Противовращающиеся винты: повышение маневренности на малых скоростях.

Введение

Два винта для повышения маневренности на малых скоростях.

Самолеты, оснащенные винтами встречного вращения (CRP), коаксиальными винтами встречного вращения или высокоскоростными винтами, используют максимальную мощность обычно одного поршневого или турбовинтового двигателя для привода пары коаксиальных винтов, вращающихся в противоположных направлениях. Два винта располагаются один за другим, а мощность передается от двигателя через планетарную или зубчатую передачу. Винты встречного вращения также известны как противовращающиеся винты, хотя термин "противовращающиеся винты" гораздо чаще используется для обозначения воздушных винтов на отдельных не коаксиальных валах, вращающихся в противоположных направлениях.

Операция

При низкой скорости воздушного потока масса воздуха, проходящего через плоскость винта (тягу), создает значительный тангенциальный или вращательный поток воздуха, вызванный вращающимися лопастями. Энергия этого тангенциального потока теряется в конструкции одновинтовой системы и вызывает проблемы с управляемостью на малых скоростях, когда поток воздуха ударяет о вертикальный стабилизатор, вызывая рыскание самолета влево или вправо, в зависимости от направления вращения винта. Чтобы использовать эту потерянную энергию, установка второго винта позади первого использует преимущества возмущенного воздушного потока. Хорошо спроектированный соосный винт не будет иметь вращательного потока, равномерно проталкивая максимальный объем воздуха через плоскость винта, что обеспечивает высокую эффективность и минимальные индуктивные потери энергии. Он также нейтрализует асимметричный крутящий момент обычного винта (см. эффект P-фактора). Некоторые соосные системы были разработаны для использования на взлете, обеспечивая максимальную мощность и эффективность в этих условиях, и позволяя отключить один из винтов в крейсерском полете для увеличения продолжительности полета.

Преимущества и недостатки

Момент, действующий на самолет от пары встречно вращающихся пропеллеров, эффективно компенсируется. Встречно вращающиеся пропеллеры оказались на 6–16% эффективнее обычных. Однако они могут быть очень шумными, с увеличением уровня шума в осевом направлении (вперед и назад) до 30 дБ и в тангенциальном направлении – до 10 дБ. Также полезно снижать скорость вращения на концах лопастей или их нагрузку, если задний пропеллер имеет меньше лопастей или меньший диаметр, чем передний, или если увеличивается расстояние между задним и передним пропеллерами. Эффективность встречно вращающегося пропеллера частично нивелируется его механической сложностью и дополнительным весом редуктора, что увеличивает массу самолета и приводит к некоторой потере характеристик. Тем не менее, коаксиальные встречно вращающиеся пропеллеры и роторы применялись на ряде военных самолетов, таких как Туполев Ту-95 "Медведь". Также рассматривается возможность их использования в авиалайнерах.

Использование в воздушных судах

Несколько стран экспериментировали с винтами встречного вращения на самолетах, но только Великобритания и Советский Союз производили их в больших количествах. Первым самолетом, на котором был испытан винт встречного вращения, был аппарат в США, когда два изобретателя из Форт-Уорта, штат Техас, протестировали эту концепцию.

Великобритания

Контравращающийся пропеллер был запатентован Ф. В. Ланчестером в 1907 году. Среди наиболее успешных британских самолетов с контравращающимися пропеллерами – Avro Shackleton, оснащенный двигателем Rolls Royce Griffon, и Fairey Gannet, использовавший двигатель Double Mamba Mk.101. В Double Mamba две отдельные силовые установки приводили в движение по одному пропеллеру, что позволяло отключать одну силовую установку (двигатель) в полете, увеличивая продолжительность полета. Другой военно-морской самолет, Westland Wyvern, также был оснащен контравращающимися пропеллерами. Испытательный самолет Martin Baker MB 5 также использовал этот тип пропеллера. Более поздние модификации Supermarine Spitfire и Seafire использовали Griffon с контравращающимися винтами. В случае Spitfire/Seafire и Shackleton, основной причиной использования контравращающихся пропеллеров было увеличение площади лопастей пропеллера, и, следовательно, повышение способности поглощать мощность двигателя в пределах диаметра пропеллера, ограниченного высотой шасси самолета. Short Sturgeon использовал два двигателя Merlin 140 с контравращающимися пропеллерами. Прототип авиалайнера Bristol Brabazon использовал восемь двигателей Bristol Centaurus, приводящих в движение четыре пары контравращающихся пропеллеров, каждый двигатель приводил в движение один пропеллер. Послевоенный прототип летающего корабля SARO Princess также имел восемь из десяти двигателей, приводящих в движение контравращающиеся пропеллеры.

