В поисках идеального «мультилёта»
Во время причастности к программе по созданию БПЛА для вооружённых сил Новороссии, я познакомился с массой людей, увлечённых небом и детально разбирающихся во всех особенностях современных летательных аппаратов.
Что и подвигло меня к написанию ещё одного текста, в котором можно было бы вернуться к давнишнему противостоянию концепций самолёта и вертолёта, которые с разной степенью успешности изобретатели и конструкторы пытались совместить весь ХХ век и начало XXI века.
Создав некий универсальный «мультилёт», который бы сочетал в себе лучшие качества самолёта и вертолёта.
«Смазанная молния», новый беспилотник НАСА, снова возвращает нас к идее «самолёта с несущим винтом».
Почему же так трудно оказалось сочетать возможности вертолёта к зависанию, полёту на низких скоростях, возможности его посадки на крохотных пятачках - и впечатляющие скорости современных турбовинтовых и турбореактивных самолётов?
Попробую рассказать об этом популярно и увлекательно, но при соблюдении инженерной и научной точности.
Для начала объяснения того, почему вертолёты и в самом деле не могут летать быстро, стоит начать рассказ с не с технических конструкций, а с объяснения того, как и почему возникает подъёмная сила.
Стандартное и привычное нам со школы объяснение звучит просто: «самолётное крыло, благодаря своей форме, создаёт разность давлений воздуха над своей верхней и нижней плоскостями в силу закона Бернулли, что и приводит к появлению подъёмной силы».
Однако, это не так. Точнее, не совсем так.
Во-первых, никакой «уникальной аэродинамической формы» в природе нет, самолётное крыло лишь позволяет хитрым конструкторам и инженерам добиваться подъёмной силы за счёт создания меньшего угла атаки набегающего потока воздуха на профиль крыла.
В силу этого принципиально не запрещёно и создание самолёта с «прямыми крыльями», которые просто надо будет выставлять на достаточно большой угол к набегающему потоку воздуха для того, чтобы они начали создавать подъёмную силу. Крыло же классической «аэродинамичекой» формы лишь позволяет добиваться существенной подъёмной силы при меньших углах атаки и, как следствие, при меньшем лобовом сопротивлении, создаваемом крыльями для движения самолёта.
Вы в детстве массу раз делали такой самолётик с плоским крылом и интуитивно знали, что запускать его надо «вперёд и вверх», тем самым и создавая тот самый необходимый для прямого крыла большой угол атаки набегающего потока воздуха:
Так летает бумажный самолётик...
...а так работает его плоское крыло на большом угле атаки.
На втором рисунке наглядно виден и второй миф, касающийся того, что за подъёмную силу самолётного крыла отвечает разница давлений.
Да, на верхней «затенённой» стороне самолётного крыла людой формы образуется, в силу уже упомянутого закона Бернулли, зона пониженного давления. Точно также, как столкновение воздуха с обращённой к нему, «атакующей» стороной крыла, создаёт зону повышенного давления.
Однако, основным результатом работы самолётного крыла является не просто увеличение скорости воздуха в верхей части набегающего потока но и общее отбрасывание всего воздушного потока вниз.
Причём этим способом создаёт подъёмную силу и классическое аэродинамическое крыло, только, как было сказано, при меньших углах атаки:
При этом, исходя из формальной логики третьего закона Ньютона и закона сохранения импульса, вы теперь можете объяснить и механику полёта самолёта: воздух, отброшенный крыльями вниз, создаёт противоположный импульс для самолёта, а сила, с которой этот воздух отбрасывается, через разницу в давлениях создаёт противоположную силу, направленную на самолёт, которую мы и называем подъёмной силой.
При этом надо понимать, что самолётное крыло в случае, если оно создаёт подъёмную силу, всегда отбрасывает вниз поток набегающего воздуха. Крыло аэродинамической формы просто, в отличии от плоского или симметричного крыла, может делать это при минимальном лобовом сопротивлении, находясь при нулевом угле атаки к набегающему потоку воздуха.
Именно так сегодня летают современные пассажирские и военные самолёты в горизонтальном полёте, когда их ось практически соосна к набегающему потоку воздуха:
Описание механики современного самолётного крыла и схематическое изображение потоков воздуха вокруг него:
а) набор высоты, горизонтальный полёт, снижение - высокая скорость, наилучшая эффективность крыльев, нулевой угол атаки;
б) взлёт - увеличенная площадь крыла, увеличенный угол атаки, низкая скорость;
в) посадка - максимальная подъёмная сила, высокое сопротивление, низкая скорость;
г) торможение на ВПП - максимальное сопротивление, уменьшеная подъёмная сила для компенсации эффекта экрана.
