Вертолёт, 2010 №04, 2011 №01

Вертолет изначально являлся летательным аппаратом, который способен решать задачи, недоступные самолетам. Однако в процессе массовой эксплуатации машин особое значение приобрели проблемы увеличения скорости и дальности полетов вертолетов.

Уровень совершенства самолета для реализации требуемых значений скорости и дальности полета с точки зрения экономической целесообразности может быть оценен аэродинамическим качеством К:

где Y – подъемная сила; X – сила сопротивления аппарата; C yи С х– соответственно коэффициенты этих сил. Для винтокрылого летательного аппарата эквивалентное аэродинамическое качество К вопределяется следующей зависимостью:

где G взл– взлетный вес ЛА; V кр– крейсерская скорость полета; N кр– потребная мощность силовой установки для полета со скоростью V кр; Y = Y НВ~ С взл– подъемная сила несущего винта.

У современных транспортно-пассажирских вертолетов с хорошими аэродинамическими формами максимум К внаходится в пределах от 3,5 до 4,5 единиц. Пассажирские дозвуковые самолеты благодаря рациональной компоновке несущих и ненесущих элементов планера и силовой установки имеют уже 15-20 единиц в зависимости от назначения аппарата. Так, К максу самолетов Ил-86 и Ту-154 составляет 15, а у Ил-96 – 19 единиц.

Максимальное значение аэродинамического качества у транспортно-пассажирских самолетов примерно в 4 раза больше, чем у вертолетов аналогичного назначения. Вредная пластинка (CxS) у вертолетов больше, чем у самолетов, при одинаковом взлетном весе. Следовательно, вертолету требуется большая потребная мощность силовой установки на одинаковых скоростях полета. За счет этого у вертолета будет выше километровый расход топлива и меньше дальность полета.

Вес пустого вертолета примерно на 17% выше, чем самолета одинаковой с ним весовой категории. Это обусловлено тем, что для передачи крутящего момента от двигателей на несущий винт и уравновешивания его реактивного момента требуется относительно тяжелая, громоздкая трансмиссия. Непроизводительные затраты мощности двигателей на обеспечение функционирования трансмиссии и ее систем составляют около 4%, на уравновешивание реактивного момента несущего винта – 10-12%. Поэтому вес коммерческой нагрузки и топлива у вертолета окажется значительно меньше, чем у самолета. Эти показатели еще более ухудшаются за счет установки на вертолете более мощных и тяжелых двигателей с повышенными расходами топлива.

Основным критерием экономичности транспортно-пассажирских ЛА является себестоимость тонно-километра и пассажиро-километра. Обобщенные стоимостные критерии зависят от аэродинамического качества аппарата, крейсерской скорости и дальности полета. По этим показателям вертолет существенно уступает самолету.

Все перечисленное в совокупности и является платой за то, что вертолет в отличие от самолета может взлетать и садиться вертикально, осуществлять висение и перемещения на малых скоростях полета. Именно поэтому борьба за повышение скорости и дальности полета винтокрылых ЛА была и остается весьма актуальной. Однако конструкторы вертолетов до настоящего времени не могут преодолеть проблему существенного роста аэродинамического сопротивления несущего винта при скорости более 300 км/ч.

Несущий винт вертолета проектируется, в первую очередь, для обеспечения висения, перемещений у земли с небольшими скоростями и достижения необходимых величин статического и динамического потолка. По результатам исследований, у современных вертолетов заданные летные данные могут быть получены, если скорость обтекания потоком воздуха концевых сечений скоростных профилей лопастей будет равна 220-230 м/с. Для реализации такой скорости на несущем винте требуется почти в 100 раз уменьшить частоту вращения свободных турбин двигателей. Это обеспечивается механической трансмиссией и выбором передаточного отношения ее главного редуктора.

В полете мощность двигателей N НВ, потребляемая несущим винтом, расходуется на обеспечение его вращения для создания необходимой величины тяги Т = = G поли пропульсивной силы:

При этом N НВ= N i+ N pгде N iи N p- индуктивная и профильная составляющие мощности.