Вертолёт, 2010 №04, 2011 №01

В настоящее время проводятся широкие исследования в области создания соосного НВ по схеме АВС и его применения на скоростных винтокрылых летательных аппаратах. В США на фирме «Сикорский» утверждена программа разработки скоростных винтокрылых летательных аппаратов соосного типа, в том числе постройки летающей лаборатории X2, первый полет которой состоялся в 2008 г. В нашей стране специалистами фирмы «Камов» разработана концепция создания по схеме АВС скоростного вертолета на базе соосных НВ.

На взлете, посадке, висении и малых скоростях полета несущий винт на таких винтокрылых ЛА создает силу тяги и пропульсивную силу, подобно НВ вертолета. В поступательном движении на больших скоростях полета НВ создает только подъемную силу, уравновешивающую силу тяжести аппарата, а силу тяги вместо пропульсивной силы создает толкающий винт (пропеллер). Создателям скоростных винтокрылых ЛА предстоит преодолеть те же проблемы, с которыми встретились проектировщики S-69.

Все скоростные винтокрылые аппараты объединяет то, что они заимствуют у вертолета НВ, вертикальные взлет-посадку, висение и перемещения на малых скоростях, а вместе с ними и его ограниченные возможности и сложную, нагруженную, тяжелую, дорогостоящую трансмиссию. Вес трансмиссии и обеспечивающих ее работу систем для вращения НВ и пропеллера (пропеллеров) составит не менее 17% от веса пустого аппарата. На обеспечение функционирования трансмиссии и ее систем для вращения винтов потребуются нерациональные затраты мощности двигателей, как и на вертолете.

Известно, что эквивалентное аэродинамическое качество (К) у современных вертолетов достигает максимума 4,5 единицы на скорости около 230 км/ч, которое уменьшается до 3,5 единицы на скорости 350 км/ч. У винтокрылов Я составляет 5 единиц на скорости 250 км/ч, а на скорости 450 км/ч – 3 единицы. Для скоростного вертолета с соосным НВ (схема АВС) на крейсерской скорости 450 км/ч вряд ли удастся достигнуть Я в более 4 единиц.

В связи с этим дальность полета такого вертолета с максимальной пассажирской загрузкой будет сопоставимой с ее значением у современных нескоростных зарубежных вертолетов мирового уровня.

Комбинации «вертолетный НВ – движитель» можно отдать предпочтение только при создании скоростного боевого винтокрылого ЛА (штурмовика или истребителя). Это обусловлено тем, что экономические критерии себестоимости тонно-километра и пассажиро-километра к этому летательному аппарату не имеют никакого отношения. В связи с этим скоростной винтокрылый ЛА с вертолетным НВ, как и V-22 «Оспри», может быть заказан как в США, так и у нас в стране только военными.

Ка-22

Вертоплан – это винтокрылый ЛА с несущей аэродинамической системой, включающей в себя авторотирующий несущий винт и крыло, который способен осуществлять взлет и посадку без разбега. Он имеет аэродинамическое качество, крейсерскую скорость и дальность полета в 2-3 раза большие, чем у существующих вертолетов. У автожира с прыжковым взлетом вертоплан заимствует авторотирующий НВ, принцип его раскрутки на старте перед взлетом для приобретения необходимого запаса кинетической энергии и принцип взлета без разбега.

Система раскрутки НВ вертоплана до заданной частоты вращения на минимальном шаге перед взлетом может быть механической, как на автожире с прыжковым взлетом, или газодинамической, базирующейся на использовании сжатого воздуха турбокомпрессоров двигателей. Весовые затраты на создание системы раскрутки НВ вертоплана перед взлетом не превышают 3% от веса пустого аппарата, как и на автожире с прыжковым взлетом. Поэтому вертоплан, как и автожир, вследствие отсутствия механической трансмиссии для вращения НВ в полете будет иметь самые высокие среди всех винтокрылых ЛА весовую отдачу и относительный вес перевозимого груза.

У вертолета вертоплан заимствует принцип увеличения тяги НВ за счет экрана площадки взлета с целью реализации наименее энергозатратного способа взлета без разбега. Способ взлета вертоплана без разбега – это вертикальный подъем над площадкой на высоту 0,2-0,3 м путем увеличения общего шага НВ. Практически одновременно пилот переводит рычаги управления двигателями во взлетное положение для создания максимума силы тяги винтов изменяемого шага (ВИШ) с целью реализации короткой взлетной дистанции и достижения заданной скорости в процессе разгона на взлете.

Суммарное увеличение подъемной силы несущей системы вертоплана в момент отрыва от площадки составляет 1520%. Тяга НВ увеличивается на 20-25% за счет экрана поверхности и уменьшается до 7-8% за счет обдувки планера потоком воздуха от НВ. Подъемная сила несущей системы увеличивается на 3-4% за счет подъемной силы крыла, обдуваемого потоком воздуха от ВИШ. Для примера, в момент начала разбега на взлете крыло самолета Ан-12 создает около 10% подъемной силы.

В отличие от вертоплана на автожире с прыжковым взлетом НВ после раскрутки переводится на общий шаг до 5-7°. За счет избыточной тяги автожир подпрыгивает вертикально вверх на несколько метров. Одновременно под действием воздушного винта (пропеллера) аппарат приобретает поступательное движение, а затем переходит на обычный для автожира набор высоты.

Возможность создания авторотирующим НВ совместно с крылом необходимой величины подъемной силы в последующие моменты времени разгона вертоплана для выхода на самолетный режим подтверждается опытом проектирования и постройки крылатого автожира А-7 ЦАГИ. У автожира А-7 проблемы поддержания подъемной силы НВ совместно с крылом от взлета до полета с максимальной скоростью (более 200 км/ч) не было.

У самолета вертоплан заимствует крыло. Оно предназначено для разгрузки НВ и создания до 90% подъемной силы на крейсерской скорости полета. Для примера, крыло разгружало НВ винтокрылов «Ротодайн» на 60%, Ка-22 – на 85%.

Известно, что профильное сопротивление НВ на крейсерской скорости полета значительно больше, чем сопротивление крыла самолета. Следовательно, потери мощности двигателей на преодоление профильного сопротивления крыла самолета значительно меньше. В связи с этим при проектировании вертоплана НВ оптимизируется для получения максимума его подъемной силы при взлете-посадке без разбега-пробега, а крыло – для создания необходимой величины подъемной силы, уравновешивающей до 90% веса аппарата на крейсерской скорости, и достижения максимума аэродинамического качества аппарата. Аэродинамическое качество вертоплана достигает величины, соизмеримой с аэродинамическим качеством самолета короткого взлета-посадки (СКВП).