Возможность выполнять вертикальные взлет и посадку, а также недоступная для
самолета маневренность - главные достоинства вертолета. Но его скорость и
транспортная эффективность существенно ниже самолетной.
Чтобы понять, из-за чего это происходит, достаточно посмотреть, в каких условиях
работают лопасти несущего винта, двигающиеся против направления полета и по
полету, т.е. так называемые «наступающая» и «отступающая» лопасти. Если при
горизонтальном перемещении аппарата их выставить на одинаковый угол атаки, то
из-за скорости набегающего потока подъемная сила на «наступающей» окажется
значительно больше, чем на «отступающей», и аппарат может перевернуться. Для
предотвращения опрокидывания, на вертолетах установлен автомат перекоса, который
циклически уменьшает угол атаки на «наступающих» и увеличивает на «отступающих»
лопастях, компенсируя таким образом разницу подъемной силы.
Есть еще один ограничительный момент. Лопасть воздушного винта не должна
работать на режиме сверхзвукового обтекания. Но чем длиннее лопасть, тем больше
скорость перемещения ее законцовки. При увеличении оборотов она может достигнуть
скорости звука, что приведет к возникновению скачков уплотнения, резкому
повышению аэродинамического сопротивления и тряске. Опять же из-за скорости
набегающего потока на «наступающей» лопасти это произойдет значительно быстрее.
И хотя на современных образцах винтокрылой техники законцовки лопастей делают
стреловидной формы со специальным профилем, граница скорости вертолета
классической схемы находится в районе чуть более 400 км/ч. Иллюстрацией служит
еще не побитый рекорд в 400,87 км/ч, установленный 11 августа 1986 г. на
специально доработанном британском вертолете Westland Lynx.
Одним из способов расширить диапазон режимов полета стало создание так
называемых «компаундных» (по западной терминологии) вертолетов, где потеря
несущей способности при разгоне отчасти компенсировалась установкой
вспомогательного крыла, а в ряде случаев оснащенных дополнительным движителем.
Например, американский вертолет Lockheed АН-56 Cheyenne, облетанный в 1967 г.,
располагавший крылом и толкающим воздушным винтом, достиг скорости 407 км/ч.
Существует и другая концептуальная схема вертолета - с соосным несущим винтом. В
этом случае роторы вращаются в противоположные стороны, подъемная сила
практически симметрична, и вся система более энергоэффективна. Но такая
конструкция более сложная и дорогая.
В 1963 г. И.И. Сикорский сформулировал концепцию, получившую название ABC
(Advancing Blade Concept) или «Концепция опережающей лопасти». Она основывалась
на идеях, теоретически изложенных еще в 1930-е годы, и состояла в том, чтобы
подъемная сила вертолета определялась «наступающими» лопастями. В рамках
концепции АВС предлагалось применить соосную схему роторов, оснащенных бесшарнирными несущими винтами (* При бесшарнирном креплении лопастей роль
вертикального и горизонтального шарнира играет упругий элемент (торсион). Бесшарнирный винт обеспечивает более высокую эффективность управления, однако
ему свойственна большая, чем у шарнирного, неустойчивость по углу атаки,
требующая установки автоматической системы управления, либо стабилизатора
большой площади. Бесшарнирный несущий винт сохраняет эффективность управления и
демпфирования при малых значениях перегрузок в отличие от шарнирного, при
использовании которого моменты на вертолете создаются в основном за счет наклона
вектора тяги.). Упразднение шарниров крепления лопастей (за исключением осевого
- для управления углом атаки) служило для минимизации махового движения лопастей,
повысив одновременно несущие свойства.«наступающей» лопасти. Чтобы законцовки
лопастей не выходили на сверхзвуковые режимы, несущий винт спроектировали с
относительно малым диаметром, а также предполагалось замедлять его вращение по
мере роста скорости полета. Горизонтальная маневренность обеспечивалась
дифференциальным изменением углов атаки лопастей верхнего и нижнего роторов, а
также с. помощью рулей высоты и направления на оперении самолетного.типа.
Поперечное управление - путем изменения циклического шага лопастей несущих
винтов Сикорский полагал, что эти идеи будут применены при разработке
двухместного легкого разведывательного вертолета, создаваемого с 1967 г. по
программе AARV (Armoured Aerial Reconnaissance Vehicle) и предназначавшегося для
замены вертолетов Hughes ОН-6А Cayse и Bell ОН-58А Kiova. Помимо несущей системы,
выполненной по концепции АВС, особенностью новинки был бронекорпус характерной
угловатой формы. При взлетной массе 3080 кг почти 816 кг приходилось на броню.
