Кіріспе
Ұшақ түрі
Тилтротор – көтерілу және жылдамдатуды қозғалтқышпен жабдықталған бір немесе бірнеше роторлар (кейде пропорторлар деп аталады) арқылы қамтамасыз ететін ұшақ, олар әдетте тұрақты қанаттың ұштарында айналатын біліктерге немесе нацелдерге орнатылады. Көбінесе барлық тилтроторлар көлденең ротор дизайнын қолданады, бірақ басқа көп роторлы схемаларды қолданатын шамалы ерекшеліктер де бар. Тилтротор конструкциясы тікұшақтың VTOL мүмкіндіктерін дәстүрлі тұрақты қанатты ұшақтың жылдамдығы мен қашықтығымен үйлестіреді. Тік ұшу үшін роторлар бұрылады, сонда айналу жазықтығы көлденең болады, бұл қалыпты тікұшақ роторы сияқты көтерілуді қамтамасыз етеді. Ұшақ жылдамдық алғанда, роторлар біртіндеп алға қарай бұрылады, айналу жазықтығы тік күйге жетеді. Бұл режимде роторлар пропеллер сияқты итергіш күш береді, ал тұрақты қанаттардың аэродинамикалық профилі ұшақтың алға қозғалысы арқылы көтерілуді қамтамасыз етеді. Роторларды жылдамдату үшін тиімдірек етіп жасауға болады (мысалы, тамыр-ұш бұрылысымен), сондай-ақ тікұшақта кездесетін қайта оралудың алдын алады, бұл тилтротордың тікұшаққа қарағанда жоғары круиздік жылдамдыққа және ұшу салмағына қол жеткізуіне мүмкіндік береді. Тилтротор ұшағы tiltwing-тен тек ротордың ғана бұрылуымен ерекшеленеді, ал бүкіл қанат емес. Бұл әдіс тік ұшудағы тиімділікті STOL/STOVL операцияларындағы тиімділікке саудалайды.
Тарих
Тилт ротор (французша "Конвертибель") бағытындағы алғашқы жұмыс шамамен 1902 жылы француз-швейцар ағайындылары Анри мен Арман Дюфо жасаған, олар 1904 жылдың ақпанында патент алып, жұмыстарын 1905 жылдың сәуірінде жариялаған. Вертикальды ұшып-қону (VTOL) ұшақтарын тікұшақ роторларымен жасау туралы нақты идеялар 1930 жылдары дамыды. Қазіргі заманғы tilt-роторларға ұқсас алғашқы конструкцияны Джордж Лебергер 1930 жылдың мамырында патенттеген, бірақ оны одан әрі жетілдірмеген. Екінші дүниежүзілік соғыста Германиядағы Weserflug 1938 жылы P.1003/1 концепциясын ұсынды, ол қанаттарының бір бөлігімен, бірақ толық қанаттарымен жоғары қарай еңкейтін, сондықтан ол tilt-ротор мен tilt-plane арасында болуы мүмкін. Одан кейін 1942 жылдан бастап неміс прототипі Focke Achgelis Fa 269 жасалды, ол жерге қарай еңкейтін, бірақ ұшпады. Платт пен Лепейдж PL 16 ұшағына патент алды, ол алғашқы американдық tilt-ротор ұшағы болды. Алайда, компания 1946 жылдың тамызында капитал жетіспеуінен жабылды. Ұшуға қол жеткізген екі прототип – бір орындық Transcendental Model 1 G және екі орындық Transcendental Model 2, әрқайсысы бір поршеньді қозғалтқышпен жұмыс істеді. Model 1 G-нің әзірлеуі 1947 жылы басталды, бірақ ол 1954 жылға дейін ұшпады. Model 1 G 1955 жылдың 20 шілдесінде Чесапик шығанағында апатқа ұшырағанға дейін шамамен бір жыл бойы ұшты, прототип ұшағын жойды, бірақ пилот ауыр жарақат алмады. Model 2 әзірленді және одан кейін ұшты, бірақ АҚШ Әуе күштері Bell XV 3 пайдасына қаржыландыруды тоқтатты және ол ұшудан тыс сынақтардан көп ұшпады. Transcendental 1 G – тік қозғалтқышпен ұшуға арналған алғашқы tilt-ротор ұшағы және ұшу кезінде тікұшақтан ұшаққа көшудің көп бөлігін орындады (көлденең ұшудың 10 градусына дейін). 