На златом крыльце висели...
В прошлой части моего рассказа пристальные комментаторы попеняли меня за то, что я весьма упростил описание принципа работы самолётного крыла, избавив вас от Бернулли, Рейнольдса, Навье-Стокса и массы других товарищей, положивших свою жизнь на исследование теории механики сплошных сред.
Как и не упомянул Густава Лахмана, сэра Фредерика Хендли-Пейджа, Петра Нестерова и массу других практиков, которые в реальности сталкивались со всеми неясными ещё в начале ХХ века особенностями поведения крыла при различных условиях обтекания крыла воздушным потоком.
Но, вначале закончим с вертолётами классической, одновинтовой схемы и их постоянными конкурентами - вертолётами соосной схемы:
Ми-28 и Ка-52, извечный спор двух вертолётных схем.
Как я уже писал, одиночный вертолётный ротор имеет массу недостатков, при единственном неоспоримом преимуществе - он гораздо проще всех альтернативных схем.
Даже при беглом взгляде на соосную схему вертолёта уже видны её недостатки - два автомата перекоса, расположение нижнего ротора соосной схемы в набегающем, уже турбулентном потоке воздуха, отброшенного верхним ротором.
Однако, при всей простоте однороторной схемы, и у неё есть свои «родимые пятна». Один ротор при своём вращении создаёт паразитный момент движения на корпус вертолёта, в силу чего на вынесенном хвосте вертолёта необходимо устанавливать компенсирующий винт, который должен постоянно работать, тратя часть мощности машины на бесполезную с точки зрения обеспечения подъёмной силы работу.
Ну а ситуацию «просаживания» отступающей лопасти, потерю на ней подъёмной силы и срыв потока - мы уже рассмотрели в прошлой части.
Как же можно, с одной стороны, разгрузить ротор вертолёта от постоянной работы по поддержанию летательного аппарата в воздухе за счёт создания подъёмной силы и, с другой стороны, обеспечить пропульсивную силу для движения вертолёта вперёд?
И вот тут научная и конструкторская мысль начала работать в самых разных направлениях.
Первым, самым очевидным вариантом разгрузки ротора вертолёта стали... самолётные крылья.
Ведь и, в самом деле: если мы уже набрали весьма внушительную скорость, на которой у нас уже вполне могут работать самолётные крылья, то почему бы не снабдить вертолёт дополнительными, пусть и рудиментарными «крылышками».
Именно в такой логике были построены американский ударный вертолёт Lokheed AH-56 «Шайенн» и советский транспортный вертолёт Ми-6.
Ми-6. В 1961 году вертолёт достиг скорости в 320 км/час, в 1964 году рекорд скорости был улучшен самим Ми-6 до 340 км/час.
Lokheed AH-56 «Шайенн». В 1967 году АН-56 достиг скорости в 408 км/час.
Вертолётные крылья снимают на скорости часть нагрузки с несущего ротора вертолёта, перенося её на крылья, что позволяет ротору работать с меньшей нагрузкой. Однако, и Ми-6, и АН-56 продолжали оставаться «почти» классическими вертолётами однороторной схемы - крылья лишь частично разгружали ротор, кроме того, работа крыльев в сильном потоке воздуха от вертолётного ротора, как и в случае соосной схемы, тоже вносила свои коррективы в аэродинамику машины, создавая проблемы и для крыльев, и для самого ротора.
Однако, стратегия частичной разгрузки несущего ротора за счёт крыльев имела свои пределы: при достижении скоростей в 350-400 км/час у вертолётов начал наблюдаться ещё один неприятный эффект: наступающая лопасть в своём движении вперёд, по направлению полёта вертолёта, начинала испытывать на своём конце эффект волнового кризиса, приближаясь или даже переходя скорость звука, за счёт сложения скорости самого вертолёта и скорости конечной части лопасти.
Волновой кризис можно визуально наблюдать при переходе самолётом звукового барьера. При наступлении волнового кризиса наблюдается целый букет неприятных аэродинамических эффектов: ухудшаются все аэродинамические характеристики аппарата - растёт лобовое сопротивление, снижается подъёмная сила крыльев, появляются вибрации в конструкции и падает тяга двигателей.
