Материал опубликован в журнале «Арсенал Отечества» № 1(33) за 2018 г.

Дмитрий Дрозденко

В августе 2017 года заместитель Министра обороны России Юрий Борисов заявил, что «Министерство обороны на протяжении длительного времени требует от “Вертолетов России” создать новую концепцию платформы боевого вертолета, отличающуюся повышенной крейсерской скоростью, примерно на уровне 400 км/ч». Стоящие в России на вооружении боевые вертолеты имеют крейсерскую скорость 265 км/ч (Ми-28Н, Ка-52) и 230 км/ч (Ми-171А2), а максимальная не превышает 300 км/ч.

Скорость

Скорость крейсерского режима полета очень важна, поскольку она влияет на «оборачиваемость» вертолета при выполнении боевой задачи. Чем быстрее он летит, тем скорее достигнет цели и сможет вернуться. Важно быстро поддержать огнем подразделение или оперативно доставить ему вооружение и боеприпасы.
Таким образом, способность вертолета за данный период времени совершать больше вылетов чрезвычайно полезна. Полет на высокой скорости также повышает живучесть за счет сокращения времени нахождения в опасной зоне.
Сейчас мы поговорим про скорость, ведь именно в этом направлении снова разгорается международная гонка, и связана она с тем, что вертолет классической аэродинамической схемы подошел к пределу своих возможностей.

Как это сделано

Я попросил доцента кафедры аэродинамики и динамики полета, подполковника запаса Вячеслава Полуяхтова рассказать, какие есть проблемы в достижении высоких скоростей и как они могут быть решены.
— Почему на протяжении стольких лет скорость вертолета практически не меняется? Какие проблемы мешают вертолету лететь быстрее?
— Если мы говорим о вертолете классической схемы, то причин тут две. Первая — это лобовое сопротивление, которое создают фюзеляж вертолета, шасси и втулка несущего винта. Это наименее сложная проблема — шасси можно убрать, втулку закрыть обтекателем, а фюзеляжу придать максимально обтекаемую форму.
Вторая проблема более серьезная, и о ней стоит рассказать подробнее. Лопасть несущего винта вертолета, по сути, является обычным крылом, которое работает в необычных условиях. Во-первых, скорость ее обтекания воздухом от места крепления (комля) к законцовке лопасти меняется пропорционально радиусу — окружная скорость увеличивается по мере приближения к законцовке лопасти.
Во-вторых, в горизонтальном полете скорость вращения движущейся вперед, «наступающей» лопасти складывается со скоростью полета и вычитается, когда лопасть движется назад, «отступает», из-за чего подъемная сила по диску несущего винта распределяется неравномерно. Компенсируется это за счет циклических маховых движений лопасти, в результате которых изменяется угол атаки, и подъемная сила выравнивается. Так работает несущий винт в стандартных условиях.
— Хорошо, но стандартные условия  — это стандартная скорость. А если мы разгоняем вертолет?
— Хорошо, разгоняем. При достижении вертолетом максимальной скорости скорость кончика «наступающей» лопасти приближается к звуковому барьеру, и на нем возникает эффект «волнового кризиса» — резко возрастает лобовое сопротивление лопасти.
На «отступающей» лопасти серьезно увеличивается зона обратного обтекания. Маховые движения становятся более интенсивными, и лопасть выходит на закритические углы атаки. Возникает «срыв потока», и машина, теряя управление, устремляется к земле.
— Как бороться с такими проблемами?
— С эффектом «волнового кризиса», который возникает на законцовке наступающей лопасти на трансзвуковых скоростях, можно бороться, придав ей стреловидную форму — по аналогии с крылом сверхзвукового самолета. Это отодвигает возникновение проблемы на более высокие скорости полета. А вот трудности с зоной обратного обтекания на отступающих лопастях, требуют более серьезных решений. Например, при скорости полета ближе к 500 км/ч три четверти лопасти будет обтекаться воздушным потоком с обратной стороны, ставя проблему балансировки вертолета в разряд главных.
Еще одна проблема увеличения скорости полета вертолета связана со снижением эффективности несущего винта как средства создания пропульсивной силы, движущей вертолет вперед. На скоростях более 350 км/ч отмечается существенное падение пропульсивного коэффициента полезного действия несущего винта. Он как бы натыкается на плотную стену, и прирост скорости резко падает. Конечно, можно создать систему, отклоняющую несущий винт на углы более 20 град. Но это является сложной и дорогостоящей конструкторской задачей, особенно для средних и тяжелых вертолетов. В итоге может получиться не вертолет, а конвертоплан.

