Вертолет с 4 винтами

Вертолет с двумя винтами

Среди большого количества схем вертолетов, разработанных до сих пор, широко распространена схема с двумя соосно расположенными несущими винтами, которая впервые была применена М. В. Ломоносовым на его «аэродромической машинке». Оба несущих винта в этой схеме находятся на одной оси, один под другим. Вал верхнего винта при этом проходит внутри полого вала нижнего винта. Винты вращаются в противоположных направлениях, поэтому на фюзеляж передаются два реактивных момента, взаимно уравновешивающих друг друга. Вертолеты, построенные по этой схеме, обладают хорошей маневренностью.

В частности, за счет изменения углов установки лопастей одного из винтов по сравнению с установочными углами лопастей другого винта (дифференциальное изменение общего шага винтов) достигается разность в их реактивных моментах, которая, передаваясь на фюзеляж, поворачивает вертолет в ту или иную сторону. Продольное и поперечное управление и управление подъемом и спуском будут описаны ниже. Сейчас заметим только, что принципы такого управления одинаковы для большинства вертолетов.

Вертолет с двумя винтами

В России по этой схеме был построен вертолет еще в 1907 г. конструктором Антоновым. Впоследствии эту схему применяли во многих странах. Современный вертолет конструкции II. И. Камова создан также по двухвинтовой соосной схеме.

Основными преимуществами вертолетов, построенных по этой схеме, являются их малый размер и небольшой вес. Это достигается отсутствием длинной хвостовой балки для установки рулевого винта н длинных валов для передачи крутящего момента от двигателя на винты, так как винты установлены на одной вертикальной оси почта рядом.

Любопытно отметить, что все вертолеты весом до 800 кг построены по двухвинтовой соосной схеме. Возможно, что именно такие вертолеты станут в недалеком будущем широко распространенными летательными аппаратами индивидуального пользования.

Эта схема, как и любая другая, не лишена недостатков. Так, вследствие того, что нижний винт работает в струе воздуха, отброшенной и закрученной верхним винтом, ухудшаются условия его работы и затруднен расчет винта при проектировании.

Вертолет с двумя продольно расположенными несущими винтами

Схема вертолета с продольно расположенными несущими винтами впервые была предложена Н. И. Сорокиным. Согласно этой схеме, один винт располагается над носовой частью фюзеляжа, а второй — над хвостовой. Оба винта могут приводиться во вращение одним или двумя двигателями. Направление вращения винтов противоположное для взаимного погашения реактивных моментов.

Вертолет с двумя несущими винтами

По этой схеме выгодно строить тяжелый многоместный вертолет, так как фюзеляж такого вертолета оказывается удобным помещением для грузов и пассажиров и, кроме того, вертолет этой схемы имеет хорошую продольную управляемость и допускает значительное изменение положения центра тяжести вдоль оси фюзеляжа. Так, если вертолет будет опускать нос, т. е. центр тяжести переместился вперед, то создастся пикирующий момент, который легко может быть устранен увеличением тяги носового винта при соответствующем уменьшении тяги винта, установленного в хвосте. При перемещении центра тяжести паза- мы должны будем увеличить тягу винта, установленного в хвосте, и уменьшить тягу носового винта.

Преимущество вертолета, построенного по этой схеме, состоит в том, что он имеет малое поперечное сечение фюзеляжа, а следовательно, малое вредное сопротивление, что позволяет летать с наибольшими скоростями.

Вертолет с двумя несущими винтами

Недостаток вертолета, построенного по этой схеме, в том, что задний винт при полете вертолета вперед работает в воздухе, предварительно возмущенном передним винтом, а это уменьшает его коэффициент полезного действия.

Показана модель вертолета с двумя продольно расположенными винтами. Лопасти несущих винтов вертолета для облегчения ангарного хранения могут быть изготовлены складывающимися над фюзеляжем, что сильно уменьшает габарит вертолета.

Новые модели обещают существенно изменить привычные представления о винтокрылых машинах: проектная максимальная скорость каждой из них значительно превышает 400 км/ч, которые принято считать технологическим пределом для вертолета

Осведомленный читатель наверняка вспомнит, что попытки создать скоростной вертолет с толкающим винтом предпринимались довольно давно и некоторые из них увенчались успехом если не в коммерческом, то хотя бы в техническом плане. Lockheed AH-56 Cheyenne, совершивший свой первый полет в сентябре далекого 1967 года, мог развивать внушительные 393 км/ч. Но для военных скорость была не так важна, как надежность, простота и дешевизна конструкции, поэтому проект был закрыт и изящный вертолет с дополнительным толкающим винтом уступил место AH-64 Apache традиционной конструкции.

Вертолет Ка-52 обещает стать неотъемлемым элементом транспортной системы, сделав легко доступной любую точку страны, независимо от степени развития аэродромных сетей.

Однако для вертолета 393 и свыше 400 км/ч — это принципиальная разница. В то время как Cheyenne вплотную подобрался к заветному пределу, будущие модели с толкающим винтом обещают его значительно превзойти. А для этого, помимо толкающего винта, нужны дополнительные технологические хитрости. Все три прототипа — «Камова», «Миля» и Sikorsky — выглядят по‑разному. Sikorsky X2 представляет собой машину с соосным несущим и дополнительным толкающим винтами. Ка-92 отличается наличием соосного толкающего винта. Ми-X1 — это вертолет традиционной схемы с несущим, рулевым и дополнительным толкающим винтами.

