«Техника-молодежи» 2005 г №2, с. 18-21
| Леонид ПРИВАЛОВ, заслуженный летчик-испытатель СССР | ВИНТ ПРЕОДОЛЕЛ ЗВУКОВОЙ БАРЬЕР! |
Такой авиационно-космической системы (АКС) сегодня не существует, поскольку не существует сверхзвукового несущего винта (НВ). Вертолетный не пригоден для установки на АКС — таково заключение недавних исследований, проведенных в США.
Область практического применения жесткого несущего винта ограничена исключительно вертолетостроением. Исследования по его трансформации для установки на спускаемых аппаратах космических кораблей или на комбинированных ЛА не увенчались успехом из-за его больших габаритов и массы лопастей. Телескопические лопасти позволяли уменьшать размеры НВ, но применение винтового домкрата для изменения их длины вызывало утяжеление и усложнение конструкции, поэтому ни один такой винт не был доведен до лётных испытаний.
 | |
| Рис. 1. Гибкая лопасть КАИ: 1 — лопасть НВ; 2 — барабан для намотки лопасти; 3 — центробежный груз; 4 — стабилизатор. Профиль лопасти сформирован путем наклеивания на ленту пенополиуретана | Рис. 2. Винтовой прибор: 1 — втулка — ромбовидная плита; 2 — лопасть; 3 -закрылок; 4 — балансировочный груз; 5 — захват положения «убрано»; 6 — токосъемник; 7 — цепной механизм выпуска и уборки лопастей; 8 — барабан намотки гибкого лонжерона; 9 — привод цепного механизма; 10 — автомат перекоса |
Также безуспешными оказались попытки изготовления гибкой лопасти (рис. 1), сворачиваемой на барабан. Приобретая способность к наматыванию, лопасть неизбежно теряла способность к созданию подъемной силы. Последней такой попыткой были исследования НВ с гибкими лопастями, проведенные в Казанском авиационном институте в 1985-1986 гг.
При всем несовершенстве конструкции лопасти, были доказаны, возможность размотки и намотки лопасти в процессе вращения НВ возможность устойчивой работы лопасти в осевом потоке с окружной скоростью концевой части лопасти 175 м/с, подвергавшиеся ранее сомнению.
В конструкции НВ изменяемого диаметра предполагается учесть недостатки, присущие известным трансформируемым роторам.
Созданию лопасти НВ изменяемого диаметра способствует наличие двух главных особенностей работы лопасти вертолетного винта:
1) лопасть вертолета в неподвижном состоянии имеет большой изгиб под действием собственной массы, что говорит о малой величине ее жесткости в вертикальной плоскости. В процессе вращения НВ, под действием центробежных сил, возникает явление «динамической жесткости». Только благодаря наличию этой жесткости, лопасть приобретает способность воспринимать аэродинамические нагрузки и создавать подъемную силу;
2) практически вся величина подъемной силы образуется на концевой части лопасти, составляющей половину ее длины, за счет больших окружных скоростей на концевых участках.
Исходя из того, что традиционная жесткая лопасть вертолета весьма условно может называться «жесткой», а основной прирост подъемной силы обеспечивают концевые участки, можно предложить другой вариант ее конструкции. Лопасть должна состоять из двух основных частей: жесткой аэродинамической несущей поверхности и гибкого профилированного лонжерона, наматываемого на барабан. При этом лопасть должна быть снабжена управляемым закрылком по типу закрылков, которые устанавливаются на лопастях вертолетов фирмы «Каман» (США). Некоторым подобием лопасти НВ изменяемого диметра является кордовая модель самолета, где лопасть — это вращающийся по кругу самолет с рулем высоты, а гибкий лонжерон — это кордовый шнур, связывающий моделиста, находящегося в центре круга, с самолетом.
Исследования модели НВ изменяемого диаметра проводились в Московском авиационном институте в 1993-1995 гг. на винтовом приборе (рис.2). НВ имел диаметр 3 м при выпущенном положении лопастей.
