Вертолет, 2003 № 04

Поколения вертолетов

С профессором Нанкинского университета аэронавтики и астронавтики, почетным председателем Китайского вертолетного общества Ван Ши-цунем и старшим переводчиком Конструкторского и исследовательского института вертолетостроения Юй Дзянь-чжоу наши читатели уже знакомы: в четвертом номере журнала за прошлый год была опубликована их статья под названием «От китайского «волчка» до Z-5 и Z-11», посвященная развитию вертолетостроения в Китае. Сотрудничество этих китайских специалистов с нашим журналом продолжается. Сегодня мы публикуем новую статью, надеясь, что и она не будет последней, поскольку вертолетостроение в этой стране вступает в период интенсивного развития и Китай вновь удивляет мир и темпами, и качеством создаваемой техники.

Для правильного понимания истории развития вертолетостроения, в котором одно поколение техники сменяет другое, освоения законов, по которым идет это развитие, и составления планов разработки новых типов винтокрылой техники важно иметь четкое представление о самом понятии «поколение вертолетов». Однако до сих пор, на наш взгляд, такого определения еще не сформулировано. Нам, во всяком случае, не приходилось встречаться с обсуждением этой темы на страницах журналов. Поэтому мы попытаемся сами дать такое определение на основе изучения развития вертолетной техники.

Понятно, что уровень создаваемой вертолетной техники с течением времени становится все выше. Нельзя сказать, конечно, что каждый новый вертолет является представителем нового поколения. Только накопление новых технологий дает необходимую базу, на которой и появляется такая техника. Мы считаем, что существуют четыре поколения вертолетов: первое и второе – вертолеты, созданные с начала 40-х до конца 60-х годов XX века, третье и четвертое – с начала 70-х годов прошлого века до сегодняшнего дня. Отнесение вертолетов к тому или иному поколению зависит от нескольких основных факторов.

Первый из них – конструкция и технический уровень исполнения несущих винтов вертолетов. Несущий винт – самый важный и ответственный агрегат винтокрылого аппарата. До середины 50-х годов прошлого века на вертолетах устанавливали несущие винты с лопастями смешанной конструкции (деревянно-стальные) симметричного профиля, прямоугольными з плане с нулевой круткой. Ресурс лопасти – короткий, меньше 600 часов. Втулка несущего винта в большинстве своем. имеет сложную шарнирную схему, КПД такого несущего винта на режиме висения – около 0,5.

С середины 50-х годов XX века на вертолетах стали устанавливать несущие винты с цельнометаллическими лопастями несимметричного профиля с линейной круткой, конец лопасти – трапециевидный. Такая лопасть имеет вдвсе больший ресурс – до 1200 часов. КПД несущего винта с этими лопастями на режиме висения составляет примерно 0,6.

В 70-е годы XX века цельнометаллические лопасти стали постепенно уступать дорогу стеклопластиковым с бесшарнирной втулкой. Ресурс такой лопасти – до 3600 часов и больше. Лопасть имеет специальный вертолетный профиль с нелинейней круткой, конец лопасти – стреловидный или криволинейный. Бесшарнирная втулка имеет упрощенную, более легкую конструкцию с меньшим количеством деталей. КПД такого несущего винта на режиме висения – выше 0,7.

К концу 80-х на вертолетах появляются современные несущие винты с высококачественными композиционными лопастями высокоскоростного вертолетного профиля с оптимальной круткой и передовой бесшарнирной или даже бесподшипниковой втулкой. Законцовка лопасти – трехмерная. Все это значительно улучшает распределение аэродинамических сил на лопасти, снижает уровень виброперегрузок и шумов на местности. КПД такого несущего винта на режиме висения близок к 0,8.

