В погоне за скоростью: вертолет с толкающим винтом

Осведомленный читатель наверняка вспомнит, что попытки создать скоростной вертолет с толкающим винтом предпринимались довольно давно и некоторые из них увенчались успехом если не в коммерческом, то хотя бы в техническом плане. Lockheed AH-56 Cheyenne, совершивший свой первый полет в сентябре далекого 1967 года, мог развивать внушительные 393 км/ч. Но для военных скорость была не так важна, как надежность, простота и дешевизна конструкции, поэтому проект был закрыт и изящный вертолет с дополнительным толкающим винтом уступил место AH-64 Apache традиционной конструкции.

Однако для вертолета 393 и свыше 400 км/ч — это принципиальная разница. В то время как Cheyenne вплотную подобрался к заветному пределу, будущие модели с толкающим винтом обещают его значительно превзойти. А для этого, помимо толкающего винта, нужны дополнительные технологические хитрости. Все три прототипа — «Камова», «Миля» и Sikorsky — выглядят по-разному. Sikorsky X2 представляет собой машину с соосным несущим и дополнительным толкающим винтами. Ка-92 отличается наличием соосного толкающего винта. Ми-X1 — это вертолет традиционной схемы с несущим, рулевым и дополнительным толкающим винтами.

Разослав по всему миру пресс-релизы с информацией экономического характера, все три фирмы объявили обет молчания касательно деталей конструкции и принципов работы новых машин. На сегодняшний день «Миль» и «Камов» порадовали заинтригованную публику только несколькими макетами перспективных вертолетов, отдельные экземпляры которых весьма значительно отличаются друг от друга и не характеризуются высокой детализацией. А вот опытный образец Sikorsky X2, уже прошедший наземные испытания, все желающие могли рассмотреть на выставке HeliExpo 2008 в Хьюстоне. На примере этой машины мы попробуем разобраться, как будут устроены вертолеты нового поколения. Кстати, формально аппарат с толкающим винтом следует называть не вертолетом, а винтокрылом, так как его горизонтальная тяга определяется не несущим винтом, а дополнительным движителем. И все же позволим себе называть машины по старинке: будет обидно, если слово, к которому мы привыкли, канет в лету вместе с устаревшей конструкцией.

Технологический предел скорости вертолета определяется разницей в скорости движения наступающей и отступающей лопастей несущего винта относительно воздуха. Скорость движения вертолета прибавляется к скорости наступающих лопастей и вычитается из скорости отступающих лопастей. Если угол атаки лопастей на наступающей и отступающей сторонах ротора будет оставаться неизменным, подъемная сила на наступающей стороне будет значительно больше, чем на отступающей, и вертолет перевернется. Автомат перекоса вертолета классической схемы устроен так, чтобы компенсировать эту разницу, циклически уменьшая угол атаки лопастей на наступающей стороне и увеличивая на отступающей. Это значит, что винт ни при каких обстоятельствах не сможет реализовать весь потенциал подъемной силы: даже при максимальном угле атаки лопастей отступающей стороны подъемная сила наступающей стороны будет далека от максимально возможной.

Так же расточительно мы обращаемся с подъемной силой, заставляя вертолет лететь вперед. Чтобы набрать скорость, приходится увеличивать угол атаки лопастей в задней части ротора и уменьшать в передней. Максимального угла атаки всех лопастей, равно как и максимально возможной подъемной силы, мы не получим.

Интересно, что в вертолетах соосной схемы (большинство моделей Камова) для обоих винтов используется практически такой же автомат перекоса, как в одновинтовых машинах. Роторы, вращающиеся в противоположные стороны, компенсируют потерю подъемной силы на отступающих лопастях без помощи автомата перекоса, поэтому схема Камова превосходит классическую по энерговооруженности. Но необходимость создавать горизонтальную тягу с помощью несущих винтов по-прежнему заставляет идти на энергетический компромисс.

В соосной схеме Sikorsky X2 автомат перекоса не несет компенсаторных функций. Несущие винты не отвечают за создание горизонтальной тяги и компенсируют взаимное стремление к крену, поэтому необходимость в циклическом изменении шага винта отпадает. И наступающая, и отступающая стороны ротора X2 всегда развивают максимум подъемной силы. Специалисты Sikorsky называют эту технологию ABC (концепция наступающей лопасти, Advancing Blade Concept). Согласно ABC подъемная сила определяется мощью наступающей лопасти, а не ограничивается возможностями отступающей. Это означает, что вертолет станет экономичнее и сможет преодолевать большие расстояния без дозаправки. Но главное, что по сравнению с вертолетами привычных схем он сможет поддерживать высоту при меньшей скорости вращения главного ротора. А это один из определяющих факторов максимальной скорости.

