Взлёт 2009 08-09

Наш журнал уже рассказывал о работах по проектированию перспективных скоростных вертолетов, ведущихся обоими конструкторскими центрами ОАО «Вертолеты России» (дочернее предприятие ОАО «ОПК «Оборонпром») — фирмой «Камов», разрабатывающей проект Ка-92, и МВЗ им. М.Л Миля, работающим по теме Ми-Х1 (см. «Взлёт» № 6/2008, с. 40–41, № 6/2009, с. 39). Несмотря на разные подходы и отличающиеся технические решения, эти исследования имеют одну цель: создание вертолета, способного летать заметно быстрее — достигать в крейсерском полете скорости 450–500 км/ч. На предстоящем авиасалоне МАКС-2009, помимо уже известного проекта Ка-92, фирма «Камов» собирается продемонстрировать и еще одну свою идею — скоростной вертолет Ка-102 продольной схемы. Накануне выставки главный редактор «Взлёта» Андрей Фомин встретился с генеральным конструктором ОАО «Камов» Сергеем Михеевым и попросил его рассказать о новых проектах и особенностях работ по скоростным вертолетам в целом.

Сергей Викторович, к проектированию скоростных вертолетов в последнее время обратились сразу несколько ведущих вертолетостроительных компаний мира. С чем связан такой интерес к этому направлению развития винтокрылой техники?

На самом деле работа по совершенствованию вертолета, направленная на увеличение скорости его полета, ведется в мире уже довольно давно. Перепробовано много идей и решений. Например, фирма «Белл» занимается своей концепцией аппарата вертикального взлета и посадки с поворотными винтами еще с 50-х гг. прошлого столетия — и, надо отдать должное, уже достигла определенных результатов. Помимо ряда экспериментальных моделей ей создан, запущен в серийное производство и поставляется Вооруженным силам США конвертоплан «Оспри», способный летать со скоростью более 500 км/ч. На основе его концепции совместно с итальянской компаний «Агуста» создан коммерческий конвертоплан BA609, который намечено сертифицировать для поставок заказчикам в следующем году.

Другая знаменитая американская вертолетостроительная фирма — «Сикорский» — еще при жизни своего основателя, в 1972 г., спроектировала экспериментальный вертолет S-69 (XH-59A), реализующий принципиально иной подход к решению задачи повышения скорости полета, — машину с так называемыми жесткими соосными несущими винтами и отдельным (в данном случае — реактивным) движителем для обеспечения горизонтальной составляющей скорости. Сформированная тогда «концепция наступающей лопасти» (ABC) недавно получила развитие уже на новом, втором этапе программы, идеологически не отличающемся от прежнего, но реализованным на современной технологической базе: в прошлом году совершил первый полет экспериментальный вертолет «Сикорского» Х2 с жесткими соосными несущими винтами, которые работают в процессе всего полета, не меняя своего положения, и дополнительным толкающим пропеллером для создания пропульсивной силы.

Работают по тематике скоростных вертолетов и другие «гранды» мирового вертолетостроения. Так, недавно стало известно о программе Х3, ведущейся западноевропейским концерном «Еврокоптер». Естественно, не могут остаться в стороне от мировых тенденций и российские вертолетостроители. Еще на прошлом авиасалоне МАКС-2007, в августе 2007 г., наша фирма «Камов» впервые продемонстрировала модель своего видения концепции скоростного вертолета — машины Ка-92. Несколько позднее к подобным работам приступили и наши коллеги с МВЗ им. М.Л. Миля, предлагающие проект Ми-Х1.

С чем связан такой интерес к скоростным вертолетам? Я бы поставил вопрос несколько шире. Главная проблема на пути создания перспективных вертолетов — не столько повышение скорости полета как таковой, а увеличение аэродинамического качества несущего винта и вертолета в целом. Повышение скорости — это частная задача. Ведь для сохранения конкурентных преимуществ вертолетов на фоне бурно развивающегося самолетостроения нам предстоит летать не только быстрее, но и дальше, и поднимать при этом большую нагрузку. Ведь именно эти показатели в комплексе определяют коммерческую привлекательность того или иного летательного аппарата. И только комплексное решение задачи повышения аэродинамического качества (за счет применения новых схем несущего винта, новых подходов к обеспечению поступательного полета, улучшения всей аэродинамики вертолета, использования более эффективных силовых установок и т. п.) даст нам тот выигрыш в скорости, дальности и грузоподъемности, который позволит говорить о создании нового поколения вертолетной техники — с принципиально новыми характеристиками и конкурентными преимуществами на рынке.