Второй фактор, определяющий принадлежность летательного аппарата к тому или иному поколению – это технической уровень устанавливаемых на вертолете силовых установок. На вертолетах первого поколения устанавливались поршневые двигатели. Такие двигатели имеют немало недостатков, основные из них – большой объем и малая удельная мощность (обычно 1,0-2,0 кВт/кг). С середины 50-х поршневые двигатели начали заменять турбовальными, обладавшими гораздо большими возможностями. Первые турбовальные двигатели имели удельную мощность 3.0-4,0 кВт/кг, удельный расход горючего 0,35-0,40 кгДкВт ч). Мощность новых турбовальных двигателей, которые стали появляться в 60-е и 70-е годы XX века, возросла до 4.0-5,5 кВт/кг, удельный расход горючего – до 0,30-0,35 кгДкВт-ч). Современные турбовальные двигатели, создание которых приходится на 80-е и 90-е годы, имеют удельную мощность 5,5-7,0 кВт/кг и удельный расход горючего 0,25-0-30 кгДкВт ч).

Третий фактор, позволяющий определить, к какому поколению можно отнести летательный аппарат, составляют синтетические показатели вертолетов, появившиеся в результате соединения достижений в развитии несущих винтов, силовых установок и других агрегатов и технологий их изготовления.

Аэродинамическое качество вертолета – главная характеристика винтокрылого аппарата. Этот показатель у ранних вертолетов был примерно 4, затем увеличился до 4,8 (второе поколение), 5,6 (третье поколение) и 6,5 (четвертое поколение). Аэродинамическое качество вертолета влияет на максимальную скорость горизонтального полета: у первых вертолетов она была меньше 200 км/ч, затем выросла до 250 км/ч (второе поколение), 300 км/ч (третье поколение) и, наконец, 350 км/ч (четвертое поколение).

Еще одна важная характеристика винтокрылого аппарата – весовая отдача. Отношение веса пустого летательного аппарата к максимальному взлетному весу у вертолетов первого поколения было выше 0,70. Применение новых технологий и новых материалов (от металлических до композитных) позволило уменьшить это соотношение до 0,50-0,60 (второе поколение), 0,45-0,55 (третье поколение), 0,4-0,50 (четвертое поколение).

Оценивая уровень комфортабельности вертолетов, особенно гражданских, важно учитывать такие факторы, как уровень виброперегрузок и уровень шумов на местности. Основной их источник, как известно, – несущие и рулевые винты. У вертолетов первого поколения уровень вибропере грузок и шумов на местности достигал 0,20 g и более 110 EPN дБ. Затем после улучшения конструкции несущих винтов эти показатели снизились до 0,15 g и 100 EPN дБ (второе поколение), 0,10 g и 90 ЕРК дБ (третье поколение), 0,05 g и менее 80 EPN дБ (четвертое поколение).

Прогресс в развитии вертолетостроения отражают еще два показателя, особенно важных для боевых машин. Первый – ранг пилотирования, который представляет собой оценку пилотом соотношения управляемости и физических усилий, необходимых для управления, второй – коэффициент перегрузки, которым оценивается маневренность вертолета. На заре вертолетостроения первый показатель (по десятибалльной шкале) был ниже 4,5 баллов (это значит, что вертолет хорошо управляем, но для этого необходимо прилагать серьезные усилия), коэффициент перегрузки составлял 0,8-1,4. Время внесло свои коррективы и в эти показатели: для вертолетов второго поколения они составляли 3,5 (машиной можно хорошо управлять без особых усилий) и 0,5-2,0, третьего – 3 и 0-3,0, четвертого – до 2 и 0,5-3,5.

S-70 (ОН-60) Black Hawk

AS-332

К первому поколению вертолетов относятся серийные машины, производимые с начала 40-х до середины 50-х годов XX века. Они имели поршневые двигатели и несущие винты смешанной конструкции. Сегодня поршневые двигатели еще применяются на легких вертолетах, а вот металлодеревянные лопасти давно стали анахронизмом. К вертолетам первого поколения можно отнести: американские R-4 (1942 год) или его последующий вариант S-51 (1946 год), Bell-47 (1943 год), советский Ми-4 и т.п.

