Когда в марте на выставке Verticon в Далласе компания Robinson Helicopter представила свою новую модель R88, и реакция на нее была не столь однозначно положительной. 10-местный R88 станет самым большим вертолетом Robinson, первым новым типом с момента сертификации в 2010 году R66 и первым примером сотрудничества с Safran, которая будет поставлять двигатель Arriel 2W для этого вертолета.
Тем не менее, этот в остальном новаторский продукт для Robinson сохраняет самую спорную особенность своей существующей продуктовой линейки: двухлопастный несущий винт с общим горизонтальным шарниром (качающийся винт), который, как и все подобные системы, подвержен опасному явлению удара о упоры на валу (бампинг). Для критиков решение придерживаться двухлопастного винта было упущенной возможностью улучшить безопасность, а также маневренность, качество полета и шум.
Генеральный директор Robinson Дэвид Смит открыто говорил о преимуществах простой двухлопастной несущей системы, включая доступность и простоту обслуживания. Однако он не забывает и о недостатках, и недавно связался с Vertical для более подробного обсуждения компромиссов, связанных с конструкцией винта R88.
Многие, возможно, не осознают, что процесс проектирования еще продолжается. Хотя несущая система R88 будет иметь некоторые сходства с R22, R44 и R66, она не будет просто их увеличенной версией. «Это совсем не похоже на R22; это на самом деле всего лишь небольшое наследие», — сказал Смит во время интервью в апреле. «Так что будущее вытекает из этого прошлого, но не определяется им».
Пока Robinson готовится к первому полету в следующем году, инженеры компании размышляют о характеристиках управляемости и авторотации R88, конструкции втулки и лопастей несущего винта, устойчивости, вибрации и шуме, а также о дополнительных мерах, которые компания принимает для снижения риска бампинга.
Возвращаясь к Huey
Анонсируя R88 на Verticon, Смит представил его как «пикап» для коммунального сектора, проведя сравнение с почтенными вертолетами Bell Huey, которые десятилетиями доминировали в миссиях с внешней подвеской, таких как пожаротушение. И на самом деле общая динамика несущей системы, скорее всего, будет больше напоминать Huey, чем небольшие вертолеты Robinson, сказал Смит.
«Это винт с более широкой хордой, что изменит характеристики нагрузки на лопасть и основные характеристики винта», — сказал он. «Мы не проектируем его как нечто быстро летающее и ловкое. Это рабочая лошадка, и она будет поднимать много людей, или поднимать много груза и воды, или на внешней подвеске».
Вертолеты Huey известны своим высокоинерционным несущим винтом, который особенно эффективен при авторотации, и Смит предположил, что несущая система R88 будет иметь схожие характеристики, с пропорционально более тяжелыми лопастями, чем у существующей линейки Robinson.
«Конструкция системы, с точки зрения числа Лока (отношение аэродинамических сил, которые поднимают лопасти винта, к инерционным силам, которые удерживают лопасти в плоскости вращения), будет больше соответствовать характеристикам авторотации вертолетов, таких как Huey, которые обладают большой энергией», — сказал Смит, имея в виду соотношение подъемных сил к силам инерции в несущей системе.
Он сказал, что ожидает, что число Лока лопасти несущего винта R88 будет в группе «низких чисел» вместе с такими вертолетами, как Bell LongRanger, Cobra и R66, у которых это число составляет около пяти-шести. Это контрастирует с вертолетами с менее благоприятными характеристиками авторотации, включая Bell 412 (с числом Лока больше семи) и Sikorsky S-76 (около девяти).
Аргументы в пользу горизонтальных шарниров
Одним из ключевых сходств между несущей системой R88 и традиционной конструкцией несущей системы Robinson является использование горизонтальных шарниров, которые представляют собой отдельные шарниры лопастей, установленные под центральным качающимся шарниром в трехшарнирной несущей системе Robinson. На протяжении многих лет некоторые люди утверждали, что горизонтальные шарниры являются причиной относительно высокой частоты бампинга в вертолетах Robinson, несмотря на собственное заключение компании о том, что более важным фактором конструкции был ее оригинальный асимметричный горизонтальный стабилизатор.
