Вертолёт, 2005 № 04

Новые аэродинамические решения

Ми-38

В статье, предлагаемой вниманию читателей, рассматриваются основные результаты работ ЦАГИ последних лет по поиску и отработке новых аэродинамических решений, позволяющих обеспечить прогресс отечественных вертолетов по летнотехническим и экономическим характеристикам. Все работы выполнялись совместно с МВЗ им. М.Л. Миля, ОАО «Камов» и Казанским вертолетным заводом. В поиске и отработке новых аэродинамических решений сотрудники ЦАГИ опирались на развиваемую в институте систему формирования оптимизированного облика вертолета и его элементов — профилей лопастей, компоновок винтов и корпуса. Ключевую роль в этой системе играют теоретические и экспериментальные методы исследования обтекания винтов, трансзвукового обтекания вертолетных профилей, отрывного обтекания корпуса вертолета в условиях аэродинамической интерференции, а также методы оптимизации аэродинамических компоновок элементов вертолета по их целевым функциям (методы нелинейного программирования).

Прогресс в аэродинамике вертолетных профилей демонстрируется на рис. 1, где в координатах основных критериев эффективности даны характеристики трех семейств профилей: ЦАГИ-3, ЦАГИ-4 и ЦАГИ-5 (разработанных в последние три десятилетия). Здесь же приведены и соответствующие характеристики вертолетных профилей исследовательских центров США и Западной Европы (по результатам сравнительных испытаний профилей в аэродинамической трубе больших дозвуковых скоростей Т-106 ЦАГИ). При сопоставлении вертолетных профилей ЦАГИ с зарубежными аналогами видно, что на всех этапах развития профили, разработанные в ЦАГИ, по многим характеристикам их превосходят.

Профилями серии ЦАГИ-3 были оснащены винты боевого вертолета Ми-28 и перспективного транспортного вертолета Ми-38.

Особого внимания заслуживает вертолет Ми-38, который по уровню аэродинамического совершенства, летно-техническим и экономическим характеристикам существенно опередил соответствующие разработки за рубежом (вертолеты S-92 и EH-101). Этому успеху в значительной мере способствовало выполнение ряда программ совместных исследований и экспериментов ЦАГИ и МВЗ им. М.Л. Миля в аэродинамических трубах. Удалось, в частности, добиться значительного улучшения аэродинамики корпуса. Достаточно сказать, что площадь эквивалентной вредной пластики Ми-38 оказалась рекордно малой для средних транспортных вертолетов с задним грузовым люком (Cx Sm = 1,75 м² вместо Cx Sm = 3,5 м² вертолета Ми-8). В интересах модернизации вертолета Ми-8 в аэродинамической трубе Т-105 ЦАГИ была отработана программа поиска рациональных технических решений, обеспечивающих существенное снижение лобового сопротивления корпуса Ми-8.

Наиболее эффективным оказалось решение, позволяющее ослабить диффузорный отрыв потока в области расположения заднего грузового люка. Рациональным выбором формы поверхности фюзеляжа в этой области удалось снизить лобовое сопротивление корпуса вертолета в 1,5–1,6 раза и обеспечить соответствующее повышение эквивалентного аэродинамического качества вертолета в целом, крейсерской скорости и дальности полета. Летные испытания вертолета Ми-8 с модифицированной формой фюзеляжа в ЛИИ также вскрыли этот важный резерв роста технических и экономических характеристик серийных машин.

Таким образом, существуют два главных направления повышения уровня аэродинамики серийных вертолетов: переход на более совершенные аэродинамические компоновки лопастей винтов и локальные изменения форм элементов корпусов.

Расчеты показали, что применение на винтах профилей ЦАГИ-4 и использование модернизированной аэродинамической компоновки корпуса обеспечивают увеличение крейсерской скорости Ми-17 на 35 км/ч. Крейсерская скорость вертолета достигнет рубежа 300 км/ч. Соответственно возрастут транспортная производительность, топливная и экономическая эффективность.

Кризис 90-х годов нанес тяжелый ущерб вертолетостроению. Работы по программе Ми-38 были фактически прекращены. В это трудное время Казанский вертолетный завод при содействии руководства Татарстана реанимировал программу и построил Ми-38. Первого октября 2004 года состоялись первые официальные полеты вертолета, была организована широкая публичная презентация этого бесспорно лучшего в мире среднего транспортного вертолета. Уже в первых полетах Ми-38 преодолел рекордный рубеж скорости 300 км/ч. Специалистами были отмечены высокие маневренные свойства вертолета, а также низкий уровень шума, обусловленный особенностями аэродинамики новых винтов. Ми-38 — это вертолет 21 века. Впереди сертификация и выход вертолета на международный рынок.

