Впогоне заскоростью: вертолет столкающим винтом
- Вертолет Ка-52 обещает стать неотъемлемой частью ифраструктуры, сделав легко дешёвой любую точку страны, независимо от степени развития аэродромных сетей
Sikorsky X2
В конструкции Sikorsky X2 употребляется перспективная совокупность бесшарнирного ротора
- На ежегодной выставке HeliExpo 2008 в Хьюстоне, штат Техас, Sikorsky X2 стал настоящим шоу-стоппером
Новые модели обещают значительно изменить привычные представления о винтокрылых автомобилях: проектная большая скорость каждой из них существенно превышает 400 км/ч, каковые принято вычислять технологическим пределом для вертолета
Осведомленный читатель точно отыщет в памяти, что попытки создать скоростной вертолет с толкающим винтом предпринимались достаточно давно и кое-какие из них увенчались успехом если не в коммерческом, то хотя бы в техническом замысле. Lockheed AH-56 Cheyenne, совершивший собственный первый полет в сентябре далекого 1967 года, имел возможность развивать внушительные 393 км/ч. Но для армейских скорость была не так серьёзна, как надежность, дешевизна и простота конструкции, исходя из этого проект был закрыт и красивый вертолет с дополнительным толкающим винтом уступил место AH-64 Apache классической конструкции.
Но для вертолета 393 и более чем 400 км/ч — это принципиальная отличие. Тогда как Cheyenne близко подобрался к заветному пределу, будущие модели с толкающим винтом обещают его существенно превзойти. А для этого, кроме толкающего винта, необходимы дополнительные технологические хитрости. Все три прототипа — «Камова», «Миля» и Sikorsky — выглядят по-различному. Sikorsky X2 является машиной с соосным несущим и дополнительным толкающим винтами. Ка-92 отличается наличием соосного толкающего винта.
Ми-X1 — это вертолет классической схемы с несущим, рулевым и дополнительным толкающим винтами.
Разослав в мире пресс-релизы с информацией экономического характера, все три компании заявили обет молчания касательно принципов работы и деталей конструкции новых автомобилей. На сегодня «Миль» и «Камов» порадовали заинтригованную публику лишь несколькими макетами перспективных вертолетов, отдельные экземпляры которых очень существенно отличаются друг от друга и не характеризуются высокой детализацией.
А вот опытный образец Sikorsky X2, уже прошедший наземные опробования, все желающие имели возможность разглядеть на выставке HeliExpo 2008 в Хьюстоне. На примере данной автомобили мы давайте разберемся, как будут устроены вертолеты нового поколения. Кстати, формально аппарат с толкающим винтом направляться именовать не вертолетом, а винтокрылом, поскольку его горизонтальная тяга определяется не несущим винтом, а дополнительным движителем.
И все же разрешим себе именовать машины по старинке: будет жалко, в случае если слово, к которому мы привыкли, канет в лету вместе с устаревшей конструкцией.
Лопасть Оккама
Технологический предел скорости вертолета определяется отличием в скорости перемещения наступающей и отступающей лопастей несущего винта относительно воздуха. Скорость перемещения вертолета прибавляется к скорости наступающих лопастей и вычитается из скорости отступающих лопастей.
В случае если угол атаки лопастей на наступающей и отступающей сторонах ротора будет оставаться неизменным, подъемная сила на наступающей стороне будет намного больше, чем на отступающей, и вертолет перевернется. Автомат перекоса вертолета хорошей схемы устроен так, дабы компенсировать эту отличие, циклически уменьшая угол атаки лопастей на наступающей стороне и увеличивая на отступающей. Это значит, что винт никогда не сможет реализовать целый потенциал подъемной силы: кроме того при большом угле атаки лопастей отступающей стороны подъемная сила наступающей стороны будет далека от максимальной.
Так же расточительно мы обращаемся с подъемной силой, заставляя вертолет лететь вперед. Дабы собрать скорость, приходится увеличивать угол атаки лопастей в задней части ротора и уменьшать в передней. Большого угла атаки всех лопастей, равно как и максимальной подъемной силы, мы не возьмём.
Примечательно, что в вертолетах соосной схемы (большая часть моделей Камова) для обоих винтов употребляется фактически такой же автомат перекоса, как в одновинтовых автомобилях. Роторы, вращающиеся в противоположные стороны, компенсируют утрату подъемной силы на отступающих лопастях без помощи автомата перекоса, исходя из этого схема Камова превосходит хорошую по энерговооруженности. Но необходимость создавать горизонтальную тягу посредством несущих винтов так же, как и прежде заставляет идти на энергетический компромисс.
В соосной схеме Sikorsky X2 автомат перекоса не несет компенсаторных функций. Несущие винты не несут ответственность за создание горизонтальной тяги и компенсируют обоюдное рвение к крену, исходя из этого необходимость в циклическом трансформации шага винта отпадает. И наступающая, и отступающая стороны ротора X2 постоянно развивают максимум подъемной силы.
