Вертолеты: кризис технологий?

О перспективах гибридных воздушных судов.

Мировой парк вертолетов с газотурбинными двигателями составляет более 50 тыс. машин, российских из них примерно 8 тыс., что, по утверждению руководителей «Вертолетов России» (ВР), составляет почти 15% мирового парка, распределенного по всем континентам и 100 странам. Вертолеты семейства «Ми» составляют 98% от всего национального производства винтокрылых машин.

Основными вертолетами, которые будут строить в России, станут геликоптеры все той же линейки. До 2030 года должны быть произведены 120 экземпляров Ми–8МВТ–1, а Ми–8АМТ – 156 единиц. Прототип данной линейки был разработан в ОКБ имени М.Л. Миля еще в начале 1960–х годов. По утверждению аналитиков, серьезные изменения в модификациях прадедушки коснулись в основном бортового оборудования, так называемого БРЭО. Эксперты все чаще задаются вопросом: почему на конвейере нет принципиально новых отечественных разработок в данном авиасегменте?

Во главе угла экономика

На кризис в вертолетной индустрии указывают многие специалисты. Кто–то ссылается на недостаточное финансирование и недостаток квалифицированных кадров, кто–то на нехватку запчастей… Так, глава крупнейшей в России компании–оператора вертолетов «ЮТэйр» Андрей Мартиросов на выставке вертолетной индустрии HeliRussia–2023 сообщил о высоких рисках остановки трети парка в течение года из–за нехватки агрегатов и комплектующих, а также серьезных сложностей с их доставкой (в ряде случаев она занимает около 300 дней – почти год). Основная проблема, по словам руководителя, заключается в отсутствии двигателей и запчастей к ним. «Мы делаем прогноз по своему парку. Если не удастся решить основные проблемы с поставками двигателей и других комплектующих, будет остановка его трети. Я думаю, у других операторов ситуация не лучше», – пояснил руководитель и призвал избегать ошибочных конструкторских решений.

Справка «ТР»: «Дочка» группы – авиакомпания «ЮТэйр – вертолетные услуги» – крупнейший вертолетный оператор в России и один из мировых лидеров отрасли. Парк перевозчика, по данным Росавиации на начало мая, насчитывал 191 вертолет: Ми–26, Ми–8, Ка–32, AS 350, AS 355. Флот всей группы «Ютэйр» превышает 320 машин.

Что подразумевал руководитель под «ошибочными конструкторскими решениями», можно только предполагать. Не исключено, что он указывал на отсутствие на конвейере новейших инженерно–конструкторских решений, выходящих за милевские рамки.

Вероятность такого предположения обусловлена его же смелым заявлением двумя годами ранее – на пленарной сессии HeliRussia–2021: «Большая вертолетная индустрия находится в состоянии системного, большого кризиса. Сегодня ничего нового так и не создано. Можно посчитать на пальцах одной руки новые вертолеты, которые были созданы за последние 20–30 лет. Мы пользуемся наследием прошлого времени. Необходимо создание воздушных судов новой концепции – это конвертопланы. Они экологичны, наносят минимальный ущерб окружающей среде при решении транспортных задач. Способны совмещать быстроту крейсерского полета с небольшой посадочной поверхностью при взлетно–посадочных операциях, покрывать огромные расстояния, решать проблемы освоения природных кладовых арктического региона».

Два заявления сделаны в разное время и, казалось бы, на невзаимосвязанные темы. В одном случае руководитель сетует на нехватку агрегатов и комплектующих, в другом – призывает к производству конструктивно новой техники. На деле первое вытекает из второго. Именно отсутствие новой экономичной отечественной техники, как видим, ставит под угрозу работу трети вертолетного парка эксплуатанта.

Суждение практика, имеющего богатый опыт руководства крупнейшей в мире по величине вертолетного флота компанией–оператором, во многом справедливо. В основе его, надо полагать, лежит главный на сегодня фактор – экономика, которая в свою очередь требует соответствующую ее притязаниям технику.

Скрестить коня и трепетную лань

Аппараты тяжелее воздуха могут летать только благодаря затраченной энергии. Это аксиома. Левитацию в расчет не берем как антинаучный феномен. Со времен братьев Райт и Можайского изобретатели решают основные задачи – это обеспечение дальности полетов, грузоподъемности воздушного судна, снижение расхода горючего и, естественно, обеспечение безопасности. То есть речь идет об экономической составляющей применения авиатранспортных конструкций.