Как только несущий винт Ми-38 был построен, появилась возможность оценки аэродинамической эффективности новых лопастей на серийном вертолете Ми-8. Проведенные в 2000–2001 гг. силами ЛИИ и МВЗ летные испытания вертолета Ми-8 с лопастями Ми-38 показали значительное увеличение коммерческой нагрузки, крейсерской скорости и дальности полета без увеличения потребляемой мощности. Причина этого — в увеличении относительного коэффициента полезного действия и эквивалентного аэродинамического качества несущего винта. Все это привело к росту аэродинамического качества вертолета Ми-8 в целом и к снижению километровых расходов топлива.

Этот пример наглядно показывает, насколько эффективным является метод обратной унификации, который, по существу, сводится к замене лопастей серийных винтов лопастями новой аэродинамической компоновки без вмешательства в конструкции смежных агрегатов вертолета. При сравнительно малых затратах метод дает значительный технический и экономический эффект, его целесообразно использовать при обновлении парка оправдавших себя на практике серийных вертолетов.

Ка-226

Рис. 1. Развитие аэродинамических профилей для несущих и рулевых винтов вертолетов

На основе профилей ЦАГИ-4 были разработаны профили СТМ-2, наилучшим образом соответствующие условиям применения на соосном несущем винте Ка-226. Целевой функцией вертолета предусматривались следующие приоритеты: предельно высокий уровень относительного коэффициента полезного действия, большой запас силы тяги соосного винта относительно максимального взлетного веса вертолета, эффективное решение проблемы аэроупругой устойчивости лопастей, минимизация переменных усилий в системе управления.

Разработанная совместными усилиями ЦАГИ и ОАО «Камов» компоновка лопастей Ка-226 была внедрена на серийный вертолет. Его летные испытания показали, что новый соосный винт с расчетной удельной нагрузкой р=26 кг/м² обладает рекордно высоким относительным коэффициентом полезного действия n₀ =0,76-0,78 (вместо n₀ =0,71-0,72 у соосного винта-прототипа).

Расчетный прогноз показал также, что соосный винт с профилями СТМ-2 и нагрузкой р=55 кг/м² (как у Ка-32) будет иметь еще более высокий уровень коэффициента n₀ =0,81-0,82 (вместо n₀ =0,76-0,77).

Профили СТМ-2 обладают лучшими профильными полярами, имеют наибольшую несущую способность и максимальный уровень аэродинамического качества в рабочем диапазоне чисел М. Кроме того, профили СТМ-2 имеют стабильное по числам М заднее расположение аэродинамического фокуса и малые продольные моменты m_z0, что весьма важно для формирования эффективной аэроупругой компоновки соосного винта. Создание новейшего соосного винта способствовало сертификации вертолета Ка-226 по высшей категории А авиационных правил АП-29.

На базе профилей серии ЦАГИ-4 были разработаны и совместно с МВЗ имени М.Л. Миля испытаны натурные образцы лопастей рулевого винта Ми-17, изготовленных из полимерных композиционных материалов. Результаты испытаний подтвердили опережающий уровень аэродинамики новых винтов (рис. 2).

В 2002 году в большой аэродинамической трубе Т-101 был выполнен комплекс сравнительных испытаний серийного рулевого винта Ми-17 и нового рулевого винта ЦАГИ на всех режимах работы, в том числе и на режимах «вихревого кольца». Испытания подтвердили значительные преимущества рулевого винта ЦАГИ по всем показателям, в том числе по располагаемому запасу силы тяги, обеспечивающему безопасность эксплуатации вертолета на критических режимах полета. Рулевыми винтами типа ЦАГИ целесообразно оснащать все серийные одновинтовые вертолеты.

Испытание несущего винта вертолета «Ансат» в аэродинамической трубе Т-101

Рис. 2. Характеристики трех поколений рулевых винтов средних транспортных вертолетов на режиме висения (М=0,65)

В 2001–2003 гг. совместными усилиями ЦАГИ и Казанского вертолетного завода были реализованы обширные программы исследований и экспериментов в различных аэродинамических трубах. Принципиально важными стали комплексные исследования натурного несущего винта вертолета «Ансат» в большой аэродинамической трубе Т-101 ЦАГИ.