В отличии от эффектной конденсации влаги из окружающего воздуха на крылях самолёта при прохождении звукового барьера, волновой кризис на лопастях вертолёта не так заметен, но иногда его тоже можно увидеть на мгновенных фотографиях:
Волновой кризис часто визуализируется в виде эффекта Прандтля-Глоерта за самолётом...
... и за вращающимися лопастями вертолёта Ми-26Т2
Ладно, скажет читатель. А почему тогда турбовинтовые самолёты упираются в волновой кризис при 650-700 км/ч, самый быстрый винтовой самолёт, российский бомбардировщик Ту-95, имеет максимальную скорость 920 км/ч, а у вертолётов волновой кризис наступает уже при 350-400 км/час?
Всё дело - в размере ротора или винта и в сложении скоростей. Вот наглядное изображение данной зависимости:
У вертолётов при прочих равных присутствует гораздо меньшая нагрузка на ротор, которая составляет для вертолётов от 10 до 70 кг на м2, а для самолётов вертикального взлёта может составлять и 20 000 кг на м2 сечения сопла их подъёмных двигателей.
Нагрузка на ротор определяет сразу же и требования к силовой установке летательного аппарата: чем меньше ваш ротор и чем больше на него удельная нагрузка, тем большую мощность силовой установки необходимо приложить к ротору.
Отсюда, в общем-то, и вытекает грустный вывод для вертолётов: их роторы, даже при более медленном вращении, чем пропеллеры турбовинтовых самолётов, достигают на своих концах скорости звука при гораздо меньших значениях скорости самого аппарата - просто в силу своего размера. Кроме того, расположение ротора вертолёта в горизонтальной плоскости для обеспечения подъёмной силы, приводит к эффекту сложения линейной и окружной скорости, что и приводит к ограничению максимальной скорости вертолёта с несущим винтом в силу эффекта волнового кризиса.
С другой стороны, именно такие громадные роторы позволяют вертолётам достаточно долго висеть над одной точкой и осуществлять вертикальный взлёт и посадку - напомню, что практически все проекты самолётов вертикального взлёта и посадки (СВВП) в итоге оказались сверхдорогими и суперпрожорливыми даже для военных. Их громадная нагрузка на сечение сопла заставляла конструкторов устанавливать на них очень мощные, тяжёлые и прожорливые двигателя.
Так, для советского Як-38 боевой радус применения оказался всего в 250-380 км, для английского «Харриера» он был немногим больше, составляя 450 км.
В то время, как для палубного истребителя обычной схемы (будь то F-14 Tomcat или же Су-33) такой радус обычно составляет 900-1000 км.
Что интересно, боевой радиус в 300-400 км закладывался даже для перспективного сверхзвукового самолёта СВВП Як-141, который был создан в конце существования СССР - всё равно слишком много топлива уходило на обеспечение вертикального взлёта и посадки с зависанием.
Лебединая песня советских СВВП - Як-141 на авиасалоне в Фарнборо в 1992 году.
Хорошо, а насколько быстро может лететь вертолёт, опираясь исключительно на силу наступающей лопасти, избегая волнового кризиса на ней и как-то компенсируя слабость второй, отступающей стороны вертолётного ротора за счёт соосной схемы?
Коль уж совсем отказаться от громадного ротора вертолёта невозможно - просто в силу энергетических и весовых ограничений?
Ответ на этот вопрос дала в 1970-х годах американская вертолётная фирма «Сикорский».
В 1973 году «Сикорский» провёл испытания экспериментального вертолёта Sikorsky S-69/XH-59, который был построен по соосной схеме с установкой двух дополнительных турбореактивных двигателей для обеспечения пропульсивной силы:
Sikorsky S-69/XH-59 в 1973 году достиг скорости в 518 км/час.
После рекордных полётов в начале 1970-х годов (кстати, так и непревзойдённых до сих пор) проект S-69 был заброшен, однако сама концепция соосного винта, который бы опирался исключительно на наступающую лопасть ротора (Advanced Blade Concept, ABC) нашла своё воплощение в следующей разработке компании «Сикорский» - демонстраторе технологий X-2.
