НОВОСТИ АВТОЖИРных СТРАНИЦ от 14 октября 2003 года

CARTERCOPTER: ПРОРЫВ ОТЛОЖЕН ДО ВЕСНЫ

Назначенный на 22 ноября 2003 года этапный полет аппарата компании CARTERCOPTER
на преодоление значения Мu=1 перенесен на весну 2004 года.

CarterCopter бороздит американское небо уже несколько лет, и с каждым годом - все увереннее.

Как мы уже сообщали ранее, весной CarterCopter был поврежден во время очередных
испытательных полетов (экипаж просто не выпустил шасси перед посадкой) и все
лето ушло на восстановление машины.

Посадка с убранным шасси 03 апреля 2003 года... ...и ее последствия

Сейчас ремонт закончен, но команда решила
с пользой использовать это время, чтобы установить более мощный 400-сильный двигатель
с турбонаддувом взамен 300-сильного. Новый двигатель предназначен для полетов
далеко за пределами Мю=1, но его установка потребовала внесения изменений в конструкции
фюзеляжа и настройке бортового компьютера, обеспечивающего регистрацию полетных
параметров по 60 каналам.

Джей Картер так характеризует текущую ситуацию: "В нашей работе мы перешли от
стадии исследования к стадии разработки. Базовая технология была проверена в
течение более, чем 100 часов испытательных полетов. Мы движемся дальше и следующим
шагом должно стать преодоление барьера Мю=1. Безусловно, это связано с определенным
и довольно большим риском, поэтому мы движемся очень осторожно и - следовательно
- медленно. Понятно, что если бы преодоление барьера Мю было легким, это давно
уже было бы сделано."

Точная дата предстоящего прорыва за барьер пока не названа.


ЧТО ТАКОЕ CARTERCOPTER...

CARTERCOPTER, вне всякого сомнения, может стать прообразом транспортного средства
будущего. В отличие от разнообразных летающих платформ, блюдец, тарелок и прочей
фантастической посуды, этот проект основан на вполне реальных и постепенно достигаемых
на практике принципах. В двух словах, CARTERCOPTER - это автожир с прыжковым
взлетом, способный в полете замедлять вращение несущего винта, передавая на больших
скоростях функции создания подъемной силы крылу. Такая схема позволяет взлетать
и садиться на любых ограниченных и неподготовленных площадках, а затем покрывать
с приличной скоростью приличные расстояния.

Проект, начатый в 1991 году Джеем Картером-младшим, много лет, казалось бы, топтался
на месте, как будто ждал своего времени - нового века. В 2000 году команда Картера
получила первые практические положительные результаты, и с этого момента ее движение
вперед только наращивает темпы.

Свой первый автожир Джей Картер, инженер по отцу и по образованию, построил в
начале 60-х. В 1967 году он построил вторую машину, которая, хоть и не летала
(в отличие от первой), но несла в себе весьма прогрессивные по тем временам решения:
композитные лопасти, фюзеляж и шасси, маршевый винт в кольце. В то время, как
дедушка Бенсен клеил деревянные роторы, Картер уже делал композитный ротор с
крученым набором.

Окончив Технологический институт в Техасе, два с половиной года Джей под руководством
Эда Ковингтона работал в проекте Bell XV-15 Tiltrotor - предшественнике программы
конвертоплана V-22 Osprey.

В начале 70-х годов отец и сын погрузились в разработку актуального тогда (с
точки зрения вредных выбросов) двигателя и получили результат - раньше, чем японцы,
Saab, General Motors и прочие. Когда в 1973-1974 нефтяное эмбарго нанесло удар
по топливной системе США, Картеры, получившие огромный опыт разработчиков, легко
переключились на другую область энергетики и занялись разработкой ветроэлектростанций.
К 1983 году они заработали на своих изобретениях более 7 миллионов долларов,
и в 1992 году Картер-младший смог спокойно удалиться от ветряных дел. Но - не
от дел изобретательских. Хотелось сказать свое слово в чем-то новом. И он вернулся
к автожирам.

"Мне нужно было что-то такое, что заставляло бы вставать в пять утра и рваться
в бой". Автожиры привлекали его еще в колледже и когда он работал у Белла. Ему
пришла в голову мысль, что , добавив к АЖ небольшие крылья можно увеличить крейсерскую
скорость. "Я сказал жене: всего пару лет и пару сотен тысяч долларов - и эта
штука полетит! Прошло гораздо больше времени, и денег потрачено намного больше,
но я уже не мог остановиться, а проект быстро вырос в нечто гораздо более серьезное,
что заставляет меня не только вставать в пять утра, но и вовсе не спать ночами,
т.к. я чувствую, что мы делаем что-то многообещающее."

