Главная проблема на пути создания перспективных вертолетов – не столько повышение скорости полета как таковой, а увеличение аэродинамического качества несущего винта и вертолета в целом. Повышение скорости – это частная задача, ведь для сохранения конкурентных преимуществ вертолетов, предстоит летать не только быстрее, но и дальше, и поднимать при этом большую нагрузку. Именно эти показатели в целом определяют коммерческую привлекательность летательного аппарата.
Зарубежные скоростные вертолеты и винтокрылы.
Исследования компанией Lockheed возможностей постройки скоростного вертолета началось в 1962 году с создания XH-51. Машина не отличалась по сегодняшним временам большой крейсерской скоростью (Vмакс 280 км/час, Vкр 257 км/час), но разработчики уделили максимум внимания аэродинамике вертолета.
Двигатель и главный редуктор были вписаны в обводы фюзеляжа, веретенообразная форма последнего, убирающееся полосковое шасси - все было призвано снизить вредное сопротивление. Использование жестких лопастей на четырехлопастном роторе с гасителем колебаний, нашедшее затем применение на Cheyenne, так же впервые было опробовано на XH-51. В 1964 году, желая выжать из полученного планера максимум скорости, инженеры компании принимают решение установить по левому борту турбореактивный двигатель, включающийся на режиме горизонтального полета. Для разгрузки НВ так же было установлено крыло размахом 5,18 метра. И 27 июня 1967 года XH-51 с индексом "А" поставил неофициальный рекорд скорости для вертолетов своего класса - 486,9 км/час.
Другой проект скоростного вертолета Cheyenne. Этот проект был известен как "Dragonfly" из-за своего длинного плоского фюзеляжа и убирающегося шасси.
Вообще вертолет представлял себя сплошную инновацию, начиная с трехлопастного несущего винта (обычными в то время были двух - и четырехлопастные). AH-56A получил двигатель General Electric T64-GE-16, который позволял вертолету развивать скорость в 418 км/ч, потолок до 2073 м и набор 1133 м за 1 минуту. Запас топлива позволял держаться в воздухе около трех часов и совершать перелет на 4667 км. Помимо уже знакомого решения использовать жесткие лопасти, аппарат имел развитое крыло с размахом 8 метров с размещением в нем топливных баков. Но отличительной чертой Cheyenne было наличие на конце хвостовой балки двух винтов. Один четырехлопастной, выполнял традиционную для одновинтовых вертолетов функцию, а второй трехлопастный, являлся толкающим на режиме горизонтально полета. Винты имели независимые приводы. Инновационным был и сам двигатель с трансмиссией. Они не только обеспечивали плавное перераспределение мощности при переходе в режим крейсерского полета с несущего винта и рулевого винта на толкающий винт (на НВ подавалось 20% крутящего момента, допускалась авторотация), но и уменьшение подводимой мощности двигателя с 3500 л.с. до 700, которых было достаточно для привода толкающего винта. Последнее решение обещало существенно меньший расход топлива и соответственно большой радиус действия вертолета.
Первый полет состоялся в сентябре 1967 года, после которого началась масштабная программа испытаний всех десяти прототипов непосредственно в строевых частях. Результаты были весьма обнадеживающие - машина оказалась очень маневренной и подтвердила часть заявленных летно-технических характеристик. В марте 1968 года была достигнута скорость 315 км/час. Но пилоты отмечали с ростом скорости заметную потерю управляемости по всем каналам. В ходе летных испытаний с выходом на пределы по флаттеру, в марте 1969-го, лопасть задела кабину, пилот погиб. После этого происшествия с новой силой возобновились исследования по моделированию процессов, приводящих к флаттеру, в том числе в аэродинамической трубе, где был потерян еще один прототип. Несмотря на это, существенно переработав системы управления несущим винтом, Cheyenne вышел на заявленные вначале летно-технические характеристики - Vмакс 398 км/час, Vкр 360 км/час. Однако уже в августе 1972 года финансирование программы было прекращено под предлогом значительного превышения стоимости разработки и испытаний. При этом планировавшаяся замена аналоговых систем бортвого радиоэлектронного оборудования на цифровые увеличила бы цену машины в ближайшем будущем, что было недопустимо в условиях ведения войны во Вьетнаме.