Кроме того, концепция разгрузки несущего винта от работы по созданию пропульсивной силы тоже показала свою успешность и была учтена в проекте Х-2.
Строго говоря, уже даже «Сикорский» S-69 не был чистым вертолётом по определению данного вида летательных аппаратов, относясь к так называемым винтокрылам, за тем исключением, что вместо воздушного винта S-69 использовал турбореактивные двигатели.
Винтокрылами, согласно классификации FAI, называют винтокрылый летательный аппарат, несущий винт, который на режимах взлета, висения, посадки и на части диапазона скоростей горизонтального полета обеспечивает большую часть подъёмной силы, а горизонтальный полет обеспечивается, в основном, за счет крыла и, обычно, воздушного винта, независимого от системы несущего винта.
Иногда даже Lokheed AH-56 «Шайенн» и милевские Ми-6 и Ми-24 считают винтокрылами, опираясь на тот простой факт, что в их конструкцию включено дополнительное крыло, обеспечивающее подъёмную силу и разгружающее вертолётный винт от работы по созданию подъёмной силы.
Пилон для оружия Ми-24 является одновременно и крылом. Так что, это не вертолёт, а винтокрыл.
Классическими же современными винтокрылами являются «Сикорский» X-2 и Eurocopter X3, в конструкции которых используется несущий, «вертолётный» ротор и тянущие и толкающие винты.
Eurocopter X3, однороторная схема, крыло, два тянущих винта, 472 км/час в 2013 году.
«Сикорский» X-2, соосная схема, без дополнительного крыла, толкающий винт, 460 км/час в 2010 году.
При этом концепции «Сикорский» X-2 и Eurocopter X3, при всей инновационности задуманного в них «винтокрыльного» будущего вертолётов, уже, по сути, нащупали тот самый предел, за которым громадный, слабонагруженный вертолётный ротор становится из помощника в режимах висения, взлёта и посадки лишь неприятной обузой в режиме горизонтального полёта.
По сути дела, дальше у конструкторов всё более и более скоростных вертолётов организуется простая вилка: или учить вертолёт лететь по-самолётному, или же заставить самолёт взлетать и садиться подобно вертолёту.
И вот тут мы и вынуждены будем рассказать о массе английских слов вида tiltrotor, tiltwing или tailsitter...
Как и не упомянул Густава Лахмана, сэра Фредерика Хендли-Пейджа, Петра Нестерова и массу других практиков, которые в реальности сталкивались со всеми неясными ещё в начале ХХ века особенностями поведения крыла при различных условиях обтекания крыла воздушным потоком.
Но, вначале закончим с вертолётами классической, одновинтовой схемы и их постоянными конкурентами - вертолётами соосной схемы:
Ми-28 и Ка-52, извечный спор двух вертолётных схем.
Как я уже писал, одиночный вертолётный ротор имеет массу недостатков, при единственном неоспоримом преимуществе - он гораздо проще всех альтернативных схем.
Даже при беглом взгляде на соосную схему вертолёта уже видны её недостатки - два автомата перекоса, расположение нижнего ротора соосной схемы в набегающем, уже турбулентном потоке воздуха, отброшенного верхним ротором.
Однако, при всей простоте однороторной схемы, и у неё есть свои «родимые пятна». Один ротор при своём вращении создаёт паразитный момент движения на корпус вертолёта, в силу чего на вынесенном хвосте вертолёта необходимо устанавливать компенсирующий винт, который должен постоянно работать, тратя часть мощности машины на бесполезную с точки зрения обеспечения подъёмной силы работу.
Ну а ситуацию «просаживания» отступающей лопасти, потерю на ней подъёмной силы и срыв потока - мы уже рассмотрели в прошлой части.
Как же можно, с одной стороны, разгрузить ротор вертолёта от постоянной работы по поддержанию летательного аппарата в воздухе за счёт создания подъёмной силы и, с другой стороны, обеспечить пропульсивную силу для движения вертолёта вперёд?
И вот тут научная и конструкторская мысль начала работать в самых разных направлениях.
Первым, самым очевидным вариантом разгрузки ротора вертолёта стали... самолётные крылья.