R88 будет иметь симметричный горизонтальный стабилизатор, разработанный с самого начала, поэтому вертолет не должен испытывать склонность к крену в условиях отрицательной перегрузки, которую вызывала оригинальная асимметричная конструкция Robinson. В качестве дополнительной защиты от бампинга R88 будет оснащен четырехосевой усовершенствованной системой управления полетом (AFCS) с защитой от отрицательной перегрузки, аналогичной недавно сертифицированной в автопилоте Garmin GFC 600H для R66.
В R66 с GFC 600H, если вертолет попадает в условия отрицательной перегрузки, когда пилот не управляет им, AFCS автоматически загрузит винт и предотвратит любое движение по крену. (В сценарии с бампингом этот крен является действием, которое приводит к контакту между основанием лопасти, идущей вниз, и упором вала, что обычно приводит к катастрофическим результатам.) Если пилот находится в условиях отрицательной перегрузки, AFCS попытается загрузить винт и затруднит пилоту управление по крену.
«На основании всех наших исследований, всех наших симуляций, всех наших летных испытаний мы уверены, что это снизит вероятность бампинга при отрицательной перегрузке как причины аварий в нашем парке», — сказал Смит. Тем не менее, он признал, что в отрасли сохраняются подозрения относительно горизонтального шарнира: «Люди спрашивают о горизонтальном шарнире, потому что было много людей, которые неверно представляли, что делает горизонтальный шарнир и как он влияет на характеристики несущего винта», — сказал он.
Конусность — это тенденция лопастей несущего винта вертолета описывать конус при вращении из-за баланса центробежной и подъемной сил. Как Robinson ранее объяснял Vertical, качающиеся несущие системы без горизонтальных шарниров минимизируют изгибающие напряжения вблизи основания лопасти за счет предустановленного фиксированного угла конуса, который представляет собой угол конусности для типичного полета. Однако некоторый изгиб лопасти происходит всякий раз, когда происходит отклонение от типичного состояния.
Включение горизонтального шарнира позволяет несущей системе достигать требуемого угла конусности без изгиба лопастей. Исследование, проведенное в 2018 году исследователями из Мэрилендского университета, показало, что трехшарнирная конструкция Robinson приводит к снижению нагрузок на основание лопасти, а также к снижению изгибающих нагрузок на вале винта.
Поскольку компания уверена, что использование горизонтальных шарниров не сделает ее вертолеты более восприимчивыми к бампингу, она решила использовать эту конструктивную особенность и на R88. «Причина, по которой это сделано, — долговечность лопастей, чтобы они были прочнее и долговечнее», — сказал Смит. «У этой системы нет изгиба лопасти. В нее нет структурных элементов с предустановленным углом конуса. Поэтому это более простая лопасть для изготовления, более простая лопасть для осмотра, более простая жизнь для лопасти».
Лучше металлические лопасти
Простота также является основной причиной, по которой Robinson планирует использовать металлические лопасти несущего винта для R88, хотя в течение последних нескольких лет компания изучала возможность использования композитных лопастей. По словам Смита, если композитная лопасть «не служит значительно дольше, чем металлическая лопасть, то экономика не имеет смысла», и Robinson пока не удалось добиться продления срока службы, которое оправдывало бы ожидаемую стоимость производства.
«В конце концов, то, что действительно продает композиты в некоторых продуктах наших конкурентов, заключается в том, что они тратят много времени на настройку форм и конфигураций лопастей для характеристик висения, крейсерской скорости или шума», — добавил Смит. Но Robinson считает, что ожидаемый низкий вес пустого вертолета R88 означает, что это не должно навредить производительности, поэтому композитные лопасти — «одна из тех областей, где сок не совсем оправдывают выжимку, чтобы дать нашим клиентам то, что им нужно», — сказал он.
Однако Robinson планирует усовершенствовать базовую конструкцию лопастей и производственные процессы, чтобы продлить срок службы лопастей на R88 до 5000 часов, в соответствии со сроками между капитальными ремонтами двигателя и других компонентов. Это представляет собой значительное увеличение по сравнению с 2200 часами для текущих лопастей (или 2400 часов в случае R44 Cadet).
«С точки зрения окружающей среды, мы видим, что наибольшую угрозу для целостности лопастей в нашем флоте представляют коррозия и эрозия — много соли, много песка. Это то, что, как правило, старит наши лопасти быстрее, чем нам бы хотелось», — сказал Смит. «Мы хотим улучшить это с помощью сочетания лучших материалов [и] лучших процессов при склеивании, производстве и покраске лопастей».
