Несколько лет работы молодого американского изобретателя Артура Янга (Arthur Young) привели к созданию первого практического двухлопастного несущего винта (НВ) вертолета.
Несколько лет работы молодого американского изобретателя Артура Янга (Arthur Young) привели к созданию первого практического двухлопастного несущего винта (НВ) вертолета. Изобретателю удалось заинтересовать компанию Bell Aircraft, и в 1945 году на основе этого винта был создан один из первых практических вертолетов Bell 47. С тех пор, на протяжении более полувека, двухлопастные винты стали визитной карточкой вертолетов фирмы Bell - от легких Bell 47 и Bell 206 до внушительных Bell 209 и Bell 214. Война США во Вьетнаме прошла под стук двухлопастных винтов транспортного UH-1 Huey и ударного AH-1 Cobra.
Ассоциация вертолетной индустрии,Простой, малодетальный и недорогой двухлопастный винт с общим горизонтальным шарниром (ГШ) на оси вала привлекал и до сих пор привлекает разработчиков легких вертолетов. Наиболее успешными современными вертолетами с двухлопастным НВ стали вертолеты американской фирмы Robinson Helicopters – R22 и R44. Отсутствие вертикальных шарниров (ВШ) в двухлопастном НВ обеспечивает еще одно серьезное преимущество такого винта – отсутствие проблем с земным резонансом. Шарнирное сочленение НВ с валом обеспечивает безмоментную (без изгибающего момента) схему передачи нагрузок на вал, что позволяет использовать валы небольшого диаметра и получить экономию в массе главного редуктора.
У двухлопастного винта есть и недостатки. Самый серьезный из них – потеря управляемости вертолетом при падении оборотов НВ или при попадании вертолета в режим пониженной перегрузки. Падение оборотов НВ ниже критических может привести к удару лопастей по хвостовой балке. Попадание в режим пониженной перегрузки может привести к ударам винта по упорам на валу – маст бампинг (mast bumping).
Западные источники указывают на потерю более 50 вертолетов фирмы Bell во Вьетнамской войне по причине mast bumping. Отработка полетов армейских вертолетов Bell с огибанием рельефа местности сопровождалась возросшей аварийностью. В период с 1979 по 1994 год 29 пилотов вертолетов R22 разбились из-за потери оборотов НВ и управляемости вертолета. К сожалению, происшествия с вертолетами Robinson и более крупными вертолетами фирмы Bell по вышеприведенным причинам продолжают происходить.
Удары лопастей по хвостовой балке
Установившийся горизонтальный полет вертолета с двухлопастным НВ на общем ГШ мало чем отличается от полета вертолета с разнесенными ГШ. В балансировке вертолета с двухлопастным НВ отсутствует момент втулки несущего винта. Управление вертолетом осуществляется наклоном винта. Появляющиеся при этом поперечные (действующие по нормали к валу) составляющие тяги винта создают управляющие воздействия по крену и тангажу.
При значительном падении тяги винта ее поперечные составляющие перестают играть значимую роль в балансировке. Происходит потеря управляемости вертолетом. Нарастающий поток снизу поднимает оперение вверх, и вертолет под действием своей массы переходит в пикирование. Летчик инстинктивно берет ручку циклического шага (ЦШ) на себя. Винт наклоняется назад, навстречу хвостовой балке. Удар лопастей по балке неизбежен. Ситуацию омрачает тот факт, что падающий вертолет с потерянными оборотами двухлопастного НВ обречен вне зависимости от того, ударит винт по балке или нет.
Падение тяги винта происходит при потере оборотов винта и носит нелинейный характер. В критический момент несущая способность винта пропадает скачкообразно, что связано со срывом потока с лопастей как у крыла самолета, срывающегося в штопор. Так, для вертолета R22 падение оборотов до 80% плюс 1% на каждые 300 м высоты фактически означает «остановку винта» с вышеприведенными последствиями. И хотя R22 оборудован автоматом поддержания оборотов, его возможности ограничены. Особое внимание должно быть уделено при полетах с максимальной взлетной массой, в условиях повышенных температуры и высоты. Так, если летчик по условиям полета превысит располагаемую мощность двигателя, то вертолет перейдет в снижение. Попытка восстановить горизонтальный полет взятием рычага общего шага (ОШ) приведет к еще большей скорости снижения вертолета и падению оборотов винта. Ситуация перейдет в критическую фазу. Пилоту останутся несколько секунд для исправления ситуации.
