Гонка за скоростью стартовала вместе с рождением вертолета и шла с переменным успехом. После окончания Второй Мировой войны скорость полета геликоптеров резко пошла вверх, но лишь с появлением новых газотурбинных двигателей сумела совершить качественный скачек. Однако при достижении около 300 км/ч разработчики «чистого» вертолета наскочили на стену из ограничений максимальной скорости. Несколько лет подряд самые экзотические модели штурмовали границу диапазона скоростей, сталкиваясь с целым рядом проблем, которые так и не удалось разрешить. На пути дальнейшего увеличения встали: срыв; достижение сверхзвуковой скорости; лобовое сопротивление. Использование несущего винта для создания и подъемной, и пропульсивной («толкающей» вперед) силы стало не эффективно. И, тем не менее, мечта об увеличении скорости не умерла. Новые достижения в науке, перспективные материалы и компьютерные возможности, помноженные на политическую волю и амбиции, сделали свое дело. На свет появились сразу несколько реальных проектов, которые можно разделить на два направления: американское и европейское. У американцев: преобразуемые ЛА Bell-Boeing V-22 и Bell-Agusta 609, толкающий винт в кольце Piasecki и соосная схема Sikorsky X2. У европейцев Х3 – одновинтовая схема с воздушными винтами. У нас – пока только научные исследования. Проекты близки, с незначительными отличиями. Главное было – сохранить уникальные качества вертолета, такие как вертикальное снижение и устойчивость при ветре с любого направления. Все концепции сходятся в одном – несущий винт (НВ) разгружается от необходимости создания пропульсивной силы, а для движения используются различные по форме и конструкции воздушные винты. В этом случае, несущий винт не нужно наклонять для движения вперед, и угол атаки отступающей лопасти может быть уменьшен. В результате, отступающая лопасть может иметь значительно меньшие углы атаки, чем у обычного вертолета при аналогичной воздушной скорости. Это означает, возможность «отодвинуть» срыв на большие скорости. Что благотворительно влияет на нагружение лопастей, а это очень серьезная проблема. Рассмотрим конструкции-соперников в отдельности.
Преобразуемые вертолеты V-22 Osprey/BA609 не вошли в рассмотрение по причине достаточно большого количества публикаций, в которых они хорошо изучены. Сегодняшнее состояние – известно, перспективы – предсказуемы. Если программа военного преобразуемого V-22 Osprey успешно продвигается: налет MV-22/CV-22 превысил отметку 100000 часов, при этом исправность не опускалась ниже 62-65%.
А гражданский ВА609 «застрял» в переговорах о лидерстве, кто возглавит (Agusta или Bell), дальнейшую разработку, в основе которой лежат американские технологии, в том числе и военные (прим. Эту программу уже выкупила AgustaWestland). Сроки сертификации смещаются с 2011 г. на 2015-2016 г.г. Задержку руководство AW объясняет необходимостью проведения тестов в условиях обледенения. Эти испытания могут начаться после ввода в эксплуатацию третьего опытного прототипа, который должен приступить к полетам в 2013 г.
Piasecky Х-49А Speed Hawk One. Концепция Пясецкого, с точки зрения разгрузки несущего винта, на шаг опережает конкурентов, за счет установки крыла со значительной подъемной силой (недавно крыло было увеличено в размерах, сейчас оно почти равно диаметру НВ). Преимущества использования крыла для разгрузки винта в том, что уменьшение угла установки лопастей может использоваться во всем диапазоне крейсерского полета, где циклическое изменение общего шага и аэродинамических нагрузок реально ведет к разрушению.
