Новые направления

Гай НОРРИС, Лос-Анджелес
В своих исследованиях винтокрылых летательных аппаратов NASA сконцентрировалось на технических вызовах, которые, если их преодолеть, откроют путь для бесшумной и эффективной эксплуатации региональных самолетов вертикального взлета и посадки (СВВП), имеющих габариты обычных реактивных машин, но способных выполнять рейсы между центрами городов.
Для сторонников гражданских винтокрылых летательных аппаратов, которые считают, что подлинное преимущество вертикального взлета может быть реализовано только тогда, когда начнется именно этот тип эксплуатации, подобные научные исследования являются возможностью сделать мечту последних 50 лет реальностью. В отличие от более ранних исследований определенных платформ, проводимых в основном отдельными производителями, целью NASA является разработка фундаментальных технологий, которые позволят создать серию демонстрационных моделей в 2020-е гг.
Это направление развивается благодаря результатам более ранних исследований технологий, которые нужны для создания большей части системы управления воздушным движением следующего поколения. Сьюзан Гортон, главный исследователь проекта дозвукового винтокрылого летательного аппарата в центре NASA в Лэнгли, говорит: "Дело не только в управлении воздушным движением, дело также в летательных аппаратах".
Проект винтокрылого летательного аппарата, который является частью программы NASA "Фундаментальная аэронавтика", сосредоточен на четырех специфических технических вызовах.
По словам Гортон, речь идет о летно-технических характеристиках, шуме, эффективности и выхлопных газах: "Системные исследования подтвердили, что вы можете использовать воздушное пространство более эффективно, если у вас есть СВВП на одном или на обоих концах полета на расстояние в 300–600 морских миль, что является типичной дальностью полета регионального реактивного самолета". Она отмечает, что 60–80% полетов из Чикаго попадают в эту категорию.
Результаты исследований постоянно указывали на большие конвертопланы как на наилучшее решение для таких целей, и поэтому NASA приняло концепцию, названную LCTR2 (большой гражданский конвертоплан второго поколения) в качестве воображаемой скоростной конфигурации для своих революционных технологий. Летательный аппарат сможет доставить 90 пасс. с крейсерской скоростью 300 узлов на номинальную дальность 1000 морских миль. Несущие винты большого диаметра, установленные на законцовках крыла, будут иметь концевую скорость 200 м/с в режиме висения и 120 м/с при крейсерском полете.
Гортон говорит: "Крейсерская скорость будет между 300 и 350 узлами, чтобы получить среднюю коммерческую скорость, соответствующую скорости регионального реактивного самолета. Создание СВВП обеспечит значительные преимущества системе воздушного транспорта, хотя мы не ждем, что СВВП заменит все летательные аппараты с неподвижным крылом, — он станет ценным дополнением".
Джей Драйер, директор программы "Фундаментальная аэронавтика", объясняет, что хотя конвертоплан представляется символом программы, это не единственная цель работ по дозвуковому винтокрылому летательному аппарату. По его словам, обычные конфигурации несущего винта останутся в разработке.
Определив общие ключевые характеристики, NASA приспособило проект к развитию технологий, необходимых для их достижения. Список требований включает двигательную и аэродинамическую эффективность, уменьшенный уровень шума на местности, приемлемый для пассажиров шум в кабине на уровне регионального реактивного самолета, способность найти нишу в системе воздушного движения, безопасную эксплуатацию, ударопрочность, удобство технического обслуживания и эксплуатации.
Для того чтобы справиться с этими взаимно пересекающимися задачами, проект был сгруппирован в четырех основных областях: "Интегрированная аэромеханика / двигательная установка" (IAPS); "Активно управляемый эффективный винтокрылый летательный аппарат" (ACER); "Тихая кабина"; "Винтокрылый летательный аппарат следующего поколения".
Проект IAPS призван продемонстрировать технологии, которые обеспечат создание несущих винтов с регулируемой частотой вращения, и уделяет внимание как двигателю, так и системе привода. Обычные вертолеты в целом эксплуатируются в узком диапазоне частоты вращения несущего винта. Несущий винт с регулируемой скоростью вращения, работающий в более широком диапазоне числа оборотов, обладает несколькими потенциальными преимуществами, включая высокую крейсерскую скорость, более эффективное зависание, а также сниженные уровень шума и вес. Целью IAPS является уменьшение скорости несущего винта между режимом зависания и крейсерским режимом на 50%, без потери общей движительной эффективности.
