Толкающий винт

Толкающий винт — это тип движителя, при котором силовая установка (двигатель) располагается позади воздушного или гребного винта, а сам винт «толкает» летательный аппарат или судно вперёд, работая в набегающем потоке воздуха или воды. В отличие от тянущего винта, где двигатель и винт находятся в передней части объекта, толкающая схема обеспечивает иное распределение нагрузок, аэродинамические и гидродинамические характеристики.

История развития

Ранние эксперименты

Первые попытки применения толкающего винта относятся к концу XIX века. В 1896 году немецкий инженер Отто Лилиенталь испытывал планеры с толкающим винтом, но практического применения они не получили из-за несовершенства двигателей. В 1903 году братья Райт использовали толкающий винт на своём «Флайере-1»: два деревянных винта вращались в противоположные стороны, установленные позади двигателя. Эта схема позволила добиться устойчивого полёта, хотя и с низкой эффективностью.

Эра поршневой авиации

В 1910-е — 1920-е годы толкающие винты применялись на гидросамолётах и летающих лодках, где двигатель размещался на пилоне над фюзеляжем, а винт работал позади. Пример — британский Supermarine Walrus (1933). Однако с развитием аэродинамики и появлением обтекаемых фюзеляжей тянущая схема стала доминирующей из-за меньшего лобового сопротивления и лучшего обдува крыла.

Реактивная эра и возрождение

С появлением турбовинтовых двигателей в 1950-х годах толкающие винты вернулись в виде винтовентиляторов (propfans) — гибрида винта и реактивного двигателя. Пример — экспериментальный Ан-70 (1994) с четырьмя винтовентиляторами СВ-27, работающими в толкающем режиме. В 2000-х годах концепция возродилась в лёгкой авиации (например, самолёты Cessna 208 Caravan с толкающим винтом) и беспилотных летательных аппаратах (БПЛА).

Принцип работы

Толкающий винт преобразует крутящий момент двигателя в поступательное движение. Лопасти винта, вращаясь, создают разность давлений: перед лопастью — область пониженного давления, позади — повышенного. Эта разность порождает силу, направленную вперёд (тягу). В толкающей схеме поток воздуха или воды сначала омывает корпус аппарата, а затем попадает на винт, что снижает эффективность по сравнению с тянущей схемой, где винт работает в невозмущённой среде.

Особенности аэродинамики

• Потери на обтекание: Корпус, расположенный перед винтом, создаёт турбулентность и пограничный слой, что снижает КПД винта на 5–15% по сравнению с тянущим.
• Момент реакции: Вращение винта создаёт крутящий момент, стремящийся развернуть аппарат в противоположную сторону. Для компенсации требуются рули направления или дифференциальные элероны.
• Шум: Толкающие винты часто генерируют более высокий уровень шума, так как лопасти работают в возмущённом потоке, вызывающем кавитацию (на судах) или акустические колебания (в авиации).

Классификация

По типу привода

1. Поршневой двигатель — классическая схема для лёгких самолётов и гидросамолётов. Пример: Piper PA-18 Super Cub (модификация с толкающим винтом).
2. Турбовинтовой двигатель — используется в региональных самолётах и БПЛА. Пример: ATR 72 (в варианте с толкающим винтом не выпускался, но концепция применялась в экспериментах).
3. Электрический двигатель — современные БПЛА (например, DJI Matrice 300 RTK) и лёгкие летательные аппараты.

По количеству винтов

• Одновинтовые — наиболее распространены на лёгких самолётах (Cessna 208 Caravan).
• Многовинтовые — на тяжёлых машинах (Ан-70 — 4 винта) и мультикоптерах (например, гексакоптеры с толкающими винтами для стабилизации).

По расположению

• Заднее — двигатель и винт установлены в хвостовой части фюзеляжа (самолёты схемы «утка» или «бесхвостка»).
• Пилонное — двигатель на пилоне над фюзеляжем, винт позади (гидросамолёты).
• Крыльевое — двигатели на крыльях, винты работают в толкающем режиме (экспериментальные проекты).