Speed Hawk предназначен прежде всего для модернизации вертолета Sikorsky H-60 Black Hawk. Первый полет состоялся 29 июня 2007 года. В настоящее время завершен первый этап летных испытаний. Испытания показали существенное снижение в нагрузках и напряжениях втулки НВ и ее элементов, по сравнению с базовым Н-60. Однако недостатки крыла в том, то оно установлено под НВ и находится в нисходящем воздушном потоке, что наносит вред характеристикам висения, которые являются основными для вертолета. Предлагаемое решение – поворот крыла на малых скоростях в вертикальное (близкое к вертикальному) положение. Но увеличение массы и сложности крыла, а также винт в кольце сведут к нулю экономию массы, которая могла быть получена, по сравнению с втулкой соосной схемы. Кроме того, Пясецкий, который работал с большим гандикапом, используя очень «плохой», с точки зрения лобового сопротивления, фюзеляж Н-60. На следующем этапе Speed Hawk станет гораздо более обтекаемым, но большой, сложный задний винт всегда будет иметь значительное сопротивление. Маловероятно выжать все преимущества при существующей оптимизации крыла, фюзеляжа и втулки НВ. Тем не менее, Пясецкий сумел методом небольших усовершенствований добиться результатов, которые могли быть сделаны, если бы работы стартовали с нуля. Винт в кольце с поворотным векторам тяги на хвосте неизбежно тяжелее, чем просто воздушный винт, за то создает больше момент в путевом управлении и лучше компенсирует крутящий момент. Интересно конструкторское решение интегрировать в систему управления винт с изменяемым вектором тяги. Наконец, Пясецкий также устанавливал третий двигатель Rolls-Royce 250-C30 для обеспечения дополнительной мощности винта с изменяемым вектором тяги, чтобы на висении вся мощность от основных двигателей шла на основной НВ. Еще одна идея Пясецкого дублирования управления, если для управления вертолетом используется более одной рулевой поверхности, они могут быть интегрированы с целью повышения характеристик. Например, крыло может быть частично повернуто для получения максимальной подъемной силы на малых скоростях, что позволит оптимизировать качество (соотношение подъемной силы и лобового сопротивления) для снижения расхода топлива и увеличения продолжительности полета. Что из задуманного будет реализовано, мы увидим в ближайшее время, когда будут продолжены испытания.
Sikorsky Х2. Схеме присуще создание подъемной силы на наступающих лопастях. Очевидно, что новому набору вращающихся элементов соответствует другой уровень сложности управления, со всеми вытекающими последствиями: вибрациями, напряжениями и нагрузками.
Несущие винты создают только подъемную силу, что означает, что они должны работать на тех же углах, что и другие системы. Эти углы изменяются значительно больше, чем, если бы винты были ненагружены, что требует усложнения конструкции и повышает вибрации. Одновременно толкающий винт воздействует на НВ, когда нет потребности в создании пропульсивной силы. В целом, увеличение скорости привело к серьезному усложнению конструкции! Сикорскийприложила немало усилий для управлении вибрациями Х2, которые стали серьезной проблемой для его предшественника Х-59А. Путевое управление за счет дифференциального отклонения лопастей винтов, не новость, но у других соосных конструкций гораздо больше вертикальные стабилизаторы, чем у Х2, который специально создавался для высоких скоростей полета. На первый план вышло обтекание. Так как лобовое сопротивление увеличивается пропорционально квадрату скорости, уже со 100 км/час, за любое нарушение обтекания придется платить особую цену. На этом фронте Сикорский стал победителем. Начинал с «чистого листа», поэтому добился самого большого снижения лобового сопротивления, чем кто-либо другой (втулка НВ должна внести свою лепту на следующем этапе). Кроме того, задний винт может применяться для торможения и разгона, поэтому меньше потребный момент по тангажу фюзеляжа для изменения скорости, а на крейсерском режиме – может использоваться для оптимизации лобового сопротивления. Сикорский максимально выжал из Х2 для будущей программы Raider, которая должна стать исходной моделью для реализации концепции и становления нового направления легких вертолетов. Разработчик рассчитывает на деньги министерства обороны США, предлагая S-97, в качестве будущего разведывательно-ударного вертолета, длиной – 10 м., массой 8850 кг. (масса полезной нагрузки – 4760 кг.) с электро-дистанционной системой управления. Компания собирается построить в течение 4 лет два опытных прототипа для военных. Разведывательный вариант – в составе 2 членов экипажа, размещенных рядом «друг с другом», и штурмовой – с кабиной, вмещающей до 6 военнослужащих в полной экипировке. За высочайшие достижения (460 км/ч в горизонтальном полете) проект Х2 получил самую престижную награду в области воздухоплавания и космонавтики США (Collier Trophy 2010).
