Проблему воздушного сообщения между регионами может решить комбинированный летательный аппарат
Вертолеты с их дальностями полетов, высокой стоимостью перевозки людей и грузов, а также самолеты местных авиалиний неспособны обеспечить перевозки в районах с неразвитой аэродромной сетью. Одновременно должны быть приняты меры для удешевления билетов. Его обеспечит только ввод в эксплуатацию новых конкурентоспособных воздушных судов отечественного производства. В связи с этим необходимо понимать, какие типы летательных аппаратов могут решить поставленные задачи.
45 тысяч населенных пунктов, в которых живут более 12 миллионов человек, лишены круглогодичного доступа к транспортной инфраструктуре. В пяти регионах отсутствует железнодорожное сообщение, а в 14 только самолетом или вертолетом можно добраться до Большой земли. При этом сегодня вполовину меньше аэропортов, чем в конце 80-х годов. Анализ ситуации показывает, что региональным авиакомпаниям требуется самолет вместимостью 50–60 пассажиров, пригодный для эксплуатации в сложных условиях и способный садиться и взлетать с грунтовых аэродромов.
Расстояния между аэропортами Крайнего Севера, Сибири и Дальнего Востока составляют в среднем 1200 километров, и тут в свои права вступает экономика: использовать вертолеты для перевозки людей и грузов с их скоростями и дальностью становится очень дорого. А самолеты на местных авиалиниях не смогут обеспечить весь объем авиаперевозок, поскольку аэродромная сеть пришла в упадок.
Небесный тихоход
Вертолеты – транспорт средних скоростей и малых расстояний. Одно из преимуществ перед самолетами – использование там, где вторые не могут совершить посадку и взлететь. Уровень совершенства и вертолета, и самолета для достижения требуемых значений скорости и дальности с точки зрения экономической целесообразности может быть оценен аэродинамическим качеством (К). У современных транспортно-пассажирских вертолетов Кмакс достигается на скоростях 230–240 километров в час и находится в пределах 5–5,5 единицы. У дозвуковых Ил-86 и Ту-154 Кмакс составляет 15, а у Ил-96-300 – 19.
Аэродинамическое качество (отношение подъемной силы к лобовому сопротивлению в поточной системе координат при данном угле атаки) у транспортно-пассажирских вертолетов примерно втрое меньше, чем у самолетов аналогичного назначения, и достигается на меньших (в два-три раза) скоростях. Чем больше крейсерская скорость, тем выше топливная эффективность, дальше расстояние полета и ниже себестоимость летного часа.
Вес пустого вертолета примерно на 17 процентов больше, чем у самолета одинаковой с ним категории. Это обусловлено тем, что для передачи крутящего момента от двигателей на несущий винт и уравновешивания его реактивного момента требуется относительно тяжелая, громоздкая и дорогостоящая трансмиссия.
Непроизводительные затраты мощности двигателей на обеспечение функционирования трансмиссии и ее систем составляют около четырех процентов, на уравновешивание реактивного момента несущего винта – до 10–12 процентов. Поэтому вес коммерческой нагрузки и топлива на вертолете значительно меньше, чем у самолета.
Основной критерий экономичности авиаперевозок – себестоимость тонно- и пассажиро-километра. Она зависит от крейсерской скорости и соответствующих ей величин аэродинамического качества и дальности полета. По этим показателям вертолет существенно уступает. Но у него есть весомые преимущества перед самолетом: садиться и взлетать вертикально, зависать над площадкой приземления, летать на малых скоростях.
 |
| Предсерийный прототип Ми-38 |
| Источник: http://www.russianhelicopters.aero/ |
Новый отечественный пассажирский Ми-38 развивает 275 километров в час. Превышение порога в 300 километров в час сопровождается интенсивным ростом профильного и волнового сопротивления лопастей несущего винта, для преодоления которого потребуется сначала значительное, а затем и неприемлемое увеличение мощности силовой установки. Есть и другие факторы, не позволяющие добиться серьезного увеличения скорости вертолета.
Дальность полета Ми-38 с максимальным количеством пассажиров при стандартном резервном и аэронавигационном запасе топлива на 30 минут достигает примерно 500 километров. Все возможности для увеличения крейсерской скорости и соответствующих ей показателей аэродинамического качества и дальности полета практически исчерпаны.
Отсюда простой вывод: существующие как отечественные, так и зарубежные вертолеты неспособны обеспечить авиаперевозки в районах страны с неразвитой аэродромной сетью.