Применение

Авиация

• Лёгкие самолёты: Cessna 208 Caravan, Quest Kodiak — используются для грузовых перевозок, патрулирования и в сельском хозяйстве. Толкающий винт позволяет снизить риск повреждения винта при посадке на грунтовые полосы.
• Гидросамолёты: Beriev Be-103 (Россия) — двигатели установлены на крыльях, винты работают в толкающем режиме, что уменьшает забрызгивание.
• БПЛА: MQ-1 Predator (США) — толкающий винт обеспечивает низкий уровень шума и высокую экономичность. В России — БПЛА «Орлан-10» (использует тянущий винт, но толкающая схема применяется в экспериментальных моделях).
• Экспериментальные аппараты: Самолёт-амфибия «Ла-8» (Россия) — толкающий винт на пилоне.

Судостроение

На судах толкающий винт применяется реже, чем тянущий, из-за худшей маневренности. Однако он используется на:

• Буксирах — для улучшения тяговых характеристик при работе в корму.
• Водомётных катерах — винт установлен в сопле, что обеспечивает защиту от мусора.
• Подводных аппаратах — толкающие винты на торпедах и беспилотных подводных аппаратах (например, «Клавесин-1Р» — российский глубоководный аппарат).

Космическая техника

В космосе толкающие винты не применяются из-за отсутствия среды. Однако концепция используется в наземных испытательных стендах для ракетных двигателей.

Преимущества и недостатки

Преимущества

• Безопасность: Винт находится позади, что снижает риск травмирования людей на земле или повреждения о препятствия.
• Компактность: Двигатель и винт можно разместить в хвостовой части, освобождая носовую для груза или оборудования.
• Улучшенный обзор пилота: Отсутствие винта перед кабиной даёт лучший обзор вперёд (важно для сельскохозяйственной и патрульной авиации).
• Снижение лобового сопротивления: При правильной аэродинамике корпус может быть более обтекаемым.

Недостатки

• Пониженный КПД: Из-за работы в возмущённом потоке эффективность на 5–15% ниже, чем у тянущего винта.
• Проблемы с охлаждением: Двигатель, расположенный позади, хуже охлаждается набегающим потоком.
• Шум и вибрации: Выше, чем у тянущей схемы, особенно на высоких скоростях.
• Ограничения по скорости: На скоростях свыше 500–600 км/ч эффективность резко падает из-за сжимаемости воздуха.

Интересные факты

• Первый в мире самолёт с толкающим винтом — «Флайер-1» братьев Райт (1903). Винты вращались в противоположные стороны цепной передачей.
• В СССР в 1930-х годах разрабатывался истребитель И-21 с толкающим винтом, но проект закрыли из-за сложности балансировки.
• Современный российский самолёт-амфибия «Бе-200» использует тянущие винты, но его предшественник Бе-12 имел толкающие.
• В 2010-х годах компания Airbus запатентовала концепцию самолёта с толкающим винтом, работающим на водороде, для снижения выбросов.

Критика и перспективы

Толкающий винт критикуется за низкую эффективность по сравнению с тянущим, особенно в условиях высоких скоростей. Однако в нише лёгкой авиации и БПЛА он остаётся востребованным благодаря безопасности и компактности. Современные исследования направлены на снижение шума (использование саблевидных лопастей) и повышение КПД (активные системы управления потоком). В России ведутся разработки в ЦАГИ (Центральный аэрогидродинамический институт) по созданию винтов с изменяемой геометрией для толкающих схем.

Источники

1. Авиационные двигатели и винты: учебник / под ред. В. И. Глазова. — М.: Машиностроение, 1985.
2. История авиации: от братьев Райт до наших дней / Дж. Тейлор. — М.: Мир, 1991.
3. Аэродинамика воздушных винтов / Г. И. Майкапар. — М.: Наука, 1978.
4. Судовые движители: конструкция и эксплуатация / А. Н. Голубев. — СПб.: Судостроение, 2002.
5. Беспилотные летательные аппараты: теория и практика / В. В. Ефанов. — М.: МАИ, 2015.