Разослав по всему миру пресс-релизы с информацией экономического характера, все три фирмы объявили обет молчания касательно деталей конструкции и принципов работы новых машин. На сегодняшний день «Миль» и «Камов» порадовали заинтригованную публику только несколькими макетами перспективных вертолетов, отдельные экземпляры которых весьма значительно отличаются друг от друга и не характеризуются высокой детализацией. А вот опытный образец Sikorsky X2, уже прошедший наземные испытания, все желающие могли рассмотреть на выставке HeliExpo 2008 в Хьюстоне. На примере этой машины мы попробуем разобраться, как будут устроены вертолеты нового поколения. Кстати, формально аппарат с толкающим винтом следует называть не вертолетом, а винтокрылом, так как его горизонтальная тяга определяется не несущим винтом, а дополнительным движителем. И все же позволим себе называть машины по старинке: будет обидно, если слово, к которому мы привыкли, канет в лету вместе с устаревшей конструкцией.

Технологии

Лопасть Оккама

Технологический предел скорости вертолета определяется разницей в скорости движения наступающей и отступающей лопастей несущего винта относительно воздуха. Скорость движения вертолета прибавляется к скорости наступающих лопастей и вычитается из скорости отступающих лопастей. Если угол атаки лопастей на наступающей и отступающей сторонах ротора будет оставаться неизменным, подъемная сила на наступающей стороне будет значительно больше, чем на отступающей, и вертолет перевернется. Автомат перекоса вертолета классической схемы устроен так, чтобы компенсировать эту разницу, циклически уменьшая угол атаки лопастей на наступающей стороне и увеличивая на отступающей. Это значит, что винт ни при каких обстоятельствах не сможет реализовать весь потенциал подъемной силы: даже при максимальном угле атаки лопастей отступающей стороны подъемная сила наступающей стороны будет далека от максимально возможной.

Винтокрыл Ка-22 был разработан в конце 50-х годов для военно-воздушных сил СССР. Грузовой аппарат с двумя несущими и двумя толкающими роторами мог принимать на борт до 16,5 тонн груза и летать со скоростью 350 км/ч. Интересно, что на высокой скорости несущие винты переходили в режим авторотации, и аппарат превращался в огромный автожир. Ка-22 совершил свой первый полет 15 августа 1959 года. В августе 1964 один из опытных образцов винтокрыла вошел в неконтролируемый правый поворот, за которым последовало сваливание. Из пяти членов экипажа лишь троим удалось катапультироваться. После трагической аварии проект был закрыт.

Так же расточительно мы обращаемся с подъемной силой, заставляя вертолет лететь вперед. Чтобы набрать скорость, приходится увеличивать угол атаки лопастей в задней части ротора и уменьшать в передней. Максимального угла атаки всех лопастей, равно как и максимально возможной подъемной силы, мы не получим.

Схема с двумя пересекающимися роторами, установленными под небольшим углом друг к другу, была впервые применена в 1942 году в нацистской Германии для небольшого противолодочного вертолета Flettner Fl 282 Kolibri. Ее придумал конструктор Антон Флеттнер, который после войны присоединился к американской компании Kaman. Основное преимущество синхрокоптеров, как иногда называют вертолеты с пересекающимися роторами, заключается в повышенной стабильности при зависании. Кроме того, синхрокоптеры работают значительно тише вертолетов, построенных по классической схеме. На сегодняшний день в мире эксплуатируется около 40 вертолетов K-Max.

Интересно, что в вертолетах соосной схемы (большинство моделей Камова) для обоих винтов используется практически такой же автомат перекоса, как в одновинтовых машинах. Роторы, вращающиеся в противоположные стороны, компенсируют потерю подъемной силы на отступающих лопастях без помощи автомата перекоса, поэтому схема Камова превосходит классическую по энерговооруженности. Но необходимость создавать горизонтальную тягу с помощью несущих винтов по‑прежнему заставляет идти на энергетический компромисс.

Sikorsky S-72 — это уникальная гибридная экспериментальная платформа с несущим крылом, основным и рулевым роторами и двумя реактивными двигателями, предназначенная для испытания различных вертолетных схем. Летающая лаборатория впервые оторвалась от земли 12 октября 1976 года. Основной ротор S-72 был сбрасываемым: если в полете что-то шло не по плану, испытатели могли одним нажатием кнопки превратить вертолет в реактивный самолет и вернуться на аэродром. На Sikorsky S-72 была испытана концепция ротора X-wing, широкие и жесткие лопасти которого после набора высоты останавливались и играли роль несущего крыла.

В соосной схеме Sikorsky X2 автомат перекоса не несет компенсаторных функций. Несущие винты не отвечают за создание горизонтальной тяги и компенсируют взаимное стремление к крену, поэтому необходимость в циклическом изменении шага винта отпадает. И наступающая, и отступающая стороны ротора X2 всегда развивают максимум подъемной силы. Специалисты Sikorsky называют эту технологию ABC (концепция наступающей лопасти, Advancing Blade Concept). Согласно ABC подъемная сила определяется мощью наступающей лопасти, а не ограничивается возможностями отступающей. Это означает, что вертолет станет экономичнее и сможет преодолевать большие расстояния без дозаправки. Но главное, что по сравнению с вертолетами привычных схем он сможет поддерживать высоту при меньшей скорости вращения главного ротора. А это один из определяющих факторов максимальной скорости.

