Вертолет, 2007 №2

Катастрофы можно избежать

Ми-14

Безопасность полета вертолета во многом зависит от надежности работы двигателей. Отказ одного (или двигателей в полете может дорсти к самым серьезным последствиям. На этот случай в Руководстве по летной эксплуатации расписаны действия экипажа от момента отказа двигателей и до посадки. Однако выполнить безаварийную посадку даже опытным летчикам, следующим инструкции и своей интуиции, выработанной с годами летной работы, бывает весьма сложно (или невозможно) по ряду объективных причин.

Отказ двигателя (или двигателей) вертолета происходит, как правило, внезапно и часто осложняется плохими метеорологическими условиями, отсутствием площадки, пригодной ря посадки машины, предельным рабочим и психологическим напряжением экипажа и т. д. Даже самая глубокая теоретическая отработка посадки на режиме самовращения НВ подготавливает летчика к реальной безмоторной посадке лишь частично, то же самое можно сказать и о подготовке на тренажере.

Переход на режим самовращения после остановки двигателей характеризуется разбалансировкой вертолета по всем направлениям: падением оборотов несущего винта, уменьшением нормальной перегрузки, ухудшением управляемости, потерей высоты полета.

Кроме того, у вертолетов существует некоторое индивидуальное множество сочетаний высот и скоростей полета, называемых «опасной зоной» (рис. 1). Находясь в этой. зоне, летчик не успевает перевести вертолет в режим установившегося самовращения НВ с одновременным выходом на наивыгоднейшую скорость планирования и, соответственно, не может погасить вертикальную скорость перед приземлением до минимально безопасной величины. Это резко увеличивает вероятность разрушения вертолета только от одной вертикальной перегрузки при жесткой посадке. Уклониться от захода в опасную зону летчик может не всегда: часто сделать это не позволяют рельеф местности и метеоусловия, а иногда экипаж сам сознательно идет на риск, например, при выполнении поисково-спасательных работ.

Посмотрим, какие инструкции дает Руководство по летной эксплуатации вертолета Ми-14 (этот вертолет часто выполняет поисково-спасательные работы, то есть полеты на малых высотах и скоростях) командиру экипажа в случае отказа двух двигателей. Пункт 6.2.2 гласит, что при отказе двигателей на высоте менее 100 м и скорости менее 80 км/ч необходимо:

— немедленно перевести рычаг общего шага несущего винта вниз до упора и, если позволяет высота, перевести вертолет в разгон до скорости 50–60 км/ч;

— дать команду борттехнику закрыть стоп-краны и пожарные краны, выключить перекачивающие и подкачивающие насосы;

— с высоты 20–15 м выполнить гашение вертикальной скорости путем быстрого и непрерывного увеличения общего шага с максимально возможным темпом (10-127с);

— после приземления плавно опустить рычаг шаг-газа вниз до упора с одновременной отдачей ручки управления от себя на 1/3-1/4 хода.

Рис. 1. Опасная зона

Обратим особое внимание на слова «если позволяет высота». А если нет? Как все-таки помочь экипажу совершить безаварийную посадку?

Можно, допустим, оснастить все вертолеты системой аварийного покидания (но как быть пассажирам, находящимся на борту?) или априори считать, что риск — составная и неотъемлемая часть работы летчика. А можно запустить в расчетный момент расположенные на лопастях НВ вертолета мoш^^ыe и компактные твердотопливные газогенераторы (фактически малогабаритные ракетные двигатели твердого топлива — РДГГ, способные вращать НВ вместо отказавших двигателей и раскрыть на несколько секунд с их помощью над вертолетом тормозной газовый «парашют»). Примеры использования РДТТ на летательных аппаратах есть. РДГГ входят в систему спасения экипажа космического корабля «Союз», буксировочного двухрежимного двигателя системы аварийного покидания вертолета Ка-50.

Распространим известную идею струйно- импульсной механизации (СИМ) крыла самолета на лопасть вертолета. Суть идеи состоит в том, что «в случае струйного закрылка в узкую щель, расположенную вдоль задней кромки крыла, выдувается струя газа под некоторым углом 0 к хорде крыла. За счет ее эжектирующего действия возрастают скорость и разрежение на верхней поверхности крыла. Струя играет роль жидкого закрылка, тормозит поток под крылом и увеличивает давление на нижней поверхности крыла. В результате его подъемная сила возрастает. Кроме того, при наличии газовой струи возникает реактивная сила, проекция которой также увеличивает подъемную силу.

