Уникальные характеристики по дальности (до 10…15 тыс. км) и грузоподъемности (до 100 т) дирижаблей, построенных в первой половине ХХ века («Гинденбург», «Акрон», «Мэкон» и др.), известны. Тем не менее, до сегодняшнего дня классические, «сигарообразные» дирижабли сохранили свои концептуальные недостатки. Среди них: высокая парусность; большие трудности в обеспечении устойчивости и управляемости на взлете и посадке; необходимость в сложной наземной инфраструктуре.
Еще в начале 1950-х разработчики обратились к идее гибридных дирижаблей. Типичным примером группы является вертостат, включающий несущие элементы дирижабля и вертолета. Иногда вертостаты называют аппаратами с аэростатической разгрузкой. Примерно половина подъемной силы создается в них несущим газом, а другая половина – вертолетными несущими винтами, которые одновременно обеспечивают необходимую устойчивость и управляемость аппарата. Однако лишь единичные проекты гибридных дирижаблей дошли до экспериментальных образцов. Причина в том, что применение вертолетных силовых установок на вертостате серьезно осложнило задачу обеспечения длительной работоспособности вращающейся динамической системы. Присутствие разветвленной трансмиссии и сильно разнесенных масс тяжелых вертолетных модулей, установленных на концах протяженных ферменных балок ограниченной жесткости, критически снизило надежность воздушного судна (ВС). Этот факт убедительно доказала неожиданная катастрофа экспериментального вертостата Heli-Stat американской фирмы «Пясецки эйркрафт», который до этого трагического события успешно налетал несколько десятков часов. Что же дальше?
В конце 2012 г. возникла идея использовать на вертостате автожирный принцип создания части потребной подъемной силы. Поэтому такой аппарат стал называться автожирным вертостатом.
Концепция автожирного вертостата обещает стать продуктивной по своим возможностям благодаря удачной взаимной трансформации характерных технических особенностей несущей пары «автожирный винт + баллон дирижабля». В то время как при раздельном применении ее составные части имеют врожденные недостатки. Это тот случай, когда сочетание двух способов создания подъемной силы рождает новый, более высокий уровень технических свойств изделия, что дает основание отнести автожирные вертостаты к одному из перспективных направлений развития воздушной транспортной техники.
Автожирный несущий винт в составе силовой установки дирижабля привносит ряд существенных преимуществ. К ним относятся:
1. Хорошее аэродинамическое качество (К=5,5…7).
2. Полное перекрытие диапазонов рабочих скоростей дирижабля и автожирного винта.
3. Хорошее значение производной прироста коэффициента подъемной силы Су=6.
4. Способность автожирного винта быстро гасить дестабилизирующие моменты от порывов ветра (пониженная чувствительность к болтанке).
5.Отсутствие срывных режимов обтекания диска при всех практических углах атаки к воздушному потоку (α=0°…90°).
6. Наличие эффекта устойчивого парашютирования при безмоторном спуске и кабрировании перед приземлением.
7. Способность автожирного винта развивать достаточную для взлета подъемную силу тяги уже при скорости набегающего потока (или ветра) 7 м/с.
8. Свойство не создавать пылевого облака на земле, т.к. поток подходит к винту горизонтально и снизу вверх.
9. Небольшие рабочие усилия в системе управления при изменении углов наклона диска винта в двух взаимно перпендикулярных направлениях.
10. Простая, легкая и технологичная втулка двухлопастного несущего винта с общим выносным горизонтальным шарниром, без осевого и вертикального шарниров, без автомата перекоса, без поводков и тяг лопастей.
11. Постоянный угол установки лопастей. Обычно 2,0°…2,5°.
12. Возможность использования недорогих серийных экструдированных лопастей с высокоэффективным автожирным профилем NACA 8-Н-12.
13. Отсутствие на корпусе вертостата реактивного момента.
14. Пониженная удельная масса силовой установки.
15. Высокий уровень безопасности полета. При отказе маршевых двигателей дирижабль сохраняет способность к управляемому планированию и посадке практически без пробега.