СССР, Россия и Украина

В 1950-х годах советское конструкторское бюро Кузнецова разработало турбовинтовой двигатель NK-12. Он приводит в движение восьмилопастный соосный винт и, на момент создания, является самым мощным турбовинтовым двигателем, находящимся в эксплуатации. Четыре двигателя NK-12 приводят в движение Ту-95 "Медведь" – единственный турбовинтовой бомбардировщик, поступивший на вооружение, а также один из самых быстрых самолетов с винтовым двигателем. Ту-114, пассажирская версия Ту-95, обладает мировым рекордом скорости для винтовых самолетов. Ту-95 также стал первым советским бомбардировщиком с межконтинентальной дальностью полета. Самолеты Ту-126 AEW и Ту-142 – еще два самолета, использующих двигатель NK-12 и являющиеся дальнейшим развитием Ту-95. Двигатель NK-12 устанавливался также на хорошо известный советский самолет Антонов Ан-22 "Антей", тяжелый транспортный самолет. На момент своего появления Ан-22 был самым большим самолетом в мире и до сих пор остается самым большим в мире турбовинтовым самолетом. В период с 1960-х по 1970-е годы он установил несколько мировых рекордов в категориях максимального отношения полезной нагрузки к высоте и максимальной полезной нагрузки, поднятой на высоту. Менее известным является применение двигателя NK-12 на экраноплане A-90 "Орлёнок", советской разработке среднего размера. A-90 использует один двигатель NK-12, установленный в верхней части Т-образного хвостового оперения, вместе с двумя турбовентиляторными двигателями, расположенными в носовой части. В 1980-х годах Кузнецов продолжил разработку мощных двигателей с соосными винтами. NK-110, испытанный в конце 1980-х годов, имел соосную конфигурацию винта с четырьмя лопастями спереди и четырьмя сзади, как и NK-12. Его диаметр винта был меньше, чем у NK-12, но он развивал мощность, обеспечивая взлетную тягу. Еще более мощным был NK-62, который находился в разработке на протяжении большей части десятилетия. NK-62 имел такой же диаметр винта и конфигурацию лопастей, как и NK-110, но предлагал более высокую взлетную тягу. Модификация NK-62M имела взлетную тягу и могла выдавать аварийную тягу. Однако, в отличие от NK-12, эти более поздние двигатели не были приняты ни одним из конструкторских бюро. В 1994 году Антонов построил Ан-70, тяжелый транспортный самолет. Он оснащен четырьмя двигателями Progress D-27 с винтами противоположного вращения. Характеристики двигателя D-27 и его винта делают его пропфаном – гибридом между турбовентиляторным и турбовинтовым двигателем.

