Дисковое крыло как решение задачи вертикального взлета и посадки

В предыдущих публикациях «Станет ли "Самолет Павловых" новым словом в авиации?» и «Изобретатель Павлов о своем самолете с дисковым крылом» говорилось, что сравнительно недавно в Татарстане появился дисколет - новый вид летательного аппарата, нечто среднее между вертолетом и самолетом. Его изобретателями стали отец и сын Павловы, оттого его в народе и называют - "самолет Павловых". Они вызвали неплохой интерес у читателей форума, а некоторые изъявили желание подробнее ознакомиться с его конструкцией.

Ознакомление начнем с дискового крыла, на которое был выдан патент № 2101215 «Крыло самолета Павловых». И как сказано в нем, данное изобретение относится к области авиационной техники, в частности к самолето- и вертолетостроению, и может быть использовано для создания скоростного летательного аппарата (ЛА) с вертикальным взлетом и посадкой, а также для выполнения операции спасения ЛА в целом

Проблема создания летательного аппарата (ЛА), соответствующего самолету с его возможностями, но еще и обладающего способностью вертикально взлетать и садиться особенно обострилась в 50-е годы 20 века, когда вертолетный способ полета получил достаточное развитие. Появились вертолеты специальных назначений, повысилась их надежность и заинтересованность в их использовании в народном хозяйстве и в военных действиях. Но вот скорость, грузоподъемность и дальность всегда желали лучшего. Особенно интенсивно развитием новых схем занимались в США и Европе. Появились вертолеты с разгонными двигателями, дополнительными крыльями и самолеты с убирающимися несущими винтами. К 70-м годам надежды на быстрое решение проблемы не оправдались и этот бум закончился. Продолжались лишь углубленные исследования и совершенствование наиболее удачной схемы самолета вертикального взлета и посадки (СВВП) поперечной схемы, имеющего несущие винты на концах крыла, которые в горизонтальном полете поворачиваются и превращаются в тянущие. Эта схема совершенствуется и в настоящее время, и ее яркий представитель V-22 «Osprey» (США), унаследовавший практически все отрицательные черты вертолета кроме скорости до 550 км/час, в то время как у вертолета предел скорости около 300 км/час. Ospreyеще и не очень надежен с его сложными переходными режимами и единственным надежным ЛА остается вертолет.

Авторами предложен Дисколет – СВВП с вращающимся дисковым крылом, из которого на взлете, при посадке и в случае аварийной ситуации выдвигаются лопасти вертолетного типа, а по горизонтали полет происходит на дисковом крыле малого удлинения с самолетными скоростями (рис. 1).

Рис. 1. Дисколет

Принципиальная схема вертолета со времен Леонардо Да Винчи (16 век) развивалась вместе с развитием науки в целом и в частности физики с ее механикой и термодинамикой. Иногда даже кажется, что изменения эти не так уж велики, и что схема остается незыблемой. Ведь основное достижение Леонардо в том, что он понял суть крыла, которую мы осознали вместе с Жуковским только на рубеже 20-го века, и заставил это крыло двигаться относительно неподвижного летательного аппарата. И появившийся таким образом несущий винт сохранился неизменным до сего времени. Хотя происходили и принципиальные расширения схемы. Законы механики, открытые Ньютоном, позволили Ломоносову предложить схему соосного несущего винта и, таким образом, уравновесить реактивный момент в схеме Леонардо. Соосная схема определенно появилась не как результат желания увеличить подъемную силу ЛА, а в основном из соображений уравновешивания крутящего момента. Ведь соосность принесла с собой необходимость разносить винты по вертикали, чтобы не было схлестывания лопастей винтов, вращающихся в противоположные стороны. Позднее, когда уже начал складываться облик ЛА в целом, появилась схема уравновешивания хвостовым винтом, более очевидная, чем соосная, и занявшая подобающее ей место в создании ЛА.

В настоящее время обе эти схемы уравновешивания существуют параллельно без определенных симпатий друг другу, являясь своего рода «наростом» на предложении Леонардо. Это резкое сравнение мы можем использовать, понимая, что та и другая отбирают около 15% мощности, которой располагает ЛА, и, более того, они только мешают в горизонтальном полете.

Появление трудов Циолковского о реактивном движении вызвало к жизни идею о вращении несущего винта реактивными силами, создаваемыми на концах лопастей выдувом сжатого газа или реактивными двигателями различных типов. Несущий винт с таким вращением не имеет реактивного момента. Попытки реализации этой идеи пока не увенчались успехом по причине большого шума и потери мощности, еще большей, чем та, ради сохранения которой можно предложить реактивное вращение несущего винта.