Из такой механики поведения современного аэродинамического крыла, кстати, возникает и практика поведения пилота в условиях перевёрнутого полёта, когда классическое самолётное аэродинамическое крыло оказывается обращено своей «затенённой» стороной к набегающему потоку. В такой ситуации лётчику приходится буквально «переворачивать» в голове управление самолётом, так как даже на нулевом угле атаки крыло начинает работать, отбрасывая воздух вверх и направляя самолёт, летящий в перевёрнутом состоянии к земле. Тут уже лётчику приходится действовать, как водителю при заносе заднеприводного автомобиля, вроде бы нелогично выворачивая руль в сторону заноса и выпрямляя автомобиль.
Летчику в перевёрнутом полёте приходится делать обратные движения ручкой управления и педалями, т. е. для увеличения угла атаки крыла приходится давать ручку от себя, а для уменьшения - брать на себя.
При этом общее условие возникновения подъёмной силы остаётся прежним - даже перевёрнутое крыло может создать подъёмную силу, достаточно лишь создать для него больший угол атаки, а не продолжать горизонтальный полёт с нулевым углом атаки, который создаёт для аэродинамического крыла лишь «антиподъёмную» силу.
Работа аэродинамического крыла:
а) в нормальном полёте
б) в перевётнутом полёте с нулевым углом атаки
и) в перевёрнутом полёте с большим углом атаки.
Разобравшись с подъёмной силой самолётного крыла и с условиями её возникновения, можно переходить к лопастям вертолётного винта.
Как вы уже, наверное поняли, подъёмная сила вертолётных винтов тоже определяется исключительно за счёт отбрасывания потока набегающего воздуха вниз, перпендикулярно скорости набегающего потока:
Как действует вертолётная лопасть.
В принципе, для вертолётной лопасти может работать, как и в случае самолётного крыла, даже плоский профиль, в чём вы, в общем-то, могли убедиться тоже в детстве, запуская маленькие вертолётики на «резиновом моторчике». Нынешнюю реинкарнацию этого древней детской игрушки сегодня можно встретить на любом курортном бульваре, теперь и в светодиодном, китайском исполнении:
Китайские вертолётики смотрят на аэродинамический профиль, как на гавно.
Однако, понятное дело, потери на турбулентность и на лобовое сопротивление таких лопастей может позволить себе только детская игрушка, а вот для современного пассажирского, транспортного или военного вертолёта опять-таки лучше брать какой-то обтекаемый профиль, который позволит создать подъёмную силу с наименьшими затратами на лобовое сопротивление набегающему потоку воздуха.
Например, вот такие:
С такими лопастями, по сути, повторяющими профиль самолётного крыла, летает сейчас большинство современных вертолётов. Но, в отличии от самолётов, угол атаки вертолётных лопастей определяется совершенно другой автоматикой, которая должна учитывать один неприятный момент: в отличии от самолётного крыла, лопасть вертолёта испытывает весьма различные условия встречи с набегающим потоком воздуха, в силу того, что ещё и сама движется вокруг оси вращения вертолётного винта.
При этом основным эффектом, который ограничивает вертолёт в достижении скорости современного турбовинтового самолёта, является как раз этот неприятный эффект: при движении лопасти «вперёд», в направлении движения самого вертолёта, скорость лопасти и вертолёта складываются, определяя увеличение относительной скорости воздуха на лопасти и рост подъёмной силы, а при движении лопасти «назад», против движения вертолёта, их скорости вычитаются, в результате чего относительная скорость воздушного потока на лопасти уменьшается и, в принципе, может даже упасть до нуля. Именно в этой части плоскости винта происходит срыв воздушного потока, когда лопасть вертолёта буквально «проваливается вниз»:
В случае же, если скорость воздушного потока уменьшается а то и падает до нуля, или же происходит срыв воздушного потока с лопасти, то ожидаемо уменьшается и подъёмная сила этой лопасти вертолётного винта. В результате этого эффекта вертолёт на высокой скорости полёта получает нескомпенсированную силу, которая пытается его перевернуть вокруг его вертикальной оси.
При этом, в отличии от самолётного крыла, когда такое уменьшение подъёмной силы при снижении скорости (как на взлёте или при посадке) можно ещё как-то компенсировать механикой крыла - в случае вертолёта все придуманные механизмы были скорее заплаткой, нежели нормальным решением этой проблемы. Просто в силу того, что механизмы, которые бы могли изменять угол атаки лопасти в таком быстром режиме, так и не смогли придумать.