Один 1175-сильный газотурбинный двигатель P&W РТ6 обеспечивал максимальную
скорость 278 км/ч. Предполагаемая продолжительность полета составляла 3 ч.
Проект получил фирменное наименование S-68. На постройку аппарата запрашивались
8 млн. USD (»48 млн. USD в ценах2018 г.). Предполагалось создание увеличенного
варианта, получившего наименование ААРС (Aerial Armored Personnel Carrier) и
предназначавшегося для перевозки 8 вооруженных солдат. Все эти проекты не вышли
из стадии предварительных исследований.
Однако концепция АВС получила дальнейшее развитие. Прежде всего, для увеличения
скорости полета требовалась установка на летательный аппарат дополнительных
тянущих двигателей. По расчетам инженеров Sikorsky Aircraft, это позволяло
создать высокоэффективный транспортно-боевой аппарат, способный разгоняться до
560 км/ч. Опыт войны в Индокитае свидетельствовал, что с увеличением скорости
вертолета на малых высотах резко снижаются боевые потери от огня стрелкового
оружия.
Несущий винт по концепции АВС имел свои конструктивные особенности. Для
уменьшения сопротивления колонки винта расстояние между верхним и нижним
роторами сделали меньше, чем у «классических» вертолетов соосной схемы. С целью
исключения перехлеста лопастей требовалось ограничить их маховое движение. Для
этого применили жесткие лопасти, предел маха которых обеспечивался только за
счет упругости материала. Вопрос прочности требовал принятия нестандартных
решений. Ранее лонжероны лопастей вертолетов Сикорского изготавливались путем
прессования из алюминиевых заготовок труб постоянного сечения. Для оптимального
восприятия высоких изгибающих моментов и минимизации веса лопасти требовалось,
чтобы лонжероны несущих винтов были коническими вдоль размаха с эллиптическим
сечением в основании и с переменной толщиной стенок. По соображениям прочности
их решили сделать не из алюминия, а из титана.
Решение технологических проблем заняло почти четыре года. В результате появился
метод, при котором на первом этапе трубчатые заготовки лонжеронов из титанового
сплава Ti-6AL-4V обрабатывались для получения конической формы с переменной
толщиной стенок. Затем их отпрессовывали, придавая эллиптическую форму. К 1970
г. удалось изготовить опытный 40-футовый (12,2 м) ротор и продуть его в
аэродинамической трубе NASA, получив обнадеживающие результаты. Однако
разработанная технология оказалась слишком дорогой для серийного производства.
Для дальнейшей реализации концепции АВС требовались средства, которые компания
уже не могла инвестировать в одиночку. Однако полученными результатами работы
удалось заинтересовать военных. В начале 1972 г. был заключен контракт на 9,9
млн. USD («60 млн. USD в ценах 2018 г.) между Sikorsky Aircraft и Пентагоном в
лице лаборатории аэромобильных исследований и разработок армии США (US Army’s
Air Mobility Research and Development) из Форт Эастиса, штат Вирджиния на
постройку двух опытных вертолетов, получивших фирменное наименование S-69 и
военное ХН-59А.
Предполагалось, что они станут технологическими демонстраторами перспективной
многоцелевой машины.
Опытный S-69 имел двухместную кабину экипажа и аэродинамически чистый фюзеляж
круглого сечения. Трехстоечное шасси с носовой опорой убиралось в фюзеляж. Один
маршевый двигатель P&W РТ6Т-3 максимальной мощности 1452 л.с. (кратковременной
чрезвычайной 1728 л.с.) располагался за главным редуктором и приводил во
вращение 36-футовый (10,97 м) трехлопастный соосный несущий винт. В качестве
разгонной силовой установки по бокам фюзеляжа устанавливались два реактивных
двигателя P&W J60-P-3A тягой по 1497 кгс.
Взлетная масса аппарата без разгонных двигателей составляла 5352 кг. После их
установки она возросла, но была ограничена величиной в 5670 кг. Для управления
по курсу и тангажу на режиме крейсерского полета аппарат оснащался двухкилевым
оперением «самолетного» типа с переставным стабилизатором.
Первый полет ХН-59А (per. 21941) состоялся 26 июля 1973 г. На первой фазе
испытаний реактивные двигатели не устанавливали. Всего через месяц опытный
аппарат попал в аварию. При взлете в момент перехода от подъема к
горизонтальному полету вертолет начал задирать нос.