Наука в части аэродинамики, двигателестроения, материаловедения с тех пор шагнула далеко вперед. Ничего принципиально нового, если говорить о конструктивах, как в вертолето–, так и самолетостроении уже не предлагается. И в этом глава компании «ЮТэйр» абсолютно прав. Прогресс здесь базируется на процессе технического совершенствования и внедрения инноваций, а конкурентная борьба между производителями авиатехники идет за малые проценты экономии.

Самолеты и вертолеты в принципе не конкурентны друг другу. Геликоптеры занимают собственную устойчивую нишу. Имея ряд конструктивных особенностей, вертолеты практически незаменимы во многих областях хозяйственной деятельности. В частности, вертолет не требует для взлета и посадки полосы разгона. При этом, в целом уступая самолету в таких характеристиках, как скорость и дальность полета, вертолет превосходит его в возможностях горизонтального и вертикального маневрирования, обладает способностью зависнуть в конкретной точке пространства. Заметим, что горючего он потребляет значительно больше, что в наше время большой минус.

«Эксплуатантам требуется нечто, совмещающее в себе лучшее от самолетов и вертолетов. За ними огромное будущее. Мне кажется, это могло быть серьезной национальной авиаконструкторской идеей», – утверждает Андрей Мартиросов, имея в виду все те же конвертопланы, которые он отнес к воздушным судам новой концепции.

Свое внимание на гибридные модели воздушных судов конструкторы обратили ой как давно. Согласно патенту США за № 1775861, выданному американцу Джорджу Лебергеру (George Lehberger) 16 сентября 1930 года, его аппарат, названный весьма незамысловато – «Летающая машина» (Flying Maсhine), оснащался двумя соосными воздушными винтами разного диаметра, которые размещались над фюзеляжем в носовой части машины. Винты могли устанавливаться в вертикальной или горизонтальной плоскости, обеспечивая машине полет соответственно по–вертолетному или по–самолетному. В заявке, составленной автором изобретения, указывалось: «Данное изобретение относится к летательным аппаратам тяжелее воздуха, и в особенности к оборудованию, которое придаст таким аппаратам возможность взлетать и садиться вертикально. Широкое использование аэропланов до настоящего времени было ограничено преимущественно ввиду того что для взлета и посадки таких машин требуется достаточно большое пространство. Подходящие же для данной цели аэродромы в основном расположены на весьма значительном удалении от деловых центров крупных городов, так что время, сэкономленное за счет использования аэроплана, в конечном итоге уходит на то, чтобы добраться от аэродрома до центра деловой активности. Очевидно, что указанный недостаток может быть устранен в том случае, если данные летательные аппараты будут обеспечены возможностью совершать вертикальные взлет и посадку.

Целью данного изобретения является предложение такого расположения воздушных винтов, которое позволило бы устанавливать их под различным углом (наклоном) и обеспечивать, по желанию, аэроплану возможность вертикального взлета или полета вперед по курсу».

Практическое воплощение изобретение Джорджа Лебергера не получило. Его последователь, британский авиаконструктор Лесли Бейнс в 1938 году получил патент на разработанный им «Хелиплейн», или «Вертоплан» (Heliplane). Это был летательный аппарат самолетного типа, в концевых частях крыла которого располагались мотогондолы с двигателями, способные устанавливаться вертикально – для полета по–вертолетному, или горизонтально винтами вперед – для полета в режиме по–самолетному. Многообещающий проект также не был реализован во плоти – Бейнсу не хватило денег.

В 1936 году студент МАИ Федор Курочкин под руководством профессора Бориса Юрьева защитил дипломный проект двухвинтового истребителя «Сокол» вертикального взлета и посадки с поворотным крылом. Проект конвертоплана не был реализован, однако уже после войны, в 1946–1947 годах, инженерами ВВИА имени Н.Е. Жуковского под руководством того же Бориса Юрьева был выполнен ряд проектов одноместных истребителей КИТ–1 и КИТ–2, которые должны были совершать взлет при вертикальном положении фюзеляжа (с хвоста) и использовать воздушные винты для создания вертикальной тяги. Однако замыслы не были реализованы по причинам необычности технических решений и связанного с этим большого технического риска.

