Проектирование скоростных вертолетов – новый тренд в авиапромышленности

Один из главных производителей вертолетов в мире – американская компания Sikorsky – объявила о начале разработки нового скоростного аппарата. Скорость вертолета должна достигать 500 км/ч. Появление подобных проектов – тенденция последних лет, и газета ВЗГЛЯД попыталась разобраться в перспективах строительства скоростных винтокрылых машин.

Sikorsky Aircraft разработает, построит и испытает два прототипа перспективного тактического вертолета на базе технологии Х2, сообщается в пресс-релизе компании, выпущенном в четверг. Эта технология позволила вертолету-демонстратору развить максимальную скорость в 420 км/ч, что является неофициальным мировым рекордом среди вертолетов. Компания утверждает, что целью программы является создание винтокрылой машины с максимальной скоростью 470–500 км/ч, не уступающей современным самолетам. При этом машина сохранит все особенности, присущие обычному вертолету: высокую маневренность, способность совершать вертикальный взлет и посадку, зависать в воздухе.

«В 1961 году экипаж ОКБ во главе с Д. Ефремовым установил на Ка-22 восемь мировых рекордов»

Действительно, при всех своих колоссальных достоинствах современные вертолеты значительно уступают по скорости полета самолетам сравнимой мощности, размеров и грузоподъемности. В то время как самолеты давно преодолели звуковой барьер, скорость серийных вертолетов не превышает в лучшем случае 315–320 км/ч. Мировой рекорд скорости для вертолетов, по правилам ФАИ, был установлен 11 августа 1986 г. в полете над Гластонбери, гр. Сомерсет, Великобритания. На используемом для демонстрационных полетов вертолете марки Westland Linx они показали среднюю скорость 400,87 км/ч.

Технический предел скорости вертолетов вызван целым рядом факторов. При конструировании воздушных винтов конструкторы должны совмещать зачастую противоречивые требования. Например, в классическом вертолете главный винт (или винты) являются одновременно и движителем, и несущей системой, тогда как на самолете подъемную силу обеспечивает крыло, а поступательное движение – тяга двигателя.

Большой комплекс проблем связан с тем, что на лопасть несущего винта, в отличие от крыла, воздушный поток набегает не только за счет поступательного движения вертолета, но и от собственного вращения. На определенной скорости полета скорость движения отступающей лопасти относительно набегающего потока воздуха, а значит и подъемная сила, становятся равны нулю. Для вертолета классической конструкции, подъемная сила которого ограничена возможностями отступающих лопастей, наступает технологический предел скорости, приблизительно равный 400 км/ч.

Прежде эту проблему пытались решить, разгрузив винт с помощью небольшого крыла, которое на больших скоростях обеспечивало бы заметную часть подъемной силы. Таким крылом оснащены классические вертолеты Ми-6 и Ми-24. Но слишком развитым такое крыло быть не может, так как на нем из-за сопротивления воздуха расходуется впустую часть энергии потока, отбрасываемого несущим винтом.

Другое направление в создании скоростных вертолетов представляют собой винтокрылы – машины, в которых поступательное движение обеспечивается не только несущим винтом, но и двигателями горизонтальной тяги – реактивными или винтовыми, а заметную часть подъемной силы создает развитое крыло. Таким был советский тяжелый винтокрыл поперечной схемы Ка-22, разработанный и построенный в самом начале 1960-х годов. В 1961 году экипаж ОКБ во главе с Д. Ефремовым установил на Ка-22 восемь мировых рекордов, в том числе рекорды скорости – 356,3 км/ч и максимальной массы груза, поднятого на высоту 2000 м, – 16485 кг. Это был удачный по многим параметрам аппарат, один из четырех построенных даже поступил в опытную эксплуатацию ВВС. Однако после двух катастроф, произошедших по невыясненным причинам, его доводка была прекращена, а средства были направлены на создание тяжелого Ми-6.

Работы по винтокрылам велись и в США фирмой Lockheed. В попытках увеличить скорость фирма снабдила легкий вертолет Х-51 развитым крылом и реактивным двигателем, асимметрично расположенным слева. Модернизированный таким образом Lockheed XH-51A Compound показал 486,9 км/ч по сравнению с 290 км/ч, которые развивал базовый вертолет. Но двухмоторная машина оказалась столь прожорливой, что от нее отказалась даже армия США, желавшая получить легкий скоростной вертолет-разведчик.

