Это все из-за воздуха! Именно по его вине геликоптеры не могут преодолеть планку крейсерской скорости в 350 км/ч. Врожденные конструкционные особенности постепенно вытесняют с неба привычный образ винтокрылой машины. На очереди – другой вертолет, гибридный. Например, вы когда-нибудь слышали о винтокрыле или конвертоплане?
С уникальной способностью – опираться на воздух несущим винтом – у вертолета связано множество сложностей и неприятностей. Концы лопастей винта не могут разгоняться до сверхзвуковых скоростей (а это позволило бы увеличить скорость машины до 400 км/ч и более). Причина – волновой кризис (изменение характера обтекания воздухом при приближении к скорости звука. – Ред.), который сопровождается ударными волнами, ростом аэродинамического сопротивления и недопустимым снижением КПД ротора вертолета.
С этим конструкторы борются, оснащая лопасти стреловидными законцовками, но это лишь позволяет приблизить скорость их вращения к 0,95–0,98 Маха. Небольшой инженерный шедевр – автомат перекоса, являющийся частью ротора, – вынужден постоянно менять угол атаки лопастей винта в зависимости от желания пилота лететь. Если нужно вперед, то угол атаки увеличивается только в задней части вертолета, а переднюю часть лопасть проходит под меньшим наклоном. В итоге подъемная сила возрастает в хвостовой части, фюзеляж наклоняется вперед и летит в горизонтальной плоскости. Так, собственно, и формируется пропульсивная сила, толкающая машину вперед.
НО ПРИ ВЫСОКИХ СКОРОСТЯХ начинаются проблемы с разностью тяги лопастей, которые движутся по ходу движения и против. Автомат перекоса до определенного момента сглаживает разность, играя углами атаки, потому вертолет и не переворачивается в горизонтальном полете. Эффективно это примерно до заветных 350 км/ч, после чего угол атаки отступающей лопасти становится закритическим, а за этим следуют вибрации, срыв потока и резкое снижение эффективности работы. У основания отступающей лопасти формируется другой «паразит» – зона обратного обтекания потока воздуха от задней кромки к передней, то есть винт в этой части перестает создавать подъемную силу. С ростом скорости все эти негативные эффекты усугубляются, заводя инженеров в конструкционный тупик – дальнейшее увеличение пропульсивной силы несущего винта невозможно. Но спасение все-таки есть – техническая гибридизация.
В ЧАСТНОСТИ – compound without wing: вертолет с пропеллером, который создает недостающую пропульсивную силу, позволяющую поднять потолок крейсерской скорости.
Пионером здесь стал Bell 533, который позаимствовал у самолетов турбореактивные двигатели для горизонтального полета и пару крыльев. В 60-х годах машина не вышла из разряда экспериментальных из-за дороговизны (еще бы: средний транспортный вертолет приводили в движение целых три двигателя!) и большого сопротивления несущего винта на высокой скорости. Однако идею реактивной тяги на вертолетах американцы не оставили и в 1972 году представили Sikorsky S-69 с соосными винтами и двумя турбореактивными Pratt & Whitney с тягой по 1361 кг каждый. Изюминкой проекта стала концепция наступающей лопасти (ABC – Advancing Blade Concept), в соответствии с которой соосный винт не участвует в генерации пропульсивной силы, а отвечает только за подъемную тягу. Это удалось за счет отказа от циклического изменения угла атаки на лопастях, а за движение вперед отвечала пара реактивных моторов. В таком варианте ротор может вращаться медленнее, экономить топливо и не страдать от волнового кризиса. Новое рождение идея обрела в экспериментальном Sikorsky X2 – реактивные движители в нем заменили на один толкающий винт в хвостовой балке. Машина полетела в 2008 году, установила неофициальный рекорд скорости в 468 км/ч, но уже через три года программу закрыли.