Команда разработчиков несущего винта с регулируемой скоростью вращения, базирующаяся в основном в исследовательском центре NASA в Гленне, шт. Огайо, надеется разработать конструкцию, которая не приведет к избыточному собственному весу. Гортон объясняет: "Есть два способа добиться этого. Один — посредством трансмиссии, другой — посредством уменьшения числа оборотов двигателя. Исследования концентрируются на передовых конструкциях компрессора и турбины высокого давления, которые помогут добиться меньшей скорости при неизменной эффективности. Существуют новые способы справиться с более высокой температурой, такие как передовые материалы и, может быть, даже впрыскивание воды".
Разработка двухскоростной трансмиссии Boeing для беспилотного вертолета A160T Hummingbird привлекла внимание NASA, даже несмотря на то что она считалась слишком тяжелой, чтобы соответствовать целям IAPS. Гортон продолжает: "Мы обратились к Boeing, с тем чтобы посмотреть, что они делают с A160T и его системой несущего винта".
Другие варианты контроля числа оборотов, включая перспективные исследования электрической двигательной установки, ведущиеся в рамках проекта Puffin, пока считаются недостаточно зрелыми для применения в крупноразмерных концептах, таких как LCTR2. Гортон отмечает: "Мы сосредоточились на том, что поможет системе воздушного транспорта, и рассматриваем более крупные летательные аппараты. Поэтому мы не рассматриваем технологию электрической двигательной установки, которая больше рассчитана на летательные аппараты для одного–четырех, а не для 90 пасс. Однако в будущем все, возможно, изменится".
Для поддержки исследований NASA вводит в строй трансмиссию с регулируемой скоростью вращения в центре Гленн. Гортон говорит: "Ее запускают для того, чтобы проверить новые идеи в области смазки, валов и сцепления". Дополнительные исследования будут посвящены передовым материалам в конструкции шестерен и различным способам обращения с шестернями с целью достижения их более длительной эксплуатации с уменьшенным весом.
Проект ACER основан на недавних исследованиях активного несущего винта. Они включают в себя индивидуальное управление лопастями, продемонстрированное в 2009 г., а также программу Smart (технология умных материалов несущего винта), совместную с Boeing, университетом Мэриленда, Массачусетским технологическим институтом и Агентством передовых исследовательских проектов DARPA. Гортон говорит: "Это были два разных способа активного управления лопастями несущего винта, и мы пытались рассмотреть преимущества и недостатки различных методов".
Разработка активного несущего винта нацелена на управление динамическим срывом потока с лопасти и уменьшение вибрации и шума, а также увеличение эффективности. NASA считает, что с помощью тщательно подобранной реакции лопасти можно увеличить скорость на 100 узлов по сравнению с уровнем, достигнутым сейчас, и сохранять на приемлемом уровне шум на местности в районе приземления летательного аппарата размера LCTR2.
Работа над индивидуальным управлением лопастями, схожая по концепции с исследованиями компании Eurocopter конца 1990-х гг. с использованием BO105, включала в себя запуск несущего винта UH-60A в Национальном полноразмерном аэродинамическом комплексе исследовательского центра NASA в Эймсе, шт. Калифорния. Индивидуальные приводы на втулке использовались для того, чтобы добавлять ё3 градуса шага лопасти до семи раз в ходе оборота. Гортон рассказывает: "Официальный отчет еще не готов, но первоначальные результаты хорошие". Они показывают уменьшение мощности на 5% плюс 8%-ное увеличение аэродинамического качества, меньшие нагрузки на втулку несущего винта и сниженный уровень шума в кабине.
Демонстрация Smart компании Boeing также была проведена в Национальном полноразмерном аэродинамическом комплексе. В ней применялись приводы на лопастях, сделанные из пьезоэлектрического материала, которые приводили в движение активные закрылки на пятилопастном бесподшипниковом несущем винте MD 900. При использовании замкнутой и незамкнутой систем управления приводы отклоняли закрылки на 3 градуса и значительно уменьшали вибрацию втулки, а снижение шума достигало 50% на некоторых частотах.
Дальнейшее развитие системы управления лопастями, сочетающее элементы индивидуального управления лопастями и Smart, оценивается в ходе программы несущего винта активного кручения в исследовательской лаборатории армии США. Гортон объясняет: "Лопасть активного кручения первого поколения испытывается в трансзвуковой аэродинамической трубе центра NASA в Лэнгли, и мы планируем испытать второе поколение в 2011 г.". У несущего винта имеются композитные приводы, интегрированные в структуру лопасти. Проект, названный Star, разрабатывается с участием правительственных агентств Франции, Германии, Южной Кореи и Японии. Первоначальный комплект лопастей уже изготавливается Немецким аэрокосмическим центром (DLR).
