Вертолет, 2007 №2

Распространим известную идею струйно- импульсной механизации (СИМ) крыла самолета на лопасть вертолета. Суть идеи состоит в том, что «в случае струйного закрылка в узкую щель, расположенную вдоль задней кромки крыла, выдувается струя газа под некоторым углом 0 к хорде крыла. За счет ее эжектирующего действия возрастают скорость и разрежение на верхней поверхности крыла. Струя играет роль жидкого закрылка, тормозит поток под крылом и увеличивает давление на нижней поверхности крыла. В результате его подъемная сила возрастает. Кроме того, при наличии газовой струи возникает реактивная сила, проекция которой также увеличивает подъемную силу.

Воплотить эту идею на вертолете много сложнее, чем на самолете, — лопасть чрезвычайно важный элемент конструкции и нарушать ее продуманную «целостность» без особой надобности никто не будет. Надо доказать, что сделать это все-таки возможно, поскольку наличие газового «парашюта» увеличивает шанс на безаварийную посадку.

Ближайшим аналогом вертолета, подтверждающим плодотворность идеи привлечения управляемой циркуляции на НВ вертолета, является конвертоплан фирмы «Локхид» с преобразуемым Х-образным четырехлопастным винтом-крылом X-wind. На этом аппарате при остановке винта в полете передняя кромка лопасти становится задней, то есть меняется направление потока на профиле лопасти (крыла). Поэтому в сечении лопасти применяется симметричный профиль с системой управления пограничным слоем (УПС): выдув воздуха на верхнюю поверхность лопасти может производиться из любого щелевого сопла, как со стороны передней, так и со стороны задней кромки, в зависимости от направления потока.

Получение эффекта суперциркуляции (при наличии у летательного аппарата реактивных струй) зафиксировано в значимых для практических расчетов величинах и при продувке корпусов моделей перспективных самолетов с плоскими соплами двигателей. Исследования показывают, что эффективность СИМ зависит от ряда факторов; угла выдува струи 6, места выдра и значения коэффициента реакции С_μ:

С_μ — 2·mV_вс/ρ·V²·S,

где m — секундный массовый расход воздуха; V_вс— скорость воздушной струи; ρ — плотность воздуха; V — скорость полета; S — площадь крыла.

1 — съемный газогенератор; 2-лопасть; 3 — гибкий газовый канал; 4 — дискретный щелевой газоотвод; 5 — газовые струи (торцевые и вдоль задней кромки лопасти)

Рис. 3. Струйно-импульсная механизация лопасти НВ вертолета

Рис. 2. Численные зависимости применения СИМ крыла самолета

Рассмотрим зависимости С_y(α) для самолета с треугольным крылом при выдуве струи по его задней кромке: θ=30° (рис. 2).

Из рис. 2 видно, что достигаемое ΔС_y ~ 0,49 при = 0,5 ограничено, в основном, только возможностями по отбору воздуха от компрессора двигателя самолета, то есть значением коэффициента С_µ.

Если сравнить эффективность механического щитка крыла при углах отклонения 20° (ΔС_y = 0,5) и 60° (ΔС_y = 1,0) с эффективностью струйного закрылка = 0,49, можно видеть, что струйная механизация по этому показателю особо не уступает механической, да еще и создает реактивную силу, кстати, больше необходимую НВ вертолета, чем крылу самолета. Особенно востребованной для НВ представляется составляющая реактивной силы, действующая в плоскости его вращения и способная сдержать интенсивное падение оборотов НВ при отказе двигателей (или даже восстановить их до исходных и удерживать несколько дополнительных секунд, порой достаточных для безопасного завершения полета в аварийной ситуации).

Установим обтекаемый, предельно компактный и съемный газогенератор в комлевой части лопасти и соединим его с жаропрочным, жаростойким и гибким каналом, идущим вдоль всей лопасти за ее лонжероном или внутри второго контура лонжерона лопасти. В качестве аналога можно рассмотреть лопасть вертолета Ка-50 (рис. 3).

