Соосная схема

Соосная схема — это компоновочная схема вертолёта, при которой два несущих винта расположены на одной геометрической оси и вращаются в противоположные стороны. Данная схема относится к классу вертолётов с двумя несущими винтами, обеспечивающими взаимную компенсацию реактивных крутящих моментов без использования рулевого винта. Основными конструктивными элементами являются два соосных вала, проходящих один внутри другого, и жёстко закреплённые на них винты.

История

Первые теоретические и экспериментальные работы по созданию вертолётов соосной схемы относятся к началу XX века. В 1907 году французские изобретатели Луи и Жак Бреге совместно с профессором Шарлем Рише построили первый в мире вертолёт «Бреге-Рише I», который имел четыре несущих винта, расположенных попарно соосно. Однако аппарат был неустойчив и не мог совершать управляемый полёт.

Значительный вклад в развитие соосной схемы внёс советский авиаконструктор Николай Ильич Камов. В 1929 году он совместно с Николаем Скржинским создал первый советский вертолёт КАСКР-1 «Красный инженер», который был выполнен по соосной схеме. Впоследствии Камов основал ОКБ-2 (ныне АО «НПП «Камов»), которое на протяжении десятилетий специализировалось исключительно на вертолётах соосной схемы.

В 1950-х — 1960-х годах в СССР были разработаны и запущены в серийное производство несколько моделей соосных вертолётов: Ка-15, Ка-18, Ка-25. В 1965 году совершил первый полёт вертолёт Ка-26, который стал одним из самых массовых в своём классе. В 1980-х годах был создан боевой вертолёт Ка-50 «Чёрная акула», а затем его двухместная модификация Ка-52 «Аллигатор».

В США соосная схема применялась в основном в экспериментальных и малоразмерных аппаратах. Наиболее известным американским соосным вертолётом является Sikorsky XH-59A (S-69), разработанный в 1970-х годах. В 1980-х годах компания Sikorsky создала демонстратор технологий Sikorsky X2, который в 2010 году установил неофициальный рекорд скорости для вертолётов — 460 км/ч.

Конструкция и принцип работы

Основные элементы

Вертолёт соосной схемы включает в себя следующие ключевые узлы:

• Два соосных вала — внутренний и внешний, передающие крутящий момент от двигателя на несущие винты.
• Верхний и нижний несущие винты — жёстко закреплены на валах и вращаются в противоположные стороны.
• Система управления — автомат перекоса и механизмы дифференциального изменения шага винтов.
• Силовая установка — один или два двигателя, размещённые, как правило, в фюзеляже.
• Фюзеляж — конструкция, несущая все агрегаты и кабину экипажа.

Принцип полёта

Подъёмная сила создаётся обоими несущими винтами. Реактивные крутящие моменты верхнего и нижнего винтов направлены в противоположные стороны и взаимно уравновешиваются, поэтому рулевой винт на хвостовой балке не требуется. Управление вертолётом осуществляется за счёт:

• Циклического шага — наклон плоскости вращения винтов для создания горизонтальной тяги (движение вперёд, назад, в стороны).
• Общего шага — одновременное изменение угла установки лопастей обоих винтов для регулировки подъёмной силы.
• Дифференциального шага — разное изменение угла установки лопастей верхнего и нижнего винтов для управления по курсу (рыскание).

Особенности кинематики

Лопасти соосных винтов движутся навстречу друг другу. В передней части диска (набегающий поток) лопасти верхнего и нижнего винтов сближаются, а в задней — расходятся. Это создаёт асимметрию обтекания, которая учитывается при проектировании профилей лопастей и выборе расстояния между винтами по высоте (обычно 0,5–0,8 радиуса винта).

Преимущества и недостатки

Преимущества

• Компактность — отсутствие хвостовой балки и рулевого винта позволяет сделать вертолёт значительно короче. Это критически важно для базирования на кораблях и в условиях ограниченного пространства.
• Высокая манёвренность — соосная схема позволяет выполнять энергичные манёвры, в том числе «воронку» и «бочку», что важно для боевых вертолётов.
• Эффективность на режиме висения — два винта создают большую подъёмную силу при той же мощности двигателя за счёт меньших индуктивных потерь.
• Отсутствие потерь мощности на рулевой винт — вся мощность двигателя идёт на создание подъёмной и поступательной тяги.
• Меньшая шумность — два винта меньшего диаметра создают шум с более высокими частотами, который быстрее затухает в атмосфере.

