Вертолёт продольной схемы — вертолёт с двумя несущими винтами, расположенными один за другим вдоль фюзеляжа. В распространённом варианте этой схемы винты вращаются в противоположных направлениях, благодаря чему их реактивные моменты взаимно компенсируются и отдельный рулевой винт не требуется. В англоязычной литературе используется название tandem-rotor helicopter. — P. 1-3, 1-4.
Продольная схема получила распространение прежде всего на транспортных вертолётах. Разнесённые точки приложения тяги позволяют перераспределять нагрузку между винтами и обеспечивать значительный диапазон допустимых положений центра масс, что удобно при перевозке людей и грузов. Вместе с тем два несущих винта требуют согласованного управления, а их взаимное аэродинамическое влияние усложняет расчёт лётных характеристик. К известным представителям относятся Piasecki H-21, Як-24, Bristol Belvedere, Boeing Vertol CH-46 Sea Knight и Boeing CH-47 Chinook.
Устройство Расположение несущих винтов
Передний и задний несущие винты размещаются на отдельных валах. Их ометаемые площади — круги, описываемые концами лопастей, — могут частично перекрываться. Перекрытие позволяет сблизить винты, однако усиливает их взаимодействие на висении. В поступательном полёте аэродинамическое влияние одного винта на другой существует и при отсутствии перекрытия.
Задний винт часто устанавливают выше переднего: это изменяет его положение относительно воздушной струи переднего винта и позволяет уменьшить неблагоприятное взаимодействие. Высоту задней втулки выбирают с учётом аэродинамики, зазоров между элементами конструкции и массы пилона. Увеличение разности высот винтов требует более высокого пилона и удлинения вала, что увеличивает массу конструкции.
Продольная схема отличается от соосной, в которой оба винта имеют общую ось вращения, и от поперечной, в которой винты расположены по сторонам фюзеляжа. Синхроптер представляет собой другую компоновку: оси его близко расположенных винтов наклонены в разные стороны, а лопасти проходят между лопастями соседнего винта. Само по себе перекрытие ометаемых площадей у продольного вертолёта не делает его синхроптером.
Привод и компенсация реактивного момента При механическом приводе несущего винта на фюзеляж действует реактивный момент, направленный противоположно вращению винта. У продольного вертолёта с винтами противоположного вращения моменты двух несущих систем компенсируют друг друга. Оба винта создают подъёмную силу, тогда как у обычного одновинтового вертолёта часть мощности расходуется на привод рулевого винта.
Винты связывает трансмиссия, включающая редукторы и проходящие вдоль фюзеляжа валы. У вертолётов с перекрывающимися винтами такая связь поддерживает согласованное вращение и заданное взаимное положение лопастей. В частности, на CH-47 мощность обоих двигателей поступает в объединяющий редуктор, а от него передаётся к переднему и заднему винтам. Поэтому каждый двигатель связан с обоими винтами: двигатель и ближайший к нему винт не образуют независимую силовую установку.
Муфты свободного хода позволяют отключать двигатель от трансмиссии при его отказе или при переходе на авторотацию. В последнем случае винты вращаются за счёт проходящего через них воздушного потока. Наличие двух несущих винтов само по себе не означает наличия двух двигателей: например, ранние HRP и HUP имели по одному двигателю, а CH-47 — два.
Управление Управление осуществляется изменением общего и циклического шага лопастей. Общий шаг изменяет углы установки всех лопастей винта одновременно; циклический шаг изменяет угол установки каждой лопасти в зависимости от её положения при вращении и позволяет наклонять результирующую тягу. Команды от органов управления передаются к винтам через автоматы перекоса. — P. 3-2, 3-3.
Для распространённого варианта продольной схемы характерно следующее распределение управляющих воздействий:
+ Основные способы управления Движение или управляющий момент Воздействие на винты Результат Изменение суммарной тяги Согласованное увеличение или уменьшение общего шага обоих винтов Изменяется суммарная подъёмная сила; на висении это позволяет управлять набором высоты и снижением Тангаж Дифференциальное изменение общего шага: тяга одного винта увеличивается, другого уменьшается Возникает момент относительно поперечной оси. Увеличение тяги заднего винта относительно переднего опускает нос Крен Одинаково направленное поперечное циклическое управление обоими винтами Тяга обоих винтов наклоняется в одну сторону, создавая крен и боковое перемещение Рыскание Противоположно направленное поперечное циклическое управление передним и задним винтами Боковые составляющие тяги образуют пару сил, разворачивающую вертолёт относительно вертикальной оси
Продольное управление может сочетать перераспределение тяги с продольным циклическим изменением шага. На CH-47 наклон плоскостей вращения винтов дополнительно изменяется системой автоматической балансировки в зависимости от скорости полёта. Это позволяет регулировать положение фюзеляжа и нагрузки на несущую систему при сохранении управления тангажом посредством разности тяги.
Большие возможности управления не тождественны собственной устойчивости аппарата. Лётные исследования транспортного вертолёта продольной схемы, выполненные NASA с отключённой системой повышения устойчивости, выявили неустойчивость по углу атаки и скорости, а также путевую неустойчивость. Эти результаты относились к исследованной машине и её режимам полёта; они показывали необходимость учитывать работу системы стабилизации при оценке пилотажных свойств. В современных модификациях CH-47 применяется цифровая автоматическая система управления полётом.
Аэродинамика Взаимодействие винтов Два винта продольного вертолёта нельзя во всех режимах рассматривать как изолированные несущие системы. На висении при перекрытии ометаемых площадей они воздействуют на общий участок воздушного потока. В поступательном полёте задний винт взаимодействует с вихревым следом переднего, что изменяет распределение скоростей потока, нагрузки на лопасти и потребную мощность.
