Вертолёт, 2010 №04, 2011 №01

Существуют конструктивные факторы ограничения скорости. С ростом скорости полета вертолета расширяющиеся зоны срыва потока воздуха на НВ приводят к отклонению вектора полной аэродинамической силы в поперечном отношении, увеличению боковой силы на НВ и кренящего момента. Для парирования этого момента с ростом скорости требуется увеличение полной аэродинамической силы и отклонение ее вектора в поперечном отношении рычагом управления. Это также сказывается на возрастании нерациональной траты мощности силовой установки. Для преодоления и уравновешивания вредного сопротивления QBp вертолета с ростом скорости полета требуется соответствующее увеличение пропульсивной силы НВ. Это обеспечивается за счет увеличения угла атаки НВ, его полной аэродинамической силы и отклонения ее вектора вперед на необходимую величину.

Угол атаки НВ вертолетов, как правило, ограничен величиной минус 20-25°. С целью предотвращения столкновения лопастей НВ с носовым отсеком фюзеляжа в системе управления вертолетом предусматривается конструктивный упор, ограничивающий отклонение вперед рычага управления.

Комбинированные винтокрылые ЛА

В нашей стране и за рубежом проводились интенсивные исследования скоростных винтокрылых летательных аппаратов на базе использования для взлета и посадки вертолетных несущих винтов. Эти исследования, например, в Англии (1957 г.) и СССР (1959 г.) завершились постройкой экспериментальных винтокрылов «Ротодайн» и Ка-22.

В то время наиболее простым решением для достижения на винтокрылах больших скоростей и дальностей полета считались установка крыла и движителей с целью разгрузки НВ и уменьшение профильных потерь мощности на его вращение.

Однако этим надеждам не суждено было осуществиться из-за использования вертолетного несущего винта. Вместе с несущим винтом винтокрылы унаследовали те же проблемы и ограничения, которые присущи вертолетам.

Идея разгрузки вертолетного несущего винта на больших скоростях полета оказалась живучей. Сегодня конструкторы винтокрылых летательных аппаратов большие надежды возлагают на возможность использования комбинации «вертолетный НВ – движитель» подобно самолетной комбинации «крыло – движитель».

На самолете подъемную силу создает крыло, а силу тяги – тянущие или толкающие пропеллеры. На вертолете в поступательном движении НВ создает как силу тяги, так и пропульсивную (тянущую) силу. В ряде работ рассматриваются проекты винтокрылых аппаратов, у которых на больших скоростях полета несущему винту, как и крылу, предлагается оставить только функцию создания тяги, уравновешивающей силу тяжести аппарата, а получение пропульсивной силы возложить на пропеллер.

Для реализации на винтокрылых ЛА, использующих НВ, крейсерской скорости 400 км/ч и выше необходимо минимизировать профильное сопротивление лопастей винта и потери профильной мощности. Добиться этого можно, если скорость обтекания потоком воздуха концевых сечений наступающих лопастей не будет превышать величины

Из указанного условия следует, что на скорости полета аппарата 400 км/ч скорость ωR концевых сечений лопастей должна быть не более 140-130 м/с, а не 220230 м/с, как это требуется для взлета, висения, посадки и полета на больших высотах и скоростях. Следовательно, двигатели и трансмиссия такого ЛА должны обеспечивать в полете изменение частоты вращения НВ в пределах от 100 до 60%.

Современные вертолетные двигатели со свободной турбиной позволяют уменьшить частоту вращения НВ только на 10-12%. Уменьшение частоты вращения НВ до 40% с использованием различного рода муфт и коробок скоростей ведет к дальнейшему увеличению веса трансмиссии и пустого аппарата по сравнению с указанными параметрами существующих винтокрылых ЛА. Установка пропеллера увеличивает как вредное сопротивление винтокрыла, так и его пустой вес по сравнению с аналогичными параметрами вертолета. Пропульсивный коэффициент полезного действия пропеллера меньше, чем его величина у НВ. Все это в совокупности потребует увеличения располагаемой мощности силовой установки, что неизбежно приведет к ухудшению топливной экономичности и дальнейшему росту себестоимости летного часа ЛА по сравнению с себестоимостью летного часа современных вертолетов мирового уровня.

Винтокрыл «Ротодайн»

В прошлом столетии неоднократно предпринимались попытки создания экспериментальных винтокрылых ЛА для реализации высоких скоростей полета. Так, например, в 1961 году на винтокрыле Ка-22 был установлен мировой рекорд скорости полета 356 км/ч, на S-69 фирмы «Сикорский» достигнута скорость 485 км/ч. Экспериментальный самолет вертикального взлета и посадки (СВВП) фиоры «Белл» XV-15 в 1977 году превысил скорость 500 км/ч.

Экспериментальный S-69 оснащался соосным НВ с жестким креплением лопастей к втулке. Подъемная сила НВ создавалась только на наступающих лопастях (схема АВС), для получения силы тяги применялись маршевые двигатели. Была продемонстрирована работоспособность этой концепции и выявлены проблемы с обеспечением прочности НВ и преодолением повышенного уровня вибраций на больших скоростях полета.