Eurocopter X3. Лидер мирового вертолетостроения Еврокоптер неожиданно резко бросился в гонку за скоростью, демонстрируя не только новый подход, но и чудеса секретности и мощного пиара одновременно.
Разработка проекта, получившего обозначение Х3, стартовала в январе 2008 г. Европейцы пошли по пути наименьшего сопротивления, они не стали строить новый аппарат, а взяли отдельные элементы у существующих вертолетов. Фюзеляж – от AS365 N3 Dauphin. Главный редуктор – ЕС175 (добавили два выхода для привода воздушных винтов). Пятилопастной несущий винт – ЕС155 и два обычных 5-ти лопастных воздушных винта приводятся во вращение двумя турбовальными двигателями Rolls-Royce Turbomeca RTM322-01/9 – NH90. Небольшое крыло больше использующееся для размещения винтов, чем для создания подъемной силы. На высоких скоростях полета обороты НВ понижаются для уменьшения лобового сопротивления. Крыло лишь частично разгружает НВ (до 30-40%) на крейсерской скорости полета. Воздушные винты обеспечивают пропульсивную силу в горизонтальном полете и парируют крутящий момент на висении. На крейсерской скорости полета винт, адаптированный в плоский профиль, не создает пропульсивной силы, что значительно уменьшает уровень вибраций и лобовое сопротивление. Для увеличения аэродинамического качества могут применяться закрылки. Пока используются обычные органы управления: при достижении скорости 150 км/час пилот триммером, расположенным на ручке ОШ, увеличивает угол атаки воздушных винтов, одновременно уменьшая шаг НВ и перераспределяя мощность между винтами. В будущем будет электро-дистанционная система управления («по проводам»).
Композиционный вертолет-демонстратор Х3 впервые поднялся в небо 6 сентября 2010 г., но благодаря лучшим образцам конспирации мир узнал об этом лишь 27 сентября и был шокирован новым гибридом. Гибрид построен на базе вертолета. В глаза сразу бросаются две коротких плоскости крыла, на которых установлены гондолы с воздушными винтами, и отсутствие рулевого винта. Управление по направлению осуществляется дифференциальным изменением тяги воздушных винтов. Интересно, что будет при боковом ветре, когда один из винтов «затеняется» фюзеляжем. Воздух будет обтекать фюзеляж спереди и сзади, а вблизи земли – совсем запутается. Относительно низкое расположение крыла означает, что любые изменения мощности в полете приведут к изменению положения фюзеляжа в вертикальной плоскости. При увеличении мощности, увеличится угол тангажа фюзеляжа, что потребует дополнительного увеличения мощности. Неизвестно, как эти винты будут использоваться для торможения без влияния на воздушное обтекание небольшого крыла. В случае с Х2 или Х-49А установленный в задней части винт, который может использоваться для реверса, оказывает незначительное влияние на остальную часть фюзеляжа. В ходе первого этапа испытаний была достигнута истинная воздушная скорость в горизонтальном полете почти 340 км/ч, с ограниченным режимом работы двигателей. С точки зрения преодоления лобового сопротивления, Eurocopter начинал с более обтекаемым фюзеляжем, и в итоге оказался между двумя американцами. Кроме скорости полета, исследованы характеристики устойчивости и управляемости. Для оценки летных характеристик гибрида полетный диапазон высот и скоростей будет проверен с автопилотом и без автопилота. Достигнута высота полета 3800 м., выполнены развороты с креном до 60°. Однако вибрации и колебания на малых скоростях были видны невооруженным взглядом. К недостаткам двухвинтовой схемы можно отнести вероятность отказа, кроме того, предполагается, что винты будут включаться одновременно на земле в противном случае нагрузка и разгрузка вертолета станет серьезной головной болью. На втором этапе испытаний компания надеется сделать следующий серьезный шаг – установить крейсерскую скорость полета 410 км/ч. Программа испытаний продлится 18 месяцев, по планам Х3 выйдет на запланированную скорость в 1 квартале 2011 г. Цель вертолетостроителя – высокая скорость и большая дальность по приемлемой цене. Коммерческий интерес – сектор 20-ти местных воздушных судов для оффшорных (морских) полетов. Наибольшая скорость полета выбрана из рационального соотношения экономии времени и сокращения расходов. По сравнению с обычным вертолетом, у Х3 стоимость приобретения увеличится на 25%, а скорость полета на 50%, в результате расходы на час упадут, а стоимость пасс.