На какое–то время изобретатели оставили идею гибридности в покое. Но вот в 1951 году в США специалисты компании Transcendental Aircraft Corporation приступили к изготовлению своего первого летательного аппарата с поворотными винтами, который конструкторы компании начали разрабатывать еще в 1945 году. Воздушное судно Transcendental Model 1–G и было первым аппаратом подобной схемы, то есть первым конвертопланом массой 655 кг, который оснащался шестицилиндровым двигателем Lycoming O–290–A и развивал мощность 160 л. с. Скорость конвертоплана в разных режимах полета была различной. При самолетном режиме он мог разогнаться до 260 км/ч, а в вертолетном – только до 190 км/ч. При этом использование самолетного режима полета естественным образом увеличивало дальность полета аппарата. 6 июля 1954 года летательный аппарат выполнил свой первый свободный полет.

Были и иные конструкции. Так, в сентябре 1967 года совершил свой первый полет комбинированный вертолет–винтокрыл с крыльями малого размаха и газотурбинным двигателем Lockheed AH–56 Cheyenne, который имел крейсерскую скорость – 370 км/ч. Но для военных скорость была не так важна, как надежность, простота и дешевизна конструкции, поэтому проект был закрыт и изящный вертолет с дополнительным толкающим винтом уступил место традиционному AH–64 Apache.

В середине 1960–х годов ОКБ имени Г.М. Бериева в Таганроге работало над рядом проектов конвертопланов. Одним из наиболее интересных был конвертоплан Бе–32. Конвертоплан представлял собой машину с однокилевым оперением, схемы «высокоплан» с тандемным крылом равного размаха. На концах крыла устанавливались гондолы с винтами (приводимыми во вращение с помощью валов и редукторов располагавшимися на стыке с фюзеляжем в передней части и над фюзеляжем в хвостовой части турбовинтовыми двигателями), которые могли поворачиваться на угол до 90 градусов, обеспечивая таким образом вертикальный взлет. До практической реализации дело опять–таки не дошло.

В 1972 году за разработку отечественного конвертоплана взялось ОКБ Миля. Проект Ми–30 подразумевал воздушное судно с двумя поворотными винтами, изменяющими положение вместе с расположенными в гондолах двигателями. В рамках этого проекта проводились аналитическо–конструкторские исследования, состоявшие как из теоретических работ, так и из испытаний моделей поворотного винта на аэродинамическом стенде. По результатам этих работ в проект винтоплана были внесены изменения. Так, например, взлетная масса увеличилась с 10,6 до 30 тонн с одновременным увеличением мощности двигателей и полезной нагрузки. Постройка первых летающих образцов была запланирована на 1986–1995 годы, однако в связи с пресловутой перестройкой Ми–30 не был построен. Также существует информация о том, что были выпущены четыре образца, но во время перегонки к месту демонстрации три из них потеряли управление, попав в шторм. Неизвестно, являлось ли это происшествие ошибкой пилотов или несовершенством основной концепции, но работы по созданию конвертопланов были прекращены.

Первым серийным конвертопланом называют V22 Osprey. На его разработку потрачены 25 лет и, по оценкам, не менее 50 млрд долл. Стоимость одного серийного конвертоплана оценивается в 110–120 млн долларов. Программа создания Osprey несколько раз находилась под угрозой закрытия. Противился ей министр обороны США, который неоднократно распоряжался прекратить ее финансирование, однако каждый раз решения министра пересматривали. Во всех случаях решение главы Минобороны опротестовывал конгресс. Постройку первого опытного самолета с вертикальным взлетом/посадкой V–22 Osprey завершили в конце мая 1988 года, а 19 марта 1989 года состоялся его первый полет. Конвертоплан потерпел более 10 катастроф и еще больше инцидентов со множеством жертв.

Исследовательский потенциал Запада

Как видим, идея аппарата, совмещающего вертикальные взлет и посадку по вертолетному принципу с горизонтальным полетом на высоких, самолетных скоростях, родилась далеко не сегодня и к «воздушному судну новой концепции» его никак не отнести. К тому же создать его оказалось чрезвычайно сложно. Гибридность классического конвертоплана достигается при помощи изменения в полете положения гондол с турбовинтовыми двигателями либо самих крыльев – из вертикального в горизонтальное и обратно. Это самый сложный момент полета конвертоплана. Именно на этом отрезке полета гибриды терпят катастрофы. К тому же поворотные агрегаты винтов воздушного судна значительно утяжеляют вес воздушного судна. Эти проблемы по–прежнему остаются не до конца решенными в многочисленных конструкторских исследованиях.

Именно на технических вызовах сконцентрировали внимание специалисты NASA. В отличие от более ранних исследований, проводимых в основном отдельными производителями, целью NASA является разработка фундаментальных технологий, которые позволят создать серию демонстрационных моделей в 2020–е годы.