Воплотить эту идею на вертолете много сложнее, чем на самолете, — лопасть чрезвычайно важный элемент конструкции и нарушать ее продуманную «целостность» без особой надобности никто не будет. Надо доказать, что сделать это все-таки возможно, поскольку наличие газового «парашюта» увеличивает шанс на безаварийную посадку.

Ближайшим аналогом вертолета, подтверждающим плодотворность идеи привлечения управляемой циркуляции на НВ вертолета, является конвертоплан фирмы «Локхид» с преобразуемым Х-образным четырехлопастным винтом-крылом X-wind. На этом аппарате при остановке винта в полете передняя кромка лопасти становится задней, то есть меняется направление потока на профиле лопасти (крыла). Поэтому в сечении лопасти применяется симметричный профиль с системой управления пограничным слоем (УПС): выдув воздуха на верхнюю поверхность лопасти может производиться из любого щелевого сопла, как со стороны передней, так и со стороны задней кромки, в зависимости от направления потока.

Получение эффекта суперциркуляции (при наличии у летательного аппарата реактивных струй) зафиксировано в значимых для практических расчетов величинах и при продувке корпусов моделей перспективных самолетов с плоскими соплами двигателей. Исследования показывают, что эффективность СИМ зависит от ряда факторов; угла выдува струи 6, места выдра и значения коэффициента реакции С_μ:

С_μ — 2·mV_вс/ρ·V²·S,

где m — секундный массовый расход воздуха; V_вс— скорость воздушной струи; ρ — плотность воздуха; V — скорость полета; S — площадь крыла.

1 — съемный газогенератор; 2-лопасть; 3 — гибкий газовый канал; 4 — дискретный щелевой газоотвод; 5 — газовые струи (торцевые и вдоль задней кромки лопасти)

Рис. 3. Струйно-импульсная механизация лопасти НВ вертолета

Рис. 2. Численные зависимости применения СИМ крыла самолета

Рассмотрим зависимости С_y(α) для самолета с треугольным крылом при выдуве струи по его задней кромке: θ=30° (рис. 2).

Из рис. 2 видно, что достигаемое ΔС_y ~ 0,49 при = 0,5 ограничено, в основном, только возможностями по отбору воздуха от компрессора двигателя самолета, то есть значением коэффициента С_µ.

Если сравнить эффективность механического щитка крыла при углах отклонения 20° (ΔС_y = 0,5) и 60° (ΔС_y = 1,0) с эффективностью струйного закрылка = 0,49, можно видеть, что струйная механизация по этому показателю особо не уступает механической, да еще и создает реактивную силу, кстати, больше необходимую НВ вертолета, чем крылу самолета. Особенно востребованной для НВ представляется составляющая реактивной силы, действующая в плоскости его вращения и способная сдержать интенсивное падение оборотов НВ при отказе двигателей (или даже восстановить их до исходных и удерживать несколько дополнительных секунд, порой достаточных для безопасного завершения полета в аварийной ситуации).

Установим обтекаемый, предельно компактный и съемный газогенератор в комлевой части лопасти и соединим его с жаропрочным, жаростойким и гибким каналом, идущим вдоль всей лопасти за ее лонжероном или внутри второго контура лонжерона лопасти. В качестве аналога можно рассмотреть лопасть вертолета Ка-50 (рис. 3).

Канал выполним с дискретными щелевыми газоотводами (плоскими профилированными соплами) в среднюю и концевую части лопасти так, чтобы газ выходил вниз под углом θ к хорде лопасти вдоль ее задней кромки. Предусмотрим и выход газа через торцевые плоские сопла лопасти (вниз и наружу) с целью размывания уменьшающего тягу НВ поля скоростей воздуха, вовлекаемого в циркуляционное движение возле винта при вертикальном планировании (парашютировании) вертолета.