На определенной скорости горизонтального полета скорость движения отступающей лопасти относительно набегающего потока воздуха, а значит, и подъемная сила становятся равны нулю. Для вертолета классической конструкции, подъемная сила которого ограничена возможностями отступающих лопастей, наступает технологический предел скорости, приблизительно равный 400 км/ч. Однако вертолет с технологией ABC может спокойно продолжить разгон — даже после того как подъемная сила на отступающей стороне исчезнет, на наступающей она будет продолжать расти. Концепция уже доказала свою жизнеспособность на экспериментальном вертолете Sikorsky S-69. С помощью двух реактивных двигателей, создающих горизонтальную тягу, аппарат разогнался до 518 км/ч, опираясь на подъемную силу наступающих лопастей соосного винта.

Когда законцовки лопастей вертолета приближаются к скорости звука, сопротивление вращению резко возрастает. Это может стать следующим скоростным пределом для вертолета. Скорость вращения несущих роторов Sikorsky X2 автоматически снижается, начиная со скорости 390 км/ч. На максимальной скорости, а это 474 км/ч, замедление составит 20%. Тот факт, что скорость горизонтального полета не определяется несущими винтами и подъемная сила используется максимально эффективно, позволяет роторам вращаться очень медленно, а вертолету — лететь очень быстро.

Система управления Sikorsky X2 — электродистанционная (Fly-by-Wire). Ни один из органов управления не имеет механической связи с исполнительными механизмами — пилот лишь отдает команды компьютеру, управляющему сервоприводами. Электронное управление позволило реализовать систему активного подавления вибраций, интеллектуальное управление шагом и скоростью вращения роторов, единую систему контроля технического состояния машины, простой переход на авторотацию в случае отказа двигателя. Все винты приводятся одним турбовальным мотором LHTEC T800 мощностью свыше 1000 кВт. Общий шаг 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 формы и профиля. Втулка соосного винта X2 будет заключена в аэродинамический обтекатель, который значительно снижает аэродинамическое сопротивление машины на скоростях свыше 400 км/ч.

Распространено заблуждение, что у Sikorsky X2 вовсе нет автомата перекоса. Убедиться в обратном вы можете сами, внимательно рассмотрев фотографии машины. Увидеть этот узел непросто, потому что циклический шаг у X2 регулируется только для нижнего несущего винта. Для управления креном и маневрирования на низких скоростях этого вполне достаточно — ведь несущий ротор не участвует в создании горизонтальной тяги в крейсерском полете.

Вертолет, показанный на выставке в Хьюстоне, — это всего лишь демонстратор технологии X2, на базе которой Sikorsky предлагает построить целую серию разнообразных летательных аппаратов различного назначения. Это может быть и высокоскоростной боевой вертолет, и экономичный (и не менее быстрый) пассажирский вертолет бизнес-класса, и тяжелый транспортник с грузоподъемностью до 20 т, и 40-тонный летающий кран. Также по технологии X2 планируется построить беспилотный летательный аппарат. Компания обещает, что ближе к концу нынешнего года состоятся первые летные испытания X2. Они-то и расставят все точки над i в будущем вертолетостроения.

«Миль» обещает представить широкой публике действующий образец машины с толкающим винтом в 2011 году. Это будет скоростной пассажирский вертолет, который призван разделить участь самолетов региональных авиалиний в труднодоступных районах со слаборазвитой аэродромной сетью. Сможет ли Ми-X1 тягаться с машиной Sikorsky, пока непонятно: вертолет с единственным несущим винтом не может воспользоваться преимуществами концепции наступающей лопасти.

Ka-92 с соосным несущим и соосным толкающим винтами будет рассчитан 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 транспортной системы, которая в совокупности с магистральными самолетами сделает доступной любую точку нашей страны, — говорит генеральный конструктор ОАО "Камов" Сергей Михеев. — К примеру, вылетев из Мурманска, Ка-92 с нефтяниками-вахтовиками на борту мог бы долететь до нефтяных платформ в районе Штокманского месторождения, удаленных на 700−800 км, и вернуться на аэродром базирования без дозаправки». Специалисты фирмы «Камов» обещают применить несколько принципиально новых для вертолетной отрасли технических решений, которые позволят радикально увеличить скорость полета машины. Подробности пока не раскрываются. На разработку Ка-92 «Камов» отводит себе не менее восьми лет. «Что касается сроков, я собираюсь еще при жизни полетать на этом вертолете», — отшучивается 70-летний конструктор Михеев.

Торопиться конструкторам некуда. Принимая во внимание различия в назначении и конструкции всех трех машин, можно предположить, что прямыми конкурентами они не станут. Кроме того, до начала летных испытаний трудно сказать, какая из трех предложенных схем окажется самой быстрой, самой экономичной и самой надежной.