Максимальна швидкість вертольота. Чому він літає повільно

Швидкість звичайного гелікоптера рідко перевищує 200-300 кілометрів на годину. І навіть військові вертольоти, для яких швидкість польоту може бути критично важливою, рідко розганяються вище 350 кілометрів на годину.

Здається, є якийсь ліміт, швидше якого літати не виходить. Ліміт дійсно є.

Чому так, у чому причина? Усе справа в головній відмінності вертольота від літака. У літака крило нерухоме, а у вертольота крило обертається, це і є несучий гвинт.

Якщо у літака крило рухається рівно з тією ж швидкістю, що й сам літак відносно потоку повітря, то у вертольота — одна половина гвинта швидша, а друга — повільніша.

З якою швидкістю літає гелікоптер

*Зазвичай максимальна швидкість на 5-10% вища за крейсерську.

Для гвинта вертольота є дві швидкості:

1. Кутова швидкість обертання — скільки обертів на хвилину робить гвинт
2. Лінійна швидкість відносно потоку — з якою швидкістю повітря обдуває лопать

Лопать, яка рухається в напрямку польоту, називається наступаючою (зелена стрілка), а та, яка рухається в протилежному напрямку — відступаючою (жовта стрілка).

Швидкість обдування наступальної лопаті — це сума швидкості самої лопаті й швидкості вертольота (фіолетова стрілка). А відступаючої — різниця між швидкістю вертольота і швидкістю лопаті.

Проблему для підвищення швидкості польоту створює саме наступальна лопать.

Доведеться трохи порахувати на рівні шкільної математики.

Розрахунок швидкості вертольота

З кутовою швидкістю все зрозуміло, більше “газу” — швидше обертається вал. А ось лінійна швидкість розраховується так:

V=ωR

Тобто, кутова швидкість множиться на радіус. У нашому випадку це довжина лопаті.

Якщо порахувати швидкість на кінчиках гвинта всіх чотирьох вертольотів, згадуваних вище, вийде дуже цікаво. Але для початку потрібно перевести швидкість обертання з обертів на хвилину в інший формат — радіани на секунду. І, звісно, поділити діаметр гвинта на два, адже потрібен радіус.

• Ми-8: 20,11 рад/с
• Bell UH-1 Huey: 33,93 рад/с
• UH-60 Black Hawk: 27,02 рад/с
• Aérospatiale SA 330 Puma: 27,75 рад

Тепер отримуємо потрібну швидкість:

• Ми-8: $214,1\text{м/с = 770,6 км/год}$
• UH-1 Huey: $\text{= 893,4 км/год}$
• UH-60: $\text{= 795,7 км/год}$
• Puma: $\text{= 749,2 км/год}$

Ми отримали швидкість на кінчиках лопатей, якщо вертоліт зависає і не рухається. А от якщо додати максимальну швидкість для наступальної лопаті:

• Ми-8: $\text{770,6 + 250 = 1020,6 км/год}$
• UH-1 Huey: $\text{893,4 + 217 = 1110,4 км/год}$
• UH-60: $\text{795,7 + 296 = 1091,7 км/год}$
• Puma: $\text{749,2 +280 = 1029,2 км/год}$

Швидкість звуку на висоті 3 кілометри, де найчастіше літають вертольоти, становить 1 183 кілометри на годину або 328,6 метра на секунду.

Неприємні явища, пов’язані з надзвуковим обтіканням, починаються вже при швидкості 0,8 М, тобто 80-85% від швидкості звуку. А це приблизно 1000 кілометрів на годину.

Ось він, ліміт швидкості, який ми шукали, як і для літака — це швидкість звуку.

Обмеження швидкості вертольота

Гвинт вертольота не повинен обертатися швидше 80% від швидкості звуку на певній висоті, інакше почнеться утворення ударних хвиль, різке зростання хвилевого опору, вібрація…

У підсумку лопать може просто відірвати, вертоліт може втратити керування. Дуже небезпечна ситуація.

Максимальна швидкість вертольота обмежена його конструкцією та фізикою. Неможливо допускати, щоб швидкість гвинта відносно повітря навіть наближалася до швидкості звуку.

Максимальна швидкість вертольота не може бути вищою за різницю між швидкістю на кінчиках лопатей і критичною швидкістю звуку. Простіше кажучи — вертоліт не може літати швидко саме тому, що його гвинт також обертається швидко.

Звісно, існують хитрощі, які допомагають відтягнути настання “хвилевого кризи” і літати трохи швидше:

1. Спеціальні закінцівки, які змінюють обтікання лопаті повітрям. Точно як для літака, підвищують стрілоподібність крила, так само й для лопаті вертольота намагаються зробити “стрілоподібні” лопаті.
2. Використання надкритичних (дуже тонких) профілів для лопаті.
3. Надгладкі композитні матеріали також трохи змінюють характер обтікання лопаті повітрям.
4. Зменшення швидкості обертання гвинта або зниження швидкості польоту вертольота — найефективніший із способів.

