Особенности аэродинамики вертолета соосной схемы

Особенности аэродинамики вертолета соосной схемы

Сегодня в мировом вертолетостроении используются, в основном, три схемы вертолетов: одновинтовая, соосная и продольная, причем подавляющее большинство винтокрылых машин построено по одновинтовой схеме. Пионеры вертолетостроения хорошо знали принципиальные преимущества соосной схемы летательного аппарата. Однако зарубежным конструкторам удалось довести до массового производства и широкой эксплуатации только вертолеты одновинтовой схемы с рулевым винтом. Эта схема и стала называться классической. В России помимо одновинтовых вертолетов, также получили широкое распространение вертолеты соосной схемы.

Области применения соосных вертолетов определялись их характерными особенностями – малыми габаритами, высокими тяговооруженностью и маневренностью, аэродинамической симметрией. Эти особенности обеспечили им удобное базирование на малоразмерных взлетно-посадочных площадках кораблей различного назначения. В условиях взлета и посадки на качающуюся палубу и полета над морем ярко проявились уникальные качества соосных вертолетов. На кораблях Военно-Морского Флота нашли применение вертолеты Ка-25 и Ка-27. В гражданской авиации эксплуатировались Ка-26 и Ка-32. Эти вертолеты по достоинству оценены и за рубежом за высокую эффективность их работы.

В свете этого особенно важно провести объективный сравнительный анализ особенностей вертолетов соосной и классической одновинтовой схемы.

Компенсация реактивных моментов соосных несущих винтов

Особенности соосных вертолетов связаны с реализацией принципиально нового способа компенсации реактивного момента несущих винтов по сравнению с одновинтовыми вертолетами. Реактивные моменты винтов соосного вертолета взаимно уравновешиваются непосредственно на оси их вращения. На вертолете одновинтовой схемы для компенсации реактивного момента несущего винта необходимо создание боковой силы рулевого винта, приложенной к фюзеляжу.

Конструкторами соосных вертолетов, по существу, был создан новый тип несущей системы без реактивного момента. Реактивные моменты на винтах компенсируются автоматически на протяжении всего полета без всякого вмешательства летчика. В силу этого изменение мощности на винтах соосного вертолета не приводит к разбалансировке вертолета в путевом отношении. В установившемся полете верхний и нижний винты соосного вертолета имеют нулевой суммарный реактивный момент. При перемещении педалей возникает разница реактивных моментов, благодаря которой осуществляется управление вертолетом по курсу.

Способ компенсации реактивного момента, используемый на одновинтовом вертолете, требует в полете постоянного внимания летчика и регулирования тяги рулевого винта в целях балансировки вертолета.

Рис. 1. Аэродинамическое совершенства соосных и одновинтовых вертолетов на висеиии

Энергетические возможности

С энергетической точки зрения оптимальными для летательного аппарата являются такие решения, при которых мощность силовой установки идет преимущественно на полезные нужды. Для вертолета это – создание необходимых подъемной и пропульсивной сил на заданном режиме полета.

На одновинтовом вертолете часть мощности расходуется на привод рулевого винта, который создает силу тяги, потребную для компенсации крутящего момента несущего винта. Эти затраты составляют до 10- 12% от мощности, приходящей на вал несущего винта, и являются чистыми потерями.

На соосном вертолете вся свободная мощность силовой установки используется для привода несущих винтов, то есть для образования подъемкой силы. При этом реактивные моменты взаимно уравновешены. Следовательно, на компенсацию реактивных моментов прямых затрат мощности нет. Кроме того, на режиме висения соосные винты оказывают друг на друга положительное влияние, что также приводит к экономии мощности. Это обстоятельство иллюстрируется на рис. 1, где представлена схема воздушной струи, идущей от верхнего и нижнего винтов вертолета, находящегося на режиме висения. Поскольку струя от верхнего винта сужается в плоскости нижнего винта на 15-20%, то нижний винт имеет возможность осуществлять дополнительный подсос воздуха. Это в целом увеличивает сечение струи и снижает затраты мощности на создание подъемной силы. Кроме того, благодаря противоположному направлению вращения винтов на соосной несущей системе существенно уменьшаются затраты энергии на закручивание струи, что также приводит к снижению непроизводительных потерь мощности.

