Взлетает экспериментальный винтокрыл Сикорский Х2. Действительно, непонятно, как он это делает: привычных глазу элементов автомата перекоса совершенно не видно

Иногда бывает, что ответ на вопрос читателя укладывается в полстранички журнального текста. Но порой он разворачивается в полноценную статью…

Сегодня я в очередной раз выкладываю свою статью, написанную для журнала. С оттенком смущения признаю, что это – паллиативная мера, заменяющая написание оригинального материала для блога. Что поделаешь – лето. Кроме никуда не девающихся обычных дел, добавляется желание хорошо, по-летнему, отдохнуть в выходные. А также необходимость подготовиться к отпускному отдыху, а в этот раз подготовка у меня беспрецедентно хлопотная.

С другой стороны – ничего страшного. Во-первых, на этот раз статья не основана на каком-то из блоговых материалов, а написана в ответ на письмо читателя. Во-вторых, это всё-таки моё произведение, то есть с точки зрения авторского достоинства получше, чем копипаст – при всём уважении к тем людям, чьи материалы я здесь перепечатываю. А в-третьих – очень много у нас в последнее время политики. Давайте сделаем передышку, поговорим о технике. Наконец, я проверил: Advego Plagiatus не нашёл этой статьи в интернете. В то же время в журнале статья давно опубликована. То есть я не наврежу ни журналу, ни блогу.

И последнее. В отличие от большинства моих статей для СМИ, эта, кажется, поместится в одну публикацию

Итак, начинаем с письма читателя.

Здравствуйте, уважаемая редакция!

Пишет вам постоянный читатель. С большим интересом читаю статьи, публикующиеся в вашем журнале; статьи, освещающие положение дел в авиации. В последнее время внимание авиационных специалистов привлекли статьи о разработке как в России, так и в США вертолётов с несущими бесшарнирными лопастями. В России это работы на фирме «Камов», в США работы такого рода ведутся над машиной «Сикорский «Х2» (она на первом фото – В.М.).

На имеющихся в журналах фото видно, что даже нет поводков от автомата перекоса к лопастям. Если без механизма дифференциального шага можно исхитриться, чтобы обойтись, то как быть с механизмом общего шага? Тут и хвостовой толкающий винт не поможет.

Не могли бы вы опубликовать материалы, проливающие свет на вышеназванные конструкции? Заранее вам благодарен.

С уважением, … (полагаю, что конкретная фамилия в данном случае не имеет значения)

Сразу скажу, что в этот раз не буду подробно описывать винтокрылы Сикорского и Камова (аппарат с приводным несущим ротором и отдельным движителем для создания горизонтальной скорости называется винтокрылом). И дело не в том, что это неинтересно; дело в том, что при чтении письма возникает ощущение некоей путаницы. Возникает потому, что в письме сведены вместе два разных устройства: шарнир и автомат перекоса; и становится неясно, что же всё-таки вызывает недоумение уважаемого читателя.

Вот с этой неясностью я и хочу сейчас разобраться.

Функции, которые перечислил читатель: управление величиной подъёмной силы несущего винта при помощи регулирования общего шага; и изменение её направления при помощи изменения шага циклического – это функции автомата перекоса. Шарнир же, отсутствием которого отличаются упомянутые перспективные аппараты – это совсем другое.

В различных не очень строгих текстах по вертолётной технике часто встречается слово «ротор» в качестве другого названия несущего винта. Я тоже буду употреблять его – для краткости.

…Первые три автожира Хуана де ла Сиервы, придумавшего этот класс летательных аппаратов, оказались неудачными. У автожира подъёмная сила создаётся свободно вращающимся ротором, а горизонтальное движение обеспечивается двигателем с тянущим или толкающим винтом. Причём горизонтальное движение первично: именно набегающий поток раскручивает ротор. Порой применяются приёмы для предварительной, на стоянке, раскрутки ротора, но это непринципиально: в маршевом полёте ротор вращается от набегающего потока.