Попыткой практической реализации концепции стал боевой винтокрыл конца 1960-х Lockheed AH-56 Cheyenne, на который американские военные возлагали очень большие надежды. Фирма построила комбинированный вертолет с изящным фюзеляжем, крыльями малого размаха, убирающимся шасси и экипажем из двух человек. Он был оснащен турбовальным двигателем, вращавшим четырехлопастные несущий и рулевой винты плюс трехлопастный воздушный толкающий винт на хвосте машины.

Вертолет развивал максимальную скорость 392 км/ч и крейсерскую 362 км/ч, но без наружной подвески, притом что встроенное вооружение машины включало многоствольный пулемет, или автоматическую пушку, или автоматический гранатомет, что для боевой машины явно маловато. С подвесным вооружением «Шайен» показывал скорость в пределах 310–315 км/ч, что сравнимо со скоростью вертолетов обычной схемы, вроде Ми-24, производство которого начиналось в СССР. Пентагон готов был принять на вооружение некоторое количество AH-56 в варианте только со встроенным вооружением в качестве истребителя вертолетов, но не удалось даже это: после выпуска 10 серийных машин выяснилось, что для полномасштабной серии требуются дополнительные капиталовложения, превосходящие средства, уже затраченные на программу. «Платиновый» винтокрыл оказался не нужен. В результате нового конкурса на свет появился известный сегодня на весь мир AH-64 Apache самой что ни на есть классической конструкции.

Относительно успешным можно назвать лишь один винтокрыл – транспортный и пассажирский Rotodyne британской компании Fairey Aviation. Этот крупный аппарат мог перевозить 54–60 пассажиров или 8 тонн груза со скоростью 340 км/ч и был оснащен оригинальной силовой установкой. На взлете и посадке мощность от двух турбовинтовых двигателей через муфту передавалась на турбокомпрессор, вырабатывавший сжатый воздух. Сжатый воздух, в свою очередь, через систему трубопроводов подавался к реактивным двигателям на законцовках лопастей, где смешивался с топливом и сгорал, создавая тягу для раскрутки ротора. В полете вся мощность расходовалась на тянущие винты, а ротор работал в режиме авторотации, создавая подъемную силу вместе с крылом. Аппарат заказала авиакомпания ВЕА для перевозок транзитных пассажиров с лондонских вокзалов в аэропорты: своего рода комфортабельный воздушный автобус, который не застревает в пробках. Однако когда выяснилось, что реактивный винт создает невыносимый шум на местности, компания заказ аннулировала, и в 1962 году программу закрыли.

Все описанные винтокрылы имели те или иные недостатки: «Компаунд» – повышенный расход топлива, «Шайен» – сложную трансмиссию, а «Ротодайн» очень сильно шумел. Пожалуй, лишь Ка-22 имел хорошие перспективы, но доводить до серии столь необычную машину просто испугались. Тем не менее при ином стечении обстоятельств многие из них нашли бы свою узкую нишу.

Однако один недостаток винтокрылов кажется хроническим: на определенном режиме полета несущий винт, не создающий тяги, превращается в ненужное украшение, подобно оленьим рогам зимой – драться уже не с кем, а за ветки цепляются. Такую конструкцию приходилось таскать, тратя на нее топливо, массу конструкции, жертвуя скоростью и грузоподъемностью ради нескольких минут на взлете и посадке.

Компания Sikorsky предложила иное решение проблемы падения подъемной силы – концепцию опережающей лопасти, по-английски она обозначается сокращением АВС.

Вертолет с технологией ABC может спокойно продолжить разгон – даже после того как подъемная сила на отступающей стороне исчезнет, на наступающей она будет продолжать расти. Концепция уже доказала свою жизнеспособность на экспериментальном вертолете Sikorsky S-69. С помощью двух реактивных двигателей, создающих горизонтальную тягу, аппарат разогнался до 518 км/ч, опираясь на подъемную силу наступающих лопастей соосного винта.