Летчику важно незамедлительно реагировать на предупредительные сигналы о падении оборотов НВ – уменьшить общий шаг винта с одновременной дачей коррекции (открытием дроссельной заслонки двигателя). В горизонтальном полете быстро восстановить обороты поможет взятие ручки ЦШ на себя. В принципе, обороты винта, при которых ситуация становится критической, находятся значительно ниже нормальных эксплуатационных оборотов, и, если летчик не совершит грубых ошибок, он без труда сможет избежать опасного режима.
Следует также избегать резкого взятия рычага ОШ, так как двигатель имеет приемистость, а винт – инерцию. В условиях пониженных оборотов НВ к необратимой ситуации может привести дача ручки ЦШ от себя.
Mast bumping
У вертолета с двухлопастным НВ с общим ГШ на валу планер шарнирно подвешен под винтом наподобие маятника и его балансировочное положение определяется силами и моментами планера и рулевого винта. В продольной и поперечной балансировках при воздействии возмущения масса планера вертолета является восстанавливающей (демпфирующей) силой, действующей на плече возмущенного отклонения. Представим, что в режиме горизонтального полета летчик осуществил энергичное воздействие в канале продольного управления, толкнув ручку ЦШ вперед. Уменьшение угла атаки несущего винта, вызванное управляющим воздействием, приводит к увеличенному протеканию потока воздуха через винт, падению оборотов и тяги несущего винта. Чем энергичнее движение ручки ЦШ вперед и больше соответствующий расход управления, тем значительнее падение оборотов и тяги винта.
Движение ручки ЦШ вперед приводит к изменению траектории полета вертолета с уменьшением вертикальной перегрузки ниже 1. Реализуемое значение перегрузки также зависит от интенсивности управляющего воздействия и расхода управления.
Планер вертолета под действием первичного управляющего воздействия начинает вращательное движение на пикирование. Поднимающийся относительно несущего винта рулевой винт создает увеличивающийся кренящий момент вправо (для вертолетов с направлением вращения винта против часовой стрелки при виде сверху). Вертолет заваливается вправо.
Фирма Robinson Helicopters много внимания уделяет данному опасному явлению. Она проводила свои собственные летные испытания, во время которых летчик-испытатель фирмы Тим Таккер определял границы наступления опасного режима, способы выхода.
Летчик инстинктивно дает ручку ЦШ влево. Провал в тяге винта (уменьшение угла атаки винта и падение его оборотов) не позволяет реализовать поперечную силу, достаточную для парирования кренения вправо. В условиях снижения массы вертолета (пониженная перегрузка) восстанавливающего момента также не хватает. В то же время винт, реагируя на управляющее воздействие летчика, легко идет влево.
В худшем случае реализуется встречное движение «вал вправо – винт влево». Винт начинает бить по упорам на валу на азимуте 270 град. с оборотной частотой. Получаемое нерасчетное нагружение вала переменной (ударной) нагрузкой приводит к разрушению вала с отсоединением винта от вертолета.
Избежать mast bumping
Ситуация усугубляется тем, что вышеописанные процессы протекают быстро, что может затруднять оценку происходящего. Западные специалисты отмечают, например, что угловая скорость кренения вертолета вправо может достигать 100 град/сек. И хотя летчикам дается совет при снижении перегрузки и развивающемся правом крене не давать ручку ЦШ влево – реализация такого совета затруднена выработанными навыками. Отмечается, что летные происшествия по причине mast bumping напрямую не связаны с опытом летчиков и не свойственны какой-то их группе. Им в равной мере оказались подвержены и профессиональные пилоты и пилоты-любители.
Если пилот почувствовал снижение перегрузки и развитие правого крена, правильным действием считается не парирование крена, а взятие ручки ЦШ на себя до положения, соответствующего полету вертолета хвостом вперед. Только после восстановления нормальной перегрузки следует предпринимать какие-либо действия в канале поперечного управления.
Как мы можем видеть, к неблагоприятному развитию событий приводит ряд действий пилота, которые в случае вертолета с двухлопастным НВ являются опасными. Первое – не толкать ручку ЦШ вперед. Для перевода вертолета в горизонтальный полет после набора высоты или для перехода к снижению рекомендуется работать рычагом ОШ, а не ручкой ЦШ. Полеты армейских вертолетов Bell с огибанием рельефа местности вызвали серию катастроф из-за маст бампинг, пока это опасное явление не было изучено, в том числе значение первичного движения ручки ЦШ вперед.