С-4 – четвёртый аппарат Сиервы, на котором он впервые применил горизонтальный шарнир

Обратите внимание: единственное отличие автожира от винтокрыла – у первого свободный ротор (то есть без двигателя), а у второго приводной (то есть вращаемый двигателем). Винтокрыл может взлететь с места и висеть, а автожир – нет. Но это так, к слову. А ещё к слову – об автожирах можно прочитать, например, «Авиамузее ТМ», №10 за 1976 г.

Так вот, с первыми тремя машинами Сиерва потерпел неудачу. Он, во-первых, не смог справиться с опрокидыванием: аппараты неудержимо валило набок; во-вторых, лопасти роторов очень быстро разрушались.

Причина у этих двух неприятностей была одна – разница в скоростях потока, обтекающего отступающую и наступающую лопасти. Наступающей называют лопасть, направление движения которой по окружности совпадает с направлением горизонтальной скорости всего аппарата; отступающая, соответственно, та, которая движется назад по ходу полёта. У наступающей лопасти скорость полёта прибавляется к собственной скорости вращения, у отступающей – вычитается.

А ведь подъёмная сила, создаваемая аэродинамической поверхностью, будь то лопасть автожира или крыло самолёта, зависит от истинной скорости набегающего потока, причём не линейно, а квадратично. Значит, подъёмная сила у наступающей «половины ротора» будет больше, чем у отступающей «половины» – если изобразить подъёмную силу вектором, то он будет направлен не строго вверх, а наклонён вбок, в сторону наступающих лопастей.

Вот вам и опрокидывающий момент в поперечной плоскости.

Теперь о разрушении. Любая несущая аэродинамическая поверхность любого летательного аппарата так или иначе нагружена. Беда в том, что лопасти Сиервы испытывали переменные нагрузки – то больше, то меньше. Получалось нечто вроде знакопеременного нагружения – вокруг некоторого среднего значения. А такое нагружение конструкционные материалы выдерживают хуже, чем постоянное – вот лопасти и ломались у самого основания.

И на четвёртом аппарате Сиерва пошёл на смелый шаг – он соединил лопасти с втулкой через горизонтальный шарнир!

Шарнир, который позволял им совершать свободные взмахи!

Вопрос, который обязательно возникает в этом месте: почему же лопасти в полёте не складываются вверх?!

Сложиться им не даёт огромная центробежная сила. Даже её маленькой вертикальной составляющей, возникающей на отклонившейся лопасти, хватает, чтобы величина махов не превышала буквально нескольких градусов.

Аппараты Сиервы, наконец, залетали. И усталостные неприятности с лопастями… Нет! Они стали проявляться значительно позднее, однако отнюдь не прекратились.

Теперь-то откуда?! От сопротивления потока движению лопастей. Оно тоже различно для наступающей и отступающей лопастей – вот и ещё один источник усталостного разрушения. Величина этого рода нагрузок во столько же раз меньше по сравнению с нагрузками в вертикальной плоскости, насколько сила сопротивления лопасти меньше её подъёмной силы. Эти последние величины связаны через так называемый коэффициент подъёмной силы, однако подробный разбор увёл бы нас слишком далеко от темы статьи. Здесь достаточно сказать, что нагружения от сопротивления примерно на порядок меньше, чем от подъёмной силы; эта разница и дала возможность Сиерве летать на машинах под номерами от 4-го до 7-го.

Горизонтальный шарнир автожира С-4. Как видим, Сиерва применил для подвески лопастей резиновые шнуры, идущие к ним от верхушки втулки – нельзя же было допустить, чтобы на стоянке лопасти падали на землю! А страховкой от полного складывания в обратном направлении служила втулка ротора

А на 8-й изобретатель поставил вертикальный шарнир, что окончательно дало автожиру путёвку в жизнь. Причина, почему лопасти, прикреплённые к втулке через шарнир с вертикальной осью, не складываются назад по полёту, та же – центробежная сила.

Шарниры Сиервы дали путёвку в жизнь не только автожиру, но и вертолёту – строить последние пробовали ещё до изобретения автожира, но результаты были категорически неудовлетворительными.