Решение на пуск газогенераторов принимается летчиком исходя из степени аварийности полетной ситуации (а также с учебной целью). Необходимо предусмотреть и автоматический пуск газогенераторов, упреждающий возможную запоздалую реакцию летчика (>= 0,5–1 с) при отказе двигателя (двигателей) вертолета у земли на висении и малых скоростях полета.

Таким образом, работающая на лопастях СИМ представляет собой активно вращающийся газовый «парашют» с реактивным сопротивлением движению вдоль своей оси, не позволяющий вертолету неприемлемо быстро снижаться после отказа двигателей на висении или малых скоростях полета. Особенно эффективной СИМ может оказаться для 5-8-лопастных НВ вертолетов за счет суммарного роста секундного количества движения газовой струи.

Чтобы обосновать свой вывод, приведем предварительные результаты расчета создания и применения СИМ НВ вертолета, выполненного с целью выяснить возможность полного энергетического замещения его отказавших двигателей твердотопливными малогабаритными газогенераторами.

Допустим, планируется установить комплект лопастей с СИМ на вертолет Ми-14ПС, имеющий следующие характеристики:

— мощность двигателей — 2x1950 л.с.;

— номинальная мощность — 2x1700 л.с.;

— номинальные обороты НВ — 192 об. /мин;

— диаметр НВ — 21,29 м;

— количество лопастей — 5 шт.;

— вес одной лопасти — 135 кг;

— нормальный взлетный вес — 13400 кг.

В расчете принимались или определялись

следующие значения различных параметров:

— увеличение веса вертолета в зависимости от размещения СИМ <= 0,5 %;

— увеличение веса лопасти <= 9-10 %;

— вес твердого топлива в одном газогенераторе <= 8 кг (78,5 Н);

— крутящий момент на втулке НВ при 192 об./мин от двух двигателей, работающих на номинальном режиме, М=1027299,3 кгс-см (100778 Н-м) при коэффициенте использования мощности 0,81;

— относительный радиус начала размещения сопел на лопасти с учетом темпа нарастания индуктивной воздушной скорости по длине лопасти r = 0,55;

— секундный массовый расход газа распределялся так: 93 % направлялось в сопла (150 шт., 14x5 мм) вдоль задней кромки; 7 % — в сопла (10 шт., 14x5 мм) торцевой части лопасти;

— угол выдува струй вдоль задней кромки θ = 30°;

— средняя скорость истечения газа из сопел на расчетном режиме (Ра = Рн) с учетом коэффициента скорости φ и V_рдтт = 0,8(2500+2800)/2 == 2120 м/с;

— относительный радиус точки приложения равнодействующей газовых сил с учетом действия центробежных сил на проходящий внутри лопасти газ r = 0,85;

— равнодействующая газовых сил, действующих вдоль задней кромки на одну лопасть, R = 261 кгс.

В результате получено время t=6,1 с, в течение которого пять газогенераторов, работающих на максимальном режиме до полной выработки 8 кг твердого топлива, создают крутящий момент, равный крутящему моменту, идущему на НВ от двух двигателей.

Выполним простейшую энергетическую проверку расчета. Два двигателя вертолета расходуют при взлете и установке режима G_взл = 13000 кгс на уровне моря, 15 кг керосина за 1 минуту, то есть 0,25 кгс/с. Для его полного сгорания необходимо 3,9 кгс/с воздуха. В сумме расход рабочего тела =4,2 кгс/с. Расход всех РДТТ PC на максимальном режиме равен: 5 шт. х 8 кгс/6,1 с = 6,6 кгс/с. Сравнивая расходы (4,2 кгс/с и 6,6 кгс/с) и учитывая более высокий КПД турбовального двигателя по сравнению с РДТТ PC (особенно в компоновке СИМ), делаем вывод — расчет достоверен.

