Винт, крыло и немного магии

Краткий экскурс по пяти основным типам винтокрылых летательных аппаратов 7 Июль 2015, 15:00
Около месяца назад американская компания Sikorsky провела первые летные испытания прототипа перспективного скоростного вертолета-разведчика S-97 Raider. Его чаще относят к комбинированному типу вертолетов, хотя правильнее было бы классифицировать Raider как винтокрыл. Мы уже выясняли, какие существуют основные схемы вертолетов, а теперь решили разобраться с более обширным классом — винтокрылыми летательными аппаратами.

Исторически первыми типами винтокрылой техники, разработка которых велась в начале XX века, были вертолет классической схемы с несущим винтом и квадрокоптер с четырьмя роторами. Первый полет вертолета состоялся в 1907 году, спустя всего четыре года после первого полета братьев Райт. А уже в 1922 году в воздух под управлением летчика поднялся квадрокоптер Ботезата,  создание которого велось по заказу Армии США. С тех пор авиатехника, так или иначе использующая несущий винт для взлета и полета, претерпела множество изменений. Появился класс винтокрылых летательных аппаратов, который сегодня включает в себя пять основных типов: автожир, винтокрыл, вертолет, конвертоплан и X-крыло.
Винтокрылые летательные аппараты это машины, взлет и полет которых происходят преимущественно благодаря подъемной силе, создаваемой одним или несколькими несущими винтами. При этом сами винты могут приводиться в движение одной или несколькими силовыми установками, а могут вращаться только лишь под воздействием набегающего в полете воздушного потока. По сути же у винтокрылых летательных аппаратов несущий винт является своего рода разновидностью крыла самолета.
CH-53 Super Stallion. Фотография: U.S. Department of Defense Current Photos / flickr.com
Движущую силу на винтокрылых летательных аппаратах могут создавать как сами несущие винты, так и винты в хвостовой части или на законцовках небольшого крыла. В первом случае управление вектором тяги проводится либо наклоном оси вращения, либо автоматом перекоса. Сегодня некоторые компании разрабатывают проекты винтокрылов, в которых за создание движущей силы будут отвечать реактивные двигатели. Они позволят аппаратам летать на скоростях, близких к самолетным.
Сейчас автожир является одним из самых распространенных типов винтокрылых летательных аппаратов. Он представляет собой летательный аппарат с толкающим воздушным винтом в хвостовой части и свободновращающимся несущим винтом, обязательно наклоненным назад под небольшим углом к земле. В полете автожир, как самолет на крыло, опирается на несущую поверхность винта, который вращается исключительно при помощи набегающих потоков воздуха. Такое вращение называется авторотацией.
RAF 2000 GTX-SE. Фотография: Wikimedia Commons
Несущий винт автожира в полете создает только подъемную силу, причем по своим свойствам он очень похож на крыло самолета с положительным углом атаки. У такого крыла аэродинамические поверхности выставлены таким образом, чтобы оно тянуло летательный аппарат вверх. Сам несущий винт автожир как правила не имеет изменяемого шага, но может быть оснащен автоматом перекоса, который позволяет управлять вектором тяги винта.

За горизонтальный полет в автожире отвечает либо толкающий, либо тянущий винт, который как правило оснащен фиксированным лопастями. Углом их атаки управлять нельзя. Увеличение или уменьшение тяги маршевого винта, который также называется пропеллером, осуществляется благодаря наращиванию или сбросу частоты вращения вала двигателя. Управлять направлением полета в автожире можно при помощи воздушного руля — специальной отклоняемой вправо или влево плоскости на вертикальном киле в хвостовой части.
MT-03. Фотография: Wikimedia Commons
Автожир способен взлетать при очень коротком пробеге и садиться вертикально. Некоторые модели таких аппаратов позволяют заранее раскручивать несущий винт еще на земле до скорости, превышающей скорость рабочего вращения в полете. В таком случае автожир может взлететь вертикально. Такой взлет называется подскоком. При этом многие автожиры оснащены редуктором, который проводит предварительную раскрутку несущего винта. Эта система не позволяет сделать подскок, но значительно сокращает пробег перед взлетом.

