Из указанного условия следует, что на скорости полета аппарата 400 км/ч скорость ωR концевых сечений лопастей должна быть не более 140-130 м/с, а не 220230 м/с, как это требуется для взлета, висения, посадки и полета на больших высотах и скоростях. Следовательно, двигатели и трансмиссия такого ЛА должны обеспечивать в полете изменение частоты вращения НВ в пределах от 100 до 60%.
Современные вертолетные двигатели со свободной турбиной позволяют уменьшить частоту вращения НВ только на 10-12%. Уменьшение частоты вращения НВ до 40% с использованием различного рода муфт и коробок скоростей ведет к дальнейшему увеличению веса трансмиссии и пустого аппарата по сравнению с указанными параметрами существующих винтокрылых ЛА. Установка пропеллера увеличивает как вредное сопротивление винтокрыла, так и его пустой вес по сравнению с аналогичными параметрами вертолета. Пропульсивный коэффициент полезного действия пропеллера меньше, чем его величина у НВ. Все это в совокупности потребует увеличения располагаемой мощности силовой установки, что неизбежно приведет к ухудшению топливной экономичности и дальнейшему росту себестоимости летного часа ЛА по сравнению с себестоимостью летного часа современных вертолетов мирового уровня.
Винтокрыл «Ротодайн»
В прошлом столетии неоднократно предпринимались попытки создания экспериментальных винтокрылых ЛА для реализации высоких скоростей полета. Так, например, в 1961 году на винтокрыле Ка-22 был установлен мировой рекорд скорости полета 356 км/ч, на S-69 фирмы «Сикорский» достигнута скорость 485 км/ч. Экспериментальный самолет вертикального взлета и посадки (СВВП) фиоры «Белл» XV-15 в 1977 году превысил скорость 500 км/ч.
Экспериментальный S-69 оснащался соосным НВ с жестким креплением лопастей к втулке. Подъемная сила НВ создавалась только на наступающих лопастях (схема АВС), для получения силы тяги применялись маршевые двигатели. Была продемонстрирована работоспособность этой концепции и выявлены проблемы с обеспечением прочности НВ и преодолением повышенного уровня вибраций на больших скоростях полета.
Большие надежды фирмы «Белл» и «Боинг» связывали с СВВП V-22 «Оспри» военного назначения, который более 20 лет находился в стадии доводки. У этого аппарата на концах консолей крыла расположены поворотные гондолы двигателей с жесткими винтами изменяемого шага. После перевода винтов в самолетную конфигурацию крейсерская скорость полета достигает 460 км/ч.
В связи с тем, что конфигурация СВВП несколько раз меняется в полете за счет поворота винтов, весьма актуальной остается проблема обеспечения безопасности полетов. Высокая сложность и дороговизна аппарата (41,8 млн. долларов) не оправдали данное техническое решение для создания гражданской модификации V-22.
В настоящее время проводятся широкие исследования в области создания соосного НВ по схеме АВС и его применения на скоростных винтокрылых летательных аппаратах. В США на фирме «Сикорский» утверждена программа разработки скоростных винтокрылых летательных аппаратов соосного типа, в том числе постройки летающей лаборатории X2, первый полет которой состоялся в 2008 г. В нашей стране специалистами фирмы «Камов» разработана концепция создания по схеме АВС скоростного вертолета на базе соосных НВ.
На взлете, посадке, висении и малых скоростях полета несущий винт на таких винтокрылых ЛА создает силу тяги и пропульсивную силу, подобно НВ вертолета. В поступательном движении на больших скоростях полета НВ создает только подъемную силу, уравновешивающую силу тяжести аппарата, а силу тяги вместо пропульсивной силы создает толкающий винт (пропеллер). Создателям скоростных винтокрылых ЛА предстоит преодолеть те же проблемы, с которыми встретились проектировщики S-69.