Эксперты Sikorsky именуют эту разработку ABC (концепция наступающей лопасти, Advancing Blade Concept). В соответствии с ABC подъемная сила определяется мощью наступающей лопасти, а не исчерпывается возможностями отступающей. Это указывает, что вертолет станет экономичнее и сможет преодолевать громадные расстояния без дозаправки.
Но основное, что если сравнивать с вертолетами привычных схем он сможет поддерживать высоту при меньшей скорости вращения главного ротора. А это один из определяющих факторов большой скорости.
Чем медленнее, тем стремительнее
На определенной скорости горизонтального полета скорость перемещения отступающей лопасти довольно набегающего потока воздуха, соответственно, и подъемная сила становятся равны нулю. Для вертолета хорошей конструкции, подъемная сила которого ограничена возможностями отступающих лопастей, наступает технологический предел скорости, примерно равный 400 км/ч.
Но вертолет с разработкой ABC может нормально продолжить разгон — кроме того по окончании того как подъемная сила на отступающей стороне провалится сквозь землю, на наступающей она будет продолжать расти. Концепция уже доказала собственную жизнеспособность на экспериментальном вертолете Sikorsky S-69. Посредством двух реактивных двигателей, создающих горизонтальную тягу, аппарат разогнался до 518 км/ч, опираясь на подъемную силу наступающих лопастей соосного винта.
В то время, когда законцовки лопастей вертолета приближаются к скорости звука, сопротивление вращению быстро возрастает. Это может стать следующим скоростным пределом для вертолета. Скорость вращения несущих роторов Sikorsky X2 машинально понижается, начиная со скорости 390 км/ч. На большой скорости, а это 474 км/ч, замедление составит 20%.
Тот факт, что скорость горизонтального полета не определяется несущими винтами и подъемная сила употребляется максимально действенно, разрешает роторам вращаться весьма медлительно, а вертолету — лететь весьма скоро.
Совокупность управления Sikorsky X2 — электродистанционная (Fly-by-Wire). Ни один из органов управления не имеет механической связи с аккуратными механизмами — пилот только отдает команды компьютеру, управляющему сервоприводами. Электронное управление разрешило реализовать совокупность активного подавления вибраций, интеллектуальное управление шагом и скоростью вращения роторов, единую совокупность контроля состояния автомобили, несложный переход на авторотацию при отказа двигателя.
Все винты приводятся одним турбовальным мотором LHTEC T800 мощностью более чем 1000 кВт. Неспециализированный ход регулируется электроприводами, встроенными во втулки бесшарнирных несущих винтов. Кстати, сами винты сделаны из композитных материалов и отличаются улучшенным соотношением подъемной силы к сопротивлению за счет инновационной профиля и формы.
Втулка соосного винта X2 будет заключена в аэродинамический обтекатель, что существенно снижает аэродинамическое сопротивление автомобили на скоростях более чем 400 км/ч.
Распространено заблуждение, что у Sikorsky X2 вовсе нет автомата перекоса. Убедиться в обратном вы имеете возможность сами, пристально разглядев фотографии автомобили. Заметить данный узел непросто, по причине того, что циклический ход у X2 регулируется лишь для нижнего несущего винта.
Для управления креном и маневрирования на низких скоростях этого достаточно — так как несущий ротор не участвует в создании горизонтальной тяги в крейсерском полете.
Опробование временем
Вертолет, продемонстрированный на выставке в Хьюстоне, — это всего лишь демонстратор разработки X2, на базе которой Sikorsky предлагает выстроить целую серию разнообразных летательных аппаратов разного назначения. Это возможно и скоростной боевой вертолет, и экономичный (и не меньше стремительный) пассажирский вертолет бизнес-класса, и тяжелый транспортник с грузоподъемностью до 20 т, и 40-тонный летающий кран.
Кроме этого по разработке X2 планируется выстроить дистанционоуправляемый самолет. Компания обещает, что ближе к концу нынешнего года состоятся первые летные опробования X2. Они-то и расставят все точки над i в будущем вертолетостроения.
«Миль» обещает представить широкой публике действующий пример автомобили с толкающим винтом в 2011 году. Это будет скоростной пассажирский вертолет, что призван поделить участь самолетов региональных авиалиний в труднодоступных районах со слаборазвитой аэродромной сетью. Сможет ли Ми-X1 тягаться с машиной Sikorsky, пока неясно: вертолет с единственным несущим винтом не имеет возможности воспользоваться преимуществами концепции наступающей лопасти.
Ka-92 с соосным несущим и соосным толкающим винтами будет запланирован на перевозку 30 пассажиров на расстояние более 1400 км без дозаправки. Крейсерская скорость вертолета будет достигать 450 км/ч. «Ка-92 — это не просто вертолет, это элемент ифраструктуры, которая в совокупности с магистральными самолетами сделает дешёвой любую точку нашей страны, — говорит главный конструктор ОАО «Камов» Сергей Михеев. — К примеру, вылетев из Мурманска, Ка-92 с нефтяниками-вахтовиками на борту имел возможность бы долететь до нефтяных платформ в районе Штокманского месторождения, удаленных на 700−800 км, и возвратиться на аэропорт базирования без дозаправки».
