Вертолет, 2000 № 01

На сегодняшний день свыше 95% мирового вертолетного парка составляют машины классической одновинтовой схемы. Однако в последнее время все больший интерес проявляется к вертолетам соосной схемы несущего винта. Об особенностях аэромеханики соосных вертолетов, которые давно и успешно исследуются специалистами фирмы «Камов», и пойдет речь в этой статье.

Адекватное математическое представление явлений аэромеханики соосных винтов дает возможность объяснить и предсказать такие явления, как собственные частоты лопастей винтов, нагрузки и деформации, границы аэроупругой устойчивости (границу флаттера, срывной флаттер, земной резонанс), а также летные данные вертолета.

Специально проектировались в ЦАГИ аэродинамические профили лопастей для Ka-50, Ka-115, Ka-226 (рис.1). Оптимальная комбинация аэродинамических характеристик профилей С_у С_хр , C_m (a, M) обеспечила достаточный запас скорости до границы флаттера в поступательном полете, а также необходимые условия достижения высоких перегрузок и границы «срыва», низких нагрузок на винтах и в проводке управления, низкого уровня вибраций, высоких летных данных вертолета. С этой же целью была разработана стреловидная законцовка лопасти.

Использование базовых технических решений позволило достичь высоких характеристик не только соосных винтов, но и вертолета в целом.

Рис.1. Аэродинамические характеристики существующих аэродинамических профилен ЦАГИ-2, ЦАГИ-4 и перспективного профиля ЦАГИ-4М

Рис. 2. Статическая диаграмма. Нагрузка на мощность, нагрузка на диск, относительный КПД для соосных вертолетов и вертолетов с рулевым винтом

Особенности аэродинамики

Характерная особенность соосного несущего винта – высокое аэродинамическое совершенство на режиме висения – определяется дополнительным количеством воздуха, всасываемого нижним несущим винтом (рис. 2). Относительный КПД соосного винта на режиме висения на 13% больше КПД одиночного винта, не сбалансированного крутящим моментом. При отсутствии потерь мощности на привод рулевого винта относительный КПД соосного вертолета увеличивается на 20% (рис. 2).

На рис. 3 представлены результаты определения относительных КПД соосных вертолетов, которые были получены в процессе натурных летных испытаний на режимах висения.

В ходе исследований вихревой структуры струи винтов соосного вертолета Ка-32 применялся метод дымовой визуализации: в концах лопасти были расположены малые генераторы дыма. Вихревая струя соосных винтов визуализировалась на висении, малых и средних скоростях полета, вне влияния воздушной подушки (рис. 4, 5). При анализе результатов использовался критерий подобия, определяющий скорости полета и индуктивные скорости струи относительно величины индуктивной скорости идеального винта на висении (рис. 5). Вертикальная скорость концевых вихрей на висении меньше индуктивной скорости идеального одиночного винта. Измеренное поджатие струи составило 0,85R для верхнего винта и 0,91R для нижнего винта (рис. 4).

В поступательном полете была визуализирована вихревая система струи соосных винтов. В передней части винтов свободные концевые вихри находятся над плоскостями вращения верхнего и нижнего винтов. Эта плоская часть вихревой системы может распространяться назад по потоку до 3/4 радиуса винтов (рис. 5).

Рис.З. КПД соосных винтов (измерения в летных испытаниях)

Рис. 4. Боковой вид формы вихревого следа соосного винта для нескольких скоростей полета вне влияния земли

Рис. 5. Положение передней границы вихревого следа по скорости горизонтального полета

Рис. 6. Аэродинамический профиль лопасти

Применение композитов

В конце 50-х годов на фирме «Камов» были разработаны, изготовлены и испытаны стеклопластиковые лопасти несущего винта. В 1965 г. первые серийные стеклопластиковые лопасти были успешно испытаны на вертолете Ka-15, в 67-м – на Ka-26. В конце 70-х фирма «Камов» разработала стеклоуглепластиковые лопасти винта.

Углеволокно имело модуль упругости в шесть раз больший, чем у всех используемых в то время конструкционных материалов. Это позволило использовать новый материал для решения проблем прочности, устойчивости и аэроупругости конструкции. Использование передовых технологий в работе с материалами определило и геометрию несущего винта вертолета Ka-50. Его лопасти имеют специальный аэродинамический профиль, оптимальную крутку и стреловидную законцовку (рис. 6). Кроме того, все лопасти фирмы «Камов» оснащены электрической противообледенительной системой.

Проводка управления несущим винтом