ЕСЛИ К ПОДОБНЫМ гибридным схемам добавить большое крыло, то получится винтокрыл, или compound without wing. Яркий представитель таких машин – почти серийный Ка-22, который летал в начале 60-х. Крыло обладает гораздо большим аэродинамическим качеством, чем вертолетная лопасть, а это должно обеспечить прирост подъемной силы на высоких скоростях. Однако разгруженному винту все равно приходится преодолевать профильное сопротивление крыла – это во многом нивелирует выигрыш в подъемной силе. Опытная партия тяжелых камовских аппаратов попала в армию, побила множество рекордов (в том числе скорости – 356 км/ч), но не до конца отточенная конструкция привела к серии катастроф, и винтокрыл не состоялся в серийном обличии. А идея оснащения вертолетов крыльями нашла свое воплощение в Ми-6, созданном по традиционной схеме.
ПАРАДОКСАЛЬНОЙ, НА ПЕРВЫЙ ВЗГЛЯД, кажется схема британского винтокрыла Fairey Rotodyne, оснащенного одним несущим винтом и двумя турбовинтовыми моторами на небольших крыльях. По законам вертолетостроения реактивный момент от главного ротора должен компенсироваться либо винтом на хвостовой балке, либо соосным расположением несущих лопастей, иначе фюзеляж будет неконтролируемо вращаться. Англичане соорудили, наверное, самый необычный винт в истории, оснастив законцовки лопастей миниатюрными реактивными двигателями. Работал он только на взлете и посадке за счет сжатого воздуха от турбовинтовых моторов на крыльях, а во время полета свободно вращался на авторотации. Изящное решение позволило исключить реактивный момент ротора и отказаться от громоздкого хвостового винта. Rotodyne стал звездой авиасалона Фарнборо-58 и привлек внимание гражданских перевозчиков. Предполагалось, что машина сможет стать идеальным транспортом между Парижем и Лондоном, сочетая в себе немалую вместительность (48 человек), высокую крейсерскую скорость (около 300 км/ч) и способность садиться на вертолетную площадку. А в случае отказа моторов Rotodyne умел безопасно приземляться в режиме авторотации! Но все эти плюсы не смогли перевесить жуткий шум от реактивного винта. И ключевую роль сыграло недоверие к разработке, опередившей свое время. Британцы закрыли проект и даже не сохранили для истории ни одного экземпляра уникального винтокрыла. Однако уже есть реинкарнация машины – опытный Eurocopter X3. Его схема похожа на Rotodyne, только несущий винт приводится традиционным ротором, а реактивный момент компенсируется ускоренным вращением одного пропеллера относительно другого. Машина очень быстрая: в 2013 году ее разогнали в горизонтальном полете до 472 км/ч – это мировой рекорд для вертолетов.
ВСЕ ОПИСАННЫЕ АППАРАТЫ отличаются одним фундаментальным недостатком: низким значением аэродинамического качества, то есть отношения подъемной силы к силе сопротивления вертолета воздушному потоку. У всех современных винтокрылых машин оно варьируется от 3,6 до 5, но существует один серийный летательный аппарат, конструкцией которого предусмотрено почти «самолетное» аэродинамическое качество – 8,7. Это конвертоплан Bell/Boeing V-22 Osprey, проходящий службу в морской пехоте и ВМС США. Что можно назвать конвертопланом? Главный его признак – это поворотные винты, работающие в вертикальном положении или близко к нему в режиме висения и полетах на малых скоростях, а в горизонтальном положении создающие ту самую вожделенную пропульсивную силу. Osprey на голову обходит все вертолеты и винтокрылы, развивая скорость 550 км/ч в крейсерском режиме полета. Работать над конвертопланом за океаном начали давно, делали это очень долго и дорого. Неограниченный военный бюджет США позволил потратить на разработку Osprey $37 млрд – даже на Луну американцы слетали на 10 млрд дешевле! Одним из первых в мировом «конвертопланостроении» стал Bell XV-3, взлетевший в 1955 году в рамках американского конкурса на лучший самолет с укороченным взлетом и посадкой. Особенность машины – механизм поворота колонок роторов винта на неподвижных поршневых моторах по 450 л. с. каждый. Во время испытаний два опытных конвертоплана налетали 125 часов, ни один из них не упал, но решающих преимуществ перед вертолетами они не доказали – зато инженерам стала очевидна принципиальная возможность создания подобной техники.
