Толкающие пропеллеры и импеллеры

Ведущие вертолетостроительные компании мира изучают возможности повышения крейсерской скорости винтокрылых машин. Одним из вариантов решения проблемы может оказаться схема с толкающим винтом, который позволяет разгрузить несущий винт и отсрочить наступление условий, при которых возникает срыв потока на отступающей лопасти. У обычных вертолетов он возникает при скорости примерно 300 км/ч и вызывает вибрации, способные привести к разрушению несущего винта.
Американская компания Piasecki Aircraft впервые испытала концепцию толкающего винта на модели 16H-1 Pathfinder еще в 1962 г. Сейчас Piasecki работает над программой X-49A Speedhawk, запущенной в 2000 г. по заказу ВМС США, но с 2004 г. перешедшей под контроль Управления прикладных технологий армейской авиации. В качестве основы X-49A используется вертолет SH-60F Seahawk. Штатный рулевой винт заменен импеллером — толкающим винтом в кольцевом обтекателе — с изменяемым вектором тяги, который компенсирует крутящий момент несущего винта и обеспечивает управляемость вертолета. Кроме того, установлено несущее крыло с флаперонами, представляющее собой несколько укороченное крыло самолета Aerostar FJ-100. Крыло и толкающий импеллер позволяют снизить нагрузку на несущий винт, уменьшить угол атаки отступающей лопасти и избежать срыва потока на ней.
Первый полет X-49A состоялся 29 июня 2007 г., а в начале 2009 г. успешно завершился первый этап летных испытаний, цель которого состояла в тестировании конфигурации во всем диапазоне допустимых летных режимов немодифицированного вертолета. Испытания продемонстрировали увеличение скорости более чем на 45% на сходных режимах работы силовой установки и уменьшение уровня вибрации в два раза.
На втором этапе прототип будут испытывать в скоростном режиме. Для этого на него дополнительно установят обтекатель втулки несущего винта, убираемое шасси и улучшат обтекаемость планера. Кроме того, вместо ВСУ будет установлен турбовальный двигатель Rolls-Royce 250-C30R для сообщения дополнительной мощности импеллеру. Механические органы управления будут заменены на ЭДСУ для снижения нагрузки на экипаж. Конечная цель — добиться увеличения максимальной скорости на 50% по сравнению со строевым UH-60.
Окончательный вариант вертолета для армии США может отличаться от нынешнего демонстрационного образца. У него может появиться полноценный третий двигатель вместо вспомогательного, а также усовершенствованное несущее крыло.
От результатов второго этапа испытаний зависит дальнейшее финансирование программы. В целом компания имеет шансы на успех, поскольку разрабатываемая ею технология теоретически может быть применена для модернизации и других типов вертолетов с целью улучшения их ЛТХ.
Так, в начале 2009 г. Piasecki представила концепцию модифицированного транспортного вертолета Boeing CH-47 с установленными по обе стороны фюзеляжа двумя дополнительными поворотными импеллерами. По словам разработчиков, такая конфигурация позволит достичь максимальной скорости 460 км/ч в горизонтальном полете, а в вертикальном наборе — увеличить грузоподъемность на 30%.
Своим появлением этот проект обязан тесному сотрудничеству Piasecki с Boeing, который с самого начала работы над программой X-49 предоставлял безвозмездную техническую помощь. Boeing заинтересован в применении технологии Piasecki в будущем для улучшения характеристик ударного вертолета AH-64 Apache.
У компании Sikorsky также есть определенный опыт исследований в области скоростных вертолетов — в 70-х гг. был испытан демонстрационный образец XH-59A, развивший скорость 487 км/ч. Но вибрация вертолета и рабочая нагрузка на экипаж оказались столь велики, что от дальнейших работ по этой программе пришлось отказаться.
Сейчас Sikorsky ведет разработку нового скоростного вертолета — без внешней финансовой поддержки. В июне 2005 г. компания объявила о начале работ по программе X2, предполагающей создание однодвигательного вертолета с двумя соосными несущими винтами, шестилопастным толкающим хвостовым пропеллером, ЭДСУ и активной системой гашения вибраций, управляемого одним пилотом и развивающего крейсерскую скорость 460 км/ч.
Первый полет опытного образца X2 — с незадействованным хвостовым пропеллером — состоялся в августе 2008 г. Программа летных испытаний предполагает четыре этапа, первый из которых успешно завершился наземными испытаниями хвостового пропеллера в январе 2009 г. Скорость полета будет постепенно увеличиваться, пока не достигнет заветных 460 км/ч — как предполагается, уже к концу текущего года. Возобновление испытательных полетов планируется в ближайшее время.