Чем медленнее, тем быстрее

На определенной скорости горизонтального 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. Однако 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.

Sikorsky X2
Разработчик Sikorsky Aircraft
Экипаж 2 человека
Назначение Экспериментальная платформа
Особенности конструкции
Силовая установка Турбовальный двигатель LHTEC T800-LHT-801 (1000−1340 кВт)
Несущий винт 2 соосных четырехлопастных ротора
Толкающий винт 6-лопастной ротор
Система управления электродистанционная Fly-by-Wire
Крепление лопастей бесшарнирное
Динамические показатели
Крейсерская скорость 460 км/ч
Максимальная взлетная масса 3600 кг
Дальность полета без дозаправки 1300 км

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.

Знаменитый конвертоплан V-22 Osprey разрабатывался компаниями Bell и Boeing в течение 30 лет. Летающий трансформер совершил первый испытательный полет 19 марта 1989 года и вскоре продемонстрировал способность превращаться из вертолета в самолет прямо в воздухе. Максимальная скорость V-22 достигает 638 км/ч. Отчасти Osprey повторил судьбу Cheyenne: конвертоплан, сложнейшая конструкция которого на 70% состоит из композитных материалов, оказался слишком дорогим для повсеместного применения в армии ($70 млн за единицу в 2007 году). Тем не менее, на сегодняшний день V-22 остается единственным конвертопланом, выпускаемым серийно.

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 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.

Аббревиатура VTDP расшифровывается как Vectored Thrust Ducted Propeller, то есть ротор с управляемым вектором тяги. X-49A VTDP представляет собой многоцелевой военный вертолет Sikorsky YSH-60F Seahawk, основательно переделанный компанией Piasecki в целях испытания перспективной скоростной схемы. Толкающий хвостовой ротор машины установлен в трубе, за которой располагаются киль и руль высоты. Вращательный момент основного ротора компенсируется воздушным потоком, направляемым килем. На высокой скорости крен машины управляется с помощью флаперонов. Первый полет X-49A VTDP состоялся 29 июня прошлого года. В настоящее время испытания продолжаются.

Распространено заблуждение, что у Sikorsky X2 вовсе нет автомата перекоса. Убедиться в обратном вы можете сами, внимательно рассмотрев фотографии машины. Увидеть этот узел непросто, потому что циклический шаг у X2 регулируется только для нижнего несущего винта. Для управления креном и маневрирования на низких скоростях этого вполне достаточно — ведь несущий ротор не участвует в создании горизонтальной тяги в крейсерском полете.

Знаменитый Chinook — двухвинтовой двухмоторный тяжелый транспортник — состоит на вооружении ВВС США с середины 60-х годов. И в те времена, и даже сегодня эта махина способна обогнать многие вертолеты традиционной конструкции — максимальная скорость CH-47 достигает 315 км/ч. Аппарат может взять на борт до 55 пехотинцев и до 13 тонн груза. Chinook — один из немногих вертолетов с необычной конфигурацией винтов, получивших широкое распространение, производящихся серийно и применяющихся военными разных стран до сих пор. В настоящее время CH-47 состоит на вооружении США, Великобритании, Италии, Австралии, Японии и еще многих стран.

Испытание временем

Вертолет, показанный на выставке в Хьюстоне, — это всего лишь демонстратор технологии X2, на базе которой Sikorsky предлагает построить целую серию разнообразных летательных аппаратов различного назначения. Это может быть и высокоскоростной боевой вертолет, и экономичный (и не менее быстрый) пассажирский вертолет бизнес-класса, и тяжелый транспортник с грузоподъемностью до 20 т, и 40-тонный летающий кран. Также по технологии X2 планируется построить беспилотный летательный аппарат. Компания обещает, что ближе к концу нынешнего года состоятся первые летные испытания X2. Они-то и расставят все точки над i в будущем вертолетостроения.

В конструкции Sikorsky X2 используется перспективная система бесшарнирного ротора.

«Миль» обещает представить широкой публике действующий образец машины с толкающим винтом в 2011 году. Это будет скоростной пассажирский вертолет, который призван разделить участь самолетов региональных авиалиний в труднодоступных районах со слаборазвитой аэродромной сетью. Сможет ли Ми-X1 тягаться с машиной Sikorsky, пока непонятно: вертолет с единственным несущим винтом не может воспользоваться преимуществами концепции наступающей лопасти.

По мнению президента компании Sikorsky Aircraft Джеффри Пино, Sikorsky X2 должен кардинально изменить расстановку сил на рынке винтокрылых машин. Если проект будет воплощен в жизнь, к вертолетам будут предъявляться принципиально иные требования.