Экспериментальные исследования и численное моделирование показывают, что перекрытие винтов на висении увеличивает индуцированную мощность по сравнению с двумя изолированными винтами. Под индуцированной мощностью понимают часть мощности, связанную с созданием воздушного потока, обеспечивающего тягу. Величина дополнительной потребной мощности зависит от взаимного положения винтов; её нельзя характеризовать одним универсальным процентом для всех вертолётов продольной схемы.
Взаимодействие проявляется не только в энергетических потерях. Аэродинамические испытания обнаружили изменения поперечного наклона винтов, влияющие на путевую балансировку при изменении скорости. Неравномерный поток также изменяет периодические нагрузки на лопасти. Поэтому при проектировании учитывают совместно мощность, балансировку, вибрации и прочность несущей системы.
Выбор размеров и лётные ограничения Использование двух винтов позволяет получить необходимую суммарную ометаемую площадь при меньшем диаметре каждого из них. Это было одним из соображений, которыми руководствовался Фрэнк Пясецкий при разработке ранних транспортных вертолётов: размеры отдельных лопастей можно было согласовать с доступными материалами и производственными возможностями. Однако площадь перекрытия участвует в работе обоих винтов, поэтому простое сложение их характеристик без поправки на взаимное влияние даёт неточную оценку.
Отсутствие рулевого винта устраняет соответствующий расход мощности, но сохраняются потери в трансмиссии, сопротивление лопастей и фюзеляжа, а также аэродинамическая интерференция несущих винтов. Сравнение с одновинтовой схемой зависит от массы аппарата, размеров винтов и режима полёта. В приведённом в отчёте NASA расчётном примере продольный вертолёт имел небольшое преимущество на висении вне влияния земли, но в поступательном полёте со скоростью свыше 20 узлов (около 37 км/ч) требовал больше мощности, чем сравниваемая одновинтовая машина той же массы.
При неравномерной нагрузке срыв потока на лопастях одного из винтов может наступать раньше, чем на другом. Для продольной схемы это особенно существенно, поскольку управление тангажом требует запаса тяги для её перераспределения. Различие нагрузок на передний и задний винты должно учитываться и при расчёте их приводов.
Компоновочные особенности Центровка и перевозка грузов Передний и задний винты создают тягу по разные стороны от центра масс. Изменяя соотношение их тяги, можно уравновесить момент, возникающий при перемещении груза вдоль кабины. Это обеспечивает значительный диапазон продольных центровок и является одним из основных достоинств схемы для транспортного применения.
Допустимая центровка при этом остаётся ограниченной. Неравномерное распределение нагрузки может увеличить потребную мощность и приблизить более нагруженный винт к срыву потока. В расчётах учитывают положение центра масс, возможность балансировки и располагаемую тягу обоих винтов, а не только суммарную грузоподъёмность.
Отсутствие хвостового рулевого винта облегчает доступ к задней грузовой аппарели. У CH-47 она допускает погрузку крупногабаритных предметов и может оставаться открытой в полёте для перевозки длинномерного груза. Грузы перевозятся как внутри кабины, так и на внешней подвеске.
Конструктивные компромиссы Продольная схема требует двух несущих систем, разнесённых редукторов и соединяющих их валов. Геометрия фюзеляжа и пилонов должна обеспечивать размещение этих узлов, необходимые зазоры и приемлемую путевую устойчивость. Повышение заднего винта, изменение расстояния между винтами и увеличение грузовой кабины затрагивают одновременно аэродинамику и массу конструкции.
Степень перекрытия винтов и длину фюзеляжа выбирают в соответствии с назначением машины. Например, компактный палубный HUP проектировали с учётом размеров корабельных подъёмников. Перекрывающиеся трёхлопастные винты позволяли размещать его на авианосном подъёмнике без складывания лопастей; для меньших подъёмников других кораблей складывание предусматривалось.
История Ранние опыты Одним из ранних аппаратов с двумя последовательно расположенными винтами был вертолёт Поля Корню, построенный во Франции в 1907 году. Винты приводились ремённой передачей и вращались в противоположных направлениях. Корню сообщал об отрывах аппарата от земли, однако их часто встречающееся описание как полноценного управляемого полёта оспаривается. Инженерный анализ Дж. Гордона Лейшмана и Брэдли Джонсона показал серьёзные ограничения несущей системы, передачи мощности и органов управления; авторы сочли утверждение об устойчивом свободном полёте с пилотом крайне сомнительным.
В Бельгии продольную схему разрабатывал Николай Флорин. Его аппараты отличались от позднейших серийных вертолётов: оба винта вращались в одну сторону, а реактивный момент уравновешивался наклоном их осей в противоположные боковые стороны. Испытания Florine II начались в апреле 1933 года. 25 октября того же года Робер Коллен выполнил на нём полёт продолжительностью 9 минут 58 секунд. Всего до разрушения аппарата в мае 1934 года было проведено более 30 испытательных полётов.
Развитие серийных машин Практическое развитие транспортных вертолётов продольной схемы связано с работами Фрэнка Пясецкого в США. В марте 1945 года совершил первый полёт его PV-3, получивший военное обозначение XHRP-X и неофициальное название Dogship. Единственный двигатель размещался в средней части фюзеляжа и через трансмиссию приводил оба винта. На этой основе был создан HRP-1, применявшийся для транспортных и спасательных задач. Изогнутая форма фюзеляжа с приподнятой задней частью стала причиной прозвища «летающий банан», позднее закрепившегося и за другими машинами Пясецкого.