Однако в авиационных фирмах мира не оставляют надежды явить свету скоростной вертолет. Фирмы США и Европы ведут дорогостоящие исследования, пытаясь подойти к возможности создать машину, развивающую до 500 километров в час. К этой гонке подключилось и АО "Вертолеты России" с концепт-моделями перспективных Ка-92 и Ми-Х1.
 |
| Скоростной пассажирский вертолет Ка-92
Источник: http://www.kamov.ru/ |
Выдающийся отечественный конструктор вертолетов М. Л. Миль со своими соратниками еще в 1966 году обосновал предельные скоростные возможности вертолета ("Вертолеты. Расчет и проектирование. Аэродинамика"). Тем не менее на двух международных выставках HeliRussia представители отечественных ОКБ демонстрировали концепт-модели своих перспективных пассажирских машин. Было принято решение о том, что ОКБ Миля должно сконцентрироваться на разработке проекта классической одновинтовой схемы средней весовой категории В-37 с крейсерской скоростью 350–370 километров в час. А ОКБ Камова продолжит исследовательские работы по созданию летающей лаборатории для отработки технических решений при создании скоростного вертолета соосной схемы. Подтвердить крейсерскую скорость 350–370 километров в час на В-37 и приемлемых на ней величин аэродинамического качества и дальности полета планируется на экспериментальном вертолете с небольшим крылом, созданном на базе Ми-24К.
Новое поколение специалистов – разработчиков В-37 наступает на те же грабли, что и их предшественники на вертолете Ми-6, пытавшиеся достигнуть высоких величин крейсерской скорости и дальности полета.
Крыло Ми-6 малого удлинения, а при наличии крыла, незначительно разгружавшего несущий винт на больших скоростях полета, уровень вибраций оказался достаточно высоким. В связи с этим на серийных машинах для исключения превышения норм вибрации крейсерскую скорость полета ограничили 250 километрами в час. Это притом что на Ми-6 был установлен мировой рекорд скорости – 340 километров в час.
Следовательно, достижение крейсерской скорости 350–370 километров в час на В-37 – дело несбыточное. Этот вертолет сможет лишь повторить достигнутый результат.
Винт готовится к прыжку
Для Крайнего Севера, Сибири и Дальнего Востока приоритетное значение имеет не сама по себе высокая крейсерская скорость вертолета, а практическая дальность полета и приемлемая стоимость авиабилетов. Такими характеристиками вертолет В-37 явно не располагает. И обладать не будет.
 |
Но транспортная проблема требует решения, и оно должно быть технически обоснованным и экономически оправданным. Стоит вспомнить автожир, явившийся предтечей вертолета – незаслуженно забытое создание испанского инженера Хуана де ла Сиервы.
Общее, что роднит автожир с вертолетом, – несущий винт. Отличие заключается в том, что несущий винт у вертолета приводится во вращение от двигателя через редуктор и создает в полете как подъемную, так и тянущую силу, которая обеспечивает ему поступательное движение. Необходимую для полета автожира тягу создает винтомоторная установка с толкающим (тянущим) воздушным винтом, а подъемную силу – авторотирующий несущий винт, приводимый во вращение энергией набегающего потока воздуха.
Автожир по сравнению с вертолетом наилучшим образом использует мощность силовой установки для создания подъемной силы и силы тяги. У него отсутствуют потери мощности на привод несущего винта в полете и уравновешивание его реактивного момента.
Все автожиры можно отнести к трем типам: крылатый, бескрылый и с прыжковым взлетом. Проектанты со временем отдали предпочтение второму типу. На небольших скоростях полета несущий винт не уступал крылу в создании подъемной силы. Следовательно, оно усложняло конструкцию автожира, увеличивало его вредное сопротивление и вес пустого аппарата.
В третьем типе несущий винт на минимальном шаге раскручивался до заданной частоты вращения с помощью механической трансмиссии, сопряженной с двигателем. Потребный крутящий момент примерно в 40 раз меньше, чем у вертолета той же весовой категории на висении. Поэтому вес трансмиссии на автожире составляет около двух процентов от пустого аппарата. У вертолета, напомним, 17 процентов. После раскрутки несущего винта автожира на старте перед взлетом эта трансмиссия выключается.
Обращают на себя внимание простота конструкции автожира и его технической эксплуатации. В отличие от вертолета здесь нет редуктора и других агрегатов и элементов трансмиссии для передачи крутящего момента в полете от двигателя к несущему винту. Перечисленные агрегаты являются высоконагруженными в полете, имеют ограниченный ресурс, требуют постоянного контроля, технического обслуживания, периодической замены в процессе эксплуатации.
Блеснув рядом непревзойденных качеств, автожиры уступили место самолетам и вертолетам, обладавшим другими возможностями, которые в первую очередь были востребованы военными.