Ka-92 с соосным несущим и соосным толкающим винтами будет рассчитан на перевозку 30 пассажиров на расстояние более 1400 км без дозаправки. Крейсерская скорость вертолета будет достигать 450 км/ч. «Ка-92 — это не просто вертолет, это элемент транспортной системы, которая в совокупности с магистральными самолетами сделает доступной любую точку нашей страны, — говорит генеральный конструктор ОАО «Камов» Сергей Михеев. — К примеру, вылетев из Мурманска, Ка-92 с нефтяниками-вахтовиками на борту мог бы долететь до нефтяных платформ в районе Штокманского месторождения, удаленных на 700−800 км, и вернуться на аэродром базирования без дозаправки». Специалисты фирмы «Камов» обещают применить несколько принципиально новых для вертолетной отрасли технических решений, которые позволят радикально увеличить скорость полета машины. Подробности пока не раскрываются. На разработку Ка-92 «Камов» отводит себе не менее восьми лет. «Что касается сроков, я собираюсь еще при жизни полетать на этом вертолете», — отшучивается 70-летний конструктор Михеев.

Торопиться конструкторам некуда. Принимая во внимание различия в назначении и конструкции всех трех машин, можно предположить, что прямыми конкурентами они не станут. Кроме того, до начала летных испытаний трудно сказать, какая из трех предложенных схем окажется самой быстрой, самой экономичной и самой надежной.

Статья опубликована в журнале «Популярная механика» (№8, Август 2008).

Семь основных вертолётных схем

Винтокрылые лошадки

Ликбез по семи основным вертолетным схемам

За последнее время в мире вертолетной техники произошло несколько значимых событий. Американская компания Kaman Aerospace объявила о намерении возобновить производство синхроптеров, Airbus Helicopters пообещала разработать первый гражданский вертолет с электродистанционным управлением, а немецкая e-volo — испытать 18-роторный двухместный мультикоптер. Чтобы не запутаться во всем этом разнообразии, мы решили составить краткий ликбез по основным схемам вертолетной техники.

Впервые идея летательного аппарата с несущим винтом появилась около 400 года нашей эры в Китае, однако дальше создания детской игрушки дело не пошло. Всерьез инженеры взялись за создание вертолета в конце XIX века, а первый вертикальный полет нового типа летательного аппарата состоялся в 1907 году, спустя всего четыре года после первого полета братьев Райт. В 1922 году авиаконструктор Георгий Ботезат испытал вертолет-квадрокоптер, разработанный по заказу Армии США. Это был первый в истории устойчиво управляемый полет техники такого типа. Квадрокоптер Ботезата сумел взлететь на высоту пяти метров и провел в полете несколько минут.

С тех пор вертолетная техника претерпела множество изменений. Появился класс винтокрылых летательных аппаратов, который сегодня делится на пять типов: автожир, вертолет, винтокрыл, конвертоплан и X-крыло. Все они отличаются конструкцией, способом взлета и полета, управлением несущим винтом. В этом материале мы решили рассказать именно о вертолетах и их основных типах. При этом за основу была взята классификация по компоновке и расположению несущих винтов, а не традиционная — по типу компенсации реактивного момента несущего винта.

Вертолет является винтокрылым летательным аппаратом, у которого подъемная и движущая силы создаются одним или несколькими несущими винтами. Такие винты располагаются параллельно земле, а их лопасти устанавливаются под определенным углом к плоскости вращения, причем угол установки может изменяться в достаточно широких пределах — от нуля до 30 градусов. Установка лопастей на ноль градусов называется холостым ходом винта или флюгированием. В этом случае несущий винт не создает подъемной силы.

Во время вращения лопасти захватывают воздух и отбрасывают его в направлении, противоположном движению винта. В результате перед винтом создается зона пониженного давления, а за ним — повышенного. В случае вертолета так возникает подъемная сила, которая очень похожа на образование подъемной силы фиксированным крылом самолета. Чем больше угол установки лопастей, тем большую подъемную силу создает несущий винт.

Характеристики несущего винта определяются двумя основными параметрами — диаметром и шагом. Диаметр винта определяет возможности вертолета по взлету и посадке, а также отчасти величину подъемной силы. Шаг винта — это воображаемое расстояние, которое воздушный винт пройдет в несжимаемой среде при определенном угле установки лопастей за один оборот. Последний параметр влияет на подъемную силу и скорость вращения ротора, которую на большей части полета летчики стараются держать неизменной, меняя только угол установки лопастей.

При полете вертолета вперед и вращении несущего винта по часовой стрелке, набегающий поток воздуха сильнее воздействует на лопасти с левой стороны, из-за чего возрастает и их эффективность. В результате левая половина окружности вращения винта создает большую подъемную силу, чем правая, и возникает кренящий момент. Для его компенсации конструкторы придумали автомат перекоса — это особая система, которая уменьшает угол установки лопастей слева и увеличивает его справа, выравнивая таким образом подъемную силу по обе стороны винта.

В целом, вертолет имеет несколько преимуществ и несколько недостатков перед самолетом. К преимуществам относится возможность вертикального взлета и посадки на площадки, диаметр которых в полтора раза превосходит диаметр несущего винта. При этом вертолет может на внешней подвеске перевозить крупногабаритные грузы. Вертолеты отличаются и лучшей маневренностью, поскольку могут висеть вертикально, лететь боком или задом-наперед, поворачиваться на месте.