Результаты летных испытаний и другие экспериментальные материалы свидетельствуют, что коэффициент полезного действия соосных несущих винтов в среднем в 1,06-1,1 раза (на 6-10%) выше, чем одиночных, что видно на рис.1. Учитывая экономию мощности, идущей на компенсацию реактивного момента (10-12%), получаем, что в целом коэффициент полезного действия соосных вертолетов на 16-22% выше, чем одновинтовых. Перечисленные энергетические особенности обеспечивают соосной схеме существенные преимущества в потолке висения и в вертикальной скороподъемности.

На первый взгляд кажется, что за счет наличия двухвинтовой колонки соосные вертолеты должны иметь большее лобовое сопротивление, чем одновинтовые летательные аппараты. Однако при летных испытаниях это преимущество одновинтовых вертолетов в потребной мощности не проявилось, что можно объяснить следующими факторами:

– благоприятным взаимным влиянием соосных несущих винтов в поступательном движении;

– дополнительными затратами мощности на привод рулевого винта на одновинтовых вертолетах;

– дополнительным сопротивлением рулевого винта одновинтового вертолета, особенно с учетом интерференции рулевого винта и хвостовой балки вертолета;

– дополнительным вредным сопротивлением фюзеляжа одновинтового вертолета в полете со скольжением, так как летчику предпочтительнее пилотировать вертолет без крена;

Габаритно-массовые характеристики

Соосная конструкция позволяет уменьшить габариты и массу вертолета, что дает ему ряд преимуществ.

Для сравнительной оценки габаритно-массовых характеристик соосных и одновинтовых вертолетов с рулевым винтом целесообразно рассмотреть два случая: первый, когда соосный и одновинтовой вертолеты имеют одну и ту же полетную массу и одинаковую располагаемую мощность силовой установки, и второй, когда соосный и одновинтовой вертолеты имеют одинаковые диаметры винтов.

В первом случает использование соосной несущей системы позволяет уменьшить габаритные размеры вертолета на 35-40% по сравнению с одновинтовым. Во втором случае меньшее аэродинамическое качество и дополнительные потери мощности на привод рулевого винта у одновинтового вертолета обусловливают меньшее значение полетной массы. Из-за наличия рулевого винта габаритные размеры одновинтового вертолета на 20% больше соосного.

Компактность планера соосного вертолета и сосредоточение тяжелых агрегатов вблизи центра масс приводят к заметному уменьшению моментов инерции относительно вертикальной и поперечной осей (рис. 2), что играет важную роль в обеспечении высоких характеристик управляемости и маневренности.

Рис 2. Моменты инерции соосных и одновинтовых вертолетов

Устойчивость и управляемость

Важнейшей особенностью соосного вертолета, существенно улучшающей характеристики устойчивости и управляемости, является его аэродинамическая симметрия. В процессе развития и становления авиастроения конструкторы неоднократно обращались к аэродинамически симметричным схемам. Аэродинамическая симметрия летательного аппарата обеспечивает целый ряд важных пилотажных свойств, и главное, простоту управления. Весьма наглядным в этом плане является пример развития самолетостроения: самолеты проектировались и строились только симметричные.

Вертолет одновинтовой схемы является аэродинамически несимметричным летательным аппаратом с присущим только ему рядом характерных особенностей. В вертолетостроении с этим смирились как с неизбежной платой за простоту технического решения. Однако история развития вертолетостроения показала, что эта простота кажущаяся. Создание работоспособного рулевого винта и трансмиссии, имеющих приемлемые ресурс и характеристики, – чрезвычайно сложная проблема, которая и в настоящее время остается актуальной.

Аэродинамическая симметрия соосной схемы вертолета обеспечивается отсутствием реактивного момента на его корпусе, относительной близостью верхнего и нижнего винтов и благоприятным влиянием их друг на друга, что приводит к малой разности их тяг в сбалансированном положении. Направленные в противоположные стороны боковые силы винтов уравновешивают друг друга, а поперечный момент, возникающий из-за малого разноса винтов, невелик. Благодаря отсутствию рулевого винта на соосном вертолете нет постоянно действующей переменной боковой силы. Конструкция соосных вертолетов обеспечивает гармоничное сочетание эффективности управления и аэродинамического демпфирования, что обусловливает хорошие характеристики управляемости.