Эксперты компании «Камов» обещают применить пара принципиально новых для вертолетной отрасли технических ответов, каковые разрешат радикально расширить скорость полета автомобили. Подробности пока не раскрываются. На разработку Ка-92 «Камов» отводит себе не меньше восьми лет. «Что касается сроков, я планирую еще при жизни полетать на этом вертолете», — отшучивается 70-летний конструктор Михеев.
Спешить конструкторам некуда. Принимая к сведенью различия в конструкции и назначении всех трех автомобилей, возможно высказать предположение, что прямыми соперниками они не станут. Помимо этого, до начала летных опробований тяжело сообщить, какая из трех предложенных схем окажется самой стремительной, самой экономичной и самой надежной.
Кто во что горазд: летательные аппараты с необыкновенными винтовыми схемами
- «Камов» Ка-22
Kaman K-1200
Sikorsky S-72
Bell V-22 Osprey
Piasecki X-49A VTDP
Boeing CH-47 Chinook
«Камов» Ка-22
Винтокрыл Ка-22 был создан во второй половине пятидесятых годов для ВВС СССР. Грузовой аппарат с двумя несущими и двумя толкающими роторами имел возможность принимать на борт до 16,5 т груза и летать со скоростью 350 км/ч. Примечательно, что на высокой скорости несущие винты переходили в режим авторотации и аппарат преобразовывался в громадный автожир.
Ка-22 совершил собственный первый полет 15 августа 1959 года. В августе 1964-го один из опытных образцов винтокрыла вошел в неконтролируемый правый поворот, за которым последовало сваливание. Из пяти членов экипажа только троим удалось катапультироваться. По окончании ужасной аварии проект был закрыт
Kaman K-1200
Схема с двумя пересекающимися роторами, установленными под маленьким углом друг к другу, была в первый раз применена в первой половине 40-ых годов XX века в нацистской Германии для маленького противолодочного вертолета Flettner Fl 282 Kolibri. Ее придумал конструктор Антон Флеттнер, что по окончании войны присоединился к американской компании Kaman. Главное преимущество синхрокоптеров (вертолетов с пересекающимися роторами) содержится в повышенной стабильности при зависании.
Помимо этого, синхрокоптеры трудятся существенно тише вертолетов, выстроенных по классической схеме. На сегодня в мире эксплуатируется около 40 вертолетов K-Max
Sikorsky S-72
Sikorsky S-72 — это неповторимая гибридная экспериментальная платформа с несущим крылом, главным и рулевым роторами и двумя реактивными двигателями, предназначенная для опробования разных вертолетных схем. Летающая лаборатория в первый раз оторвалась от почвы 12 октября 1976 года. Главный ротор S-72 был сбрасываемым: в случае если в полете что-то шло не по замыслу, испытатели имели возможность одним нажатием кнопки перевоплотить вертолет в реактивный самолет и возвратиться на аэропорт. На Sikorsky S-72 была испытана концепция ротора X-wing, широкие и твёрдые лопасти которого по окончании комплекта высоты останавливались и играли роль несущего крыла
Bell V-22 Osprey
Известный конвертоплан V-22 Osprey разрабатывался компаниями Bell и Boeing в течение 30 лет. Летающий трансформер совершил первый испытательный полет 19 марта 1989 года и скоро показал свойство преобразовываться из вертолета в самолет прямо в воздухе. Большая скорость V-22 достигает 638 км/ч.
Частично Osprey повторил судьбу Cheyenne: конвертоплан, сложнейшая конструкция которого на 70% складывается из композитных материалов, был через чур дорогим для повсеместного применения в армии ($70 млн за единицу в 2007 году). Однако на сегодня V-22 остается единственным конвертопланом, производимым серийно
Piasecki X-49A VTDP
Сокращение VTDP расшифровывается как Vectored Thrust Ducted Propeller, другими словами ротор с управляемым вектором тяги. X-49A VTDP представляет собой многоцелевой армейский вертолет Sikorsky YSH-60F Seahawk, основательно переделанный компанией Piasecki в целях опробования перспективной скоростной схемы. Толкающий хвостовой ротор автомобили установлен в трубе, за которой находятся руль и киль высоты. Вращательный момент
главного ротора компенсируется воздушным потоком, направляемым килем. На высокой скорости крен автомобили управляется посредством флаперонов. Первый полет X-49A VTDP состоялся 29 июня прошлого года
Boeing CH-47 Chinook
Известный Chinook — двухвинтовой двухмоторный тяжелый транспортник — состоит на вооружении ВВС Соеденненых Штатов с 1960-х. И в те времена, а также сейчас эта махина способна обогнать многие вертолеты классической конструкции — большая скорость CH-47 достигает 315 км/ч. Аппарат может взять на борт до 55 пехотинцев либо до 13 т груза.
Chinook — один из немногих вертолетов с необыкновенной конфигурацией винтов, взявших широкое распространение, производящихся серийно и использующихся армейскими различных государств до сих пор. На данный момент CH-47 состоит на вооружении США, Англии, Италии, Австралии, Японии и еще многих государств
Статья размещена в издании «Популярная механика» (№70, август 2008).
<
h4>