Для того, чтобы решать новые задачи, оставаться конкурентоспособным на рынке, надо четко представлять себе все возникающие проблемы и искать пути их решения. За последние три десятилетия все это очень тщательно изучалось, и сегодня проблемы, стоящие на пути создания скоростного вертолета, ведущие компании мира четко представляют. И каждая из этих фирм, так или иначе, основываясь на своем опыте, традициях, взглядах на создание винтокрылой техники, ищет свое принципиальное решение, как продвинуться в решении данной проблемы.

Каковы основные препятствия на пути повышения скорости сегодняшних вертолетов?

Основных препятствий несколько. Главное связано с кинематикой работы шарнирного несущего винта и известно как «ограничение по срыву». При горизонтальном полете вертолета на части диска, ометаемого несущим винтом, лопасти обтекаются потоком с повышенными скоростями, т. е. скорость полета и окружная скорость вращения винта складываются, на другой — с пониженными, когда эти скорости вычитаются. Для выравнивания ассиметрии аэродинамической нагрузки по диску винта лопасти крепят к втулке через горизонтальный шарнир. Там, где обтекание лопасти идет с повышенными скоростями, за счет махового движения лопастей углы атаки сечений лопасти и аэродинамические силы снижаются. Там, где скорости обтекания уменьшаются, маховое движение приводит к увеличению углов атаки сечений лопастей и росту аэродинамических сил. Это и смягчает неравномерность скорости обтекания лопастей по диску. С ростом скорости полета маховое движение лопастей увеличивается и углы атаки в некоторых сечениях могут достигнуть критической величины, после которой наступает срыв потока. Работа винта на таких режимах сопровождается целой группой негативных эффектов, и их стараются не допустить соответствующим выбором параметров при проектировании вертолета.

Можно ли продвинуться дальше по скорости на одновинтовом вертолете с шарнирным винтом классической конфигурации при запасе мощности на борту? Можно. Для этого надо увеличить окружную скорость вращения винта или уменьшить взлетную массу. Но не первое, ни второе не приводят к радикальным результатам. Так, увеличение окружной скорости ограничено числом М, которое должно быть меньше 1 для скорости потока на конце наступающей лопасти, а уменьшение массы приводит к прямому снижению эффективности вертолета как транспортного средства.

Вторым препятствием на пути повышения скорости полета вертолета является увеличение так называемой зоны обратного обтекания, т. е. зоны, где сечения лопасти обтекаются уже не с носка профиля, а с «хвостика». Например, при скорости полета 520 км/ч до 80 % лопасти будет находится в этой зоне и обтекаться с хвостика профиля, снижая аэродинамическое качество винта и ставя проблему балансировки вертолета в ряд главных.

Еще одна проблема увеличения скорости полета вертолета связана со снижением эффективности несущего винта как средства создания пропульсивной силы. На скоростях более 350 км/ч отмечается существенное падение «пропульсивного» коэффициента полезного действия несущего винта.

Кроме перечисленных «физических» ограничений существует ряд препятствий конструкторского характера. Например, создание несущей системы, способной отклонять результирующую силу винта для создания пропульсивной силы на углы более 20° в приемлемых габаритах, является очень сложной конструкторской задачей.

Какие же способы решения стоящих задач Вы видите?

Основные расчетные данные

Тип двигателей ВК-3000

Мощность, л. с 2х3200

Взлетная масса, кг 16 000

Число пассажиров 30

Максимальная скорость полета, км/ч 460

Крейсерская скорость, км/ч 420

Дальность полета, км 1400

Подходы могут быть разными. О концепции американской фирмы «Белл» я уже говорил. Но схема конвертоплана, все-таки, это уже уход немного в сторону от классического вертолета. К этому стоит добавить значительно более высокую стоимость подобных летательных аппаратов, большую массу при той же грузоподъемности, еще более строгие требования к надежности и безопасности полета, например в ситуации с отказом двигателя на режимах висения и полета с малыми скоростями.