Благодаря аэродинамической симметрии на соосном вертолете практически отсутствуют связи между продольным и боковым движением, обеспечивается независимость каналов управления и простота пилотирования. Управление таким вертолетом доступно летчикам средней квалификации.

Аэродинамическая симметрия в значительной степени меняет «лицо» вертолета. Отсутствие переменного (по режимам полета) момента рыскания и боковой силы, действующих на фюзеляж, улучшает характеристики устойчивости и управляемости, повышает безопасность полета и облегчает решение задач в экстремальных условиях. На соосном вертолете отсутствуют связи между изменением мощности двигателей (общим шагом винтов) и путевым и поперечным управлением. На одновинтовом вертолете все маневры, в процессе которых меняется режим работы двигателей (разгоны и торможения, изменения высоты полета, развороты и др.), сопровождаются путевой перебалансировкой и необходимостью парирования возникающих боковых сил креном и скольжением. Из-за отсутствия симметрии, постоянного изменения взаимосвязи между движением в вертикальной и горизонтальной плоскостях пилотирование одновинтового вертолета усложняется, что требует большей тщательности обучения.

Соосные вертолеты по простоте управления сопоставимы с самолетами для первоначального обучения. В то же время по летным характеристикам устойчивости, управляемости и маневренности они имеют превосходство над одновинтовыми вертолетами.

«Полет на соосном вертолете не составляет труда и, по существу, выполняется так же рефлекторно, как и ходьба, высвобождая все человеческие ресурсы для решения тактической задачи», – писал Заслуженный летчик-испытатель, Герой Советского Союза Н.П. Бездетное. Лучше об управляемости вертолета соосной схемы, наверно, не скажешь.

Маневренность

Благодаря своим конструктивным особенностям соосный вертолет имеет неограниченные возможности в реализации «плоского» разворота, превосходящие возможности одновинтовых вертолетов. Особенности конструкции обеспечивают концентрацию на соосном винте всех важнейших функций: создание подъемной и пропульсивной (движущей) силы, продольного, поперечного и путевого управления и управления общим шагом.

Путевое управление вертолетом с соосным несущим винтом осуществляется при использовании разницы моментов вращения на верхнем и нижнем винтах. Это приводит к тому, что система управления в целом становится практически независимой от угла скольжения. Именно эго обстоятельство, а также отсутствие рулевого винта позволяет соосному вертолету выполнять «плоский» разворот с большими углами скольжения.

Для одновинтового вертолета «плоский» разворот принципиально невозможен. На одновинтовом вертолете допустимые углы скольжения существенно ограничиваются наличием рулевого винта. Дело в том, что изменение угла скольжения приводит к изменению угла атаки рулевого винта, условий его работы и махового движения его лопастей, особенно на больших скоростях полета. Увеличение амплитуды махового движения лопастей рулевого винта сверх допустимой является прямой угрозой безопасности полета. Это обусловлено тем, что на рулевых винтах отсутствуют автоматы перекоса, а предотвращение чрезмерного роста амплитуды махового движения обеспечивается только регулятором взмаха, возможности которого ограничены. Поэтому при росте амплитуды махового движения сверх допустимой возможны удары лопастей рулевого винта о балку. Кроме того, с ростом амплитуды махового движения растут нагрузки в элементах конструкции рулевого винта, что также накладывает ограничения на углы скольжения.

На соосных вертолетах допустимы значительные углы скольжения. Как мы уже говорили, это объясняется отсутствием рулевого винта и независимостью системы путевого управления от угла скольжения. Хвостовое оперение соосного вертолета не накладывает каких-либо ограничений на величину угла скольжения, так как рассчитано на изменение угла скольжения в диапазоне до 180°.

На одновинтовом вертолете эффективность путевого управления избыточна. Это связано с необходимостью обеспечения путевой балансировки во всем диапазоне изменения мощности силовой установки. Однако эта эффективность не может быть полностью реализована в полете. Ограничение угловых скоростей вращения на этих вертолетах вызвано необходимостью предотвращения попадания рулевого винта в режим вихревого кольца, а также условиями прочности хвостовой балки, рулевого винта и трансмиссии.