Заговорив о вертолёте, мы естественным образом переходим к автомату перекоса.

Его изобрёл наш соотечественник, один из основоположников мирового вертолётостроения, Борис Николаевич Юрьев. Изобрёл ещё в 1911 г., но большая практическая победа пришла лишь в 1930-м, с постройкой первого советского вертолёта ЦАГИ-1ЭА. Эта машина, построенная по схеме Юрьева другим патриархом отечественного вертолётостроения, Алексеем Михайловичем Черёмухиным, 14 августа 1932 г. установила мировой рекорд высоты полёта для геликоптеров: 605 м. Рекорд неофициальный – СССР не являлся членом Международной авиационной федерации – но ведь от этого он не перестаёт быть рекордом…

Модель вертолёта ЦАГИ-1ЭА

Так вот, Черёмухин, который сам летал на ЦАГИ-1А, рассказывал, что поначалу «чувствовал себя как на острие иглы».

Почему?

Ротор машины имел только осевые шарниры – такие, которые обеспечивают вращение вокруг продольной оси лопасти. Без них вертолёту совсем нельзя; весь смысл автомата перекоса состоит в изменении угла установки лопастей, а для этого нужен осевой шарнир. Но, раз у нас есть автомат перекоса, то мы можем менять циклический шаг лопастей. Значит, мы можем целенаправленно уменьшить шаг наступающей лопасти и увеличить шаг отступающей, выровняв таким образом их подъёмную силу. И, значит, устранить причину, вносящую основной вклад в образование поперечного опрокидывающего момента.

Всё правильно. Потому и чувствовал себя Алексей Николаевич на острие иглы, что ему приходилось постоянно, ежесекундно управлять циклическим шагом – помимо всего прочего. Выяснилось – точнее, подтвердилось, – что реальная картина аэродинамических неравномерностей на роторе, вращающемся во встречном потоке воздуха, значительно сложнее схемы «наступающая-отступающая лопасть» в «теоретической» плоскости вращения ротора.

И вот тут шарниры незаменимы, потому что они справляются с этими неравномерностями автоматически, без участия пилота. Поэтому, вдобавок к осевому шарниру, на вертолётах прочно «прописались» ещё два: горизонтальный и вертикальный.

Горизонтальный и вертикальный шарниры. Они всегда располагаются в этой последовательности: ближе к втулке горизонтальный, дальше – вертикальный. Не показанный на схеме осевой шарнир всегда располагается последним – после вертикального

«Классика» во всей своей красе – со всеми шарнирами, демпферами, автоматом перекоса…

С этого момента мы забываем про осевой шарнир – зачем о нём помнить, если он всегда присутствует, в том числе и на Сикорском Х2, и на Камов Ка-92. Впредь будем говорить только о горизонтальном и вертикальном шарнирах. «Бесшарнирный ротор» – это именно ротор без них, без горизонтального и вертикального.

У большинства построенных до сих пор вертолётов они выполнены именно в виде классических механических шарниров. Но есть и варианты; наиболее распространённой альтернативой «классике» стало упругое крепление лопастей.

Роль шарнира в такой конструкции играет торсион – упругий элемент, изготовленный, как правило, из композиционных материалов. Решение прогрессивно: уменьшается число деталей, трудоёмкость обслуживания, а ресурс ротора увеличивается в 3–10 раз. Кроме того, такие несущие винты обеспечивают значительное повышение эффективности управления машиной. Сегодня вертолёты с упругим соединением – обычное явление; в частности, таковы боевые камовские Ка-50 и Ка-52.

Хочу обратить внимание: именно к такой конструкции принято применять определение «бесшарнирный ротор». То же, о чём спрашивает читатель, правильно называть – ротор с жёстким креплением лопастей.

Вот мы и дошли до него… И, соответственно, до «демонстратора технологий» Сикорский Х2 и проекта Камов Ка-92.

Сразу скажу: со всей определённостью можно говорить, что «жёсткий ротор» в абсолютном своём выражении воплощён лишь на Х2, и прежде всего потому, что эта экспериментальная машина уже летает. Камовский же Ка-92 – пока лишь проект. Представители фирмы говорят, что на нём не будет горизонтальных шарниров – про вертикальные в публичных источниках умалчивается.