ПОСЛЕ ПРОДОЛЖИТЕЛЬНОГО ЗАТИШЬЯ в 1971 году консорциум Bell/Boeing выиграл очередной конкурс министерства обороны США с проектом конвертоплана XV-15, оснащенного поворотными мотогондолами. Машина стала фактически прототипом грядущей серийной модели и в 1980 году установила неофициальный рекорд в 557 км/ч для винтокрылов. Хищная птица Скопа (именно так переводится Osprey) победила в многомиллиардном конкурсе JVX – Joint services Vertical lift aircraft (eXperimental) в 1986 году, а уже два года спустя первый летный экземпляр V-22 был выкачен публике в Арлингтоне. Один из самых сложных элементов машины – винт, который стал компромиссом между жестким самолетным винтом и гибкой управляемой лопастью вертолета. Такое решение ставит под вопрос аварийную посадку на авторотации по-вертолетному, а малая площадь крыла осложняет планирование по-самолетному. Само крыло для компактного размещения на кораблях пришлось сделать складывающимся вдоль фюзеляжа, а это, между прочим, требует обеспечить подвижное соединение 1900 различных магистралей! Запредельное количество новшеств в V-22 вызывало сложности в испытаниях – машины регулярно падали, и первые серийные транспортные конвертопланы появились только в начале 2000-х годов.
ЕВРОПЕЙСКАЯ AGUASTAWESTLAND первая переложила американский опыт строительства конвертопланов на гражданские рельсы в виде AW609 Tiltrotor. Машина представлена в 2007 году, сейчас проходит испытания и уже собрала около 70 заказов. Osprey и AW609 относят ко второму поколению конвертопланов, а вот Bell V-280 Valor – перспективная машина третьей ступени развития, отличается поворотными роторами на неподвижных двигателях, как на первых XV-3. Американцы предполагают первый полет в 2017 году, расчетную крейсерскую скорость в 518 км/ч и практически полностью композитный фюзеляж.
РОССИЯ ТОЖЕ НЕ ОТСТАЕТ от тренда на конвертопланы. Еще в СССР существовал проект Ми-30, классифицируемый в 70-е как «винтоплан» и призванный однажды заменить заслуженный Ми-8. Но «восьмерка» летает до сих пор, а проект нашего конвертоплана сгинул из-за финансовых трудностей в конце советского периода. На прошедшем МАКС-2017 главком ВКС Виктор Бондарев упомянул о целой гамме конвертопланов, разрабатываемых в России, от малых до тяжелых. В качестве примера на выставке был продемонстрирован проект беспилотного VRT30 корпорации «Вертолеты России». Менее революционно выглядит отечественная программа «Перспективного скоростного вертолета» ПСВ В-37, в рамках которой летающая лаборатория на базе Ми-24 уже обкатывает инновации. Предполагают крейсерскую скорость 340–360 км/ч, дальность 900 км и красивое название RACHEL (Russian Advanced Commercial Helicopter) для иностранных заказчиков. Выставка HeliRussia 2009 стала площадкой для премьеры макета Ка-92 с жесткими соосными винтами (ставшими визитной карточкой фирмы) и толкающим винтом в хвосте. Машина будет 16-тонной с возможностью взять на борт 30 человек и, главное, с крейсерской скоростью до 430 км/ч. Чуть компактнее должен стать Ми-X1 со взлетной массой около 10 тонн и пассажировместимостью до 25 человек. Макет этой машины представлен с одним несущим винтом и толкающим ротором в хвосте.
РАЗНООБРАЗИЕ компоновок грядущих летательных аппаратов на основе вертолета говорит о постоянном инженерном поиске оптимальной схемы. Уход на пенсию классического вертолета во многом неизбежен, а вот замена ему только вырисовывается в металле.