Конвертоплан

Работа по совершенствованию вертолета, направленная на увеличение скорости его полета, ведется в мире уже довольно давно. Перепробовано множество различных идей и концепций. Компания «Белл» еще в 50-х годах прошлого века сконцентрировалась на концепции конвертоплана — аппарата вертикального взлета и посадки с поворотными винтами. Это нечто среднее — не маневренный вертолет и не быстрый самолет.
Надо отдать должное инженерам из Bell. Вместе с Boeing они достигли хороших результатов. Конвертоплан Bell V-22 Osprey, способный летать со скоростью более 500 км/ч, стоит на вооружении ВВС и Корпуса морской пехоты США (американских экспедиционных сил) с декабря 2005 года. За счет своей скорости один V-22 Osprey по «оборачиваемости» на боевом радиусе до 300 км можно приравнять к полутора более тяжелым транспортным вертолетам Boeing CH-47 Chinook.
Вообще у конвертопланов есть два сильных недостатка: техническая сложность и непомерная стоимость. Ведь Osprey опережает Chinook не только по скорости и «оборачиваемости», но и по цене — $116 млн против $29 млн.
Впрочем, для США доллары не проблема. Дональд Трамп пообещал: «Если что, то мы напечатаем еще долларов». Сейчас на подходе совместное творение инженеров компании Bell Helicopter Logheed Martin — конвертоплан Bell V-280 Valor. В отличие от своего предшественника у него поворачивается не весь блок двигатель-винт, а только винт. Мотогондола остается неподвижной. Такая конструкция, по заявлению разработчиков, делает машину более надежной и удобной для военных.

Х2 — американская инновация в квадрате

Компания Sikorsky еще при жизни своего отца-основателя Игоря Сикорского спроектировала экспериментальный вертолет S-69 (XH-59A), реализующий принципиально иной подход к решению задачи повышения скорости полета, — машину с так называемыми жесткими соосными несущими винтами и реактивными двигателями для обеспечения пропульсивной силы. Именно тогда была сформулирована «Концепция наступающей лопасти» — АВС (Advancing Blade Concept).

Идея этой концепции состоит в том, что «отступающая» часть несущего винта, на которой возникает зона обратного обтекания, не участвует в создании подъемной силы, а для борьбы с «волновым кризисом» на наступающей части снижается скорость вращения несущего винта. Фактически подъемную силу на вертолете создают противоположные половинки двух соосных несущих винтов.
Это решение было полноценно реализовано на втором опытном этапе программы «АВС». Новая машина идеологически не отличалась от прежней, но была реализована на современной технологической базе. Концепт Sikorsky-X2 оборудован двумя жесткими соосными винтами и дополнительным толкающим винтом для создания пропульсивной силы.
Инновационным решением было отказаться от классического автомата перекоса и сделать управление углом атаки лопастей несущих винтов электродистанционным. На Х2 угол атаки лопастей выставляет компьютер с помощью специальных рулевых механизмов в зависимости от полетной ситуации. Пожалуй, это самая важная инновация в сфере управления вертолетом на настоящее время. В 2010 году X2 развил скорость 460 км/ч.
Через год программа X2 была завершена. Стоимость программы X2 составила $50 млн долларов. В пересчете на курс тех лет получается, что на ключевой этап разработки концепции скоростного вертолета было потрачено 1,5 млрд рублей. Запомните эту цифру.
Всего вертолёт совершил 23 вылета и провёл в воздухе 22 часа. Немного? По заявлению специалистов Sikorsky, более чем достаточно. Объем информации, собранный с помощью современных датчиков, и отработка новых технологий, в том числе управления несущими винтами, позволил перейти к новой машине — S-97 Raider.
Первый полет американца состоялся три года назад, и он уже показал следующие характеристики: максимальная скорость 444 км/ч, крейсерская 407 км/ч (с вооружением), боевой радиус — 570 км и пассажировместимость — 6 человек. Вертолет может быть переоборудован под беспилотник. Стоит концептуальная военная вертушка $15 млн.

Европейский «Вжик в кубе»

На самом деле экспериментальную программу Eurocopter X³ (X-cube demonstrator) «вжиком» не назовешь, хотя бы из-за показанных скоростных результатов. Концептуально европеец построен по одновинтовой схеме с автоматом перекоса, двумя тянущими винтами, которые установлены на крыльях и создают горизонтальную тягу. За счет разницы в тяге они компенсируют реактивный момент, возникающий на вертолетах одновинтовой схемы, и создают путевое управление. Все винты приводятся в движение от единой силовой установки. Сам демонстратор собран на базе серийного вертолета Eurocopter AS365 Dauphin.