16. Низкий уровень вибраций конструкции от вращающегося несущего винта.
17. Дифференциальное управление наклоном диска винта, позволяющее активно противостоять сносу дирижабля с линии пути в крейсерском полете.
18. Отсутствие сложной и тяжелой трансмиссии.
В качестве недостатков автожирного вертостата следует отметить:
1. Необходимость предстартовой раскрутки автожирного винта.
2. Необходимость в специальном бортовом устройстве для раскрутки винта (реактивного, механического, электрического, гидравлического или пневматического типа).
3. Необходимость систематического и тщательного контроля за состоянием поверхности лопастей, и особенно за чистотой «носика» его профиля. Загрязнения и налипания посторонних частиц, осаждение инея существенно ухудшают аэродинамические характеристики всего винта.
4. Отсутствие у серийных экструдированных лопастей несущего винта защиты от обледенения.
Взлет и посадка автожирного вертостата возможна: на аэродромах всех типов; с ровных площадок; с ровного поля; с открытых участков автострад; с водной поверхности озер и рек; с площадок, подобранных с воздуха. При скорости ветра 7 м/с и более вертостат с раскрученным несущим винтом и нормальной взлетной массой взлетает с места без разбега.
В случае полной утраты гелия из газонаполненных мешков по чрезвычайным обстоятельствам (например, посадка с множественными повреждениями оболочки и газовых мешков, вмешательство посторонних лиц), пилот вертостата может штатно выполнить эвакуацию с места посадки по воздуху или перелет до ближайшего аэродрома без пассажиров, используя при этом только подъемную силу тяги автожирного винта.
Весовая отдача одновинтового автожирного вертостата с одним маршевым турбовинтовым двигателем находится на уровне 48-50%.
Новизна данного направления дирижаблестроения обусловила необходимость в решении целого ряда задач: обоснование требований к автожирному вертостату, формирование концепции и выполнение технического обоснования применения основных конструктивных решений, предложение вариантов исполнения силовой схемы аппарата и его основных частей, выделение рациональных платформ автожирных вертостатов и оценку пригодности моделей для серийного производства в пределах каждой платформы, расчет летно-технических характеристик на примере одной из выделенных платформ, сравнение автожирного вертостата с дирижаблями классического типа, близкими по величине поднимаемой полезной нагрузки, предварительное определение состава бортовых систем, рассмотрение особенностей летной и наземной эксплуатации автожирного вертостата, а также формирование конкретных предложений по развитию направления.
На рабочих высотах полета по данным многолетних наблюдений, как правило, присутствует ветер 8…10 м/с, поэтому вертостат способен стабилизировать свое положение относительно земли и по высоте, если это необходимо для работы транспортируемого оборудования. При отсутствии ветра возможно барражирование на минимальной скорости горизонтального полета 40 км/ч по кругу с радиусом виража 30…40 м.
Результаты оценок и выводы послужили основой для отработки базовых технологий изготовления изделий.
Автожирный вертостат должен удовлетворять дополнительным требованиям и иметь:
- парусность в несколько раз меньшую, чем у сравнимого классического дирижабля;
- устойчивость и управляемость, аналогичную характеристикам автожиров;
- повышенную удельную прочность конструкции;
- прогрессивные решения по компоновке аппарата и маршевой силовой установки (СУ);
- минимальные требования к наземной инфраструктуре и оборудованию;
- возможность использования в СУ авиационного керосина в качестве основного топлива;
- предрасположенность к использованию разнообразных видов укрытий;
- возможность эксплуатации с имеющейся сети аэродромов и вертодромов;
- возможность посадки на площадки, подобранные с воздуха;
- способность к штатной посадке на воду с причаливанием к берегу или выездом на него;
- повышенную транспортную безопасность для экипажа и пассажиров;
- достаточную живучесть конструкции при локальных повреждениях;
- возможность перелета на базу без объема несущего газа на борту;
- конкурентную стоимость приобретения;
- сравнительно низкие эксплуатационные расходы;
- приемлемые затраты на утилизацию.