Ведь и, в самом деле: если мы уже набрали весьма внушительную скорость, на которой у нас уже вполне могут работать самолётные крылья, то почему бы не снабдить вертолёт дополнительными, пусть и рудиментарными «крылышками».
Именно в такой логике были построены американский ударный вертолёт Lokheed AH-56 «Шайенн» и советский транспортный вертолёт Ми-6.
Ми-6. В 1961 году вертолёт достиг скорости в 320 км/час, в 1964 году рекорд скорости был улучшен самим Ми-6 до 340 км/час.
Lokheed AH-56 «Шайенн». В 1967 году АН-56 достиг скорости в 408 км/час.
Вертолётные крылья снимают на скорости часть нагрузки с несущего ротора вертолёта, перенося её на крылья, что позволяет ротору работать с меньшей нагрузкой. Однако, и Ми-6, и АН-56 продолжали оставаться «почти» классическими вертолётами однороторной схемы - крылья лишь частично разгружали ротор, кроме того, работа крыльев в сильном потоке воздуха от вертолётного ротора, как и в случае соосной схемы, тоже вносила свои коррективы в аэродинамику машины, создавая проблемы и для крыльев, и для самого ротора.
Однако, стратегия частичной разгрузки несущего ротора за счёт крыльев имела свои пределы: при достижении скоростей в 350-400 км/час у вертолётов начал наблюдаться ещё один неприятный эффект: наступающая лопасть в своём движении вперёд, по направлению полёта вертолёта, начинала испытывать на своём конце эффект волнового кризиса, приближаясь или даже переходя скорость звука, за счёт сложения скорости самого вертолёта и скорости конечной части лопасти.
Волновой кризис можно визуально наблюдать при переходе самолётом звукового барьера. При наступлении волнового кризиса наблюдается целый букет неприятных аэродинамических эффектов: ухудшаются все аэродинамические характеристики аппарата - растёт лобовое сопротивление, снижается подъёмная сила крыльев, появляются вибрации в конструкции и падает тяга двигателей.
В отличии от эффектной конденсации влаги из окружающего воздуха на крылях самолёта при прохождении звукового барьера, волновой кризис на лопастях вертолёта не так заметен, но иногда его тоже можно увидеть на мгновенных фотографиях:
Волновой кризис часто визуализируется в виде эффекта Прандтля-Глоерта за самолётом...
... и за вращающимися лопастями вертолёта Ми-26Т2
Ладно, скажет читатель. А почему тогда турбовинтовые самолёты упираются в волновой кризис при 650-700 км/ч, самый быстрый винтовой самолёт, российский бомбардировщик Ту-95, имеет максимальную скорость 920 км/ч, а у вертолётов волновой кризис наступает уже при 350-400 км/час?
Всё дело - в размере ротора или винта и в сложении скоростей. Вот наглядное изображение данной зависимости:
У вертолётов при прочих равных присутствует гораздо меньшая нагрузка на ротор, которая составляет для вертолётов от 10 до 70 кг на м2, а для самолётов вертикального взлёта может составлять и 20 000 кг на м2 сечения сопла их подъёмных двигателей.
Нагрузка на ротор определяет сразу же и требования к силовой установке летательного аппарата: чем меньше ваш ротор и чем больше на него удельная нагрузка, тем большую мощность силовой установки необходимо приложить к ротору.
Отсюда, в общем-то, и вытекает грустный вывод для вертолётов: их роторы, даже при более медленном вращении, чем пропеллеры турбовинтовых самолётов, достигают на своих концах скорости звука при гораздо меньших значениях скорости самого аппарата - просто в силу своего размера. Кроме того, расположение ротора вертолёта в горизонтальной плоскости для обеспечения подъёмной силы, приводит к эффекту сложения линейной и окружной скорости, что и приводит к ограничению максимальной скорости вертолёта с несущим винтом в силу эффекта волнового кризиса.
С другой стороны, именно такие громадные роторы позволяют вертолётам достаточно долго висеть над одной точкой и осуществлять вертикальный взлёт и посадку - напомню, что практически все проекты самолётов вертикального взлёта и посадки (СВВП) в итоге оказались сверхдорогими и суперпрожорливыми даже для военных. Их громадная нагрузка на сечение сопла заставляла конструкторов устанавливать на них очень мощные, тяжёлые и прожорливые двигателя.