4 мая компания представила на конференции Американской ассоциации армейской авиации полномасштабный макет легкого тактического вертолета LTH на основе концепции X2. По словам представителей компании, подобный вертолет может применяться в разнообразных военных целях. По мнению некоторых наблюдателей, это событие — в первую очередь заявка Sikorsky на участие в будущем тендере армии США на поставку армейского разведывательного вертолета. Если это так, шансы Sikorsky будут зависеть от того, насколько оперативно компания сможет довести до ума технологию X2.

Российские исследования
Отечественные вертолетостроители также работают над созданием высокоскоростных машин, однако их разработки находятся пока только на этапе эскизного проектирования. Проект скоростного комбинированного вертолета Ка-92 в первый раз был анонсирован на авиасалоне МАКС-2007, затем, уже в несколько измененном виде, показан на вертолетной выставке HeliRussia 2008. Ка-92 представляет собой 30-местный пассажирский вертолет с взлетной массой 16 т, который использует традиционную камовскую соосную систему несущих винтов. Увеличение скорости до 460 км/ч (крейсерская 420-430 км/ч) будет достигаться за счет применения хвостового толкающего пропеллера.
По словам разработчиков, вертолет Ка-92 предназначен для скоростных воздушных перевозок. Обладая возможностью вертикального взлета и посадки в сочетании с крейсерской скоростью регионального самолета и дальностью полета 1400 км, он сможет дополнить и расширить возможности существующей транспортной системы Сибири и Дальнего Востока.
КБ им. Камова предусмотрело и дальнейшее развитие своего высокоскоростного проекта. В 2008 г. оно представило концептуальную модель вертолета Ка-90, который будет основываться на разработке Ка-92. На Ка-92 конструкторы планируют отработать улучшенную аэродинамику, жесткую конструкцию соосного подъемного винта и толкающий пропеллер, который позволит вертолету превысить пока предельные для винтокрылых машин скорости в 300-350 км/ч. Поскольку такую высокую скорость будет обеспечивать толкающий задний пропеллер, то логичным развитием этой идеи станет отказ от использования подъемного винта. По словам генерального конструктора ОАО "Камов" Сергея Михеева, на Ка-90 подъемный винт будет использоваться только во время вертикального взлета и посадки, а в горизонтальном полете он будет складываться. Горизонтальный полет после этого будет обеспечиваться за счет реактивного двигателя, установленного в задней части фюзеляжа. Благодаря такому необычному конструктивному решению Ка-90 — по планам разработчиков — сможет летать со скоростью 700 км/ч.
Практически одновременно с Ка-92 был представлен проект высокоскоростного вертолета Ми-Х1. Разработка КБ им. Миля предполагает увеличение скорости машины при использовании традиционной схемы с одним несущим винтом. Бороться со срывом потока на отступающей лопасти конструкторы КБ им. Миля предлагают за счет новой системы управления несущим винтом SLES (Stall Local Elimination System), которая будет снижать нагрузки на лопасти.
"Мы скромно полагаем, что скорость новой машины составит 450-500 км/ч. И это при обычной вертолетной схеме, без пропульсивных двигателей", — ранее заявлял генконструктор МВЗ Алексей Самусенко. Тем не менее рассматривается вопрос применения на вертолете Ми-Х1 и толкающего импеллера с изменяемым вектором тяги за счет размещения отклоняемых поверхностей в спутной струе. Другая особенность Ми-Х1 — улучшенная аэродинамика, достигаемая за счет убирающегося шасси, отсутствия внешних топливных баков и хвостовой рампы и обтекаемых носовой и хвостовой частей фюзеляжа. Проект КБ им. Миля меньше камовского варианта — его взлетная масса составляет 10 т, а пассажировместимость 25 чел.
По словам гендиректора управляющей компании "Вертолеты России" Андрея Шибитова, потребуется еще 3-5 лет, чтобы от научных исследований по высокоскоростным вертолетам перейти к опытным работам. Сроки этих работ напрямую связаны с госфинансированием, так как за счет собственных средств довести до конца разработку новых машин будет сложно, признаются представители "Вертолетов России". Компания уже обратилась в правительство с просьбой о выделении бюджетного финансирования для этих программ. Если решение о выделении средств будет принято, первый летный прототип-демонстратор высокоскоростного вертолета может быть готов к 2013 г., считают разработчики. Скорее всего, он совместит лучшие черты нынешних проектов "Миля" и "Камова", т. к. планируется, что обе разработки в конечном итоге будут объединены в одну программу.