Соосные несущие винты

Соосные несущие винты — это схема расположения двух несущих винтов вертолёта на одной геометрической оси, при которой винты вращаются в противоположных направлениях (один по часовой стрелке, другой против). Такая конфигурация позволяет взаимно компенсировать реактивные моменты, возникающие при вращении винтов, что исключает необходимость в рулевом винте (хвостовом винте) для управления курсом. Соосные винты являются одной из основных схем вертолётов, наряду с одновинтовой (классической) и поперечной (двухвинтовой).

История

Идея использования двух соосных винтов для компенсации крутящего момента была предложена ещё в начале развития вертолётостроения. Первые практические попытки создания летательных аппаратов с такой схемой относятся к началу XX века.

Ранние разработки

В 1907 году французские изобретатели Луи и Жак Бреге совместно с профессором Шарлем Рише построили вертолёт «Бреге-Рише I» (Gyroplane). Аппарат имел четыре несущих винта, расположенных попарно соосно, и впервые поднялся в воздух с пилотом, хотя и нестабильно. Однако практического применения эта машина не получила.

В 1930-х годах советский авиаконструктор Борис Юрьев, один из пионеров вертолётостроения, теоретически обосновал преимущества соосной схемы и разработал проект вертолёта «Омега». В 1940-х годах его ученик, конструктор Иван Братухин, создал серию экспериментальных вертолётов «Омега» (Братухин «Омега») с соосными винтами, которые использовались для испытаний и обучения.

Развитие в СССР и России

Наибольшего успеха в разработке и серийном производстве вертолётов с соосными винтами добилось ОКБ Николая Камова (ныне АО «НПП «Камов»). Первым серийным вертолётом Камова стала модель Ка-15 (1953 год), предназначенная для сельскохозяйственных работ и связи. За ней последовали Ка-18, Ка-25, Ка-26 и другие.

В 1960–1970-х годах Камов создал вертолёты для Военно-морского флота СССР — Ка-25 (противолодочный) и Ка-27 (поисково-спасательный, многоцелевой). Ка-27 и его модификации (Ка-28, Ка-29, Ка-31) стали основой палубной авиации ВМФ России и ряда стран мира. Особенностью этих машин стала возможность базирования на кораблях с ограниченной взлётно-посадочной площадкой благодаря компактности соосной схемы.

В 1990-х годах Камов разработал боевой вертолёт Ка-50 «Чёрная акула» (одноместный, с соосными винтами), а затем его двухместную модификацию Ка-52 «Аллигатор». Ка-52 поступил на вооружение ВС РФ и активно применяется в боевых действиях, в том числе в ходе специальной военной операции на Украине.

Зарубежные разработки

За пределами России соосные винты применялись реже. В США компания Sikorsky разработала экспериментальный вертолёт S-69 (1973 год) с соосными винтами и толкающим винтом, но серийно он не производился. В 2000-х годах компания Sikorsky совместно с Boeing создала перспективный вертолёт SB-1 Defiant (схема «соосные винты + толкающий винт»), который проходил испытания в рамках программы Future Vertical Lift (FVL) для армии США. Однако на 2025 год серийное производство не начато.

В Китае разработан вертолёт Z-10 (схема — классическая, с рулевым винтом), а соосная схема используется на беспилотных летательных аппаратах, например, на китайском дроне CH-4 (модификации с соосными винтами).

Конструкция и принцип работы

Соосная схема состоит из двух соосно расположенных несущих винтов, установленных на одном валу. Винты вращаются в противоположные стороны:

• Верхний винт (обычно вращается против часовой стрелки, если смотреть сверху).
• Нижний винт (вращается по часовой стрелке).

Компенсация реактивного момента

При вращении несущего винта возникает реактивный момент, стремящийся повернуть фюзеляж в противоположную сторону. В классической одновинтовой схеме этот момент компенсируется рулевым винтом на хвостовой балке. В соосной схеме моменты верхнего и нижнего винтов направлены встречно и взаимно уравновешиваются, поэтому рулевой винт не требуется.