Что касается проекта "Тихая кабина", его цель — развитие структурных концепций и методов оценки конструкций для уменьшения внутреннего шума и снижения вибрации. По словам Драйера, проект находится на самом начальном уровне. "Задача более сложная, чем в летательных аппаратах с неподвижным крылом, из-за различных частот и веса, участвующих в попытках противодействовать шуму", — отмечает Гортон. Шум передается через стенки кабины и приходит из трансмиссии через опорную конструкцию, а также от несущего винта и самих двигателей "Вы можете уменьшить шум в вертолете, но это будет стоить большого веса", — говорит она.
Исследование включает в себя работу над материалами, которые потенциально могут передавать нагрузки и одновременно уменьшать шум. Гортон объясняет: "Это противоречивые требования, но мы ищем что-то, что будет делать и то и другое". Она добавляет, что пьезоэлектрические устройства могут быть частью решения: "Нам нужно посетить производителей оборудования, поговорить об этих процессах и о том, что будет жизнеспособно".
Между тем работа над методами конструирования сосредоточена на предсказании внутреннего шума и вибраций. В настоящее время нет способа определить уровни шума в кабине, связанные со звуками, передаваемыми системой приводов, и целью программы является создание систем, которые помогут в разработке будущих конструкций.
Проект "Винтокрылый летательный аппарат следующего поколения" нацелен на разработку технологий, которые позволят большим винтокрылым летательным аппаратам найти свою нишу в системах воздушного движения. Драйер говорит: "Эта цель немного более смутная, чем другие, но она также важна, поскольку переход на систему УВД следующего поколения (NextGen) является национальным приоритетом". Гортон отмечает, что речь идет о летно-технических характеристиках, а также о возможности круглосуточной эксплуатации, способности противостоять обледенению, ударопрочности, тихом подлете и быстром техобслуживании по состоянию.
Испытание на ударопрочность является примером того, как руководство программы надеется изменить парадигму винтокрылых летательных аппаратов. Гортон говорит, что эта задача для вертолетов более трудна, поскольку столкновение с землей включает в себя высокие вертикальные и горизонтальные компоненты.
Динамические испытания выдвижного энергопоглощающего устройства, первоначально сконструированного для космического корабля Orion, проводились в исследовательском центре в Лэнгли, шт. Виргиния, в прошлом году, с использованием планера MD 500. По словам Гортон, устройство показало себя очень хорошо, планер остался без повреждений: "Поэтому мы собираемся снова подвергнуть его испытаниям, но на этот раз без защиты, чтобы сравнить эффект от энергопоглощающего устройства с базовой конструкцией". Кевларовый ячеистый материал защитил четырех манекенов на борту от удара со скоростью 15 м/с и подтвердил концепцию использования складывающихся разрушающихся секций в качестве альтернативы внешним подушкам безопасности.
Работа над оптимизацией тихого полета также продвигается вместе с планами добавить несколько различных летательных аппаратов, включая конвертоплан V-22, в акустическую базу данных. Целью является разработка подходов для уменьшения уровня шума на местности при одновременном сохранении эксплуатационной безопасности. В 2007 г. NASA испытало вертолет Ми-8, построенный в России, на авиабазе Эглин во Флориде в рамках этой программы. Гортон говорит: "Это был самый тяжелый летательный аппарат, который мы могли получить, у него были низкие частоты". Испытания MD 902 запланированы на более поздний период текущего года.
К 2020 г. NASA надеется разработать большую демонстрационную модель двигательной системы IAPS. По словам Гортон, это будет как раз вовремя для технологии, с тем чтобы промышленность внедрила ее в 2025–2028 гг. Целью ACER является производство системы несущего винта активного кручения к 2019 г. "Потребуется пара больших испытаний и несколько лет, чтобы подтвердить расчеты. Фундаментальная физика по-прежнему от нас ускользает", — объясняет она.
График для "Тихой кабины" не так агрессивен, в основном благодаря низкой зрелости концепций. NASA рассчитывает на готовность технологии уровня четыре (подтверждение компонентов) примерно к 2016 г. Между тем номинально планируется, что некоторые элементы "Винтокрылого летательного аппарата следующего поколения" должны быть разработаны до 2020 г.