Вертолет 2002 03

На первый взгляд кажется, что за счет наличия двухвинтовой колонки соосные вертолеты должны иметь большее лобовое сопротивление, чем одновинтовые летательные ааппараты. 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 (эффект «бипланной коробки», обеспечивающий заметную экономию части располагаемой мощности силовой установки, которая идет на создание подъемной силы и эквивалентной потребной индуктивной мощности);

– 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;

– рядом мер, существенно уменьшающих на соосном вертолете лобовое сопротивление (например, на Ка-50 – убирающееся в полете шасси).

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

Для сравнительной оценки габаритномассовых 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

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. На рис. 3 представлены оценки характеристик управляемости ряда вертолетов в поперечном канале по стандарту Авиационного управления армии США ADS-33C «Требования к ручному управлению для военных вертолетов» для режима висения и полета на малой скорости. График зависимости постоянной времени запаздывания от характерной частоты отображает различные уровни управляемости вертолетов. Видно, что вертолет Ка-50 по своим характеристикам соответствует уровню управляемости 1 (отличные характеристики управляемости) «Требований» ADS-33C. При этом он имеет существенные преимущества перед другими вертолетами по величине запаздывания и по частоте.

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 боевых 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, «горки» и пикирования, боевые 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.

Рис 3. Уровни управляемости вертолетов на висении и в полете с малой скоростью

Рис 4. Независимостъ функционирования системы управения от угла скольжения

В процессе маневрирования решаются две задачи: выход на заданное направление и обеспечение требуемой разности высот по отношению к цели. Конечно, на практике эти задачи решаются в комплексе, но для лучшего понимания физической природы явлений рассмотрим их раздельно.

Маневры с изменением направления движения могут быть выполнены как под действием перегрузки (об этом мы поговорим отдельно), так и без нее. Маневры, при которых продольная ось вертолета ориентируется в заданном направлении, как правило, путем ввода вертолета в глубокое скольжение, называются «плоскими». Специфическая особенность вертолета – способность производить «плоские» развороты, реализуемая на висении и при перемещениях с малыми скоростями полета. Наиболее известным «плоским» маневром является разворот вертолета по курсу на режиме висения. Нужно отметить, что интенсивность современного боя и необходимость достижения тактического превосходства в боевой обстановке требуют расширения диапазона скоростей полета, на которых может быть использован «плоский» маневр.