В силу этого эффекта и возникает технологический предел скорости вертолета, который определяется разницей в скорости движения наступающей и отступающей лопастей несущего винта относительно воздуха. Если угол атаки лопастей на наступающей и отступающей сторонах ротора будет оставаться неизменным, подъемная сила на наступающей стороне станет при увеличении скорости вертолёта быстро расти, а на отступающей стороне - столь же быстро падать, и, в итоге, вертолет перевернется. Автомат перекоса вертолета классической схемы устроен так, чтобы компенсировать эту разницу, циклически уменьшая угол атаки лопастей на наступающей стороне и увеличивая на отступающей. Но это одновременно значит, что винт ни при каких обстоятельствах не сможет реализовать весь потенциал подъемной силы: даже при максимальном угле атаки лопастей отступающей стороны подъемная сила наступающей стороны будет далека от максимально возможной.
Общее устройство автомата перекоса современного вертолёта.
Похожий эффект, кстати, возникает и на внешнем и внутреннем конце вертолётного винта, которые тоже, в силу вращательного движения, движутся с разными линейными скоростями относительно потока воздуха даже на одной лопасти. Однако этот эффект конструкторы вертолётов смогли частично компенсировать за счёт «закрутки» лопастей, которая опять-таки позволяет немного «поиграться» с углом атаки:
Закрутка вертолётной лопасти простого беспилотника. которая обеспечивает разные углы атаки на внешнем и внутреннем концах лопасти. Автомата перекоса тут нет. ;)
Кроме того, надо учитывать, что современный вертолёт использует свой несущий винт даже ещё более расточительно: даже создание пропульсионной (направленной на поступательное движение) силы обеспечивается тоже за счёт наклона лопастей винта за счёт автомата перекоса.
Так, например, соосная схема вертолётов серии «Ка», которая использует два винта, вращающиеся в противоположных направлениях и позволяет, в принципе, уйти от «провала» в создании подъёмной силы на отступающей стороне вертолётного винта, всё равно вынуждена использовать автомат перекоса для создания пропульсивной силы:
Соосная схема вертолётов серии «Ка» позволяет уйти от массы ограничений одновинтовой схемы - но за счёт значительного усложнения конструкции.
Как же заставить лопасти вертолёта максимально реализовывать свой потенциал в скорости - или как же заставить самолёт стартовать с земли «по-вертолётному»? И как научить пилота переключаться между вертолётным и самолётным режимами?
Об этом - в следующей части.
Что и подвигло меня к написанию ещё одного текста, в котором можно было бы вернуться к давнишнему противостоянию концепций самолёта и вертолёта, которые с разной степенью успешности изобретатели и конструкторы пытались совместить весь ХХ век и начало XXI века.
Создав некий универсальный «мультилёт», который бы сочетал в себе лучшие качества самолёта и вертолёта.
«Смазанная молния», новый беспилотник НАСА, снова возвращает нас к идее «самолёта с несущим винтом».
Почему же так трудно оказалось сочетать возможности вертолёта к зависанию, полёту на низких скоростях, возможности его посадки на крохотных пятачках - и впечатляющие скорости современных турбовинтовых и турбореактивных самолётов?
Попробую рассказать об этом популярно и увлекательно, но при соблюдении инженерной и научной точности.
Для начала объяснения того, почему вертолёты и в самом деле не могут летать быстро, стоит начать рассказ с не с технических конструкций, а с объяснения того, как и почему возникает подъёмная сила.
Стандартное и привычное нам со школы объяснение звучит просто: «самолётное крыло, благодаря своей форме, создаёт разность давлений воздуха над своей верхней и нижней плоскостями в силу закона Бернулли, что и приводит к появлению подъёмной силы».
Однако, это не так. Точнее, не совсем так.
Во-первых, никакой «уникальной аэродинамической формы» в природе нет, самолётное крыло лишь позволяет хитрым конструкторам и инженерам добиваться подъёмной силы за счёт создания меньшего угла атаки набегающего потока воздуха на профиль крыла.
В силу этого принципиально не запрещёно и создание самолёта с «прямыми крыльями», которые просто надо будет выставлять на достаточно большой угол к набегающему потоку воздуха для того, чтобы они начали создавать подъёмную силу. Крыло же классической «аэродинамичекой» формы лишь позволяет добиваться существенной подъёмной силы при меньших углах атаки и, как следствие, при меньшем лобовом сопротивлении, создаваемом крыльями для движения самолёта.
Вы в детстве массу раз делали такой самолётик с плоским крылом и интуитивно знали, что запускать его надо «вперёд и вверх», тем самым и создавая тот самый необходимый для прямого крыла большой угол атаки набегающего потока воздуха:
Так летает бумажный самолётик...
