Скоростной вертолет нужен разработчикам, а не пассажирам
Уровень совершенства любого летательного аппарата определяется аэродинамическим качеством, которое у транспортно-пассажирских вертолетов примерно в три раза меньше, чем у самолетов аналогичного назначения, и достигается на значительно меньших скоростях.
Крейсерская скорость и соответствующее ей аэродинамическое качество определяют топливную эффективность, дальность и как следствие себестоимость летного часа. Отечественный Ми-38 с коммерческой нагрузкой 3300 килограммов на крейсерской скорости 280 километров в час при стандартном резервном и аэронавигационном запасе топлива на 30 минут покрывает расстояние порядка 900 километров.
“Для пассажирского вертолета важнее всего не скорость, а практическая дальность полета и приемлемая стоимость авиабилетов”
Казалось бы, чем быстрее, тем эффективнее, однако дальнейшему увеличению скорости вертолетов препятствует ряд факторов.
Ее дальнейшее наращивание после достижения 280 километров в час сопровождается интенсивным ростом волнового сопротивления на лопастях несущего винта. Требуется значительное увеличение мощности силовой установки.
Кроме того, по мере возрастания скорости и полной аэродинамической силы на несущем винте возникают и расширяются зоны повышенных, критических и закритических углов атаки лопастей и связанное с этим явление срыва воздушного потока. Это приводит к увеличению напряжений в лопастях, шарнирных моментах и потребных усилий в цепях управления. Растет вибрация летательного аппарата, происходит его разбалансировка. Ухудшается управляемость. В результате интенсивно сокращается ресурс ключевых элементов конструкции, таких как лопасти, втулка, автомат перекоса.
С ростом скорости расширяющиеся зоны срыва воздушного потока приводят к отклонению вектора полной аэродинамической силы в поперечном отношении, увеличению боковой силы на винте и кренящего момента. Для парирования этих явлений требуются увеличение полной аэродинамической силы несущего винта и отклонение ее вектора в поперечном отношении. Соответственно возрастают нерациональные траты мощности двигателя.
Есть и конструктивный фактор ограничения скорости полета. По результатам исследований, выполненных в КБ Миля, затрата мощности силовой установки для преодоления индуктивного сопротивления несущего винта на средней скорости составляет 40 процентов и уменьшается до 13 процентов на максимальной. Потери мощности на преодоление вредного сопротивления ненесущих частей вертолета составляют 15–10 процентов на средних скоростях и 40–35 процентов – на максимальной. Профильные потери мощности на вращение лопастей несущего винта на висении составляют 22–27 процентов, а на максимальной скорости полета – 50 процентов и более. Исследования показали, что увеличение крейсерской скорости на 15 процентов требует 30-процентной прибавки мощности силовой установки, что неприемлемо для пассажирских модификаций.
У осуществляющих перевозки людей вертолетов с хорошими аэродинамическими формами максимум эквивалентного качества достигается на скоростях около 230–240 километров в час и составляет 5,5 единицы. Но оно интенсивно уменьшается с увеличением скорости.
Курс на Запад
К настоящему времени все ухищрения проектантов в части увеличения крейсерской скорости и соответствующих ей величин аэродинамического качества и дальности полета практически исчерпаны.
Тем не менее вертолетные фирмы США и Западной Европы продолжают дорогостоящие исследования и экспериментальные работы по возможности создания машин, рассчитанных на максимальные скорости до 500 километров в час. Так, компании "Сикорский" и "Пясецкий" (США), "Еврокоптер" (Западная Европа) намерены достичь на концепт-вертолетах Х2 максимальной скорости 480 километров в час, на S-97 - 400, Х-49А – 370, Х3 – 430.
Зачем-то к этой гонке подключилось и АО "Вертолеты России" с концепт-моделями перспективных скоростных вертолетов (ПСВ) Ка-92 и Ми-Х1. Для оправдания финансовых затрат используется безотказно срабатывающий аргумент – мол, американцы не дураки. Только на выполнение НИР и ОКР в течение ближайших пяти лет потребуется более десятка миллиардов рублей. На двух последних международных выставках вертолетной индустрии HeliRussia ответственные представители ОКБ Камова и Миля вдохновенно демонстрировали свои концепты.