Опыт создания и эксплуатации транспортных дирижаблей показывает, что крейсерские скорости 80…110 км/ч, реализованные в построенных ранее конструкциях, сегодня недостаточны. Требуется освоение скоростей в интервале 150…200 км/ч, которые играют ключевую роль в достижении коммерческого успеха изделия. Скорости ближе к верхней границе желательны для пассажирских аппаратов, ближе к нижней – для грузовых. С такими скоростными данными автожирный вертостат сможет успешно конкурировать не только с железнодорожным или вертолетным транспортом, но и с легкомоторной авиацией.
Становится очевидным, что качественного улучшения характеристик транспортных дирижаблей можно достигнуть, стимулируя развитие именно автожирных вертостатов. Потребный объем несущего газа у них в 4…5 раз меньше. Соответственно, в степени 2/3 снижается и сила лобового сопротивления корпуса. В 2,5…3 раза уменьшается парусность.
Выбранная схема автожирного вертостата кардинально изменяет летно-технические характеристики ВС. Набегающий поток подходит к винту снизу вверх, поэтому его можно располагать не на длинных выносных фермах, а на отдельном кабане, закрепленном на силовом шпангоуте выше образующей корпуса дирижабля. Мощность на вращение автожирных винтов отбирается непосредственно от набегающего потока, поэтому отсутствуют массивные главные редукторы и тяжелая силовая трансмиссия для передачи мощности на вал винта. Совокупная экономия массы конструкции исчисляется цифрами от многих сотен до нескольких тысяч килограмм, в зависимости от размерности изделия.
Другое очень важное качество автожирного винта – отсутствие срывных режимов обтекания при практически возможных углах атаки плоскости вращения винта 0°…90° и при любых эксплуатационных скоростях полета, вплоть до нулевых. Такое понятие, как скорость сваливания, характерное для аппаратов с крылом, здесь вообще отсутствует.
При правильном проектировании лопастей автожирного винта не возникает проблем с вибрациями. Несложно отстроиться от резонансных режимов и автоколебаний. Диапазон поступательных рабочих скоростей автожирного винта более широкий, чем у классического дирижабля, поэтому и на малых, и на больших скоростях полета он имеет хорошую маневренность и управляемость. Этому факту способствует также высокое расположение плоскости вращения автожирного винта над центром тяжести и центром сплавной силы.
Важным вопросом концепции является установление типа и количества маршевых силовых установок вертостата. Переход к диапазону крейсерских скоростей 150…200 км/ч и учет закономерности роста потребной мощности для полета пропорционально кубу развиваемой скорости однозначно приводит к выбору турбовинтового двигателя (ТВД) в качестве основного типа для маршевой СУ.
Свойство автожирного вертостата автоматически переходить к устойчивому планированию из любой точки воздушного пространства после прекращения работы маршевой СУ и производить при этом безопасную посадку допускает его комплектование только одним маршевым ТВД. Соответственно, вертостат получает все те преимущества, которые принесли в авиацию турбовинтовые двигатели – малую удельную массу, большой межремонтный и назначенный ресурс, низкий уровень вибраций, высокую удельную мощность, легкий запуск при отрицательных температурах (до –35° С без подогрева), низкий удельный и километровый расход топлива, улучшенные условия для обслуживающего персонала, снижение эксплуатационных расходов.
Использование в качестве топлива для ТВД авиационного керосина делает доступной для выполнения регулярных полетов всю сеть аэродромов и вертодромов России, в том числе на Крайнем Севере.
В итоге общая концепция перспективного транспортно-пассажирского автожирного вертостата может быть сформулирована в следующем виде: Аппарат тяжелее воздуха с автожирным винтом, расположенным на кабане выше уровня образующей корпуса. Подъемная сила тяги, развиваемая автожирным винтом, перекрывает вес снаряженной конструкции, вес экипажа и аварийного запаса топлива. Кабинный отсек экипажа закреплен в центре носовой части оболочки. В кормовой расположен корпусный модуль хвостового оперения с маршевым ТВД на конце. В носовой части, в центральной силовой трубе и частично в кормовом модуле распределены: полезная нагрузка (пассажиры, грузы) и вспомогательные отсеки (туалет, кухня, багажное отделение). Крейсерская скорость в диапазоне 150-200км/ч. Посадка и взлет «по-автожирному» с аэродромов и вертодромов любых типов, в том числе, с водной поверхности озер и рек или площадок, подобранных с воздуха.