К недостаткам же относятся большее, чем у самолетов, потребление топлива, большая инфракрасная заметность из-за горячего выхлопа двигателя или двигателей, а также повышенная шумность. Кроме того, вертолетом в целом сложнее управлять из-за ряда особенностей. Например, летчикам вертолетов знакомы явления земного резонанса, флаттера, вихревого кольца, эффекта запирания несущего винта. Эти факторы могут приводить к разрушению или падению машины.

У вертолетной техники любых схем существует режим авторотации. Он относится к аварийным режимам. Это означает, что при отказе, например, двигателя несущий винт или винты при помощи обгонной муфты отсоединяются от трансмиссии и начинают свободно раскручиваться набегающим потоком воздуха, тормозя падение машины с высоты. В режиме авторотации возможна управляемая аварийная посадка вертолета, причем вращающийся несущий винт через редуктор продолжает раскручивать рулевой винт и генератор.

Классическая схема

Из всех типов вертолетных схем сегодня самой распространенной является классическая. При такой схеме машина имеет только один несущий винт, который может приводиться в движение одним, двумя или даже тремя двигателями. К этому типу, например, относятся ударные AH-64E Guardian, AH-1Z Viper, Ми-28Н, транспортно-боевые Ми-24 и Ми-35, транспортные Ми-26, многоцелевые UH-60L Black Hawk и Ми-17, легкие Bell 407 и Robinson R22.

При вращении несущего винта на вертолетах классической схемы возникает реактивный момент, из-за которого корпус машины начинает раскручиваться в сторону, противоположную вращению ротора. Для компенсации момента используют рулевое устройство на хвостовой балке. Как правило им является рулевой винт, но это может быть и фенестрон (винт в кольцевом обтекателе) или несколько воздушных сопел на хвостовой балке.

Особенностью классической схемы являются перекрестные связи в каналах управления, обусловленные тем, что рулевой винт и несущий приводятся одним и тем же двигателем, а также наличием автомата перекоса и множества других подсистем, ответственных за управление силовой установкой и роторами. Перекрестная связь означает, что при изменении какого-либо параметра работы воздушного винта, поменяются и все остальные. Например, при увеличении частоты вращения несущего винта возрастет и частота вращения рулевого.

Управление полетом осуществляется наклоном оси вращения несущего винта: вперед — машина полетит вперед, назад — назад, вбок — вбок. При наклоне оси вращения возникнет движущая сила и уменьшается подъемная. По этой причине для сохранения высоты полета летчику необходимо менять и угол установки лопастей. Направление полета задается изменением шага рулевого винта: чем он меньше, тем меньше компенсируется реактивный момент, и вертолет поворачивает в сторону, противоположную вращению несущего винта. И наоборот.

В современных вертолетах в большинстве случаев управление полетом по горизонтали осуществляется при помощи автомата перекоса. Например, для движения вперед летчик при помощи автомата уменьшает угол установки лопастей для передней половины плоскости вращения крыла и увеличивает — для задней. Таким образом сзади подъемная сила увеличивается, а спереди — уменьшается, благодаря чему изменяется наклон винта и появляется движущая сила. Такая схема управления полетом применяется на всех вертолетах почти всех типов, если на них установлен автомат перекоса.

Соосная схема

Второй по распространенности вертолетной схемой является соосная. В ней рулевой винт отсутствует, зато есть два несущих винта — верхний и нижний. Они располагаются на одной оси и вращаются синхронно в противоположных направлениях. Благодаря такому решению винты компенсируют реактивный момент, а сама машина получается несколько более устойчивой по сравнению с классической схемой. Кроме того, у вертолетов соосной схемы практически отсутствуют перекрестные связи в каналах управления.

Наиболее известным производителем вертолетов соосной схемы является российская компания «Камов». Она выпускает корабельные многоцелевые вертолеты Ка-27, ударные Ка-52 и транспортные Ка-226. Все они имеют по два винта, расположенных на одной оси друг под другом. Машины соосной схемы, в отличие от вертолетов классической схемы, способны, например, делать воронку, то есть выполнять облет цели по кругу, оставаясь на одном и том же расстоянии от нее. При этом носовая часть всегда остается развернутой в сторону цели. Управление рысканием осуществляется подтормаживанием одного из несущих винтов.

В целом управлять вертолетами соосной схемы несколько проще, чем обычными, особенно в режиме висения. Но существуют и свои особенности. Например, при выполнении петли в полете может случиться перехлест лопастей нижнего и верхнего несущего винтов. Кроме того, в проектировании и производстве соосная схема более сложна и дорога, чем классическая схема. В частности из-за редуктора, передающего вращение вала двигателя на винты, а также автомата перекоса, синхронно устанавливающего угол лопастей на винтах.

Продольная и поперечная схемы

Третьей по популярности является продольная схема расположения несущих винтов вертолета. В этом случае винты располагаются параллельно земле на разных осях и разнесены друг от друга — один находится над носовой частью вертолета, а другой — над хвостовой. Типичным представителем машин такой схемы является американский тяжелый транспортный вертолет CH-47G Chinook и его модификации. Если винты располагаются на законцовках крыльев вертолета, то такая схема называется поперечной.