Пилот попытался парировать это, полностью отдав ручки управления вперед, но
вертолет продолжал наклоняться. Летчик сбросил тягу, и в этот момент аппарат
коснулся хвостовым оперением земли и опрокинулся на бок. Несущий винт был
вдребезги разбит, но фюзеляж пострадал мало, а экипаж отделался лишь стрессом.
Устранение выявленных недостатков затормозило программу летных испытаний более
чем на год. Первый прототип после ремонта уже не поднимался в небо и далее
использовался как полномасштабная модель для аэродинамических экспериментов в NASA. Второй опытный ХН-59А (per. 21942) взлетел в ноябре 1974 г. До марта 1977
г. разгонные двигатели на аппарат не устанавливали. В таком виде он достиг
скорости 229 км/ч в горизонтальном полете и 344 км/ч в пологом пикировании, а
также поднимался на высоту 4270 м. После их установки с апреля 1978 г. по январь
1981 г. была проведена вторая фаза летных экспериментов. В горизонтальном полете
была зафиксирована скорость 444 км/ч, а на пикировании под углом 7° - 487 км/ч.
До тех пор ни один вертолет не летал быстрее. Скороподъемность составила 1524
м/мин, а потолок - 7772 м. По оценкам пилотов, управляемость машиной была
великолепной. Однако на больших скоростях отмечалась сильная вибрация. К моменту
окончания испытаний в 1981 г. ХН-59А налетал 170 ч.
Расчетную скорость 560 км/ч так и не достигли. Кроме того, не удалось решить
проблемы с вибрацией, не была создана недорогая технология изготовления
лонжеронов переменного сечения для лопастей винта, да и держать на вертолете
сразу три двигателя, два из которых - паразитные на взлете и посадке, оказалось
накладно. Но главным стало то, что полученный относительно небольшой прирост
скорости достигался существенным удорожанием вертолета и, как следствие,
значительно большей стоимостью его жизненного цикла. Поэтому в начале 1980-х
годов военные посчитали более рациональным сделать ставку не на сложный
инновационный продукт, а на более простые и дешевыерешения, такие как UH-60 Blackhawk, созданный тем же «Сикорским».
Разработчик в который раз попытался спасти свое детище, предложив в 1982 г.
армии США улучшенный вариант аппарата ХН-59В. Предполагалось, что на нем будут
установлены два двигателя T700-GE-700 мощностью по 1536 л.с., которые через
редуктор вращали бы и несущие роторы, и заключенный в кольцо толкающий винт.
Сами лопасти планировалось изготавливать уже из композиционных материалов.
Прорабатывалось использование четырехлопастных несущих роторов меньшего
диаметра, что позволяло снизить уровень вибраций. На базе ХН-59В предлагался
также концепт скоростного боевого вертолета. Но, как говорят, поезд уже ушел.
Казалось, что концепция АВС почила в Лету, оставшись в истории как тупиковая
ветвь развития винтокрылой техники. Но судьбе было угодно, чтобы спустя почти
четверть века «Сикорский» реанимировал эту идею. 27 августа 2008 г. в небо
поднялся легкий вертолет-демонстратор Х-2. Эта двухместная машина напоминала
уменьшенный ХН-59В в одномоторном исполнении. Ее взлетная масса составила 3,6 т. Цельнокомпозитные четырехлопастный несущий и шестилопастный толкающий винты со
специально подобранной профилировкой приводились во вращение 1800-сильным
двигателем LHTEC Т800. Управление аппаратом - электродистанционное с активной
системой парирования вибраций. Общий шаг бесшарнирных несущих роторов
регулировался электроприводами, встроенными во втулки. Сами втулки заключались в
обтекатели, снижавшие аэродинамическое сопротивление аппарата. Было
предусмотрено управление циклическим шагом нижнего несущего ротора для
маневрирования на малых скоростях. На больших скоростях изменение циклического
шага блокировалось, и маневрирование обеспечивалось дифференциальным изменением
шага винтов, а также «самолетным» оперением. При разгоне Х-2 скорость вращения
несущих винтов автоматически снижалась, начиная с отметки в 390 км/ч, а на
максимальной скорости полета это замедление доходило до 20%.
Испытания Х-2 завершились 14 июля 2011 г. Было совершено 23 полета общей
продолжительностью 22 ч. Наиболее значимым результатом стал неофициальный рекорд
скорости горизонтального полета для вертолетов - 460 км/ч, установленный 15
сентября 2010 г. Стоимость программы Х-2 составила 50 млн. USD.