Вертолетостроительная компания И.Сикорского, демонстрируя небывалые темпы развития, не могла устоять от соблазна поучаствовать в гонке за скорость. В 1964 году на объявленный Пентагоном конкурс компания Sikorsky представила весьма похожий на Cheyenne проект S-66. Он имел обычный несущий винт с шарнирным креплением лопастей и небольшие крылья, разгружавшие винт при полете на большой скорости. Однако главной особенностью вертолета был хвостовой винт конструкции "Rotoprop". В начале полета, на скорости до 110км/ч, он работал как обычный хвостовой винт, предназначенный для компенсации вращающего момента, а на скорости же свыше 180км/ч хвостовой винт поворачивался на 90° и превращался в толкающий пропеллер, давая вертолету дополнительный прирост скорости. Планируемые летно-технические характеристики S-66 были впечатляющими: Vмакс 450 км/час, Vкр 370 км/час. Но конкурс был проигран.
Тем не менее, компания не оставила планов создания скоростной машины, и не в первый для себя раз продолжила работы за собственные средства. Результатом был S-67 Blackhawk. Вертолет классической одновинтовой схемы с рулевым винтом.
Первый полет S-67 состоялся 14 декабря 1970 г., а программа испытаний закончилась катастрофой 1974 г на авиасалоне в Фарнборо. За это время были достигнуты рекордные скорости горизонтального полета: Vмак 349 км/час, Vкр 320 км/час. Для разгрузки несущего винта и стабилизации на высоких скоростях использовалось крыло с положительным поперечным углом, размахом 8.33 метра с тормозными щитками. Крыло, наряду с развитой механизацией оперения, положительно повлияло и на маневренные качества вертолета. Для уменьшения вибраций и шума на больших скоростях полета конструкторами Sikorsky было применено оригинальное по тем временам решение: лопасти несущего винта были отклоняемыми на 20 градусов по отношению к оси ротора, в противоположную вращению сторону. Такое решение отодвигало приближение скорости потока к числу Маха на законцовках лопастей и в целом заметно увеличивало их эффективность по создаваемой подъемной силе в режиме горизонтального полета. Именно последнее, наряду с оригинальной системой изменения циклического шага лопастей, их скоростным профилем, стреловидными законцовками, по мнению разработчиков, позволило ему выйти на рекордные скорости полета.
В 1972 году компания Sikorsky спроектировала вертолет известном под обозначением S-69 ABC, реализована концепция нового эффективного ротора, способного обеспечить вертикальный подъем и скорость крейсерского полета, типичную для самолетов нормальной схемы, но без использования крыльев. Так соосный ротор создает достаточную подъемную силу и обеспечивает управляемость в любом режиме полета. Ротор этого преобразуемого аппарата состоит из двух винтов, вращающихся в противоположных направлениях и приводимых от одного газотурбинного двигателя. Два турбореактивных двигателя, установленные по бокам фюзеляжа, развивают тягу, достаточную для горизонтального полета со скоростью 560 км/ч.
В 1983 году компания Sikorsky предложила новый вариант - XH-59B, который имел укороченный фюзеляж, два ТВД T700-GE-700 и вентилятор, обеспечивающий горизонтальную тягу. В таком виде вертолет предполагалось использовать в качестве легкого ударного вертолета. Несмотря на рекомендации NASA продолжать финансирование проекта, основной заказчик сделал выбор в пользу совместной разработки Boeing и Sikorsky - вертолета RAH-66 Comanche. Кроме того, S-69ABC получился перетяжеленным, весовая отдача не превышала 30%, уровень вибраций оказался чрезмерно высоким, возникли сложнейшие проблемы аэроупругости и динамики конструкции. В любом случае, XH-59 обеспечил основной задел для сегодняшних работ по технологии X2.
Проект при поддержке NASA стартовал в начале 1979 года, первый полет S-72 совершил 2 декабря 1984 года. В первую очередь планировалось испытать Х-образное крыло (схема не в первый раз рассматривалась, как перспективная). Но совершив лишь четыре полета (только два были с "ротором") программа была закрыта.
В 1960 году, другая вертолетостроительная компания США - Piasecki Aircraft Corporation, - в инициативном порядке начинает программу Pathfinder. Изначально прототип 16H-1 был создан по одновинтовой схеме, с рулевым винтом. Первый полет состоялся 21 февраля 1961 года.
