Нетехнологические проблемы передней кромки

07.01.2013

Один из ключевых элементов вертолета, благодаря которому в обиходе его именуют винтокрылом – лопасти, при всем внимании, с которым к ним относятся вертолетостроители, в смысле новшеств продолжает оставаться наиболее консервативным элементом конструкции, едва вспаханной целиной вертолетных технологий. На ней, благодаря инновациям, чуть ли не каждый саженец грозит превратиться в стройное дерево. Однако будет ли оно развиваться и плодоносить зачастую зависит не от технологий и генетической предрасположенности «растения».

Большая промышленность обещает скорый прорыв

И, тем не менее, именно технологии остаются основной движущей силой, позволяющей обеспечивать технику новыми свойствами. И большую роль здесь играет тренд. Сегодня большинство разработчиков считает, что через какой-то десяток лет лопасти вертолетов будут строиться в основном из углеродного волокна. Плюс к тому, всевозможные элементы, позволяющие контролировать состояние лопасти, а также обеспечивать ее летные характеристики и износостойкость (датчики, обогреватели и т.п.) из навесного оборудования приобретут статус встроенного.

При этом необходимо понимать, что лопасти из углеволокна применяются на вертолетах еще с 1970 годов. Пример тому – SA 330 Puma творение компании Aйrospatiale. Основной мотив применения карбона – снижение веса лопасти, повышенный срок службы, хорошая переносимость повреждений, отсутствие проблем с коррозией и высокая надежность. Более новые типы вертолетов, такие как UH-60M, оснащенные лопастями из углепластика, уже прошли проверку афганскими условиями эксплуатации и показали хорошие результаты.

Развивая тему, стоит обратить внимание на перспективу применения на лопастях так называемой пассивной механизации, которая позволяет улучшать их несущие свойства в разных режимах полетов. Как отмечает Национальное агентство инноваций Великобритании, установлено, что повышения летно-технических характеристик можно добиться использованием щиткообразного устройства на задней кромке лопасти. Правда пока это новшество не планируется использовать на существующих лопастях, по-видимому, исходя из экономических соображений. Во всяком случае, такого мнения придерживаются министерство обороны США и научно-производственная компания Sikorsky Aircraft Company, которая также занята исследованиями в этой области. И это стандартная технологическая политика ведущих разработчиков вертолетной техники: перспективные разработки приберегаются на лучшие времена, для будущего модельного ряда. А пока основная масса вертолетных лопастей строится по испытанным технологиям. Экономика НИОКР диктует, что любой агрегат, механизм, идея, должны полностью выработать заложенный в них потенциал.

«Малыши» обгоняют на повороте, но остаются не признанными

Благодаря усилению конкуренции на вертолетном рынке, никому из разработчиков не под силу сохранять статус кво. Неповоротливые механизмы внедрения свежих лопастных идей обычно преодолевались участием мировых вертолетостроительных компаний в щедро финансируемых военных разработках (для улучшения эксплуатационных характеристик вертолетов в сложных условиях ведения боевых действий). Сегодня прогресс в усовершенствовании лопастей не только переместился в гражданскую сферу, — не последнюю роль на этом поле начинают играть нишевые разработчики вертолетной техники и оборудования, а порой и самые обычные энтузиасты, задумавшиеся и об экономии, и о некой перспективной прибыли, которую можно получить, обогнав мэтров вертолетостроения «на повороте».

Все это очень сильно походит на ситуацию, когда студенческие курсовые работы в профильных институтах порой превосходят по новизне, дешевизне и технологичности существующие решения. Однако в силу инерции, а то и просто невнимания к ним со стороны лидеров авиастроения, такие идеи отправляются на полку, чтобы через десятилетия проявиться в виде «новейших, прорывных» технологий, по цене на порядки превосходящие уже существующие решения.

Вертолетные лопасти — это практически последний элемент современного вертолета, в отношении которого можно привести примеры так называемой технической инициативы, которую реализуют на свой страх и риск отдельные исследователи и небольшие компании. Пример подобной инициативы связан с поиском способов защиты лопастей от абразивного воздействия воды и песка, что особенно проявляется в отношении передней кромки, которая быстро изнашивается, будучи изготовленной даже из титановых сплавов. При этом ремонт передней кромки является ни легким, ни дешевым занятием.

Как спасти лопасть и не проиграть?

Решая «песчаную» проблему старейшая на рынке вертолетов, но так и не попавшая в число грандов вертолетостроения, американская компания Kaman Aircraft, применяют антиэрозионное напыляемое покрытие. За последние годы оно было использовано на более чем 2500 лопастях вертолетов Sikorsky UH-60 Black Hawk, эксплуатируемых в условиях Ирака и Афганистана. При этом специалисты отмечают, что иракские условия являются значительно более мягкими по сравнению со среднеазиатскими по причине более мелкого по размерам песка и как следствие его меньшего абразивного воздействия на лопасти вертолетов.