На соосных вертолетах путевое управление является гармоничным и сбалансированным, при этом обеспечивается оптимальная степень эффективности путевого управления. Руль направления увеличивает эффективность путевого управления соразмерно возрастающим аэродинамическим моментам планера при увеличении скорости полета. Пилотируя соосный вертолет, летчики быстро привыкают к новым условиям и убеждаются, что на нем можно выполнять маневры, недоступные одновинтовому вертолету.

Отсутствие рулевого винта на соосном вертолете дает летчику возможность осуществлять управление по курсу путем отклонения педалей до упоров с максимально возможным темпом, что обеспечивает кратчайшее время разворота на данный угол. Соосный вертолет имеет большое преимущество перед одновинтовым по темпу нарастания и по максимальной величине угловой скорости разворота, а также большой запас путевого управления на висении, в том числе на статическом потолке, независимо от барометрической высоты. Это преимущество переходит в значительное тактическое превосходство.

На одновинтовом вертолете с ростом высоты полета или с ростом температуры наружного воздуха из-за уменьшения избытка мощности силовой установки и увеличения шага рулевого винта существенно уменьшается располагаемый ход путевого управления, а следовательно, и эффективность разворота: на потолке висения, где используется вся располагаемая мощность, одновинтовой вертолет не может совершать развороты без потери высоты.

Маневры с использованием перегрузок

Эффективность и мощность продольного управления у соосного вертолета значительно выше, чем у одновинтового. Это обеспечивается меньшими моментами инерции (см. рис. 2) и большими располагаемыми моментами управления, что объясняется большим значением плеч сил, приложенных к втулкам верхнего и нижнего винтов относительно центра масс аппарата. На одновинтовом вертолете, вследствие того, что процесс вывода на перегрузку затянут, имеет место заметное падение скорости и, следовательно, достигается меньший уровень максимальной перегрузки. Таким образом, соосный вертолет, обладая большей эффективностью и мощностью продольного управления, имеет существенно большие располагаемые перегрузки.

Ввод соосного вертолета в пикирование выполняется эффективнее и безопаснее, чем одновинтового. Дело в том, что при вводе в пике требуется дать ручку от себя, при этом вертикальная перегрузка существенно уменьшается, происходит соответствующее искривление траектории и растет угловая скорость фюзеляжа на пикирование. В процессе гашения этой угловой скорости для перехода в установившееся пикирование пилот берет ручку на себя.

При этом маховое движение лопастей развивается быстрее, чем изменяется угловая скорость фюзеляжа. Если изменение угловой скорости фюзеляжа оказывается недостаточным из-за малой эффективности продольного управления (как, например, у одновинтового вертолета), то вследствие встречного относительного движения хвостовой балки и лопастей возможно их опасное сближение и даже соударение. На вертолетах соосной схемы подобные явления невозможны. Таким образом, выполнение маневров с уменьшением вертикальной перегрузки на соосном вертолете более эффективно и безопасно.

Маневры в горизонтальной плоскости. Больший избыток мощности из-за отсутствия рулевого винта и более высокое аэродинамическое качество соосных винтов по сравнению с одиночным позволяют соосному летательному аппарату выполнять разгон с режима висения с максимальным ускорением и гораздо быстрее разгоняться до заданной скорости.

Максимально допустимые скорости полета вбок и назад тоже характеризуют маневренность. Скорость перемещения соосного вертолета в любом направлении с режима висения ограничивается только максимальными располагаемыми ходами в системе управления винтами. На одновинтовом вертолете наличие рулевого винта накладывает существенное ограничение на скорость перемещения вбок с режима висения вследствие возможности попадания рулевого винта в режим вихревого кольца.

Соосные вертолеты имеют преимущества и при выполнении всех пространственных маневров, особенно при выполнении маневров типа поворота на «горке», когда необходимо развивать большие угловые скорости и использовать глубокие скольжения.

Кроме вышеперечисленных маневров, на соосных вертолетах успешно выполняются такие фигуры высшего пилотажа, как косая петля, кувырок, восходящая бочка и др. При их выполнении на соосных машинах углы тангажа достигают 90°, крены – 130-140°.