Несущий винт изготовлен из полимерных композиционных материалов и имеет принципиально новую конструкцию без горизонтальных, вертикальных и осевых шарниров и демпферов колебаний лопастей. Роль этих элементов выполняют упругие торсионы и рукава втулки, также выполненные из композиционных материалов. В экспериментах использованы натурная вертолетная установка ВП-5, оснащенная автоматизированным информационно-измерительным комплексом, а также созданная в ЦАГИ новейшая видеограмметрическая система измерений параметров движения и изгибно-крутильных деформаций лопастей.

С помощью этого оборудования определен комплекс аэродинамических, аэроупругих и прочностных характеристик винта как на режимах висения, так и в горизонтальном полете. Измерены силы и моменты винта, шарнирные моменты, напряжения в конструкции, перемещения и деформации лопастей, торсионов и рукавов втулки.

Исследования позволили сделать важный вывод: конструкция несущего винта имеет достаточные запасы прочности и поэтому работоспособна. Эксперименты выявили особенности аэродинамики и аэроупругости бесшарнирного винта. Показано, в частности, что эффективность циклического управления винта «Ансата» почти в четыре раза выше, чем у аналогичного винта с шарнирным креплением лопастей к втулке. Поэтому вертолет «Ансат» вошел в категорию вертолетов высшего уровня маневренности.

В ЦАГИ исследован и натурный рулевой винт «Ансата». Для определения характеристик рулевого винта в 2003 году был введен в строй специальный стенд, созданный совместными усилиями ЦАГИ и КВЗ. Стенд оснащен электроприводом мощностью 200 кВт и системой измерений, сбора и обработки экспериментальной информации.

В 2000–2003 гг. были реализованы крупные программы экспериментальных исследований корпуса вертолета «Ансат» в аэродинамической трубе Т-105 ЦАГИ.

Эксперименты выполнены в широком диапазоне углов скольжения (-180°< в < 180°) с работающим винтом и без него, вблизи экрана и без влияния экрана.

Подробно изучено влияние несущего винта на обтекание корпуса. Исследованы вопросы интерференции частей вертолета. Выполнены измерения поля возмущенных скоростей системы «несущий винт — корпус» в области расположения рулевого винта при круговой обдувке вертолета.

Сложность этого поля иллюстрируется структурой вихревой системы несущего винта, вычисленной по нелинейной вихревой теории. Расчетные и экспериментальные исследования по вертолету «Ансат» позволили глубже понять природу возникновения режимов «вихревого кольца» рулевого винта и разработать эффективные меры по недопущению таких режимов в эксплуатации.

Установлено, что наиболее эффективным средством предотвращения таких режимов и перехода вертолета в неуправляемое левое вращение является обеспечение достаточного запаса силы тяги рулевого винта. Этот запас оценивается величиной 12–14 % от балансировочной силы тяги рулевого винта на режиме висения вертолета. Соответствующий запас мощности составляет 20–22 %. При недостаточных запасах силы тяги на левых разворотах вертолета вводятся соответствующие ограничения на углы скольжения.

Весьма ценными оказались результаты совместных исследований по существенному снижению вредного сопротивления вертолета «Ансат». Анализ аэродинамической компоновки вертолета показал, что для уменьшения области диффузорного отрыва потока на задней части корпуса необходимо в первую очередь ликвидировать подвесные топливные баки, ослабить диффузор путем удлинения кормовой части корпуса. Далее для предотвращения попадания вихрей шасси на кормовую часть фюзеляжа было принято решение утопить подфюзеляжные части рессор в фюзеляж, а стойки шасси разместить в обтекателях. Для повышения путевой устойчивости вертолета была изменена конфигурация вертикального оперения.

Вертолет «Ансат»

1 — исходный вариант; 2 — сняты подвесные топливные баки; 3 — увеличено удлинение кормовой части фюзеляжа; 4 — утоплены в фюзеляж подфюзеляжные части рессор; 5 — стойки рессор укрыты обтекателями; 6 — ограничение по редуктору двигателя на максимальном продолжительном режиме; 7 — ограничение по редуктору двигателя на взлетном режиме

Вопросы общей и местной аэродинамики вертолета «Ансат» решались на моделях в аэродинамической трубе Т-105. В летных испытаниях надежно определялась эффективность новых решений. Оба направления работ были согласованы и хорошо дополняли друг друга. Зависимости потребной мощности и километрового расхода топлива от истинной воздушной скорости полета вертолета «Ансат» даны на рис. 3 и 4.