Нам, на фирме «Камов», ближе подход, выбранный «Сикорским». В нашем проекте Ка-92 мы остаемся верны нашей «фирменной» схеме с соосными несущими винтами, хотя винт на Ка-92 уже совсем не такой, как на других вертолетах «Камова». Как и у «Сикорского», мы остановили свой выбор на так называемом жестком несущем винте. У него уже нет традиционных горизонтальных шарниров крепления лопастей, соответственно сведены к минимуму маховые движения лопастей (таким образом, в частности, решается задача предотвращения срывного обтекания отступаю щей лопасти). Сами лопасти стали короче и заметно жестче — это стало возможным благодаря применению самых современных композиционных материалов. Законцовки лопастей имеют особую форму — этим мы отодвигаем негативные последствия приближения скорости звука. Рассматриваем также вопрос управления скоростью вращения несущего винта, предусматривающего уменьшение его оборотов в крейсерском полете с высокой скоростью.

Кроме того, мы не используем несущий винт для обеспечения горизонтальной составляющей скорости — для этого на Ка-92 в хвостовой части установлен соосный толкающий воздушный винт. Он приводится в действие посредством трансмиссии от тех же двигателей, которые через редуктор вращают и жесткий соосный несущий винт. «Облагорожена» вся аэродинамика вертолета: фюзеляж его выполнен более обтекаемым, шасси сделано убирающимся, благодаря применению более коротких и жестких лопастей уменьшена высота колонки несущих винтов, а сама втулка и конструктивные элементы крепления и управления лопастями закрыты обтекателями. Все эти решения, по нашим расчетам, позволят получить на Ка-92 максимальную скорость полета не менее 460 км/ч и крейсерскую — порядка 420 км/ч. Сравните с нынешними 250–270 км/ч у большинства современных вертолетов! При этом Ка-92, имеющий взлетную массу 16 т, сможет брать на борт 30 пассажиров и перевозить их на расстояние до 1400 км.

Таким образом, нашу концепцию скоростного вертолета можно определить несколькими основополагающими моментами: жесткие бесшарнирные соосные несущие винты с новыми принципами управления, толкающий воздушный винт для обеспечения горизонтальной составляющей скорости и общее совершенствование аэродинамики вертолета.

Но подходы к решению задачи повышения скорости полета вертолета могут быть разными. Например, наши коллеги с МВЗ им. М.Л. Миля в своем проекте Ми-Х1 остаются верны одновинтовой схеме с шарнирным креплением лопастей несущего винта в целом традиционной конструкции. Для предотвращения срыва потока на отступающей лопасти ими разрабатывается оригинальное устройство, позволяющее блокировать ее «вредное» маховое движение (так называемая система SLES), а работающая на околозвуковых скоростях наступающая лопасть будет иметь стреловидную законцовку особого профиля. Но, как и у нас на Ка-92, для обеспечения поступательной скорости у Ми-Х1 будет толкающий винт в хвостовой части, который одновременно будет выполнять роль традиционного рулевого винта, т. е. средства компенсации разворачивающего момента. У нас, на Ка-92, с его аэродинамической симметрией, благодаря использованию соосных несущих винтов, как и на большинстве других вертолетов «Камова», этого момента нет по определению.

Тем не менее, создавая научно-технический задел Ка-92, мы нашли ряд новых приложений технологии скоростных вертолетов. Это демонстрирует идея скоростного вертолета продольной схемы Ка-102, которую мы впервые демонстрируем на МАКС-2009.

Расскажите, пожалуйста, поподробней об этом проекте.

Как и Ка-92, предлагаемый нами новый проект Ка-102 предусматривает применение бесшарнирных жестких несущих винтов и отдельных движителей для обеспечения горизонтальной скорости. Но, если Ка-92 выполняется по соосной схеме, то Ка-102 — уже по продольной. Один несущий винт размещается в передней части фюзеляжа, а вращающийся в противоположную сторону второй — в задней. Таким образом, если на Ка-92 возникающие моменты «замыкаются» в колонке несущих винтов, то у Ка-102 они будут восприниматься фюзеляжем, как, например, у строившегося когда-то транспортного вертолета Яковлева Як-24 или продолжающегося выпускаться и поныне американского «Чинука». Но в отличие от «Чинука», наш Ка-102 сможет летать гораздо быстрее — благодаря тем же, в целом, техническим решениям, что нами уже разработаны для Ка-92, а именно бесшарнирным жестким несущим винтам с новыми принципами управления и дополнительным винтовым движителям для обеспечения горизонтальной составляющей скорости.

По нашим расчетам, Ка-102 сможет иметь скорость до 500 км/ч. При этом он будет перевозить до 80–90 пассажиров, имея взлетную массу порядка 30 т. Имеющий компактные размеры соосный вертолет хорош для перевозки относительно небольшого числа пассажиров и грузов (в нашем случае — до 30 человек). А продольная схема позволяет иметь более длинный фюзеляж, в котором с комфортом разместится значительно большее количество пассажиров.