Рекомендацию не толкать ручку ЦШ вперед сложнее выполнить в неспокойной атмосфере. Практические полеты вертолетов происходят в приземном слое атмосферы, для которого в дневное время характерна турбулентность. Легкие вертолеты, такие как R22 и R44, характеризуются низкой нагрузкой на винт и в силу этого подвержены сильной болтанке. В этих условиях контролировать естественные действия ручкой ЦШ (в том числе и движение ручкой вперед) – непросто. Более того, чтобы попасть в режим пониженной перегрузки, совсем не обязательно толкать ручку ЦШ вперед. Вертолету достаточно влететь в нисходящий поток. Хорошая, солнечная дневная погода создает условия термической активности земной поверхности с созданием в воздухе постоянно чередующихся зон восходящих и нисходящих потоков.
Особое беспокойство вызывают пилоты, начинавшие карьеру на самолетах. В их глубоком подсознании закреплена установка «чуть что не так – ручку от себя», что в случае пилотирования вертолета с двухлопастным НВ катастрофически опасно. Можно сказать, что пилотирование вертолетов с двухлопастным НВ для пилотов, имеющих самолетный опыт, – противопоказано.
Традиционные НВ
В отличие от двухлопастных НВ с общим ГШ на оси вала традиционные многолопастные (три и более лопастей) винты вертолетов имеют разнесенные ГШ. Отклонение осей таких винтов от оси вала приводит к росту момента на втулке, что заставляет вал двигаться за винтом и винт за валом. Так как момент на втулке определяется в основном центробежными силами лопастей и углами их отклонения, то уменьшение центробежных сил при потере оборотов винта компенсируется возросшим маховым движением. Таким образом, на традиционных винтах потери управляемости вертолетом в схожих с вышеописанными ситуациях не происходит, то есть вертолеты с традиционным НВ прощают те ошибки, которые на вертолетах с двухлопастным НВ являются катастрофическими.
Яркой иллюстрацией преимуществ вертолетов с традиционным винтом является возможность выполнения на них пилотажа. Например, на вертолете Ми-34 выполняется даже высший пилотаж – петли, бочки и др., в том числе и фигуры с околонулевыми перегрузками (см. интервью с С.С. Барковым в «ВИ» №7 2007 г.).
Заключение
Есть определенный парадокс в том, что вертолеты с «опасными особенностями» являются самыми массовыми в мире. Так, двухлопастные: Bell 47 – самый массовый поршневой вертолет (около 7000 шт.); Bell 204/205 – самый массовый вертолет в мире (более 15 000 шт.); Bell 206 – самый массовый легкий газотурбинный вертолет (более 7000 шт.); R22 и R44 – самые выпускаемые сегодня вертолеты (около 800 шт./год). Объяснение лежит, видимо, в высокой экономичности этих вертолетов, в том числе и по причине простоты и низкой стоимости их двухлопастных НВ.
Фирмы Bell и Robinson уделяли и уделяют вопросам безопасности большое внимание. Интересно то, что в конечном итоге фирма Bell после 50 лет широкого использования отказалась от своего фирменного двухлопастного НВ. Весь современный модельный ряд фирмы Bell – от легкого Bell 407 до боевого Bell 409 (AH-1Z) – вертолеты с 4-лопастными НВ.
Фирма Robinson после череды катастроф на R22 установила гавернер (governоr) – автомат поддержания оборотов НВ с электронным контроллером. Такой же автомат был установлен и на R44. Кроме того, на вертолетах Robinson установлены световая сигнализация и сирена, сигнализирующие о падении оборотов НВ до опасного значения. На ручке ЦШ вертолета R44 появилась надпись «Запрещена дача ручки ЦШ вперед, которая может привести к созданию малой перегрузки» (Low G pushovers – prohibited). В руководстве по летной эксплуатации вертолетов Robinson написано: «Не для пилотажа»; «Необходимо избегать полетов в условиях турбулентности»; «Пилоты самолетов – категория повышенного риска при пилотировании вертолетов». Все эти мероприятия напоминают и в некоторой степени помогают летчику избежать опасной ситуации, однако не могут устранить сами катастрофические явления до конца.
Низкие цена и стоимость летного часа вертолетов Robinson привлекают начинающих пилотов. Таким пилотам нужен вертолет, который прощал бы ошибки пилотирования. По высказыванию самого Фрэнка Робинсона (F. Robinson), «вертолеты Robinson не самые прощающие, и требования по подготовке на них пилотов должны быть жестче».