1953 жылы салынған Bell XV 3 эксперименталды ұшағы 1966 жылға дейін ұшып, tilt-ротор тұжырымдамасының дұрыстығын дәлелдеді және болашақ жобалар үшін қажетті техникалық жақсартулар туралы деректер жинады. Осымен байланысты технологияның дамуы – tiltwing. Canadair CL 84 Dynavert және LTV XC 142 екі жобасы техникалық тұрғыдан сәтті болғанымен, басқа мәселелерге байланысты өндіріске енгізілген жоқ. Tilt-роторлар әдетте tiltwing-терге қарағанда жақсырақ тұру тиімділігіне ие, бірақ тікұшақтардан нашар. 1968 жылы Westland Aircraft компаниясы SBAC Farnborough Airshow көрмесінде өздерінің шағын эксперименталды We 01C және 68 орындық We 028 көліктерін көрсетті. 1972 жылы NASA және АҚШ армиясының қаржысымен Bell Helicopter Textron компаниясы XV 15-ті, екі қозғалтқышты tilt-ротор зерттеу ұшағын әзірлеуді бастады. Екі ұшақ tilt-ротор конструкциясын дәлелдеу және әскери және азаматтық қолдану үшін ұшудың операциялық мүмкіндіктерін зерттеу үшін жасалды. 1981 жылы Bell және Boeing Helicopters компаниялары XV 3 және XV 15 үлгілерінен алған тәжірибелерін пайдаланып, V 22 Osprey, АҚШ Әуе күштері мен АҚШ Теңіз жаяу әскерлері үшін екі турбошақты әскери tilt-ротор ұшағын әзірлеуді бастады. Bell сонымен қатар TR918 Eagle Eye деп аталатын адамсыз әуе көлігін (БПҰ) әзірледі. Ресейде бірнеше tilt-ротор жобалары болды, көбінесе Mil Mi 30 сияқты ұшқышсыз, және 2015 жылы тағы бірін бастады. 2005-2010 жылдары Bell мен Boeing АҚШ армиясының бірлескен ауыр жүк көтеру (JHL) бағдарламасы үшін үлкен Quad TiltRotor (QTR) тұжырымдамалық зерттеуді жүргізу үшін қайтадан бірікті. QTR – V 22-нің төрт роторлы нұсқасы, екі қатарлы қанат тік қанаттары мен төрт ауыстырмалы роторлары бар. 2013 жылдың қаңтар айында FAA АҚШ-тың ИКАО ережелеріне сәйкес келетін tilt-ротор шуы туралы ережелерін анықтады. Бұл үшін 588 000 доллар керек, үлкен вертолетке тең. 2013 жылы AgustaWestland компаниясы "Проект Зеро" атты электрлік иілгіш роторды ұшуға жіберді, роторлары қанаттарының ішінде орналасқан. 2013 жылы Bell Helicopter компаниясының бас директоры Джон Гаррисон Boeing компаниясының АҚШ армиясының болашақ көтеру талаптарына сәйкес басқа ұшақ құрастырушы серіктесті таңдауына жауап ретінде Bell компаниясы Lockheed Martin компаниясымен бірге Bell V 280 Valor ұшағын әзірлеуде жетекшілікті өз мойнына алатынын айтты. 2014 жылы Clean Sky 2 бағдарламасы (Еуропалық Одақ пен өнеркәсіп) AgustaWestland және оның серіктестеріне оффшорлық нарыққа арналған "келесі буын азаматтық tilt-ротор" дизайнын әзірлеу үшін 328 миллион доллар берді, Дизайнды сынау 2016 жылдың соңында жоспарланған. Мақсаттар – қанат секциясын еңкейту, 11 тонна максималды ұшу салмағы, 19-22 жолаушыға арналған орындықтар, 2021 жылы алғашқы ұшу, 300 түйіннің круиздік жылдамдығы, 330 түйіннің ең жоғары жылдамдығы, 25000 фут биіктігі және 500 теңіз милясы қашықтығы.