Eurocopter X³ был создан для исследования поведения несущего винта на больших скоростях. Идея состояла в том, что на скорости более 400 км/ч крыло принимает на себя до 80% подъемной силы, а разгруженный несущий винт замедляет скорость своего вращения, чтобы уменьшить отрицательные явления, возникающие на лопастях при таких скоростях полета.
В 2013 году европейская машина побила неофициальный рекорд американского вертолета-демонстратора Sikorsky-X2, разогнавшись до 472 км/ч в горизонте, и до 487 км/ч на легком пикировании, но так и осталась демонстратором. В принципе, ничего экстраординарного эта машина в вертолетостроение не принесла. Но тем не менее видно, что крупнейший мировой авиаконцерн уже выбрал свое направление в скоростной гонке.
Airbus Helicopters планирует возобновить работы в 2020 году, но уже над новым перспективным легким скоростным вертолетом RACER.

Российский скоростной проект

Естественно, не могут остаться в стороне от мировых тенденций и российские вертолетостроители. У нас уже много лет ведутся работы в этом направлении, есть серьезные наработки и множество решений. Еще на авиасалоне МАКС-2007 фирма «Камов» впервые продемонстрировала свое видение концепции скоростного вертолета — машины Ка-92. Несколько позднее конструкторское бюро МВЗ им. М. Л. Миля предложило проект Ми-Х1.

Сейчас, по данным открытых источников, мы находимся примерно на середине пути до появления реальных прототипов. Летает у нас пока один вертолет, даже не прототип, а летающая лаборатория, созданная по программе ПСВ (перспективный скоростной вертолет). Он создан на базе модернизированного вертолета Ми-24. У вертолета убрали кабину летчика-оператора и заузили носовую часть фюзеляжа. Машина оснащена новыми лопастями несущего винта. Вот их как раз и тестировали на этой машине.
Вертолет совершил первый полет 29 декабря 2015 года. Машина испытывалась без горизонтального оперения, а также с удлиненными крыльями. По информации «Вертолетов России», осенью 2016 года летающая лаборатория ПСВ достигла скорости 405 км/ч.
Конечно, совсем не мировой рекорд, несмотря на громогласные заявления некоторых чиновников о 450 км/ч, но машина изначально создавалась для проведения исследований и отработки технологий несущей системы. Новые лопасти несущего винта, которые были апробированы на ПСВ, будут применяться на новых вертолетах, а также при глубокой модернизации существующих типов.
Например, применение новых лопастей на Ми-28 повышает максимальную скорость на 10%, а крейсерскую скорость — на 13%. Новые лопасти имеют так называемую «аэродинамическую крутку» — профиль лопасти меняется по ее длине, что позволяет минимизировать вредные явления, которые возникают в процессе полета с большими скоростями.
В августе 2017 г. была запущена программа СБВ (скоростной боевой вертолет). Контракт между Минобороны и корпорацией «Вертолеты России» на создание технического облика вертолета следующего поколения был подписан на форуме «Армия-2017». НИР «Скорость» должна завершиться в конце этого года, и тогда станет понятен четкий облик будущего боевого российского вертолета.

Каким он должен быть

Каким у нас видят скоростной боевой вертолет? Что он должен уметь? Как выглядеть?
«Дизайн вертолета будет совершенно другим. В моем сознании это дизайн скоростной машины: зализанный контур, размещение средств поражения внутри корпуса, исключительно аэродинамически совершенная машина, которая необходима и для другого качества — меньшей заметности», — Сергей Михеев, генеральный конструктор АО «Камов».
Прорабатываемые сейчас технические решения как на фирме «Камов», так и на МВЗ им. М. Л. Миля, должны обеспечить прирост скорости полета вертолетов с нынешних 300 км/ч примерно до границы в 500 км/ч. Каждая из этих схем имеет свою изюминку и свой потенциал.