Дополнение
Рассказ о катастрофическом явлении на двухлопастных вертолетах не был бы полным без повествования летчика, эксплуатирующего данные типы. Поэтому мы приводим исследование по mast bumping пилота-инструктора R44 Игоря Севбо.
Начиная с 2003 года в России началась интенсивная эксплуатация вертолетов зарубежного производства. Наиболее популярным типом стал вертолет Robinson R44. В настоящее время общее количество воздушных судов данного типа в РФ составляет 150 шт. Вероятно, R44 станет наиболее массовым легким вертолетом в нашей стране уже совсем скоро, учитывая, что единственный «легкий вертолет» Ми-2 постепенно cходит со сцены. Новых Ми-2 уже давно не делают, продления ресурса и календаря рано или поздно закончатся, да и по экономическим соображениям Ми-2 есть смысл эксплуатировать только в том случае, если он достался эксплуатанту бесплатно.
Начало эксплуатации зарубежной вертолетной техники было непростым. В каждой стране развитие конструкций, инфраструктуры, технологии, летной и технической эксплуатации идет своим путем. И авиационная техника, развивавшаяся независимо, будет отличаться. Отечественная, например, требует меньшей квалификации технического персонала, нет необходимости использовать дорогостоящее оборудование и инструменты, может эксплуатироваться и храниться в более широких климатических условиях, прощает ошибки летчика и превышения эксплуатационных ограничений. Зарубежная техника более эффективна, имеет большие ресурсы и сроки службы, но требовательна к качеству ГСМ.
В качестве конструктивных особенностей некоторых зарубежных вертолетов стоит отметить другое направление вращения несущего винта, место пилота справа, наличие измерителей крутящего момента с записью на самописцы, двухлопастную втулку НВ, отсутствие механизмов загрузки ручки, ограничителей расхода топлива, фрикционы управления, электронные регуляторы оборотов и другие отличия, влияющие на технику пилотирования и условия применения. Некоторые отличия при освоении преодолеваются. Но есть особенности, неучет которых может привести к потере техники и гибели людей.
Так, было разбито большое количество техники, причем опытными летчиками, среди которых были даже летчики-испытатели, по причине противоположного направления вращения коррекции. Русские летчики привыкли к тому, что коррекция на увеличение режима двигателя вращается вправо, к тому же крутить надо до упора, дальше все делает регулятор оборотов. Наоборот, на всех вертолетах зарубежного производства коррекция на увеличение крутится влево, причем поршневых вертолетах без регулятора ей нужно непрерывно работать. К счастью, все аварии были без человеческих жертв, но некоторое количество вертолетов Exec и Schweizer было разрушено. Одной из причин данных аварий было несколько снисходительное отношение к незнакомой легкой технике со стороны опытных летчиков. В дальнейшем опыт учли, при покупке нового вертолета стали посылать пилота на переучивание к производителю, появился опыт и проблема была решена.
Очень опасной особенностью вертолетов с двухлопастным несущим винтом R44, Bell 204/205 (UH-1) Iroquois, Bell 206 Ranger и других является подверженность явлению, известному как mast bumping (подробнее о сути явления mast bumping см. в предыдущем материале). Точного перевода на русский язык у данного термина нет. Переводят часто как «повышенная вибрация мачты», «полет с малой перегрузкой», «биение колонки». Мне больше нравится вариант «удар по упорам».
При полном отклонении ручки управления плоскость вращения лопастей отклоняется примерно на 110 град. А для того, чтобы втулка ударила по упору на валу, плоскости вращения винта необходимо отклониться на угол около 150 град. При наступлении mast bumping удары о колонку становятся более сильными при каждом последующем взмахе лопасти. Это, в свою очередь, вызывает еще большее маховое движение лопастей. В результате может быть серьезно повреждена колонка несущего винта или весь несущий винт может оторваться от вертолета.
В условия невесомости и mast bumping можно попасть не только при выполнении резких маневров, но и в условиях сильной турбулентности. В случае попадания в турбулентность следует уменьшить поступательную скорость полета, плавно работая органами управления. Если турбулентность становится чрезмерной, следует рассмотреть возможность посадки. Чтобы бороться с болтанкой, крепче держите ручку управления. Для этого обоприте руку с ручкой о ногу. Даже если турбулентности нет, не совершайте резких движений ручкой и общим шагом.