Менее чем через год на 16Н-1, как и задумывалось, установили крыло и заменили РВ на трехлопастной капотированный толкающий винт с управляемыми поверхностями на выходе. Последнее обеспечивало путевое управление и парирование крутящего момента. В ходе летных испытаний была достигнута крейсерская скорость 273 км/час. После этого военные подключились к финансированию проекта с условием доведения скорости до 370 км/час. В проект были внесены ряд изменений, а именно удлинение фюзеляжа и увеличение полезной нагрузки, ремоторизация, замена несущего и толкающего винтов и прочее. Вертолет получил индекс 16Н-1А или Pathfinder II. Значительное ускорение достигалось перераспределением подводимой мощности с несущего винта на толкающий. На таком режиме основная подъемная сила создавалась крылом. Результаты испытаний были обнадеживающие - скорость 361 км/час, хорошая управляемость и маневренность, как на высоких, так и на низких скоростях полета. В дальнейшем компания разработала несколько модификаций с разными взлетными весами, но не одна из них не дошла даже до опытного образца. Результаты исследований были использованы военными при создании AH-56A Cheyenne. Компания Piasecki продолжала теоретические работы по выбранной схеме вплоть до 1978 года.
Через четыре года эти работы были поддержаны военным ведомством. Прототип Bo-46, построенный в количестве трех штук, использовал уникальный несущий винт. Суть заключалась в заметно вынесенном креплении стеклопластиковых лопастей от втулки, что позволяло лопастям отклонятся относительно плоскости вращения несущего винта на углы до сорока градусов, то есть реализовывалась концепция опережающе-запаздывающей работы лопасти в разных секторах конуса вращения. Тем самым регулировалось маховое движение лопасти на цикле, чем сводился к минимуму риск срыва потока с отступающей лопасти. Продувки натурного НВ в аэродинамической трубе подтвердили эффективность выбранного решения, и позволили прогнозировать выход аппарата на скорости порядка 500 км/час. В 1964 году началась программа летных испытаний вертолета, в ходе которой для создания тяги планировалось установить дополнительно два турбореактивных двигателя и выйти на скорости более 400 км/час. Но возникшие уже на начальном этапе испытаний угрожающие вибрации, сложность и ненадежность механизмов управления общим и циклическим шагом, а так же недостаточное финансирование вынудили фирму прекратить работы.
Интересная схема установки несущих винтов была впервые использована в нацистской Германии в 1942 для небольшого противолодочного вертолёта Flettner Fl 282 Kolibri, который имел два несущих винта с осями, расположенными под углом друг к другу - синхроптера. Винты были установлены над фюзеляжем и вращались в противоположных направлениях. Похоже синхрокоптер более всего подходит для реализации концепции наступающей лопасти: жесткая лопасть с жестким креплением (нету схлестывания или его вероятность минимизирована), полностью симметричная схема (нет проблем влияния верхнего ротора на нижний), две колонки (можно обеспечить необходимую прочность).
Наиболее известная европейская программа по перспективным скоростным вертолетам велась британской компанией Westland, взявшей за основу весьма успешный вертолет класса 4-5 тонн Lynx, созданный в 1971 году, имеющий массу модификаций, и выпускаемый по сей день. Скомпонованный по классической одновинтовой схеме с рулевым винтом, Lynx изначально обладал отличными маневренностью и управляемостью, позволявшими ему выполнять фигуры высшего пилотажа. Уже через год был установлен рекорд скорости - 321 км/час. Текущая модернизация типа дала более десяти модификаций, и, работая над одной из них (для ВМФ), конструкторы поставили задачу максимально увеличить крейсерскую скорость. Модификация получила название Super Lynx. Изменения коснулись главным образом несущего винта. На лопастях четырехлопастного ротора BERP были применены расширяющиеся стреловидные законцовки со сверхзвуковыми профилями (это же решение затем использовали при создании многоцелевого AgustaWestland 101). Профиль лопасти имеет большую кривизну, хорда лопасти 0.395м. Втулка несущего винта выполнена из титана и включает ступицу, к которой на болтах крепятся упругие элементы для обеспечения махового движения лопастей. И 11 августа 1986 года Super Lynx установил мировой рекорд скорости для серийного вертолета - 400,87 км/час.