Авторотация

Анализ статистических материалов, полученных на основе летных испытаний, показывает, что при одинаковой нагрузке на квадратный метр ометаемой несущим винтом площади минимальные вертикальные скорости снижения на режиме авторотации у соосных вертолетов несколько меньше, чем у одновинтовых вертолетов. Это объясняется наличием на соосной несущей системе бипланового эффекта, уменьшающего индуктивные потери мощности. Кроме того, на режиме авторотации, несмотря на малую тягу, рулевой винт одновинтового вертолета потребляет определенную мощность, что также приводит к увеличению вертикальной скорости снижения одновинтовых вертолетов.

– благодаря аэродинамической симметрии соосного вертолета, отсутствию в каналах управления перекрестных связей типа «общий шаг – педали» не происходит существенной разбалансировки машины в пространстве при переходе от моторного полета на режим авторотации;

– посадочные скорости соосных вертолетов на режиме авторотации примерно на 15 км/ч меньше, чем одновинтовых. Это объясняется более низким (на 20-30 м) энергичным выравниванием машин с большими (до 10°) углами тангажа, что обеспечивается более высокой мощностью продольного управления и меньшими габаритами планера. Меньшие посадочные скорости увеличивают безопасность посадки, особенно на пересеченную местность.

Путевая управляемость соосных вертолетов на режиме авторотации обеспечивается за счет развитого вертикального хвостового оперения и разности крутящих моментов на винтах. «Руководство по летной эксплуатации» содержит рекомендации по уменьшению частоты вращения несущего винта на 3-4% для выполнения планирования на авторотации и посадки с малыми поступательными скоростями движения. При сохранении скорости планирования это приводит к уменьшению на 2-3 м/с вертикальной скорости снижения. Одновременно возникающая на несущих винтах разность моментов сопротивления вращению приводит к увеличению эффективности путевого управления и улучшению посадочных характеристик.

Безопасность полетов

В вопросах обеспечения безопасности полета решающее значение имеет человеческий фактор. Соосные вертолеты безопаснее одновинтовых, так как они более просты в управлении, имеют лучшие характеристики управляемости и маневренности и высокое аэродинамическое качество.

Соосный вертолет с меньшими по сравнению с одновинтовым вертолетом того же класса габаритами более безопасен при маневрировании вблизи препятствий и на малых высотах. Ввиду того, что габариты соосной машины определяются диаметрами несущих винтов, в процессе полета вблизи препятствий повреждение хвостового оперения соосного вертолета практически невозможно. Однако даже повреждение или потеря оперения, например, при грубой посадке, не оказывает существенного влияния на безопасное завершение полета, так как путевая управляемость обеспечивается соосными винтами. На одновинтовом вертолете при повреждении и потере рулевого винта создается ситуация, близкая к катастрофической.

При сравнении безопасности полета соосных и одновинтовых вертолетов оппоненты часто обращают внимание на опасность соударения лопастей на соосных вертолетах. Необходимо отметить, что проблема сближения лопастей с элементами конструкции одинаково актуальна как для соосных, так и для одновинтовых вертолетов и решается известными методами. Необходимо отметить, что на одновинтовых летательных аппаратах также зафиксированы случаи соударения лопастей несущего винта с хвостовой балкой, кабиной экипажа, а также рулевого винта с концевой балкой.

Несущие винты соосных вертолетов конструируются с учетом обеспечения требуемой безопасности полета. Кроме того, в процессе проектирования вертолета предусматриваются конструктивные запасы между лопастями нижнего винта и элементами конструкции вертолета. Расстояние между лопастями верхнего и нижнего винтов и между лопастями нижнего винта и элементами конструкции вертолета скрупулезно и с высокой точностью измеряется в процессе летных испытаний во всем диапазоне эксплуатационных режимов полета, в том числе и при выполнении всех маневров. Эти измерения проводятся с помощью специальной аппаратуры. На основе измерений и обобщения результатов испытаний соосных вертолетов на всех эксплуатационных режимах, в том числе и при выполнении фигур высшего пилотажа, выработаны конструктивные меры по предотвращению опасного сближения лопастей верхнего и нижнего винтов, а также лопастей нижнего винта с элементами конструкции планера.