Виходить, що для будь-якого вертольота максимальна швидкість не може перевищувати певного значення. А надзвуковий вертоліт у принципі не може існувати.

Westland Lynx — найшвидший класичний вертоліт. Встановлені спеціальні закінцівки BERP

Сильно знизити швидкість обертання гвинта не можна, інакше вертоліт просто опуститься на землю, а ігри з аеродинамікою можуть забезпечити нормальний політ при числі Маха, трохи вищому за критичне. Але за значення 0,95 для лопаті гвинта ще нікому не вдалося вийти.

Бо коли наступальна лопать переходить у транзвуковий режим, у відступаючої він досі дозвуковий, а значить опір і підйомна сила зліва і справа будуть дуже різними.

Так інженери намагаються зменшити вплив надзвукового обтікання. Як і для крила літака, збільшують стрілоподібність гвинта

Для спеціально підготовлених вертольотів, на яких встановлювалися рекорди швидкості, вона не перевищувала 400 км/год. Швидкість цивільного вертольота — це чесні 250 кілометрів на годину. Навіть для військових літати швидше 300 кілометрів на годину не представляється можливим.

Чи може вертоліт літати швидше

Є лише один спосіб, який дозволить вертольоту літати швидше за свій ліміт. Потрібно перестати бути вертольотом.

І такі експериментальні не-вертольоти вже існують. Це конвертоплани та гібридні вертольоти.

V-280 Valor

Конвертоплани, звісно ж, швидші за вертольоти, адже літають вони як літаки, використовуючи крило для створення підйомної сили.

Просто для зльоту й посадки гвинти конвертоплана повертаються вгору. Для конвертоплана крейсерська швидкість 520 кілометрів на годину — звичайне явище, а для вертольота така швидкість — фантастика.

Експериментальні вертольоти

У далекому 1967 році перший політ здійснив вертоліт AH-65 Cheyenne (“Шайєн”). Його швидкість у горизонтальному польоті становила 407 кілометрів на годину завдяки двом хвостовим гвинтам. Один звичайний, розташований збоку від хвостової балки, а другий — тяговий, який і дозволяв вертольоту додати +100 кілометрів на годину до максимальної швидкості.

У Шайєна, як і в його конкурента в конкурсі S-67 Blackhawk, були крила, які мали створювати підйомну силу при великій швидкості, подібно до літака.

У той час така концепція здавалася дуже перспективною.

AH-65 Cheyenne — експериментальний вертоліт Lockheed

Але інженерам так і не вдалося подолати погану керованість і вібрації, які виникали через використання жорсткого ротора.

Зазвичай у вертольота лопаті з’єднані з валом через шарнір, що дозволяє їм стабілізуватися в польоті. Але зі зростанням швидкості доводиться відмовлятися від шарнірного з’єднання, інакше лопаті просто відірве.

У проєкті “Шайєн” зробити жорсткий ротор, на якому б не виникали небезпечні вібрації, не вдалося.

Piasecki X-49 SpeedHawk — гібрид літака і вертольота, крім тягового гвинта у нього є ще й крило, яке забезпечує підйомну силу при підвищенні швидкості, а значить швидкість обертання гвинта можна знижувати і не падати. Перший політ здійснив у 2007 році. Але заявленої швидкості в 400 кілометрів на годину так і не досяг.

Piasecki X49 SpeedHawk — ще один експеримент

Eurocopter X3 у 2013 році зміг розігнатися до небачених раніше 472 км/год. При цьому закінцівки несучого гвинта досягали швидкості 0,91 Маха, тобто 91% від швидкості звуку.

Eurocopter X3

Експериментальний вертоліт Сікорського X2 показав швидкість у 474 кілометри на годину, його наступник S-97 був уже не таким швидким, крейсерська швидкість становила 410 кілометрів на годину. Передсерійний вертоліт SB-1 Defiant розганявся до 437 км/год. Але конкурс, у якому SB-1 брав участь як перспективний високошвидкісний літальний апарат, просто скасували.

Sikorsky X2

У машин Сікорського також використовується жорсткий ротор і тяговий пропелер, але крила для створення підйомної сили вже немає.

При підвищенні швидкості гвинти просто починають обертатися повільніше, продовжуючи виконувати функцію крила.

Використовується співвісна схема ротора — це два гвинти, які обертаються в протилежних напрямках.

Інженерам вдалося досягти великої жорсткості конструкції, лопаті не перехрещуються, а значить висоту ротора можна зменшити, що зменшує лобовий опір і позитивно впливає знову ж на жорсткість.

Автомат перекосу взагалі відсутній, від вертольота залишився лише принцип обертального гвинта. Це абсолютно новий клас літальних апаратів.

Щоб літати швидше, вертольоти повинні принципово змінитися. І конструктори до цього вже готові. Не готові поки що лише замовники, як військові, так і цивільні. Технологія давно є, але немає замовника, готового ризикнути заради швидкості.