Можно подвести итоги совместных работ ЦАГИ и КВЗ по вертолету «Ансат»:

— максимальная скорость полета возросла на 25 км/ч, достигнув передового для легких вертолетов уровня V_max =280 км/ч;

— на заявленной крейсерской скорости V_кр =250 км/ч потребная мощность уменьшилась на 250 л.с. (или на 20 % максимальной взлетной мощности силовой установки);

— километровый расход топлива на скорости 250 км/ч упал на 20 % и составил q_кр =0,96 кг/км;

— наивыгоднейшая скорость полета (режим максимальной дальности) возросла на 30 км/ч и составила 225 км/ч. Километровый расход топлива на этой скорости упал на 16 %, достигнув минимума: q_min =0,92 кг топл./км;

— обеспечен требуемый уровень характеристик устойчивости вертолета.

По летно-техническим характеристикам и топливной эффективности вертолет «Ансат» относится к наиболее совершенным в мире вертолетам подобного класса.

Макет вертолета на гоночной площадке

Рис. 4. Зависимости километрового расхода топлива от истинной воздушной скорости полета для вариантов корпуса прототипа 2 вертолета «Ансат»

Глубокий технический прорыв обеспечили скоростные аэродинамические профили серии ЦАГИ-5 с относительными толщинами с=7,9,11 %. Концевой профиль этой серии с относительной толщиной с=7 % (при С_у =0) достиг максимума критического числа М_кр =0,895 (при максимальной несущей способности С_у =1,1) при числе М=0,4. В 2003 году разработана модификация профиля этой серии ЦАГИ-5М с относительной толщиной 9 %, обладающая высоким уровнем аэродинамического качества в рабочем диапазоне чисел M=0,65-0,8. Величину максимального качества в этом диапазоне удалось поднять на 10 единиц.

Профили серии ЦАГИ-5 и ЦАГИ-5М предназначены для несущих винтов скоростных высокоманевренных вертолетов. Полученные результаты открывают принципиальные возможности создания винтов с высоким уровнем эквивалентного аэродинамического качества при больших скоростях полета. Кроме того, профили серии ЦАГИ-5 в сочетании с профилями серии ЦАГИ-4 обеспечивают дополнительные возможности формирования оптимизированных аэродинамических компоновок винтов новых и модернизируемых вертолетов других классов и назначения.

Главное достоинство новых профилей состоит в том, что проблема повышения скорости вертолета решается не только путем «вложения» дополнительной мощности, но и за счет существенного повышения уровня аэродинамического качества новых винтов с новыми профилями.

Основная проблема скоростного несущего винта состоит в том, что максимальные величины аэродинамического качества винт обеспечивает при малых отрицательных углах атаки. Поэтому при больших скоростях полета (370–400 км/ч) пропульсивная сила винта оказывается небольшой, и для достижения больших скоростей необходима дополнительная пропульсивная сила.

В течение ряда лет в ЦАГИ ведутся расчетные и экспериментальные исследования одного из новых технических решений в конструкции одновинтового вертолета — струйной системы управления. Результаты этих исследований показывают, что использование струйной системы вместо традиционного рулевого винта может обеспечить получение целого ряда преимуществ:

— повышение безопасности летной и наземной эксплуатации;

— повышение скорости полета;

— возможность реализации концепции сверхманевренности;

— снижение тепловой заметности;

— снижение уровня шума.

Струйная система вертолета включает в себя воздухозаборник, силовой вентилятор, газовый тракт со смешением холодного воздуха вентиляторного контура с выхлопными газами силовой установки и поворотное сопло с управляемым вектором силы тяги (УВТ).

Результаты расчетных и экспериментальных исследований позволили составить обширный банк данных, на базе которого были разработаны методы расчета характеристик вертолета со струйной системой управления. Расчетные исследования, выполненные для вертолетов различных весовых категорий и назначения, указывают на возможность реализации потенциальных преимуществ струйной системы при достаточно высокой энергетической эффективности.

Для достоверного переноса результатов расчетов и лабораторных экспериментов на натурный вертолет в ЦАГИ создается крупномасштабная модель вертолета с полным моделированием его основных агрегатов и систем. Модель оснащается комбинированной силовой установкой (роторно-поршневым двигателем и электродвигателем), позволяющей проводить испытания модели в аэродинамических трубах Т-101 и Т-104 ЦАГИ.

Помимо отработки струйной системы, будут решаться и другие задачи, среди которых — отработка новых аэродинамических компоновок винтов, поиск новых технических путей снижения вредного сопротивления и улучшения характеристик устойчивости, управляемости и заметности вертолета.

Евгений ВОЖДАЕВ, заместитель директора ЦАГИ по вертолетам

И С П Ы Т А Н И Я