Сейчас к автожирам проявляется определенный интерес. Современный уровень научных знаний и освоенных технологий позволяет сделать следующий шаг к созданию комбинированного летательного аппарата (КЛА) с авторотирующим несущим винтом и крылом, имеющим увеличенные по сравнению с вертолетом крейсерскую скорость и дальность полета. Автожир с прыжковым взлетом можно рассматривать в качестве прообраза пассажирского КЛА. Он обеспечивает взлет без разбега и посадку без пробега.
Попытки создания пассажирских комбинированных винтокрылых ЛА с вертикальным взлетом-посадкой на базе вертолетного несущего винта и крыла самолета (винтокрыл) успехом не увенчались. Комбинация вертолетный несущий винт + крыло оказалась практически нереализуемой из-за ее конструктивной сложности и дороговизны.
Идея создания пассажирского КЛА с взлетом-посадкой без разбега-пробега на базе авторотирующего несущего винта автожирного типа и крыла самолета до настоящего времени оставалась невостребованной.
Скоростной с большой дальностью полета КЛА отличается от всех существующих аппаратов и многочисленных проектов использованием ряда ключевых идей. Его несущая система включает самолетное крыло, движители и несущий винт автожирного типа. Для его вращения используется энергия набегающего потока воздуха.
Напомним, что аэродинамическое качество крыла самолета на крейсерской скорости существенно больше, чем у несущего винта. Именно поэтому в перспективном КЛА предпочтение по созданию подъемной силы на больших скоростях следует отдать крылу. Для этого достаточно разгрузить несущий винт путем уменьшения общего шага и частоты его вращения.
Несущий винт КЛА при проектировании оптимизируется для осуществления взлета-посадки без разбега-пробега, а крыло – для создания необходимой подъемной силы, уравновешивающей вес ЛА, и достижения максимума аэродинамического качества. Реализация этих идей обеспечит вдвое большую крейсерскую скорость и утроенную дальность при перевозке одинакового груза по сравнению с современными вертолетами того же назначения и веса.
Особо стоит отметить высокую безопасность полетов КЛА. Такой аппарат, как и автожир, обладает хорошей устойчивостью, управляемостью, техника его пилотирования проста. Он существенно надежнее на взлетах, посадках и при маневрировании в воздухе, застрахован от таких критических режимов полета, как сваливание или штопор.
Следует обратить внимание на высокую надежность авторотирующего несущего винта. Он работает на более благоприятных по переменным нагрузкам и вибрациям режимах, нежели у вертолета. Несущий винт комбинированного ЛА максимально нагружен на взлете-посадке. На скоростях более 100–120 километров в час его работа существенно облегчена.
Лопасти несущего винта, изготовленные из полимерных композиционных материалов, и их бесподшипниковое крепление к втулке обеспечивают ротору ресурс, сопоставимый с крылом самолета.
О высокой надежности и безопасности применения авторотирующих несущих винтов на автожирах свидетельствует статистика. Так, к 1933 году 130 автожиров перевезли десятки тысяч пассажиров на расстояние более 4 000 000 километров, их общий налет составил 35 000 часов. За десять лет эксплуатации серийных машин не было ни одной катастрофы, что является рекордом безопасности полетов.
Комбинация достоинств
Вертолеты и самолеты не конкурируют, но дополняют возможности друг друга. Но есть области, где использование обоих либо экономически невыгодно, либо невозможно чисто практически. Следовательно, необходим КЛА, обладающий всеми достоинствами вертолета и самолета. Он не будет конкурировать с ними, а заменит эти машины там, где они неспособны выполнять давно назревшие задачи.
Комбинированный летательный аппарат отличает несущая система, включающая самолетное крыло и авторотирующий несущий винт автожирного типа. По существу он представляет собой гибрид самолета и автожира, который использует новый способ взлета без разбега. После раскрутки несущего винта на старте осуществляется вертикальный подъем аппарата до отрыва колес шасси от площадки путем увеличения его общего шага. Одновременно пилот переводит двигатели во взлетное положение для создания максимума силы тяги пропеллеров (винтов изменяемого шага), чтобы пробег на взлете был коротким. Аэродинамические качества КЛА и самолета короткого взлета-посадки соизмеримы.
В отличие от вертолетов КЛА способны обеспечить сообщение с максимальной пассажирской загрузкой на дальность до 1400 километров, а в регионах с неразвитой транспортной инфраструктурой – до 700 километров от базовых аэродромов, при этом дозаправки топливом не потребуется.
Григорий Кузнецов, кандидат технических наук
Опубликовано в газете "Военно-промышленный курьер" в выпуске № 27 (642) за 20 июля 2016 года