·км снизится на 20%. В отличие от преобразуемых вертолетов гибрид может быть сертифицирован в категории вертолет. Следуя такому подходу, он будет дешевле, чем преобразуемый вертолет. Новая модель в категории 20 мест., массой – 13 т., на 2 тонны тяжелее, чем ЕС225, должна появиться через 6 лет, еще через два года должна начаться эксплуатация. Потребуется силовая установка из трех двигателей RTM322 (суммарной мощностью 8700 л.с.). Вертолетостроители уверены, что Rolls-Royce и Turbomeca способны в заданные сроки предложить более мощный и экономичный вариант двигателя. В отличие от демонстратора фюзеляж новой модели будет аэродинамически оптимизирован для увеличения скорости полета. Конечно, все ждали ответного хода от европейцев, но не думали, что он будет настолько неожиданным и настолько успешным. Х3 не только открыла новые возможности, но и «подлила масла в огонь». Если «воинствующие» американцы сразу же заявили о военных претензиях к скорости полета вертолетов (американский подход скорость полета любой ценой), то прагматичные европейцы настроены миролюбиво: «скорость – стоимость». Европейский подход – высокая скорость полета не любой ценой. А мы?
«Какой русский не любит быстрой езды». Наши отечественные разработки скоростных вертолетов в самом начале пути (на этапе эскизного проектирования). Впервые о проекте Ка-92 заговорили на МАКС-2007, затем в измененном виде он появился перед посетителями HeliRussia-2008. Пассажирский вариант вместимостью – 30 чел. и взлетной массой – 16 т. использует традиционную камовскую соосную схему. Увеличение скорости полета до 460 км/ч (крейсерская скорость 420-430 км/ч) разработчики обещают получить за счет использования толкающего винта. По словам разработчиков, возможности вертикального взлета и посадки в сочетании с крейсерской скоростью полета регионального самолета и дальностью полета 1400 км позволят существенно расширить рамки нашей транспортной системы. В качестве дальнейшего развития высокоскоростного проекта фирма Камова представила концептуальная модель Ка-90, в которой разработчики отказываются от несущего винта. Он будет использоваться только во время вертикального взлета и посадки, а в горизонтальном полете – складываться. Полет будет обеспечиваться за счет реактивного двигателя, установленного в задней части фюзеляжа. Благодаря такому конструктивному решению Ка-90 сможет летать со скоростью 700 км/ч. Одновременно с Ка-92 фирма Миля предложила свой вариант высокоскоростного вертолета Ми-Х1 вместимостью – 25 чел. и взлетной массой – 10 т. У милевцев традиционная схема с одним несущим винтом, где для борьбы со срывом потока на отступающей лопасти конструкторы собираются бороться применением новой системы управления НВ, которая позволит снизить нагрузки на несущую систему. На МВЗ полагают, что скорость полета новой машины составит 450-500 км/ч. Кроме того, рассматривается вопрос применения на Ми-Х1 толкающего винта с изменяемым вектором тяги за счет отклоняемых поверхностей в спутной струе. Для снижения лобового сопротивления конструкция фюзеляжа будет иметь плавные внешние обводы, убирающее шасси, отсутствие внешних топливных баков и хвостовой рампы. До перехода к опытно-конструкторским работам нам предстоит дальняя дорога длиной лет в пять. Сроки завязаны на финансирование. В случае обеспечения бюджетного финансирования милевцы обещают изготовить летный прототип-демонстратор к 2013 году. Говорят, что обе разработки в конечном итоге будут объединены в одну программу. Итак, у нас все, как обычно: «два тяжелых варианта за государственный счет».