В целом автожир имеет несколько преимуществ перед самолетом или вертолетом. В частности, им гораздо проще управлять, а летать на нем — безопаснее. Автожир никогда не войдет в штопор и может совершить управляемую вертикальную посадку с неработающим двигателем. К недостаткам летательного аппарата относится низкий коэффициент полезного действия двигателя, из-за чего автожирам требуются мощные силовые установки.
Винтокрыл является своего рода промежуточным звеном между автожиром и самолетом. Такой летательный аппарат оснащается небольшим крылом, одним или двумя несущими винтами и одним или несколькими толкающим или тянущим пропеллерами. Сегодня винтокрылы, которые нередко относят к высокоскоростному подтипу вертолетов, считаются наиболее перспективным видом летательных аппаратов с несущим винтом.
Eurocopter Airbus X3. Фотография: Jeff / flickr.com
У винтокрылов несущий винт или винты создают подъемную силу при взлете и на всем продолжении полета, а движущую, только до определенной скорости. На больших скоростях полета специальная управляемая обгонная муфта у винтокрылов отключает несущие винты от трансмиссии и дальнейший полет идет уже в режиме авторотации. То есть несущий винт в таком режиме работает уже как винт автожира. При этом дальнейший набор скорости и горизонтальный полет обеспечиваются пропеллерами, а вклад в создание подъемной силы привносит и крыло.

Винтокрылы способны совместить в себе положительные качества вертолетов и самолетов. Они способны к вертикальным взлету и посадке и полетам на скорости большей, чем способны развить вертолеты. Например, винтокрыл Airbus Helicopters X3 с двумя тянущими винтами может разгоняться до 472 километров в час. Перспективный вертолет-разведчик S-97 Raider будет способен летать на скорости до 440 километров в час. Для сравнения, вертолет Ка-52 соосной схемы может разгоняться до 315 километров в час.
AH-56 Cheyenne. Фотография: Wikimedia Commons
Серийных винтокрылов сегодня не существует, однако их разработкой занимаются сразу несколько компаний: российские «Камов» и конструкторское бюро имения Миля, американские Sikorsky и Piacesky Aircraft, а также европейская Airbus Helicopters. Некоторыми проектами предусматривается установка реактивных двигателей на винтокрылы, благодаря которыми эти аппараты смогут совершать полеты на скоростях более 600 километров в час.
Вертолет является самым распространенным типом винтокрылых летательных аппаратов. Он представляет собой машину, у которой подъемная и движущая силы создаются одним или несколькими несущими винтами. Эти винты располагаются параллельно земле, а их лопасти могут устанавливаться под разными углами к плоскости вращения — от нуля до 30 градусов. Установка лопастей на ноль градусов называется холостым ходом винта или флюгированием. В этом случае несущий винт не создает подъемной силы.
Boeing CH-47F Chinook. Фотография: U.S. Department of Defense Current Photos / flickr.com
Сегодня существует семь основных схем вертолетов, которые можно классифицировать по расположению несущих винтов: классическая, соосная, продольная, синхроптер, мультикоптер и комбинированный вертолет. Вертолеты способны совершать вертикальные взлет и посадку на площадки, диаметр которых в полтора раза превосходит диаметр несущего винта (правда, при максимальной загрузке для экономии топлива может потребоваться короткая пробежка).

Управление вертолетом немного сложнее, чем у автожира или самолета. Он оснащен ручкой «шаг-газ» для управления тягой несущего винта. С ее помощью изменяется угол установки лопастей несущего винта и скорость вращения ротора. Еще одним органом управления является ручка продольно-поперечного управления. Она отвечает за наклон тарелки автомата перекоса и изменение вектора тяги несущего винта. И, наконец, в вертолете есть педали, нажатием на которые летчик может менять шаг рулевого винта, а значит и направление полета машина.
Ка-26. Фотография: Aleksander Markin / flickr.com
Вертолет может на внешней подвеске перевозить крупногабаритные грузы. При этом такие летательные аппараты отличаются большим, чем у самолетов, потреблением топлива и повышенной шумностью. Кроме того, управляя вертолетом нужно учитывать такие сложные аэродинамические эффекты, которые не встречаются при полете на самолете. Например, летчикам вертолетов знакомы явления земного резонанса, флаттера, вихревого кольца, эффекта запирания несущего винта. Эти факторы могут приводить к разрушению или падению машины.
Конвертоплан, так же как и винтокрыл, совмещает в себе положительные качества вертолетов и самолетов. Этот летательный аппарат по конструкции похож на самолет, однако имеет на законцовках крыла двигатели с несущими винтами, которые могут наклоняться вперед на угол до 90 градусов. После наклона несущие винты превращаются в тянущие пропеллеры. Диаметр винтов конвертоплана сравним с размахом его крыла.
Bell MV-22 Osprey. Фотография: Official U.S. Navy Page / flickr.com
Благодаря такой конструкции конвертоплан может взлетать и садиться по-вертолетному, а лететь по-самолетному. Переход из вертолетного режима в самолетный осуществляется в воздухе. При этом наклон плоскости вращения винтов осуществляется наклоном самих двигателей. В перспективных конвертопланах V-280 Valor, разработкой которых занимается американская компания Bell Helicopter, наклоняться будут только сами винты, а двигатели будут оставаться неподвижными.