Серийных представителей вертолетов поперечной схемы сегодня не существует. В 1960-1970-х годах конструкторское бюро Миля разрабатывало тяжелый грузовой вертолет В-12 (также известен, как Ми-12, хотя этот индекс неверен) поперечной схемы. В августе 1969 года прототип В-12 установил рекорд грузоподъемности среди вертолетов, подняв на высоту 2,2 тысячи метров груз массой 44,2 тонны. Для сравнения самый грузоподъемный в мире вертолет Ми-26 (классическая схема) может поднимать грузы массой до 20 тонн, а американский CH-47F (продольная схема) — массой до 12,7 тонны.

У вертолетов продольной схемы несущие винты вращаются в противоположных направлениях, однако это компенсирует реактивные моменты лишь отчасти, из-за чего в полете летчикам приходится учитывать возникающую боковую силу, уводящую машину с курса. Движение в стороны задается не только наклоном оси вращения несущих винтов, но и разными углами установки лопастей, а управление рысканием производится за счет изменения частоты вращения роторов. Задний винт у вертолетов продольной схемы всегда располагается чуть выше переднего. Это сделано для исключения взаимного влияния от их воздушных потоков.

Кроме того, на определенных скоростях полета вертолетов продольной схемы иногда могут возникать значительные вибрации. Наконец, вертолеты продольной схемы оснащаются сложной трансмиссией. По этой причине такая схема расположения винтов распространена мало. Зато вертолеты продольной схемы меньше других машин подвержены возникновению вихревого кольца. В этом случае во время снижения воздушные потоки, создаваемые винтом, отражаются от земли вверх, затягиваются винтом и снова направляются вниз. При этом подъемная сила несущего винта резко снижается, а изменение частоты вращения ротора или увеличение угла установки лопастей эффекта практически не оказывает.

Синхроптер

Сегодня вертолеты, построенные по схеме синхроптера, можно отнести к самым редким и наиболее интересными с конструктивной точки зрения машинами. Их производством до 2003 года занималась только американская компания Kaman Aerospace. В 2017 году компания планирует возобновить выпуск таких машин под обозначением K-Max. Синхроптеры можно было бы отнести к вертолетам поперечной схемы, поскольку валы двух их винтов расположены по бокам корпуса. Однако оси вращения этих винтов расположены под углом другу к другу, а плоскости вращения — пересекаются.

У синхроптеров, как у вертолетов соосной, продольной и поперечной схем, рулевой винт отсутствует. Несущие же винты вращаются синхронно в противоположные стороны, а их валы связаны друг с другом жесткой механической системой. Это гарантированно предотвращает столкновение лопастей при разных режимах и скоростях полета. Впервые синхроптеры были изобретены немцами во время второй мировой войны, однако серийное производство велось уже в США с 1945 года компанией Kaman.

Направлением полета синхроптера управляют исключительно изменением угла установки лопастей винтов. При этом из-за перекрещивания плоскостей вращения винтов, а значит сложения подъемных сил в местах перекрещивания, возникает момент кабрирования, то есть подъема носовой части. Этот момент компенсируется системой управления. В целом же, считается, что синхроптером проще управлять в режиме висения и на скоростях больше 60 километров в час.

К достоинствам таких вертолетов относится экономия топлива за счет отказа от рулевого винта и возможность более компактного размещения агрегатов. Кроме того, синхроптерам характерна большая часть положительных качеств вертолетов соосной схемы. К недостаткам же относится необычайная сложность механической жесткой связи валов винтов и системы управления автоматами перекоса. В целом это делает вертолет дороже, по сравнению с классической схемой.

Мультикоптер

Разработка мультикоптеров началась практически одновременно с работами над вертолетом. Именно по этой причине первым вертолетом, совершившим управляемый взлет и посадку стал в 1922 году квадрокоптер Ботезата. К мультикоптерам относят машины, как правило имеющие четное количество несущих винтов, причем их должно быть больше двух. В серийных вертолетах сегодня схема мультикоптеров не используется, однако она чрезвычайно популярна у производителей малой беспилотной техники.

Дело в том, что в мультикоптерах используются винты с неизменяемым шагом винта, причем каждый из них приводится в движение своим двигателем. Компенсация реактивного момента производится вращением винтов в разные стороны — половина крутится по часовой стрелке, а другая половина, расположенная по диагонали, — в противоположном направлении. Это позволяет отказаться от автомата перекоса и в целом значительно упростить управление аппаратом.

Для взлета мультикоптера частота вращения всех винтов увеличивается одинаково, для полета в сторону — вращение винтов на одной половине аппарата ускоряется, а на другой — замедляется. Поворот мультикоптера производится замедлением вращения, например, винтов, крутящихся по часовой стрелке или наоборот. Такая простота конструкции и управления и послужила основным толчком к созданию квадрокоптера Ботезата, однако последующее изобретение рулевого винта и автомата перекоса практически затормозило работы над мультикоптерами.

Причиной же, по которой сегодня не существует мультикоптеров, предназначенных для перевозки людей, является безопасность полетов. Дело в том, что в отличие от всех остальных вертолетов, машины с несколькими винтами не могут совершать аварийную посадку в режиме авторотации. При отказе всех двигателей мультикоптер становится неуправляемым. Впрочем, вероятность такого события невысока, однако отсутствие режима авторотации является главным препятствием для прохождении сертификации на безопасность полетов.