Облик одновинтового автожирного вертостата, отвечающий предложенной концепции, показан на Рис.1.
 |
| Рисунок 1. Концептуальный облик транспортно-пассажирского одновинтового автожирного вертостата |
| Источник: Авиапанорама |
Выделение линейки серийных платформ автожирных вертостатов позволяет унифицировать их модули, крупные детали, отсеки, узлы, несущие винты и применять их для моделей внутри данной платформы. Такой подход существенно снижает издержки изготовителя, экономит производственные ресурсы, уменьшает номенклатуру оборудования и оснастки, увеличивает производительность труда исполнителей, создает условия для доведения технологических процессов и конструкции изделий до высокого уровня совершенства по мере накопления опыта их производства.
Для автожирных вертостатов проработаны и предлагаются к унификации шесть платформ с нумерацией от 0 до 5 (см. табл. 1).
 |
| Платформы автожирных вертостатов |
| Источник: Авиапанорама |
Нулевая платформа, при сохранении идентичности конструкции, из-за малых размеров существенно отличается по комплектации. В ней маршевая СУ может комплектоваться как поршневым, так и газотурбинным двигателем. Кроме того, отсутствует вспомогательная силовая установка (ВСУ). Отсюда изменения в составе систем.
В остальных платформах в качестве маршевой СУ применяется только газотурбинная установка – турбовинтовой двигатель (ТВД), и предусмотрена установка вспомогательной СУ. Состав систем между платформами идентичен.
Самая крупная пятая платформа имеет диаметр оболочки, являющийся предельным по расстоянию между опорными колоннами кран-балки эллинга и по размерам ворот. Максимальным является также диаметр несущего винта (НВ), который реально реализован на вертолетах Ми-6 – 35 м.
В пределах каждой платформы модели могут отличаться количеством винтов, количеством лопастей на НВ, расположением несущих винтов, числом силовых шпангоутов, оборудованием от разных производителей.
Не все винтовые схемы вертостата оптимальны для реализации в пределах одной платформы. Оказывает влияние масштабный фактор и разный уровень технических рисков, обусловленных недостаточной изученностью вопросов аэродинамики многовинтовых летательных аппаратов автожирного типа. По самой простой одновинтовой схеме достаточно быстро могут быть созданы серийные модели автожирных вертостатов 0-, 1-, 2- и 3-й платформ.
Для 4-й платформы наиболее простой будет уже двухвинтовая продольная схема, т.к. одновинтовая компоновка требует НВ, достигающий 50 м в диаметре, что пока трудно реализовать на практике.
Для 5-й платформы, имеющей в 3,5 раза большее значение взлетной массы по сравнению с 4-й платформой, требуется не менее 4 несущих винтов продольно-поперечной компоновки (оси винтов в плане по вершинам прямоугольника).
Ввиду наименьших размеров и стоимости, одновинтовую модель нулевой платформы с поршневым двигателем удобно использовать для разработки экспериментального образца автожирного вертостата – демонстратора технологий. Цель – получение практического опыта создания и эксплуатации летательного аппарата с автожирным несущим винтом и аэростатической разгрузкой, а также проведение экспериментальных, конструкторских и летных исследований с целью оценки эффективности его эксплуатации. После завершения программы испытаний эта модель первой может быть сертифицирована и запущена в серийное производство. Размерность нулевой платформы привлекательна для большого круга потенциальных потребителей, в том числе для частных компаний и физических лиц.