Говоря о достижениях европейских вертолетостроительных компаний, нельзя не упомянуть результат компании Eurocopter. Хотя в этом случае речь не идет о необходимости создать непосредственно скоростной вертолет. Скорее это желание продемонстрировать техническое совершенство вертолета, с целью увеличения привлекательности продукта, где наряду с рекордом скорости, среди достижений есть и полет на вершину Эвереста. Речь идет о модификации серийного ЕС-155 - Dauphin Grande Vitesse. 19 ноября 1991 года вертолет достиг максимальной скорости в горизонтальном полете 372 км/час. Вертолет оборудован 5-лопастным несущим винтом Spheriflex с композитными лопастями и рулевым винтом "фенестрон" с пониженным уровнем шумности. Кроме того, машина оснащена цифровой системой контроля двигателей (FADEC) и уникальным автопилотом он контролирует не только органы управления, но и работу двигателя, компенсируя любые изменения температуры воздуха, перепады высот, порывы ветра.
Отдельного упоминания в свете создания перспективного скоростного вертолета заслуживает продольная компоновочная схема. Отсутствие потерь мощности на привод рулевого винта уже доказало эффективность подобной схемы по части грузоподъемности (CH-47 Chinook), а так же способности выхода на высокие (до 300 км/час) крейсерские скорости некоторых модификаций. Были и попытки перейти заветный рубеж. Одна из них - проект Boeing-Vertol 347, который реализовывался как глубокая модернизация CH-47, с установкой на него крыла большого удлинения, увеличением грузоподъемности и крейсерской скорости. Работы остановлены, но постоянная модернизация Chinook не исключает возвращения интереса к проекту.
Стоит вспомнить и другого, если не кандидата на роль ПСВ, то уж точно внесшего свою лепту в развитие этой темы, вертолета - Boeing-Vertol V-360. Вертолет изначально создавался как экспериментальный для апробации масштабного использования композитных материалов и принципиально новых систем управления в вертолетостроении. Фюзеляж, элементы трансмиссии, лопасти НВ из композитов, плюс электродистанционная система управления, динамичные обводы - все это было прорывом для 1987 года. Вертолет создан по двухвинтовой схеме с продольным расположением несущих винтов. К сожалению, аппарат работал не на себя, а был частью программы конвертоплана Osprey. А ведь для V-360 разработчиками заявлялась крейсерская скорость не менее 370 км/час, и генералы корпуса морской пехоты всерьез посматривали на него, как на десантный вертолет будущего.
Еще один интересный проект корпорации Boeing и агентства передовых исследований DARPA - X-50A Dragonfly ("Стрекоза") это аппарат вертикального взлета и посадки. Для летных испытаний построены два идентичных аппарата Dragonfly: длиной 6 м, высотой 2 м и весом около 700 кг каждый. Помимо четырехметрового винта, "Стрекоза" имеет носовое оперение с размахом 3 м и хвостовое горизонтальное оперение чуть меньшего размера. Для движения используется стандартный турбовентиляторный двигатель. Первое испытание прошло на полигоне Юмы в штате Аризона. В 2004 году аппарат X-50A под управлением находящегося на земле пилота вертикально взлетел, поднялся на 4 метра, на некоторое время завис, а затем аккуратно опустился на землю. Аппарат выполнен по новой концепции "утка ротор/крыло" (canard rotor/wing - CRW).
"Утка" означает, естественно, переднее горизонтальное оперение. В поступательное движение аппарат приводится при помощи реактивного двигателя. А вот ротор-крыло - вещь для авиации пока экзотическая: при вертикальном взлёте и посадке оно работает как вертолётный винт, но на высоте останавливается, превращаясь в обычное самолётное крыло. Таким образом, этот аппарат должен сочетать вертикальный вертолётный взлёт с высокой скоростью, свойственной самолётам. Причём для горизонтального полёта у машины имеется реактивный двигатель. Интересно также, что для вращения крыла в его вертолётном режиме здесь не применяется отдельный двигатель. Просто выхлоп от реактивного мотора X-50A направляется через полое ротор-крыло в сопла, расположенные на его концах. В этом случае не требуется компенсация реактивного момента. По мере набора скорости часть веса машины берут на себя передние и задние горизонтальные плоскости, выхлоп двигателя постепенно перенаправляется назад, в хвост машины, а крыло замедляется и наконец останавливается полностью. Благодаря особой конструкции крыла аппарат сочетает в себе маневренность вертолета и скорость (свыше 700 км/час) самолета. Для конструкторов прошедший полет стал блестящим началом большой серии будущих испытаний. Но на шестой из запланированных 11 испытательных полетов, оба летательных аппарата были полностью уничтожены в аварии на полигоне Юма (Аризона) 12 апреля 2006 года при переводе ротора в фиксированное крыло. Последующее расследование показало, что фюзеляж самолета очень чувствителен по тангажу. Скорость изменения угла тангажа была выше чем управляющие поверхности могли бы их компенсировать. В сентябре 2006 года, DARPA –признала недостатки данной схемы и сняла с финансирования программу.