Concrete ideas of constructing vertical take off and landing (VTOL) aircraft using helicopter like rotors were pushed further in the 1930s. The first design resembling modern tiltrotors was patented by George Lehberger in May 1930, but he did not further develop the concept. In World War II, Weserflug in Germany came up with the concept of their P.1003/1 around 1938, which was tilting to the top with part of the wings but not the full wings, so it may be in between tilt rotor and tilt planes. Shortly after a German prototype, the Focke Achgelis Fa 269, was developed starting in 1942, which was tilting to the ground, but never flew. Platt and LePage patented the PL 16, the first American tiltrotor aircraft. However, the company shut down in August 1946 due to lack of capital. Two prototypes which made it to flight were the one seat Transcendental Model 1 G and two seat Transcendental Model 2, each powered by a single reciprocating engine. Development started on the Model 1 G in 1947, though it did not fly until 1954. The Model 1 G flew for about a year until a crash in Chesapeake Bay on July 20, 1955, destroying the prototype aircraft but not seriously injuring the pilot. The Model 2 was developed and flew shortly afterwards, but the US Air Force withdrew funding in favor of the Bell XV 3 and it did not fly much beyond hover tests. The Transcendental 1 G is the first tiltrotor aircraft to have flown and accomplished most of a helicopter to aircraft transition in flight (to within 10 degrees of true horizontal aircraft flight). Built in 1953, the experimental Bell XV 3 flew until 1966, proving the fundamental soundness of the tiltrotor concept and gathering data about technical improvements needed for future designs. A related technology development is the tiltwing. Although two designs, the Canadair CL 84 Dynavert and the LTV XC 142, were technical successes, neither entered production due to other issues. Tiltrotors generally have better hover efficiency than tiltwings, but less than helicopters. In 1968, Westland Aircraft displayed their own designs—a small experimental craft (We 01C) and a 68 seater transport We 028—at the SBAC Farnborough Airshow. In 1972, with funding from NASA and the U. S. Army, Bell Helicopter Textron started development of the XV 15, a twin engine tiltrotor research aircraft. Two aircraft were built to prove the tiltrotor design and explore the operational flight envelope for military and civil applications. In 1981, using experience gained from the XV 3 and XV 15, Bell and Boeing Helicopters began developing the V 22 Osprey, a twin turboshaft military tiltrotor aircraft for the U. S. Air Force and the U. S. Marine Corps. Bell has also developed a tiltrotor unmanned aerial vehicle (UAV), the TR918 Eagle Eye. Russia has had a few tiltrotor projects, mostly unmanned such as the Mil Mi 30, and has started another in 2015. Around 2005–2010, Bell and Boeing teamed up again to perform a conceptual study of a larger Quad TiltRotor (QTR) for the US Army's Joint Heavy Lift (JHL) program. The QTR is a larger, four rotor version of the V 22 with two tandem wings sets of fixed wings and four tilting rotors. In January 2013, the FAA defined US tiltrotor noise rules to comply with ICAO rules. A noise certification will cost $588,000, same as for a large helicopter. AgustaWestland says they have free flown a manned electric tiltrotor in 2013 called Project Zero, with its rotors inside the wingspan. In 2013, Bell Helicopter CEO John Garrison responded to Boeing's taking a different airframe partner for the US Army's future lift requirements by indicating that Bell would take the lead itself in developing the Bell V 280 Valor, with Lockheed Martin. In 2014, the Clean Sky 2 program (by the European Union and industry) awarded AgustaWestland and its partners $328 million to develop a "next generation civil tiltrotor" design for the offshore market, with Critical Design Review near the end of 2016. The goals are tilting wing sections, 11 metric tons Maximum takeoff weight, seating for 19 to 22 passengers, first flight in 2021, a cruise speed of 300 knots, a top speed of 330 knots, a ceiling of 25,000 feet, and a range of 500 nautical miles.
Бақылау
Тік ұшу кезінде tilt-ротор екі немесе тандемді роторлы тікұшаққа ұқсас басқаруды қолданады. Емдеу роторларды қарама-қарсы бағытта иілту арқылы басқарылады. Ролл дифференциалдық қуат немесе итерме арқылы қамтамасыз етіледі. Пич роторлық қанаттардың циклдық қозғалысы немесе нацелланың еңісуі арқылы қамтамасыз етіледі. Вертикаль қозғалыс дәстүрлі роторлық қақпақтың көмегімен және Bell / Agusta BA609 сияқты дәстүрлі тікұшақтың ұжымдық басқару тұтқасымен немесе Bell Boeing V 22 Osprey сияқты, тұрақты қанатты ұшақтың қозғалтқышын басқару тұтқасына (TCL) ұқсас ерекше басқарумен басқарылады.