Хвостовая часть будет определена позднее
В то время как Robinson использует различные инструменты моделирования и имитации для проектирования несущей системы R88, Смит заявил, что физические испытания, как правило, «дают превосходные результаты даже по сравнению с лучшими инструментами моделирования». «Мы с нетерпением ждем возможности изготовить детали, запустить наземный испытательный стенд, что, как мы ожидаем, произойдет в конце этого года или в начале следующего», — сказал он. Летные испытания последуют в свое время и, среди прочего, будут иметь решающее значение для совершенствования конструкции хвостового оперения вертолета, или хвостовой части.
Помимо изначального использования симметричного горизонтального стабилизатора, Robinson также стремится добиться улучшения путевой устойчивости за счет конструкции хвостового оперения R88. «Вы заметите, что на представленных нами изображениях хвостовой части — мы пока не представили хвост, но на хвостовом оперении показан набор концевых пластин, которые обеспечивают... лучшую курсовую устойчивость в любых условиях полета», — сказал Смит. «Когда мы полетим, мы узнаем, слишком ли он большой или слишком маленький, или его нужно доработать».
Компромиссы двухлопастных систем
Физические испытания также будут иметь ключевое значение для оценки характеристик вибрации конструкции и разработки необходимых мер по ее снижению. Смит признал, что R88, вероятно, будет иметь заметный скачок колебаний с частотой, в два раза превышающей частоту вращения, которые не присутствуют в многолопастных винтах, что «не является сюрпризом для тех, кто летает на Huey или Bell 212». Однако он оптимистично настроен, что современные аналитические инструменты помогут компании определить, где лучше всего разместить динамические виброгасители или выполнить локальное усиление жесткости планера, чтобы уменьшить наиболее неприятные вибрации.
Смит добавил, что высокий уровень вертикальной интеграции Robinson также должен стать преимуществом в устранении любых локальных вибраций, возникающих во время летных испытаний. «Это может быть трудно определить и изменить, когда структура или компоненты поставляются через три уровня производственной цепочки поставок», — сказал он. «Но у нас для возможности вносить изменения в структуру для лучшего смягчения вибрации, все есть здесь, на заводе».
Помимо более высокого уровня вибрации, двухлопастные несущие системы также имеют тенденцию быть более шумными, чем многолопастные винты, что Смит не отрицает. Он сказал, что Robinson изучает несколько заданных значений оборотов, используя систему полного цифрового управления двигателем (FADEC) Arriel 2W, чтобы достичь лучших шумовых характеристик.
«При условии отсутствия нежелательной вибрации, ухудшения характеристик авторотации или усталостных/динамических условий нагрузки это обеспечит значительное снижение шума для чувствительных к шуму условий полета, как это использовалось в других вертолетах в прошлом», — пояснил Смит, добавив, что Robinson также изучает возможность использования различных форм законцовок лопастей для потенциального снижения шума. «Мы рассчитываем оценить несколько форм для снижения шума с приемлемыми компромиссами в производительности. Оба эти усилия будут подтверждены в ходе летных испытаний».
При этом основным элементом стратегии компании является просто ориентация на рынки, которые менее чувствительны к шуму, будь то из-за характера миссий или географии.
«Хорошо продуманный, спроектированный и поддерживаемый однодвигательный [вертолет] и двухлопастная несущая система надежны для таких миссий, как подъем грузов, пожаротушение — то есть случаев, когда людей не волнует шум», — сказал Смит. «Реальность этого заключается в том, что у нас будет более высокая шумовая сигнатура, чем у многолопастных [вертолетов], разработанных с учетом шума, поэтому мы ожидаем, что значительные возможности будут в авиационных работах и пожаротушении».
Он предположил, что многие развивающиеся рынки могут быть менее чувствительны к шуму, чем устоявшиеся рынки в США и Европе, особенно когда шум сравнивается с другими характеристиками, такими как простота обслуживания. «Три четверти наших вертолетов эксплуатируются за рубежом. Все чаще проблема, с которой мы, как отрасль, сталкиваемся, связана с доступностью качественного обслуживания и ремонта, и я думаю, что это будет продолжать оставаться проблемой», — сказал он. «Одной из основных идей Robinson является то, что чем проще конструкция, тем легче обслуживать... Попытка сделать вертолет максимально простым — это существенный компонент того, что мы считаем экзистенциальным риском, связанным с доступностью технических специалистов в отрасли».