Все скоростные винтокрылые аппараты объединяет то, что они заимствуют у вертолета НВ, вертикальные взлет-посадку, висение и перемещения на малых скоростях, а вместе с ними и его ограниченные возможности и сложную, нагруженную, тяжелую, дорогостоящую трансмиссию. Вес трансмиссии и обеспечивающих ее работу систем для вращения НВ и пропеллера (пропеллеров) составит не менее 17% от веса пустого аппарата. На обеспечение функционирования трансмиссии и ее систем для вращения винтов потребуются нерациональные затраты мощности двигателей, как и на вертолете.
Известно, что эквивалентное аэродинамическое качество (К) у современных вертолетов достигает максимума 4,5 единицы на скорости около 230 км/ч, которое уменьшается до 3,5 единицы на скорости 350 км/ч. У винтокрылов Я составляет 5 единиц на скорости 250 км/ч, а на скорости 450 км/ч – 3 единицы. Для скоростного вертолета с соосным НВ (схема АВС) на крейсерской скорости 450 км/ч вряд ли удастся достигнуть Яв более 4 единиц.
В связи с этим дальность полета такого вертолета с максимальной пассажирской загрузкой будет сопоставимой с ее значением у современных нескоростных зарубежных вертолетов мирового уровня.
Комбинации «вертолетный НВ – движитель» можно отдать предпочтение только при создании скоростного боевого винтокрылого ЛА (штурмовика или истребителя). Это обусловлено тем, что экономические критерии себестоимости тонно-километра и пассажиро-километра к этому летательному аппарату не имеют никакого отношения. В связи с этим скоростной винтокрылый ЛА с вертолетным НВ, как и V-22 «Оспри», может быть заказан как в США, так и у нас в стране только военными.
Ка-22
Вертоплан – это винтокрылый ЛА с несущей аэродинамической системой, включающей в себя авторотирующий несущий винт и крыло, который способен осуществлять взлет и посадку без разбега. Он имеет аэродинамическое качество, крейсерскую скорость и дальность полета в 2-3 раза большие, чем у существующих вертолетов. У автожира с прыжковым взлетом вертоплан заимствует авторотирующий НВ, принцип его раскрутки на старте перед взлетом для приобретения необходимого запаса кинетической энергии и принцип взлета без разбега.
Система раскрутки НВ вертоплана до заданной частоты вращения на минимальном шаге перед взлетом может быть механической, как на автожире с прыжковым взлетом, или газодинамической, базирующейся на использовании сжатого воздуха турбокомпрессоров двигателей. Весовые затраты на создание системы раскрутки НВ вертоплана перед взлетом не превышают 3% от веса пустого аппарата, как и на автожире с прыжковым взлетом. Поэтому вертоплан, как и автожир, вследствие отсутствия механической трансмиссии для вращения НВ в полете будет иметь самые высокие среди всех винтокрылых ЛА весовую отдачу и относительный вес перевозимого груза.
У вертолета вертоплан заимствует принцип увеличения тяги НВ за счет экрана площадки взлета с целью реализации наименее энергозатратного способа взлета без разбега. Способ взлета вертоплана без разбега – это вертикальный подъем над площадкой на высоту 0,2-0,3 м путем увеличения общего шага НВ. Практически одновременно пилот переводит рычаги управления двигателями во взлетное положение для создания максимума силы тяги винтов изменяемого шага (ВИШ) с целью реализации короткой взлетной дистанции и достижения заданной скорости в процессе разгона на взлете.
Суммарное увеличение подъемной силы несущей системы вертоплана в момент отрыва от площадки составляет 1520%. Тяга НВ увеличивается на 20-25% за счет экрана поверхности и уменьшается до 7-8% за счет обдувки планера потоком воздуха от НВ. Подъемная сила несущей системы увеличивается на 3-4% за счет подъемной силы крыла, обдуваемого потоком воздуха от ВИШ. Для примера, в момент начала разбега на взлете крыло самолета Ан-12 создает около 10% подъемной силы.
В отличие от вертоплана на автожире с прыжковым взлетом НВ после раскрутки переводится на общий шаг до 5-7°. За счет избыточной тяги автожир подпрыгивает вертикально вверх на несколько метров. Одновременно под действием воздушного винта (пропеллера) аппарат приобретает поступательное движение, а затем переходит на обычный для автожира набор высоты.