Экспериментальные работы осложнились урезанием в 25 (!) раз запланированного финансирования. Тем не менее удалось частично подтвердить результаты теоретических и патентных исследований:
1) возможность размотки гибкого лонжерона в виде троса под действием центробежной силы от массы лопасти и намотки на барабан при вращающемся несущем винте с помощью механизма выпуска и уборки лопастей с точной фиксацией лопасти на втулке НВ. С учетом устойчивости движения лопасти в экспериментах, есть возможность дальнейшего увеличения длины лонжерона (рис. 3);
2) площадь, ометаемая лопастями при полностью размотанных тросах (без учета поверхности описываемой тросами) в 3 раза больше площади НВ с убранными лопастями.
3) масса троса составила 1/13 массы лопасти;
4) коэффициент полезного действия несущего винта составил 0,48 при практически равных величинах аэродинамического сопротивления лопасти и троса (таков «довесок» сопротивления цилиндрического тела диаметром всего 4 мм). Следует заметить, что КПД несущих винтов серийных российских вертолетов находится в пределах 0,6 — 0,7.
Преимущества НВ изменяемого диаметра обусловлены возможностью значительного увеличения площади, описываемой лопастями. Известно, что чем больше диаметр НВ при той же передаваемой ему мощности, тем больше удельная тяга НВ.
НВ изменяемого диаметра может работать и при сверхзвуковом обтекании лопастей:
1) имеется возможность применения на лопасти тонкого сверхзвукового профиля и возможность аэродинамического профилирования гибкого лонжерона;
 | |
| Рис.3. Конструкция лопасти изменяемой длины (вариант): 1 — жесткая концевая несущая поверхность; 2 — управляемый закрылок; 3 — гибкий лонжерон; 4 — барабан; 5 — скоба; 6 — шарнир; 7 — втулка НВ; 8 — центробежный груз; 9 — трос; 10 — качалка; 11 — захват | Рис.4. Изменение составляющих потребной мощности в зависимости от коэффициента нагрузки на лопасть: 1 — величина мощности, приходящаяся на единицу веса [х 168 Вт/И]; 2 — коэффициент нагрузки лопасти; 3 — полная мощность; 4 — индуктивная мощность; 5 — мощность на волновое сопротивление при создании подъемной силы; 6 — мощность на волновое сопротивление при нулевой подъемной силе и на сопротивление трения |
2) особенность устройства лопасти позволяет в несколько раз уменьшить ее массу в сравнении с традиционной и обеспечить допустимые напряжения в элементах лопасти, несмотря на наличие больших окружных скоростей;
3) наличие гибкого лонжерона обеспечивает свободный выбор формы лопасти в плане и возможность размещения трансзвуковой зоны на радиусах длины лонжерона, что позволит исключить неблагоприятное воздействие этой зоны на лопасть (в отличие от лопасти НВ вертолета, для которой эта проблема попросту неразрешима).
По-видимому, несущий винт изменяемого диаметра — единственно возможное средство реализации сверхзвукового несущего винта.
Если от первого полета самолета (1903) до первого полета серийного самолета (1907) прошло 4 года, то от первого полета вертолета (1907) до полета первого серийного вертолета (1942) — 35 лет. Длительность создания вертолета объясняется сложностью несущего винта в сравнении с крылом самолета, потребовавшим большого объема научных и экспериментальных работ. Но за 60-летний период производства несущих винтов вертолетов несравнимо возрос уровень их совершенства, надежность и безопасность эксплуатации.
Следует заметить также, что в прошлом веке в каждые 10... 12 лет происходило удвоение скорости полета. Звуковой барьер на самолете был преодолен уже в 1947 г. Поэтому, учитывая современный уровень знаний по несущим винтам вертолета и аэродинамике сверхзвукового обтекания, можно ожидать успеха в исследованиях и сверхзвукового НВ изменяемого диаметра.
