Авиация и космонавтика 1994 01

СООСНЫЕ ВОЗДУШНЫЕ ВИНТЫ

М. Маслов

В конце 30-х годов нашего столетия ограниченные возможности воздушного винта вызвали трудности в решении проблемы дальнейшего увеличения скорости полета для самолетов с поршневыми двигателями. Возрастание мощности авиационных двигателей и в особенности увеличение их высотности при существовавших конструктивных ограничениях диаметра воздушных винтов привело к необходимости увеличения числа лопастей винтов, а также их рабочей поверхности, Из всех возможных вариантов получения более эффективного винтового движителя внимание конструкторов начали привлекать соосные воздушные винты.

Элементарные соображения наталкивали конструкторов на мысль о преимуществах винтов, вращающихся в противоположных направлениях. Суммарный реактивный момент таких винтов равнялся нулю, в результате чего отпадала необходимость в аэродинамических компенсаторах. При криволинейном полете устранялся гироскопический момент, что повышало маневренность. Воздушный поток, закрученный передним винтом, выпрямлялся задним, что создавало возможности увеличения КПД. Более того, выпрямленный поток обеспечивал симметричное обтекание самого самолета, что очень благоприятствовало улучшению управляемости на взлете и посадке. Естественно, что эти соображения нуждались в подтверждениях экспериментальными данными.

Нужно заметить, что интерес к соосным воздушным винтам проявляли столько же лет, сколько лет осуществлялись пилотируемые полеты. Еще братья Райт установили на своем первом самолете винты противоположного вращения с целью устранения реактивного момента винта. В 1918 г. исследования (далеко не единственные) двухлопастных соосных винтов были проведены в лабораториях Стенфордского университета в США. Результаты этих исследований были малообещающими, так как оказалось, что КПД такой системы винтов несколько ниже, чем у одиночного двухлопастного винта. Был сделан вывод (который и подтвердился во всех последующих исследованиях) о том, что при маломощных моторах, т.е. при малых относительных нагрузках на лопасти, соосные винты преимуществ не имеют. Исследования этого вопроса были прекращены более чем на 10 – 15 лет,

Конструкторы самолетов в этот период применяли винты противоположного вращения, при помощи которых стремились в основном добиться устранения реактивного момента и повысить устойчивость самолета за счет улучшения его обдувки. Это касается прежде всего летающих лодок Дорнье «Валь», До-18, Шорт «Сингапур» и Луар-Ныопор. Очевидно, жесткие требования к гидросамолетам привели к тому, что впервые возможности соосных винтов триумфально были продемонстрированы именно на гидросамолете- итальянском Макки-Кастольди М-7 2.

Этот самолет строился специально для международных состязаний на кубок Шнейдера, где часто устанавливались и мировые рекорды скорости, Особенностью гонок было участие в них исключительно гидросамолетов, причем это были в основном двухпоплавковые машины. Летчикам, участвующим в этих состязаниях, приходилось начинать взлет под прямым углом к ветру, так как неуравновешенный реактивный момент одиночного винта заставлял противоположный поплавок погружаться в воду, в результате чего получался полный разворот на 90° к направлению ветра. Понятно, что подобный маневр был сложен в исполнении и представлял собой немалую опасность. Очевидно, что именно этот недостаток заставил конструктора Map и о Кастольди использовать соосные винты на своем М-72. В процессе создания машины проведенные исследования показали, что можно ожидать и значительного увеличения скорости. И хотя вращение винтов не было синхронизированно (каждый винт вращался от отдельного двигателя, и практически всегда имелась некоторая разница в оборотах), успех был достигнут. В 1934 г. Макки-Кастольди М-72 установил мировой рекорд скорости 709 км/ч, который продержался до 1939 г.

С этого момента интерес к соосным винтам возобновился. Появился ряд опытных самолетов, на которых проверялись теоретические исследования в этой области. Наиболее интересной среди этих машин можно назвать голландский Кольховен FK .55 (рис. 1), продемонстрированный на Парижском авиасалоне 1936 г. Однако ни FK .55, ни какой-либо подобный самолет развития не получили. Сложность и большой вес редуктора при имеющихся мощностях двигателей заметного выигрыша пока не сулили.

Только в разгар второй мировой войны, когда мощности авиационных поршневых двигателей возросли до 2000 л. с. и более, проекты соосных воздушных винтов начали реально воплощаться в конструкциях самолетов. Английская фирма «Ротол», создавшая в 1942 г. опытный образец силовой установки с соосными винтами, к концу войны оснастила ею истребитель «Сифайр». Подобные установки с успехом Пыли испытаны и на двух других опытных английских истребителях: МВ-5 и Хоукер «Торнадо». В США в тот же период соосные воздушные винты применялись на опытных самолетах ХР-75, XF – 14C и ХВ-4 2, Успех, однако, был запоздалым, ибо триумфальное восшествие газотурбинного двигателя, сулящего гораздо более высокие полетные скорости, в значительной степени сузило возможности применения воздушных винтов вообще.