Однако, для ЛА с несущими винтами, убираемыми на больших скоростях полета, к которым относится и самолет вертикального взлета и посадки с дисковым крылом, эта потеря очень мала, так как несущий винт работает ограниченное время взлета и посадки и не вызывает большого общего перерасхода топлива. Более того, если мощность для взлета и посадки, и для крейсерского полета создается двигателем, который предназначен и для крейсерского полета на больших скоростях (особенно сверхзвуковых), и, следовательно, имеет большую мощность, то она может быть достаточной и для взлета и посадки на реактивных несущих винтах.

Для вертолета, который постоянно летит на несущем винте, переход на реактивное вращение практически невозможен из-за большого расхода топлива, и это одна из «вечных» проблем вертолета. В СВВП с дисковым крылом эта проблема облегчается тем, что выдув осуществляется не из лопасти, а из крыла, что позволяет увеличить объемы выдуваемого газа (рис. 2).

Рис. 2. Схема вытекания газов из дискового крыла

Наиболее значимая «вечная» проблема – существование предельной максимальной скорости полета вертолета. И это очень небольшая скорость (250-300 км/час) на фоне современной авиации, скорость, которая не может быть преодолена вертолетным способом полета. Это связано с тем, что в горизонтальном полете скорость конца наступающей лопасти равна сумме скорости полета и окружной скорости от вращения несущего винта, и не должна превышать местной скорости звука на криволинейной поверхности профиля лопасти и появления скачков уплотнения. Окружная скорость определяет подъемную силу несущего винта и выбирается в пределах 220-240 м/сек. При скорости полета 80-90 м/сек (в районе 300 км/час) уже могут появиться местные скорости звука. Можно уменьшить скорость вращения несущего винта с увеличением скорости полета, но в определенных пределах, ведь это уменьшает подъемную силу вертолета.

В настоящее время в России предлагаются способы разгона вертолета установкой на него дополнительных двигателей с горизонтальной тягой и уменьшенной угловой скоростью несущего винта. Но это уже не вертолет, да и способ этот уже пройден западными фирмами и показана его несостоятельность [3]. Самолет вертикального взлета и посадки с дисковым крылом не имеет этой проблемы, так как после взлета и набора необходимой скорости полета лопасти убираются в диск, который и является крылом в крейсерском полете. Полет на диске уже не имеет предела скорости – этой «вечной» проблемы вертолета.

Остается проблема качества крыла малого удлинения, но это уже другая проблема, которая не так остра при сверхзвуковом обтекании диска. Диск можно сделать с острыми кромками и его профильные сечения будут чечевицеобразными или многоугольными.

Для полета на дозвуковых скоростях авторы предлагают после перехода Дисколета с полета на несущем винте к полету на диске-крыле остановить вращение диска и выдвинуть из него консоли крыла большого удлинения и высокого качества [4]. Это небольшие по площади консоли, способные нести самолет на крейсерской скорости полета, повышающие качество ЛА, а, следовательно, и его дальность полета (рис. 3).

Рис. 3. Схема дискового крыла

1 – диск-крыло; 2 – опора консоли; 3 – консоль крыла; 4 – лонжерон;

5 – фильера лопасти; 6 – лопасть; 7 – вал винта (крыла); 9 – торсион.

Не менее «вечна» проблема увеличения грузоподъемности вертолетов. Самым грузоподъемным является вертолет Ми-26, который может перевозить грузы до 25 тонн, в то же время максимальная грузоподъемность самолетов – 250 тонн. Это Ан-225 «Мрия» и это не предел для СВВП с дисковым крылом. Предел грузоподъемности одновинтового вертолета определяется многими факторами: величиной площади, ометаемой несущим винтом, скоростью вращения винта, способностью передачи мощности от нескольких двигателей на один вал через ограниченное количество зубчатых пар – но основной причиной является, так называемый, «стояночный свес» лопастей несущего винта, или прогиб конца лопасти на стоянке. Желание увеличить ометаемую площадь требует увеличения длины лопасти, которая представляет собой консольную балку и чем она длиннее, тем больше ее доля в общей массе вертолета, тем больше ее прогиб на конце, который следует учитывать при проектировании вертолета в целом.

Предлагаемый СВВП имеет лопасти, которые на стоянке и в горизонтальном полете располагаются внутри дискового крыла и выдвигаются из него только тогда, когда диск набирает необходимые обороты и выдвигающиеся из него лопасти, растянутые инерционными силами, имеют большую, так называемую, «эффективную» изгибную жесткость и, следовательно, не имеют свеса на стоянке. Лопасти Дисколета проектируются для восприятия только сил растяжения и не оценивается их стояночный свес, а напряжения изгиба при больших оборотах очень малы. У вертолета они резко растут лишь в случае падения лопасти на ограничитель, что свойственно режимам раскрутки или останова несущего винта, которых у Дисколета просто нет – лопасти в это время находятся внутри диска.