Ми-Х1

Перспективный Ми-Х1 представляет собой классическую одновинтовую схему с автоматом перекоса несущего винта и толкающим винтом, расположенным на конце длинной хвостовой балки. Компенсация реактивного момента (проблема всех вертолетов с одним винтом) будет осуществляться за счет поворота управляющих поверхностей, расположенных в спутной струе толкающего винта.
Срыв потока, который возникает на отступающей лопасти, планируется снижать за счет системы локального подавления срыва на отступающей лопасти SLES (Stall Local Elimination System). Ее принцип основан на изменяемом ограничении величины маховых движений отступающей лопасти и передачи дополнительного момента крена в направлении наступающей лопасти. Это должно улучшить балансировку несущего винта на больших скоростях. Проблему «волнового кризиса» на наступающей лопасти предлагается решать с помощью снижения оборотов несущего винта.
По этому проекту сразу возникает куча вопросов: Какая будет путевая управляемость? А работает ли на практике система SLES? Вообще представленный милевцами проект очень напоминает запатентованную лет пятнадцать назад компанией Piasecki Aircraft конструктивную схему VTDP (Vectored Thrust Ducted Propeller) — смонтированный в трубе толкающий винт с управляемым вектором тяги в комбинации с несущими крыльями. Экспериментальная модель X-49 Speed Hawk в 2007 году достигла скорости 268 км/ч. Американцы от этой схемы отказались 10 лет назад.

Ка-92

 Компоновочная и аэродинамическая схема Ка-92 создана в классической для КБ соосной компоновке. Камовцы, как и фирма Sikorsky, реализуют «концепцию наступающей лопасти», принцип которой был описан выше. На мой взгляд, в будущем такой подход более перспективен, хотя есть множество технических сложностей.
Впереди разработка новых типов несущих винтов, новых компоновочных решений вертолета и новых принципов управления. Необходимо научиться управлять оборотами несущего винта, чтобы на этапе вертикального взлета они были максимальными, обеспечивая наибольшую подъемную силу, а при полете с высокой скоростью для предотвращения попадания наступающей лопасти в режим трансзвукового обтекания их нужно уменьшать.
Кроме того, предстоит перейти к более сложным законам управления лопастями несущего винта. Работа привычного автомата перекоса (система циклического изменения шага лопастей несущего винта), который стоит на всех ныне летающих вертолетах, может быть с помощью специальных устройств и бортового компьютера дополнена более сложными алгоритмами функционировании. Это позволит лопастям в каждой точке диска занимать наиболее выгодное положение по углу атаки, обеспечивая наилучшие аэродинамические характеристики.
Подобное управление несущим винтом придаст вертолету новые характеристики. В правильности этого пути убеждают видимые успехи американской компании Sikorskiy.
Будем реалистами, путь до первых полетов, будь то Ка-92, Ми-Х1, или чего-то иного может занять не менее пяти лет. Предстоит проработать многие технические вопросы, испытать их в стендовых условиях, а затем на летающих лабораториях. Это относится в нашем случае к конструкции жесткого несущего винта, системе его управления. На данный момент у нас в наличии только модели.

Догнать и перегнать

Двигаться в направлении увеличения скорости надо, и деньги вкладывать.также надо. С умом вкладывать! Ведь умный человек возьмет и сравнит стоимость нашей программы с зарубежными проектами, например с американским Sikorsky-X2, и удивится и вопросы нашим вертолетным чиновникам может задать неудобные.
Да, у нас есть определенные технологические проблемы. Например, нет технологии отдельного управления лопастями. Нет исполнительных механизмов, нет алгоритмов. Но признать это — значит сделать большой шаг на пути к их решению. Мир однозначно не стоит на месте, и через десять лет вопрос высокотехнологичного, скоростного боевого вертолета нового поколения встанет ребром. Справимся? Сделаем ли действительно инновационную машину или повторим то, что уже есть у них? Поймут ли у нас, что надо эффективно не деньги осваивать и производство организовывать?

МОСКВА, 22 февраля 2018 года. ТАСС
«Опытный образец российского перспективного скоростного боевого вертолета, разрабатываемого «Вертолетами России» в интересах Минобороны РФ, совершит первый полет в 2019 году», — сказал глава «Ростеха» Сергей Чемезов.

Посмотрим…  

Партнёры

Реклама

Журнал онлайн

Редакция журнала

Адрес редакции:
107023, г. Москва, ул. Большая Семёновская, д.32, офис 200

Телефон:
+7 (495) 240 81 49

E-mail:
info@arsenal-otechestva.ru 

Подписка на журнал

Журнал «Арсенал Отечества» продолжает подписку на 2018 год. Издание выходит с 2012 года с периодичностью 6 раз в год.

Стоимость годовой подписки — 9 000 руб.

По вопросам подписки или приобретения журнала в розницу обращайтесь к С.А. Бугаеву (sbuga1960@yandex.ru+7 (916) 337-14-17)