Оказавшись в состоянии пониженной силы тяжести, которое можно почувствовать по невесомости и неконтролируемому крену вправо, следует немедленно плавно потянуть ручку циклического шага на себя, но необходимо избегать больших перемещений в данном направлении. Не пытайтесь убрать крен поперечным перемещением ручки циклического шага. Перемещение ручки циклического шага на себя нагружает несущую систему и создает тягу несущего винта. После восстановления тяги поперечные перемещения ручки циклического шага влево снова становятся эффективными и крен можно убрать.
Уменьшение перегрузки при быстром входе в режим авторотации не является проблемой, так как опускание рычага «шаг – газ» вниз одновременно уменьшает как подъемную силу винта, так и момент вращения винта, и, следовательно, уменьшается тяга рулевого винта, требуемая для компенсации момента. Даже если пилот при переходе на авторотацию вовремя не уменьшит тягу рулевого винта дачей педали, то возникнет скольжение, за счет которого тяга рулевого винта уменьшится автоматически по достижении соответствующего изменения курса.
Данная особенность вертолетов с двухлопастными винтами особенно опасна для России ввиду того, что наши летчики никогда не опасались энергичного маневрирования, выходов из горки путем отдачи ручки от себя. И полезная привычка бояться попадания в невесомость годами не вырабатывалась. Авиационные происшествия, которые происходят из-за mast bumping, в результате малой перегрузки, почти всегда заканчиваются смертельным исходом. Следует ограничить пилотаж по сравнению с вертолетами с трехшарнирной втулкой (Ми-2, Ми-8) или креплением лопастей на резиновых эластомерах (вертолеты Eurocopter, Bell 407). При полетах по приборам необходимо более внимательно следить за пространственным положением, не допуская больших кренов и углов тангажа, так как вывод из сложного положения может быть невозможен. При необходимости резкого перехода на снижение после набора высоты следует делать это опусканием шага, а не отдачей ручки от себя. Полеты в сильную турбулентность, а значит, и в горах, требуют большего напряжения и возможны при более спокойной погоде. Инструкторы должны более внимательно контролировать действия курсантов с учетом также отсутствия, как правило, механизма загрузки в системе управления.
Фирма Robinson Helicopters много внимания уделяет данному опасному явлению. Она проводила свои собственные летные испытания, во время которых летчик-испытатель фирмы Тим Таккер определял границы наступления опасного режима, способы выхода. На высоте около километра, надев спасательный парашют, Тим выполнял чрезвычайно опасные эксперименты. Ввод в условия невесомости проводился методом резкой отдачи ручки до специально установленного упора. Перегрузку на режиме постепенно уменьшали, увеличивая скорость ввода и отодвигая вперед упор. При этом измерялись перегрузка, скорость, угол взмаха лопасти относительно вала. Пробовали разные методы вывода. Полученный опыт позволил определить границы наступления катастрофической ситуации.
РЛЭ вертолетов Robinson рекомендует в целях уменьшения риска выполнять крейсерский полет в диапазоне скоростей между 60 узлами и 0,9 Vne (непревышаемой скорости), устанавливать максимальные обороты моторного полета, избегать скольжений, резких отклонений органов управления. По словам Тима Таккера, самое важное – не совершать ошибочных действий. Лучше не делать ничего, главное в невесомости при возникновении правого крена – это не пытаться исправить крен до загрузки ротора. Опытнейший английский пилот Майк Смит рекомендует во время маневров следить за проекцией конуса несущего винта на остеклении и опасаться его смещения.
Несмотря на достаточно хорошую изученность, mast bumping сохраняет свою опасность. Так, в 1980–1990-х годах 9% катастроф со смертельным исходом на вертолетах Robinson произошли по причине попадания в невесомость, в 1990–2000-х годах – 7 %. Раньше на летных курсах фирмы Robinson учили выходу из данной особой ситуации. В полете опытный летчик-инструктор плавно отдачей ручки уменьшал положительную перегрузку, демонстрировал начало правого вращения и обучал правильным действиям по загрузке ротора. Но однажды в Германии произошел трагический случай. Шеф-пилот небольшой летной школы, вернувшись после обучения на Robinson, посадил еще троих своих инструкторов в вертолет и продемонстрировал mast bumping. В результате все погибли, что привело к закрытию школы и прекращению обучения данному режиму на фирме Robinson Helicopters.
Источник: Avia.ru