Сверхзвуковой воздушный винт впервые исследовался в 1947 г. в ЦАГИ под руководством академика М.В. Келдыша при окружной скорости концевой части лопасти винта в 1,25 раза превосходящей скорость звука. Выяснилось, что значения подъемной силы на вращающейся лопасти (вследствие действия центробежных сил) могут в 4 раза превосходить соответствующие величины для этой лопасти, установленной неподвижно и обтекаемой воздушным потоком, имеющим равные скоростные характеристики. А величина аэродинамического качества симметричного профиля даже в трансзвуковой зоне составила 8 единиц.
В отчете также отмечается: «Особо заманчивым является применение вращения для достижения около— и сверхзвуковых скоростей, что не представляет существенных технических трудностей, в то время как измерения параметров в аэродинамических трубах при этих скоростях связаны со значительными затруднениями».
Поэтому, при возобновлении исследований сверхзвукового винта, можно избежать напрасного расходования средств на изготовление модели винта. Модель винта могла бы впоследствии использоваться в качестве стенда для исследования характеристик профилей крыльев в сверхзвуковом потоке, даже в том случае, если в процессе исследований возникнут непреодолимые препятствия для практического применения НВ изменяемого диаметра.
Сверхзвуковой НВ исследовался в Великобритании с целью применения его на летательном аппарате вертикального взлета. В экспериментах окружная скорость концевой части лопасти в 2 раза превосходила скорость звука При этом оказалось, что взлетная масса летательного аппарата со сверхзвуковым винтом будет в 3 раза больше, чем с дозвуковым винтом (при равных диаметрах обоих винтов), тогда как относительная масса НВ будет меньше массы эквивалентного дозвукового. Несущая способность винта сохраняется до высот полета самолетов с газотурбинными двигателями.
Рис. 5. АКС: 1— авиационная ступень; 2 — космическая ступень; 3 — разъемный стыковочный узел; 4 — крыло, 5 — элевоны крыла; 6 — руль направления, 7 — силовая установка; 8 — лопасть верхнего и нижнего винтов; 9 — гибкий лонжерон; 10 — барабан намотки лонжерона; 11 — втулка; 12 — стартовая колонна |
При этом отмечено, что, в связи со сверхзвуковой окружной скоростью, важно оценить величину потребной мощности для вращения винта.
На рис. 4 показано изменение составляющих потребной мощности в зависимости от коэффициента нагрузки на лопасть.
Коэффициент нагрузки определяется как тяга, деленная на произведение площади лопасти и атмосферного давления. Таким образом, этот коэффициент увеличивается с увеличением высоты. Минимальное значение коэффициента удельной нагрузки на лопасть составляет 0,10, однако кривая очень пологая и, если выбрать коэффициент удельной нагрузки порядка 0,08 или 0,16, то мощность увеличится незначительно. Это означает, что потребная мощность для полета, например, на высоте 6000 м, не превышает величины, необходимой на уровне моря, в то время как обычная система несущих винтов требует мощности, приблизительно в полтора раза большей.
Другая важная проблема связана с шумом винта при сверхзвуковой окружной скорости. Можно ожидать, что уровень шума будет близок к создаваемому сверхзвуковым транспортным самолетом «Конкорд». Шум сверхзвукового НВ увеличивается с ростом окружной скорости, однако теория и эксперимент свидетельствуют, что это справедливо до чисел Маха менее 1,1. При больших числах Маха уровень шума мало зависит от роста скорости.
Изменение в полете геометрии конструкции для получения нужных летных качеств летательных аппаратов общепринято в современном авиастроении: уборка шасси, использование убираемых закрылков, изменение стреловидности крыла и другие. Характерным примером изменения геометрии в течение всего полета служит несущий винт вертолета, способный изменять угол наклона своей плоскости вращения и создавать вместе с вертикальной тягой горизонтальную тягу и управляющие моменты. При этом угол установки лопасти изменяется в известных пределах за каждый оборот НВ.
Каждый из названных способов изменения геометрии летательного аппарата в той или иной мере представляет опасность для благополучного исхода полёта, и каждый из них первоначально воспринимался с определенной настороженностью. Несущий винт с гибкими лонжеронами лопастей, в особенности сверхзвуковой НВ изменяемого диаметра, в этом смысле не может быть исключением.