...а так работает его плоское крыло на большом угле атаки.
На втором рисунке наглядно виден и второй миф, касающийся того, что за подъёмную силу самолётного крыла отвечает разница давлений.
Да, на верхней «затенённой» стороне самолётного крыла людой формы образуется, в силу уже упомянутого закона Бернулли, зона пониженного давления. Точно также, как столкновение воздуха с обращённой к нему, «атакующей» стороной крыла, создаёт зону повышенного давления.
Однако, основным результатом работы самолётного крыла является не просто увеличение скорости воздуха в верхей части набегающего потока но и общее отбрасывание всего воздушного потока вниз.
Причём этим способом создаёт подъёмную силу и классическое аэродинамическое крыло, только, как было сказано, при меньших углах атаки:
При этом, исходя из формальной логики третьего закона Ньютона и закона сохранения импульса, вы теперь можете объяснить и механику полёта самолёта: воздух, отброшенный крыльями вниз, создаёт противоположный импульс для самолёта, а сила, с которой этот воздух отбрасывается, через разницу в давлениях создаёт противоположную силу, направленную на самолёт, которую мы и называем подъёмной силой.
При этом надо понимать, что самолётное крыло в случае, если оно создаёт подъёмную силу, всегда отбрасывает вниз поток набегающего воздуха. Крыло аэродинамической формы просто, в отличии от плоского или симметричного крыла, может делать это при минимальном лобовом сопротивлении, находясь при нулевом угле атаки к набегающему потоку воздуха.
Именно так сегодня летают современные пассажирские и военные самолёты в горизонтальном полёте, когда их ось практически соосна к набегающему потоку воздуха:
Описание механики современного самолётного крыла и схематическое изображение потоков воздуха вокруг него:
а) набор высоты, горизонтальный полёт, снижение - высокая скорость, наилучшая эффективность крыльев, нулевой угол атаки;
б) взлёт - увеличенная площадь крыла, увеличенный угол атаки, низкая скорость;
в) посадка - максимальная подъёмная сила, высокое сопротивление, низкая скорость;
г) торможение на ВПП - максимальное сопротивление, уменьшеная подъёмная сила для компенсации эффекта экрана.
Из такой механики поведения современного аэродинамического крыла, кстати, возникает и практика поведения пилота в условиях перевёрнутого полёта, когда классическое самолётное аэродинамическое крыло оказывается обращено своей «затенённой» стороной к набегающему потоку. В такой ситуации лётчику приходится буквально «переворачивать» в голове управление самолётом, так как даже на нулевом угле атаки крыло начинает работать, отбрасывая воздух вверх и направляя самолёт, летящий в перевёрнутом состоянии к земле. Тут уже лётчику приходится действовать, как водителю при заносе заднеприводного автомобиля, вроде бы нелогично выворачивая руль в сторону заноса и выпрямляя автомобиль.
Летчику в перевёрнутом полёте приходится делать обратные движения ручкой управления и педалями, т. е. для увеличения угла атаки крыла приходится давать ручку от себя, а для уменьшения - брать на себя.
При этом общее условие возникновения подъёмной силы остаётся прежним - даже перевёрнутое крыло может создать подъёмную силу, достаточно лишь создать для него больший угол атаки, а не продолжать горизонтальный полёт с нулевым углом атаки, который создаёт для аэродинамического крыла лишь «антиподъёмную» силу.
Работа аэродинамического крыла:
а) в нормальном полёте
б) в перевётнутом полёте с нулевым углом атаки
и) в перевёрнутом полёте с большим углом атаки.
Разобравшись с подъёмной силой самолётного крыла и с условиями её возникновения, можно переходить к лопастям вертолётного винта.
Как вы уже, наверное поняли, подъёмная сила вертолётных винтов тоже определяется исключительно за счёт отбрасывания потока набегающего воздуха вниз, перпендикулярно скорости набегающего потока:
Как действует вертолётная лопасть.
В принципе, для вертолётной лопасти может работать, как и в случае самолётного крыла, даже плоский профиль, в чём вы, в общем-то, могли убедиться тоже в детстве, запуская маленькие вертолётики на «резиновом моторчике». Нынешнюю реинкарнацию этого древней детской игрушки сегодня можно встретить на любом курортном бульваре, теперь и в светодиодном, китайском исполнении:
Китайские вертолётики смотрят на аэродинамический профиль, как на гавно.