Автожир может, как и вертолет, взлетать и садиться вертикально, а затем лететь
горизонтально с приличной скоростью. Но его ротор (несущий винт), в отличие от
вертолета, не связан с двигателем. У автожира и вертолета есть одна общая проблема,
ограничивающая максимальную скорость горизонтального полета. Эта проблема называется
"число Мю". Это число - отношение скорости горизонтального полета к скорости
законцовки лопасти несущего винта относительно воздуха (см. следующую статью).
На висении Мю равно нулю, но с началом поступательного движения это число увеличивается.
Когда Мю достигает единицы, набегающий воздушный поток обгоняет лопасть, идущую
назад, полностью лишая ее подъемной силы. Но еще до достижения такой скорости
элементы отступающей лопасти, более близкие к оси вращения несущего винта и,
соответственно, имеющие меньшую воздушную скорость, теряют подъемную силу, создавая
проблемы с равномерным вращением ротора. Проблему можно было бы решить увеличением
оборотов ротора, но и они имеют предел, т.к. скорость элемента лопасти не должна
превышать 0.7 скорости звука из-за резкого увеличения потерь на сопротивлении.
Максимальное значение Мю, достигнутое на сегодня вертолетом равно 0.8 (опытный
штурмовой вертолет Lockheed Cheyenne), а вообще на винтокрылой машине достигли
0.92 (опытный конвертоплан-автожир McDonnell XV-1).Из-за этого ограничения мировой
рекорд скорости вертолета так и не пересек до сих пор отметку 400 км/час. Скромный
Джей решил всего лишь преодолеть этот барьер. Сделать это он предполагает за
счет замедления ротора в полете. Если удастся снизить полетные обороты ротора
на больших скоростях, но сохранить устойчивость вращения и управляемость ротора,
тогда можно рассчитывать, что винтокрылые машины будут летать со скоростями 600
и более км/час.

"Я полагал, что если мы сделаем это - добьемся замедления ротора при сохранении
его устойчивости, это может изменить авиацию. Это слишком хорошо, чтобы быть
правдой. Я предполагал, что в моих расчетах могли быть ошибки. Это пытались делать
- безуспешно - все ведущие разработчики, т.ч. у меня был повод для сомнений.
Я показал свои расчеты Кену Вернике (Ken Wernicke, технический гуру фирмы Bell
Helicopters - М.Т.), и попросил его критически оценить их. Он сразу сказал, что задача
нерешаема. Я настаивал, и он тщательно проверил мои выкладки, где нашлись очевидные
ошибки. Мне пришлось бежать, поджав хвост, но сдаваться не входило в мои планы."

Джей Картер объединился с Полем Реддингом, владельцем механической мастерской
в Вичите, штат Техас. Вместе они построили модель будущего аппарата в 1/6 натуральной
величины. Расчеты Джея показали, что для сохранения устойчивости на малых оборотах
разгруженный ротор должен обладать достаточной жесткостью и инерцией. В этом
аппарате ротор обеспечивает подъемную силу на взлете, на малых скоростях и на
посадке. На крейсерских скоростях ротор полностью разгружен, а подъемную силу
создает небольшое жесткое крыло.

Компаньоны продували свою модель, установив
ее на 3-метровой штанге на носу джипа. Эта "сверхмалобюджетная аэродинамическая
труба" была, тем не менее снабжена множеством датчиков, данные с которых были
вполне достоверны и точны. К октябрю 1994 года на этой модели уже было достигнуто
устойчивое вращение ротора на скоростях с Мю=0.8.

"Я снова пришел к Кену с доработанными материалами. Теперь он не нашел в наших
выкладках изъянов и вскоре присоединился к нам"

Так родился CarterCopter. Четыре года ушло на тестирование компонентов на земле,
прежде чем можно было приступать к полетам. Некоторые изобретенные за это время
компоненты действительно удались. Посадочное шасси переносит удар с вертикальной
скорости 6 м/сек. Был разработан и построен маршевый винт, весивший всего 12
кг при диаметре 2.44 м. При этом он имеет прекрасные характеристики как в статике,
так и на скоростях более 640 км/час, на высотах от уровня моря до 12 км. Ротор
с урановыми грузами (30 кг каждый) в законцовках, весящий в три раза меньше вертолетного
того же диаметра, лобовое стекло большой площади, выдерживающее скоростной напор
при герметичной кабине и т.д.

22 марта 2002 года аппарат побил достижение вертолета Lockheed Cheyenne, достигнув
Мю=0.87. Не обходилось, конечно, без происшествий, о которых команда честно рассказывала
публике.

Сайт компании: www.carteraviationtechnologies.com

...И ЧТО ТАКОЕ ЧИСЛО Мю

Одна из проблем винтокрылой авиатехники - существующая в горизонтальном полете
разница между воздушными скоростями лопасти идущей вперед (наступающей) и противоположной
(отступающей).