Однако, в связи с тем, что трансформация винта будет производиться на земле, она не будет являться фактором снижения безопасности полета. В отличие же от НВ вертолета, сверхзвуковой НВ изменяемого диаметра для АКС будет работать в режиме осевого обтекания, что значительно уменьшает сложность и увеличивает надежность системы управления НВ.
Самым опасным отказом для АКС, как и для любого летательного аппарата, будет являться отказ силовой установки. Однако вероятность отказа, например, двух независимо работающих газотурбинных двигателей равна 2 х 10-8 — 10-10 (для сравнения: вероятность отказа ракетного двигателя составляет 10-3 с опасными последствиями для экипажа космического корабля, обслуживающего персонала и экологии района запуска).
АКС (рис. 5) состоит из авиационной и космической ступеней, последняя содержит контейнер с полезным грузом.
Выпуск лопастей НВ на полную длину лонжеронов производится при работе двигателей на режиме малого газа в положении АКС на стартовой колонне (см. рис.5, позиция I). После перевода двигателей на взлетный режим с одновременным увеличением оборотов НВ, выполняется вертикальный старт АКС (поз. II). Набор высоты происходит в режиме наклонного полета (поз. Ill) вплоть до разделения ступеней на заданной высоте (поз. IV). Авиационная ступень возвращается к стартовому комплексу в горизонтальном положении фюзеляжа. «Причаливание» к стартовой колонне производится в режиме вертолетного «висения».
Уборка лопастей после фиксации авиационной ступени на опорах стартовой колонны мало отличается от их выпуска. На винтовом приборе в процессе исследований выпуск-уборка лопастей были растянуты по времени (около 1 минуты), поэтому движение лопастей было устойчивым и практически не отличалось от работы винта на рабочих режимах.
Сверхзвуковой НВ изменяемого диаметра наиболее эффективно реализовать в соосном варианте исполнения. При этом площади, описываемые лопастями верхнего и нижнего винтов, не должны перекрывать друг друга, что достигается установкой гибких лонжеронов различной длины. Это позволит снизить аэродинамическое взаимодействие обоих винтов и увеличить тягу НВ. Верхний и нижний винты имеют равное число лопастей.
Устройство несущего винта: 1 — лопасть нижнего винта; 2 — лопасть верхнего винта; 3 — ось вращения винтов; 4 — гибкий лонжерон; 5 — барабан намотки лонжерона
С решением проблемы сверхзвукового НВ изменяемого диаметра, может быть получен эффективный движитель, способный в некоторых случаях заменить как воздушно-реактивный и ракетный двигатели, так и самолет-носитель. Вертикальный старт АКС, в отличие от горизонтального с самолетом-носителем, позволяет в 3 — 5 раз сократить массу конструкции авиационной ступени, поскольку не требуется большой фюзеляж крыло и шасси (к примеру, шасси самолета-носителя АН-225 «Мрия» имеет 32 колеса). Отпадает надобность во взлетно-посадочной полосе, предельно упрощается весь стартовый комплекс по сравнению с ракетным комплексом и его техническое обеспечение. Наличие сверхзвукового НВ позволит АКС выдерживать сверхзвуковой режим полета на участке набора высоты по наклонной траектории.
Самый большой в мире НВ диаметром 32 м установлен на вертолете Ми-26 (максимальная взлетная масса 55 т). Сверхзвуковой НВ того же диаметра может обеспечить взлет АКС массой 165 т, что соответствует стартовой массе ракеты легкого класса с массой полезной нагрузки 1,6 -3,6 т.
Известно, что авиационная разгонная ступень обеспечивает увеличение массы полезной нагрузки в полтора раза по сравнению с ракетной ступенью. Таким образом, масса полезной нагрузки АКС может составить 2,4 — 5,5 т.
В дальнейшем, с появлением новых конструкционных материалов, диаметр сверхзвукового НВ может быть увеличен, что позволит увеличить взлетную массу и, соответственно, массу полезной нагрузки АКС.
Рисунки Михаила ШМИТОВА