Когда законцовки лопастей вертолета приближаются к скорости звука, сопротивление вращению резко возрастает. Это может стать следующим скоростным пределом для вертолета. Скорость вращения несущих роторов Sikorsky X2 автоматически снижается, начиная со скорости 390 км/ч. На максимальной скорости, а это 474 км/ч, замедление составит 20%. Тот факт, что скорость горизонтального полета не определяется несущими винтами и подъемная сила используется максимально эффективно, позволяет роторам вращаться очень медленно, а вертолету – лететь очень быстро.

Система управления Sikorsky X2 – электродистанционная (Fly-by-Wire). Ни один из органов управления не имеет механической связи с исполнительными механизмами – пилот лишь отдает команды компьютеру, управляющему сервоприводами. Электронное управление позволило реализовать систему активного подавления вибраций, интеллектуальное управление шагом и скоростью вращения роторов, единую систему контроля технического состояния машины, простой переход на авторотацию в случае отказа двигателя. Все винты приводятся в движение одним турбовальным мотором LHTEC T800 мощностью свыше 1000 кВт. Общий шаг регулируется электроприводами, встроенными во втулки бесшарнирных несущих винтов. Кстати, сами винты сделаны из композитных материалов и отличаются улучшенным соотношением подъемной силы к сопротивлению за счет инновационной формы и профиля. Втулка соосного винта X2 будет заключена в аэродинамический обтекатель, который значительно снижает аэродинамическое сопротивление машины на скоростях свыше 400 км/ч.

Президент компании Джеф Пино утверждает, что X2 совершит революцию в вертолетной индустрии. Но так ли это?

Действительно, невысокая по сравнению с другими летательными аппаратами скорость вертолетов до сих пор не препятствовала их самому широкому применению как в народном хозяйстве, так и в военном деле. Ведь никто не требует от трактора-вездехода скорости Lamborghini, а от танка на «пересеченке» – данных кроссового мотоцикла. Тем не менее оба прекрасно справляются со своими задачами, хотя ниша скоростных тракторов и быстроходных танков, тем не менее, существует. Так существует и ниша для скоростных вертолетов: в качестве специального скоростного транспорта для спасателей, медиков, VIP-персон, в конце концов. В военном аспекте скоростные вертолеты будут хороши в качестве легких вооруженных разведчиков, истребителей малоскоростных воздушных целей, например, ударных вертолетов или беспилотников, вертолетов спецназа.

Но дело в том, что любые попытки преодолеть врожденные недостатки винта достигаются лишь большими усилиями, а польза от них не всегда очевидна. Так, один из способов заставить вертолет лететь быстрее – улучшение аэродинамики фюзеляжа. Для этого, например, в свое время на самолетах была принята система уборки шасси. Однако на вертолетах она себя практически не оправдала: даже при модернизации Ми-24 в новейшую версию Ми-35 от нее отказались в пользу экономии веса и безопасности экипажа при жесткой посадке. Одноклассники советского «Крокодила» итальянская «Мангуста», американский «Апач», европейский «Тигр» и южноафриканский «Руивалк» изначально имеют неубирающиеся ноги. То есть даже такое простое улучшение себя не оправдало.

Опять же, на вертолете Х2 применена сложная трансмиссия, распределяющая мощность между соосными несущими и толкающим винтами. Как она поведет себя в эксплуатации? Насколько окажется уязвимой в боевых условиях? Сколько это все будет стоить в серии? На эти вопросы пока нет ответа.

Следует заметить, что аналогичные работы ведутся и в нашей стране, и в Европе. Один из лидеров индустрии, компания Eurocopter, приступил к созданию собственного скоростного вертолета Eurocopter Х3. Наконец-то официально включились в гонку вертолеты отечественных школ, правда удивительно, что конкурируют они не только с Х2, но и между собой. Ми-Х1 – с отличной от других концепцией одновинтового вертолета. Ка-92 – со схемой, похожей на Х2, и, со слов генерального конструктора, возможностью быстрого развития из концепта целого семейства скоростных машин.

Таким образом, даже появление очередного скоростного вертолета революции в отрасли не сделает, по крайней мере пока. Вертолеты классической схемы отлично справляются со своими функциями, представляя собой довольно консервативные конструкции. Несомненно, при наличии спроса скоростные машины займут свою нишу, но смогут ли они ее расширить – большой вопрос.

Прим.: Фото на сайте - http://www.vz.ru/society/2010/10/21/441538.html