Наклоняемые роторы: история и принципы работы

Введение

Тип самолета

Тилтротор – это самолет, создающий подъемную силу и тягу посредством одного или нескольких приводных роторов (иногда называемых пророторами), установленных на вращающихся валах или гондолах, как правило, на концах фиксированного крыла. Почти все тилтроторы используют поперечную схему ротора, за исключением немногих, применяющих другие многороторные конфигурации. Конструкция тилтротора сочетает в себе возможность вертикального взлета и посадки (VTOL), присущую вертолету, со скоростью и дальностью полета обычного самолета с фиксированным крылом. Для вертикального полета роторы наклонены таким образом, чтобы плоскость их вращения была горизонтальной, создавая подъемную силу, как у обычного ротора вертолета. По мере набора скорости роторы постепенно наклоняются вперед, пока плоскость вращения не станет вертикальной. В этом режиме роторы обеспечивают тягу, как пропеллер, а профиль фиксированного крыла берет на себя функцию создания подъемной силы за счет поступательного движения всего самолета. Поскольку роторы могут быть сконфигурированы для повышения эффективности тяги (например, с использованием крутки законцовок лопастей) и это позволяет избежать проблем вертолета, связанных с сваливанием лопастей на отступающем потоке, тилтротор способен достигать более высоких крейсерских скоростей и взлетных весов, чем вертолеты. Тилтротор отличается от самолета с наклоняемым крылом тем, что вращается только ротор, а не крыло целиком. Этот подход снижает эффективность вертикального полета в пользу эффективности при выполнении операций STOL/STOVL.

История

Первая работа в направлении наклоняемого ротора (французский "Convertible") кажется, началась примерно в 1902 году с братьев Анри и Армана Дюфо, французских швейцарцев, которые получили патент в феврале 1904 года и опубликовали свою работу в апреле 1905 года. Ненадежный источник: дата=февраль 2020.

Конкретные идеи по созданию самолетов вертикального взлета и посадки (VTOL) с использованием роторов, подобных вертолетным, получили дальнейшее развитие в 1930-х годах. Первый проект, напоминающий современные тилтроторы, был запатентован Джорджем Лебергером в мае 1930 года, но он не продолжил разработку этой концепции. Во время Второй мировой войны компания Weserflug в Германии предложила концепцию P.1003/1 около 1938 года, которая наклонялась верхней частью с частью крыльев, но не всем крылом, поэтому она находится между тилтротором и самолетом с наклоненным крылом. Вскоре после этого был разработан немецкий прототип Focke Achgelis Fa 269, который начал разрабатываться в 1942 году и наклонялся к земле, но так и не совершил полет. Платт и Лепейдж запатентовали PL 16, первый американский тилтротор. Однако компания прекратила свою деятельность в августе 1946 года из-за нехватки капитала. Два прототипа, которые достигли летного состояния, были Transcendental Model 1 G на одно место и Transcendental Model 2 на два места, каждый из которых приводился в движение одним поршневым двигателем. Разработка Model 1 G началась в 1947 году, хотя он не летал до 1954 года. Model 1 G летал около года до крушения в Чесапикском заливе 20 июля 1955 года, уничтожившего прототип, но пилот не получил серьезных травм. Model 2 был разработан и вскоре после этого совершил полет, но ВВС США отозвали финансирование в пользу Bell XV 3, и он совершал лишь небольшое количество полетов, ограничиваясь зависанием. Transcendental 1 G – первый тилтротор, совершивший полет и выполнивший большую часть перехода от режима вертолета к режиму самолета в полете (в пределах 10 градусов от истинного горизонтального полета самолета). Экспериментальный Bell XV 3, построенный в 1953 году, летал до 1966 года, доказав принципиальную состоятельность концепции тилтротора и собрав данные о необходимых технических улучшениях для будущих конструкций. Связанной технологией является самолет с наклоняемым крылом (tiltwing). Хотя две конструкции, Canadair CL 84 Dynavert и LTV XC 142, были технически успешными, ни одна из них не была запущена в производство из-за других проблем. Тилтроторы, как правило, имеют более высокую эффективность зависания, чем самолеты с наклоняемым крылом, но ниже, чем у вертолетов. В 1968 году Westland Aircraft представила свои собственные проекты – небольшой экспериментальный аппарат (We 01C) и 68-местный транспортный We 028 на авиасалоне SBAC Farnborough. В 1972 году, при финансировании NASA и армии США, Bell Helicopter Textron начала разработку XV 15, исследовательского тилтротора с двумя двигателями. Было построено два самолета для подтверждения конструкции тилтротора и изучения оперативной летной характеристики для военных и гражданских применений. В 1981 году, используя опыт, полученный от XV 3 и XV 15, Bell и Boeing Helicopters начали разработку V 22 Osprey, военного тилтротора с двумя турбовинтовыми двигателями для ВВС США и Корпуса морской пехоты США. Bell также разработала беспилотный летательный аппарат (БПЛА) с наклоняемым ротором TR918 Eagle Eye. В России было несколько проектов тилтроторов, в основном беспилотных, таких как Mil Mi 30, и еще один проект был начат в 2015 году. Около 2005–2010 годов Bell и Boeing снова объединились для проведения концептуального исследования более крупного Quad TiltRotor (QTR) для программы Joint Heavy Lift (JHL) армии США. QTR – это увеличенная четырехроторная версия V 22 с двумя тандемными комплектами фиксированных крыльев и четырьмя наклоняющимися роторами. В январе 2013 года FAA определила правила по шуму для тилтроторов США в соответствии с правилами ИКАО. Сертификация по шуму обойдется в 588 000 долларов, как и для большого вертолета. AgustaWestland заявила, что в 2013 году они совершили свободный полет на пилотируемом электрическом тилтроторе под названием Project Zero, с роторами внутри размаха крыльев. В 2013 году генеральный директор Bell Helicopter Джон Гаррисон ответил на решение Boeing выбрать другого партнера по созданию фюзеляжа для будущих потребностей армии США, заявив, что Bell возьмет на себя ведущую роль в разработке Bell V 280 Valor совместно с Lockheed Martin. В 2014 году программа Clean Sky 2 (Европейского союза и промышленности) выделила AgustaWestland и ее партнерам 328 миллионов долларов США на разработку конструкции "гражданского тилтротора следующего поколения" для оффшорного рынка, с проведением критического обзора конструкции в конце 2016 года. Цели включают в себя секции наклоняемого крыла, максимальный взлетный вес 11 метрических тонн, вместимость 19–22 пассажиров, первый полет в 2021 году, крейсерскую скорость 300 узлов, максимальную скорость 330 узлов, потолок 25 000 футов и дальность 500 морских миль.