Впрочем, в настоящее время немецкая компания e-volo занимается разработкой мультикоптера с 18 роторами. Этот вертолет предназначен для перевозки двух пассажиров. Как ожидается, он совершит первый полет в ближайшие несколько месяцев. По расчетам конструкторов, прототип машины сможет находиться в воздухе не больше получаса, однако этот показатель планируется довести по меньшей мере до 60 минут.

Следует также отметить, что помимо вертолетов с четным количеством винтов существуют и мультикоптерные схемы с тремя и пятью винтами. У них один из двигателей расположен на отклоняемой в стороны платформе. Благодаря этому осуществляется управление направлением полета. Впрочем, в такой схеме становится сложнее гасить реактивный момент, поскольку два винта из трех или три из пяти всегда вращаются в одном направлении. Для нивелирования реактивного момента некоторые из винтов вращаются быстрее, а это создает ненужную боковую силу.

Скоростная схема

Сегодня наиболее перспективной в вертолетной технике считается скоростная схема, позволяющая вертолетам летать на существенно большей скорости, чем могут современные машины. Чаще всего такую схему называют комбинированным вертолетом. Машины этого типа строятся по соосной схеме или с одним винтом, однако имеют небольшое крыло, создающее дополнительную подъемную силу. Кроме того, вертолеты могут быть оснащены толкающим винтом в хвостовой части или двумя тянущими на законцовках крыла.

Ударные вертолеты классической схемы AH-64E способны развивать скорость до 293 километров в час, а соосные Ка-52 — до 315 километров в час. Для сравнения, комбинированный вертолет — демонстратор технологий Airbus Helicopters X3 с двумя тянущими винтами может разгоняться до 472 километров в час, а его американский конкурент с толкающим винтом — Sikorksy X2 — до 460 километров в час. Перспективный разведывательный скоростной вертолет S-97 Raider сможет летать на скоростях до 440 километров в час.

Строго говоря, комбинированные вертолеты относятся скорее не к вертолетам, а к другому типу винтокрылых летательных аппаратов — винтокрылам. Дело в том, что движущая сила у таких машин создается не только и не столько несущими винтами, сколько толкающими или тянущими. Кроме того, за создание подъемной силы отвечают и несущие винты, и крыло. А на больших скоростях полета управляемая обгонная муфта отключает несущие винты от трансмиссии и дальнейший полет идет уже в режиме авторотации, при которой несущие винты работают, фактически, как крыло самолета.

В настоящее время разработкой скоростных вертолетов, которые в перспективе смогут развивать скорость свыше 600 километров в час, занимаются несколько стран мира. Помимо Sikorsky и Airbus Helicopters такие работы ведут российские «Камов» и конструкторское бюро Миля (Ка-90/92 и Ми-X1 соответственно), а также американская Piacesky Aircraft. Новые комбинированные вертолеты смогут совместить в себе скорость полета турбовинтовых самолетов и вертикальные взлет и посадку, присущие обычным вертолетам.

Реален ли вертолет только с одним винтом?

История вертолетостроения началась около века назад, когда появились бензиновые двигатели, способные выдавать большую мощность при небольших габаритах. С тех пор было разработано и опробовано несколько вертолетных схем, описывающих количество и расположение несущих винтов.

Отличительной особенностью практически всех вертолетов стало то, что общее количество винтов у них не меньше двух. Чаще всего это либо два несущих винта, либо один несущий винт и один рулевой винт, расположенный в хвосте воздушной машины. Это объясняется неизбежным возникновением реактивного момента, создаваемого единственным несущим винтом. Реактивный момент стремится развернуть вертолет в сторону, противоположную вращению винта.

Для того, чтобы компенсировать реактивный момент, нужен второй винт. В случае двух несущих винтов (как у Ка-26, Ми-12 или Boeing CH-47 Chinook) они вращаются в противоположных направлениях, благодаря чему суммарный реактивный момент компенсируется. Если в вертолете применяется рулевой винт, расположенный вертикально, то он также стремиться противодействовать реактивному моменту, создавая тягу в противоположную сторону.

Но существуют вертолеты, имеющие всего один винт. А компенсация реактивного момента осуществляется иным способом. Такая система называется NOTAR (No Tail Rotor – без хвостового винта).

В основе такой системы лежит так называемый эффект чайника (или эффект Коанда). Каждый из нас знает не понаслышке, что если лить из чайника воду тонкой струёй, то она будет как бы прилипать к носику и прольется мимо стакана. Это происходит из-за того, что носик препятствует поступлению с его стороны воздуха, создавая завихрения в этой зоне пониженного давления. Точно так же и газы, движущиеся вдоль стенки, прилипают к ней, так как вдоль нее находится зона пониженного давления.

В вертолете у основания хвостовой балки располагается вентилятор, который приводится в действие от редуктора несущего винта. Поток воздуха от вентилятора выходит через два узких и длинных сопла, находящихся на правой стороне балки. Он заставляет отклоняться поток воздуха от несущего винта, в результате чего возникает аэродинамическая сила, действующая вправо. Кроме этого, на конце хвостовой балки имеется реактивное сопло и кили: они служат для управления вертолетом.