Было объявлено о выборе на конкурсной основе проекта для дальнейшей разработки и внедрения в серийное производство. Но поединок между Ка-92 и Ми-Х1 так и не состоялся. Оба ПСВ оказались несбыточной мечтой. Однако вскоре появилось решение о том, что ОКБ Миля приступит к разработке проекта пассажирского скоростного вертолета В-37 классической одновинтовой схемы с взлетной массой 10 500 килограммов и крейсерской скоростью 350–370 километров в час.
По результатам продувки модели В-37 в аэродинамической трубе ЦАГИ и выполненным расчетам сообщалось, что на крейсерской скорости около 360 километров в час с нормальной коммерческой нагрузкой 2500 килограммов его дальность полета составит те же 900 километров, что и у Ми-38 с его 280 километрами в час. Возможно ли это?
Цифры не врут
На Ми-38 и В-37 несущие винты имеют лопасти из современных композиционных материалов со стреловидными законцовками и эффективными профилями ЦАГИ. На В-37 шасси по сравнению с предшественником убирается в полете. Это немного улучшит аэродинамическое качество, но приведет к увеличению массы пустого вертолета. Другими принципиальными или революционными новациями, чтобы опровергнуть выводы М. Л. Миля, проектанты не располагают.
 |
| Аэродинамические качества вертолета |
| Источник: vpk-news.ru / amazonaws.com |
На В-37 могут быть установлены известные отечественные двигатели ТВ7-117В или ВК-2500П. Более приемлем для получения крейсерской скорости ТВ7-117В с мощностью максимального продолжительного режима работы 2000 лошадиных сил и удельным расходом топлива 0,22 кг/л.с. в час. Кстати сказать, такая силовая установка будет иметь более высокую относительную массу по сравнению с имеющейся у Ми-38.
Воспользовавшись известной формульной зависимостью, можем определить расход топлива машины с полетной массой 10 500 килограммов. При заявленных параметрах он составит 2,44 кг/км.
Отношение массы пустого Ми-38 к максимальной взлетной составляет 0,53. Если принять, что оно вполне приемлемо и для перспективного В-37, масса последнего будет равна 5565 килограммам. С учетом служебной нагрузки 280 килограммов (включая двух пилотов, масло, невырабатываемое топливо), резервного (200 кг) и стандартного аэронавигационного (300 кг) запасов топлива – 6345 килограммов. Тогда масса расходуемого в полете топлива и перевозимого груза будет равна 4155 килограммам.
Следовательно, дальность полета В-37 с заявленной платной нагрузкой 2500 килограммов, запасом топлива 1655 килограммов при его расходе 2,44 кг/км составит 678 километров вместо заявленных 900. Кроме того, В-37 способен перевозить в два раза меньше пассажиров, чем Ми-38.
За достижение крейсерской скорости 360 километров в час на вертолете В-37 придется дорого заплатить. Несущий винт окажется более нагруженным под воздействием аэродинамических и других сил по сравнению с Ми-38. Потребуется более тяжелая дорогостоящая трансмиссия, способная воспринимать увеличенные крутящие моменты, передаваемые несущему и рулевому винтам.
Возникает вопрос: для каких целей пассажирскому В-37 необходима крейсерская скорость 360 километров в час, требующая существенных материальных и финансовых затрат на ее реализацию? Например, в европейской части Крайнего Севера, в Сибири и на Дальнем Востоке расстояния между действующими аэродромами составляют 1200–1400 километров. Чтобы свободно перемещаться, приоритетное значение имеет не сама по себе высокая крейсерская скорость, а практическая дальность полета и приемлемая стоимость авиабилетов. Этого В-37 явно не сможет обеспечить. Тогда зачем он нужен?
Григорий Кузнецов, кандидат технических наук
Опубликовано в газете "Военно-промышленный курьер" в выпуске № 7 (671) за 22 февраля 2017 года