Жылдамдық және пайдалы жүктеме мәселелері
Тилтротордың артықшылығы – вертолетке қарағанда әлдеқайда жоғары жылдамдық. Вертолеттегі ең жоғары алға жылдамдық ротордың айналу жылдамдығымен шектеледі; белгілі бір сәтте вертолет ротордың артқа қарай қозғалатын бөлігінің айналуымен бірдей жылдамдықпен алға жылжиды, сондықтан ротордың сол жағы нөлдік немесе теріс жылдамдық сезінеді және тоқтауға бастайды. Бұл қазіргі заманғы тікұшақтардың круиздік жылдамдығын шамамен 150 түйін / 277 км/сағ-қа дейін шектейді. Дегенмен, тилтроторда бұл мәселе болмайды, өйткені пропроторлар ұшу режимінің жоғары жылдамдық кезеңдерінде қозғалысқа перпендикуляр орналасқан (осылайша кері ағыс жағдайына ұшырамайды), сондықтан тилтротордың салыстырмалы жоғары ең жоғары жылдамдығы бар – қазірге дейін ұшқан екі тилтротордың екеуі де 300 түйін / 560 км/сағ-тан астам жылдамдыққа жеткен, ал круиздік жылдамдық 250 түйін / 460 км/сағ-қа жетеді. Ал кейбіреулер керісінше пікір білдіреді. Тилтроторлар тікұшақтарға қарағанда едәуір жоғары круиздік биіктікке жетуге мүмкіндік береді. Тилтроторлар 6000 м / 20000 фут немесе одан да жоғары биіктікке оңай жетеді, ал тікұшақтар әдетте 3000 м / 10000 фут биіктіктен аспайды. Бұл мүмкіндік бұрын тек қана қанатты ұшақтарға ғана қарастырылған кейбір қолдануларды, енді ұшу-қону жолағын қажет етпей, тилтроторлармен жүзеге асыруға мүмкіндік береді. Алайда, кемшілігі – биік биіктіктен ұшып шыққанда тилтротордың көтере алатын жүгінің мөлшері айтарлықтай төмендейді.
Моно-көлбеуші
Моно-көкпелі ұшақ көтеру және қозғалыс үшін көлбеу айналатын винтті немесе коаксиалды винтті пайдаланады. Тік ұшу үшін винт төмен қарай бағытталып, көтеру күшін қамтамасыз етеді. Бұл режимде ұшақ тікұшақтан ешқандай айырмашылығы жоқ. Ұшақ жылдамдық жинағанда, коаксиалды винт баяу алға еңкейеді, ал винттің жапырақтары жерге перпендикуляр бола бастайды. Бұл режимде қанат көтеруді қамтамасыз етеді, ал қанаттың жоғары тиімділігі tilt-ротордың жоғары жылдамдыққа жетуіне көмектеседі. Бұл режимде ұшақ негізінен турбовинтті ұшақ болып табылады. Моно-көкпелі ұшақ, винттері қанаттың ұштарына орнатылған дәстүрлі tilt-ротордан өзгеше, коаксиалды винттері ұшақтың фюзеляжына орнатылған. Осы конструкциялық тиімділік нәтижесінде моно-көкпелі ұшақтың тасымалдау тиімділігі (жылдамдық пен жүк көлемінің көбейтіндісі) тікұшақ пен дәстүрлі tilt-ротордан асып түседі. Бір дизайндық зерттеуге сәйкес, егер моно-тилтротор техникалық тұрғыдан іске асырылса, ол тікұшақтан екі есе кішкентай, үш есе жеңіл және шамамен екі есе жылдам болар еді. Тік ұшу кезінде моно-тилтротор, мысалы, Камов Ка-50 сияқты коаксиалды тікұшақтардағы сияқты басқару жүйесін қолданады. Көлбеуді, мысалы, жоғарғы винттің көтеру күшін арттыру арқылы, ал төменгі винттің көтеру күшін азайту арқылы басқаруға болады. Ролл және пикирование ротордың циклі арқылы жүзеге асырылады. Вертикаль қозғалыс ротор жапырақтарының бұрылу бұрышымен басқарылады.