Модель Ка-92 на выставке Хелируссия-2009

Но это не так уж важно: мы знаем, что главная беда – махи в вертикальной плоскости – устраняется горизонтальным шарниром. Соответственно, главная новация – отказ от него.

Почему это стало возможным?

Главная цель, воплощаемая в созданном Х2 и создающемся Ка-92 – повышение скорости вертолёта. Поэтому на обоих аппаратах для создания горизонтальной скорости применён толкающий винт. Казалось бы, причём здесь ротор?

Очень даже причём! За счёт чего набирает скорость классический вертолёт? За счёт горизонтальной составляющей подъёмной силы несущего винта. При помощи автомата перекоса угол атаки, а с ним и подъёмная сила лопастей в задней части полуокружности вращающегося ротора увеличивается, а в передней – уменьшается. Вектор подъёмной силы отклоняется вперёд, что создаёт горизонтальную составляющую, ускоряющую машину на этапе разгона, а в установившемся полёте преодолевающую сопротивление воздуха.

И это отнюдь не пустячная доля! Это десятки процентов от полной подъёмной силы ротора.

Теперь у нас есть толкающий винт, и эта работа с ротора снимается. То есть теперь максимальные нагрузки на нём гораздо меньше – а значит, меньше и их знакопеременная составляющая. Фактор, вызывающий усталостное разрушение, уменьшается, причём весьма значительно. Кроме того, лопасти теперь можно сделать меньше, легче, жёстче… что мы и наблюдаем у Х2 и у Ка-92.

Добавим к уменьшившимся нагрузкам новые композиционные материалы с многократно возросшей сопротивляемостью усталостному разрушению – и мы получим ротор с жёстким креплением лопастей к втулке. Абсолютно бесшарнирный – ни доброй старой механики, ни молодых перспективных торсионов.

А теперь – немного об автомате перекоса.

Толкающий винт снимает с ротора обязанность создавать горизонтальную тягу. Это значит, что с автомата перекоса снимается обязанность циклически менять шаг лопастей для её создания.

Первый шаг к отказу от автомата перекоса…

Есть и второй. Обе машины имеют соосные несущие винты. Преимущество такой схемы – это давным-давно поняли и доказывают камовцы – в том, что роторы, вращающиеся в противоположные стороны, компенсируют потерю подъёмной силы на отступающих лопастях без помощи автомата перекоса. Значит, с последнего снимается и функция компенсации опрокидывающего момента.

Это шаг второй и… последний. За автоматом перекоса остаётся регулирование общего шага – надо же подниматься и опускаться. И немножко циклического шага – для управления по крену и маневрирования на малых скоростях. То есть отказаться от автомата перекоса нельзя.

И он присутствует на Х2. В части общего шага автомат Х2 работает на оба ротора, а в части циклического – только на нижний: этого вполне хватает для скромных задач, обозначенных несколькими строчками выше.

А поскольку Х2 создавался для достижения максимальной скорости, то его старались сделать аэродинамически чистым. Одно из мероприятий – насколько возможно спрятать компактный автомат перекоса в фюзеляж. Вот его и не видно, а виден лишь обтекатель тяг, идущих к верхнему несущему винту.

А здесь Х2 летит со снятыми обтекателями на втулках (сравните с фото в начале статьи). Наличие автомата перекоса более не вызывает сомнений…

Кстати, если присмотреться к модели ЦАГИ-1ЭА, можно увидеть, что у него автомат перекоса тоже расположен внутри фюзеляжа. Не удивляйтесь применению этого слова к довольно уродливой трубчатой раме: фюзеляж – это не форма, а функция. Функция фюзеляжа – собрать в единое целое все агрегаты летательного аппарата, а некоторые из них содержать внутри себя. Так что эта решётчатая конструкция – именно фюзеляж.

Как точно будет на Ка-92, мы не знаем; однако точно знаем, что автомат перекоса будет и на нём.