Более распространенный способ защиты лопасти, особенно на легких вертолетах – применение специальных сменных кассет-покрытий, выполненных в виде лент, наклеиваемых на переднюю кромку. Вместе с тем и тут налицо так называемое промышленное пренебрежение к особенностям подобного способа защиты. Получается что, предлагая эксплуатантам решение проблемы, разработчики вынуждают их мириться с негативными последствия его применения. Ведь подобные средства приводят к снижению аэродинамических свойств лопасти. Причиной этого являются вихри, возникающие на задней кромке ленты, возвышающейся над плоскостью лопасти на миллиметр и больше. Эти вихри, спускаясь вниз по лопасти во время вращения ротора, нарушают ее обтекание воздушным потоком, создавая дополнительное сопротивление. В конечном итоге это приводит к снижению производительности силовой установки вертолета в среднем на 4-5%, хотя этот факт никак не отражается в сопроводительной документации к системе защиты. Еще один недостаток таких лент – необходимость их полной замены в случае выработки даже небольшого участка по длине лопасти. Это довольно трудоемкий процесс, требующий предельной аккуратности и навыка. Парадокс заключается в том, что даже, несмотря на длительное время применения таких лент и наличие массы отрицательных отзывов со стороны эксплуатирующих организаций, производители не предпринимают никаких шагов по устранению недостатков. Это в очередной раз подтверждает мнение о том, что большая промышленность занята в основном сама собой и теми «прорывными» технологиями, которые обещают большие прибыли. Так что минимизацией потерь от применения таких разработок, а то и улучшением их качеств, в лучших советских традициях занимаются инженеры-энтузиасты. Кому, кому, а именно им доподлинно известны не только огрехи промышленности, но и способы их устранения.

Способ, опрокинувший все «но» «большой» промышленности

Здесь с исследованиями, выполненными на своем Robinson R22 известен Питер Айленд, пилот самолетов и вертолетов, в свое время служащий в королевских ВВС Новой Зеландии, Австралии, а также ряде гражданских авиационных компаний. Его способ решения задачи, также основанный на применении защитных лент, получил ряд патентов.

Основное отличие ленточной системы защиты передней кромки лопасти, предлагаемой Айленд, заключается в конструкции задней кромки ленты, на которую промышленность с завидным упорством не обращает внимание. В отличие от промышленной, создающей паразитные возмущения по всей длине лопасти, новая лента изобретателя, напротив, использует генерируемые ею вихри для улучшения аэродинамических качеств лопасти. Причем вихри «от Айленда» создаются с использованием пассивной механизации лопасти, построенной на основе специально спроектированной задней кромки защитной ленты, по сути, ставшей объектом патентной защиты. Суть новшества в том, что вихри «от Айленда», направленные перпендикулярно длине лопасти, прижимают воздушный поток к ее поверхности, тем самым увеличивая ее аэродинамическую производительность.

Лента Айленда также предлагает преимущества от точки зрения обслуживания. При ее применении менять можно лишь выработанные участки, оставляя нетронутыми остальную часть защитной ленты вдоль лопасти.

Путем сопоставления данных на своем вертолете Питер выяснил, что при использовании его разработки аэродинамическая производительность оборудованной защитой лопасти увеличивается в среднем на 10 % по сравнению с «чистой» лопастью. Это привело к ряду положительных моментов – снижению расхода топлива; увеличению частоты вращения винта на авторотации, что снизило скорость снижения вертолета на этом режиме; увеличению выбега ротора на земле.

В настоящее время Айленд ведет разработку мер, направленных на увеличение эффективности хвостового винта. Ранние тесты продемонстрировали значительное улучшение производительности и там.

Идеи новые, болезни внедрения старые

Стоит сказать, что концепции Питера Айленда, хоть и защищенной патентами, потребуется еще много времени и средств и испытаний, чтобы она приобрела статус промышленного, разрешенного к применению в вертолетной авиации способа защиты лопасти и увеличения ее аэродинамических качеств. Пока это всего лишь удачный способ эффективно решать имеющиеся проблемы, реализуемый в виде услуги. Не менее показательна в этом контексте и история компании Kaman Aircraft, некогда поднявшейся на выпуске Seasprite для ВМС США, но так и не закрепившейся на вертолетном рынке. Выходом стала разработка разнообразных авиационных комплектующих, включая патент на антиэрозионное покрытие кромки лопастей. В любом случае нишевая альтернатива в сфере инноваций является нешуточным катализатором для развития конкурентной среды в деле качественного обеспечения конечного потребителя. Для россиянина такое благо можем быть неочевидным: зачем развивать внутренний рынок и повышать его возможности, когда проще прикупить технологий и идей за границей. Да просто это лучший способ кратного увеличения общественного богатства, до которого далеко прибыли от реализации нефти и газу.

Здесь надо добавить, что Питер – легитимный изобретатель, который всерьез может рассчитывать на перспективу выстраивания бизнеса на базе своих лопастных инноваций, чего не скажешь о многих его российских коллегах, чья изобретательская деятельность вне системы КБ обычно воспринимается, как досуг неудачника, — лузера от профессии. Мы уже не в первый раз рассказываем о гаражных корнях и традициях западного авиастроения, где и поныне шанс выбиться в лидеры имеют «производители на коленке», без бюджета, с ограниченной технической базой, но с парой жизнеспособных идей в арсенале. Сохраняет актуальность шуточный советский афоризм про «два мира – два Шапиро».

Русские авиационные умельцы воспринимаются маргиналами не потому, что не приняты профессиональным сообществом, а потому что заведомо не интересны – ни государству, ни потенциальным инвесторам. А что-то внедрять без госбюджета или партнера из-за границы считается в наших пенатах клинической глупостью. Представить российского конструктора-инженера на вольных хлебах, занимающегося собственным проектом – это сюжет из области социальной фантастики. Однако именно такое будущее должны рисовать все, кто верит в развитие и перспективы российского авиационного предпринимательства.