Было бы наивно предполагать, что «Сикорский» потратил такие средства лишь «из
любви к искусству». С самого начала было ясно, что Х-2 лишь первый шаг более
серьезной программы, которая официально стартовала 20 октября 2010 г. Новый
проект в рамках создания вооруженного вертолета-разведчика по программе AAS
(Armed Aerial Scout) получил наименование S-79 Raider. По иронии судьбы, как и в
далеком 1967 г., предполагалась замена машин МН-6 Little Bird и Bell OH-58D
Kiowa Warrior из «древних» семейств «Каюс» и «Кайова». Первоначальный заявленный
бюджет разработки S-79 составил 150 млн. USD и предполагал постройку двух
прототипов, первый из которых предназначался для летных испытаний. В процессе
работы затраты выросли до 200 млн. USD.
Предполагалось, что новинку смогут применять в разведывательно-штурмовом и
десантно-штурмовом вариантах. В первом случае за двухместной кабиной пилотов,
сидящих бок о бок, должен был размещаться отсек вооружения и дополнительный
топливный бак, а во втором - транспортное отделение для перевозки шести
десантников. Таким образом, концептуально машина во многом повторяла идеологию
советского Ми-24, появившегося почти полвека назад. Силовая установка S-79
состояла из двух двигателей GE YT706 мощностью по 2600 л.с. Цельнокомпозитные
несущие роторы получили специальную профилировку и стреловидные законцовки.
Аппарат оснащался электродистанционной системой управления с троекратным
резервированием. Постройка опытных образцов вертолета стартовала в октябре 2012
г., а в сентябре следующего года на сборку был поставлен цельнокомпозитный
фюзеляж первой машины.
Однако обстоятельства вновь круто изменились. В 2013 г. программа AAS была
закрыта. К тому времени беспилотная разведывательная авиатехника показала
достаточную эффективность на поле боя. Ее применение не было сопряжено с риском
потерь личного состава, а там, где возможностей БПЛА не хватало, решили
использовать находившиеся на вооружении вертолеты, включая ударный АН-64 Apache.
Но и в этот раз разработку «Сикорского» удалось спасти, приспособив подзадачи
уже новой программы JMR-TD (Joint Multi Role Technology Demonstrator), которая
предусматривала создание вертолета для замены машин семейства UH-60. 13 января
2013 г. компании «Сикорский» и «Боинг» заключили соглашение о совместных работах
по тематике JMR-TD на базе платформы S-79. Тем не менее, смена приоритетов была
обнародована не сразу. На международной выставке Heli-Expo 2014, проведенной в
Калифорнии,«Сикорский» демонстрировал полноразмерный макет S-79 в
разведывательно-штурмовом варианте, который существенно отличался от
строившегося прототипа.
2 октября 2014 г. состоялась выкатка первого прототипа S-79, а 22 мая 2015 г. он
поднялся в воздух. В октябре того же года завершилась сборка и второго
экземпляра, предназначенного для статических испытаний. Планировалось, что
первый этап летных испытаний займет примерно год, в течение которого будет
налетано порядка 100 ч. Далее предполагалась вторая фаза испытаний, где
предстояло отработать граничные режимы полетов. Разработчик заявлял, что аппарат
сможет развивать крейсерскую скорость 426 км/ч, а максимальная дальность полета
составит 1300 км. На сегодня эти показатели еще не достигнуты. 3 августа 2017 г.
опытный аппарат совершил жесткую посадку и сейчас находится в ремонте.
Вероятно, S-79 останется лишь вертолетом-демонстратором, а дальнейшая судьба
концепции АВС зависит от того, удастся ли реализовать ее преимущества на
аппарате, соответствующем требованиям программы JMR-TD. Работы совместной
команды «Сикорского» и «Боинга» привели к созданию нового вертолета SB-1 Defiant. В 2015 г. появились первые изображения этой машины, из которых стало
очевидно, что этот аппарат будет су-щественно больше и получит фюзеляж
размерности UH-60. 14 марта текущего года разработчики сообщили о начале
наземных испытаний бортового оборудования, узлов и агрегатов «Дефианта».
Параллельно завершается сборка его первого летного образца, который должен
взлететь в конце лета 2018 г.
экспериментальные
S-69 (XH-59)
ЛТХ
Авиация
и Время 2018-02. Андрей Хаустов. Цель - скорость
Уголок неба. 2026