Насколько полезными могут оказаться для летчика эти 6,1 с пока виртуального дополнительного полета? Для оценки обстановки и предпосадочного маневра резерв в 6 секунд — «море» времени. Например, известному летчику. Герою России Анатолию Квочуру даже одна дополнительная секунда помогла бы избежать жесткого приземления после катапультирования на малой высоте и скорости из-за отказа одного из двигателей самолета…

Теперь о полезности резерва времени 6,1 с применительно к пилотированию вертолета. Из практики полетов известно, что при выключении двигателей на высотах 300–500 м на режимах, близких к номинальным, обороты НВ к исходу второй секунды падают на 15–20 % и начинают медленно расти, достигая наибольшей величины на режиме самовращения через 8-12 с. В этом случае включать СИМ в принципе не нужно, но при ошибке в технике пилотирования или для подстраховки можно включить и, увеличивая темп роста оборотов и тягу НВ, не допустить подхода к высоте 25–15 м с недораскрученным НВ на опасной вертикальной скорости. По данным летных исследований, потеря высоты для вертолетов Ми-6 и Ми-8 при выключении двигателей на скоростях, близких к экономическим, составляет соответственно 220–230 м/с и 110–130 м/с.

По разности высоты выключения двигателей и потери высоты видим, что начиная с высот выключения 300–500 м и ниже при посадке на ВПП у летчика сначала почти нет запаса высоты на исправление возможной ошибки, затем он равен нулю и далее запас высоты становится отрицательным. Это означает, что выключение двигателей произошло в опасной зоне, что безопасность посадки не гарантирует даже идеальная техника пилотирования. Еще жестче будет развиваться аварийная ситуация при посадке вне ВПП. Здесь резерв времени в 6,1 с «моторного» полета практически дает шанс экипажу на благополучное завершение полета.

Установлено, что время от момента выключения двигателей вертолета на высоте 3 м до момента приземления составляет 3–4 с, в течение которых летчик не успевает сбросить общий шаг для поддержания оборотов и произвести «подрьге» НВ перед посадкой.

Теоретические расчеты показывают, что максимальная высота висения, с которой возможно планирование с последующей посадкой, ограничена верхним порогом переносимой летчиком вертикальной перегрузки, составляющим 8-10 м.

Время до приземления с учетом ускоренного снижения вертолета составляет около 5–6 с. При отказе двигателей на висении выше 8-10 м летчик и вертолет при жестком приземлении могут не выдержать вертикальной перегрузки. Включение СИМ за 3–7 с до приземления поможет предотвратить аварию или катастрофу. Время оптимального «подрыва» НВ вертолета Ми-8, близкого по летно-техническим характеристикам к Ми-14ПС, при наклонном планировании составляет t_подр =2,5–3,5 с, что позволяет погасить вертикальную скорость V_y = 11 — 12 м/с.

Если включить СИМ за 3–4 с до «подрыва», то при наличии прогнозируемого улучшения аэродинамических характеристик лопастей за счет вьдува газовых струй можно погасить и большую вертикальную скорость без потери устойчивости вращения НВ и управляемости вертолета (например, потеря устойчивости и управляемости может наступить при падении оборотов более чем на 20–28 % у вертолета Ми-8) и при наличии подходящей посадочной площадки уверенно приземлиться.

В пользу рассмотрения вопроса о разработке СИМ может служить и тот факт, что в начале 50-х годов в США и Великобритании были созданы и прошли летные испытания комбинированные вертолеты, то есть ЛА, способные осуществлять вертикальные взлет и посадку (как вертолеты) и длительный горизонтальный полет (как самолеты). Ротор таких ЛА не имел механического привода, как это обычно делается на вертолетах. Воздух высокого давления, поступающий от компрессора двигателя через втулку ротора и далее через всю лопасть, подавался к небольшим реактивным соплам, установленным на законцовках ротора. При горизонтальном полете реактивные сопла лопастей отключаются и ротор функционирует аналогично тому, как это происходит на автожирах.

В качестве примера можно привести английский «Ротодайн» фирмы «Фэйри» — 40- местное пассажирское воздушное судно с двумя ТВД мощностью 3000 л.с., взлетным весом 14970 кг, крылом площадью 53,94 м² и вертолетным ротором диаметром 27,45 м. Ясно, что использование внутреннего объема лопасти для прохождения воздуха (газа в случае устройства СИМ), достаточного, чтобы выполнить вертикальную посадку, — технически осуществимо. А значит, у СИМ увеличивается шанс быть установленной на лопастях НВ вертолета несмотря на очевидные конструктивные и технологические трудности ее создания и летной эксплуатации.

Анатолий ПОЛОВКОВ, Высшее военное авиационное училище, Ейск

ЛЮДИ