Типичный представитель этого поколения – одновинтовой вертолет Ми-4, совершивший первый полет в августе 1952 года. Вертолет имеет несущий винт с четырьмя металлодеревянными лопастями диаметром 21 м и поршневой двигатель АШ 82-В мощностью 1250 кВт, имеющий удельный расход горючего 0,38 кг/(кВтч). Максимальный взлетный вес вертолета – 7800 кг, отношение массы пустого вертолета к максимальному весу равно 0,71, максимальная скорость полета – 210 км/ч.

Вертолеты второго поколения (середина 50-х – конец 60-х годов) имели уже турбовальные двигатели и цельнометаллические лопасти вместо металло-деревянных. К этим вертолетам можно отнести французский SR-321 Super Frelon (1962 год), советский Ми-8 (1962 год), американские СН-47А Chinook (1962 год), Bell-209(AH-1G) и т.д.

Вертолет Bell-209 можно считать наиболее типичным представителем этого поколения. Он имеет двухлопастной несущий винт диаметром 13,41 м. Фюзеляж вертолета узкой обтекаемой формы, максимальный взлетный вес – 4309 кг, скорость полета – 277 км/ч. На вертолет установлен турбовальный двигатель T53-L-13 мощностью 1044 кВт, удельный расход горючего 0,353 кгДкВтч). Впервые Bell-209 поднялся в небо в 1965 году.

Первые полеты вертолетов третьего поколения приходятся на начало 70-х – 80-е годы прошлого века. Большинство из них и сегодня в эксплуатации. Вертолеты имеют несущие винты со стеклопластиковыми лопастями и бешарнирными (упруго-шарнирными) втулками, турбовальные двигатели. Наиболее типичными вертолетами третьего поколения являются французский AS-365N Dolphin (1979 год), американский S-70 (UH-60A) Black Hawk, АН-64А Apache (1975 год), русские Ка-50 (1982 год), Ми-28 (1982 год) и т.д. Главное, что отличает третье поколение вертолетов от второго, – наличие композитных лопастей вместо металлических.

Наиболее типичным для этого поколения можно назвать вертолет S-70 (UH-60A). Этот вертолет совершил первый полет в январе 1974 года и теперь широко эксплуатируется в армии США. Четыре стеклопластиковые лопасти вертолета имеют специальный профиль SC-1095 и стреловидную законцовку. На вертолете установлены два двигателя T700-GE мощностью по 933 кВт каждый, удельный расход горючего составляет 0.306 кг/(кВт ч), максимальный взлетный вес вертолета 9185 кг, максимальная скорость полета – 296 км/ч.

Вертолеты четвертого поколения появились в начале 90-х годов XX века. На них устанавливают несущие винты с бе шарнирными и даже бесподшипниковыми втулками и высокотехнологичными композитными лопастями, эти вертолеты имеют современные турбовальные двигатели. К четвертому поколению можно отнести американские вертолеты RAH-66 Comanche (1996 год), S-92 (1998 год) и т.д.

Самый типичный вертолет четвертого поколения – разведывательно-боевой RAH-66, в нем сконцентрированы все достижения современного вертолетостроения. Это первый в мире малозаметный для систем обнаружения вертолет. Его первый полет состоялся з январе 1996 года. Вертолет имеет два турбовальных двигателя T800-LHT-800 мощностью 895 кВт каждый, удельный расход горючего составляет 0,28 кгДкВт ч). Вертолет оснащен несущим, пятилопастным винтом диаметром 11,90 м, лопасти выполнены из композитных материалов. Более 50% фюзеляжа также выполнено с применением композитных материалов. Вес пустого вертолета – 3400 кг, масса вооружения, которое можно установить на вертолет, – до 1600 кг, максимальный взлетный вес машины – 7790 кг, максимальная скорость полета – 328 км/ч.

Наше мнение относительно принципов деления вертолетов на поколения мы оформили в виде таблицы. Конечно, каждый конкретный вертолет вряд ли будет точно соответствовать условиям, позволяющим причислить его к тому или иному поколению. Однако го, что отличает поколение от поколения в главном, эта таблица поможет увидеть более наглядно.

ВАН ШИ-ЦУНЬ, ЮЙ ЦЗЛНЬ-ЧЖОУ