Сегодня единственным серийным конвертопланом является V-22 Osprey, выпускаемый американским консорциумом Bell/Boeing. Этот аппарат в вертолетном режиме может развивать скорость до 185 километров в час и до 565 километров в час — в самолетном. Аппарат может выполнять полеты на расстояние до 2,7 тысячи километров и нести груз массой до 6,2 тонны. Такие конвертопланы в настоящее время стоят на вооружении ВВС и Морской пехоты США.
Bell MV-22 Osprey. Фотография: Official U.S. Navy Page / flickr.com
Следует отметить, что конвертопланы достаточно сложны в управлении, особенно в транзитном режиме, когда осуществляется переход от вертолетного полета к самолетному. Управляют конвертопланом при помощи ручки и педали: в вертолетном режиме ручка отвечает за управление высотой, а педали — за тягу. В самолетном режиме они меняются ролями. По отзывам многих летчиков V-22, в транзитном режиме полета возникает ощущение потери управления, хотя сам режим является безопасным.
X-крыло является наиболее интересным с конструктивной точки зрения типом винтокрылых летательных аппаратов, хотя сегодня разработки в этом направлении практически не ведутся. Не существует и серийных машин такого типа. Название для техники такого типа в начале 1970-х годов придумала американская компания Sikorsky, которая занималась разработкой летательного аппарата, в конструкции которого можно было бы использовать так называемое ротор-крыло.

Ротор-крыло внешне очень похоже на несущий винт с четырьмя лопастями, с тем лишь отличием, что его лопасти гораздо шире, чем у вертолетного винта. Предполагалось, что такое крыло на взлете и при наборе скорости будет вращаться, как обычный несущий винт обычного вертолета классической схемы. Реактивный момент такого крыла должен был компенсировать обычный же рулевой винт на хвосте летательного аппарата. По достижении определенной скорости ротор-крыло должно было останавливаться и выполнять роль уже обычного самолетного крыла.
Sikorsky S-72. Фотография: Wikimedia Commons
К 1976 году компания Sikorsky построила два прототипа X-крыла — летательные аппараты S-72. Они были созданы на базе многоцелевого вертолета UH-60 Blackhawk, разработка которого к тому времени уже завершалась. Машины получили по два газотурбинных двигателя для приведения в движение ротор-крыла и вращения рулевого винта через редуктор, низкорасположенное крыло размахом 18,9 метра и по два турбореактивных двигателя, расположенных над ним.

В 1976 году один из прототипов совершил первый полет. Правда ротор-крыло на нем еще не было установлено — конструкторы отрабатывали на S-72 аэродинамическую компоновку и способы управления. Например, в горизонтальном быстром полете аппарат должен управляться по-самолетному — рулями высоты и курса, а также закрылками на крыле. Все работы велись при финансировании NASA и Агентства перспективных оборонных разработок (DARPA).

Позднее один из прототипов был модернизирован и получил ротор-крыло. Предполагалось, что S-72 сможет вертикально взлетать и садиться и совершать полеты на скоростях, близких к самолетным. Выкатка модернизированного аппарата состоялась в 1986 году, однако в воздух он так и не поднялся. К этому времени в NASA и DARPA посчитали проект технически сложным и дорогостоящим. Финансирование проекта было прекращено.
В 2000-х созданием X-крыла занялась австралийская компания StopRotor. Она создала беспилотный летательный аппарат — демонстратор технологий, который успешно прошел испытания в 2013 году. Подробности об аппарате практически неизвестны за исключением некоторых деталей об остановке ротор-крыла. В прототипе для остановки ротор-крыла его лопасти поворачиваются на 90 градусов, а сам аппарат короткое время практически падает вертикально.

Во время падения возникает воздушный поток, который симметрично огибает все лопасти ротор-крыла, избавляя его от перекосов и одновременно тормозя его. Затем крыло фиксируется, а лопасти разворачиваются параллельно земле для перехода в горизонтальный полет. Правда, во время летных испытаний в 2013 году проводился только обратный переход ротор-крыла из фиксированного положения к вращению. Новых испытаний своего прототипа StopRotor не делала. В какой стадии проект находится в настоящее время, неизвестно.


                                                                                                                                                                                              Василий Сычев