Силовая установка Ка-102 так же будет единой — это будут два газотурбинных двигателя, которые посредством трансмиссии приводят во вращения оба несущих винта, а также два тянущих воздушных винта (нечто подобное нами уже было реализовано полвека назад на знаменитом винтокрыле Ка-22, который, правда, выполнялся по поперечной схеме и мог летать со скоростью 350 км/ч).

Таким образом, при всей внешней разнице двух наших новых проектов, философия у них будет одна — жесткий бесшарнирный несущий винт и отдельные винтовые движители для обеспечения поступательного полета.

Основные расчетные данные

Тип двигателей… 2хГТД

Взлетная масса, кг 30 000

Число пассажиров. 80–90

Максимальная скорость полета, км/ч до 500

Есть ли резервы для дальнейшего повышения скорости вертолетов? Как быстро смогут летать винтокрылые аппараты в будущем? Прорабатываемые в настоящее время технические решения — как на фирме «Камов», так и на МВЗ им. М.Л. Миля — должны обеспечить повышение скорости полета вертолетов с нынешних 300 км/ч примерно до 500 км/ч. Но для этого придется еще многое пройти. Путь от сегодняшних проектов до первых полетов, будь то Ка-92 или Ми-Х1, может занять, по нашим оценкам, не менее пяти-семи лет. Предстоит проработать многие технические вопросы, испытать их в стендовых условиях, а затем на летающих лабораториях. Это относится, в нашем случае, в первую очередь, к конструкции жесткого несущего винта, системе его управления.

Я уже говорил, что нами, например, рассматривается вопрос управления оборотами несущего винта: на этапах вертикального взлета они должны быть максимальными, обеспечивая наибольшую подъемную силу, а при полете с высокой скоростью, для предотвращения попадания наступающей лопасти в режим околозвукового обтекания, их нужно уменьшать. Кроме того, в перспективе предстоит перейти к более сложным законам управления лопастями несущего винта — привычное циклическое изменение шага, изобретенное еще в начале прошлого века нашим великим соотечественником профессором Б.Н. Юрьевым и нашедшее практическое применение в виде автомата перекоса на всех ныне летающих вертолетах, может быть дополнено более сложными алгоритмами, вычисляемыми в каждый момент времени бортовыми компьютерами. Подобное управление несущим винтом позволит лопастям в каждой точке диска занимать наиболее выгодное положение по углу атаки, обеспечивая наилучшие аэродинамические характеристики. В качестве летающей лаборатории для отработки таких решений вполне подойдет, например, самый скоростной из наших сегодняшних вертолетов — Ка-50 (максимальная скорость при полете со снижением — до 350 км/ч), который посредством установки дополнительных движителей (например, турбореактивных двигателей в районе крыла) можно будет разогнать еще на 100–150 км/ч.

Если же заглянуть еще дальше, то, думаю, не все резервы исчерпаны. Вертолет в будущем сможет летать и быстрее 500 км/ч. Однако если при 350–500 км/ч оптимальным средством обеспечения горизонтальной составляющей скорости вертолета является воздушный винт, то, скажем, при полете с 600–700 км/ч целесообразней будет иметь уже для этого двухконтурные турбореактивные двигатели. Чтобы летать еще быстрее, нужно будет уже убирать несущий винт. Проработки таких вертолетов мы делали уже довольно давно. Наверное, Вы заметили на прошлогодней выставке HeliRussia 2008 модель Ка-90 — это как раз один из вариантов реализации такой концепции. Подобный летательный аппарат поднимается в воздух с помощью несущего винта, но затем, при достижении определенной скорости, подъемную силу начинает обеспечивать выдвигающееся из фюзеляжа крыло, а поступательный полет — реактивный двигатель. Несущий винт становится уже «лишним» — его лопасти, для уменьшения сопротивления, укладываются на верхней поверхности фюзеляжа. Но, уверен, несущий винт все равно сохранится: его эффективность на режимах вертикального взлета и посадки в любом случае гораздо выше, чем у реактивных двигателей вертикально взлетающих самолетов-истребителей.

Однако, вышесказанное — это пока еще весьма далекая перспектива. Пока же мы ведем речь о создании вертолета, способного летать со скоростью 450–500 км/ч. ОАО «Вертолеты России» определило эту задачу одной из важнейших тем перспективных НИОКР холдинга. Очень надеюсь, что наши наработки по Ка-92 не пропадут даром и лягут в основу перспективного российского скоростного вертолета.

