Надежда на «газонокосилку». Тихие вертолеты с серповидным лопастям несущего винта?

Статья Ганса Юстуса Мейера (Hans Justus Meier) «Hoffnung auf »Rasenmäher«» из журнала «Luftfahrt International» 12/1980 была переведена уважаемым коллегой NF и немного доработана мной. Перевод был выполнен в январе 2016 года.

Предисловие редакции: В середине 1930-х годов вертолеты еще находились в начале длинного пути к приемлемому для использования виду. Сегодня без вертолетов нельзя себе представить гражданскую и боевую авиацию.

Самым основным элементом конструкции вертолета является несущий винт. За последние два-три десятилетия несущий винт был настолько усовершенствован, что стал представлять собой тщательно отработанную конструкцию, о которой ранее нельзя было и представить. Это был успех, благодаря которому вертолеты уже не были неспособными летать парализованными птицами. Наоборот: скорость вертолетов уже далеко превысила величину в 300 км/ч, однако, к большому сожалению, вертолеты до сих пор являются очень шумными летательными аппаратами.

Несущий винт, а точнее сказать поток воздуха от лопастей воздушного винта, представляет собой источник шума. Вращающиеся лопасти несущего винта являются причиной, по которой возникают очень громкие подобные ударам хлопки, которые сегодня называют «хлопок лезвием» (blade slap) или «импульсный шум» (impulsive noise).

Эти звуки известны каждому. Тот, кто когда-либо стоял поблизости от вертолета с работающей силовой установкой, при каждом обороте несущего винта ощущал энергичные толчки воздуха. До сих пор эти энергетические удары были неизбежным сопутствующим явлением существования вертолетов. Ударный шум, сопровождающий как гражданские, так и военные вертолеты, является очень надоедливым и по своей интенсивности далеко превосходят прочие источники создаваемого вертолетом шума.

До сегодняшнего дня у данной проблемы не имелось подходящего решения. В последние годы ситуация еще более ухудшилась. У вертолета как поступательная скорость полета, так и скорость вращения на законцовках лопастей несущего винта возросли, поскольку они рассматривались в качестве ключевых факторов к снижению полетного веса летательного аппарата или к увеличению его грузоподъемности.

Единственными средствами, позволяющими снизить величину шума, являются изменение формы лопастей несущего винта и снижение его оборотов. Проводились исследования очень сильно суженных законцовок лопастей несущего винта, но из-за структурных и аэродинамических факторов эти исследования оказались не очень успешными. Снижение величины оборотов несущего винта приводило к снижению его КПД и, как следствие, снижению летных характеристик, что абсолютно неприемлемо ни для гражданских, ни для военных вертолетов.

Еще одним решением проблемы могло быть увеличение количества лопастей, но это привело бы к увеличению полетного веса и увеличению издержек по техническому обслуживанию вертолета.

Проблема шума, возникающего вследствие работы несущего винта вертолета, привлекла внимание многих ученых со всего мира. Трое из них – американцы – верят, что серповидные лопасти являются практическим средством решения упомянутых выше проблем.

Лопасти несущего винта обычно имеют форму близкую к прямоугольной. Три исследователя из NASA, как следует из описания к их патенту, предложили на линии четверти длин хорд лопастей несущего винта выполнять не как обычно – прямыми, а изогнутыми и по форме более похожими на серп. Благодаря этому решению им удалось добиться того, что отдельные элементы ударного шума не суммируются. Ударный шум от работающего несущего винта в большей степени или даже полностью можно было бы устранить, вследствие чего уровень шума был бы сильно снижен или возможно даже устранен. 

Типичная форма «акустически стреловидной» лопасти несущего винта. На диаграмме R – радиус лопасти несущего винта, r – радиус t/4-линии (Quarter Chord Line – линии 25% длин хорд)

Изобретатели указали, что изогнутые подобным образом лопасти несущего винта были бы «акустически стреловидными». По сообщениям исследователей акустическая стреловидность лопастей несущего винта должна быть приспособлена к соответствующим числам Маха. Однако данная форма лопастей не является оптимальной для всех значений числа Маха, и на практике это означает, что вертолеты, лопасти которых будут иметь серповидную форму, помимо полета с неработающей силовой установкой смогут иметь более низкий уровень шума в только одной точно определенной комбинации формы лопастей несущего винта, скорости полета и оборотов несущего винта. Все это сильно ограничивало возможности использования вертолетов с подобными лопастями.

Различные формы серповидных «аэродинамически стреловидных» лопастей несущего винта для скоростей в диапазоне чисел Маха от 0,75 до 0,95

Максимального снижения уровня звука, создаваемого лопастями несущего винта, возможно добиться, если лопасти по всей длине будут представлять собой аэродинамически стреловидный профиль. Однако достаточного снижения уровня шума можно будет достичь, если лишь внешняя треть лопастей будет серповидной формы.

Воздушные винты серповидной формы могут применяться повсюду, где требуются высокие скорости вращающихся лопастей, т.е. у воздушных винтов и лопаток турбин турбореактивных и турбовинтовых силовых установок. В последнее время в ежедневной прессе и в специальной периодической печати часто упоминаются истребители, выполненные с использованием технологии «стелс» (см. «Stealth-Fighter» из выпуска журнала «Luftfahrt international» 25/1978).

Пример использования воздушных винтов с серповидными лопастями для полетов на предельных (максимальных) скоростях

Попытки применения воздушных винтов серповидной формы при полетах на высокой скорости велись в течение многих десятилетий. Тогда хотели избежать раннего срыва воздушного потока при помощи законцовок воздушных винтов с обратной стреловидностью.

Пока остается неизвестным, удастся ли действительно использовать на вертолетах «акустически стреловидные» лопасти несущего винта. Их применимость зависит от практической возможности снижения шума несущих винтов в достаточно широком рабочем диапазоне режимов эксплуатации силовых установок. С другой стороны, возможны проблемы аэроэластичных колебаний, вызванных особой формой лопастей несущего винта, полученного без особого увеличения веса, а также необходимостью соответствовать требованиям прочности и срока эксплуатации воздушных винтов и т.д..

В этом отношении следует рассчитывать на возникновение сложностей. И таким образом, можно предположить, что нам придется еще подождать некоторое время, чтобы получить вертолет с «акустически стреловидными» лопастями несущего винта.

Снимки модели показывают, каким образом может выглядеть вертолет с «акустически стреловидными» серпообразными лопастями несущего винта (на модели серповидные лопасти и у хвостового винта)

Идеи трех исследователей из NASA были защищены американским патентным ведомством, и их работа – она уже смело может претендовать на научный статус – содержит в себе обычное в подобных случаях большое количество источников со ссылками на исследования других специалистов.

Источники:

• Frederic H. Schmitz, Donald A. Boxwell, Rande Vause (National Aeronautics and Space Administration, Washington D.C.): Acoustically Swept Rotor. US-Patent 4.168.949 (angemeldt 8.9.1977, erteilt 25.9.1979)
• Herb Fisher: I learned about flying from that. In: Flying, Vol. 43 (1948) No. 4, S. 44

Изготовление модели: Инго Гердес (Ingo Gerdes), Бремен

Фотографии: Гюнтер Куш (Günter Kusch)