Так, для советского Як-38 боевой радус применения оказался всего в 250-380 км, для английского «Харриера» он был немногим больше, составляя 450 км.
В то время, как для палубного истребителя обычной схемы (будь то F-14 Tomcat или же Су-33) такой радус обычно составляет 900-1000 км.
Что интересно, боевой радиус в 300-400 км закладывался даже для перспективного сверхзвукового самолёта СВВП Як-141, который был создан в конце существования СССР - всё равно слишком много топлива уходило на обеспечение вертикального взлёта и посадки с зависанием.
Лебединая песня советских СВВП - Як-141 на авиасалоне в Фарнборо в 1992 году.
Хорошо, а насколько быстро может лететь вертолёт, опираясь исключительно на силу наступающей лопасти, избегая волнового кризиса на ней и как-то компенсируя слабость второй, отступающей стороны вертолётного ротора за счёт соосной схемы?
Коль уж совсем отказаться от громадного ротора вертолёта невозможно - просто в силу энергетических и весовых ограничений?
Ответ на этот вопрос дала в 1970-х годах американская вертолётная фирма «Сикорский».
В 1973 году «Сикорский» провёл испытания экспериментального вертолёта Sikorsky S-69/XH-59, который был построен по соосной схеме с установкой двух дополнительных турбореактивных двигателей для обеспечения пропульсивной силы:
Sikorsky S-69/XH-59 в 1973 году достиг скорости в 518 км/час.
После рекордных полётов в начале 1970-х годов (кстати, так и непревзойдённых до сих пор) проект S-69 был заброшен, однако сама концепция соосного винта, который бы опирался исключительно на наступающую лопасть ротора (Advanced Blade Concept, ABC) нашла своё воплощение в следующей разработке компании «Сикорский» - демонстраторе технологий X-2.
Кроме того, концепция разгрузки несущего винта от работы по созданию пропульсивной силы тоже показала свою успешность и была учтена в проекте Х-2.
Строго говоря, уже даже «Сикорский» S-69 не был чистым вертолётом по определению данного вида летательных аппаратов, относясь к так называемым винтокрылам, за тем исключением, что вместо воздушного винта S-69 использовал турбореактивные двигатели.
Винтокрылами, согласно классификации FAI, называют винтокрылый летательный аппарат, несущий винт, который на режимах взлета, висения, посадки и на части диапазона скоростей горизонтального полета обеспечивает большую часть подъёмной силы, а горизонтальный полет обеспечивается, в основном, за счет крыла и, обычно, воздушного винта, независимого от системы несущего винта.
Иногда даже Lokheed AH-56 «Шайенн» и милевские Ми-6 и Ми-24 считают винтокрылами, опираясь на тот простой факт, что в их конструкцию включено дополнительное крыло, обеспечивающее подъёмную силу и разгружающее вертолётный винт от работы по созданию подъёмной силы.
Пилон для оружия Ми-24 является одновременно и крылом. Так что, это не вертолёт, а винтокрыл.
Классическими же современными винтокрылами являются «Сикорский» X-2 и Eurocopter X3, в конструкции которых используется несущий, «вертолётный» ротор и тянущие и толкающие винты.
Eurocopter X3, однороторная схема, крыло, два тянущих винта, 472 км/час в 2013 году.
«Сикорский» X-2, соосная схема, без дополнительного крыла, толкающий винт, 460 км/час в 2010 году.
При этом концепции «Сикорский» X-2 и Eurocopter X3, при всей инновационности задуманного в них «винтокрыльного» будущего вертолётов, уже, по сути, нащупали тот самый предел, за которым громадный, слабонагруженный вертолётный ротор становится из помощника в режимах висения, взлёта и посадки лишь неприятной обузой в режиме горизонтального полёта.
По сути дела, дальше у конструкторов всё более и более скоростных вертолётов организуется простая вилка: или учить вертолёт лететь по-самолётному, или же заставить самолёт взлетать и садиться подобно вертолёту.
И вот тут мы и вынуждены будем рассказать о массе английских слов вида tiltrotor, tiltwing или tailsitter...