Первый полет вертолет с системой NOTAR совершил в 1981 году. В настоящий момент производится несколько моделей вертолетов, самый распространенный из которых MD520N, выпускаемый компанией Hughes Helicopters. Эти воздушные машины летают и в России.

Система NOTAR имеет многие преимущества. К примеру, отсутствие хвостового винта повышает безопасность находящихся рядом людей (не секрет, что попадание человека под хвостовой винт – явление более частое, чем хотелось бы). Также огромным плюсом является снижение уровня шума: эти вертолеты считаются одними из самых тихих. Кроме того, отбор мощности вентилятора от двигателя на 10-15% ниже, чем для хвостового винта, что существенно повышает экономичность. Возрастает и надежность – ведь отсутствие хвостового винта уменьшает число подвижных механических узлов и деталей. А еще эти вертолеты имеют отличную управляемость и маневренность.

В числе недостатков – повышенное потребление мощности в режиме зависания и малых скоростей. Также в военных целях применение подобных вертолетов было признано неудачным. Так что сегодня эти вертолеты используются преимущественно в гражданской и полицейской авиации.

Двухвинтовые вертолеты продольной схемы:

Часть Восьмая

Boeing-Vertol CH-47 «Chinook» (1961)Продолжение

СН-47D — усовершенствованный военно-транспортный вертолет, разрабатывавшийся в 1976 году по программе армии США модернизации вертолетов СН-47А, В и С с целью увеличения их ресурса и грузоподъемности до 10385кг на внешней подвеске и усовершенствования конструкции и характеристик. Первый из трех опытных модернизированных вертолетов совершил первый полет 11 мая 1979 года, первый серийный — 26 февраля 1982 года. Программой общей стоимостью более 3.5 млрд долларов осуществлена модернизация 472 ранее построенных вертолетов, включая производство ряда новых вертолетов для замены потерянных во время военных действий. На модернизированных вертолетах предусматривалось использование 13 различных усовершенствований, включая установку более мощных ГТД, усиленной трансмиссии, новых несущих винтов и вспомогательной силовой установки, усовершенствованного электронного и гидравлического оборудования и системы заправки топливом в полете, усиление конструкции планера. Экспортный вариант вертолета получил обозначение СН-47D «International Chinook».

НС.Мк.1 и НС.Мк.1В — обозначение вертолета СН-47 для ВВС Англии, заказавших 44 вертолета.
С/МН-47Е — многоцелевой вариант с увеличенной дальностью для специальных частей армии; снабжен системой заправки топливом в полете, вооружением и усовершенствованным оборудованием. Первый серийный вертолет совершил первый полет 25 октября 1990г, заказан 51 вертолет.
Boeing-Vertol 347 — экспериментальный вертолет, являющийся развитием вертолета СН-47А с четырехлопастными несущими винтами, фюзеляжем большей длины и поворотным крылом для разгрузки несущих винтов, убирающимся шасси и двумя ГТД с увеличенной мощностью. Летные испытания экспериментального вертолета начались в 1970г. и были прекращены в 1974
Boeing-Vertol 234 — гражданский вариант для перевозки 44 пассажиров или груза на внешней подвеске массой до 12700кг. Совершил первый полет 13 августа 1980 года. Производились малой серией три основных модификации: 234IР и 234ЕР, с увеличенной до 1620км дальностью и увеличенным запасом топлива, и 234МIР — многоцелевой вертолет; поставлено 22 вертолета всех модификаций.
Boeing-Vertol 414 — экспортный вариант военно-транспортных вертолетов СН-47С и СН-471; заказано 24 вертолета.
CH-47J — модификация вертолета СН-47D для сил самообороны Японии; производится по лицензии в Японии фирмой Kawasaki.
«Advanced Chinook» — усовершенствованный вариант вертолета «Chinook»; разработан на базе планера вертолета СН-47В сиспользованием нововведений из других программ; на вертолете были использованы топливные баки, обеспечивающие большую дальность, и штанга для заправки в полете от вертолета МН-47Е, новые экономичные двигатели мощностью по 3730кВт, усовершенствованные четырехлопастные несущие винты от экпериментального вертолета Boeing V-360 и втулка из эластомерного материала, кабина экипажа с ИК-системой переднего обзора, выполненная с применением техники вертолетов V-360, МН-47Е и СВВП V-22 «Osprey», система контроля за неисправностями и выработкой топлива, разработанная для гражданского вертолета V-254.

Программу усовершенствований предлагается провести в два этапа. Блок 1 — установка ГТД T55-L—714 и баков большей емкости, обеспечивающих увеличение платной нагрузки и дальности. Блок 2 — после 1994 года; установка усовершенствованных ГТД, четырехлопастных несущих винтов и усовершенствованного оборудования.

По оценкам фирмы «Боинг», экономия при эксплуатации усовершенствованных вертолетов «Чинук» в армии составит 200—500 млн долларов при стоимости одного вертолета в комплекте 20—25 млн долларов; стоимость эксплуатации и технического обслуживания усовершенствованного вертолета «Чинук» будет на 23% меньше, чем вертолета МН-47Е. Усовершенствованный вертолет «Чинук» предлагается также для поставок на экспорт.