Однако, понятное дело, потери на турбулентность и на лобовое сопротивление таких лопастей может позволить себе только детская игрушка, а вот для современного пассажирского, транспортного или военного вертолёта опять-таки лучше брать какой-то обтекаемый профиль, который позволит создать подъёмную силу с наименьшими затратами на лобовое сопротивление набегающему потоку воздуха.
Например, вот такие:
С такими лопастями, по сути, повторяющими профиль самолётного крыла, летает сейчас большинство современных вертолётов. Но, в отличии от самолётов, угол атаки вертолётных лопастей определяется совершенно другой автоматикой, которая должна учитывать один неприятный момент: в отличии от самолётного крыла, лопасть вертолёта испытывает весьма различные условия встречи с набегающим потоком воздуха, в силу того, что ещё и сама движется вокруг оси вращения вертолётного винта.
При этом основным эффектом, который ограничивает вертолёт в достижении скорости современного турбовинтового самолёта, является как раз этот неприятный эффект: при движении лопасти «вперёд», в направлении движения самого вертолёта, скорость лопасти и вертолёта складываются, определяя увеличение относительной скорости воздуха на лопасти и рост подъёмной силы, а при движении лопасти «назад», против движения вертолёта, их скорости вычитаются, в результате чего относительная скорость воздушного потока на лопасти уменьшается и, в принципе, может даже упасть до нуля. Именно в этой части плоскости винта происходит срыв воздушного потока, когда лопасть вертолёта буквально «проваливается вниз»:
В случае же, если скорость воздушного потока уменьшается а то и падает до нуля, или же происходит срыв воздушного потока с лопасти, то ожидаемо уменьшается и подъёмная сила этой лопасти вертолётного винта. В результате этого эффекта вертолёт на высокой скорости полёта получает нескомпенсированную силу, которая пытается его перевернуть вокруг его вертикальной оси.
При этом, в отличии от самолётного крыла, когда такое уменьшение подъёмной силы при снижении скорости (как на взлёте или при посадке) можно ещё как-то компенсировать механикой крыла - в случае вертолёта все придуманные механизмы были скорее заплаткой, нежели нормальным решением этой проблемы. Просто в силу того, что механизмы, которые бы могли изменять угол атаки лопасти в таком быстром режиме, так и не смогли придумать.
В силу этого эффекта и возникает технологический предел скорости вертолета, который определяется разницей в скорости движения наступающей и отступающей лопастей несущего винта относительно воздуха. Если угол атаки лопастей на наступающей и отступающей сторонах ротора будет оставаться неизменным, подъемная сила на наступающей стороне станет при увеличении скорости вертолёта быстро расти, а на отступающей стороне - столь же быстро падать, и, в итоге, вертолет перевернется. Автомат перекоса вертолета классической схемы устроен так, чтобы компенсировать эту разницу, циклически уменьшая угол атаки лопастей на наступающей стороне и увеличивая на отступающей. Но это одновременно значит, что винт ни при каких обстоятельствах не сможет реализовать весь потенциал подъемной силы: даже при максимальном угле атаки лопастей отступающей стороны подъемная сила наступающей стороны будет далека от максимально возможной.
Общее устройство автомата перекоса современного вертолёта.
Похожий эффект, кстати, возникает и на внешнем и внутреннем конце вертолётного винта, которые тоже, в силу вращательного движения, движутся с разными линейными скоростями относительно потока воздуха даже на одной лопасти. Однако этот эффект конструкторы вертолётов смогли частично компенсировать за счёт «закрутки» лопастей, которая опять-таки позволяет немного «поиграться» с углом атаки:
Закрутка вертолётной лопасти простого беспилотника. которая обеспечивает разные углы атаки на внешнем и внутреннем концах лопасти. Автомата перекоса тут нет. ;)
Кроме того, надо учитывать, что современный вертолёт использует свой несущий винт даже ещё более расточительно: даже создание пропульсионной (направленной на поступательное движение) силы обеспечивается тоже за счёт наклона лопастей винта за счёт автомата перекоса.
Так, например, соосная схема вертолётов серии «Ка», которая использует два винта, вращающиеся в противоположных направлениях и позволяет, в принципе, уйти от «провала» в создании подъёмной силы на отступающей стороне вертолётного винта, всё равно вынуждена использовать автомат перекоса для создания пропульсивной силы:
Соосная схема вертолётов серии «Ка» позволяет уйти от массы ограничений одновинтовой схемы - но за счёт значительного усложнения конструкции.
Как же заставить лопасти вертолёта максимально реализовывать свой потенциал в скорости - или как же заставить самолёт стартовать с земли «по-вертолётному»? И как научить пилота переключаться между вертолётным и самолётным режимами?
Об этом - в следующей части.