Вертолёт, 2005 № 04

Этот пример наглядно показывает, насколько эффективным является метод обратной унификации, который, по существу, сводится к замене лопастей серийных винтов лопастями новой аэродинамической компоновки без вмешательства в конструкции смежных агрегатов вертолета. При сравнительно малых затратах метод дает значительный технический и экономический эффект, его целесообразно использовать при обновлении парка оправдавших себя на практике серийных вертолетов.

Ка-226

Рис. 1. Развитие аэродинамических профилей для несущих и рулевых винтов вертолетов

На основе профилей ЦАГИ-4 были разработаны профили СТМ-2, наилучшим образом соответствующие условиям применения на соосном несущем винте Ка-226. Целевой функцией вертолета предусматривались следующие приоритеты: предельно высокий уровень относительного коэффициента полезного действия, большой запас силы тяги соосного винта относительно максимального взлетного веса вертолета, эффективное решение проблемы аэроупругой устойчивости лопастей, минимизация переменных усилий в системе управления.

Разработанная совместными усилиями ЦАГИ и ОАО «Камов» компоновка лопастей Ка-226 была внедрена на серийный вертолет. Его летные испытания показали, что новый соосный винт с расчетной удельной нагрузкой р=26 кг/м² обладает рекордно высоким относительным коэффициентом полезного действия n 0=0,76-0,78 (вместо n 0=0,71-0,72 у соосного винта-прототипа).

Расчетный прогноз показал также, что соосный винт с профилями СТМ-2 и нагрузкой р=55 кг/м² (как у Ка-32) будет иметь еще более высокий уровень коэффициента n 0=0,81-0,82 (вместо n 0=0,76-0,77).

Профили СТМ-2 обладают лучшими профильными полярами, имеют наибольшую несущую способность и максимальный уровень аэродинамического качества в рабочем диапазоне чисел М. Кроме того, профили СТМ-2 имеют стабильное по числам М заднее расположение аэродинамического фокуса и малые продольные моменты m z0, что весьма важно для формирования эффективной аэроупругой компоновки соосного винта. Создание новейшего соосного винта способствовало сертификации вертолета Ка-226 по высшей категории А авиационных правил АП-29.

На базе профилей серии ЦАГИ-4 были разработаны и совместно с МВЗ имени М.Л. Миля испытаны натурные образцы лопастей рулевого винта Ми-17, изготовленных из полимерных композиционных материалов. Результаты испытаний подтвердили опережающий уровень аэродинамики новых винтов (рис. 2).

В 2002 году в большой аэродинамической трубе Т-101 был выполнен комплекс сравнительных испытаний серийного рулевого винта Ми-17 и нового рулевого винта ЦАГИ на всех режимах работы, в том числе и на режимах «вихревого кольца». Испытания подтвердили значительные преимущества рулевого винта ЦАГИ по всем показателям, в том числе по располагаемому запасу силы тяги, обеспечивающему безопасность эксплуатации вертолета на критических режимах полета. Рулевыми винтами типа ЦАГИ целесообразно оснащать все серийные одновинтовые вертолеты.

Испытание несущего винта вертолета «Ансат» в аэродинамической трубе Т-101

Рис. 2. Характеристики трех поколений рулевых винтов средних транспортных вертолетов на режиме висения (М=0,65)

В 2001–2003 гг. совместными усилиями ЦАГИ и Казанского вертолетного завода были реализованы обширные программы исследований и экспериментов в различных аэродинамических трубах. Принципиально важными стали комплексные исследования натурного несущего винта вертолета «Ансат» в большой аэродинамической трубе Т-101 ЦАГИ.

Несущий винт изготовлен из полимерных композиционных материалов и имеет принципиально новую конструкцию без горизонтальных, вертикальных и осевых шарниров и демпферов колебаний лопастей. Роль этих элементов выполняют упругие торсионы и рукава втулки, также выполненные из композиционных материалов. В экспериментах использованы натурная вертолетная установка ВП-5, оснащенная автоматизированным информационно-измерительным комплексом, а также созданная в ЦАГИ новейшая видеограмметрическая система измерений параметров движения и изгибно-крутильных деформаций лопастей.

С помощью этого оборудования определен комплекс аэродинамических, аэроупругих и прочностных характеристик винта как на режимах висения, так и в горизонтальном полете. Измерены силы и моменты винта, шарнирные моменты, напряжения в конструкции, перемещения и деформации лопастей, торсионов и рукавов втулки.

Исследования позволили сделать важный вывод: конструкция несущего винта имеет достаточные запасы прочности и поэтому работоспособна. Эксперименты выявили особенности аэродинамики и аэроупругости бесшарнирного винта. Показано, в частности, что эффективность циклического управления винта «Ансата» почти в четыре раза выше, чем у аналогичного винта с шарнирным креплением лопастей к втулке. Поэтому вертолет «Ансат» вошел в категорию вертолетов высшего уровня маневренности.

В ЦАГИ исследован и натурный рулевой винт «Ансата». Для определения характеристик рулевого винта в 2003 году был введен в строй специальный стенд, созданный совместными усилиями ЦАГИ и КВЗ. Стенд оснащен электроприводом мощностью 200 кВт и системой измерений, сбора и обработки экспериментальной информации.

В 2000–2003 гг. были реализованы крупные программы экспериментальных исследований корпуса вертолета «Ансат» в аэродинамической трубе Т-105 ЦАГИ.

Эксперименты выполнены в широком диапазоне углов скольжения (-180°< в < 180°) с работающим винтом и без него, вблизи экрана и без влияния экрана.

Подробно изучено влияние несущего винта на обтекание корпуса. Исследованы вопросы интерференции частей вертолета. Выполнены измерения поля возмущенных скоростей системы «несущий винт — корпус» в области расположения рулевого винта при круговой обдувке вертолета.

Сложность этого поля иллюстрируется структурой вихревой системы несущего винта, вычисленной по нелинейной вихревой теории. Расчетные и экспериментальные исследования по вертолету «Ансат» позволили глубже понять природу возникновения режимов «вихревого кольца» рулевого винта и разработать эффективные меры по недопущению таких режимов в эксплуатации.