Еще одна «вечная» проблема, уже не связанная с грузоподъемностью, но связанная тоже со стояночным свесом – проблема раскрутки и останова несущего винта вертолета на стоянке перед взлетом и после приземления. Изогнутая лопасть, имеющая небольшую собственную изгибную жесткость, плохо способна сопротивляться воздействию ветра, движению корабля или движению летательного аппарата с останавливаемым в полете несущим винтом. это связано с тем, что даже достаточно жесткая на кручение лопасть может сильно менять свой угол атаки от лобового изгиба, если она имеет большой «стояночный свес», да еще и перемещается по азимуту. Таким образом, изогнутая лопасть становится легкой добычей ветра, что приводит к ее запредельному нагружению и деформированию, или разрушению ЛА в целом.

Зависимость от погодных условий делает вертолет плохо пригодным в районах с сильными ветрами, а на кораблях используются в основном вертолеты с соосными винтами, длина лопастей которых и «стояночный свес» меньше, хотя добавляется проблема разнесения несущих винтов по вертикали, дабы избежать «схлестывания» их лопастей.

Дисколет, который, как уже было сказано, не имеет стояночного свеса и не зависит от метеоусловий по этой причине, становится всепогодным и позволяет надеяться, что сверхзвуковые, всепогодные и грузоподъемные ЛА такого типа могут стать основой создания малых авианосцев, типа «Мистраль», без взлетно-посадочной полосы, позволяющих рассредоточить авианосную мощь по площади океана и сделать ее менее уязвимой. Такие СВВП ускорят и упростят переброску техники и больших беспарашютных десантов в районы бедствий, пожаров, катастроф и военных действий, упростят освоение территорий Сибири, Севера и Океании, сделают возможными перемещения пассажиров на средних линиях прямо из городской черты и даже из центра города, экономя время пассажира на перелет и разгружая движение городского транспорта.

Если же использовать для этой цели вертолет, то кроме малой скорости, грузоподъемности и метеозависимости, он еще и некомфортен для пассажиров и это еще одна «вечная» проблема вертолета – шум и вибрации в салоне. Этот шум от хлопающих лопастей, который слышен и наблюдающему полет с земли, и вибрации в кабине практически невозможно устранить, так как они заложены в схеме вертолета навсегда. Для того, чтобы вертолет не перевернулся (не сделал «бочку») в полете по причине разных скоростей обтекания лопастей, расположенных по правому и левому борту, в управление вертолета установлен «автомат перекоса» – устройство, изменяющее угол атаки лопастей и выравнивающее силы, действующие на несущий винт вертолета справа и слева. Вот эти изменения углов атаки заставляют лопасти взмахивать и мы слышим хлопки. Кроме того, эти быстро изменяющиеся силы передаются на фюзеляж в виде вибраций, равных по частоте числу оборотов вращения несущего винта.

Еще одним слабым местом одновинтового вертолета является способ его подвески на несущем винте, не позволяющий на висении и вертикальном приземлении наклонять вертикальную ось фюзеляжа. В результате в момент касания с неровной поверхностью приземления вертикально висящий на несущем винте фюзеляж резко (в зависимости от возможностей амортизационных стоек шасси) наклонит свою вертикальную ось. Этот наклон вызовет стремительное перемещение втулки несущего винта в горизонтальной плоскости. Появится равнодействующая центробежных сил лопастей, пытающаяся возвратить втулку на место. Это приведет к беспорядочному перемещению лопастей, имеющих большую энергию растягивающих сил, которые при висении уравновешены на втулке. Начнется «борьба» массовых сил лопастей и фюзеляжа через втулку, которая может закончиться разрушением вертолета – это названо «земным резонансом». Для того, чтобы прекратить этот процесс, нужно взлететь, а затем сесть на более ровное место. Хорошо, если такое место обнаружится… Дисколет имеет диск-крыло, наклон которого меняет и наклон фюзеляжа, а в плоскости тангажа в уравновешивании участвует сила горизонтальной тяги, дающая возможность посадки в сильно пересеченной местности.

И еще один тип вибраций, который невозможно устранить. Взмах лопасти вызывает перемещение ее центра тяжести ближе к оси вращения несущего винта, в результате чего угловая скорость лопасти растет («эффект балерины»). Лопасть движущаяся по противоположному борту, опускается и уводит свой центр тяжести дальше от оси вращения, что вызывает уменьшение угловой скорости. И, таким образом, лопасти, расположенные с разных бортов, создают равнодействующую силу, которая воздействует на вал винта, вызывая вибрации редуктора и, следовательно, фюзеляжа.

К сожалению эти шумы и вибрации свойственны и предлагаемому СВВП при его взлете и посадке, то есть на всех вертолетных режимах, которые хотя и кратковременны, но имеют место быть.

В следующей публикации мы рассмотрим конструкцию и работу самого самолета Павловых.