А как у них?

Жесткий винт «Сикорского»

Впервые об идее построить вертолет с жестким бесшарнирным несущим винтом соосной схемы стало известно в феврале 1972 г., когда компания «Сикорский» официально заявила о получении соответствующего контракта от научно-исследовательской лаборатории проблем аэромобильности Армии США (Army Air Mobility Research and Development Laboratory). Экспериментальный вертолет, получивший название S-69 (XH-59A), строился для практической оценки разработанной «Сикорским» так называемой «концепции наступающей лопасти» (Advancing Blade Concept, ABC), предусматривающей оснащение машины соосным жестким бесшарнирным несущим винтом. Упразднение шарниров крепления лопастей (за исключением осевого — для управления углом атаки лопастей) должно было минимизировать маховое движение лопастей и, как следствие, исключить срывные явления на отступающей лопасти при повышении поступательной скорости полета, повысив одновременно несущие свойства наступающей лопасти (отсюда и название концепции). Поскольку реализовать конструкцию жесткого бесшарнирного несущего винта на одновинтовом вертолете не представлялось возможным (подъемная сила несущего винта создавалась бы только с одного борта вертолета — со стороны наступающих лопастей, что неизбежно «валило» бы машину на другой борт), компания «Сикорский» решила применить соосную компоновку, которая обеспечивала полную аэродинамическую симметрию, отсутствие необходимости в рулевом винте, а заодно позволяла уменьшить размеры несущего винта, потребного для создания той же подъемной силы. Для обеспечения пропульсивной силы вертолет планировалось оснастить двумя дополнительными турбореактивными двигателями.

Экспериментальный вертолет XH-59A, оснащенный одним турбовальным двигателем PT6T-3 «Турбо Твин Пак» мощностью 1825 л.с. компании «Пратт-Уитни Канада» совершил первый полет 26 июля 1973 г., однако уже через месяц, 24 августа, потерпел аварию. Второй экземпляр машины, воплотивший ряд конструктивных доработок, впервые поднялся в воздух 21 июля 1975 г. Спустя полтора года, в марте 1977-го, по бортам его фюзеляжа установили два турбореактивных двигателя J60-P-3A тягой по 1360 кгс. Испытания его в таком виде начались в 1978 г. Без применения «пропульсивных» реактивных двигателей XH-59A продемонстрировал максимальную скорость в горизонтальном полете около 340 км/ч и при полете со снижением — около 410 км/ч. Использование ТРД позволило поднять скорость вертолета до 507 км/ч (в снижении — почти до 600 км/ч). В испытаниях вертолета принимали участие специалисты НАСА, Армии и ВМС США.

В дальнейшем, в 1982 г., экспериментальный вертолет было решено переоборудовать под два турбовальных двигателя T700-GE-700, которые должны были приводить во вращение через систему трансмиссии не только соосный несущий винт, но и толкающий воздушный винт в кольцевом канале за хвостовым оперением (вместо применявшихся ранее для создания пропульсивной силы двух турбореактивных двигателей). Вертолет получил название XH-59B, однако до его летных испытаний дело не дошло.

Тем не менее концепция, отрабатывавшаяся на экспериментальных вертолетах XH-59A/B, не была забыта и получила второе дыхание при реализации проекта Х2, о начале работ по которому компания «Сикорский» объявила в июне 2005 г. Как и свои предшественники тремя десятилетиями раньше, Х2 оснащается жестким бесшарнирным соосным несущим винтом, а пропульсивную силу обеспечивает толкающий винт за хвостовым оперением. Разумеется, вся конструкция машины выполнена на новом технологическом уровне, с использованием новейших материалов и технических решений.

Пока Х2 представляет собой исключительно экспериментальный вертолет и способен поднимать в воздух всего два человека. Взлетная масса машины составляет лишь 2400 кг, а силовую установку составляет один турбовальный двигатель Т800-801 мощностью 1450 л.с. Однако в дальнейшем на основе отработанной на Х2 концепции «Сикорский» предполагает создать целое семейство скоростных вертолетов различного назначения — от боевого ударного до транспортных и даже беспилотных аппаратов, имеющих скорость полета 450–500 км/ч.

Но пока Х2 еще только проходит испытания. Первый его полет состоялся год назад, 27 августа 2008 г. (подробнее о программе Х2 — см. «Взлёт» № 11/2008, с. 14–16).