Другая схема, весьма похожая на отечественный Ка-22, какое-то время даже нашла применение, то есть получила заказы от авиакомпаний. Rotodyne британской компании Fairey, рассчитанный на перевозку до 65 пассажиров на расстояние 400 км., поднялся в воздух 6 ноября 1956 года. Англичане также применили концепцию преобразуемого вертолета, где пропульсивная тяга на крейсерском режиме создавалась двумя турбовинтовыми двигателями, расположенными на относительно коротком прямом крыле. Но вертикальный взлет и посадка обеспечивались одним несущим винтом, с приводом от сопел на концах лопастей. Через полые лопасти подавался сжатый воздух, что как известно, исключает появление реактивного момента. 5 января 1957 года Rotodyne достиг скорости 307 км/час, в этом режиме НВ просто авторотировал. Низкая топливная эффективность, а так же, малая дальность показанные прототипом на испытаниях минимизировали те плюсы, что привлекали перевозчиков. А так как Rotodyne планировалось использовать с площадок в городской черте, существенным недостатком стала его шумность. В итоге, по совокупности причин последовали отказы от контрактов. И хотя разработчиками было спроектировано целое семейство машин, где в последующем планировалось увеличить скорость до 400 км/час, а так же дальность до 1500 км, проект были вынуждены закрыть.
На самом деле работа по совершенствованию вертолета, направленная на увеличение скорости его полета, ведется в мире уже довольно давно. Перепробовано много идей и решений. Например, фирма «Bell Helicopter Textron» занимается своей концепцией аппарата вертикального взлета и посадки с поворотными винтами еще с 50-х гг. прошлого столетия. И помимо ряда экспериментальных моделей ей создан, запущен в серийное производство и поставляется Вооруженным силам США конвертоплан Osprey V-22, способный летать со скоростью более 500 км/час. На основе его концепции совместно с итальянской компанией «AgustaWestland» создан коммерческий конвертоплан ВА609, который намечено сертифицировать для поставок заказчикам в следующем году.
Конвертоплан Osprey V-22, сочетающий отдельные возможности самолёта и вертолёта. Разрабатывался в США более 30 лет компаниями Boeing и Bell.
Находится на вооружении Корпуса морской пехоты США и ВМС США. Летательный аппарат оснащён двумя двигателями, расположенными на концах крыла в гондолах, которые могут поворачиваться почти на 98 градусов. Винты с тремя трапециевидными лопастями связаны между собой синхронизирующим валом, который проходит внутри крыла. Данный вал также обеспечивает возможность посадки летательного аппарата на одном двигателе. С целью уменьшения массы конструкции около 70 % (5700 кг) аппарата произведено из композитных материалов на основе угле- и стеклопластиков с эпоксидным связующим, что делает его на четверть легче металлического аналога. Максимальная скорость 638 км/ч, скорость в самолётном режиме 510 км/ч, скорость в вертолётном режиме 185 км/ч, крейсерская скорость 396 км/ч.
Конвертопланы считать равными в гонке за скорость с вертолетами некорректно по нескольким причинам. Во-первых, в крейсерском полете это практически турбовинтовые самолеты. Во-вторых, и, наверное, в главных - по срокам разработки, стоимости создания и конечной цене они даже при серийном производстве цена за десантный вертолет приближается к стоимости среднемагистрального лайнера. А так же невозможность планировать и недоказанность вероятности режима авторотации при отказе двигателей. Хотя в целом нужно признать - в новейшей истории немало проектов с использованием подобной схемы.
Автор: Кондалов Максим
вернуться назад
Комментарии отсутствуют
войти