В табл. 2 приведены сравнительные данные проекта вертостата 2-й платформы модели ВА21-01ТП и шести типов классических дирижаблей, три из которых выпускались серией.
 |
| Сравнительные данные проекта вертостата 2-й платформы модели ВА21-01ТП и шести типов классических дирижаблей |
| Источник: Авиапанорама |
Видно, что удельная масса и, следовательно, удельная прочность конструкции автожирного вертостата в среднем в 1,7 раза выше. Этот факт способствует большей выносливости нагруженных элементов конструкции в условиях действия эксплуатационных нагрузок.
Весовая отдача автожирного вертостата близка к значениям весовой отдачи автожиров и значительно больше, чем у сравниваемых проектов дирижаблей, что свидетельствует о весовом совершенстве конструкции.
Один из важнейших параметров любого ВС – часовая транспортная производительность, которая у автожирного вертостата в среднем почти в 2,9 раза больше, чем у классических дирижаблей.
Другой ключевой параметр – топливная эффективность, рассчитанная как отношение километрового расхода топлива к одной тонне полезной грузоподъемности. У автожирного вертостата она оказалась лучше на 25%, несмотря на в 2,2 раза большую крейсерскую скорость и применение ТВД вместо поршневых двигателей.
 |
| Рисунок 2. Сравнение контурных объемов проекта автожирного вертостата модели ВА21-01ТП и классического дирижабля, равного по величине поднимаемой полезной нагрузки |
| Источник: Авиапанорама |
На Рис.2 в сравнении показаны контуры автожирного вертостата и классического дирижабля, имеющих одинаковую поднимаемую полезную нагрузку.
Площади проекций, а значит и парусность, различаются в 2,9 раза. Причем, наличие у автожирного вертостата управляемого несущего винта и изменяемого вектора тяги маршевой СУ обеспечивает необходимые значения моментов управления в продольной (кабрирование, пикирование), путевой (рыскание) и поперечной (крен) плоскости, что является ценным качеством, особенно при предпосадочном маневрировании вблизи наземных препятствий.
Этим свойством автожирный вертостат выгодно отличается от классического дирижабля, где безопасность взлета и посадки при наличии ветра, турбулентности воздуха и наземных препятствий резко снижается.
За счет уменьшенного в 4,3 раза потребного объема газа, удаления из потока сечений пассажирской гондолы и гондол двигателей, выступавших за габариты оболочки, общая сила аэродинамического сопротивления автожирного вертостата с учетом добавления сопротивления несущего винта и его кабана снизилась почти в 2 раза.
Расположение маршевой СУ на конце хвостового модуля позволяет частично реализовать эффект отсоса пограничного слоя с поверхности оболочки в крейсерском полете, что вносит свою долю в уменьшение силы общего аэродинамического сопротивления.
С учетом изложенного, освоение диапазона крейсерских скоростей 150…200 км/ч становится возможным на энергетически приемлемом уровне, а применение ТВД, как основного типа маршевого двигателя, является технически оправданным и экономически выгодным.
Автожирный вертостат проигрывает классическому дирижаблю в максимальной продолжительности полета примерно в 2 раза, но данный режим не является для него рабочим, т.к. маршевый ТВД в полете на максимальную продолжительность должен быть сильно задросселирован. Поэтому расход топлива и расход технического ресурса маршевого двигателя на таких режимах нельзя признать рациональным, за исключением случаев крайней необходимости, продиктованных техническими обстоятельствами выполнения полета.
Преимущества автожирного вертостата подтверждают практическую целесообразность вложения финансовых средств в развитие данного направления. Отечественные компании способны реализовать программы создания и организации производства таких ВС на существующей в России технологической базе.
В настоящее время нет никакой информации о том, что за рубежом проводятся какие-либо исследования и практические работы по рассматриваемой теме.
Изложенные проектные предложения призваны сформировать стартовые условия для появления в России конкурентоспособных ВС с аэростатической разгрузкой и осуществить переход от единичного выпуска такой техники к серийному производству вертостатов транспортно-пассажирского и специального назначения на основе типовых платформ, объединенных общим конструкторским замыслом.
Владимир Ворогушин, ведущий инженер НИО53 ОАО «ДКБА», кандидат технических наук
Опубликовано в журнале «Авиапанорама» №2-2014