Результаты исследований 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 пассажиров 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.

Со слов Сьюзан Гортон, главного исследователя проекта дозвукового винтокрылого летательного аппарата в центре NASA в Лэнгли, 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 (самолет вертикального взлета и посадки) на одном или на обоих концах полета на расстояние в 300–600 морских миль, что является типичной дальностью полета регионального реактивного самолета».

Гортон утверждает следующее: «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».

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 на 50% без потери общей движительной эффективности.

Команда разработчиков несущего винта с регулируемой скоростью вращения, базирующаяся в основном в исследовательском центре NASA в Гленне, штат Огайо, надеется разработать конструкцию, которая не приведет к избыточному собственному весу.

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.

Не остается в стороне и Европа. Так, европейский консорциум T–Wing довел до летных испытаний демонстратор пассажирского конвертоплана NGCTR–TD, разработка которого ведется для перевозок между городами. Конвертоплан NGCTR–TD будет создан по самолетной схеме высокоплана с поворотными воздушными винтами на законцовках крыла. Аппарат получит V–образное хвостовое оперение. Согласно проекту конвертоплан сможет выполнять полеты в самолетном режиме на скорости до 280 узлов (518 км/ч), а дальность его полета составит 1850 км.

А что в России?

Авиаконструкторская мысль в современной России выглядит скромнее. В основном она угадывается в неких проектах, заявлениях и презентациях. В 2020 году в холдинге «Вертолеты России» заявили, что разрабатывают принципиально новую линейку винтокрылых летательных аппаратов для нужд военной и гражданской авиации. Предполагалось, что это будут скоростные летательные аппараты, выполненные по схеме «конвертоплан» и способные летать на скоростях в 500 км/ч. Разработка новых летательных аппаратов пройдет в три этапа. На первом – будет создан беспилотник массой до 300 кг для демонстрации возможностей новой технологии. Следующий шаг – создание конвертоплана массой до 2 тонн. Такая машина будет управляться дистанционно и станет промежуточным звеном для создания полноценного судна. На третьем этапе разработчики планируют построить пилотируемый аппарат, способный нести на борту вооружение и пассажиров.

Свою модель конвертоплана вертикального взлета и посадки испытали в ЦАГИ. Летательный аппарат предназначен для полета в условиях плотной городской застройки. Заказчик работ – компания ООО «Бартини Дизайн», – сообщили разработчики. Конвертоплан выполнен в виде несущего обтекаемого тела, впереди и сзади которого на пилонах размещены четыре поворотных 10–лопастных винта. Планируется, что аппарат будет перевозить до четырех человек, сможет набирать высоту до 3 км, разгоняться до 300 км/ч с предельной дальностью в 150 км.

«В результате исследований специалисты института определили аэродинамические характеристики модели на взлетно–посадочных, крейсерских и переходных режимах полета, а также выполнили визуализацию течения на поверхности модели методом шелковинок», – пояснили в ЦАГИ.

Интересна концепция конвертоплана WASP500 компании WASP Aircraft – участника Московского инновационного кластера. Это летательный аппарат с поворотным комплексным движителем на основе реактивной тяги, конструкция которого позволяет взлетать и приземляться, как вертолет, а летать – как самолет. Конвертоплан WASP500 разрабатывается в пилотируемом и беспилотном вариантах и может конкурировать на вертолетных и самолетных рынках, расширяя их за счет своих уникальных возможностей. Взлетный вес – 500 кг, полезная нагрузка – 300 кг при дальности полета 3000 км и стоимости летного часа 5000 руб. По утверждению разработчика, пока изготовлен и испытан экспериментальный образец в реальном масштабе по полупромышленной технологии.

Как видим, у нас пока одни модельные проекты. Проектантов понять можно – на разработку требуются немалые деньги. Серьезные проблемы, в том числе финансовые, могут возникнуть в процессе сертификации воздушного судна. Например, управление гражданской авиации США считает, что конвертопланы нужно сертифицировать одновременно по требованиям к самолетам и вертолетам и еще отдельно разработать требования и нормативы для перехода из вертолетного в самолетный режим и обратно. А инвесторы нынче очень осторожны.

Вот бы инициатива исходила от заказчика! Все та же компания «ЮТэйр» могла бы указать требуемые характеристики конвертоплана и число желаемых судов. Тогда, быть может, дело сдвинулось бы с мертвой проектной точки.

Шамиль БАЙБЕКОВ.