Вертолёт, 2005 № 04

Прогресс в аэродинамике вертолетных профилей демонстрируется на рис. 1, где в координатах основных критериев эффективности даны характеристики трех семейств профилей: ЦАГИ-3, ЦАГИ-4 и ЦАГИ-5 (разработанных в последние три десятилетия). Здесь же приведены и соответствующие характеристики вертолетных профилей исследовательских центров США и Западной Европы (по результатам сравнительных испытаний профилей в аэродинамической трубе больших дозвуковых скоростей Т-106 ЦАГИ). При сопоставлении вертолетных профилей ЦАГИ с зарубежными аналогами видно, что на всех этапах развития профили, разработанные в ЦАГИ, по многим характеристикам их превосходят.

Профилями серии ЦАГИ-3 были оснащены винты боевого вертолета Ми-28 и перспективного транспортного вертолета Ми-38.

Особого внимания заслуживает вертолет Ми-38, который по уровню аэродинамического совершенства, летно-техническим и экономическим характеристикам существенно опередил соответствующие разработки за рубежом (вертолеты S-92 и EH-101). Этому успеху в значительной мере способствовало выполнение ряда программ совместных исследований и экспериментов ЦАГИ и МВЗ им. М.Л. Миля в аэродинамических трубах. Удалось, в частности, добиться значительного улучшения аэродинамики корпуса. Достаточно сказать, что площадь эквивалентной вредной пластики Ми-38 оказалась рекордно малой для средних транспортных вертолетов с задним грузовым люком (Cx Sm = 1,75 м² вместо Cx Sm = 3,5 м² вертолета Ми-8). В интересах модернизации вертолета Ми-8 в аэродинамической трубе Т-105 ЦАГИ была отработана программа поиска рациональных технических решений, обеспечивающих существенное снижение лобового сопротивления корпуса Ми-8.

Наиболее эффективным оказалось решение, позволяющее ослабить диффузорный отрыв потока в области расположения заднего грузового люка. Рациональным выбором формы поверхности фюзеляжа в этой области удалось снизить лобовое сопротивление корпуса вертолета в 1,5–1,6 раза и обеспечить соответствующее повышение эквивалентного аэродинамического качества вертолета в целом, крейсерской скорости и дальности полета. Летные испытания вертолета Ми-8 с модифицированной формой фюзеляжа в ЛИИ также вскрыли этот важный резерв роста технических и экономических характеристик серийных машин.

Таким образом, существуют два главных направления повышения уровня аэродинамики серийных вертолетов: переход на более совершенные аэродинамические компоновки лопастей винтов и локальные изменения форм элементов корпусов.

Расчеты показали, что применение на винтах профилей ЦАГИ-4 и использование модернизированной аэродинамической компоновки корпуса обеспечивают увеличение крейсерской скорости Ми-17 на 35 км/ч. Крейсерская скорость вертолета достигнет рубежа 300 км/ч. Соответственно возрастут транспортная производительность, топливная и экономическая эффективность.

Кризис 90-х годов нанес тяжелый ущерб вертолетостроению. Работы по программе Ми-38 были фактически прекращены. В это трудное время Казанский вертолетный завод при содействии руководства Татарстана реанимировал программу и построил Ми-38. Первого октября 2004 года состоялись первые официальные полеты вертолета, была организована широкая публичная презентация этого бесспорно лучшего в мире среднего транспортного вертолета. Уже в первых полетах Ми-38 преодолел рекордный рубеж скорости 300 км/ч. Специалистами были отмечены высокие маневренные свойства вертолета, а также низкий уровень шума, обусловленный особенностями аэродинамики новых винтов. Ми-38 — это вертолет 21 века. Впереди сертификация и выход вертолета на международный рынок.

Как только несущий винт Ми-38 был построен, появилась возможность оценки аэродинамической эффективности новых лопастей на серийном вертолете Ми-8. Проведенные в 2000–2001 гг. силами ЛИИ и МВЗ летные испытания вертолета Ми-8 с лопастями Ми-38 показали значительное увеличение коммерческой нагрузки, крейсерской скорости и дальности полета без увеличения потребляемой мощности. Причина этого — в увеличении относительного коэффициента полезного действия и эквивалентного аэродинамического качества несущего винта. Все это привело к росту аэродинамического качества вертолета Ми-8 в целом и к снижению километровых расходов топлива.

Этот пример наглядно показывает, насколько эффективным является метод обратной унификации, который, по существу, сводится к замене лопастей серийных винтов лопастями новой аэродинамической компоновки без вмешательства в конструкции смежных агрегатов вертолета. При сравнительно малых затратах метод дает значительный технический и экономический эффект, его целесообразно использовать при обновлении парка оправдавших себя на практике серийных вертолетов.

Ка-226

Рис. 1. Развитие аэродинамических профилей для несущих и рулевых винтов вертолетов

На основе профилей ЦАГИ-4 были разработаны профили СТМ-2, наилучшим образом соответствующие условиям применения на соосном несущем винте Ка-226. Целевой функцией вертолета предусматривались следующие приоритеты: предельно высокий уровень относительного коэффициента полезного действия, большой запас силы тяги соосного винта относительно максимального взлетного веса вертолета, эффективное решение проблемы аэроупругой устойчивости лопастей, минимизация переменных усилий в системе управления.

Разработанная совместными усилиями ЦАГИ и ОАО «Камов» компоновка лопастей Ка-226 была внедрена на серийный вертолет. Его летные испытания показали, что новый соосный винт с расчетной удельной нагрузкой р=26 кг/м² обладает рекордно высоким относительным коэффициентом полезного действия n₀ =0,76-0,78 (вместо n₀ =0,71-0,72 у соосного винта-прототипа).

Расчетный прогноз показал также, что соосный винт с профилями СТМ-2 и нагрузкой р=55 кг/м² (как у Ка-32) будет иметь еще более высокий уровень коэффициента n₀ =0,81-0,82 (вместо n₀ =0,76-0,77).

Профили СТМ-2 обладают лучшими профильными полярами, имеют наибольшую несущую способность и максимальный уровень аэродинамического качества в рабочем диапазоне чисел М. Кроме того, профили СТМ-2 имеют стабильное по числам М заднее расположение аэродинамического фокуса и малые продольные моменты m_z0, что весьма важно для формирования эффективной аэроупругой компоновки соосного винта. Создание новейшего соосного винта способствовало сертификации вертолета Ка-226 по высшей категории А авиационных правил АП-29.

На базе профилей серии ЦАГИ-4 были разработаны и совместно с МВЗ имени М.Л. Миля испытаны натурные образцы лопастей рулевого винта Ми-17, изготовленных из полимерных композиционных материалов. Результаты испытаний подтвердили опережающий уровень аэродинамики новых винтов (рис. 2).

В 2002 году в большой аэродинамической трубе Т-101 был выполнен комплекс сравнительных испытаний серийного рулевого винта Ми-17 и нового рулевого винта ЦАГИ на всех режимах работы, в том числе и на режимах «вихревого кольца». Испытания подтвердили значительные преимущества рулевого винта ЦАГИ по всем показателям, в том числе по располагаемому запасу силы тяги, обеспечивающему безопасность эксплуатации вертолета на критических режимах полета. Рулевыми винтами типа ЦАГИ целесообразно оснащать все серийные одновинтовые вертолеты.