Канал выполним с дискретными щелевыми газоотводами (плоскими профилированными соплами) в среднюю и концевую части лопасти так, чтобы газ выходил вниз под углом θ к хорде лопасти вдоль ее задней кромки. Предусмотрим и выход газа через торцевые плоские сопла лопасти (вниз и наружу) с целью размывания уменьшающего тягу НВ поля скоростей воздуха, вовлекаемого в циркуляционное движение возле винта при вертикальном планировании (парашютировании) вертолета.

Решение на пуск газогенераторов принимается летчиком исходя из степени аварийности полетной ситуации (а также с учебной целью). Необходимо предусмотреть и автоматический пуск газогенераторов, упреждающий возможную запоздалую реакцию летчика (>= 0,5–1 с) при отказе двигателя (двигателей) вертолета у земли на висении и малых скоростях полета.

Таким образом, работающая на лопастях СИМ представляет собой активно вращающийся газовый «парашют» с реактивным сопротивлением движению вдоль своей оси, не позволяющий вертолету неприемлемо быстро снижаться после отказа двигателей на висении или малых скоростях полета. Особенно эффективной СИМ может оказаться для 5-8-лопастных НВ вертолетов за счет суммарного роста секундного количества движения газовой струи.

Чтобы обосновать свой вывод, приведем предварительные результаты расчета создания и применения СИМ НВ вертолета, выполненного с целью выяснить возможность полного энергетического замещения его отказавших двигателей твердотопливными малогабаритными газогенераторами.

Допустим, планируется установить комплект лопастей с СИМ на вертолет Ми-14ПС, имеющий следующие характеристики:

— мощность двигателей — 2x1950 л.с.;

— номинальная мощность — 2x1700 л.с.;

— номинальные обороты НВ — 192 об. /мин;

— диаметр НВ — 21,29 м;

— количество лопастей — 5 шт.;

— вес одной лопасти — 135 кг;

— нормальный взлетный вес — 13400 кг.

В расчете принимались или определялись

следующие значения различных параметров:

— увеличение веса вертолета в зависимости от размещения СИМ <= 0,5 %;

— увеличение веса лопасти <= 9-10 %;

— вес твердого топлива в одном газогенераторе <= 8 кг (78,5 Н);

— крутящий момент на втулке НВ при 192 об./мин от двух двигателей, работающих на номинальном режиме, М=1027299,3 кгс-см (100778 Н-м) при коэффициенте использования мощности 0,81;

— относительный радиус начала размещения сопел на лопасти с учетом темпа нарастания индуктивной воздушной скорости по длине лопасти r = 0,55;

— секундный массовый расход газа распределялся так: 93 % направлялось в сопла (150 шт., 14x5 мм) вдоль задней кромки; 7 % — в сопла (10 шт., 14x5 мм) торцевой части лопасти;

— угол выдува струй вдоль задней кромки θ = 30°;

— средняя скорость истечения газа из сопел на расчетном режиме (Ра = Рн) с учетом коэффициента скорости φ и V_рдтт = 0,8(2500+2800)/2 == 2120 м/с;

— относительный радиус точки приложения равнодействующей газовых сил с учетом действия центробежных сил на проходящий внутри лопасти газ r = 0,85;

— равнодействующая газовых сил, действующих вдоль задней кромки на одну лопасть, R = 261 кгс.

В результате получено время t=6,1 с, в течение которого пять газогенераторов, работающих на максимальном режиме до полной выработки 8 кг твердого топлива, создают крутящий момент, равный крутящему моменту, идущему на НВ от двух двигателей.

Выполним простейшую энергетическую проверку расчета. Два двигателя вертолета расходуют при взлете и установке режима G_взл = 13000 кгс на уровне моря, 15 кг керосина за 1 минуту, то есть 0,25 кгс/с. Для его полного сгорания необходимо 3,9 кгс/с воздуха. В сумме расход рабочего тела =4,2 кгс/с. Расход всех РДТТ PC на максимальном режиме равен: 5 шт. х 8 кгс/6,1 с = 6,6 кгс/с. Сравнивая расходы (4,2 кгс/с и 6,6 кгс/с) и учитывая более высокий КПД турбовального двигателя по сравнению с РДТТ PC (особенно в компоновке СИМ), делаем вывод — расчет достоверен.