В чем преимущества высокой скорости полета вертолета? Практически все концепции скоростных вертолетов достигли комфортной крейсерской скорости полета около 370 км/ч. По сравнению с вертолетами, у которых крейсерская скорость полета в районе 280 км/ч (таких гражданских вертолетов немного), это 32% преимущества. По сравнению с вертолетами, у которых крейсерская скорость полета 190 км/ч, превосходство практически вдвое. Увеличение скорости полета интересно, с точки зрения сокращения продолжительности полета. Большое значение имеет ветер. Даже незначительный встречный ветер (скоростью 10 м/с) при полете на дальность 200 км, при скорости полета 190 км/ч, увеличивает продолжительность на 14 минут или на 24%. При скорости полета 370 км/ч влияние ветра – 3,6 минуты или 11%. Однако при меньшей дальности (до 100 км) у скоростного вертолетов нет существенных преимуществ, если только время не является критическим. Для тех, кто считает, что скорая медицинская помощь может стать нишей для скоростных вертолетов, обращаю внимание, что основное время медицинский вертолет проводит не в полете, а в ожидании готовности к пострадавших к перевозке. Не типично использование скоростных вертолетов и на больших дальностях, где они уступают любому самолету. В мире вертолетов всегда были и будут появляться новые концепций, со своими «детскими болезнями» роста. Однако кроме технических болячек, существует множество не технических проблем. И скоростные вертолеты не исключение. Пилотов больше волнуют местные погодные условия. Сегодня региональная погода становится проблемой. Для максимальной реализации преимуществ скорости и дальности необходимо будет везде летать по приборам. А вертолеты работают с аэродромов и площадок, где отсутствует инфраструктура для полетов по приборам. Поэтому классические одновинтовые вертолеты не собираются уступать своим скоростным собратьям в массовом порядке. Существует множество моментов, когда классическая одновинтовая схема будет более эффективной (стоимость – эффективность), чем какая-либо другая. Но изменения приближаются, и нам нужно быть готовыми к решению технических и не технических проблем, связанных с любой новой концепцией. Как показывает опыт, наскоком проблему скорости не удастся решить. Нужно настраиваться на длительную гонку, в которой победит тот, у кого кроме высочайшей квалификации и таланта, выдержка и терпение, которые позволят найти дорогу к победе. Предстоит изнурительная гонка, в которой важно не растерять силы и средства на старте. Гонка за скоростью полета вертолета чем-то напоминает гонки Формулы 1 (все параметры, вплоть до температуры покрышек – на мониторах, не нужны никакие «черные ящики», времена, когда летчик-испытатель на пальцах объяснял главному конструктору, прошли…). Предварительные заезды идут полным ходом без нас. Впереди – длинная, тяжелая погоня. В одиночку не сможем соперничать в новых условиях. Единственное решение – скорейшая интеграция.
А завершить мне бы хотелось словами, которые были написаны патриархами нашего вертолетостроения полвека назад и остались актуальными и сегодня: «Возможности винтокрылов в направлении увеличения скорости далеко не исчерпаны». Вперед, дерзайте, в погоню за скоростью полета вертолетов.
Евгений Матвеев
Источник: Вертолетные заметки