Если вы изучали аэродинамику несущих винтов - пропустите этот раздел. Он предназначен
для тех, кто пока представляет себе несущий винт как однородный вращающийся диск
с равномерно распределенной по нему подъемной силой. Сейчас мы это заблуждение
исправим. Ну, по крайней мере, попытаемся :)

В режиме висения или вертикального (осевого) парашютирования все лопасти несущего
винта находятся в одинаковых условиях и имеют одинаковые угол атаки и относительную
скорость воздушного потока. При переходе в горизонтальный полет несущий винт
вертолета или автожира попадает в другие условия. Скорость набегающего воздушного
потока складывается со скоростью вращения лопасти, идущей вперед по ходу движения
аппарата и наоборот - относительная скорость воздушного потока на отступающей
лопасти становится меньше. Результатом является т.н. "асимметрия подъемной силы"
на двух половинах несущего винта. Если не компенсировать каким-либо образом эту
неравномерность, аппарат будет заваливаться набок. Уравновесить подъемную силу
по левому и правому борту можно, изменяя, например, угол атаки наступающей и
отступающей лопастей. В случае качельного ротора наступающая лопасть для уменьшения
подъемной силы движется вверх, уменьшая угол атаки, а отступающая лопасть одновременно
движется вниз, увеличивая угол атаки. Получается, что "умный" качельный ротор
как бы автоматически компенсирует за счет циклических маховых движений неравномерность
подъемной силы. Однако всему есть предел. Величина максимального махового движения
лопастей ограничена центробежной силой, геометрией ротора и условиями срыва потока
с лопастей.

Предположим, что ротор диаметром 8 метров вращается на оборотах 300 об/мин (5
об/сек). При этом скорость законцовки лопасти относительно воздуха на висении (у вертолета)
или осевом парашютировании (у автожира), как нетрудно посчитать, составит приблизительно125
м/сек. В горизонтальном полете со скоростью 72 км/час скорость наступающей лопасти
составит уже 125+20=145 м/сек, а отступающей 125-20=105 м/сек. Соответственно,
разница в подъемной силе равна почти 50%! Нетрудно посчитать, что при скорости
полета в два раза больше (144 км/час) скорость наступающей лопасти будет равна
165 м/сек, а отступающей уже всего 85 м/сек. Разница - в два раза. И это еще
не все. Мы рассмотрели законцовки лопастей. Середина отступающей лопасти имеет
собственную скорость в два раза меньше, т.е. ~62.5 м/сек и при скорости полета
40 м/сек подъемная сила на этом элементе лопасти намного меньше. А более близкие
к оси вращения элементы отступающей лопасти и вовсе могут иметь отрицательное
направление обтекания воздушным потоком. Попробуйте посчитать скорости потока
на разных участках лопасти для разных оборотов ротора и скоростей полета - это
полезно для понимания одного из источников проблем несущего винта!

Итак, мы пытаемся компенсировать асимметрию подъемной силы за счет махового движения
лопасти вверх-вниз. Но здесь есть дополнительные ограничения. Во-первых, конструкция
ротора и его втулки допускают маховые движения только до соприкосновения лопасти
с элементами втулки. Во-вторых, при увеличении угла атаки рано или поздно происходит
срыв потока с лопасти и подъемная сила исчезает. Поскольку это произойдет на
одной из двух лопастей ротора (мы рассматриваем здесь только двухлопастный качельный
ротор), то сохраняющаяся на наступающей лопасти подъемная сила мгновенно опрокинет
аппарат вбок. Впрочем, это произойдет не вдруг: с ухудшением условий работы
лопастей (читай - с увеличением скорости полета) разница подъемной силы наступающей
и отступающей лопастей вызывает нарастающую тряску ротора, предупреждающую пилота
о приближении критического режима.

Уменьшить асимметрию подъемной силы можно было бы, увеличив скорость вращения
ротора, но здесь стоит второй барьер. При приближении скорости относительного
воздушного потока к скорости звука, сопротивление вращению резко возрастает и
при скоростях более 0.8 скорости звука делает КПД лопасти неинтересно низким.
Оптимальными являются скорости до 0.7....0.75 скорости звука (этот показатель
со школьной скамьи известен нам как "число Маха" - М).

Скорость звука - первое граничное условие работы несущего винта. Вторым является
число Мю. Мю - это разница между скоростью горизонтального полета и линейной
скоростью законцовки лопасти. Если Мю=1, это означает, что скорость законцовки
лопасти (при отсутствии поступательного движения аппарата) равна скорости горизонтального
полета. При Мю=1 в горизонтальном полете относительная скорость воздушного потока
на законцовке наступающей лопасти удваивается, а на отступающей - становится
равной нулю. Соответственно, на отступающей лопасти при этом подъемная сила полностью
отсутствует. На самом деле она исчезает раньше, но об этом мы поговорим подробнее
уже на сайте. А пока остановимся на том, что для сохранения работоспособности
несущего винта число Мю не должно превышать (это можно показать в цифрах, но
требует построения ряда графиков и схем, т.ч. мы тоже подробно рассмотрим этот
вопрос на сайте) цифру 0.4, а реально комфортным пределом считается Мю=0.3. В
рассмотренном выше примере при оборотах 8-метрового ротора 300 об/мин (скорость
законцовки лопасти 125 м/сек) и скорости полета 72 км/час (20 м/сек) Мю=20:125=0.16.
При скорости полета 144 км/час Мю=40:125=0.32 - цифра, близкая к критической.

Выше уже были приведены достигнутые на сегодня максимальные значения Мю. Джей
Картер и его команда рассчитывают создать ротор, способный сохранять устойчивость
при Мю>1.

Пожелаем им успеха!

Удачи и вам - в воздухе и на земле!

Автожирные страницы Мистера Твистера в Интернет     e-mail