In the 1950s, the Soviet Union's Kuznetsov Design Bureau developed the NK 12 turboprop. It drives an eight blade contra rotating propeller and, at , it is the most powerful turboprop in service. Four NK 12 engines power the Tupolev Tu 95 Bear, the only turboprop bomber to enter service, as well as one of the fastest propeller driven aircraft. The Tu 114, an airliner derivative of the Tu 95, holds the world speed record for propeller aircraft. The Tu 95 was also the first Soviet bomber to have intercontinental range. The Tu 126 AEW aircraft and Tu 142 maritime patrol aircraft are two more NK 12 powered designs derived from the Tu 95. The NK 12 engine powers another well known Soviet aircraft, the Antonov An 22 Antheus, a heavy lift cargo aircraft. At the time of its introduction, the An 22 was the largest aircraft in the world and is still by far the world's largest turboprop powered aircraft. From the 1960s through the 1970s, it set several world records in the categories of maximum payload to height ratio and maximum payload lifted to altitude. Of lesser note is the use of the NK 12 engine in the A 90 Orlyonok, a mid size Soviet ekranoplan. The A 90 uses one NK 12 engine mounted at the top of its T tail, along with two turbofans installed in the nose. In the 1980s, Kuznetsov continued to develop powerful contra rotating engines. The NK 110, which was tested in the late 1980s, had a contra rotating propeller configuration with four blades in front and four in back, like the NK 12. Its was smaller than the NK 12's diameter, but it produced a power output of , delivering a takeoff thrust of Even more powerful was the NK 62, which was in development throughout most of the decade. The NK 62 had an identical propeller diameter and blade configuration to the NK 110, but it offered a higher takeoff thrust of The associated NK 62M had a takeoff thrust of , and it could deliver of emergency thrust. Unlike the NK 12, however, these later engines were not adopted by any of the aircraft design bureaus. In 1994, Antonov produced the An 70, a heavy transport aircraft. It is powered by four Progress D 27 propfan engines driving contra rotating propellers. The characteristics of the D 27 engine and its propeller make it a propfan, a hybrid between a turbofan engine and a turboprop engine.

Соединенные Штаты

Соединенные Штаты работали с несколькими прототипами, включая Northrop XB 35, XB 42 Mixmaster, Douglas XTB2D Skypirate, Curtiss XBTC, A2J Super Savage, Boeing XF8B, XP 56 Black Bullet, Fisher P 75 Eagle и хвостовые истребители Convair XFY "Pogo" и Lockheed XFV "Salmon" с вертикальным взлетом и посадкой, а также самолет-разведчик Hughes XF 11. Летающий лодка Convair R3Y Tradewind поступила на вооружение с винтами встречного вращения. Однако, как поршневые, так и турбовинтовые самолеты достигли пика своего развития, и новые технологические достижения, такие как появление чистых турбореактивных и турбовентиляторных двигателей, не использующих винты, привели к тому, что эти проекты быстро устарели. Американский производитель винтов Hamilton Standard в 1983 году приобрел Fairey Gannet для изучения влияния встречного вращения на шум винтов и вибрационные нагрузки на лопасти. Gannet был особенно подходящим для этих исследований, поскольку его независимо вращающиеся винты позволяли сравнивать встречное и однонаправленное вращение.

Ультралегкие приложения

Австрийская компания Sun Flightcraft распространяет коробку передач с противовращающимися валами для использования с двигателями Rotax 503 и 582 на сверхлёгных и микролёгких летательных аппаратах. Coax P была разработана Хансом Нойдорфером из NeuraJet и позволяет мотопланерам и парапланам развивать на 15-20% большую мощность, одновременно снижая моменты вращения. Производитель также сообщает о снижении уровня шума от двух противовращающихся пропеллеров при использовании коробки передач Coax P.

Использование в воде

Торпеды, такие как торпеда Bliss Leavitt, обычно используют винты встречного вращения для достижения максимальной возможной скорости в заданном диаметре, а также для компенсации момента, который в противном случае заставил бы торпеду вращаться вокруг своей продольной оси. Рекреационное судоходство: в 1982 году компания Volvo Penta представила лодочный винт встречного вращения под брендом DuoProp. Запатентованное устройство с тех пор поступает в продажу. После истечения срока действия патентов Volvo Penta, компания Mercury также начала производить аналогичный продукт – MerCruiser Bravo 3. Коммерческие суда: в традиционных судовых механизмах винты встречного вращения встречаются редко из-за их стоимости и сложности. В 2004 году компания ABB разработала продукт для мощных установок: передний винт установлен на традиционном валу, а задний – в Azipod ABB. При меньшей мощности одним из вариантов являются механические азимутные подруливающие устройства встречного вращения, удобные для реализации концепции CRP благодаря их встроенной конической передаче. Компании Rolls Royce и Steerprop предлагают версии своих продуктов с винтами встречного вращения (CRP).