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.

Контроль

В вертикальном полете наклоночный винтокрыл использует органы управления, очень похожие на органы управления двухвинтовым или тандемным вертолетом. Управление рысканием осуществляется наклоном роторов в противоположных направлениях. Крен обеспечивается дифференциальной мощностью или тягой. Управление тангажом осуществляется циклическим изменением шага лопастей ротора или наклоном гондолы. Вертикальное движение контролируется обычным шагом лопастей ротора и обычным рычагом общего шага вертолета (как в Bell/Agusta BA609) или уникальным рычагом управления, аналогичным рычагу управления двигателем самолета с фиксированным крылом, называемым рычагом управления тягой (TCL) (как в Bell Boeing V-22 Osprey).

Проблемы скорости и полезной нагрузки

Преимущество наклоночного ротора – значительно более высокая скорость по сравнению с вертолетом. У вертолета максимальная скорость горизонтального полета определяется скоростью вращения несущего винта; в определенный момент вертолет начинает двигаться вперед с той же скоростью, что и задняя часть несущего винта, что приводит к нулевой или отрицательной скорости воздушного потока на этой стороне и, как следствие, к сваливанию. Это ограничивает крейсерскую скорость современных вертолетов примерно 150 узлами / 277 км/ч. Однако в наклоночном роторе эта проблема отсутствует, поскольку винты-пропеллеры (пропорторы) ориентированы перпендикулярно направлению движения на участках полета с высокой скоростью (и, следовательно, не подвержены этому обратному потоку), что обеспечивает наклоночному ротору относительно высокую максимальную скорость – более 300 узлов / 560 км/ч. Это было продемонстрировано на двух типах наклоночных роторов, которые были построены и испытаны, а крейсерская скорость составляет 250 узлов / 460 км/ч. В то же время, некоторые специалисты приходят к противоположным выводам. Наклоночные роторы также обеспечивают значительно большую возможность достижения крейсерской высоты по сравнению с вертолетами. Наклоночные роторы могут легко достигать высоты 6000 м / 20000 футов и более, в то время как вертолеты обычно не поднимаются выше 3000 м / 10000 футов. Эта особенность означает, что некоторые задачи, которые традиционно выполнялись только самолетами с фиксированным крылом, теперь могут быть выполнены с использованием наклоночных роторов без необходимости в взлетно-посадочной полосе. Однако следует отметить, что при взлете с больших высот полезная нагрузка наклоночного ротора значительно снижается.

Моно-клоновой двигатель

Самолет с мононаклонным винтом использует наклоняемый вращающийся винт или коаксиальный винт для создания подъемной силы и движения. Для вертикального полета винт наклоняется, направляя тягу вниз и обеспечивая подъем. В этом режиме работы аппарат по сути идентичен вертолету. По мере набора скорости коаксиальный винт медленно наклоняется вперед, пока лопасти не станут перпендикулярны земле. В этом режиме подъемную силу обеспечивает крыло, а его большая эффективность позволяет аппарату достигать высокой скорости. В этом режиме аппарат по сути является турбовинтовым самолетом. Самолет с мононаклонным винтом отличается от обычного самолета с наклоняемыми винтами, в котором винты установлены на концах крыльев, тем, что коаксиальный винт монтируется на фюзеляже. Благодаря этой конструктивной эффективности, мононаклонный винт превосходит по транспортной эффективности (произведение скорости на полезную нагрузку) как вертолет, так и обычный самолет с наклоняемыми винтами. Одно из проектных исследований показало, что при технической реализации мононаклонный винт был бы вдвое меньше по размеру, на треть легче и почти вдвое быстрее вертолета. В вертикальном полете мононаклонный винт использует органы управления, очень похожие на коаксиальный вертолет, например, Камов Ка-50. Управление рысканием осуществляется, например, за счет увеличения подъемной силы верхнего винта при одновременном уменьшении подъемной силы нижнего винта. Крен и тангаж обеспечиваются циклическим шагом винта. Вертикальное движение контролируется обычным изменением шага лопастей ротора.