С этого момента, т.е. с середины 4 0-х годов, соосные воздушные винты нашли себе применение на пассажирских и транспортных самолетах. Получив второе рождение с развитием турбовинтовых двигателей, такие винты применяются с успехом и по сей день.

Продолжая затронутую тему, следует описать работы в этом направлении, проведенные в СССР.

Среди советских конструкторов одним из первых соосные воздушные винты решил применить Александр Москалев. В период 1933 – 1934 гг. ОКБ Москалева совместно с кафедрой аэромеханики Воронежского государственного университета начало разработку новых аэродинамических компоновок с целью получения высоких скоростей полета. В результате было найдено наиболее целесообразное направление в формировании облика самолета.

Проект, получивший обозначение «Сигма» (рис. 2), представлял собой схему стилизованного треугольного «летающего крыла» очень малого удлинения (меньше единицы). На самолете предполагалось установить два двигателя Испано-Сюиза 12 YBRS с соосными винтами противоположного вращения. Как и итальянец Марио Кастольди на своем МК-72. Москалев добивался прежде всего устранения реактивного момента винта и улучшения управляемости и так же мог бы получить на «Сигме» рекордную скорость. В ноябре 1934 г. проект был окончен и направлен в Москву, в Главное управление авиационной промышленности, на рассмотрение. Идея, однако, показалась слишком необычной, проект сочли преждевременным и сдали в архив. Впоследствии автору удалось реализовать подобный самолет с маломощным мотором, но до применения соосных винтов дело не дошло.

В 1936 г. заведующий кафедрой самолетостроения Военно-воздушной академии им. Н. Е. Жуковского Виктор Болховитинов, удовлетворенный достигнутым успехом при создании четырехмоторного тяжелого бомбардировщика ДБ-А, обращается к проблеме создания скоростного боевого самолета. Из многих вариантов компоновок он выбирает схему с двумя двигателями М-103, установленными один за другим (тандемом) с передачей на соосные воздушные винты, Для решения этой задачи он конструирует спаренную установку двигателей с последующей отработкой на стенде. Стендовые испытания дели обнадеживающие результаты, поэтому в 1937 г. под руководством Болховитинова разрабатывается проект скоростного ближнего бомбардировщика, получившего индекс «С» (существовало несколько вариантов расшифровки индекса: «Сталин», «Спарка», «Спартак»). Первоначально это был самолет с однокилевым оперением и с различными вариантами применения и вооружения. На представленных схемах изображены именно первые прорисовки самолета «С» (рис. 3).

Основные данные: размах крыла 1 = 5,63 м; площадь крыла S = 32.5 м г ; удлинение X = 0,975; полетный вес Ц, – 3080 кг; двигатели 2 х 124В75; = 1000 км/ч; v ^, = 125 км/ч

В дальнейшем было решено оперение машины сделать двухкилевым, В таком виде «С» был построен в 1 938 г. Винтомоторная установка этой машины представлена на рис. 4.

Проведенные испытания показали жизнеспособность силовой установки, однако полученные летные данные не удовлетворяли военных. Максимальная скорость «С» на высоте 4600 м составила 570 км/ч, что было неплохо, однако высокими оказались и скорости взлета и посадки. Было признано, что самолет испытаний не выдержал, а конструктору было предложено заняться усовершенствованием машины. В течение 1940 г. Болхо-витинов продолжает работать над своим детищем, в частности над улучшением его взлетно-посадочных характеристик и возможной установкой более мощных двигателей, Помимо прочего он настойчиво занимается поиском новых схем и компоновок.

В период конца 1940 -начала 1941 г. решение проблемы соосных воздушных винтов становится

более актуальным. Активно в этой области работают ученые ЦАГИ. Наряду с теоретическими работами по определению аэродинамических характеристик соосных винтов ведутся практические эксперименты в аэродинамической трубе ЦАГИ Т-5.

Однако еще до окончания исследований и получения результатов появляются проекты самолетов, в которых реально могла воплотиться исследуемая идея, Даже далекое от «сухопутных» проблем конструкторское бюро Бсриева, специализирующееся на машинах для гидроавиации, разрабатывает в 1 940 г. проект такого самолета, получившего обозначение Б-1 0 (рис, 5). 1 5 февраля 1940 г. Берисв обращается в Наркомат авиационной промышленности к заместителю наркома А. С. Яковлеву с просьбой рассмотреть его предложение и включить в план работ авиапромышленности на 1940- 1941 гг. Эскизный проект Б-10 представлял собой перехватчик или пикирующий бомбардировщик, выполненный по двухфюзе-ляжной схеме. Самолет предполагалось оснастить двумя двигателями М-107 с приводом на соосные толкающие винты. Подобная схема с использованием ламинарного профиля крыла NACA 23012 давала расчетную скорость 8 1 8 км/ч. Проект имел следующие основные данные:

Размах, м…1 3,0

Длина, м …1 1,260

Плошадь крыла, м…26,0

Полетный вес, кг…ЗЯ70

Практический потолок, м… 10000

Дальность, км…1 000 (0,9 Nm , ix |.

