмотреть проект X-Wing компании Sikorsky, разрабатывавшийся с середины семидесятых дополнение к вертолету S-72. Последний представлял собой вертолет с несущим и рулевым винтом, оснащенный развитым крылом небольшой стреловидности. По бокам фюзеляжа находилась пара газотурбинных двигателей, выдававших мощность на вал (для винтов) и создававших реактивную тягу (для скоростного полета).
Опытный вертолет Sikorsky S-72 с несущей системой X-Wing. Фото NASA
Несущая система типа X-Wing получила втулку с дисковидным обтекателем, оснащенную автоматом перекоса только с общим шагом. Использовались прямоугольные в плане лопасти с вертикально симметричным профилем. На передней и задней кромке лопасти имелись отверстия для выпуска наружу сжатого воздуха от компрессора. Воздух за счет эффекта Коанда должен был «удлинять» профиль лопасти, помогая ей создавать подъемную силу. В зависимости от способа подачи воздуха, лопасть одинаково эффективно работать на вращении и в неподвижном положении.
Система X-Wing успешно прошла испытания в аэродинамической трубе и даже была установлена на опытный S-72. Однако незадолго до запланированных полетов, в 1988 г. NASA и DARPA распорядились прекратить работы. При всех ожидаемых преимуществах, необычная несущая система была слишком сложной. Кроме того, проект растянулся на 10 с лишним лет, а его стоимость превысила допустимый предел. По этой причине, концепция X-Wing в дальнейшем не получила никакого развития.
Линза в полете
Прямо сейчас французская компания Conseil & Technique прорабатывает концепцию легкого вертолета-аэротакси с необычной несущей системой. Предложенная конструкция воздушного винта проигрывает традиционной по создаваемой подъемной силе на взлетно-посадочных режимах, но отличается большей простотой и способностью создавать увеличенную тягу в горизонтальном полете. Также заявлена возможность уменьшения шума.
Работа винта X-Wing на разных режимах. Sikorskyarchives.com
Оригинальный винт строится на основе диска линзообразной формы, занимающего 70% ометаемой площади. По его краям предлагается крепить короткие лопасти аэродинамического профиля. О возможности размещения автомата перекоса не сообщается; управление тягой может выполняться за счет изменения оборотов.
Испытания показали, что при горизонтальном полете дисковая часть создает значительную подъемную силу, за счет чего конструкция в целом обходит по характеристикам винт традиционной конструкции. Кроме того, угол атаки удалось довести до 25° без срыва потока. Разрабатываемый летательный аппарат, по расчетам, сможет развивать скорость до 200 км/ч.
Концепт "аэротакси" с линзовидными винтами от Conseil & Technique
Проект компании Conseil & Technique пока находится на стадии исследований и отработки конструкции. Вероятно, в ближайшее время его доведут до испытаний на макетах, после чего может появиться полноценный опытный вертолет многовинтовой схемы. Удастся ли этой альтернативной конструкции решить все поставленные задачи и найти место в авиационной отрасли – неизвестно.
В поисках альтернатив
Долгие десятилетия существования и активной эксплуатации вертолетов показали все преимущества классической схемы несущей системы. Попытки создания альтернативных схем, имеющих минимальное сходство с нею, пока не увенчались особыми успехами. Впрочем, ученые и инженеры не прекращают работу и продолжают поиск перспективных идей.
Очередной проект такого рода создается прямо сейчас, и его результаты станут ясны в ближайшем будущем. При этом понятно, что ни одна из новых несущих систем не сможет оказать заметного влияния на общее положение дел, и классическая схема и разные варианты ее развития сохранит свое место в авиационной технике. Впрочем, новые разработки – при условии достаточного совершенства – могут найти свою нишу, где их преимущества окажутся наиболее уместными и выгодными.
Информация