Управление

Управление вертолётом с соосными винтами осуществляется с помощью:

• Циклического шага — изменение угла атаки лопастей каждого винта по отдельности, что позволяет наклонять вектор тяги и управлять креном и тангажом.
• Общего шага — одновременное изменение угла атаки лопастей обоих винтов, что регулирует общую подъёмную силу.
• Дифференциального шага — разница в общем шаге между верхним и нижним винтами, что создаёт разность тяги и позволяет управлять курсом (рысканием). При увеличении шага одного винта и уменьшении другого возникает момент, поворачивающий вертолёт вокруг вертикальной оси.

Преимущества соосной схемы

• Отсутствие рулевого винта — снижает потери мощности на его привод (до 5–10% от мощности двигателя), уменьшает шум и повышает безопасность (рулевой винт уязвим для повреждений).
• Компактность — вертолёт имеет меньшую длину и ширину по сравнению с одновинтовыми аналогами, что позволяет базироваться на кораблях, в ограниченных пространствах и в условиях плотной застройки.
• Высокая манёвренность — соосная схема обеспечивает лучшую управляемость на малых скоростях и при висении, так как отсутствует момент, требующий компенсации.
• Меньшая вибрация — при правильной балансировке винтов вибрации взаимно гасятся.

Недостатки соосной схемы

• Сложность конструкции — требуется точная синхронизация вращения винтов, сложная система управления дифференциальным шагом и прочная трансмиссия.
• Ограничения по высоте — из-за двух ярусов винтов вертолёт может иметь большую высоту, что затрудняет размещение в ангарах.
• Взаимодействие винтов — на больших скоростях полёта возможно столкновение лопастей верхнего и нижнего винтов при резких манёврах (так называемый «эффект соосности»), что требует ограничения углов отклонения.
• Сложность ремонта — доступ к двигателю и трансмиссии может быть затруднён из-за расположения винтов.

Применение

Соосные винты нашли широкое применение в следующих областях:

Военная авиация

• Палубные вертолёты — Ка-27, Ка-28, Ка-29, Ка-31 (ВМФ России, Индия, Китай, Вьетнам и др.).
• Боевые вертолёты — Ка-50, Ка-52 (Россия, Египет, Ирак).
• Транспортные и многоцелевые — Ка-32 (пожарный, транспортный, для МЧС).

Гражданская авиация

• Сельское хозяйство — Ка-26, Ка-226 (опрыскивание, авиахимработы).
• Пожарная охрана — Ка-32 (тушение пожаров в городе и в труднодоступных местах).
• Медицинская эвакуация — Ка-226, Ка-32 (санитарные модификации).
• Грузовые и пассажирские перевозки — Ка-32 (в труднодоступных районах, на шельфе).

Беспилотные летательные аппараты (БПЛА)

Соосная схема популярна в мультироторных дронах (квадрокоптерах, гексакоптерах), где каждый ротор компенсирует момент соседнего. Однако классические соосные винты (два винта на одной оси) применяются в некоторых тяжёлых БПЛА, например, в российском БПЛА «Орлан-10» (модификации с соосными винтами) и в китайских дронах.

Интересные факты

• Вертолёт Ка-50 «Чёрная акула» стал первым в мире серийным боевым вертолётом с катапультируемым креслом пилота. Перед катапультированием лопасти винтов отстреливались, чтобы не повредить кресло.
• Вертолёт Ка-32 способен работать в условиях высокогорья (до 4500 м) и при температурах от -50 до +50 °C, что делает его незаменимым в МЧС.
• Соосная схема позволяет вертолёту выполнять «мёртвую петлю» и другие фигуры высшего пилотажа, недоступные для классических вертолётов из-за риска столкновения лопастей с хвостовой балкой.
• В 1999 году вертолёт Ка-32 установил мировой рекорд высоты для вертолётов своего класса — 8250 м.

Источники

• Конструкция вертолётов. Учебное пособие / Под ред. Н. Н. Камова. — М.: Машиностроение, 1972.
• Авиация: Энциклопедия / Гл. ред. Г. П. Свищёв. — М.: Большая Российская энциклопедия, 1994.
• Вертолёты ОКБ Камова / А. А. Захаров, В. А. Касьянов. — М.: Воениздат, 2000.
• История вертолётостроения в России / В. Б. Шавров. — М.: Наука, 1994.
• Jane’s All the World’s Aircraft 2020–2021 / Ed. by Paul Jackson. — Jane’s Information Group, 2020.