Недостатки

• Сложность конструкции — соосные валы, система управления и автомат перекоса требуют высокой точности изготовления и дороги в производстве.
• Опасность соударения лопастей — при резких манёврах или в условиях сильной турбулентности возможно схлёстывание лопастей верхнего и нижнего винтов. Для предотвращения этого применяются жёсткие втулки и ограничители.
• Сложность ремонта и обслуживания — доступ к соосным валам и механизмам управления затруднён.
• Повышенная вибрация — из-за аэродинамического взаимодействия винтов вибрации на соосных вертолётах выше, чем на одновинтовых.

Применение

Военная авиация

Соосная схема широко применяется в боевых вертолётах, разработанных в ОКБ Камова. Основные модели:

• Ка-27 — противолодочный вертолёт корабельного базирования, принят на вооружение в 1981 году. Серийно выпускается в нескольких модификациях: поисково-спасательный Ка-27ПС, транспортно-боевой Ка-29, радиолокационного дозора Ка-31.
• Ка-50 «Чёрная акула» — одноместный боевой вертолёт огневой поддержки, первый полёт в 1982 году. Отличается высокой манёвренностью и мощным вооружением.
• Ка-52 «Аллигатор» — двухместная модификация Ка-50, принята на вооружение в 2011 году. Оснащён современным прицельно-навигационным комплексом и может использоваться как разведчик и командирский вертолёт.
• Ка-226 — лёгкий многоцелевой вертолёт, предназначенный для патрулирования, разведки и транспортных задач.

Гражданская авиация

В гражданском секторе соосная схема представлена в основном вертолётами Ка-26 и его модификациями. Ка-26 выпускался с 1965 по 1985 год, было построено более 800 машин. Он использовался для сельскохозяйственных работ (опрыскивание полей), патрулирования линий электропередач, санитарной авиации и перевозки грузов на внешней подвеске.

Современные гражданские соосные вертолёты — Ка-226Т и Ка-62 — разрабатываются для перевозки пассажиров и VIP-персон, а также для выполнения специальных задач.

Специальные области

• Корабельное базирование — соосные вертолёты занимают меньше места на палубе и в ангаре, что позволяет размещать их на кораблях относительно небольшого водоизмещения.
• Беспилотные летательные аппараты — соосная схема применяется в некоторых типах БПЛА, например, в российском «Ка-137» и американском «AeroVironment SkyTote».
• Экспериментальные аппараты — скоростные вертолёты с толкающим винтом, такие как Sikorsky X2 и его развитие Sikorsky S-97 Raider.

Сравнение с другими схемами

Интересные факты

• Вертолёт Ка-50 «Чёрная акула» стал первым в мире серийным боевым вертолётом, оснащённым катапультным креслом для спасения пилота.
• На соосном вертолёте Ка-26 в 1969 году был установлен мировой рекорд высоты полёта для вертолётов своего класса — 6500 метров.
• В 1980-х годах на базе Ка-27 был разработан вертолёт Ка-28, который поставлялся на экспорт в Индию, Китай, Вьетнам и другие страны.
• В 2010 году экспериментальный вертолёт Sikorsky X2 с соосными винтами и толкающим винтом достиг скорости 460 км/ч, что является рекордом для вертолётов классической схемы.

Источники

• «Вертолёты. Конструкция и расчёт» — М. Л. Миль, А. В. Некрасов, 1966.
• «Вертолёты Камова» — В. Р. Михеев, 2004.
• «Вертолёты соосной схемы» — Н. И. Камов, 1957.
• «История вертолётостроения в СССР» — А. А. Бюшгенс, 1988.
• «Jane’s All the World’s Aircraft» — Jane’s Information Group, 2020.
• «Sikorsky X2 Technology Demonstrator» — Flight International, 2010.