Испытание несущего винта вертолета «Ансат» в аэродинамической трубе Т-101
Рис. 2. Характеристики трех поколений рулевых винтов средних транспортных вертолетов на режиме висения (М=0,65)
В 2001–2003 гг. совместными усилиями ЦАГИ и Казанского вертолетного завода были реализованы обширные программы исследований и экспериментов в различных аэродинамических трубах. Принципиально важными стали комплексные исследования натурного несущего винта вертолета «Ансат» в большой аэродинамической трубе Т-101 ЦАГИ.
Несущий винт изготовлен из полимерных композиционных материалов и имеет принципиально новую конструкцию без горизонтальных, вертикальных и осевых шарниров и демпферов колебаний лопастей. Роль этих элементов выполняют упругие торсионы и рукава втулки, также выполненные из композиционных материалов. В экспериментах использованы натурная вертолетная установка ВП-5, оснащенная автоматизированным информационно-измерительным комплексом, а также созданная в ЦАГИ новейшая видеограмметрическая система измерений параметров движения и изгибно-крутильных деформаций лопастей.
С помощью этого оборудования определен комплекс аэродинамических, аэроупругих и прочностных характеристик винта как на режимах висения, так и в горизонтальном полете. Измерены силы и моменты винта, шарнирные моменты, напряжения в конструкции, перемещения и деформации лопастей, торсионов и рукавов втулки.
Исследования позволили сделать важный вывод: конструкция несущего винта имеет достаточные запасы прочности и поэтому работоспособна. Эксперименты выявили особенности аэродинамики и аэроупругости бесшарнирного винта. Показано, в частности, что эффективность циклического управления винта «Ансата» почти в четыре раза выше, чем у аналогичного винта с шарнирным креплением лопастей к втулке. Поэтому вертолет «Ансат» вошел в категорию вертолетов высшего уровня маневренности.
В ЦАГИ исследован и натурный рулевой винт «Ансата». Для определения характеристик рулевого винта в 2003 году был введен в строй специальный стенд, созданный совместными усилиями ЦАГИ и КВЗ. Стенд оснащен электроприводом мощностью 200 кВт и системой измерений, сбора и обработки экспериментальной информации.
В 2000–2003 гг. были реализованы крупные программы экспериментальных исследований корпуса вертолета «Ансат» в аэродинамической трубе Т-105 ЦАГИ.
Эксперименты выполнены в широком диапазоне углов скольжения (-180°< в < 180°) с работающим винтом и без него, вблизи экрана и без влияния экрана.
Подробно изучено влияние несущего винта на обтекание корпуса. Исследованы вопросы интерференции частей вертолета. Выполнены измерения поля возмущенных скоростей системы «несущий винт — корпус» в области расположения рулевого винта при круговой обдувке вертолета.
Сложность этого поля иллюстрируется структурой вихревой системы несущего винта, вычисленной по нелинейной вихревой теории. Расчетные и экспериментальные исследования по вертолету «Ансат» позволили глубже понять природу возникновения режимов «вихревого кольца» рулевого винта и разработать эффективные меры по недопущению таких режимов в эксплуатации.
Установлено, что наиболее эффективным средством предотвращения таких режимов и перехода вертолета в неуправляемое левое вращение является обеспечение достаточного запаса силы тяги рулевого винта. Этот запас оценивается величиной 12–14 % от балансировочной силы тяги рулевого винта на режиме висения вертолета. Соответствующий запас мощности составляет 20–22 %. При недостаточных запасах силы тяги на левых разворотах вертолета вводятся соответствующие ограничения на углы скольжения.
Весьма ценными оказались результаты совместных исследований по существенному снижению вредного сопротивления вертолета «Ансат». Анализ аэродинамической компоновки вертолета показал, что для уменьшения области диффузорного отрыва потока на задней части корпуса необходимо в первую очередь ликвидировать подвесные топливные баки, ослабить диффузор путем удлинения кормовой части корпуса. Далее для предотвращения попадания вихрей шасси на кормовую часть фюзеляжа было принято решение утопить подфюзеляжные части рессор в фюзеляж, а стойки шасси разместить в обтекателях. Для повышения путевой устойчивости вертолета была изменена конфигурация вертикального оперения.
Вертолет «Ансат»
1 — исходный вариант; 2 — сняты подвесные топливные баки; 3 — увеличено удлинение кормовой части фюзеляжа; 4 — утоплены в фюзеляж подфюзеляжные части рессор; 5 — стойки рессор укрыты обтекателями; 6 — ограничение по редуктору двигателя на максимальном продолжительном режиме; 7 — ограничение по редуктору двигателя на взлетном режиме
Вопросы общей и местной аэродинамики вертолета «Ансат» решались на моделях в аэродинамической трубе Т-105. В летных испытаниях надежно определялась эффективность новых решений. Оба направления работ были согласованы и хорошо дополняли друг друга. Зависимости потребной мощности и километрового расхода топлива от истинной воздушной скорости полета вертолета «Ансат» даны на рис. 3 и 4.
Можно подвести итоги совместных работ ЦАГИ и КВЗ по вертолету «Ансат»:
— максимальная скорость полета возросла на 25 км/ч, достигнув передового для легких вертолетов уровня V max=280 км/ч;
— на заявленной крейсерской скорости V кр=250 км/ч потребная мощность уменьшилась на 250 л.с. (или на 20 % максимальной взлетной мощности силовой установки);
— километровый расход топлива на скорости 250 км/ч упал на 20 % и составил q кр=0,96 кг/км;
— наивыгоднейшая скорость полета (режим максимальной дальности) возросла на 30 км/ч и составила 225 км/ч. Километровый расход топлива на этой скорости упал на 16 %, достигнув минимума: q min=0,92 кг топл./км;
— обеспечен требуемый уровень характеристик устойчивости вертолета.
По летно-техническим характеристикам и топливной эффективности вертолет «Ансат» относится к наиболее совершенным в мире вертолетам подобного класса.
Макет вертолета на гоночной площадке
Рис. 4. Зависимости километрового расхода топлива от истинной воздушной скорости полета для вариантов корпуса прототипа 2 вертолета «Ансат»
Глубокий технический прорыв обеспечили скоростные аэродинамические профили серии ЦАГИ-5 с относительными толщинами с=7,9,11 %. Концевой профиль этой серии с относительной толщиной с=7 % (при С у=0) достиг максимума критического числа М кр=0,895 (при максимальной несущей способности С у=1,1) при числе М=0,4. В 2003 году разработана модификация профиля этой серии ЦАГИ-5М с относительной толщиной 9 %, обладающая высоким уровнем аэродинамического качества в рабочем диапазоне чисел M=0,65-0,8. Величину максимального качества в этом диапазоне удалось поднять на 10 единиц.
Профили серии ЦАГИ-5 и ЦАГИ-5М предназначены для несущих винтов скоростных высокоманевренных вертолетов. Полученные результаты открывают принципиальные возможности создания винтов с высоким уровнем эквивалентного аэродинамического качества при больших скоростях полета. Кроме того, профили серии ЦАГИ-5 в сочетании с профилями серии ЦАГИ-4 обеспечивают дополнительные возможности формирования оптимизированных аэродинамических компоновок винтов новых и модернизируемых вертолетов других классов и назначения.