В заключении ГУАС КА (Главное Управление Снабжения Красной Армии) по проекту Б-10 говорилось, что проект вполне реален и может быть реализован. Однако, так как Берисв уже имел задание на катапультируемый корабельный разведчик КОР-2, было признана целесообразным передать разработку проекта Болховнт.пюву, который к тому времени уже имел опыт работы в этой области и реально летающий самолет «С».

В КБ Болховитинова эта машина получила обозначение «И». Разработка велась до весны 194 1 г. Пришлось преодолеть большое количество трудностей конструктивного и технологического характера. Однако неожиданное препятствие остановило разработку машины. 25 апреля 1 94 1 г. Болховитипон был вызван на совещание к заместителю наркома авиапромышленности Баландину. Присутствующие на совещании директор моторного завода Лаврентьев и главный конструктор двигателей Климов сообщили о невозможности создания снарки двигателей М-107П.

Основной причиной отказа было чрезмерное форсирование М-107П; считалось, что на этом сверх напр я жен и ом двигателе при установке удлиненного вала на рабочих оборотах могут возникнуть опасные резонансные явления, которые приведут к разрушению конструкции, Кроме того, завод имел огромный план по выпуску двигателей, вел сложную работу по доводке двигателей М-105, М-107, М-1 20. Загнанному в угол Болховитинову было предложено выбрать любой другой тип двигателя из имеющихся в стране и переработать под него свой проект. После размышлений конструктор выбрал дизель М-4 0, который хотя и был тяжеловат, но расходовал в два раза меньше топлива.

Смена двигателя повлекла за собой и изменение всего проекта. Предварительные изыскания, проведенные в мае – июне 1941 г., вернули конструктора к схеме «С». Кроме того, заинтересовавшись характеристиками М-4 0, Болховитинов разрабатывает проект четырехмоторного бомбардировщика с тандемной установкой двигателей. Однако начавшаяся война не позволила продолжить эти работы.

Примерно в середине 1941 г. были закончены исследования соосных воздушных винтов в ЦАРИ, позволившие сделать следующие выводы.

1. КПД соосных винтов при больших относительных поступях (большая поступь винта, т. е. большой шаг соответствует высокой полетной скорости) на 2 – 4% выше, чем КПД одного из одиночных винтов комбинации.

2. На режиме взлета при углах установки лопастей меньше 35° КПД соосных винтов несколько меньше, чем КПД одиночных винтов. При больших значениях коэффициента мощности тяга соосных винтов па режиме взлета больше, чем тяга одиночных винтов с покрытием (равноценной рабочей поверхностью), равным суммарному покрытию соосных.

3. Для того чтобы мощности переднего и заднего винтов были одинаковы при достижении максимального КПД, угол установки лопастей заднего винта должен быть на 1 -1,5° меньше, чем угол установки переднего винта.

4. Изменение расстояния между винтами комбинации в пределах, допустимых по конструктивным соображениям (в пределах ширины лопастей), заметного влияния на величину КПД не оказывает,

В течение войны, однако, применить на практике результаты исследований не представилось возможным. После ее окончания из трофейных немецких архивов стало известно, что в Германии в период 1941-19 4 2 гг, были проведены обширные исследования соосных воздушных винтов в аэродинамической трубе института DVL , которые практически совпали с советскими исследованиями. Совпадали они и с выводами американских ученых из NACA , но, как уже говорилось, настало время реактивной авиации.

И все-таки винты с противоположным вращением нашли применение. В начале 50-х годов КБ Туполева в поисках увеличения дальности при сохранении высокого показателя скорости создает стратегический бомбардировщик Ту-95. Эта выдающаяся машина, которая впоследствии была трансформирована в пассажирский Ту-114, летает и по сей день. Установленные на Ту-95 четыре двигателя НК-12 конструкции Н. Кузнецова развивают мощность по 15 ООО л. е. каждый и вращают соосные воздушные винты. Мощнейшая силовая установка в сочетании с такими винтами позволяет Ту-95 летать со скоростью, значительно превосходящей скорость других самолетов с турбовинтовыми двигателями. Впоследствии данная силовая установка с успехом была использована на другом советском самолете – гигантском транспортнике Ан-2 2.

В наше время идея соосных воздушных винтов нашла свое воплощение в создающихся винтовен-тиляторных двигателях.