Вертолёт, 2010 №04, 2011 №01

где Y – подъемная сила; X – сила сопротивления аппарата; C yи С х– соответственно коэффициенты этих сил. Для винтокрылого летательного аппарата эквивалентное аэродинамическое качество К вопределяется следующей зависимостью:

где G взл– взлетный вес ЛА; V кр– крейсерская скорость полета; N кр– потребная мощность силовой установки для полета со скоростью V кр; Y = Y НВ~ С взл– подъемная сила несущего винта.

У современных транспортно-пассажирских вертолетов с хорошими аэродинамическими формами максимум К внаходится в пределах от 3,5 до 4,5 единиц. Пассажирские дозвуковые самолеты благодаря рациональной компоновке несущих и ненесущих элементов планера и силовой установки имеют уже 15-20 единиц в зависимости от назначения аппарата. Так, К максу самолетов Ил-86 и Ту-154 составляет 15, а у Ил-96 – 19 единиц.

Максимальное значение аэродинамического качества у транспортно-пассажирских самолетов примерно в 4 раза больше, чем у вертолетов аналогичного назначения. Вредная пластинка (CxS) у вертолетов больше, чем у самолетов, при одинаковом взлетном весе. Следовательно, вертолету требуется большая потребная мощность силовой установки на одинаковых скоростях полета. За счет этого у вертолета будет выше километровый расход топлива и меньше дальность полета.

Вес пустого вертолета примерно на 17% выше, чем самолета одинаковой с ним весовой категории. Это обусловлено тем, что для передачи крутящего момента от двигателей на несущий винт и уравновешивания его реактивного момента требуется относительно тяжелая, громоздкая трансмиссия. Непроизводительные затраты мощности двигателей на обеспечение функционирования трансмиссии и ее систем составляют около 4%, на уравновешивание реактивного момента несущего винта – 10-12%. Поэтому вес коммерческой нагрузки и топлива у вертолета окажется значительно меньше, чем у самолета. Эти показатели еще более ухудшаются за счет установки на вертолете более мощных и тяжелых двигателей с повышенными расходами топлива.

Основным критерием экономичности транспортно-пассажирских ЛА является себестоимость тонно-километра и пассажиро-километра. Обобщенные стоимостные критерии зависят от аэродинамического качества аппарата, крейсерской скорости и дальности полета. По этим показателям вертолет существенно уступает самолету.

Все перечисленное в совокупности и является платой за то, что вертолет в отличие от самолета может взлетать и садиться вертикально, осуществлять висение и перемещения на малых скоростях полета. Именно поэтому борьба за повышение скорости и дальности полета винтокрылых ЛА была и остается весьма актуальной. Однако конструкторы вертолетов до настоящего времени не могут преодолеть проблему существенного роста аэродинамического сопротивления несущего винта при скорости более 300 км/ч.

Несущий винт вертолета проектируется, в первую очередь, для обеспечения висения, перемещений у земли с небольшими скоростями и достижения необходимых величин статического и динамического потолка. По результатам исследований, у современных вертолетов заданные летные данные могут быть получены, если скорость обтекания потоком воздуха концевых сечений скоростных профилей лопастей будет равна 220-230 м/с. Для реализации такой скорости на несущем винте требуется почти в 100 раз уменьшить частоту вращения свободных турбин двигателей. Это обеспечивается механической трансмиссией и выбором передаточного отношения ее главного редуктора.

В полете мощность двигателей N НВ, потребляемая несущим винтом, расходуется на обеспечение его вращения для создания необходимой величины тяги Т = = G поли пропульсивной силы:

При этом N НВ= N i+ N pгде N iи N p- индуктивная и профильная составляющие мощности.

По результатам исследований, индуктивные затраты мощности на режиме висения составляют 73-78%, на средних скоростях – 40% и уменьшаются до 13% на максимальной скорости полета вертолета.

Вредное сопротивление ненесущих частей вертолета с ростом скорости увеличивается по квадратной параболе, а потребная мощность двигателей на его преодоление – по кубической параболе. Потери мощности на преодоление вредного сопротивления составляют 15-10% на средних скоростях и 40-35% на максимальной скорости полета. Профильные потери мощности на вращение несущего винта на висении составляют 22-27%, а на максимальной скорости полета – 50% и более. При этом критическое число М крконцевых сечений лопастей на относительном радиусе 0,9-1,0 должно быть не менее 0,9.

Исследования также показали, что на режиме полета

потребная мощность на вращение несущего винта увеличивается из-за проявления эффекта сжимаемости воздуха на 15-18%. Если число М полета вертолета достигает значения М кр + 0,15, то увеличение потребной мощности силовой установки составит уже около 30%.

Приоритетными летными характеристиками для транспортно-пассажирского вертолета являются дальность полета L с заданной коммерческой нагрузкой, оптимальная крейсерская скорость полета V кри минимально возможный километровый расход топлива q. Минимизировать q на крейсерских режимах полета вертолета можно за счет снижения потерь мощности на преодоление профильного сопротивления НВ путем уменьшения его частоты вращения ω. Это обеспечивается регуляторами частоты вращения свободных турбин двигателей. Существующие вертолетные газотурбинные двигатели позволяют уменьшить ω только на 10-12%.

От величины крейсерской скорости зависит как километровый расход топлива, так и дальность полета ЛА. В связи с этим необходимо выявить возможности НВ для реализации максимально возможных значений крейсерских скоростей винтокрылых аппаратов.

Дальнейшее увеличение скорости полета вертолета после достижения М кр + + 0,15 сопровождается интенсивным ростом волнового сопротивления на лопастях НВ. Для вращения НВ и преодоления его профильного сопротивления в этом случае требуется значительное увеличение мощности силовой установки. Именно в этом заключается физический и экономический смысл ограничения скорости полета транспортно-пассажирского вертолета. Увеличение его крейсерской скорости до 300 км/ч и более сопряжено с нерациональным использованием мощности двигателей, что приводит к повышенным километровым расходам топлива, увеличению потребного запаса топлива, уменьшению веса перевозимого груза и дальности полета.